【避難誘導×ロボット】ロボット達を統制し、これまで災害で救えなかった命を救う

プロフィール

AIoT型避難行動支援システム研究チームのご紹介
災害時の様々な状況に応じて、ロボット等が自律的に避難行動支援を行うエージェント型IoT(Agent-based Internet of Things : AIoT)に基づく避難行動支援システムを研究開発するチーム。

《 チームメンバー 》
東北大学 電気通信研究所 助教 高橋秀幸(右)
東北大学 災害科学国際研究所 助教 杉安和也(中)
東北大学 電気通信研究所 助教 横田信英(左)







ロボット達を統制し、これまで災害で救えなかった人命を救う“AIoT型避難行動支援システム”

2011年に起きた東日本大震災のあの日。
自らの命を顧みず人々を避難させ、津波の犠牲となった消防団員は253人にのぼる。
また、地震により災害無線などの設備が故障し、情報が届かず津波から逃げ遅れ、大勢の人が犠牲となった。

このような災害体験から、現在日本では大地震、津波、集中豪雨などの自然災害が起きた時に、生存者をどのように避難場所まで誘導させるかが社会的な課題となっている。
特に自然災害発生時には状況が一変するため、突発的に発生する予測困難な災害に対する避難行動の支援は、難しいと言われている。

現在、国が進める避難行動支援の取り組みとしては、避難誘導用標識や電光表示板等の設備を設置しているが、広範囲のエリアに設置するためには莫大な費用が掛かる。
また、設備自体が災害時に倒壊してしまう恐れがあり、避難情報を適切に避難者に伝達できない可能性がある。
そこで近年、情報通信技術(ICT)を活用した災害対策支援システムに期待が集まっている。

今回ご紹介する高橋氏、横田氏、杉安氏の3名の若手研究者達は“これまで災害で救えなかった命を救う”という使命の元、各自が得意とする分野の知識と経験を持ち寄り、チームで“AIoT型避難行動支援システム”を実用化させることで、この社会的な課題の解決を目指している。

“AIoT型避難行動支援システム”とは、サッカーで例えるならば、司令塔の選手として周りの選手やボールの位置を把握し、選手に指示を出して統制し、チームを勝利へ導くようなシステムだ。
具体的には、災害時にその地域にある災害情報を、ロボットやIoT機器等が協調と連携を行いながら情報を収集し、AIがその情報から自律的に避難行動プランを決定し、ロボット等を統制し、被災者を安全に避難場所まで誘導するエージェント型IoTシステム。

現在チームでは“AIoT型避難行動支援システム”の完成を目指して活動している。
IoT機器と通信技術で災害情報を収集し、マルチエージェント(人工知能)が考えた情報でドローンを制御することで、自律分散型の避難行動支援の仕組みを構築し、沿岸地域向けの避難誘導支援に重点を置いた研究開発を行っている。
このシステムの特徴としては、大きく3つの機能で構成されている。

(1) IoT機器の協調的状況把握機能
屋内外に設置されたセンサ群による災害現場の特定と、センサ群、ドローン、自走ロボットなどが協調動作を行うことで、補完し合いながら被災状況・要支援者の把握を行う機能。

(2)避難誘導プラン選択と制御機能
危険な場所の情報や協調的状況把握機能から得た災害現場の状況に基づき、2次災害場所を考慮して標識を取り付けたドローンが避難誘導プランを生成し、避難所まで誘導する自律飛行を行うために必要な制御を行う機能。

(3)避難情報提供機能
屋内・屋外及び日中・夜間に応じたロボット、家電、照明、サイネージ機器等による迅速な避難誘導、携帯端末への避難経路などの情報提供を行う機能。

将来的には、IoT機器同士が自律的に連携して災害、避難行動要支援者の状況を把握し、SNSや過去の災害アーカイブを活用しながら、ロボット等が適応的に避難誘導を実現するための避難行動支援システム構築基盤技術の確立を目指している。

