JP7318720B2 - シミュレーション装置、学習装置、シミュレーション方法、及びシミュレーションプログラム - Google Patents

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Description

開示の技術は、シミュレーション装置、学習装置、シミュレーション方法、及びシミュレーションプログラムに関する。
複数の観測地点における通過人数や観測エリア内の人数を計測したデータに基づいて、将来(T時刻後)の人流を予測したり、過去の人流を再現したりすることが行われている。
人流の予測に、例えば、LSTM(LONG SHORT-TERM MEMORY)やマルコフ連鎖を用いる技術が提案されている(非特許文献1及び2)。
また、人の移動(歩行)に関して、歩行モデルを設定し、人はその歩行モデルに沿って動くものとして、人の移動をシミュレーションする技術が存在する。例えば、理想速度に近づけるための加速力、壁などの環境からの斥力、及び他者や物体等からの引力をパラメータとする歩行モデルが提案されている(非特許文献3)。
また、セルで区切られた各エリアを一定の法則で対象物(人、等)が隣接セルに移動又はその場にとどまる動きを行うことで、対象物の動きをシミュレーションする技術が提案されている(非特許文献4)。
S. Hochreiter, et al. "LONG SHORT-TERM MEMORY", Neural computation 9.8, (1997), p.1735-1780. C. J. Geyer, "Practical Markov Chain Monte Carlo", Statistical science vol.7 No.4, (1992), p.473-483. D. Helbing, P. Molnar, "Social force model for pedestrian dynamics", Physical Review E 51, (1995), p.4282-4286. K. Nagel, M. Schreckenberg, "A cellular automaton model for freeway traffic", Journal de Physique I, EDP Sciences, (1992), p.2221-2229.
従来技術では、歩行者間の相互作用等を考慮しているものはあるが、例えば、混雑時における人流制御等が行われる場合のように、通常とは異なる人の移動を適切に再現することができないという問題がある。
開示の技術は、上記の点に鑑みてなされたものであり、移動体の移動が通常とは異なる場合でも、適切に移動体の移動をシミュレーションすることを目的とする。
本開示の第1態様は、シミュレーション装置であって、移動体が移動する領域において、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定するベクトル場設定部と、前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションするシミュレーション部と、を含む。
本開示の第2態様は、学習装置であって、移動体の移動を観測した複数の過去の時刻における観測データに基づいて、前記移動体が移動する領域において、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場であって、前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと共に、前記移動体の移動をシミュレーションする際に用いられるベクトル場を学習する学習部を含む。
本開示の第3態様は、ベクトル場設定部と、シミュレーション部とを含むシミュレーション装置が実行するシミュレーション方法であって、前記ベクトル場設定部が、移動体が移動する領域において、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定し、前記シミュレーション部が、前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションする方法である。
本開示の第4態様は、シミュレーションプログラムであって、コンピュータを、移動体が移動する領域において、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定するベクトル場設定部、及び、前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションするシミュレーション部として機能させるためのプログラムである。
開示の技術によれば、移動体の移動が通常とは異なる場合でも、適切に移動体の移動をシミュレーションすることができる。
