JP5274387B2 - センサネットワークシステムおよびセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、センシング機能を有する複数のノード（センサを備えた通信装置）により構成されたセンサネットワークシステムおよびセンサ装置に関する。

センサネットワークシステムでは、ネットワークを構成している各ノード（センサを備えた通信装置）が無線伝送路を介して、センシング結果の受け渡しを行う。ここで、システムで使用可能な帯域には上限があるため、目標が多数存在する場合や移動体を追尾する必要がある場合には、各ノードへの帯域割り当てを効率的に行うことが、システムの性能向上に不可欠である。

また、従来のセンサネットワークシステムにおける帯域割り当て技術の一例が下記特許文献１に記載されている。下記特許文献１に記載の技術では、各センサにおける航跡情報、観測情報などから得られるセンサの優先度により帯域制御を行う（センサごとの情報伝送容量を決定する）ことにより、センサシステム全体での高い追尾性能を実現している。

特開２００６−４７０５０号公報

しかしながら、上記従来の技術を適用した場合、大容量のセンサ情報を伝送したほうがより精度が良くなることが判明した特定のセンサにおいても、限られた伝送容量に合わせたセンサ情報しか伝送できないという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、さらに高い追尾性能を実現するセンサネットワークシステムおよびセンサ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数のセンサ、および当該複数のセンサを制御する制御装置を含んだセンサネットワークシステムであって、前記制御装置は、前記センサの各々における観測結果に基づいて、どのセンサからどのような情報を出力させるかを示す情報である優先度の暫定値をセンサ毎に決定し、前記センサの各々は、近隣のセンサとの間で観測動作に関する情報を所定のタイミングで交換し、得られた観測動作情報に基づいて、前記制御装置で決定された自センサの優先度の暫定値を調整し、前記制御装置は、各センサで調整された後の優先度に基づいて、各センサとの間の通信帯域制御を行うことを特徴とする。

本発明にかかるセンサネットワークシステムによれば、各センサが目標の観測結果を通知する回線の通信帯域を適切に確保することができ、十分な情報量の最適な目標観測結果を速やかに収集し、より高い追尾性能を実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるセンサネットワークシステムの実施の形態１の構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１のセンサネットワークシステムにおける通信制御シーケンスの一例を示す図である。 図３は、実施の形態２のセンサネットワークシステムにおける通信制御シーケンスの一例を示す図である。 図４は、本発明にかかるセンサネットワークシステムの実施の形態３の構成例を示す図である。 図５は、実施の形態３のセンサネットワークシステムにおける通信制御シーケンスの一例を示す図である。

以下に、本発明にかかるセンサネットワークシステムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるセンサネットワークシステムの実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態のセンサネットワークシステムは、所定の場所に配置された複数のセンサからなるセンサ群１、センサ情報評価部２、通信帯域制御部３、観測情報統合部４および統合センサ性能評価部５により構成される。センサ情報評価部２、通信帯域制御部３、観測情報統合部４および統合センサ性能評価部５は、センサ群１を制御する制御手段（制御装置）として動作する。

センサ群１の各センサ１０は同じ構成となっており、それぞれ、位置管理部１１、信号監視部１２および近接通信部１３を含んでいる。各センサ１０は、観測ビームにより、同一目標のセンシング（観測）を行う。目標は、たとえば、飛行機、船、車、人などの移動体である。なお、便宜上、図１では、１つのセンサ１０についてのみ内部構成を示している。各センサ１０は、その内部構成が共通であるが、それぞれ異なる動作条件が設定可能であり、設定されている動作条件に従って目標を観測する。動作条件には、たとえば、目標観測の実行周期や感度、観測ビームの周波数や指向性、観測結果の取扱い（制御装置へ観測結果を通知するタイミング、観測結果に含まれる複数の情報のうち、どの情報を通知するか、など）、などが含まれる。

センサ１０において、位置管理部１１は、ＧＰＳ（Global Positioning System）などを利用して取得した自身（自センサ）の位置情報を管理する。信号監視部１２は、観測ビームの受信信号を観測する。近接通信部１３は、近隣のセンサとセンサ間通信用に割り当てられた帯域を利用して無線通信を行い、互いの位置情報を交換する。

また、各センサ１０は、設定されている動作条件に従って目標の観測を行い、得られた観測結果のすべて、または一部を、センサ情報評価部２から取得し、保持しておいた優先度（詳細については後述する）に基づいて選択し、観測情報統合部４へ送信する。また、センサ情報評価部２に対しては、選択した観測結果とともに、設定されている動作条件の情報を送信する。

