JP7070531B2 - 都市構造設計装置及び都市構造設計プログラム - Google Patents

Description

本発明は、都市構造設計装置及び都市構造設計プログラムに関する。

都市設計を自動的に行うには、様々な事象を数値化する必要がある。例えば、特許文献１には、空間に事物を配置するに際して、空間に要望されている機能目標を満たし得るように事物の配置を決定することにより、空間を設計する方法が記載されている。この方法は、対象をなす空間に要望される１つまたは複数の機能目標を設定する工程と、各々の機能目標に対して評価条件を設定する工程と、空間内に配置される事物の発生規則を設定する工程と、発生規則にしたがって事物を発生させることにより空間の設計パターンを得る工程と、設計パターンを評価条件により評価する工程と、を具備する。

また、特許文献２には、仮想的な３次元電子地図を生成する３次元地図生成システムが記載されている。この３次元地図生成システムは、仮想空間内で、建造物を配置すべき土地枠の位置および形状を複数記憶した電子地図データを参照する地図参照部と、土地枠ごとに、建造されるべき建造物が満たすべき規制条件を対応づけて記憶する生成条件データベースを参照する生成条件参照部と、規制条件を満たす範囲で、各土地枠に建造物の３次元モデルデータを生成することで、３次元電子地図を生成する地図生成部と、を備える。

また、特許文献３には、平面地図情報から３次元都市景観情報を作成する方法が記載されている。この方法は、地図情報を読み取りデジタル化した基本地図データを作成するとともに、この地図情報に対応する地域のカラー航空写真を読み取りデジタル化し画像処理を施しその中に含まれる建物の屋根の色を抽出したカラー地図データを作成する。また、この方法は、基本地図データとカラー地図データとを位置合わせにより統合化した２次元デジタル地図を作成し、かつ地図情報に含まれる建物の正面あるいは側面の写真を読み取り画像処理を施した個別建物データを作成する。また、この方法は、この個別建物データにテクスチャマッピング処理と建物ライブラリからの形状選択およびパラメトリック操作とにより個別建物３次元データを作成し、２次元デジタル地図上に対応する個別建物３次元データを配置する。

特開平１０－１８４０７号公報 特開２００８－８３７２８号公報 特開平１１－１２０３７４号公報

ところで、従来の手法では、最適な都市設計を行うために膨大な時間を要し、有限時間で解決することが難しかった。特に、道路構造、建造物等を表現する都市シミュレータは、人間が経験等で蓄積した知識（ルール）に対するパラメータを変化させることにより多様な３次元地図を生成する。しかし、この都市シミュレータは、生成した３次元地図に対して人間が景観等を評価する補助的なツールに過ぎなかった。このため、大量のパラメータに対する評価が必要となり、膨大な時間を要する上に、適切な都市構造を設計することが困難である。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、比較的短時間で適切な都市構造を設計することができる都市構造設計装置及び都市構造設計プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の都市構造設計装置は、都市を構成する複数の要素の各々を表す複数の微分可能関数の各々を微分する微分計算部と、前記微分計算部により微分して得られた前記複数の微分可能関数の各々の微分値に基づいて、前記複数の微分可能関数の出力を入力とする、前記都市に関する目的関数の出力を最適化するように、前記複数の要素の各々に関するパラメータを探索するパラメータ探索部と、を備えている。

請求項２に記載の都市構造設計装置は、請求項１に記載の都市構造設計装置において、前記複数の要素が、道路、建造物、複数の車両の流れを示す交通流、及び、複数の人の流れを示す人流のうち２つ以上を含む。

請求項３に記載の都市構造設計装置は、請求項１又は請求項２に記載の都市構造設計装置において、前記目的関数が、渋滞の発生頻度を出力する関数、事故の発生頻度を出力する関数、二酸化炭素の排出量を出力する関数、及び、生活の質を示す指標を出力する関数の少なくとも１つであるとされている。

請求項４に記載の都市構造設計装置は、請求項１又は請求項２に記載の都市構造設計装置において、前記目的関数が、車両の開発者により予め規定された、前記車両の走行テストに適したテストシーンの数を出力する関数であるとされている。

請求項５に記載の都市構造設計装置は、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の都市構造設計装置において、前記パラメータ探索部により探索された前記複数の要素の各々に関するパラメータを用いて都市構造を設計する都市構造設計部と、前記都市構造設計部により設計された都市構造におけるパラメータを評価するパラメータ評価部と、を更に備えている。

請求項６に記載の都市構造設計装置は、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の都市構造設計装置において、前記複数の要素の各々に関するパラメータの確率分布を、予め定められた地域毎に算出する確率分布算出部を更に備えている。

請求項７に記載の都市構造設計装置は、請求項６に記載の都市構造設計装置において、前記確率分布算出部が、前記複数の要素の各々に関するパラメータの確率分布を統合することにより、前記予め定められた地域毎に同時確率分布を更に算出する。

