早稲田大学大学院 創造理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
ネットワーク共用デバイスを用いた Ephemeral CPS の構成法に関する研究 Study on Ephemeral CPS Construction
Using Shared Devices in the Network
申 請 者
野口 博史 Hirofumi NOGUCHI
2019 年 12 月
No. 1
近 年 ,I o T ( I n t e r n e t o f T h i n g s )が 世 界 的 に 急 速 な 普 及 拡 大 を 見 せ て い る .I o T と は , あ ら ゆ る モ ノ を イ ン タ ー ネ ッ ト に 接 続 し , そ れ ら が 発 信 す る デ ー タ を 収 集 ・ 分 析 し , 最 適 な 状 態 に 導 く よ う に フ ィ ー ド バ ッ ク す る 一 連 の シ ス テ ム で あ る . 家 電 や 事 務 機 器 , 自 動 車 , 製 造 機 械 , 建 設 機 械 と い っ た 多 様 な デ バ イ ス が ネ ッ ト ワ ー ク に つ な が り , 経 済 発 展 と 社 会 的 課 題 の 解 決 に 向 け た 高 価 値 な サ ー ビ ス が 誕 生 し 始 め て い る .日 本 に お い て も ,政 府 主 導 の も と ,S o c i e t y 5 . 0 が 推 進 さ れ て お り , 交 通 , 医 療 , 介 護 , も の づ く り , 農 業 , 食 品 , 防 災 , エ ネ ル ギ ー と い っ た 多 岐 の 事 業 分 野 に 渡 っ て , サ イ バ ー 空 間 と フ ィ ジ カ ル 空 間 を 高 度 に 融 合 さ せ た シ ス テ ム で あ る C P S ( C y b e r - P h y s i c a l S y s t e m )の 研 究 開 発 , 環 境 整 備 が 進 め ら れ て い る . ま た ,サ ー ビ ス の 提 供 形 態 や 利 用 者 の 思 想 そ の も の が 近 年 ,大 き く 変 わ り つ つ あ る . モ ノ か ら コ ト へ の 支 払 い , つ ま り , モ ノ を 所 有 す る の で は な く 共 用 さ れ た モ ノ を 一 時 的 に 利 用 す る と い う 考 え 方 が 主 流 に な り つ つ あ る . こ の よ う な 背 景 の も と , I o T の 進 化 の 先 に は , 多 数 の サ ー ビ ス 事 業 者 が , ネ ッ ト ワ ー ク に つ な が る デ バ イ ス と デ ー タ を 共 用 し て サ ー ビ ス を 提 供 す る“オ ー プ ン I o T ”が 到 来 す る と 予 想 さ れ る .
本 研 究 は , オ ー プ ン I o T 時 代 に 適 し た 新 た な C P S の 形 態 と し て ,
「E p h e m e r a l - C y b e r - P h y s i c a l S y s t e m ( E - C P S )」 を 提 唱 す る .E - C P S と は , オ ー プ ン I o T の 前 提 に 基 づ き ,ネ ッ ト ワ ー ク に 分 散 す る 共 用 デ バ イ ス を 一 時 的 に 利 用 し て , オ ン デ マ ン ド に 構 成 す る C P S で あ る .情 報 通 信 サ ー ビ ス の 主 流 で あ る ク ラ ウ ド サ ー ビ ス の よ う に , 迅 速 か つ 高 い 経 済 性 を も っ て 実 現 さ れ る . 一 方 で , 共 用 デ バ イ ス を 用 い る と い う 性 質 上 , 機 能 や 性 能 , 設 置 条 件 が 多 様 な デ バ イ ス を 動 的 に 組 み 合 わ せ る と い う , 従 来 の C P S に は 無 い 重 大 な 要 件 が あ る .