シミュレーション装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 シミュレーション装置の機能構成の例を示すブロック図である。 移動体の移動の平常時と混雑時との相違を説明するための概略図である。 電車の乗降時の人の移動を示す概略図である。 ベクトル場の一例を示す概略図である。 ベクトル場の一例を示す概略図である。 移動モデルのパラメータの一例を示す概略図である。 学習処理の流れを示すフローチャートである。 シミュレーション処理の流れを示すフローチャートである。
以下、開示の技術の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一又は等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
図1は、シミュレーション装置10のハードウェア構成を示すブロック図である。
図1に示すように、シミュレーション装置10は、CPU(Central Processing Unit)11、ROM(Read Only Memory)12、RAM(Random Access Memory)13、ストレージ14、入力部15、表示部16、及び通信I/F(Interface)17を有する。各構成は、バス19を介して相互に通信可能に接続されている。
CPU11は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、CPU11は、ROM12又はストレージ14からプログラムを読み出し、RAM13を作業領域としてプログラムを実行する。CPU11は、ROM12又はストレージ14に記憶されているプログラムに従って、上記各構成の制御及び各種の演算処理を行う。本実施形態では、ROM12又はストレージ14には、後述する学習処理及びシミュレーション処理を実行するためのシミュレーションプログラムが格納されている。
ROM12は、各種プログラム及び各種データを格納する。RAM13は、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージ14は、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等の記憶装置により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、及び各種データを格納する。
入力部15は、マウス等のポインティングデバイス、及びキーボードを含み、各種の入力を行うために使用される。
表示部16は、例えば、液晶ディスプレイであり、各種の情報を表示する。表示部16は、タッチパネル方式を採用して、入力部15として機能してもよい。
通信I/F17は、他の機器と通信するためのインタフェースであり、例えば、イーサネット(登録商標)、FDDI、Wi-Fi(登録商標)等の規格が用いられる。
次に、シミュレーション装置10の機能構成について説明する。
図2は、シミュレーション装置10の機能構成の例を示すブロック図である。
図2に示すように、シミュレーション装置10は、機能構成として、学習部101、ベクトル場設定部102、パラメータ設定部103、及びシミュレーション部104を有する。また、シミュレーション装置10の所定の記憶領域には、ベクトル場152、及び移動体の移動をシミュレーションするための移動モデル153が記憶される。各機能構成は、CPU11がROM12又はストレージ14に記憶されたシミュレーションプログラムを読み出し、RAM13に展開して実行することにより実現される。
学習部101は、移動体の移動を観測した複数の過去の時刻における観測データ(以下、「観測データ(過去)」と表記する)の入力を受け付ける。なお、リアルタイムで学習処理を実行する場合には、現在時刻における観測データ(以下、「観測データ(現在)」と表記する)の入力を合わせて受け付けてもよい。
各時刻の観測データは、例えば、その時刻において、複数の地点の各々を通過する移動体の数、エリア毎に存在する移動体の数等、移動体の移動のシミュレーションに使用可能なデータである。観測データは、例えば、各種センサにより検知されるセンサデータや、カメラで撮影された画像に基づいて取得される。また、観測データは、数取器等により手動で観測されたデータであってもよい。
学習部101は、受け付けた観測データ(過去)に基づいて、移動体が移動する領域において、移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場152を学習する。
例えば、図3に示すように、平常時において、移動体は、出発地から目的地までの最短経路で動くが、混雑時には、進路を蛇行させるなどの移動経路の制御が行われ、移動体はこの移動経路の制御にしたがって移動するとする。移動モデル153で想定されている移動体の移動が、上記の平常時のような移動であるとすると、混雑時において、移動モデル153を用いてシミュレーションを行った場合、適切なシミュレーション結果を得られない。
また、図4に示すような電車の乗降時の人の移動の場合、通常、(1)電車内の乗客が先に降り、(2)次にホーム上の客が乗車する。このような流れを移動モデル153のみで再現できるとは限らない。