請求項８に記載の都市構造設計装置は、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の都市構造設計装置において、前記都市が、複数の都市であり、前記複数の都市が、都市間の相関関係を仮想空間上で表現可能とされ、前記複数の都市に対して都市間の類似度を求め、求めた類似度を用いて前記複数の都市をクラスタリングすることにより、前記複数の都市を含む地域全体の特徴を維持したまま、前記地域全体を仮想的に作成する仮想地域作成部を備えている。

請求項９に記載の都市構造設計装置は、請求項１に記載の都市構造設計装置において、前記要素が、複数の車両の流れを示す交通流であり、前記目的関数が、渋滞の発生頻度を出力する関数であり、前記微分計算部が、実際に走行する複数の車両の位置情報から生成される、前記交通流を表す微分可能関数を微分し、前記パラメータ探索部が、前記微分可能関数を微分して得られた微分値に基づいて、前記微分可能関数の出力を入力とする、前記関数の出力を最小化するように、前記交通流に関するパラメータを探索し、前記パラメータ探索部により探索された前記交通流に関するパラメータを用いて、前記交通流に対して渋滞が発生しないように制御する交通流制御部、を更に備えている。

請求項１０に記載の都市構造設計装置は、請求項１に記載の都市構造設計装置において、前記要素が、複数の人の流れを示す人流であり、前記目的関数が、渋滞の発生頻度を出力する関数であり、前記微分計算部が、実際に移動する複数の人の位置情報から生成される、前記人流を表す微分可能関数を微分し、前記パラメータ探索部が、前記微分可能関数を微分して得られた微分値に基づいて、前記微分可能関数の出力を入力とする、前記関数の出力を最小化するように、前記人流に関するパラメータを探索し、前記パラメータ探索部により探索された前記人流に関するパラメータを用いて、前記人流に対して渋滞が発生しないように制御する人流制御部、を更に備えている。

更に、上記目的を達成するために、請求項１１に記載の都市構造設計プログラムは、都市を構成する複数の要素の各々を表す複数の微分可能関数の各々を微分し、前記微分して得られた前記複数の微分可能関数の各々の微分値に基づいて、前記複数の微分可能関数の出力を入力とする、前記都市に関する目的関数の出力を最適化するように、前記複数の要素の各々に関するパラメータを探索することを、コンピュータに実行させる。

本発明によれば、比較的短時間で適切な都市構造を設計することができる都市構造設計装置及び都市構造設計プログラムを提供することができる。

第１の実施形態に係る都市構造設計装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る都市構造設計装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る都市と目的関数との関係の一例を示すグラフである。 実施形態に係る目的関数と複数の要素との関係の説明に供する図である。 実施形態に係る目的関数と複数の要素の各々を表すニューラルネットワークの出力との関係を模式的に示す図である。 第１の実施形態に係る都市構造設計プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る都市構造設計装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る道路の曲率の算出例の説明に供する図である。 実施形態に係る生成地図及び正解地図の一例を示す図である。 実施形態に係る実世界のレイヤ表現と道路に関する存在分布の一例を示す図である。 第３の実施形態に係る都市構造設計装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係るミニチュア版の日本モデルの一例を示す図である。 第４の実施形態に係る都市構造設計装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る都市構造設計プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。 実施形態に係る実在の車両、歩行者、及び信号機の状態の一例を示す図である。 実施形態に係る交通流の一例を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。

[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る都市構造設計装置１０の電気的な構成の一例を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る都市構造設計装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１４と、記憶部１５と、表示部１６と、操作部１７と、通信部１８と、を備えている。

本実施形態に係る都市構造設計装置１０には、例えば、サーバコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ：Personal Computer）等の汎用的なコンピュータ装置が適用される。

ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、及びＩ／Ｏ１４の各部は、バスを介して各々接続されている。これらＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、及びＩ／Ｏ１４により制御部が構成される。

Ｉ／Ｏ１４には、記憶部１５と、表示部１６と、操作部１７と、通信部１８と、を含む各機能部が接続されている。これらの各機能部は、Ｉ／Ｏ１４を介して、ＣＰＵ１１と相互に通信可能とされる。

制御部は、都市構造設計装置１０の一部の動作を制御するサブ制御部として構成されてもよいし、都市構造設計装置１０の全体の動作を制御するメイン制御部の一部として構成されてもよい。制御部の各ブロックの一部又は全部には、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路又はＩＣ（Integrated Circuit）チップセットが用いられる。上記各ブロックに個別の回路を用いてもよいし、一部又は全部を集積した回路を用いてもよい。上記各ブロック同士が一体として設けられてもよいし、一部のブロックが別に設けられてもよい。また、上記各ブロックのそれぞれにおいて、その一部が別に設けられてもよい。制御部の集積化には、ＬＳＩに限らず、専用回路又は汎用プロセッサを用いてもよい。

記憶部１５としては、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等が用いられる。記憶部１５には、本実施形態に係る都市構造設計を行うための都市構造設計プログラム１５Ａが記憶される。なお、この都市構造設計プログラム１５Ａは、ＲＯＭ１２に記憶されていてもよい。

