CPS（Cyber-Physical System）とは？
連載 第⼀回：CPS からソーシャル CPS へ
北海道リージョナルリサーチ CPS 研究室室⻑
北海道⼤学名誉教授・客員教授
アルバータ⼤学⾮常勤教授
⽥中 譲
昨年 4 ⽉にご縁があって総合商研株式会社の⽀援を受け、⼀般社団法⼈北海道リージョナ
ルリサーチの中に、CPS 研究室を⽴ち上げさせていただきました。丁度、釧路⼯業⾼等専
⾨学校を定年退職されて札幌に居を移された⻑年の共同研究者の野⼝孝⽂名誉教授にもご参加いただけることになり、時計台近くのマリヤ⼿芸店のビルの 4 階に研究室をオープンしました。
CPS 研究室という名称は、2010 年ごろから私⾃⾝が研究に関わってきた「都市を対象にしたソーシャル CPS の研究」を受けて、北海道リージョナルリサーチの樋⼝専務理事が名付けてくださった名称です。
研究室の開設から 10 か⽉余りが経ち、年も変わった折に、皆様へのご挨拶を兼ねて、CPSの⽬指すものと、その研究の歴史をご紹介し、当 CPS 研究室での現在の研究開発内容をご紹介させていただきたいと思います。

１．

CPS とはCPS というのは、物理的な事物から構成されている物理世界と、コンピュータ上およびコンピュータ・ネットワーク上で定義されるサイバー世界とを相互に結合し、前者の状態変化をセンサやセンサ・ネットワークを介して実時間でモニターし、そのデータおよびデータ・ストリームをサイバー世界、つまりコンピュタ・システムに送ってそこで⾼度に分析処理し、その結果に応じて、物理世界を制御する信号を今度はサイバー世界から物理世界へと送り、物理世界をその動的変化に応じてより安全に最適に実時間で制御することを⽬指すシステ
ムのことを⾔います。その特徴は、物理世界とサイバー世界が、フィードバック・ループで結合されることにあります。
CPS 研究の創成期には、対象物理世界として考えられていたのは、ペースメーカやパワード義⾜/義肢のような、制御理論に基づいた古典的制御装置を付加した機器でした。これに対するサイバー世界は、このような機器に組み込んで⽤いられる単⼀プロセッサでした。
制御装置付きの機器の外側に、組み込みプロセッサとのフィーバック・ループをさらに設けることにより、例えば、機器の観測可能なパラメータの値が動作限界を超えないように常に監視し、動作限界を超えるような異常事態が⽣じた際には、安全性を担保しつつ速やかに安全動作範囲内に動作が戻るように制御装置の⼊⼒パラメータの値を調整して、緊急強制制御を⾏うことを可能にすることなどが考えられました。対象機器と制御装置の間のフィードバック・ループの外側に、さらにこれらとコンピュータとの間のフィードバック・ループを設けて、動作の安全性を保障するこのような考え⽅は時にサンド・ボックス化（sandboxing）とも呼ばれます。
第 2 世代の CPS では、より複雑な物理世界の対象の制御へと発展し、分散化した⼤規模プラント、航空機や⾼級⾃動⾞、インテリジェント･ビルにおけるエネルギー消費の外、ITS、スマート・グリッドなどの社会インフラも対象になってきました。ここでは、物理世界の状態の変化を実時間でモニタリングするセンサ群と、サイバー世界からの信号により物理世界を実時間で操作するアクチュエータ群を介して、物理世界とサイバー世界の間のフィードバック・ループを形成するネットワークが問題になるだけでなく、サイバー側のコンピュータ資源のネットワーク分散も考慮する必要が⽣じました。このような分散 CPS のシステ
ムに関して、新しい理論基盤を与えたのは、ペンシルバニア⼤学教授の George Pappas で、彼は分散制御システムとサイバー側の分散をパケット・スイッチング・ネットワークと制御理論を融合して⼀つの理論体系にまとめ上げることで、⽶国のＮＳＦ（National ScienceFoundation）が中⼼となって、複数の国⽴研究助成機関の連携で 2009 年にスタートした
CPS 研究助成プログラムにおいて⼤きな注⽬を浴びました。余談ではありますが、残念なことに、彼の研究は⽇本では殆ど知られていません。
これらの第１世代、第 2 世代のＣＰＳはいずれも閉システムを対象としていました。閉システムであるがゆえに、個々のモジュールがウェル・フォームド･システムであれば、統合システムもウェル・フォームド･システムとしてモデリングできる場合が多く、その場合には理論的取り扱いも可能になります。2012 年頃までの NSF の CPS プログラムの焦点は、特にこのような場合に向けられていたように思えます。
ＮＳＦの CPS プログラムは 2007 年 8 ⽉に発表された⽶国⼤統領の科学技術政策助⾔委
員 会 報 告 書 PCAST (President's Council of Advisors on Science and Technology),

