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研究テーマ: IT・IoT・AI・ロボティクス

学科の分類: 情報科学部情報システム学科

社会インフラを支える情報システム

情報科学部

情報システム学科

社会基盤情報システム

山田隆亮教授

社会基盤

無人運転等の自動化技術の変革期にあって、交通、電力、金融、農業、メディア、治安などの社会インフラは大きな転換を迎えつつあります。身近な問題を取り上げて、今後の社会インフラを支える情報システムを計画，開発，運用する技術について研究しています。動画は、ミニチュアの街を列車視点で眺める実験の映像例です。

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リモート環境におけるチーム開発のためのモブプログラミング支援システムの検討

複数人でソフトウェア開発を行う手法の一つとして，モブプログラミングやペアプログラミングといったというものがある．モブプログラミングでは，開発者らは端末を操作するドライバと開発画面を見ながら意見を出してドライバをサポートするナビゲータと呼ばれる役割に分かれ，役割を短時間で交代しながら開発を進めていく．本研究室では，コロナ禍の現状を受けて，このモブプログラミングをリモート環境で実施している．実際に対面からリモート環境に移行するにあたり，引き継ぎ作業や開発者間のコミュニケーションにおいて課題が有ることがわかった．そこで本研究では，モブプログラミングのそれぞれの役割に特化した支援を目的としたビデオ会議システムの開発を目指していく．

商業建築のファサードにおける工芸材料（信楽焼陶板）の活用

建設の機械化や合理化が進む現在の建設現場では、1990年代を境に職人や技術者による手づくりの仕事が激減している。日本の美意識や工芸技術に裏打ちされた繊細な建築表現は、一部の特殊建築に限定され、いずれは職人が姿を消して、その技術は二度と再現できないことが懸念される。人間の五感に訴える手づくりの風合いを現代後方に取り入れる接合方法を考案して、日本の伝統を感じさせるファサードを構築した。

宮脇健三郎

ROS対応オリジナルロボットによるPBL教育

大阪工業大学ではロボカップジャパンオープンにおいて＠ホームリーグという競技に2011年から参加し，PBLのテーマとして活用している． PBLにおいては小型の車輪移動ロボットと大型の競技用ロボットを使い分け，効率的に学習を進められるように配慮している。

コンクリート工学計算ツールとしての収縮ひび割れ制御法の開発

近年の日本建築学会等の建築工事標準仕様書や関連指針では，仕様設計の規定とともに，性能設計の対応が明示されるようになったが，初・中級技術者は，コンピュータプログラム言語等に精通しているとは言い難く，結果的に，各種工学モデルの計算が必要な性能設計の対応が難しい。そこで，コンクリート工学計算ツールとして，表計算ソフトによるマクロ機能を使わないで初歩的な組込み関数によるセルのみの計算に従った計算の見える化に関した計算ツールを構築した。本件は，その一例として，コンクリートの収縮・膨張の体積変化やクリープの変形と，それら変形が拘束されて作用する応力やひび割れ発生やひび割れ幅等を解く手法の計算ツールを開発したものである。

組み込みシステムの実現に必要なプロセッサにおけるカスタマイズ機能の検討と実現

マイコンを組み込んだ機器を作成する際に、OSを用いるか用いないかは大きな問題である。ここでOSを用いる動機として、ハードウエアリソースの管理や通信、プロセス管理などがある。そこで、これらの機能を限定的にハードウエアで実装することによりシンプルで効率的な組み込みシステムの実現が可能であると考える。この考えを基に、これまでFPGA上に小さなマイコンを複数実装して、プロセス管理をハードウエアで実現するシステムを提案してきた。しかしソフトウエア開発環境が無いため実用的ではない。そこで、mrubyと呼ばれる組み込みマイコン向けの小型VM（Virtual Machine）をハードウエア化することにより、これらの解決ができると考えて研究を行っている。

植物画像を対象とした枝の構造復元

近年，農家の高齢化や減少に伴い，カメラを用いた植物の自動監視技術が注目されている．しかし，植物の成長具合を判断する指標である枝構造の情報を取得する場合，葉によって枝が隠れてしまうため枝の情報を取得することが困難である．そこで，本研究では対象の植物を多視点から撮影し，多視点からの植物画像を入力として，枝の三次元構造を復元する．はじめに，多視点から撮影した植物画像に対して，深層学習による画像変換を行い，枝の存在確率画像を生成する．枝の存在確率画像とは，枝の存在確率を画素値で表した画像のことを指す．そして，多視点での枝の存在確率画像を用いて，三次元構造の復元を行うことで枝の構造復元を実現する．

壁の向こうに何がある?!

