JP2006245754A - データ収集システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 周波数利用効率を高め、運用コストを低減し、収容できる観測局を増大できるデータ収集システム及び方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 データ収集システムは、各観測局から受信する各観測局の所要伝送時間、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間に対して、汎用オペレーションズリサーチ法を適用して、各観測局のデータ送信開始時刻及び送信周波数を決定する最適化処理手段を有し、データ収集局は、前記決定に基づいた各観測局からデータ収集を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、汎用オペレーションズリサーチ法（ＯＲ法）を用い、無線により多数の観測局からデータ収集を行うシステム及び方法に関する。

汎用オペレーションズリサーチ法（ＯＲ法）に関しては、例えば、非特許文献１に、汎用ＯＲ法の１つである組合せ最適化法が記載されている。

地理的に広がった地点に設置された複数の観測局から、定期的に観測データを収集するために有線システムを用いることは、各回線の不稼働時間が大きいこと、データ収集局と各観測局間に個別の回線を敷設しなければならないこと、更に、災害時の断線といった問題があり、無線システムを利用するほうが有利である。

しかし、データ収集に無線システムを利用する場合でも、各観測局が独立してデータ送信を行うと周波数の利用効率は低くなってしまう。また、複数の観測局からのデータ送信が衝突することを防ぐためには、広い周波数帯域の確保又はデータ送信の衝突を防ぐ仕組みの導入といった措置を講ずる必要があり、いずれにしても運用コストを増大させてしまう。

効率的なデータ収集システムの構築を目的とした技術が、例えば、特許文献１や、特許文献２に記載されている。特許文献１は、全観測局からのデータ収集にかかる時間の短縮を目的としたものであり、使用する周波数の最適化は行っていない。また、特許文献２は、データ収集局が、各観測局のデータ送信順位を示すテーブルをブロードキャストし、各観測局は、自身より優先順位が一つ高い観測局のデータ送信が完了又は所定のタイムアウト時間経過後にデータ送信を開始するというものであるが、２以上の観測局からのデータ送信の衝突については考慮されておらず、また、データ送信順位を決定する基準については開示されていない。

特開平０９−１３９９８８号公報 特開平１０−２１０５７１号公報 柳浦睦憲、茨木俊秀、"組合せ最適化−メタ戦略を中心として−"、朝倉書店、２００１年１月

従って、本発明は、周波数利用効率を高め、運用コストを低減し、収容できる観測局を増大できるデータ収集システム及び方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、
データ収集局が、複数の観測局から無線によりデータ収集を行うシステムであって、各観測局から受信する各観測局の所要伝送時間、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間に対して、汎用オペレーションズリサーチ法を適用して、各観測局のデータ送信開始時刻及び送信周波数を決定する最適化処理手段を有し、データ収集局は、前記決定に基づいたデータ収集を行うことを特徴とする。

本発明のシステムにおける他の実施形態によれば、
最適化処理手段は、更に、各観測局が最初にデータ取得を行う時刻であるオフセットを決定することも好ましい。

また、本発明のシステムにおける他の実施形態によれば、
最適化処理手段は、決定した観測局のデータ送信開始時刻毎に、前記観測局に使用する送信周波数を通知し、観測局は、通知された送信周波数を使用してデータ送信を行うことも好ましい。

更に、本発明のシステムにおける他の実施形態によれば、
最適化処理手段は、決定した観測局のデータ送信開始時刻及び送信周波数を、前記観測局にあらかじめ通知し、前記観測局は、受信したデータ送信開始時刻に、受信した送信周波数を使用してデータ送信を行うことも好ましい。

本発明によれば、
データ収集局と、制御局と、複数の観測局とを有し、データ収集局が複数の観測局から無線によりデータ収集を行う方法であって、制御局が、各観測局から各観測局の所要伝送時間、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間を受信するステップと、受信した所要伝送時間と、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間に対して、汎用オペレーションズリサーチ法を適用して、各観測局のデータ送信開始時刻及び送信周波数を決定するステップと、データ収集局が、制御局が決定したデータ送信開始時刻及び送信周波数に基づいたデータ収集を行うステップとを有することを特徴とする。

各観測局の所要伝送時間、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間を収集し、汎用ＯＲ法により、システムがデータ収集に使用する周波数の数をできるだけ抑える、或いは、周波数を使用しない時間をできるだけ長くするための、各観測局におけるデータ送信開始時刻及び送信周波数を決定して、決定に基づきデータ収集を行うことで、システム運用コストの削減、収容観測局数の増大が実現できる。