都市構造設計プログラム１５Ａは、例えば、都市構造設計装置１０に予めインストールされていてもよい。都市構造設計プログラム１５Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又はネットワークを介して配布して、都市構造設計装置１０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、光磁気ディスク、ＨＤＤ、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、フラッシュメモリ、メモリカード等が想定される。

表示部１６には、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ:Liquid Crystal Display）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等が用いられる。表示部１６は、タッチパネルを一体的に有していてもよい。操作部１７には、例えば、キーボードやマウス等の操作入力用のデバイスが設けられている。表示部１６及び操作部１７は、都市構造設計装置１０のユーザから各種の指示を受け付ける。表示部１６は、ユーザから受け付けた指示に応じて実行された処理の結果や、処理に対する通知等の各種の情報を表示する。

通信部１８は、インターネットや、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等のネットワークに接続されており、画像形成装置や他のＰＣ等の外部機器との間でネットワークを介して通信が可能とされる。

ところで、上述したように、都市構造設計の従来の手法では、大量のパラメータに対する評価が必要となり、膨大な時間を要する上に、適切な都市構造を設計することが難しい場合がある。

本実施形態に係る都市構造設計装置１０のＣＰＵ１１は、記憶部１５に記憶されている都市構造設計プログラム１５ＡをＲＡＭ１３に書き込んで実行することにより、図２に示す各部として機能する。

図２は、第１の実施形態に係る都市構造設計装置１０の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

図２に示すように、本実施形態に係る都市構造設計装置１０のＣＰＵ１１は、微分計算部１１Ａ、パラメータ探索部１１Ｂ、都市構造設計部１１Ｃ、及びパラメータ評価部１１Ｄとして機能する。

記憶部１５には、都市に関する各種データ（例えば、地図データ、画像データ等）を機械学習することにより都市構造を再現するニューラルネットワークを格納したニューラルネットワークデータベース（以下、「ニューラルネットワークＤＢ」という。）１５Ｂが設けられている。このニューラルネットワークＤＢ１５Ｂは、記憶部１５に限らず、外部の記憶装置に設けられていてもよい。ニューラルネットワークは、都市を構成する要素を微分可能な関数として表現したものである。ここでいう複数の要素は、一例として、道路、建造物、複数の車両の流れを示す交通流、及び、複数の人の流れを示す人流のうち２つ以上を含んでいる。なお、これらの要素を表す関数は、微分可能関数であればよく、ニューラルネットワークに限定されるものではない。

上記ニューラルネットワークの生成には、一例として、敵対的生成ネットワーク（ＧＡＮ：Generative Adversarial Networks）等が用いられる。ＧＡＮは、生成モデルの一種であり、各種データから特徴を学習することで、実在しないデータを生成したり、存在するデータの特徴に沿って変換したりすることができる。ＧＡＮは、正解データを与えることなく特徴を学習する「教師なし学習」の一手法とされている。

微分計算部１１Ａは、都市を構成する複数の要素の各々を表す複数のニューラルネットワークの各々を微分する。

パラメータ探索部１１Ｂは、微分計算部１１Ａにより微分して得られた複数のニューラルネットワークの各々の微分値に基づいて、複数のニューラルネットワークの出力を入力とする、都市に関する目的関数の出力を最適化するように、複数の要素の各々に関するパラメータを探索する。なお、目的関数には、一例として、渋滞の発生頻度を出力する関数（つまり、複数の車両の平均速度を出力する関数）が適用される。この場合、目的関数の出力の最適化とは、渋滞の発生頻度を最小化（つまり、複数の車両の平均速度を最大化）することを意味する。また、目的関数には、事故の発生頻度を出力する関数を適用してもよい。この場合、目的関数の出力の最適化とは、事故の発生頻度を最小化することを意味する。また、目的関数には、二酸化炭素の排出量を出力する関数を適用してもよい。この場合、目的関数の出力の最適化とは、二酸化炭素の排出量を最小化することを意味する。また、目的関数には、生活の質（ＱｏＬ：Quality of Life）を表す指標を出力する関数を適用してもよい。この場合、目的関数の出力の最適化とは、ＱｏＬを表す指標を最大化することを意味する。なお、ＱｏＬを表す指標としては、一例として、バリアフリー化された建造物の数等が挙げられる。また、目的関数には、車両の開発者により予め規定された、車両の走行テストに適したテストシーンの数を出力する関数を適用してもよい。この場合、目的関数の出力の最適化とは、テストシーンの数を最大化することを意味する。

ここで、図３～図５を参照して、目的関数Ｈａｐｐｙを最適化する処理について具体的に説明する。

図３は、本実施形態に係る都市と目的関数Ｈａｐｐｙとの関係の一例を示すグラフである。図３において、縦軸は目的関数Ｈａｐｐｙの出力を示し、横軸はニューラルネットワークで表現された複数の都市を示している。