センサ情報評価部２は、センサ群１からの出力情報に基づいて、今後、どのセンサからどのような情報を出力させるかを示す情報である優先度（暫定優先度）をセンサ毎に算出する。すなわち、センサ情報評価部２は、各センサ１０から受け取った観測結果および動作条件情報に基づいて、各センサ１０の優先度をそれぞれ算出する。算出したセンサ１０ごとの優先度は、対応するセンサ１０に通知され、さらに、各センサ１０で必要に応じて更新された後、返送される。そして、センサ情報評価部２は、返送された優先度に基づいて、センサ１０ごとの通信帯域を決定するための指標を生成し、通信帯域制御部３に通知する。

通信帯域制御部３は、センサ情報評価部２から通知された指標に基づいて、帯域制御、すなわち、センサ１０ごとの通信回線容量の調整を行う。

観測情報統合部４は、センサ群１（各センサ１０）が通信帯域制御部３での調整結果に従って送信した観測ビームの目標情報（目標の観測結果）を受け取り、それらを統合して統合目標情報を生成する。具体的には、観測情報統合部４は、各センサ１０から取得し、保持しておいた最新の観測結果を所定のタイミングで統合する。たとえば、すべてのセンサ１０から観測結果を受信する毎にこれらの観測結果を統合して高精度な統合目標情報を生成し、統合センサ性能評価部５へ出力する。また、一定の周期で定期的に、その時点での最新の観測結果（各センサ１０から最後に取得したそれぞれの観測結果）を統合するようにしてもよい。

統合センサ性能評価部５は、観測情報統合部４にて統合された目標情報（統合目標情報）を分析し、分析結果に基づいて、各センサ１０を制御する。たとえば、各センサ１０に設定されている動作条件を変更し、目標（追尾対象の移動体）に最も近いセンサ１０の感度を上げる、観測結果の通知間隔を短くする（観測結果の通知頻度を上げる）、目標からの距離が一定値に達しているセンサ１０（遠方にあるセンサ１０）による観測動作を停止する、などの制御を行う。なお、各センサ１０からセンサ情報評価部２に対して送信される、設定されている動作条件情報を併せて取得し、これと上記分析結果とに基づいて各センサ１０を制御するようにしてもよい。動作条件情報を取得し、これを考慮しながら制御を行う場合、動作条件情報に含まれるすべての情報を直接指示することが可能となり、効率的な制御が実現できる。

つづいて、本実施の形態のセンサネットワークシステムの全体動作について図１および図２を参照しながら説明する。図２は、実施の形態１のセンサネットワークシステムにおける通信制御シーケンスの一例を示す図である。

図示したように、本実施の形態のセンサネットワークシステムを構成しているセンサ群１の各センサ１０では、位置管理部１１が自身（自センサ）の位置を特定し続けるとともに、近接通信部１３が近隣の他のセンサ１０と通信を行い、位置管理部１１での位置の特定結果である位置情報（センサ位置情報）を相互に通知する（ステップＳ１０）。この動作により、各センサ１０は、近隣の他のセンサの位置を把握する。なお、近接通信部１３は、近隣の他のセンサ１０との通信では、センサ情報評価部２や観測情報統合部４との通信で使用する無線通信帯域（広域無線通信回線）とは異なる無線通信帯域を使用する。

次に、センサ１０の位置管理部１１は、上記ステップＳ１０を実行して得られた他のセンサの位置情報、および自身の位置情報に基づいて、センサ情報評価部２で算出され、取得しておいた優先度（暫定優先度）を調整する。例えば、近接通信部１３が通信可能な範囲内に存在している他のセンサの数が少ないときや自局位置に対して偏った方向にしか他のセンサが無いとき、センサの優先度を上げ、自局の周りに均等に多数のセンサがあるときには、優先度を下げる。

そして、センサ１０は、上記優先度の調整が終了すると、目標の観測結果の情報量であるセンサ情報量、および調整後の優先度であるセンサ情報優先度を、センサ情報評価部２へ通知する（ステップＳ１１）。

各センサ１０からセンサ情報優先度を受信したセンサ情報評価部２は、各センサ１０から集計した情報（センサ情報量，調整後の優先度）に基づいて優先比率を算出し、算出した優先比率に基づく帯域制御（通信回線容量割り当て）を行うように、通信帯域制御部３に指示を行う（ステップＳ１２）。