一枚の名刺から始まるアンサンブル

3人の出会いは、大学内の若手研究者の研究テーマを発表するイベントだった。
横田氏はこのイベントの運営母体である、東北大学の附置研究所若手アンサンブルプロジェクトのメンバーだった。
このプロジェクトは、東北大学の各研究所から若手研究者が集まり「仲間の輪を拡げれば、もっと研究が楽しくなるかも」という動機をエンジンとして、様々な分野の研究所間の連携を深め融合した研究を支援する活動だ。

ある日、横田氏は同じ電気通信研究所の高橋氏へ、何か研究所間の連携を視野に入れた新しい研究テーマをあげられないかと声をかけた。
横田氏と高橋氏が話し合い、異分野とコラボレーションするための研究テーマを考え、“エージェント型IoT技術を基盤としたセンサ、ドローン、ロボットなどへの応用”が出来上がった。
早速、研究テーマをプロジェクトで行われるワークショップで発表し、ポスターを貼りだして紹介を行った。
そして、このポスターがイベントに参加していた杉安氏の目に止まる。
杉安氏は一枚の名刺と自分の研究ポスターを、ブースにいた学生へ渡して、その場を後にする。

翌日、高橋氏と横田氏が杉安氏へ連絡を取り、ICTに関するソフトウェアとハードウェア、災害(避難行動)を専門とする異分野の研究者3人のチームメンバーが顔を合わせる。
そして、津波からの避難行動支援に焦点をあて、災害現場の知見とIoT機器を活用した避難行動支援システムの実現という一つの目標を達成するためチームが始動した。
杉安氏は当時を振り返り、
「両氏の研究テーマは、防災の現場で役立つとインスピレーションを感じた。」
と話す。

3人が研究で目指すGOAL!

杉安氏 「私がこのプロジェクトに参画した背景には、東日本大震災を契機に新設された災害科学国際研究所に所属していることが上げられます。
この研究所は、世界中の災害復興やこれから災害が起こる可能性のある地域での、事前の減災や防災を目的として設置された研究所です。

東日本大震災から7年が経ちますが、私はこれまで被災地の方と共に、地域の復興、地域防災などの取り組みをしてきました。
その過程で、人々から何がベストな解決策かと問われることがあった時、私は防災のスペシャリストでありながら、どの解決策がベストなのかわからないことがありました。
なぜなら、地域毎にそれぞれ特有の事情があり、また多様な解決策の選択肢があるからです。

そのような経験から、災害時の避難誘導の技術として、ロボット等を使い避難者を誘導する“AIoT型避難行動支援システム”は汎用性と実現可能性が高いため、これまで現場の問題に対して新しい解決策になると考えています。

私の研究目標は、避難に使える技術の選択肢を増すことです。
災害時の避難支援の技術は、法的な制約や気象条件等でその時その時で、使える技術というのは変わってきます。
選択肢を増やし、その技術が国内延いては世界に広がって、実用化される段階まで行ければ嬉しいです。」

高橋氏 「杉安氏が津波被害、震災復興の支援で、毎週のように福島県いわき市に行っていた経緯もあり、現在、福島県いわき市で定期的に、そして自由に実験を行う機会を提供いただいています。
しかし市民の方には、まだまだドローンを受け入れがたい印象を持たれているように感じます。
私は今回の研究を通して、市民の方に災害時に役立てることを実感していただくことが、一番の成果だと考えています。
今後の目標としては、5年以内に消防署などで使えるシステムとして実用化し、ご協力いただいているいわき市の皆様、そして、日本、世界の沿岸地域などに導入できればと考えています。」

横田氏 「私の目標は本当に使える実用的な技術をつくることです。現状の研究は検証している段階で課題も沢山あります。
例えば、ドローンが人を誘導することで、余計に迷う可能性が出てくる課題などもありますが、それらの課題を解決して、実用性のある技術にすることで社会に貢献していきたいです。」

杉安氏 「これから“AIoT型避難行動支援システム”を社会に投入することにより、今までの技術では救えなかった命を新たに救うことができます。
人命を価値換算することはできませんが、一番大きな社会への貢献なると思います。

現在、世界ではロボットやドローンは、災害が起きた後に、被害の状況を調べるために使われています。
そして“AIoT型避難行動支援システム”は、災害が起きている最中や直後の段階で、避難誘導で人の役立つことが出来るため、災害分野のロボットとして画期的なブレークスルーとなります。

将来構想では、社会実装を実現するために災害時だけではなく、日常でも使われるシステムにしよう考えております。
例えば、海の監視員のお兄さんの目が届かないところを、代わりにドローンが見回りをしてくれるような。
いろいろな生活の場面で、ロボットやドローンという多様な選択肢を導入しうるパッケージを提供できる可能性がある。
そういった生活の中に、このシステムが入り込んでいくと面白い社会が来ると思います。」

高橋氏が取り組むエージェント型IoTとは?