そこで、本実施形態では、移動モデル153とは別にベクトル場152を設定して、移動モデル153とベクトル場152とに基づいて移動体の移動をシミュレーションする。
具体的には、図5に示すように、移動体が移動する領域に、移動体が特定方向に移動する力を表すベクトル場を、領域内の場所、及びシミュレーションの時刻の少なくとも一方に対応付けて生成する。また、図4の例の場合、図6に示すように、ベクトル場により発生する力((1)及び(2))は、(1)の力が先に発生し、時間差で(2)の力が発生するようにベクトル場を生成する。
より具体的に、学習部101は、時刻T1、T2、・・・、TNの観測データ(過去)の入力を受け付けたとする。この場合、学習部101は、例えば、時刻T1の観測データに基づいて、移動体の初期位置及び数を設定し、設定した各移動体を移動モデル153のパラメータにしたがって移動させることにより、時刻T2、・・・、TNにおける移動体の移動を予測する。学習部101は、予測結果が示す移動体の移動方向が、時刻T2、・・・、TNの観測データ(過去)が示す移動体の移動方向に近づくように、ベクトル場を生成する。
また、学習部101は、移動モデル153が、より実際の動きを適切に再現可能となるように、移動モデル153のパラメータを学習する。
移動モデル153は、移動体の移動をシミュレーションするためのモデルである。移動モデル153としては、非特許文献3及び4に記載の技術等、既存のモデルを用いることができる。移動モデル153には、移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータとして、例えば、理想速度に近づけるための加速力、壁などの環境からの斥力、及び他者や物体等からの引力等が設定される。
具体的には、学習部101は、移動モデル153のパラメータを、移動体、移動体同士の間、及び移動体と移動体の周辺環境(壁など)との間の少なくとも1つに対して、移動体が存在する場所、及びシミュレーションの時刻の少なくとも一方に対応付けて学習する。
具体的には、学習部101は、移動モデル153のパラメータである移動体の理想速度に対する加速度を、実際の移動体の移動に基づいて学習する。また、学習部101は、移動モデル153のパラメータである、移動体同士の間、及び移動体と移動体の周辺環境との間の少なくとも一方の間の引力又は斥力の大きさを、実際の移動体の移動に基づいて学習する。
例えば、図7に示すように、ドアが開いて電車から降りてくる人が通り過ぎるまでは、ホームの人が乗車しないように、学習部101は、人とドアとの間の斥力が大きくなるようにパラメータを学習する(図7中の白抜きのブロック矢印)。また、ホームで待機している人の整列状態を再現するため、学習部101は、ホーム上の人同士の引力が大きくなるようにパラメータを学習する(図7中の網掛のブロック矢印)。具体的な学習方法は、上述のベクトル場152の学習と同様に、移動モデル153に基づいてシミュレーションした予測結果と、観測データ(過去)との比較により行えばよい。
学習部101は、学習したベクトル場152をベクトル場設定部102へ受け渡す。また、学習部101は、学習した移動モデル153のパラメータをパラメータ設定部103へ受け渡す。
ベクトル場設定部102は、学習部101から受け渡されたベクトル場152を、後述するシミュレーション部104で、移動モデル153と共に利用可能となるように設定し、所定の記憶領域に記憶する。これにより、移動体が移動する領域内の場所、及びシミュレーションの時刻の少なくとも一方に対応付けて、ベクトル場が設定される。
パラメータ設定部103は、学習部101から受け渡されたパラメータを移動モデル153に設定し、移動モデル153を所定の記憶領域に記憶する。これにより、移動体の理想速度に対する加速度、移動体同士の間の引力又は斥力、及び移動体と移動体の周辺環境との間の引力又は斥力の少なくとも1つが、移動体が存在する場所、及びシミュレーションの時刻の少なくとも一方に対応付けて、移動モデル153のパラメータとして設定される。
シミュレーション部104は、ベクトル場設定部102により設定されたベクトル場152と、パラメータ設定部103によりパラメータが設定された移動モデル153とに基づいて、領域内における、移動体の移動をシミュレーションする。
具体的には、シミュレーション部104は、観測データ(現在)の入力を受け付け、受け付けた観測データ(現在)に基づいて、移動体の初期位置及び数を設定する。シミュレーション部104は、設定した各移動体を、移動モデル153のパラメータ及びベクトル場152にしたがって移動させて、将来の時刻における移動体の移動を予測、又は過去の時刻における移動体の移動を再現したシミュレーションを行う。これにより、移動モデル153とベクトル場152との相互作用によって移動体の進行方向及び速度が決定され、実際の移動体の移動が適切に再現されたシミュレーション結果を得ることができる。シミュレーション部104は、シミュレーション結果を出力する。
次に、シミュレーション装置10の作用について説明する。