上記ステップＳ１２で示した指示を受けると、通信帯域制御部３は、各センサ１０がセンサ情報評価部２へ目標の観測情報を伝送するための無線通信帯域（広域無線通信回線の通信帯域）を、重複しないようにセンサ１０ごとに振り分ける。そして、この振り分け結果を示す通信回線容量情報をすべてのセンサ１０へ送信する（ステップＳ１３）。

各センサ１０は、通信帯域制御部３から受信した通信回線容量情報が示す通信回線容量に沿って、目標情報（目標の観測結果情報）の種別や情報量を制御し、得られた情報を目標観測情報として観測情報統部４へ送信する（ステップＳ１４）。

観測情報統合部４は、各センサ１０から受信した目標情報を統合して高精度な統合目標情報を生成し、これを統合センサ性能評価部５へ送信する（ステップＳ１５）。

統合センサ性能評価部５は、観測情報統合部４から受信した統合目標情報を分析して各センサ１０における目標観測情報の精度に対する効果を判断する。

このように、本実施の形態のセンサネットワークシステムでは、センサ群１と制御装置（センサ情報評価部２，観測情報統合部４）との間の通信帯域制御を行う際、まず、センサ情報評価部２がセンサ群１の各センサ１０から取得した情報に基づいて、センサ１０ごとの第１の優先度（暫定優先度）を決定し、さらに、この第１の優先度を各センサ１０に通知し、各センサ１０では、近隣のセンサとの位置関係を考慮して第１の優先度を更新し、得られた第２の優先度をセンサ情報評価部２へ返送することとした。そして、各センサ１０から第２の優先度を受信したセンサ情報評価部２は、第２の優先度に基づいて優先比率を算出し、この優先比率に基づいて通信帯域制御部３が帯域制御を行うこととした。これにより、各センサ１０が目標観測情報（目標の観測結果情報）を通知する回線の通信帯域を適切に確保することができる。この結果、観測情報統合部４にとって十分な情報量の最適なセンサの目標観測情報を速やかに収集し、より高い追尾性能を実現できる。

実施の形態２．
つづいて、実施の形態２のセンサネットワークシステムについて説明する。実施の形態１では、各センサの配置に応じて通信回線容量を最適に割り当てることにより高い追尾性能を実現するようにしたものであるが、本実施の形態では、目標が移動することにより観測ビームから得られるセンサ信号情報が変動するような場合に通信回線容量を最適に割り当てるセンサネットワークシステムを説明する。なお、本実施の形態のセンサネットワークシステムの構成は、実施の形態１と同様である（図１参照）。

図３は、実施の形態２のセンサネットワークシステムにおける通信制御シーケンスの一例を示す図である。なお、実施の形態１で示した制御シーケンス（図２参照）と共通の処理には同じステップ番号が付与されている。本実施の形態では、実施の形態１と共通の部分については説明を省略する。

本実施の形態のセンサネットワークシステムにおいて、各センサ１０は、観測ビームにより目標を捕捉すると、信号監視部１２が目標を表すと推定される捕捉信号電波の強度を監視する。また、近接通信部１３が、近隣の他のセンサ１０との間で観測ビームに関する情報を送受信し、捕捉信号情報（信号監視部１２による監視結果）を補正する（ステップＳ２０）。例えば、他のセンサ１０が観測ビームを送信するタイミングや周波数などの情報を交換して把握し、自観測ビーム以外の捕捉信号電波をノイズとして排除したり、自観測ビーム以外の捕捉信号電波も他のセンサ１０と同様に監視したりする。そして、信号監視部１２は、捕捉信号電波強度に基づいて、これ以前にセンサ情報評価部２で算出され、取得しておいた暫定優先度を調整し、得られた調整後の優先度をセンサ情報優先度としてセンサ情報評価部２へ送信する（ステップＳ１１）。これ以降の制御シーケンスは実施の形態１で説明したとおりである。

なお、実施の形態１で説明したステップＳ１０の処理も併せて実行し、近隣の各センサの配置も考慮してセンサ情報優先度を決定するようにしてもよい。

このように、本実施の形態のセンサネットワークシステムでは、各センサ１０が観測ビームに関する情報を近隣の他のセンサ１０との間で交換し、得られた情報、および目標の捕捉信号電波の強度に基づいて、実施の形態１と同様の手法で算出された暫定優先度を調整することとした。このような制御シーケンスを採用した場合にも、実施の形態１のセンサネットワークシステムと同様に、より高い追尾性能を実現できる。

