LPWAを用いたIoTバスロケーションシステムとその応用に関する研究

名城大学大学院理工学研究科情報工学専攻鈴木研究室

183426019 保下拓也

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コミュニティバス 交通弱者のモビリティ確保や交通空白地帯の解消

地域住民の重要な移動手段 税金で費用を負担して運行

バスは定時運行が困難 天候や交通状況の影響 運行状況の把握が困難

バスサービスの利便性向上のため，バスロケーションシステムの導入が進んでいる

出展：http://www.kyoto-np.co.jp/top/article/20150402000064出典:http://shimin-kouryu.net/about/kururinbuss/

バスロケーションシステム バスの位置情報を収集し，遅延情報や走行位置等の運行情報をバス停やWeb上で提供

2出展：http://qzss.go.jp/news/archive/necnexs_150610.html

一般的なバスロケーションシステム 通信に 携帯電話網 を利用

既存のインフラを利用可能 通信端末をバスに設置するだけでシステムを導入可能

高額な通信コストが発生

3* 大谷達彦：バスロケーションシステムの運用に関する検討，JICEレポート，Vol.9,pp.33-38, 2009

継続的な運用が困難になる例多数

運用コスト750万円 / 年*

通信コスト（33 %）

その他

システムの導入が容易

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バス利用者の情報取得環境0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

20歳未満

20歳代

30歳代

40歳代

50歳代

60～64歳

65～74歳

75歳以上

従来の携帯電話 スマートフォン タブレット パソコン Webを利用していない

若年層・中年層

• スマートフォン• パソコン

高齢層

• 従来の携帯電話• Web利用無し

インターネットを利用できない人にも情報を提供する手段が必要

平成26年度東郷町住民アンケート

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デジタルサイネージを活用したバス停 京都市のバス停

バスロケーションシステムと連動したバス停 リアルタイムな情報を提供

時刻表 運行情報 周辺の観光情報

課題 高額な導入コスト

大型ディスプレイ 電源工事

設置場所が限定的 主要な駅 バスターミナル

出典：http://news.livedoor.com/article/detail/9897731/

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災害情報配信システム ICTを活用した災害情報配信

バス停等に設置されているデジタルサイネージを活用

課題 通常時と非常時で運用するシステムが異なる

運用マニュアルの不整備 操作方法の理解不足

節電要請のため未稼働 トラフィック増大による通信遅延

出典： http://www.mjpm-saiyo.com/moremjpm/area.html

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研究の目的

I. IoT技術を活用した新たなバスロケの開発 低コストで導入でき，かつ，継続運用できる仕組み 電子ペーパーを用いたスマートバス停の開発

II. 世界標準形式でバスロケデータをオープン化 日本国内に限らず，世界中から検索・利用可能に

III. 災害時情報配信システムへの展開 平時と災害時で共用可能な情報配信プラットフォーム

IoT技術を利用した新たなバスロケーションシステムの開発と災害時情報配信システムへの展開

より研究助成を受けて実施（2017年より3年間）

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LPWA（Low Power Wide Area） 世界的に注目を集めているIoT向け無線通信技術

低消費電力：ボタン電池1つで数年単位の動作 広域通信：数km～数十km 低コスト：端末1台当たりの通信料金が年100円～利用可能

http://businessnetwork.jp/Detail/tabid/65/artid/5106/Default.aspx

IoTバスロケーションシステム* 公共のLPWAネットワークを利用

低運用コストでバスロケーションシステムを実現 他のIoTサービスと共用可能

クラウド型バス管理サーバ 電子ペーパーを利用したスマートバス停

9* T. Boshita, et al., IEEE ITSC 2018, pp. 933–938 (2018)

IoTバスロケーションシステム* LPWAネットワークを利用 クラウド型バス管理サーバ

バス運行情報の生成，配信 管理用Webページの提供

電子ペーパーを利用したスマートバス停

10* T. Boshita, et al., IEEE ITSC 2018, pp. 933–938 (2018)

IoTバスロケーションシステム* LPWAネットワークを利用 クラウド型バス管理サーバ 電子ペーパーを利用したスマートバス停

リアルタイムなバスの運行情報，地域情報などを提供 災害情報配信システムへの展開

11* T. Boshita, et al., IEEE ITSC 2018, pp. 933–938 (2018)