一つ目は電波の透過性に関する研究です。医療機関におけるX線CTとかMRIで想像できるように、電磁波は誘電体内を通過します。この性質から、建物内の様子を画像化する近距離レーダが考えられます。セキュリティ用の壁透過レーダ、水道管、ガス管、地雷などの地中埋設物探知レーダ、空港での危険物検知用レーダなどに応用できます。このレーダは一つ使い勝手の悪いところがあり、画像を作るために、送受信アンテナを規則的に走査する必要があります。そこで、オペレータがアンテナを自由に移動させても画像が得られる処理法を考案し確認中です(図1)。

人同士のコミュニケーションを支援する

会話時の声の音響的特徴（ピッチ、パワー、周波数特性など）及びしぐさの動的特徴の時間変化度合いを観察することで、会話が楽しく進行しているかそれともギクシャクしているかなどの会話の雰囲気を推定できることがわかってきました。この技術を用いた会話支援システムを構築中ですが、他にも、高齢者の理解度衰え推定、場の雰囲気盛り上げシステム、学習支援システムなど、幅広いアプリケーション展開を図っています。

UXデザインの開発・デザイン提案と評価

情報デザイン分野において、グラフィックや映像といった従来の視覚デザインを扱っていたメディア：印刷物やTVの機能の多くを、スマートフォンに代表される情報メディアが置き換わろうとしています。従来のメディアでは一方方向の上方伝達が中心であったのに対して、新メディアは双方向的で相互作用を伴うインタラクティブなデザインを実現しています。そのためにユーザ中心設計やユーザビリティといった観点から、そのインタラクティブな体験を調査・評価することで、新たなデザイン機器やサービスの提案が求められています。私どもは特にユーザインタフェースデザイン（以下UIデザイン）を中心に、新たなデザインの可能性の研究・開発を行っています。

地震複合火災を受けた鉄筋コンクリート部材の残存構造性能の評価

　地震に対する防災計画は，主として本震による被害軽減を対象としているが，近年の比較的大きな地震では，本震に迫る大きな余震や二次災害による被害の拡大が懸念されており，これら地震複合災害を防災計画に盛り込むことが急務となっている。本研究は，地震複合火災に着目し，既存の建物構造物に多く存在する普通強度コンクリートを用いた鉄筋コンクリート部材を対象として，加熱を受けたコンクリートの圧縮強度残存比，拘束効果を考慮した構成則及び鉄筋コンクリート部材の残存構造性能の評価法を確立することを目的とする。

木造密集市街地における防災シミュレーション

わが国には歴史的な都市や、戦後の大都市への人口集中で形成された地区など、木造密集市街地が数多く存在し、そのような市街地は災害に対して脆弱です。ここでは、京都市の歴史地区を対象として、火災を想定した防災シミュレーションを行っています。そのシミュレーションは、火災時の延焼性状を防火対策別に示すもの、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）を用いて火災時の煙流動を解析したもの、マルチエージェント（Multi-Agent）を用いて避難行動を予測したものです。

衛星夜間光データを用いた停電地域の把握

災害による停電地域の早期復旧に向けた被害状況の把握には，二次災害リスクを軽減するため遠隔で受動的に得られるデータが求められている．本研究では，2019年台風15号を対象に，千葉県における停電地域と，人工衛星により観測される夜間における地表面の光強度(輝度)とを比較し，停電地域の推定を行った．その結果，市街地では復旧により輝度が大きく変化するが，山間部では判別が難しいことが明らかになった．

マルチエージェントを用いた避難行動シミュレーション分析

近年，豪雨災害や地震災害が連続し，巨大地震の可能性が高まっていますが，対象地域から来街者全員が円滑に避難を完了できるかについては，個人ではなく，群集としての避難行動を把握する必要があります。本研究室では，マルチエージェント・システムを用いてシミュレーションを行い，複数の避難誘導案や施設整備案を比較・評価し，対象地域の避難完了時間や避難者で混雑する場所を把握することで，防災・減災メニューを検討できるようなパッケージの構築をしています。