実施の形態３．
つづいて、実施の形態３のセンサネットワークシステムについて説明する。実施の形態１，２のセンサネットワークシステムでは、各センサは目標観測情報（目標の観測結果情報）を伝送する通信帯域幅を増やしたい状況になっても通信帯域制御部からの通信回線容量割り当てを受信しないと増加できない。これに対して、本実施の形態のセンサネットワークシステムでは、センサ同士が情報の交換するために確保されている通信回線（近接通信部が使用する通信帯域）を利用し、通信帯域制御部から通信回線容量割り当てを受信することなく目標観測情報を伝送する通信帯域幅を増加可能にしたことを特徴としている。

図４は、本発明にかかるセンサネットワークシステムの実施の形態３の構成例を示す図である。なお、先の実施の形態のセンサネットワークシステム（図１参照）と共通の部分には同じ符号が付与されている。すなわち、本実施の形態のセンサネットワークシステムは、図１に示したセンサネットワークシステムのセンサ群１をセンサ群１ａに置き換えたものであり、センサ群１ａは、上述したセンサ１０に対して観測情報中継部１４が追加された構成の複数のセンサ１０ａを含んでいる。

センサ１０ａの観測情報中継部１４は、近隣のセンサ１０ａの近接通信部１３から観測情報（目標観測情報）を受信した場合、それを観測情報統合部４に中継する。

図５は、実施の形態３のセンサネットワークシステムにおける通信制御シーケンスの一例を示す図である。なお、先の実施の形態で示した制御シーケンス（図２，図３参照）と共通の処理には同じステップ番号が付与されている。本実施の形態では、先の実施の形態と共通の部分については説明を省略する。

各センサ１０ａの近接通信部１３は、所定のタイミング（定期的であっても不定期であってもよい）で、自センサが観測情報統合部４に通知する目標観測情報の情報量と、通信帯域制御部３から通知された通信回線容量情報とに基づいて、観測情報統合部４との間の通信用に割り当てられている通信帯域（通信回線容量情報が示す帯域）の中に、どの程度の空きがあるか（未使用の帯域があるか）を算出する。そして、算出結果を通信回線空き情報として近隣の各センサ１０ａに送信する。同様に、近隣の各センサ１０ａから通信回線空き情報を所定のタイミングで受信することにより、通信回線空き情報を交換する（ステップＳ３０）。

また、図５への記載は省略しているが、センサ１０ａでは、実施の形態１または２で説明したセンサ１０と同様に、近隣の各センサの配置や観測ビームに関する情報を利用して、センサ情報評価部２で算出された暫定優先度を適宜調整している。そして、暫定優先度を調整して優先度を上げた場合、すなわち、目標観測情報を伝送するための帯域を増やす必要があると判断した場合、センサ１０ａでは、信号監視部１２が目標観測情報を観測情報統合部４へ直接送信するとともに（ステップＳ３１）、近接通信部１３が目標観測情報の一部を目標観測追加情報として、近隣のセンサ１０ａ経由で観測情報統合部４へ送信する。ここで、目標観測追加情報を近隣のセンサ１０ａに送信するにあたって、近接通信部１３は、上記ステップＳ３０を実行して取得しておいた通信回線空き情報に基づき、広域無線通信回線（目標観測情報の伝送用通信回線）の容量に余裕のあるセンサを特定する。そして、特定したセンサ１０ａに対して目標観測追加情報を送信する（ステップＳ３２）。なお、目標観測追加情報の送信先として複数のセンサ１０ａを特定してもよい。目標観測追加情報を受信した近隣のセンサ１０ａでは、観測情報中継部１４が、目標観測追加情報を観測情報統合部４へ送信する（ステップＳ３３）。このとき、目標観測追加情報を受信したセンサ１０ａの観測情報中継部１４は、送信元のセンサ１０ａの識別情報などを付加したまま、目標観測追加情報を中継送信する。これは、観測情報統合部４が生成元のセンサ１０ａから直接送信された目標観測情報と同様に受信できるようにするためである。

観測情報統合部４は、センサ１０ａ（送信元センサと呼ぶ）から直接受信した目標観測情報と近隣のセンサ１０ａ（中継センサと呼ぶ）経由で受信した目標観測追加情報とを合わせて、送信元センサからの目標観測情報として取扱い、さらに、これと他のセンサ１０ａから受信した目標観測情報とを統合して統合目標情報を生成する。そして、観測情報統合部４は、生成した統合目標情報を統合センサ性能評価部５へ通知する（ステップＳ３４）。