具 体 的 に は ,C P S の 基 本 動 作 で あ る , 環 境 か ら の デ ー タ 収 集 に お い て , 広 域 ネ ッ ト ワ ー ク に 分 散 す る 大 量 の セ ン サ が 生 成 す る デ ー タ か ら 適 切 な も の を リ ア ル タ イ ム に 発 見 す る こ と が 必 要 で あ る . ま た , 同 じ く C P S の 基 本 動 作 で あ る , 環 境 へ の 作 用 に お い て , 多 数 所 有 者 が ネ ッ ト ワ ー ク に 接 続 し た , 多 様 な デ バ イ ス の 機 種 を 特 定 し た う え で , そ れ ら を 適 切 に 制 御 し て 一 体 の シ ス テ ム と し て 動 作 さ せ る こ と が 必 要 で あ る . 情 報 通 信 シ ス テ ム や ロ ボ ッ ト の フ レ ー ム ワ ー ク は 複 数 存 在 す る が , い ず れ も 事 前 に 指 定 し た デ バ イ ス を 用 い る こ と が 前 提 で あ り , デ バ イ ス と デ ー タ を 動 的 に 組 み 合 わ せ る 機 能 を 有 す る も の は 皆 無 で あ る .
本 研 究 の 目 的 は , こ の よ う な 革 新 的 な シ ス テ ム の 設 計 指 針 を 明 確 に し , 実 現 に 向 け た 構 成 法 を 確 立 す る こ と で あ る . こ れ ま で の 情 報 通 信 シ ス テ ム , ロ ボ ッ ト の 前 提 を 大 き く 変 え る 非 常 に 挑 戦 的 な 課 題 を 扱 う . 具 体 的 に は , 大 規 模 ネ ッ ト ワ ー ク か ら の デ ー タ 収 集 , 通 信 情 報 分 析 に よ る デ バ イ ス の 識 別 , お よ び , 多 種 多 様 な デ バ イ ス の 自 律 制 御 に つ い て ,I o T,C P S の 必 須 構 成 要 素 で あ る 通 信 設 備 へ の 実 装 を 視 野 に 入 れ た 新 た な 手 法 を 提 案 す る . こ れ ら は , 多 様 な サ ー ビ ス と デ バ イ ス に
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対 す る 汎 用 性 と , サ ー ビ ス 事 業 者 に 対 す る 運 用 利 便 性 を 満 足 す る 手 法 で あ る . 試 作 シ ス テ ム を 用 い た 評 価 実 験 に よ り 各 手 法 の 有 効 性 を 確 認 し た .
本 論 文 は 6 つ の 章 で 構 成 さ れ る .
第 1 章 で は , 本 研 究 を 取 り 巻 く 技 術 的 , 社 会 的 背 景 と し て ,I o T に 関 す る 世 界 的 な 動 向 で あ る , デ バ イ ス 数 と ネ ッ ト ワ ー ク ト ラ フ ィ ッ ク の 増 加 , 日 本 に お け る S o c i e t y 5 . 0 の 取 り 組 み , お よ び , 情 報 通 信 サ ー ビ ス を 取 り 巻 く 社 会 的 変 化 に つ い て 述 べ る . さ ら に ,I o T の 将 来 予 想 と し て , 複 数 の サ ー ビ ス 事 業 者 が ネ ッ ト ワ ー ク を 介 し て デ バ イ ス や デ ー タ を 共 用 す る オ ー プ ン I o T を 示 し , オ ー プ ン I o T 時 代 の 新 た な C P S の 形 態 で あ る ,E - C P S を 提 案 す る . ま た ,S o c i e t y 5 . 0 が 対 象 と す る 事 業 分 野 に お け る E - C P S の 効 用 と ,実 現 に 要 求 さ れ る 8 つ の 要 件 ( セ キ ュ リ テ ィ , 信 頼 性 ,Q o S, リ ア ル タ イ ム 性 , 自 律 性 , 信 頼 性 , 頑 強 性 , 経 済 性 ) を 整 理 し た . そ し て ,I o T,C P S に 関 す る 既 存 プ ラ ッ ト フ ォ ー ム の 分 析 か ら ,E - C P S 実 現 に 向 け た 不 足 点 を 明 ら か に し , 本 研 究 の 目 的 を ,E - C P S の 構 成 法 の 確 立 と 定 め た .