各観測局が最初にデータ取得を行う時刻であるオフセットを決定することで、データ取得時刻設定の自由度を設け、周波数利用効率を高める。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明で使用する用語を説明する図である。図１では、観測局ａ、ｂ及びｃが観測データを取得して、取得したデータの送信を行っている状態を示している。ここで、所要伝送時間αとは、観測局が取得したデータの送信を開始してから、終了するまでの時間であり、データ取得間隔βとは、各観測局において、データ取得動作を行い、観測データを取得する周期又は間隔であり、許容伝送遅延時間γとは、各観測局においてデータ取得動作を行ってから、取得したデータの送信を完了するまでの時間（伝送遅延時間）の許容できる最大値である。これらの値は、各観測局固有の条件である。オフセットδとは、最初にデータ取得を行う観測局のデータ取得時刻を基準時刻ｔ＝０としたときに、他の観測局が最初にデータ取得動作を行う時刻をいう。すなわち、オフセットを決めることは、各観測局が最初にデータ取得動作を行う時刻を決定することに等しく、各データ取得時刻は、基準時刻に対して、オフセットδ＋データ取得間隔β×ｎ（ｎは自然数）となる。

上記、それぞれが固有の条件をもつ多数の観測局が存在し、それぞれデータ収集局にデータ送信を行う場合において、効率的な周波数資源の利用、システムの運用コストの低減、収容観測局の増大を達成するためには、以下の目的関数が考えられる。
（１）観測局全体で使用する周波数の数をできるだけ少なくする。
（２）周波数を使用しない時間、すなわち、全観測局がデータ送信していない時間をできるだけ長くする。
ただし、以下の制約条件を満たす必要がある。
（制約条件１） オフセットδ＜データ取得間隔β
（制約条件２）送信開始時刻＋所要伝送時間α＜データ取得時刻＋許容伝送遅延時間γ

制約条件１は、一定時間間隔でのデータ取得という条件を満足させるとともに、各観測局に設定するデータ取得時刻の自由度を確保し、結果として各観測局の送信開始時刻の自由度を高め、使用周波数の数を削減することに寄与する。

制約条件２は、各観測局がデータ取得したデータを、所定の伝送遅延時間以内に送信完了するという条件である。

オフセットを考慮しない場合は、制約条件２のみを満足させるだけでよく、この場合の求解は容易であり、演算時間の点からは有利となるが、データ取得時刻設定の自由度がなく、結果として周波数利用効率が低下することとなる。

以上の制約条件を満足しつつ、使用周波数の数が最小、又は、周波数を使用しない延べ時間を最大にする、各観測局の送信開始時刻と、送信周波数と、更にはオフセットδを求める。この問題は、一般に混合整数計画問題（ＭＩＰ：Ｍｉｘｅｄ Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ）と呼ばれ、効率的な解を求めることが困難な「ＮＰ困難」と呼ばれる問題クラスに属する。この問題に対しては、一般的に状態数の非常に多い組合せの中から最適な、あるいは、最適に近い解を選択するメタヒューリスティックな解法、例えば、タブサーチ法やランダム多スタート局所探索法が必要となるが、ＯＲ法で各種提案されている、組合せ最適化手法を適用することで解を求めることが可能である。

図２は、複数の観測局と、１のデータ収集局から構成されるデータ収集システムの構成図である。観測局２−１〜２−Ｎは、それぞれ、各局固有のデータ取得間隔βで観測データを取得し、指定された送信周波数でデータをデータ収集局１に送信する。各観測局がデータ送信に使用する周波数は、送信の度に変更可能である。データ収集局１は、各観測局固有のデータ及び条件、つまり、観測局の識別子、所要伝送時間α、データ取得間隔β及び許容伝送遅延時間γを事前に取得し、組合せ最適化法を適用して、観測局ごとの送信開始時刻及び送信周波数を計算する。また、オフセットδを適用する場合には、オフセットδも計算により求めておく。

図３は、図２の構成でのデータ収集のシーケンス図であり、データ収集局１が送信要求を意味する周波数割当信号を、各観測局に送信し、周波数割当信号で指定された観測局がデータ送信を行う方法を示している。

図３に示すように、各観測局は、データ収集局１に、観測局の識別子と局条件、つまり、所要伝送時間α、データ取得間隔β及び許容伝送遅延時間γを送信する。データ収集局１は、各観測局からの局条件に基づき、組合せ最適化法を適用して、最適化処理、つまり、観測局ごとの送信開始時刻及び送信周波数を決定する。また、オフセットδを適用する場合には、オフセットδも決定して、決定したオフセットδを全観測局に通知する。データ収集局１は、前記決定に基づき、送信開始時刻ごとに、該当する観測局に対してデータ送信に使用する送信周波数の割当てを行い、送信周波数の割当てを受けた観測局は、割り当てられた周波数でデータ送信を行う。