プログラム実行時の変数値変動履歴からのバグ原因の可能性がある変数の推測

プログラムにバグがあっても、命令文は走ってしまえば終わりでバグの足跡を残さない。一方、バグの足跡は変数に残っていることがある。そこで、プログラム実行時の変数値の履歴をログとして収集し、これを解析することで怪しい変数を見つけ、この変数に書き込みを行った命令文の周辺にバグがあるのではとの目星をつけることができないかと考えた。そこでまず第一段階として、全ての変数に代入される値をログとして保存し、障害が発生した実行時のログと正常動作したログで異なる値を出力している変数を怪しい変数と判断する手法を考えた。本手法を１つのオープンソースプロジェクトに適用した結果、代入命令 32861 箇所中、怪しい代入命令を 270 個まで絞り込む事ができ、確かにこの中にバグ原因となる代入命令が含まれていることを確認できた。この結果、提案手法によりバグ原因となる代入命令及び変数を推測できる可能性のあることがわかった。

オンライン授業への知見の集積

COVID-19の影響により、多くの大学が前期授業開始時期の延期や、日程は予定通りだがオンライン授業形態への移行など、従来とはまったく異なった学習形態への移行に迫られた。大阪工業大学も例外ではなく、前期授業開始を1ヶ月延期し、結果として前期期間中はほぼオンライン授業で実施された。今回は、オンライン授業を実施することになった経緯から、オンライン授業の種類や実施方法と実践例、学生の反応について報告する。

二次元画像1枚からのキャラクターの姿勢制御

三次元構造や回転に関する特徴を獲得可能な深層生成モデルに人間の取り得る姿勢を学習させることで，類似の形状を持つ対象（本研究ではキャラクター）の姿勢制御を実現した．未知の二次元画像1枚からの姿勢制御が可能である．本研究は映像制作支援システムとしての発展を想定している．

学習済みディープニューラルネットワークモデルの権利保護に関する研究

学習済みディープニューラルネットワーク(DNN)モデルの権利保護のために、電子透かしをモデル内へ埋め込む技術が注目されている。本研究では、画像分類型DNNモデルを対象とし、その内部パラメータは観測できず、入力画像と出力ラベル値のみが観測できる場合でも、そのDNNモデルを学習させた著作権者の情報を視覚的に取り出すことを実現する。

波動システムの研究開発

波動情報システム研究室では、電磁波の中で応用が比較的容易なマイクロ波ミリ波帯の電波に関する研究を行っています。Maxwellの電磁波の存在予測とHertzによる実験から既に百数十年以上が経ちます。この間、情報通信技術(ICT)が私たちの生活に直接的間接的に大きな影響を与えたことは言うまでもありません。この中で、レーダ技術関連の開発に対する長い経験と実績を活かし、高周波の理論解析、アンテナを含むマイクロ波計測システムとデバイス等、様々なレーダ分野全般の研究開発を推進しています。

強化学習を用いたロボットの知能化

近年，人工知能・機械学習技術の発展もあり，これらの知能化技術をロボットの環境適応能力や自律性の付与の手段として用いることが期待されています．しかし，強化学習を含む機械学習は，一般的に多くの学習時間を必要とする根本的な問題を抱えています．従って，学習時間を短縮することが，実時間で学習する実ロボットにとって，特に解決すべき重要な課題です．私達は，遺伝的アルゴリズムの概念で説明した学習高速化手法を開発し，より高度なロボットの知能化の実現を目指しています．

並列処理の初学者のための図形アニメーションに基づく並列化フレームワークの提案

マルチコアCPUを用いてプログラムの実行性能を上げるためには並列プログラムを作成する必要がある。一般に、並列プログラミングの学習は初学者にとっては容易ではない。その理由として、数値計算問題を題材とすること、および大規模な計算でない限り並列化の効果を実感できないことから、初学者の興味を維持しにくいことが考えらえる。本研究では、並列化の効果を体感しやすく、かつ、平易な教材を扱える並列プログラミングの学習環境として、Processing言語を用いた図形アニメーションプログラムのための並列化フレームワークを提案する。