第 2 章 で は ,E - C P S の シ ス テ ム 構 成 と 機 能 , お よ び 関 連 す る 既 存 技 術 の 分 析 か ら , 本 研 究 が 取 り 組 む 領 域 と 技 術 課 題 を 整 理 す る . 本 研 究 の 前 提 と し て , サ ー ビ ス と デ バ イ ス の 種 類 に 依 存 す る 固 有 機 能 と , デ バ イ ス や デ ー タ の 選 択 ・ 制 御 に 関 わ る 汎 用 機 能 を 分 離 し た E - C P S の シ ス テ ム 構 成 を 提 案 す る . さ ら に , ネ ッ ト ワ ー ク に 接 続 さ れ た 大 量 の デ バ イ ス と デ ー タ か ら , 適 切 な も の を リ ア ル タ イ ム に 選 択 し , 組 み 合 わ せ て 制 御 す る と い う E - C P S 独 自 の 要 件 に 注 目 し , 関 連 す る 既 存 技 術 の 現 状 か ら , 本 研 究 が 取 り 組 む べ き 課 題 を 見 極 め た . 結 果 と し て , 大 規 模 ネ ッ ト ワ ー ク に お け る リ ア ル タ イ ム デ ー タ 収 集 , ネ ッ ト ワ ー ク に 接 続 さ れ た 多 種 多 様 な デ バ イ ス の 識 別 , お よ び , 多 種 多 様 な デ バ イ ス の 自 律 制 御 を 本 研 究 で 取 り 扱 う べ き 課 題 と し て 定 め た . 以 降 , 第 3 章 か ら 第 5 章 に か け て , 各 課 題 に 対 す る 取 り 組 み を 示 す .
第 3 章 で は , 技 術 課 題 の 一 つ で あ る , 大 規 模 ネ ッ ト ワ ー ク か ら の デ ー タ 収 集 に 関 す る 取 り 組 み を 示 す . セ ン サ が リ ア ル タ イ ム に 生 成 す る デ ー タ を ラ イ ブ デ ー タ と 名 付 け , 広 域 に 分 散 す る 大 量 の セ ン サ か ら , 特 定 の デ ー タ を リ ア ル タ イ ム に 検 索 す る 手 法 を 提 案 す る . 提 案 手 法 は , ロ ー カ ル ネ ッ ト ワ ー ク に 分 散 配 備 さ れ た コ ン ピ ュ ー タ 上 で 検 索 処 理 を 行 う こ と で ,I o T の デ ー タ 処 理 に お い て 問 題 と な る , 広 域 ネ ッ ト ワ ー ク へ の 大 量 ト ラ フ ィ ッ ク の 発 生 を 防 止 す る . さ ら に , デ ー タ 検 索 条 件 に 対 応 す る デ ー タ 分 析 ソ フ ト ウ ェ ア を ロ ー カ ル ネ ッ ト ワ ー ク 内 の コ ン ピ ュ ー タ へ 動 的 に 配 信 す る こ と で , 柔 軟 な 検 索 条 件 へ の 対 応 が 可 能 で あ る . 情 報 通 信 イ ン フ ラ の 主 流 で あ る ク ラ ウ ド コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ と , 近 年 注 目 を 集 め て い る エ ッ ジ コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ と の 机 上 比 較 お よ び , 試 作 シ ス テ ム を 用 い た 実 験 に よ り , ネ ッ ト ワ ー ク ト ラ フ ィ ッ ク 削 減 効 果 と 検 索 時 間 を 明 ら か に し , 提 案 手 法 の 有 効 性 を 示 し た .