図４は、送信周波数割当用フレームを示す図である。データ収集局１と各観測局は、無線により直接又は衛星で結ばれ、データ収集局１の送信信号は、各観測局でそれぞれ受信できるため、広域に散在する多数の観測局に効率的に送信周波数の割当てを通知することができる。また、このフレームに観測局に対する設定信号を挿入することにより、必要に応じて観測局の設定を変えることも可能である。

図５は、図２の構成でのデータ収集の他のシーケンス図であり、各観測局が、自律的にデータ送信を行う方法を示している。

図５に示すように、各観測局は、データ収集局１に、観測局の識別子と局条件を送信する。データ収集局１は、各観測局からの局条件に基づき、組合せ最適化法を適用して、最適化処理を行い、決定した各観測局での送信開始時刻及び送信周波数、更に必要な場合はオフセットδを、全観測局に通知する。以後、各観測局は、自身のタイマにより割り当てられた周波数を用いて、所定の時刻にデータ送信を行う。

図９は、図２のシステム構成でのデータ収集局１及び観測局２のブロック図である。データ収集局１は、送受信部１１と、回線設定部１２と、回線設定情報生成部１３と、局条件データベース１４と、収集データ蓄積部１５と、タイマ部１６とを有する。

データ収集局１の局条件データベース１４は、各観測局からの局条件を保存しているデータベースであり、回線設定情報生成部１３は、局条件データベース１４の情報に基づき、送信開始時刻、送信周波数、必要に応じてオフセットδを決定する。回線設定部１２及び送受信部１１により、回線設定情報生成部１３が決定した周波数割当て等の情報を各観測局に通知するが、図３のシーケンスを使用する場合は、タイマ部１６が送信時刻の管理を行う。

データ収集局１の収集データ蓄積部１５は、各観測局からのデータを蓄積する。蓄積されたデータを、更に、図示しない有線通信網に対する送受信部により配信処理することも可能である。

尚、データ収集局１の局条件データベース１４と、回線設定情報生成部１３と、回線設定部１２と、送受信部１１及びタイマ部１６が、最適化処理手段を構成する。

観測局２の観測部２３は、観測データの取得を行い、データ蓄積部２２に保存し、送受信部２１は、図３のシーケンスを使用する場合は、送信周波数割当信号受信によりデータ蓄積部２２からのデータを送信し、図５のシーケンスを使用する場合は、タイマ部２６の制御に基づきデータ送信を実施する。

図６は、データ収集局が複数ある場合のデータ収集システムの構成図である。データ収集局１−１は配下の観測局、図６では観測局２−１、２−２からデータ収集をし、データ収集局１−２は配下の観測局、図６では、観測局２−Ｎからデータ収集を行う。このとき、各データ収集局で独立して既に説明した方法でデータ収集を行うことも可能であるが、各データ収集局と通信可能な制御局３を設け、最適化処理を制御局に集中させることで、各データ収集局の構成の簡略化を図っている。

図７は、図６の構成でのデータ収集のシーケンス図であり、制御局３がデータ収集局経由で送信要求を、各観測局に送信し、各観測局が送信要求に基づきデータ送信を行う方法を示している。

図７に示すように、各データ収集局は、配下の観測局から観測局の識別子と共に局条件を受信し、これらを制御局３に送信する。制御局３は、受信した局条件に対して最適化処理を行う。制御局３は、最適化処理に基づき、送信開始時刻ごとに、データ収集局に周波数割当信号を送信し、データ収集局は、配下の観測局に受信した周波数割当信号を転送する。送信周波数の割当てを受けた観測局は、割り当てられた周波数でデータ送信を行う。また、オフセットδを適用する場合には、制御局３はオフセットδも決定して、最適化処理後、決定したオフセットδをデータ収集局経由で全観測局に通知する。尚、図６の構成で、制御局３は、データ収集局１−１及び１−２のみと接続するものとしているが、例えば、衛星通信の場合等、制御局３と各観測局間でも直接通信可能な場合には、制御局３が送信する送信周波数割当信号を各観測局が直接受信してデータ送信を行う構成とすることも可能であり、この場合には、データ収集局１−１及び１−２での周波数割当信号の転送処理を省略できる。

図８は、図６の構成でのデータ収集の他のシーケンス図であり、各観測局が、自律的にデータ送信を行う方法を示している。

図８に示すように、各データ収集局は、配下の観測局から観測局の識別子と共に局条件を受信し、これらを制御局３に送信する。制御局３は、受信した局条件に対して最適化処理を行い、決定した各観測局での送信開始時刻及び送信周波数、更に必要な場合はオフセットδを、全データ収集局及び全観測局に通知する。以後、各観測局は、自身のタイマにより割り当てられた周波数を用いて、所定の時刻にデータ送信を行う。