図8は、シミュレーション装置10による学習処理の流れを示すフローチャートである。CPU11がROM12又はストレージ14からシミュレーションプログラムを読み出して、RAM13に展開して実行することにより、学習処理が行なわれる。
ステップS101において、CPU11が、学習部101として、シミュレーション装置10に入力された観測データ(過去)を受け付ける。
次に、ステップS102で、CPU11が、学習部101として、受け付けた観測データ(過去)に基づいて、移動体が移動する領域において、移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場152を学習する。そして、CPU11が、学習部101として、学習したベクトル場152をベクトル場設定部102へ受け渡す。
次に、ステップS103で、CPU11が、ベクトル場設定部102として、学習部101から受け渡されたベクトル場152を、シミュレーション部104で、移動モデル153と共に利用可能となるように設定し、所定の記憶領域に記憶する。
次に、ステップS104で、CPU11が、学習部101として、移動モデル153が、より実際の動きを適切に再現可能となるように、移動モデル153のパラメータを学習する。そして、CPU11が、学習部101として、学習した移動モデル153のパラメータをパラメータ設定部103へ受け渡す。
次に、ステップS105で、CPU11が、パラメータ設定部103として、学習部101から受け渡されたパラメータを移動モデル153に設定し、移動モデル153を所定の記憶領域に記憶する。そして、学習処理は終了する。
図9は、シミュレーション装置10によるシミュレーション処理の流れを示すフローチャートである。CPU11がROM12又はストレージ14からシミュレーションプログラムを読み出して、RAM13に展開して実行することにより、シミュレーション処理が行なわれる。
ステップS201において、CPU11が、シミュレーション部104として、シミュレーション装置10に入力された観測データ(現在)を受け付ける。
次に、ステップS202で、CPU11が、シミュレーション部104として、受け付けた観測データ(現在)に基づいて、移動体の初期位置及び数を設定する。そして、CPU11が、シミュレーション部104として、設定した各移動体を、移動モデル153のパラメータ及びベクトル場152にしたがって移動させる。これにより、将来の時刻における移動体の移動を予測、又は過去の時刻における移動体の移動を再現したシミュレーションが行われる。
次に、ステップS203で、CPU11が、シミュレーション部104として、シミュレーション結果を出力し、シミュレーション処理は終了する。
以上説明したように、本実施形態に係るシミュレーション装置によると、観測データ(過去)に基づいて、移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を、場所別及び時刻別にベクトル場として設定する。そして、設定されたベクトル場を移動モデルと共に用いて移動体の移動をシミュレーションする。これにより、人々が整列して待ち行列を構成している場合などにおける移動制御に応じた移動等、移動体の移動が通常とは異なる場合でも、適切に移動体の移動をシミュレーションすることができる。
また、観測データ(過去)に基づいて、移動モデルのパラメータを、場所別及び時刻別に可変に設定することで、移動体の移動を、より精緻にシミュレーションすることができる。
なお、上記実施形態では、ベクトル場及び移動モデルのパラメータを学習部により学習する場合について説明したが、ベクトル場及び移動モデルのパラメータは、人手により設定してもよい。
また、上記実施形態では、ベクトル場の設定、及び移動モデルのパラメータの設定の両方を行う場合について説明したが、少なくともベクトル場の設定を行い、移動モデルについては、既存のパラメータが設定されたモデルを用いてもよい。
また、上記実施形態では、シミュレーション装置が学習部も備える構成について説明したが、学習部をシミュレーション装置とは別の学習装置として構成してもよい。
また、上記実施形態でCPUがソフトウェア(プログラム)を読み込んで実行したシミュレーション処理を、CPU以外の各種のプロセッサが実行してもよい。この場合のプロセッサとしては、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等の製造後に回路構成を変更可能なPLD(Programmable Logic Device)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が例示される。また、シミュレーション処理を、これらの各種のプロセッサのうちの1つで実行してもよいし、同種又は異種の2つ以上のプロセッサの組み合わせ(例えば、複数のFPGA、及びCPUとFPGAとの組み合わせ等)で実行してもよい。また、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造は、より具体的には、半導体素子等の回路素子を組み合わせた電気回路である。