高橋氏 「私たちは今、多様な機器が通信機能を備えネットワークに繋がる“モノのインターネット(Internet of Things : IoT)”の環境がある世界に生きています。
しかし、機器を繋ぎ合わせようとした時、様々な規格があり、仕様が異なっているため、それを結びつけるためには仕組みが必要となります。
さらに、IoTによる高度な応用システムを実現するためには、インテリジェンスを備えたIoTデバイスの設計技術、人・モノ・データの自律的な連携を支援するための様々な基盤技術が必要となります。

その時に必要になるのが、私が研究している“エージェント型IoT”です。
AIoTの特徴は、センサ、機器装置、ロボットなどの通信可能なIoT機器自体に知識を与え、スマートに動作するオブジェクトに仕立てることで、人・モノ・データの有機的な連携・活用を実現するための新しい仕組みです。

多種多様なIoT機器群の自律的な相互接続、データ処理、即興的な機器の連携・組織化などをエージェント/マルチエージェントによる協調分散問題解決機能を活用することで、IoT機器がシステムの目的を達成するために、協調し合いながら動作することを目指した基盤技術です。

今回はドローンを使った避難誘導で、エージェントのソフトウェアが避難場所までの適切なルートを導出し、その結果に従って自動で制御する事にチャレンジしています。
もう少し具体的にお話すると、ドローンが避難所まで人を誘導する際に、危険な道路や二次災害の危険性がある道路を避けながら、目的地となる避難所まで安全なルートを辿って誘導するために、エージェントが考え、それをドローンの飛行制御に反映させる仕組みの実現を目指しています。

なお、我々3名の力だけでシステム開発ができているわけではなく、私と同じ研究室の片山健太君(学生)も本プロジェクトの強力なサポートメンバとして、様々な制御プログラムの試作・開発などを進めてくれています。
また、現在は企業の方々からもご助言をいただきながら研究開発を進めています。

今の課題は、避難誘導の標識を取り付けたドローンの安全な自律飛行制御を実現することです。
我々が開発しているシステムでは、基本的にドローンは、GPSを利用した自動飛行による避難誘導を行います。通常、ドローンは、GPSに従って目的地に飛んで行きますが、風が強いと風の影響で機体が流される場合やドローンに取り付けた標識に風が当たることで抵抗が大きくなり、風下へ大きく流される場合があります。
ドローン自体は、推力を大きくして目的地の方向へ前進しようとしますが、ドローンに標識を取り付けたことが要因となり、風の抵抗で進むことができなくなる場合やドローンがバランスを崩して墜落してしまう場合があります。
そのようなことが起きないよう、ハードとソフトの両面を考慮したドローンの自律制御の研究開発に取り組んでいます。

また、沿岸部の風によって発生する諸問題、その技術的な解決策は、実際に沿岸部で実験を行わないと分からないことも多く、様々なカードを準備して現場での実験を行っています。
徐々に知識と経験値が溜まりつつありますが、正直、まだ試行錯誤な部分も多く、ベストな解決策は見つかっておりません。今後、航空力学や流体力学の専門家の協力を得ないと越えられない壁もあると思っています。

今回の研究ではドローンで避難誘導することが目的ですが、将来的には世の中のヒト・モノ・情報を全部繋いで、エージェント型IoTが生活を支援する世界を創ることを目指しています。」

横田氏が考える光IDを活用した避難誘導とは?