図１０は、図６のシステム構成での制御局３及びデータ収集局１のブロック図である。尚、観測局２のブロック図は、図９と同じである。本構成においては、図９でのデータ収集局が実施する最適化処理を制御局３が実施し、従って、制御局３の送受信部３１と、回線設定部３２と、回線設定情報生成部３３と、局条件データベース３４と、タイマ部３６は、それぞれ、図９のデータ収集局１の送受信部１１と、回線設定部１２と、回線設定情報生成部１３と、局条件データベース１４と、タイマ部１６とに対応している。

尚、制御局３は、最適化処理手段を構成する。

更に、図６のシステム構成でのデータ収集局１は、最適化処理を行わないため、送受信部１１と収集データ蓄積部１５のみ有する。

図１１は、最適化処理に基づき実施されるデータ収集を説明する図である。図１１は、観測局数がｎ局であり、送信開始時点がｍ点あり、局条件に基づき必要な周波数の数がｋと求められた状態を示している。この解は、与えられた局条件の元で、必要な周波数の数を最小限とするもの、又は、周波数が使用されていない時間をできるだけ長くするものである。周波数が使用されていない時間をできるだけ長くすることで、空き時間を他の用途に利用することが可能となる。

図１２は、本発明によるデータ収集の効果を簡略化して説明する図である。例えば、図１２の（ａ）に示す様に、従来の方法では、３つの観測局に対して３つの周波数ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３を割り当ててデータ収集していたとしても、本発明では、局条件に基づき最適化処理を行う結果、図１２（ｂ）に示すように、１の周波数ｆ_１のみでデータ収集が可能となる。図１２は、非常に簡略化したものであり、実際には、多数の局が、それぞれ異なる所要伝送時間α、データ取得間隔β及び許容伝送遅延時間γを有していることになるが、汎用ＯＲ法を適用することで、必要な周波数の数をできるだけ抑え、又は、周波数が使用されていない時間をできるだけ長くする送信開始時刻と周波数を求めることが可能となり、システム運用コストの削減、収容観測局数の増大が実現できる。

本発明で使用する用語を説明する図である。 複数の観測局と、１のデータ収集局から構成されるデータ収集システムの構成図である。 図２の構成でのデータ収集のシーケンス図である。 送信周波数割当用フレームを示す図である。 図２の構成でのデータ収集の他のシーケンス図である。 データ収集局が複数ある場合のデータ収集システムの構成図である。 図６の構成でのデータ収集のシーケンス図である 図６の構成でのデータ収集の他のシーケンス図である。 図２の構成でのデータ収集局及び観測局のブロック図である。 図６の構成での制御局及びデータ収集局のブロック図である。 最適化処理に基づき実施されるデータ収集を説明する図である。 発明によるデータ収集の効果を簡略化して説明する図である。

符号の説明

１、１−１、１−２ データ収集局
１１、２１、３１ 送受信部
１２、３２ 回線設定部
１３、３３ 回線設定情報生成部
１４、３４ 局条件データベース
１５ 収集データ蓄積部
１６、２６、３６ タイマ部
２、２−１、２−２、２−Ｎ 観測局
２２ データ蓄積部
２３ 観測部
３ 制御局

Claims (5)

1. データ収集局が、複数の観測局から無線によりデータ収集を行うシステムであって、
   各観測局から受信する各観測局の所要伝送時間、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間に対して、汎用オペレーションズリサーチ法を適用して、各観測局のデータ送信開始時刻及び送信周波数を決定する最適化処理手段を有し、
   データ収集局は、前記決定に基づいたデータ収集を行うことを特徴とするシステム。
2. 最適化処理手段は、更に、各観測局が最初にデータ取得を行う時刻であるオフセットを決定することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 最適化処理手段は、決定した観測局のデータ送信開始時刻毎に、前記観測局に使用する送信周波数を通知し、
   観測局は、通知された送信周波数を使用してデータ送信を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 最適化処理手段は、決定した観測局のデータ送信開始時刻及び送信周波数を、前記観測局にあらかじめ通知し、
   前記観測局は、受信したデータ送信開始時刻に、受信した送信周波数を使用してデータ送信を行うことを特徴とする請求項1又は２に記載のシステム。
5. データ収集局と、制御局と、複数の観測局とを有し、データ収集局が複数の観測局から無線によりデータ収集を行う方法であって、
   制御局が、各観測局から各観測局の所要伝送時間、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間を受信するステップと、
   受信した所要伝送時間と、データ取得間隔及び許容伝送遅延時間に対して、汎用オペレーションズリサーチ法を適用して、各観測局のデータ送信開始時刻及び送信周波数を決定するステップと、
   データ収集局が、制御局が決定したデータ送信開始時刻及び送信周波数に基づいたデータ収集を行うステップと、
   を有することを特徴とする方法。

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