本実施形態では、図３に示す都市Ｘの構造を、目的関数Ｈａｐｐｙの出力が最適化されるように推定する。このとき、都市Ｘを構成する複数の要素をそれぞれ微分可能関数（本実施形態ではニューラルネットワーク）で表現する。これにより、膨大なパラメータを評価することなく、比較的短時間で適切なパラメータが得られるようにする。なお、目的関数Ｈａｐｐｙの出力を最適化するとは、目的関数Ｈａｐｐｙの出力を最大化又は最小化することを意味する。

図４は、本実施形態に係る目的関数Ｈａｐｐｙと複数の要素との関係の説明に供する図である。

図４に示すように、目的関数Ｈａｐｐｙは、各要素を表すニューラルネットワークｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、・・・の出力（ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、・・・）を用いて、下記の式（１）のように表現される。この目的関数Ｈａｐｐｙは、都市シミュレータにおいて定義される関数である。なお、都市シミュレータ自体は、公知の技術であるため、ここでの具体的な説明は省略する。

Ｈａｐｐｙ＝ｇ（ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３、・・・） ・・・（１）

但し、ｙ_１は道路を表すニューラルネットワークの出力であり、ｙ_２は建造物を表すニューラルネットワークの出力であり、ｙ_３は交通流を表すニューラルネットワークの出力である。

図４の例では、都市Ｘを構成する複数の要素として、道路、建造物、及び交通流の３つの要素（３次元）を適用した場合について示している。但し、本実施形態では、都市Ｘを構成する要素の数が４つ以上であっても同様に適用される。

また、ニューラルネットワークｆ_１、ｆ_２、ｆ_３の出力ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３は、下記の式（２）～式（４）のように表現される。

ｙ_１＝ｆ_１（ｘ_１１、ｘ_１２、ｘ_１３、・・・） ・・・（２）
ｙ_２＝ｆ_２（ｘ_２１、ｘ_２２、ｘ_２３、・・・） ・・・（３）
ｙ_３＝ｆ_３（ｘ_３１、ｘ_３２、ｘ_３３、・・・） ・・・（４）

但し、ｘ_１１、ｘ_１２、ｘ_１３、・・・は道路に関するパラメータであり、ｘ_２１、ｘ_２２、ｘ_２３、・・・は建造物に関するパラメータであり、ｘ_３１、ｘ_３２、ｘ_３３、・・・は交通流に関するパラメータである。例えば、道路の場合、道路の形状を表す幅、勾配、曲率等がパラメータとなる。これらのパラメータは、特に限定されるものではなく、各要素の特徴に応じて適切なパラメータを採用すればよい。

図５は、本実施形態に係る目的関数Ｈａｐｐｙと複数の要素の各々を表すニューラルネットワークの出力ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３との関係を模式的に示す図である。

図５に示すように、上記ニューラルネットワークの出力ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３によって３次元の座標区間が構成される。この３次元の座標空間の中で目的関数Ｈａｐｐｙの出力が最大化又は最小化される。

本実施形態では、各要素（図４の例では道路、建造物、及び交通流）をニューラルネットワークで表現することで、目的関数Ｈａｐｐｙの出力を最大化又は最小化する、最適な都市構造を推定する。具体的に、各要素の各パラメータについてのニューラルネットワークを微分した微分値に対して、下記の式（５）を適用し、接線方向にパラメータを順次探索し、最適解となるパラメータを求める。つまり、各要素の各パラメータの最適解を求めることで、各要素の各パラメータについてのニューラルネットワークの出力が最適化され、目的関数Ｈａｐｐｙの出力が最大化又は最小化される。

・・・（５）

但し、ｆは要素を表すニューラルネットワークを示し、ｘは要素に関するパラメータを示す。∂ｆ^ｉ／∂ｘはニューラルネットワークｆの位置ｉでの微分値を示し、∂ｆ^ｉ＋１／∂ｘはニューラルネットワークｆの位置ｉ＋１での微分値を示す。αは適宜設定可能な係数（ハイパーパラメータ）を示す。

ニューラルネットワークｆは、微分可能関数であるため、ニューラルネットワークｆの微分は勾配（傾き）を与える。上記式（５）において、｜∂ｆ^ｉ／∂ｘ｜は勾配の大きさを示し、αは勾配の方向にどれだけの大きさ進むのかを定める係数を示す。上記式（５）における「－α」の「－」は、パラメータｘの探索が勾配を下る方向（つまり、ニューラルネットワークｆの値が減少する方向）に進んでいくことを示している。

例えば、ニューラルネットワークｆが凸関数である場合、勾配を下る方向に進んだ先で、微分値が０（ゼロ）になったときのパラメータｘを最適解とする。また、ニューラルネットワークｆが非凸関数である場合、微分値が０（ゼロ）になるパラメータｘが複数得られる可能性がある。この場合、複数のパラメータｘのうち、ニューラルネットワークｆの値が最小又は最大となるときのパラメータｘを最適解とするようにしてもよい。

すなわち、各要素のパラメータｘの最適解の探索に上記式（５）を適用することにより、探索範囲が制限されるため、膨大なパラメータｘを評価することなく、比較的短時間で適切なパラメータｘが得られる。