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第 4 章 で は , 技 術 課 題 の 一 つ で あ る , ネ ッ ト ワ ー ク に 接 続 さ れ た 多 種 多 様 な デ バ イ ス の 識 別 に 関 す る 取 り 組 み を 示 す . 性 能 や 機 能 が 異 な る 様 々 な I o T デ バ イ ス に 適 用 す る た め に , 通 信 情 報 を 分 析 し て 種 類 や 機 種 を 識 別 す る ア プ ロ ー チ を 採 用 し , 通 信 デ ー タ の 収 集 , 通 信 特 徴 量 の 抽 出 , 類 似 度 の 算 出 と い う 3 段 階 の 処 理 で 構 成 さ れ る 手 法 を 提 案 す る . 本 手 法 は , デ バ イ ス の 種 類 や ネ ッ ト ワ ー ク 環 境 に 応 じ て , 個 別 に 処 理 を 拡 張 で き る こ と を 特 徴 と し , 多 様 な サ ー ビ ス や デ バ イ ス へ の 対 応 が 容 易 で あ る . ネ ッ ト ワ ー ク カ メ ラ を 用 い た 実 験 お よ び , 工 場 模 擬 環 境 に お け る 実 験 に よ り 本 手 法 の 有 効 性 を 示 し た . ま た ,I P 通 信 に 含 ま れ る 多 数 の 情 報 の 中 か ら , デ バ イ ス ご と に 固 有 か つ , 一 貫 性 が 高 い 情 報 を 選 定 し て 識 別 に 用 い る こ と も 必 要 で あ る .I P 通 信 パ ケ ッ ト の ヘ ッ ダ フ ィ ー ル ド ご と の 識 別 へ の 有 用 性 を 実 験 に よ っ て 確 認 し , 知 見 を 示 し た . さ ら に , 本 手 法 の 実 装 形 態 の 一 つ で あ る 機 械 学 習 の 適 用 に つ い て , 実 験 に よ り 有 効 性 を 示 し た .
第 5 章 で は , 技 術 課 題 の 一 つ で あ る , 多 種 多 様 な デ バ イ ス の 自 律 制 御 に 関 す る 取 り 組 み を 示 す . ネ ッ ト ワ ー ク に 接 続 さ れ た 複 数 の デ バ イ ス を , サ ー ビ ス 目 的 に 応 じ て 適 切 に 制 御 す る 手 法 を 提 案 す る . 本 手 法 は ,E - C P S に お け る , 多 様 な 種 類 と 設 置 条 件 の デ バ イ ス を 扱 う た め に 機 械 学 習 を 用 い る ア プ ロ ー チ を と る . 機 械 学 習 は , セ ン サ が 生 成 す る デ ー タ か ら 判 断 さ れ る 環 境 情 報 と , そ の 環 境 に 応 じ た 適 切 な デ バ イ ス 制 御 値 を 統 計 的 な 計 算 処 理 に よ っ て 直 接 結 び 付 け る こ と が で き る た め , デ バ イ ス や サ ー ビ ス の 性 質 を 理 解 し た う え で の 制 御 則 の 設 計 が 不 要 と な る . 提 案 手 法 は , 環 境 内 の セ ン サ が 生 成 す る デ ー タ か ら , サ ー ビ ス 目 的 の 達 成 度 合 い を リ ア ル タ イ ム に 算 出 し , そ の 目 標 値 を 満 た す デ バ イ ス 制 御 値 を 機 械 学 習 と 動 的 な 調 整 に よ っ て 導 出 す る . シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 機 を 用 い た 実 験 に よ り , 提 案 手 法 を 用 い る こ と で , 複 数 の セ ン サ と ア ク チ ュ エ ー タ が 混 在 す る 環 境 に お い て , サ ー ビ ス 目 的 を 達 成 す る 必 要 最 小 限 の デ バ イ ス 制 御 値 を 自 律 的 に 導 出 で き る こ と を 示 し た .
最 後 に , 第 6 章 で は , 結 論 と し て 本 研 究 の 成 果 と 展 望 を 示 す . 本 研 究 の 提 案 手 法 に よ り , サ ー ビ ス 事 業 者 や デ バ イ ス 提 供 者 に 煩 雑 な 手 順 を 要 求 す る こ と な く , 多 様 な C P S を 迅 速 , 安 価 に 提 供 す る こ と が 可 能 に な る . 特 に , シ ス テ ム の リ ア ル タ イ ム 性 に つ い て は , 秒 単 位 の 時 間 で デ ー タ 収 集 と デ バ イ ス 制 御 が 行 え る こ と を 実 験 に よ り 確 認 し て い る .今 後 の 展 望 と し て は ,A I と 仮 想 化 技 術 の 適 用 に よ る 発 展 が 考 え ら れ る . い ず れ も 近 年 , 研 究 開 発 が 盛 ん な 技 術 で あ り , 提 案 手 法 の 拡 張 と , デ バ イ ス や ネ ッ ト ワ ー ク の 共 用 に 有 力 な 技 術 で あ る . さ ら に , 研 究 成 果 の 社 会 導 入 に 向 け た 指 針 と し て ,E - C P S を 取 り 巻 く エ コ シ ス テ ム と 研 究 成 果 の 導 入 構 想 お よ び , 社 会 的 背 景 か ら 導 か れ る サ ー ビ ス 展 開 と 研 究 開 発 の ロ ー ド マ ッ プ を 示 す .
