オープン組込み
が
導
く
ユビキタス実用化
坂村 健
東京大学情報学環ユビキタス情報社会基盤研究センター長、教授
YRPユビキタス・ネットワーキング研究所長
T-Engineフォーラム/uIDセンター代表
2013年
の
TRON
調査ご協力ありがとうございました
OS別シェアはTRONファミリで60%
OS調査結果の入手方法
●
TEF会員(幹事/A/B/学術会員)
■
5月16日から会員専用ページで無償公開
• 会員の方は、部署を限定せず誰でも閲覧可能
●
非会員(一般)およびe会員
■
5月16日からパーソナルメディア社のwebショップ
( http://www.personal-media.co.jp/webshop/book/ )で、
電子書籍として以下の2種類を販売開始
• 購入部署限定閲覧版
10万円+税
• 購入法人限定閲覧版
20万円+税
①
ダイワ
ユビキタス学術研究館
2014年5月14日オープン
ダイワユビキタス学術研究館
●
本郷キャンパスに位置する教育研究棟
■
大和ハウス工業株式会社より、東京大学大学院情報学環・学際情
報学府におけるユビキタスコンピューティングに関する教育研究の
為に寄贈された
●
最新のインテリジェントビル
■
建物の総合プロデュースは坂村 健
■
建築デザイン・設計は隈 研吾
●
施設・機能
■
総合分析情報学コースおよびユビキタス情報社会基盤研究セン
ターにおける教育研究のための研究室や実験室、教室
■
講演や講義に利用できるダイワハウス石橋信夫記念ホール
■
ユビキタス空間物アーカイブ
研究プラットフォーム
と
しての
ダイワユビキタス学術研究館
ユビキタス環境研究のための
プラットフォームとして
オープン
A
PI
コントロール
設備機器や環境制御機器等をすべて
ネットワークにつなぎ、ネットワーク経由で
情報読み取り、制御指示が可能
学術研究館を使うスタッフなら、日々の不便をすぐプログラムで
解決できるし、その過程で新しいアイデアも生まれる
研究をすぐに
実際の環境
で
試せる
音声認識で制御したり、
室内カメラの画像認識でジェスチャーで
制御したり、さまざまな研究を
すぐに実際の環境制御に直結できる
位置認識
プラット
フ
ォーム
天井に多くのセンサーやマーカーを設置
それらを利用して、スマートフォンやロボットやドローンが
屋内でも高精度で位置を認識できる
状況依存アクセスコン
トロール研究
の
ために
状況を位置認識プラットホームや
各種のセンサーから読み取り
「その時、その場、その人」に合わせて
制御のアクセスコントロールを行う研究
②
ダイワユビキタス
学術研究館
に
至る道程
1989年
TRON電脳住宅 ver.
1
研究会参加企業
●
永楽電気 株式会社
●
サンウェーブ 株式会社
●
三共アルミニュウム工業
株式会社
●
株式会社 西武百貨店
●
第一園芸 株式会社
●
株式会社 大氣社
●
株式会社 竹中工務店
●
東京電力 株式会社
●
東陶機器 株式会社
●
日新製鋼 株式会社
●
日本ホームズ 株式会社
●
日本板硝子 株式会社
●
日本航空 株式会社
●
日本電信電話 株式会社
●
三菱電機 株式会社
●
元田電子工業 株式会社
●
ヤマギワ 株式会社
●
ヤマハ 株式会社
19 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA2004年
電脳住宅 ver.