横田氏 「ここまでは屋外での避難誘導のお話でしたが、屋内での避難誘導についてお話したいと思います。
私は災害時にスマホの通信が途絶えた時でも、可視光通信で避難誘導できる仕組みを研究しています。

可視光通信というのは分かりやすくいうと、目に見える光を使った通信です。
生活環境には可視光が溢れているため、一般的に可視光を使った通信では情報を持つ光が埋もれやすいというデメリットはありますが、免許が不要で誰でも手軽に使えるというメリットがあります。

現在、電波の届かない地下を含めた室内での避難誘導を実現するために、建物内にあるLEDライトなどに光IDとして個別の番号を与え、災害で停電になった際にも非常灯の光をスマホで読み込むことで、避難場所へ誘導する仕組みの構築を目指しています。

この仕組みが完成すれば、災害時にスマホの通信やGPSが使えない時でも、非常灯などの様々な物から発せられる光IDから、正確な位置情報を取得して避難誘導することができます。
特に火災時の避難誘導では、火災場所を考慮した避難ルートを迅速に提供することが重要となりますので、この技術を活用することで避難誘導の在り方が変わっていくと考えています。

近未来の日本では、お店やオフィスなど私たちの日常にはロボットが普通にいる環境になっていると思います。
その環境の中で、エージェント型IoT技術を用いて、平常時はお店に来た方々の案内サービスなどをしているロボットが、災害時には避難誘導支援のシステムが動きだし、ロボットが人々を避難誘導するような、柔軟な仕組みをつくって行きたいと考えています。」

杉安氏が現場で乗り越えた3つの障壁とは?

杉安氏 「この研究では、市民の方の理解を得てドローンの飛行場所を確保するというのが、1つ目の大きな壁でした。

私たちの大学がある仙台市では、行政と企業が中心となり近未来技術実証として、ドローンなどを活用した実証実験が行われていますが、我々のようなごく一般の研究者が試作の段階で気軽に実験を行うためには、手続き等も含め多少ハードルが高いです。

大学の敷地内も基本的には法的に人口密集地に指定されているため、東北大学内でもドローンを飛ばすためには、許可申請などが必要となってきます。
そんな時、復興支援でお手伝いしていた福島県いわき市の住民の方々にプロジェクトの趣旨を理解いただき、実験のための場所を提供していただきました。

いわき市の住民の方は、東日本大震災のときに人的被害、建物被害も受けた地域で、津波や避難に対しても課題認識を持っていました。
地域防災の取り組みに関して地区の住民の方の了解をいただき、自由に実験ができるようになり、この大きな壁を乗り越える超えることができました。

第二の壁は風でした。
いわき市の実証実験地域では、いつも風速が2〜7mの幅で揺れ動いています。
私たちが実験に用いているドローンは、風速5m程度を超えると強風注意のアラートが鳴るのですが、実験時は大抵アラートが鳴りっぱなしです。
更にドローンに避難誘導用の標識をつけて飛ばすと、帆船の帆をつけているような状態となるため、何倍もの風力が標識に当たり煽られ、難易度も上がります。
避難誘導用の標識については試行錯誤していますが、ドローンが墜落や制御不能とならないよう細心の注意を払って実験しています。

第三の壁は標識です。
ドローンで人を避難誘導させるには、どれくらい視認性の高い標識をつけなければいけないか、というのも研究の一つです。
一般に避難行動の基準として、500m(10分間)が限界距離の目標値と考えます。
しかし、500m先でドローンを見ると点にしか見えないため、視認性を高めるために標識をつける必要が出てきます。

はじめは何も考えず、どれだけ大きい標識をつけられるか、試してみようということでA1サイズの紙で作って実験してみましたが風に煽られて大変でした。
それから標識のサイズや、風の抵抗を考えた素材などを色々試してみました。
ある時、標識をメッシュの素材で実験したところ、地上30mの高さまで安定して飛べるようになりました。
こうして現在、社会実装に向けた実証実験ができる状態になっています。

最後に、なぜ私たちが今回ドローンを使った災害避難誘導を選択しているかについてご説明します。
災害時に通信網が遮断された際に、被災者が避難場所へ行く方法としては、ハザードマップを見て移動する、または避難誘導看板をみて目標地点に移動するという、2つの方法があります。

しかし、この方法だと被災者が現在いる場所から避難場所が見えないことがあります。
人間は目に見える目標があると頑張れるのですが、見えないと不安になり避難行動に迷いが生じ、避難が遅れたり、間違った方向に避難してしまう事があります。