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スマートバス停 – 電子ペーパーの導入 低消費電力で動的にコンテンツを変更可能

太陽光下でも高い視認性 エナジーハーベストで稼働可能 近年，小型モデルの価格が低下

Visionect 13.3” (€1,000) WAVESHARE 6.0” & 7.5” ($35, $62)

電源供給の問題と導入コストの問題を解決

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スマートバス停 – バスロケ情報の提供 静的情報はバス停側で補完

スマートバス停にマイコンを設置 表示コンテンツを作成

事前に組み込む情報 レイアウト（HTML形式） ダイヤ情報（GTFS-JP形式）

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スマートバス停 – バスロケ情報の提供 静的情報はバス停側で補完

スマートバス停にマイコンを設置 表示コンテンツを作成

事前に組み込む情報 レイアウト（HTML形式） ダイヤ情報（GTFS-JP形式）

リアルタイムに変化する情報はLPWAで配信 JSON形式のファイルに保存 JavaScriptにより読み込み，

HTMLファイルに反映

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スマートバス停 – バスロケ情報の提供 静的情報はバス停側で補完

スマートバス停にマイコンを設置 表示コンテンツを作成

事前に組み込む情報 レイアウト（HTML形式） ダイヤ情報（GTFS-JP形式）

リアルタイムに変化する情報はLPWAで配信 JSON形式のファイルに保存 JavaScriptにより読み込み，

HTMLファイルに反映

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表示コンテンツ リアルタイム性の高い情報の提供

運行状況 現在走行位置 接近案内

英語対応 外国人観光客等でも利用可能

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スマートバス停の表示切替 表示コンテンツはWeb標準技術で作成

表示するページを変更するだけで，表示コンテンツの切替が可能

バス運行情報.html 災害・避難情報.html

災害情報配信システムへの展開 スマートバス停を街中の情報配信スポットとして利用

平時 ：バス運行情報，地域情報 災害時 ：災害情報，避難所情報

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・平時と同様の操作方法・スマートフォンを利用できない状況でも情報を入手可能

技術的課題

LoRaWANで一度に送信可能な最大データサイズ 11byte GPSから取得する情報のデータサイズ

時刻情報：10byte 緯度・経度情報：10+11＝21byte 区切り文字：4byte

複数メッセージで送信しても，リアルタイム性が欠如 情報送信間隔は最短で4.4秒

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合計 35byte

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位置情報圧縮手法

1. バスロケで不要な情報を削除2. 位置情報を絶対値から相対値へ変換3. サーバ側で補完可能な情報を削除4. テキストデータをバイナリデータへ変換

204536.356,3507.5596,N,13702.2202,E

24429 25178

10100101101100100

11101101110011100010101011101100100101011

位置情報の情報量および圧縮率

LoRaWANの制約11byte（=88bit）に収まる メッセージ識別情報を記載しても1回の送信で全ての情報を伝送可能

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圧縮前 [bit] 圧縮後 [bit]

時刻情報 80 17

緯度 72 16

北緯/南緯記号 8 0

経度 80 16

西経/東経記号 8 0

区切り文字 32 0

合計 280 49

情報圧縮率=17.5%

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実装 – 概要 位置情報の収集，運行情報の配信機能

車載器 位置情報の圧縮・送信，走行状態判別

クラウド型バス管理サーバ 運行情報配信

スマートバス停 バス運行情報表示機能

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実装 – 車載器 位置情報，走行状態送信機能

ジオフェンシングでバス停への接近を検知 圧縮した情報，走行状態を5秒間隔で送信

モジュール構成 LoRa通信モジュール，Raspberry Pi 3，GPSモジュール

Raspberry Pi 3LoRa通信モジュール

GPS モジュール

15 cm

13 cm

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実装 – クラウド型バス管理サーバ 遅延時間算出機能，運行情報配信機能