2
PAPI
TOYOTA’s Future House
1989年から2004年
まで
の
変化
コンセプトや機能は同じ
現在でも通用する
進展したのは実装
技術の進歩と普及
半導体技術の進歩
1989 to 2004
そし
て
2014年
2011年: 組込み向け低消費電力無線
IPv6ネットワークが標準化
●
6LoWPAN
■
IPv6-based Low-power Wireless Personal Area Networks
■
RFC4944(2007年9月)に一応の標準化がされたが、性能が出ず、
2011年のRFC6282で実用的になり利用検討が本格化
2007年: iPhone登場
以後スマートフォンが爆発的に普及
2009年: Amazon Elastic MapReduceサービ
ス開始するなど、ビッグデータ処理容易に
2011年: T2、2013年:
μ T2リリース
ネットワーク親和性の高い組込みシス
テム開発が容易に
ユビキタス環境実現の基盤技術が揃う
●
あまねく浸透した組込みシステムが…
■
「眼・耳」や「手・足」となり現実世界の状況を知り、また操
作し…
●
進歩したビッグデータ処理技術と
一般化したクラウドコンピューティング
基盤により…
■
現実世界から上がる状況データを処理し…
●
普及したスマートフォンが…
■
人々と対話し…
●
それらすべてがインターネットに
接続され…
■
国や組織を越えたオープンな情報
流通の可能な環境
Cloud Service
Input
Webサービスのモデル
Real World
Output
スマートフォン/情報家電
操作、撮影、音声、コメント、メッセージ
表示、音声、アドバイス、サービス
Cloud Service
Input
ユビキタスのトータルモデル
Real World
Output
測定データ、ID読み取り、運転データ
制御データ、メンテナンスデータ
組込みシステム
スマートフォン/情報家電
③
ユビキタス
と
は
40 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA
世界
の
「組込み」化
コンピュータは小型化かつ低価格化している
コンピュータはすべてのモノの中に
組み込まれていくだろう
41 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA
現実世界全体を
組込みシステム
に
する
様々な社会プロセスにおいてコンピュータが
状況を判断し…最適な制御を計算し…実行
人間の判断・制御の負担を最小限にしながら…
安全・快適と省エネ・省資源の両立を可能に
42 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA43
さまざま
な
呼び名
Ubiquitous Computing
Smart Environment
Pervasive Computing
M2M (Machine to Machine)
:
IoT (Internet of Things)
今まで
の
組込みシステム
コンピュータが組込まれたシステム
センサーで、状況を判断し…
コンピュータで、最適な制御を計算し…
エフェクタで、実行できるシステム
44 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURAレンジ
の
組込み化
食品を入れメニューを選びボタンが押されると…
重量センサーが重さを計り…加熱して…放射熱センサーで温度上昇を計
り…
メニュープログラムの温度上昇曲線と比較し…加熱電波出力を調整し…
蒸気センサーで蒸気を計り…仕上がり時間を予測し…
人間がタイマー設定や出力調節をせずに
適度に暖められるように
今までの組込みシステム
エフェクタ
セ
ン
サ
ー
UI
エフェクタ
セ
ン
サ
ー
コンピュータ
環境
の
組込み化
世界を読み取り、世界を最適制御するために…
多数のコンピュータを世界に組み込む
Ubiquitous (遍在) Computing
遍在=ここにも、あそこにも
47 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA超機能分散システム
UI
セ
ン
サ
ー
エフェクタ
機能ごとに分割され…
クラウドへ…
環境中に分散し…
無線ネットワークがすべてを結ぶ
③
世界
の
組込み化
をどう実現するか
環境に多数存在する組込みシステムの
密接な連携・マッシュアップ
世界の組込み化
組込み
の
限界
データ処理能力では、クラウドに勝てない
高度なUIでは、スマートフォンに勝てない
UI : User Interface