都市構造設計部１１Ｃは、パラメータ探索部１１Ｂにより探索された複数の要素の各々に関するパラメータを用いて都市構造を設計する。都市構造設計部１１Ｃは、例えば、上述の都市シミュレータを用いて都市構造を設計する。

パラメータ評価部１１Ｄは、都市構造設計部１１Ｃにより設計された都市構造におけるパラメータを評価する。パラメータ評価部１１Ｄは、例えば、上述の都市シミュレータを用いてパラメータの評価を行う。

次に、図６を参照して、第１の実施形態に係る都市構造設計装置１０の作用について説明する。

図６は、第１の実施形態に係る都市構造設計プログラム１５Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

まず、都市構造設計装置１０に対して、都市構造設計処理の実行が指示されると、ＣＰＵ１１により都市構造設計プログラム１５Ａが起動され、以下の各ステップを実行する。

図６のステップ１００では、ＣＰＵ１１が、ニューラルネットワークＤＢ１５Ｂから複数の要素の各々を表す複数のニューラルネットワークを取得し、取得した複数のニューラルネットワークの各々を微分する。

ステップ１０１では、ＣＰＵ１１が、ステップ１００で微分して得られた複数のニューラルネットワークの各々の微分値に基づいて、複数のニューラルネットワークの出力を入力とする、都市に関する目的関数Ｈａｐｐｙの出力を最適化するように、複数の要素の各々に関するパラメータを探索する。具体的に、パラメータの探索は、上述の式（５）を用いて行われる。

ステップ１０２では、ＣＰＵ１１が、ステップ１０１で探索された複数の要素の各々に関するパラメータを用いて都市構造を設計する。都市構造の設計は、例えば、上述の都市シミュレータを用いて行われる。

ステップ１０３では、ＣＰＵ１１が、ステップ１０２で設計された都市構造におけるパラメータを評価する。パラメータの評価は、例えば、上述の都市シミュレータを用いて行われる。

ステップ１０４では、ＣＰＵ１１が、終了タイミングが到来したか否かを判定する。終了タイミングが到来していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１００に戻り処理を繰り返し、終了タイミングが到来したと判定した場合（肯定判定の場合）、本都市構造設計プログラム１５Ａによる一連の処理を終了する。

このように本実施形態によれば、各要素のパラメータの最適解の探索に際し、各要素の微分可能関数の微分値を用いることにより、探索範囲が制限される。このため、膨大なパラメータを評価することなく、比較的短時間で適切なパラメータが得られる。

[第２の実施形態]
本実施形態では、複数の要素の各々に関するパラメータの確率分布を算出する場合について説明する。

図７は、第２の実施形態に係る都市構造設計装置１０Ａの機能的な構成の一例を示すブロック図である。なお、上記第１の実施形態で説明した都市構造設計装置１０と同様の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態に係る都市構造設計装置１０ＡのＣＰＵ１１は、微分計算部１１Ａ、パラメータ探索部１１Ｂ、及び確率分布算出部１１Ｅとして機能する。

確率分布算出部１１Ｅは、複数の要素の各々に関するパラメータの確率分布を、予め定められた地域毎に算出する。また、確率分布算出部１１Ｅは、複数の要素の各々に関するパラメータの確率分布を統合することにより、予め定められた地域毎に同時確率分布を算出するようにしてもよい。なお、ここでいう地域とは、例えば、日本全体であってもよいし、都道府県の単位であってもよいし、あるいは、区市町村の単位であってもよい。

例えば、道路の特徴を何らかの特徴量を用いて表現することで、図８に示すように、特定の地域における道路の曲率の確率分布を算出することが可能となる。なお、曲率は、道路の形状を示すパラメータの１つである。

図８は、本実施形態に係る道路の曲率の算出例の説明に供する図である。

図８に示すように、特定の地域（例えば「愛知県」等）における道路の曲率の確率分布が算出されている。この場合、例えば、車両の走行テストに適したテストシーンとして規定された曲率がどの地域にどの程度存在するか、といった情報を得ることができる。このため、車両の開発者等が車両の走行テストを行う際に、走行テストに適したテストシーンを効率的に特定することが可能となる。

また、上記確率分布は、例えば、図９に示すような生成地図から得られる道路の形状を関数として表現することにより算出される。

図９は、本実施形態に係る生成地図及び正解地図の一例を示す図である。

図９に示す生成地図は、例えば、上述のＧＡＮを用いて機械学習することにより関数として表現されたものである。この生成地図では、「教師なし学習」であるにも係わらず、正解地図の状態が略再現されていることが分かる。このように、地図についても機械学習によって精度良く関数表現することが可能となる。また、この生成地図によれば、例えば、１．７ｋｍ四方を１つの単位として、約１７万単位で日本を表現することも可能となる。この場合、道路の曲率の確率分布を、日本全国を対象として、算出することが可能となる。

上記のように、本実施形態によれば、道路形状に関する確率分布を算出することが可能とされる。一方、道路形状以外でも様々な事象（ここでいう事象はパラメータとして表される。）が存在する。これらの事象を統合して、全事象についての同時確率分布を算出するようにしてもよい。同時確率分布Ｐ_ａｌｌは、一例として、下記の式（６）を用いて算出される。但し、ｎは事象の数を示し、Ｒは起こり得る全ての事象の確率分布空間を示す。