私たちが研究している“AIoT型避難行動支援システム”があれば、ドローンが避難場所の上空に待機していることで、遠くからでも視認することが出来ようになります。
また、避難者のすぐそばまでドローンがやってきて安全なところまで誘導し、危険なところや、避難経路として利用できないところを知らせることで、安全な避難行動を支援できると考えています。

将来的には、地面を走る自走ロボットや自動運転自動車とも連携させ、避難行動や避難誘導を支援することを目指し、実験を進めています。」

多様性×フラットな関係から生まれるチームイノベーション

高橋氏 「研究チームのメンバーは、それぞれ専門分野が異なりますが、同世代のためお互いを理解し合いながら建設的に意見を出しやすく、短い期間で今までにないものを生み出せて、とても面白いです。
同じ専門分野の研究者間の議論も重要ですが、同じ専門分野の研究者の集まりでは得られない発想や気づき、新しい視点で物事を考えることができている気がします。
お互いに刺激を与え合い、遠慮せずに意見を言い合えるので、様々なことに柔軟に対応し、そして積極的にチャレンジができていると思います。

また、お互い分野が違うので役割が明確になり、各々が主体的に取り組みやすく、普段より研究開発スピードが速くなっていると感じますし、これまで知らなかった異分野の情報や様々な刺激もあり、各自の専門分野の研究の幅も広がっていると感じます。」

横田氏 「チームメンバーは年齢層が近いので本音で話しがしやすく、思い付いたことを何でも気軽に試せるため、研究を進めて行く上で良い効果がありました。」

杉安氏 「研究チームのみんなは助教で研究者としては、一番最初のステージに立っている人達です。
分野は違いますが東北大学の若手研究者で集まっているため、この研究チームはすごく動きやすいです。
普段の研究では教授に見守っていただき、長年の経験から的確なアドバイスを常に受けることが可能な研究プロジェクトと違い大変な部分はあります。
しかし、この研究チームでは、お互いフラットな状態で意見のやり取りでき、失敗を恐れずにチャレンジできます。」

研究者を目指されている方へのメッセージ

高橋氏 「このプロジェクトを行う過程で、気づいたことがあります。
それは、普段の専門分野の研究プロジェクトと異なり、まず自らが目的と責任、そして情熱を持って動かないと何も始まらないということです。
今回のチームメンバーと、研究室あるいは専門分野から飛び出して、自分たち一人ひとりが責任を持ち、互いを思いやり、動くことで道が拓ける。
そして、共通の研究成果を目指して、主体的にチャレンジすることで、人的ネットワークも広がり、このプロジェクトでも徐々に色んなチャンスが生まれつつあります。
研究者になりたい方は、チャレンジ精神に加えて、何かを成し遂げようとする際に「自分さえ良ければいい」と考えず、思いやり・責任も大切にして欲しいです。」

横田氏 「私はこれまで機械工作、物理、通信など、色々なことをやってきました。
今後も一本の道を極めるというよりは少し広がりを持たせて、誰もやらないような研究をしたいと考えています。
これから研究者を目指す方には“食わず嫌いをなくす”ということにこだわって、学んでほしいです。」

杉安氏 「人間の視野は思った以上に狭いと常日頃から感じています。
研究していると、同じ専門の人間で集まっては新しい発想がどうしても生まれてこないということがあります。
また、研究者だけで話をしていても難しい、そこに行政の方や、地域住民の方が入ると三者三様視点は全く違う。
そう言った意味では、やはり他の立場の人と常に話をしなければいけないと思います。
今回、同じ研究者だけど分野が違うメンバーと、このような新しい取り組みができているのは非常に刺激的です。

研究者になりたい方には、まずは他者と対話をしてみることを大事にして欲しい。
そして、共に研究する仲間をつくることがとても大事です。
自分一人だけでは実現できないことはすごく多いが、仲間がいればやれることはたくさんある。
そして、将来あなたが目指す夢が、実現する可能性も広がるはずです。」

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紹介 さくまみさき

楽しく、驚く記事であり、製作者の言葉が、一人でも多くの人の頭の片隅に残るような記事を書いていきます。

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