データ処理高度化は
連携するクラウド
で
実現
クラウド側で制御・管理すれば
組込み単体以上の処理が可能
組込み
+
クラウドなら
ビッグデータ処理
家電の動作データから故障の前兆を知り予防メンテ
測定値からヘルスケアでの高度な医療アドバイス
家庭の枠を超えた群制御
きめ細かなデマンドサイドマネージメントによる
地域レベルの省エネルギー管理
UI高度化は
組込み
+
スマフォで
スマフォ経由で操作すれば…
高解像度ディスプレイ、タッチパネル、音声認識
加速度センサなど高コストなUIも利用可能
部屋全体で
より高度
な
NUIも
NUI : Natural User Interface
組込み
は
組込み
として最善を…
高機能化はネットワークの向こう側で実現
組込みとしての最善を確実に目指すべき
ネットワークからの操作への反応の確実性の保証
想定外の操作には安全サイドへ振れる構造に
④
やはりHFDS
が
解
Highly Functionally Distributed System
機能を分散しながら
全体として協調動作できるようなシステム
HFDS
超機能分散システム
Highly Functionally Distributed System
TRON Project が1984年の発足当時から目指してきたゴール
その後「ユビキタス・コンピューティング」
最近では「IoT (Internet of Things)」
57 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA
“The Objectives of TRON Project,”
そのための
組込
み
オープン化
組込み機器内部APIをネットワークにオープン
クラウド中のアプリからアクセス
オープン組込み
へ
Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA 60
セ
ン
サ
ー
UI
エフェクタ
クラウド
アプリ
アプリ
アプリ
APIアクセス
プログラムだけで
多様な機能
を
実現
例えば、オープンAPIの電灯と
オープンAPIの人感センサーがあれば
特定の時間になると電灯をON/OFFする制御プログラム
スマートフォンやタブレットから電灯をリモコン
人が入ってくると自動的に電灯が点くような制御プログラム
特定の部屋に人が入ってくるとスマートフォンやタブレットに警告
特定の部屋の電灯のON/OFFを外から確認
オープンAPIにすれば
家電の障碍者対応も容易に
●
肢体不自由の人が声だけで家電を制御する
システムをボランティアプログラマが開発で
きる
●
スマフォ用アプリとして配布するのも容易
●
開発・配布のコストが小さければ100人の
ユーザのためだけのアプリも作れる
■
障碍は十人十色で個々の特性に合わせたチューニングが重要
⑤
課題
は
ガバナンス
単に「不正に使わせない」セキュリティではなく
「適切に使わせる」ためのガバナンス
データ
の
ガバナンス
組込み機器の使用によって日々生まれる
様々なデータは「誰ものもの」か?
「誰が管理」し「誰が保証」し「誰が利用を許可する」のか?
エコのためになるなら地域で使用できるか
安全性向上のためならメーカーが利用できるか
すでに自動車の走行データは安全性向上のためにメーカーが収集している
64 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA65
制御
の
ガバナンス
組込み機器の制御権は
属人か、属家か、属サービスか
制御のガバナンスは個人に属するか、
家(の中にその機器があるという場所コンテクスト)に属するか、
組込み機器を通じてサービスを提供する主体に属するか
例えば電力網の危険時のデマンドサイド・マネージングは?
66
組込みシステム技術も
ガバナンス
に
対応する必要
これからの組込みシステムでは
データと制御のガバナンスの
高度な管理が重要に
67
単なる「セキュリティ」から
状況
に
応じた
「アクセスコントロール」へ
権限のグループ管理
データの匿名化露出
火災など非常事態に応じた権限変更など
状況情報
を
ネットワー
ク中で流通するため
に
オープンな状況情報の記述手法と
ネットワーク解決体制の確立が必要
我々の現在の最大の研究課題
状況認識のために必要なもの
●
「これは何か」をコンピュータが識別し、その
認識をネットワーク経由で共有するために
●
ネットワークにつながれたすべてのコン
ピュータが一意に認識できる「番号」を
●
状況を構成するすべてのモノや場所に唯一
無二の識別「番号」を与えよう
ucode
なぜ「名前」でなく「番号」なのか?