優先度を上げたことに伴い目標観測追加情報を他のセンサ経由で観測情報統合部４へ送信したセンサ１０ａは、引き続き実施の形態１や２で示したように、通信帯域制御部３から適切な通信回線容量情報を通知されたならば、これに合わせた目標観測情報に変更し、目標観測追加情報の送信を停止する。

このように、本実施の形態のセンサネットワークシステムでは、各センサ１０ａが、目標観測情報を伝送するための回線の使用状況（未使用の帯域がどの程度あるか）の情報を近隣のセンサ１０ａとの間で交換して保持しておき、自センサに割り当て済みの帯域を増やす必要がある場合には、目標観測情報の一部（目標観測追加情報）を近隣のセンサ１０ａ経由で送信することとした。これにより、通信帯域制御部３による目標観測情報を通知する回線の通信帯域が適切に確保される前から、伝送する目標観測情報の情報量を増加させることができ、より高い追尾性能を実現できる。

以上のように、本発明にかかるセンサネットワークシステムは、複数のセンサにおける観測結果を利用して目標を観測するシステムに有用であり、特に、各センサからの出力情報を伝送する帯域を効率的に割り当てて高い追尾性能を実現するセンサネットワークシステムに適している。

１、１ａ センサ群
２ センサ情報評価部
３ 通信帯域制御部
４ 観測情報統合部
５ 統合センサ性能評価部
１０、１０ａ センサ
１１ 位置管理部
１２ 信号監視部
１３ 近接通信部
１４ 観測情報中継部

Claims (8)

1. 複数のセンサ、および当該複数のセンサを制御する制御装置を含んだセンサネットワークシステムであって、
   前記制御装置は、前記センサの各々における観測結果に基づいて、どのセンサからどのような情報を出力させるかを示す情報である優先度の暫定値をセンサ毎に決定し、
   前記センサの各々は、近隣のセンサとの間で観測動作に関する情報を所定のタイミングで交換し、得られた観測動作情報に基づいて、前記制御装置で決定された自センサの優先度の暫定値を調整し、
   前記制御装置は、各センサで調整された後の優先度に基づいて、各センサとの間の通信帯域制御を行う
   ことを特徴とするセンサネットワークシステム。
2. 前記観測動作に関する情報を、各センサの位置情報とすることを特徴とする請求項１に記載のセンサネットワークシステム。
3. 前記観測動作に関する情報を、各センサが使用している観測ビームの情報とすることを特徴とする請求項１に記載のセンサネットワークシステム。
4. 前記観測ビームの情報を、観測ビームを送信するタイミングや周波数の情報とすることを特徴とする請求項３に記載のセンサネットワークシステム。
5. 前記センサの各々は、近隣のセンサと交換した観測ビームの情報に基づいて、観測結果を補正することを特徴とする請求項３または４に記載のセンサネットワークシステム。
6. 前記センサの各々は、さらに、
   近隣のセンサとの間で、各センサが前記制御装置により割り当てられた通信帯域のうちの未使用帯域の情報を所定のタイミングで交換しておき、
   前記制御装置が想定している情報量を超える情報量の観測結果を送信する場合、観測結果の一部を、前記交換しておいた未使用帯域の情報に基づき選択した近隣のセンサ経由で前記制御装置へ送信する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のセンサネットワークシステム。
7. 前記センサの各々は、
   近隣のセンサから前記制御装置宛の観測結果を受信した場合、当該受信した観測結果を前記制御装置へ転送することを特徴とする請求項６に記載のセンサネットワークシステム。
8. 他のセンサとともにセンサネットワークシステムを構成するセンサ装置であって、
   近隣のセンサとの間で通信を行い、自センサおよび他のセンサを制御する制御装置により割り当てられた当該制御装置との間の通信帯域のうちの未使用帯域についての情報を所定のタイミングで交換するとともに、目標の観測結果を前記制御装置へ送信する際、当該制御装置により割り当てられている通信帯域よりも多くの通信帯域が必要と判断した場合には、観測結果の一部を、前記交換しておいた未使用帯域の情報に基づき選択した近隣のセンサへ送信する近接通信部と、
   近隣のセンサから前記制御装置宛の観測結果を受信した場合、当該受信した観測結果を前記制御装置へ転送する観測情報中継部と、
   を備えることを特徴とするセンサ装置。

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