また、上記実施形態では、シミュレーションプログラムがROM12又はストレージ14に予め記憶(インストール)されている態様を説明したが、これに限定されない。プログラムは、CD(Compact Disc)-ROM、DVD(Digital Versatile Disc)-ROM、ブルーレイディスク、USB(Universal Serial Bus)メモリ等の非一時的(non-transitory)記憶媒体に記憶された形態で提供されてもよい。また、プログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記項1)
メモリと、
前記メモリに接続された少なくとも1つのプロセッサと、
を含み、
前記プロセッサは、
移動体が移動する領域において、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定し、
前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションする
ように構成されているシミュレーション装置。
(付記項2)
シミュレーション処理を実行するようにコンピュータによって実行可能なプログラムを記憶した非一時的記録媒体であって、
前記シミュレーション処理は、
移動体が移動する領域において、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定し、
前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションする
ことを含む非一時的記録媒体。
10 シミュレーション装置
11 CPU
12 ROM
13 RAM
14 ストレージ
15 入力部
16 表示部
17 通信I/F
19 バス
101 学習部
102 ベクトル場設定部
103 パラメータ設定部
104 シミュレーション部
152 ベクトル場
153 移動モデル

Claims (7)

  1. 移動体が移動する領域の場所に対して、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定すると共に、前記ベクトル場を、シミュレーションの時刻に対応付けて設定するベクトル場設定部と、
    前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションするシミュレーション部と、
    を含むシミュレーション装置。
  2. 前記移動モデルのパラメータを設定するパラメータ設定部を含む請求項1に記載のシミュレーション装置。
  3. 前記パラメータ設定部は、前記パラメータを、前記移動体、前記移動体同士の間、及び前記移動体と前記移動体の周辺環境との間の少なくとも1つに対して、前記移動体が存在する場所、及びシミュレーションの時刻の少なくとも一方に対応付けて設定する請求項に記載のシミュレーション装置。
  4. 前記移動体の移動を観測した複数の過去の時刻における観測データに基づいて、前記ベクトル場及び前記パラメータの少なくとも一方を学習する学習部を含む請求項又は請求項に記載のシミュレーション装置。
  5. 移動体の移動を観測した複数の過去の時刻における観測データに基づいて、前記移動体が移動する領域の場所に対して設定されると共に、シミュレーションの時刻に対応付けて設定される、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場であって、前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと共に、前記移動体の移動をシミュレーションする際に用いられるベクトル場を学習する学習部
    を含む学習装置。
  6. ベクトル場設定部と、シミュレーション部とを含むシミュレーション装置が実行するシミュレーション方法であって、
    前記ベクトル場設定部が、移動体が移動する領域の場所に対して、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定すると共に、前記ベクトル場を、シミュレーションの時刻に対応付けて設定し、
    前記シミュレーション部が、前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションする
    シミュレーション方法。
  7. コンピュータを、
    移動体が移動する領域の場所に対して、前記移動体の特定方向への移動を再現する仮想的な力を与えるベクトル場を設定すると共に、前記ベクトル場を、シミュレーションの時刻に対応付けて設定するベクトル場設定部、及び、
    前記移動体の移動をシミュレーションするためのパラメータが設定された移動モデルと、前記ベクトル場設定部により設定された前記ベクトル場とに基づいて、前記領域内における、前記移動体の移動をシミュレーションするシミュレーション部
    として機能させるためのシミュレーションプログラム。
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