●
コンピュータにとっては「番号」の方が自然
■
人間は大きな桁数の「番号」を扱うのが不得意なので「名前」使う
●
「名前」では大量に同類があるモノの一つを
特定できない
■
同じ「名前」で、別のモノはたくさんある
■
大量生産された製品の同定には「番号」を使うしか無い
• 「製品モデル名+製品番号」をIRIにすると、製品モデル番とそのモデル
で実際に生産された製品の関係をIRI自体の中で記述することになる
●
オントロジー問題を抱えるセマンティック・
ネットワークを番号により補完
ucodeで現実世界と仮想世界をつなぐ
Copy right © 2014 by Ken SAK AMU RA 71●
クラウド内で識別すべきモノ全てにucodeを振る
[Real W orld]
[Multimedia information]
[Definition of real
w orld structure]
ucode
[Real W orld]
[Multimedia information]
[Definition of real
w orld structure]
ucode
ucRモデル
●
識別が必要な個々のモノや場所や概念に個
体識別子 (ucode) を無制限に付与
■
意味はネットワーク外部化し、コードに含まない
●
概念として必要な「関係」にも個体識別子
(ucode) を無制限に付与
●
{ucode1, ucode2, ucode3}
のトリプル(三つ組)で、「ucode1はucode3と
ucode2という関係にある」という関係を記述
ucRの例(物品)
73 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA
ucode
1
ucode
2
ucode
3
contains
ucode
1
ucode
2
“Bufferin”
“12 pieces of
Bufferin Carton”
ucode
4
is named as
ucode
4
is named as
ucode
2
12 pieces of
Bufferin Carton
ucode
1
ucRの例(場所)
74 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA
ucode
1
ucode
2
ucode
3
ucode
1
ucode
2
ucode
2
ucode
3
ucode
4
is close to
ucode
5
is near
ucRの例: ユニットと部品
Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA 75
u
A
入っている
86型ギア
A型エンジン
u
B
u
B
名前
u
C
生産地
u
E
日付
2007/07/19出荷
○○発動機
△△農機
〇〇発動機
2007/07/19
u
B
u
D
ユニットの出荷
u
B
u
1u
1
u
2
u
2u
3u
4u
3
u
4
△△農機
データと制御の
ガバナンス
に
ucRを利用
APIのアクセスコントロールを状況に応じて
柔軟に行えるオープンな
クラウドによるアクセスコントロール
⑥
u2
uIDアーキテクチャ2.0
数億ucode
の
実用時代に向けて…
オープンデータやビッグデータの
オープンなガバナンス管理を前提に
スケーラビリティが必要
異種DBMSのオープンな連携が必要
78 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA79
1
. 技術の進歩
大規模データ分散処理技術
Mapreduce, Hadoop等の、大規模データ分散処理技術が
オープンになり使えるようになった
オープンデータ系プロトコルの事実上の標準化
REST, CoAP, JSON等の利用が標準的に
80
2
. 環境の変化
クラウド、マッシュアップ、オープン
によるサービス構築の一般化
多様な他者のサービスを利用して新しいサービスを作る時代
スタートアップ環境が整ってきた
進んだ技術を容易に利用開始できる環境に
AWS (Amazon Web Services), GCP (Google Cloud Platform)など
81
3
. 要求の追加
オープンデータ連携からの要求
インターネット上のオープンな巨大データ集積が増え
それらを自動連携させる枠組みがこれからの課題になる
ビッグデータ利用からの要求
交通実証やビッグデータ連携などにより
刻々変わるストリーム型の状況情報への対応が必要に
ストリーム型の状況情報の例
Copy right © 2014 by Ken SAK AMU RA 83●
駅の位置
{駅uc
5, 関係uc
6, 地理座標}
●
路線と駅の関係
{区間uc
3, 関係uc
7, 駅uc
5}
{区間uc
3, 関係uc
8, 駅uc
9}
{区間F064, 関係uc
7
,駅102}
{区間F064, 関係uc
7
,駅103}
{駅102, 関係uc
6
, 35.627163, 139.722698}
動的状況を重ねることで…
静的状況と…
84
u2
の
基本コンセプト
多様なDBのAPIに対するクロスクエリを
組織やDB構成を超えて行える情報連携基盤
ucodeRP
2
.0
ucode解決プロトコル2.0
IoTの実現に必要な情報を集約・統合するため
のプロトコル
ucR (ucode relation)モデルに基づくオープンモデルによる組織
を超えたデータ連携を意図した設計