Ｐ_ａｌｌ＝Ｐ（ｐ_１，ｐ_２，・・・，ｐ_ｎ｜ｎ∈Ｒ）・・・（６）

ここで、システム評価として必要となる項目の例を以下に挙げる。これらの項目は、物体検出あるいは物体認識において、しばしば誤検出の要因になることや、認識対象となる場合があるため、確率分布を算出する際に必要な項目である。

・電柱、ガードレール
・信号（位置以外にも信号サイクル）
・交差点形状
・建物属性（幅、高さ）→道路死角分布を作成することで走行テストに利用可能。
・道路属性（白線種別、ガードレール種別、電柱種別）→白線認識等のための走行テストに利用可能。

これらをまとめると、図１０に示すように、３種類の静止物のレイヤ構造で表現することができる。

図１０は、本実施形態に係る実世界のレイヤ表現と道路に関する存在分布の一例を示す図である。

図１０に示すように、走行環境におけるシステム評価ではこれらのレイヤにおける存在確率が特徴量化されることが重要となる。この場合、道路以外にも信号、電柱、ガードレール等の存在を表す特徴量に基づくＶｉｓｕａｌ Ｏｄｏｍｅｔｒｙの評価、交差点形状に表す特徴量に基づく自動運転の車速、操舵制御の評価等が可能となる。

なお、ユーザが特徴量を考案することも可能であるし、深層学習等を用いて特徴量自体を求めることも可能である。上記確率分布を用いることでシステムを客観的に評価することが可能となる。

[第３の実施形態]
本実施形態では、複数の都市が微分可能関数で表現されていることを利用して、人間ではとらえきれない都市間の相関を高次の仮想空間上で表現する形態について説明する。

図１１は、第３の実施形態に係る都市構造設計装置１０Ｂの機能的な構成の一例を示すブロック図である。なお、上記第１の実施形態で説明した都市構造設計装置１０と同様の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１１に示すように、本実施形態に係る都市構造設計装置１０ＢのＣＰＵ１１は、微分計算部１１Ａ、パラメータ探索部１１Ｂ、及び仮想地域作成部１１Ｆとして機能する。

本実施形態においては、複数の都市が対象とされる。これら複数の都市は、都市間の相関関係を仮想空間上で表現可能とされている。

仮想地域作成部１１Ｆは、複数の都市に対して都市間の類似度を求め、求めた類似度を用いて複数の都市をクラスタリングすることにより、複数の都市を含む地域全体の特徴を維持したまま、地域全体を仮想的に作成する。ここでいう地域とは、例えば、図１２に示すように日本全体である。つまり、高次の仮想空間での都市間の類似度に基づき都市をクラスタリングすることで日本の特徴を維持したまま、全事象（パラメータ）を網羅するミニチュア版の日本モデルを作成することができる。

図１２は、本実施形態に係るミニチュア版の日本モデルの一例を示す図である。

図１２に示す日本モデルを用いることで、実際に走行せずとも仮想環境で走行テストを行うことが可能となる。このため、走行テストにおける工数の削減に寄与する。また、道路形状、周囲の背景等を分析することで仮想のテストシーンを作り出すことが可能となる。これにより、更なるテスト工数の削減を図ることができる。また、各事象（パラメータ）を特徴量化している場合、それらの各事象を、機械学習等を用いて圧縮することで真に必要な走行テストを選択的に実施することも可能となる。

[第４の実施形態]
本実施形態では、交通流又は人流に関するパラメータを用いて、交通流又は人流を最適な状態に制御する形態について説明する。

図１３は、第４の実施形態に係る都市構造設計装置１０Ｃの機能的な構成の一例を示すブロック図である。なお、上記第１の実施形態で説明した都市構造設計装置１０と同様の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１３に示すように、本実施形態に係る都市構造設計装置１０ＣのＣＰＵ１１は、微分計算部１１Ａ、パラメータ探索部１１Ｂ、及び交通流・人流制御部１１Ｇとして機能する。

都市を構成する要素が複数の車両の流れを示す交通流である場合、目的関数は、渋滞の発生頻度を出力する関数とされる。

微分計算部１１Ａは、実際に走行する複数の車両の位置情報から生成される、交通流を表す微分可能関数を微分する。

パラメータ探索部１１Ｂは、微分可能関数を微分して得られた微分値に基づいて、微分可能関数の出力を入力とする、渋滞の発生頻度を出力する関数の出力を最小化（つまり、複数の車両の平均速度を出力する関数の出力を最大化）するように、交通流に関するパラメータを探索する。

交通流・人流制御部１１Ｇは、パラメータ探索部１１Ｂにより探索された交通流に関するパラメータを用いて、交通流に対して渋滞が発生しないように制御する。この場合、交通流・人流制御部１１Ｇは、交通流制御部に相当する。