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早稲田大学 博士(工学) 学位申請 研究業績書
氏 名 野口 博史 印
(2020年 2月 現在)
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者(申請者含む)
論文 ○
○
○
講演 (査読 付き)
○
講演 (査読 無し)
Ephemeral-Cyber-Physical System: A Cloud-Like CPS Using Shared Devices in Open IoT, IEEE Systems Journal, Hirofumi Noguchi, Shigeki Sugano (掲載決定)
Device Identification Based on Communication Analysis for the Internet of Things, IEEE Access, vol. 7, pp. 52903-52912, Apr. 2019, Hirofumi Noguchi, Misao Kataoka, Yoji Yamato
Distributed Search Architecture for Object Tracking in the Internet of Things, IEEE Access, vol.
6, pp. 60152-60159, Oct. 2018, Hirofumi Noguchi, Tatsuya Demizu, Misao Kataoka, Yoji Yamato Evaluation of a Realistic Example of Information-Centric Network Metadata Management, 2019 10th IEEE Annual Ubiquitous Computing, Electronics & Mobile Communication Conference (UEMCON), Oct. 2019, Tomoki Ito, Hirofumi Noguchi, Misao Kataoka, Takuma Isoda, Yoji Yamato, Tutomu Murase
Network Architecture with Categorizing Metadata by Locality and Lifetime for IoT Database Management, 2018 21st International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC), pp. 177-181, Nov. 2018, Tomoki Ito, Misao Kataoka, Hirofumi Noguchi, Yoji Yamato, Tutomu Murase
Transaction Offloading for Access Management to Live Data of IoT in Information-Centric Network, 2018 IEEE 7th Global Conference on Consumer Electronics (GCCE), pp. 287-288, Oct.
2018, Tomoki Ito, Hirofumi Noguchi, Yoji Yamato, Tutomu Murase
Data Management and Packet Transmission Method based on Receivers’ Attributes, 2018 IEEE 4th World Forum on Internet of Things (WF-IoT), pp. 186-190, Feb. 2018, Tatsuya Demizu, Hirofumi Noguchi, Naoto Hoshikawa, Misao Kataoka, Yoji Yamato
Autonomous Device Identification Architecture for Internet of Things, 2018 IEEE 4th World Forum on Internet of Things (WF-IoT), pp. 407-411, Feb. 2018, Hirofumi Noguchi, Tatsuya Demizu, Naoto Hoshikawa, Misao Kataoka, Yoji Yamato
Tacit Computing and its Application for Open IoT Era, 2018 15th IEEE Annual Consumer Communications & Networking Conference (CCNC), Jan. 2018, Misao Kataoka, Naoto Hoshikawa, Hirofumi Noguchi, Tatsuya Demizu, Yoji Yamato