既存のRDBやKVS等のデータベースを統合し、クロスクエリを可能にする仕組み
85 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA
ucode解決プロトコル2.0
●
ucode Resolution Protocol ver.2はREST/CoAP,
REST/HTTP, JSONを前提にする
●
DBのドメインに相当する語彙グループに属する
ucRクエリをサブクエリとして分解し処理する
■
解決サーバがucRクエリを受信すると、それを解釈し、必要な語彙グ
ループ単位に分割して、対応するラッパー「uCRアダプタ」に向けて分割
したサブクエリを発行する
●
分散データベース構成を実現する
■
ucR解決サーバフロントエンドは分散データベース構成で、対応するDB
のドメインが不明な語彙は、より上位の解決サーバに送り解決結果を
待つというカスケード動作を行う
■
データ秘匿等の要請もあり、ローカルなucode解決フロントエンドサービ
スを社内に立てれば、クエリからレスポンスまでの一連の動作をローカ
ルにすることができる
ucodeRP2.0の動作
87uID Center
ロードバランサ
ucR解決サーバ
フロントエンド群
利用者
(1) ucodeRP2.0
によるクエリ
会社Aのサーバ
RDBMS
ucR Adaptor
組織Bのサーバ
ucR Database
(Triple-Based)
(2) 分解した
サブクエリX
(2) 分解した
サブクエリA
(2) 分解した
サブクエリB
(3) サブクエリ
の結果
(4) サブクエリ
の結果をjoinし、
オリジナルの
クエリの結果を返答
アプリケーショ
ン
……
88
データガバナンス
の
ためのu2
オープンデータの情報連携基盤に
多様なDB群に対するクロスクエリを
組織やDB構成を超えて行える情報連携基盤
アプリからの標準的なucRクエリを受けサブクエリに分解し
リンク先のDBMSへ送り、戻ってくるそのレスポンスを統合して
標準的なucRレスポンスとしてアプリに戻す
u2
RDB
RDB
89RDB
GIS
KVS
RDF
ucR
RDB
KVS
Query
Decomposition
GIS
RDF
Response
Reconstruction
Mobile Application
ucR Response
ucR Query
u2の技術開発の状況
●
RDBとKVSをu2で繋ぎ約4GBのデータに対し
SPARQLで連携した統合検索を実現
■
KVS
• 32,256,000件のAデータ
• 12,250,000件のBデータ
■
RDB
• Bデータの相互関係データ
■
上記のデータに対し統合したデータの検索を行う
●
実用的な結果を得た
■
仮想サーバを利用
• 仮想サーバ(OpenVZ)
• メモリ: 4GB、CPU: 最低利用率10% 最大は制限なし
• 仮想サーバを動作させている物理サーバ
• メモリ: 32GB、CPU: Intel Xeon 3.16GHz (4コア)
■
Bデータの追跡:約0.2秒
■
Bデータと関係する7日分のAデータ取得:約2秒
⑦
T2
の
高信頼化
全組込みシステム
が
オープン対応に
オープンなネットワークに接続し
オープンに他の機器と連携
TRONプロジェクトの開始時に想定した世界が実現する
その時代のためのOSを
超機能分散
の
世界
ユーザ・インタフェースはスマート・フォンに
状況判断はクラウドに
組込みは組込みらしく
そして全てを繋ぐオープン・ネットワーク
組込み
は
組込みらしく
全体はオープンでベストエフォートだからこそ
組込みが提供するべきは
高い信頼性とハード・リアルタイム処理
外部からのベストエフォートな制御受けても
組込みがインターロック等の最後の安全保証をギャランティ
T2
の
高信頼化を
去年末T2AS
を
発表
T-Kernel 2.0 Aerospace
宇宙機器向
け
T2
JAXAで計画されている
2015年度打上げ予定の
ジオスペース探査衛星に搭載
T-Kernel2.0からT2ASで適用した機能
●
API単位でユーザが任意で機能削減できる
■
安全面の向上と、メモリ容量削減
●
メモリ保護機能
■
デバック時だけに使用し、実行時に解除可能
■
処理速度に影響しない軽い実装
●
MCUの物理タイマを直接利用可能
■
ハードの許す限りの高精度の時間管理を実現
●
高信頼検証プロセスを適用
T2ASを開発
●
YRPユビキタス・ネットワーキング研究所が
T-Kernel2.0をベースにT2AS開発
■
「T2AS 高信頼適用ハンドブック」を作成
• JAXAの「リアルタイムOS高信頼化ハンドブック」を参考
■
2015年度打上げ予定のジオスペース探査衛星に搭載
●
T2AS仕様書と高信頼適用ハンドブックは
会員向けに公開
■
汎用CPUへの移植、検証サービスは会員企業で実施
• 日本電気通信システム株式会社
• ユーシーテクノロジ株式会社など
さらにT2ASをベースに
機能安全規格対応版T2
を
公開予定
詳細は今年末のTRONSHOWで
航空宇宙だけでなく自動車制御、医療機器、FAなどの
高信頼性を求める分野でも有用
⑧
関連製品
の
ご紹介
101 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA
T2AS on SH2A
Copyright © 2014 by T-Engine Forum, All Rights Reserved.