また、都市を構成する要素が複数の人の流れを示す人流である場合、目的関数は、渋滞の発生頻度を出力する関数とされる。

微分計算部１１Ａは、実際に移動する複数の人の位置情報から生成される、人流を表す微分可能関数を微分する。

パラメータ探索部１１Ｂは、微分可能関数を微分して得られた微分値に基づいて、微分可能関数の出力を入力とする、渋滞の発生頻度を出力する関数の出力を最小化（つまり、複数の人の平均速度を出力する関数の出力を最大化）するように、人流に関するパラメータを探索する。

交通流・人流制御部１１Ｇは、パラメータ探索部１１Ｂにより探索された人流に関するパラメータを用いて、人流に対して渋滞が発生しないように制御する。この場合、交通流・人流制御部１１Ｇは、人流制御部に相当する。

次に、図１４を参照して、第４の実施形態に係る都市構造設計装置１０Ｃの作用について説明する。なお、図１４の例では、交通流及び人流の両方を制御する場合について説明するが、交通流及び人流のいずれか一方のみを制御する場合も同様である。

図１４は、第４の実施形態に係る都市構造設計プログラム１５Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。

まず、都市構造設計装置１０Ｃに対して、交通流・人流制御処理の実行が指示されると、ＣＰＵ１１により都市構造設計プログラム１５Ａが起動され、以下の各ステップを実行する。

図１４のステップ１１０では、ＣＰＵ１１が、一例として、図１５に示すように、実際に走行する車両、歩行者の位置情報を取得する。なお、このとき、信号機等の所謂インフラ設備の位置情報を取得するようにしてもよい。

図１５は、本実施形態に係る実在の車両、歩行者、及び信号機の状態の一例を示す図である。

図１５の例において、車両には自車位置を測位するＧＰＳ（Global Positioning System）受信機が搭載されている。また、歩行者は測位機能を備えたスマートフォン等の携帯端末を携帯している。都市構造設計装置１０Ｃは、車両に搭載されたＧＰＳ受信機と通信可能に接続されており、車両の位置情報を取得する。また、都市構造設計装置１０Ｃは、歩行者が携帯する携帯端末と通信可能に接続されており、歩行者の位置情報を取得する。また、都市構造設計装置１０Ｃは、車両の位置情報及び地図情報を用いて、車両周辺の信号機の位置情報を取得する。

ステップ１１１では、ＣＰＵ１１が、ステップ１１０で取得した複数の車両の位置情報に基づいて、一例として、図１６に示すような交通流を再現する微分可能関数を生成する。具体的に、上述の式（４）を用いて交通流を再現する微分可能関数を生成する。また、ＣＰＵ１１は、ステップ１１０で取得した複数の歩行者の位置情報に基づいて、人流を再現する微分可能関数を生成する。

図１６は、本実施形態に係る交通流の一例を模式的に示す図である。

図１６に示す複数の車両によって表される交通流は、各車両の位置情報に基づいて微分可能関数として再現される。

ステップ１１２では、ＣＰＵ１１が、一例として、上述の式（５）を用いて、ステップ１１１で生成した交通流及び人流の各々についての微分可能関数を微分して得られた微分値に基づいて、微分可能関数の出力を入力とする、目的関数Ｈａｐｐｙ（上述の式（１）を参照）の出力を最適化するように、交通流に関するパラメータ及び人流に関するパラメータを探索する。

ステップ１１３では、ＣＰＵ１１が、ステップ１１２で探索された交通流に関するパラメータ及び人流に関するパラメータを用いて、交通流及び人流に対して渋滞が発生しないように制御する。例えば、交通流であれば、車両のナビゲーション装置に対して、渋滞を回避可能な経路情報を提供し、人流であれば、歩行者が携帯する携帯端末に対して、渋滞を回避可能な経路情報を提供する。また、信号機の位置情報が得られている場合には、信号機の青信号、赤信号、及び黄信号の各々について点灯間隔、点灯タイミング等を制御するようにしてもよい。

ステップ１１４では、ＣＰＵ１１が、終了タイミングが到来したか否かを判定する。終了タイミングが到来していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１１０に戻り処理を繰り返し、終了タイミングが到来したと判定した場合（肯定判定の場合）、本都市構造設計プログラム１５Ａによる一連の処理を終了する。

このように本実施形態によれば、現在の交通流及び人流の状況をリアルタイムで取得し、目的関数（渋滞ゼロ等）を最適化するように、交通流に関するパラメータ及び人流に関するパラメータが探索される。そして、探索結果をフィードバックすることで、動的な交通流及び人流が最適な状態に制御される。

なお、上記各実施形態において、プロセッサとは広義的なプロセッサを指し、汎用的なプロセッサ（例えば、ＣＰＵ： Central Processing Unit、等）や、専用のプロセッサ（例えば、ＧＰＵ： Graphics Processing Unit、ＡＳＩＣ： Application Specific Integrated Circuit、ＦＰＧＡ： Field Programmable Gate Array、プログラマブル論理デバイス、等）を含むものである。