Distributed Live Data Search Architecture for Resource Discovery on Internet of Things, 2016 IEEE 3rd World Forum on Internet of Things (WF-IoT), pp. 591-596, Dec. 2016, Takashi Ikebe, Hirofumi Noguchi, Naoto Hoshikawa
IoT データの重複を考慮した可用性向上手法,電子情報通信学会 ソサイエティ大会,
2019年9月,片岡操,野口博史
通信分析と機械学習によるデバイス識別手法に関する検討,電子情報通信学会 総合大 会,2019年3月,野口博史,片岡操,磯田卓万,山登庸次
No.2
早稲田大学 博士(工学) 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者(申請者含む)
講演 (査読 無し)
デバイスのサービス有効度を用いた最適配置選択方式,電子情報通信学会 総合大会,
2019年3月,片岡操,野口博史,磯田卓万,山登庸次
IoTデバイスのデータ処理におけるネットワーク上のリソース最適配置の提案,電子情報 通信学会 総合大会,2019年3月,磯田卓万,野口博史,片岡操,山登庸次
ICN における IoT メタデータ管理手法の実際的評価,電子情報通信学会 情報ネットワ ーク研究会,2019年3月,伊藤智稀 ,野口博史,片岡操,磯田卓万,山登庸次,村瀬勉
DB更新負荷軽減のためのIoTデータ特性を考慮したメタデータ指向ネットワークアーキ テクチャ,電子情報通信学会 情報ネットワーク研究会,2018年10月,伊藤智稀,片岡 操,野口博史,山登庸次,村瀬勉
IoTデータのローカリティを考慮したメタデータ管理区別,電気・電子・情報関係学会東 海支部連合大会,2018年9月,伊藤智稀,片岡操 ,野口博史,山登庸次,村瀬勉
通信の類似性分析にもとづく IoT デバイス識別手法,電子情報通信学会 ネットワーク システム研究会,2018年7月,野口博史,出水達也,片岡操,山登庸次
ユーザー周辺環境のマルチコンピュータリソース活用に関する検討,電子情報通信学会 ネットワークシステム研究会,2017年3月,野口博史,池邉隆,佐々木潤子
ネットワーク機能仮想化に向けた課題と目指す機能の検討,電子情報通信学会 ネット ワークソフトウェア研究会,2017年1月,野口博史,日高直人,浜田信,森谷俊之
Network-AI:さまざまなモノが賢くつながるネットワーク,電子情報通信学会 ネットワ ークシステム研究会 招待講演,2016年9月,池邉隆,干川尚人,野口博史
クラウドインフラにおけるマルチホストOS設定管理方式,電子情報通信学会 ソサイエ ティ大会,2016年9月,野口博史,森谷俊之
順序保証と復旧処理を考慮した複数 VM 自動起動方式,電子情報通信学会 総合大会,
2016年3月,野口博史,森谷俊之
高可用ストリーミングサーバクラスタ構成方式に関する一検討,電子情報通信学会 総 合大会,2015年3月,野口博史,藤岡幸,福元健
効率的なクラスタ運用を実現するプロセス配置方式,電子情報通信学会 ソサイエティ 大会,2014年9月,野口博史,小川泰文,福元健
広域ネットワークにおける高可用サーバクラスタ構成方式に関する一検討,電子情報通 信学会 総合大会,2014年3月,野口博史,森谷俊之,福元健
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早稲田大学 博士(工学) 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者(申請者含む)
その他 (特許)
登録番号:特許第6530353号
名称:ライブデータ検索システムおよびライブデータ検索方法 発明者:池邉隆,野口博史
登録番号;特許第6495871号
名称:リソース管理システム、リソース管理サーバ及びリソース管理方法 発明者:野口博史,森谷俊之
登録番号:特許第6383336号
名称:サーバ管理装置およびサーバ管理方法 発明者:野口博史,福元健
登録番号:特許第6445985号
名称:振分システム、振分装置、及び振分方法
発明者:出水達也,池邉隆,舩田雅史,野口博史,梅川慎吾
登録番号:特許第6204287号
名称:分散処理方法、処理サーバ、および、プログラム
発明者:北野雄大,小西啓介,徐広幸,外山篤史,藤岡幸,野口博史
登録番号:特許第6235973号 名称:サーバ
発明者:野口博史
登録番号:特許第6343241号
名称:ストリーミングサーバクラスタおよびそのストリーミング制御方法 発明者:野口博史,福元健,藤岡幸,樫本義文
登録番号:特許第6251203号
名称:ストリーミングデータ配信システム、及び、ストリーミングデータ配信方法 発明者:藤岡幸,野口博史,金子雅志,福元健
登録番号:特許第5848743号 名称:クラスタシステム 発明者:野口博史,岩佐絵里子
登録番号:特許第6093319号 名称:クラスタシステム
発明者:野口博史,福元健,堀米紀貴,小川泰文,大谷育生
登録番号:特許第5932875号 名称:サーバ装置およびプログラム 発明者:金子雅志,野口博史