T2ASをルネサス車載用マイコンへ移植
(本日発表)
■
UNLでT2ASをルネサスの車載用マイコン
SH72544R(SH2A)へ移植
ルネサスは車載用マイコンを航空宇宙分野へ展開
車載用マイコンは、高信頼・高性能・低消費電力
■
宇宙航空分野の企業や大学向けに
SH72544R
T2AS評価キットを
ユーシーテクノロジ株式会社か
ら販売
© 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. ASS1-TR-13S-0029
SH72544R(ルネサス製)
~自動車エンジン制御向け、世界中のメーカで採用~
高信頼
:シリーズ累計
1200万個
の出荷、メモリはECC保護
高性能
:動作周波数
200MHz
、ROM2.5MB/RAM128KB
広温度
:動作温度 Ta=
-40~125℃
低消費
:動作電流
170mA
(Typ.@200MHz)
RAM(128kB)
割り込み コントローラROM
(Flash 2.5MB)PLL
RSPI
A-DMAC
16ビットPWM x 24ch 24ビット ワンショットパルス /アウトプットコンペア x 16chDMAC
AUD-II
EEPROM
(Flash 128kB) 24ビット インプットキャプチャ /アウトプットコンペア x 20ch 32ビット インプットキャプチャ x 6ch 24ビット イベントカウンタ x 20ch 12ビットA/D 変換器 x 37chWDT
SCI 5ch
H-UDI
RCAN 3ch
外部バス I/F
SH-2Aコア
200 MHz
宇宙航空分野向け、車載用マイコン6製品 http://japan.renesas.com/space
104
eT-Kernel
©2014 eSOL Co.,Ltd. All rights reserved.
eT-Kernel Platform 幅広い分野で多くの実績
航空宇宙
車載機器
工業用機器
トヨタ、デンソー、アイシン・エイ・ダブリュ、
Bosch、パイオニア、クラリオン、富士通テン ほか
JAXA
セイコーエプソン、カシオ計算機、
オリンパス、シャープ、パイオニア、
任天堂 ほか
音響機器
理化学機器
その他多数
研究・学術用途
コンシューマ機器
©2014 eSOL Co.,Ltd. All rights reserved.
107
イーソルは、μT-KernelからT-Kernelまで広範囲にカバー
単機能
多機能
多機能連携
自立協調機能
適合OS
マイコン
シングルコア
マルチコア
メニーコア
CPU
小規模
大規模
S/W規模
OS未使用 or
簡易スケジューラ
リアルタイムOS
マルチコア対応
RTOS
メニーコア対応OS
次世代 RTOS
T-Kernel/POSIX API Support©2014 eSOL Co.,Ltd. All rights reserved.
μT-Kernel2.0 GCC開発キット
イーソル株式会社とユーシーテクノロジ株式会社がマイ
コン向けリアルタイムOSと開発環境の提供で協業
ユーシーテクノロジが開発、イーソルが販売
μ T-Kernel 2.0、Eclipse/GCCベースの開発環境と
JTAG ICEで構成する開発キットを498,000円で提供
ESEC会場のイーソルブースでデモ展示を実施中
©2014 eSOL Co.,Ltd. All rights reserved.
機能安全規格対応の T-Kernel が登場
イーソル株式会社は、
機能安全規格に対応した
「eT-Kernel Platform」
を提供します
産業機器/医療機器向け
機能安全規格対応パッケージも
順次リリース予定
車載機器向け機能安全規格
ISO26262 認証取得(予定)
2015年第3四半期にリリース
6LoWPAN
Framework by T2 & μT2
ユビキタス・IoTのための無線ネットワーク
110 Copyright © 2014 by Ken SAKAMURA