また、上記各実施形態におけるプロセッサの動作は、１つのプロセッサによって成すのみでなく、物理的に離れた位置に存在する複数のプロセッサが協働して成すものであってもよい。また、プロセッサの各動作の順序は、上記各実施形態において記載した順序のみに限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

以上、実施形態として都市構造設計装置を例示して説明した。実施形態は、コンピュータを、都市構造設計装置が備える各部として機能させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。

その他、上記実施形態で説明した都市構造設計装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。

また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 都市構造設計装置
１１ ＣＰＵ
１１Ａ 微分計算部
１１Ｂ パラメータ探索部
１１Ｃ 都市構造設計部
１１Ｄ パラメータ評価部
１１Ｅ 確率分布算出部
１１Ｆ 仮想地域作成部
１１Ｇ 交通流・人流制御部
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ Ｉ／Ｏ
１５ 記憶部
１５Ａ 都市構造設計プログラム
１５Ｂ ニューラルネットワークＤＢ
１６ 表示部
１７ 操作部
１８ 通信部

Claims (11)

1. 都市を構成する複数の要素の各々を表す複数の微分可能関数の各々を微分する微分計算部と、
   前記微分計算部により微分して得られた前記複数の微分可能関数の各々の微分値に基づいて、前記複数の微分可能関数の出力を入力とする、前記都市に関する目的関数の出力を最適化するように、前記複数の要素の各々に関するパラメータを探索するパラメータ探索部と、
   を備えた都市構造設計装置。
2. 前記複数の要素は、道路、建造物、複数の車両の流れを示す交通流、及び、複数の人の流れを示す人流のうち２つ以上を含む
   請求項１に記載の都市構造設計装置。
3. 前記目的関数は、渋滞の発生頻度を出力する関数、事故の発生頻度を出力する関数、二酸化炭素の排出量を出力する関数、及び、生活の質を示す指標を出力する関数の少なくとも１つである
   請求項１又は請求項２に記載の都市構造設計装置。
4. 前記目的関数は、車両の開発者により予め規定された、前記車両の走行テストに適したテストシーンの数を出力する関数である
   請求項１又は請求項２に記載の都市構造設計装置。
5. 前記パラメータ探索部により探索された前記複数の要素の各々に関するパラメータを用いて都市構造を設計する都市構造設計部と、
   前記都市構造設計部により設計された都市構造におけるパラメータを評価するパラメータ評価部と、を更に備えた
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の都市構造設計装置。
6. 前記複数の要素の各々に関するパラメータの確率分布を、予め定められた地域毎に算出する確率分布算出部を更に備えた
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の都市構造設計装置。
7. 前記確率分布算出部は、前記複数の要素の各々に関するパラメータの確率分布を統合することにより、前記予め定められた地域毎に同時確率分布を更に算出する
   請求項６に記載の都市構造設計装置。
8. 前記都市は、複数の都市であり、
   前記複数の都市は、都市間の相関関係を仮想空間上で表現可能とされ、
   前記複数の都市に対して都市間の類似度を求め、求めた類似度を用いて前記複数の都市をクラスタリングすることにより、前記複数の都市を含む地域全体の特徴を維持したまま、前記地域全体を仮想的に作成する仮想地域作成部を更に備えた
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の都市構造設計装置。
9. 前記要素は、複数の車両の流れを示す交通流であり、
   前記目的関数は、渋滞の発生頻度を出力する関数であり、
   前記微分計算部は、実際に走行する複数の車両の位置情報から生成される、前記交通流を表す微分可能関数を微分し、
   前記パラメータ探索部は、前記微分可能関数を微分して得られた微分値に基づいて、前記微分可能関数の出力を入力とする、前記関数の出力を最小化するように、前記交通流に関するパラメータを探索し、
   前記パラメータ探索部により探索された前記交通流に関するパラメータを用いて、前記交通流に対して渋滞が発生しないように制御する交通流制御部、を更に備えた
   請求項１に記載の都市構造設計装置。
10. 前記要素は、複数の人の流れを示す人流であり、
    前記目的関数は、渋滞の発生頻度を出力する関数であり、
    前記微分計算部は、実際に移動する複数の人の位置情報から生成される、前記人流を表す微分可能関数を微分し、
    前記パラメータ探索部は、前記微分可能関数を微分して得られた微分値に基づいて、前記微分可能関数の出力を入力とする、前記関数の出力を最小化するように、前記人流に関するパラメータを探索し、
    前記パラメータ探索部により探索された前記人流に関するパラメータを用いて、前記人流に対して渋滞が発生しないように制御する人流制御部、を更に備えた
    請求項１に記載の都市構造設計装置。
11. 都市を構成する複数の要素の各々を表す複数の微分可能関数の各々を微分し、
    前記微分して得られた前記複数の微分可能関数の各々の微分値に基づいて、前記複数の微分可能関数の出力を入力とする、前記都市に関する目的関数の出力を最適化するように、前記複数の要素の各々に関するパラメータを探索することを、
    コンピュータに実行させるための都市構造設計プログラム。

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