車載器から受信した情報をStorageに格納，蓄積 遅延時間の算出

バス運行情報を配信

バス HTTPTrigger BusDataManagement

StorageInformationDistribution

スマートバス停

Azure位置情報時刻情報走行状態次バス停

遅延時間接近状態現在位置

遅延時間 = 到着時刻 – 時刻表で設定されている到着時刻

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実装 – スマートバス停 表示機能

バス管理サーバから受信したバス運行情報を表示 モジュール構成

単結晶ソーラーパネル

電子ペーパーLoRa通信モジュール

ソーラー専用バッテリー

NP9-12

USB電源モジュール

Raspberry Pi Zero WH

チャージャーコントローラー

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動作検証 – 概要 スマートバス停への情報配信実験

目的 バス運行情報配信機能の動作検証 実際のバス運行状況が正しく反映されているか検証

実験環境 LoRaゲートウェイ：日進市役所本庁4階に設置 スマートバス停：日進市コミュニティバス「くるりんばす」図書館バス停に設置

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動作検証 – 結果

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評価 位置情報の圧縮率

既存手法との比較 LoRaWANを利用した位置情報収集実験

走行速度と情報受信率 既存バス路線環境における通信距離

コストに関する評価 導入コスト 運用コスト

スマートバス停に関する評価 表示処理の処理時間 消費電力 屋外での視認性 表示コンテンツのアクセシビリティ

既存システムとの比較

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評価 位置情報の圧縮率

既存手法との比較 LoRaWANを利用した位置情報収集実験

走行速度と情報受信率 既存バス路線環境における通信距離

コストに関する評価 導入コスト 運用コスト

スマートバス停に関する評価 表示処理の処理時間 消費電力 屋外での視認性 表示コンテンツのアクセシビリティ

既存システムとの比較

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評価 – コストの試算 条件

愛知県日進市のコミュニティバス「くるりんばす」をモデル 路線数：７ バス停数：１６１

各システムの設置ノード数 従来システム（docoです car for BUS*1）

車載器：7 バス停通信端末：161

提案システム（SORACOM社共有モデル*2） 車載器：7 バス停通信端末：161 LoRaゲートウェイ：4

*1 https://www.docomo-sys.co.jp/products/doco-car/service/busnavi/*2https://soracom.jp/services/air/lora/

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評価 - 導入コストの試算 ノードの設置台数と各ノードの単価から試算

従来システム 車載器 ：2,900 [円]

– 携帯電話網を利用可能なGPS端末 バス停通信端末 ：1,800 [円]

提案システム 車載器 ：15,105 [円]

– LoRaデバイス，GPSモジュール，マイコン バス停通信端末 ：7,980 [円] LoRaゲートウェイ ：24,800 [円]

導入コストが約1,200,000円増加

310,100 円

1,489,715 円

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評価 – 通信コストの比較 月額通信料金

携帯電話通信料：980 [円/月/デバイス] LoRaWAN通信料：9,980 [円/月/ゲートウェイ]

各システムの通信コスト 従来システム：164,640 [円/月] 提案システム：39,920 [円/月]

02468

1012141618

携帯電話網 LoRaWAN

万円

75.75%削減

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評価 – コスト試算結果まとめ

導入コスト：約1,200,000円増加 他のIoTサービスと分散化し，削減できる可能性

通信コスト： 75.75% 削減 通信コストの差額分だけ費用を抑えることができる

約8か月運用すれば提案システムの方が安価に

導入コスト [円] 通信コスト [円]従来システム 310,100 164,640提案システム 1,489,715 39,920

長期運用を見据えた場合，提案システムは有用性が高い

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まとめ LPWAを用いたIoTバスロケーションシステムを提案

公共のLPWAネットワークを利用 従来のバスロケとは異なり高い汎用性

コストの比較 長期運用を見据えた場合，提案システムは有用

今後の課題 バス路線を用いた実証実験（二月下旬から三月初旬）

研究業績国際会議 ：3件（IPSJ ICMU2018，IEEE ITSC2018，IEEE GCCE2019）国内発表 ：5件（IPSJ DICOMO2018など）受賞歴 ：4件（IPSJ DICOMO2018 優秀プレゼンテーション賞など）外部獲得資金：1件（NEC C&C財団国際会議論文発表者助成）