Leadership Under Challenge: Information Technology R&D in a Competitive World を受けて、NSF の CISE(Computer and Information Science and Engineering)部⾨と ENG(Engineering)部⾨が急遽⽴ち上げたプログラムでした。ＣＰＳという⾔葉を造ったのは、
Helen Gill 博⼠で、彼⼥は当時、NSF の CISE の CNS(Computer and Network Systems)において、Embedded & Hybrid Systems program のプログラム主任を務めていました。前職は DARPA でソフトウェアによる制御とハイブリッドシステム、組み込みシステムのためのプログラミング技法におけるプログラム開発を⾏うと共に、ソフトウェア開発と進化のモデリングと形式的⽅法論に関する研究の管理を⾏った経験を持っていました。2011 年当時、彼⼥は Cyber-Physical Systems (CPS) と、NSF/FDA SCHOLAR-IN-RESIDENCE AT FDAの 2 つのプログラムの責任者をしていました。

２．

ＣＰＳからソーシャルＣＰＳへの発展2010 年の 2 ⽉に、当時の⽂部科学官で、現在は情報学研究所所⻑の喜連川優教授から連絡を頂き、⽂部科学省の情報科学分野での科学政策の次の⽬⽟になるような⼤きなテーマを考えてもらいたいとの話がありました。
⽶国では 2006 年に、先に述べた NSF(National Science Foundation：⽶国国⽴科学財団)の Helen Gill 博⼠が CPS（Cyber-Physical System）という⾔葉を初めて使い、2010 年の頃には、CPS という⾔葉は既に⽶国の研究者の間で市⺠権を得ており、CPS 関連の複数の国際会議とワークショップを同じ場所で 1 週間の間に集中的に開催する CPS Week が 2008
年から開催されていました。
わが国で、CPS という⾔葉が普及したのが、ここ数年前からであることを考えると、⼤変⼤きな差異を感じます。
第⼀回の CPS Week は、2008 年 4 ⽉に⽶国セントルイスのアメリカン･センターとルネッサンス･グランドホテル（ワークショップのみ）で、IEEE（⽶国電⼦電気技術者協会）とACM（⽶国計算機学会）と NSF がスポンサーとなって、3 つの国際会議と、５つのワークショップが開催されました。この時の CPS の定義は、「コンピュテーションとコミュニケーションとストレージの機能を統合して、物理システムと⼯業システムのモニタリングと制御を⾏うシステム」で、「安全で、信頼でき、安⼼に、効率よく、実時間で運⽤されなければならない」とされていました。
「CPS は近い将来に、技術的、経済的、さらには科学的に⼤きな影響を持つことになろう」と予測していました。
第 2 回 CPS Week は 2009 年 4 ⽉に⽶国サンフランシスコのパーク 55 ホテルで、IEEEと ACM がスポンサーとなって、NSF とマイクロソフトのサポートで開催されました。3 つの国際会議、6 つのワークショップ、フォーラム、5 つのチュートリアルが開催されました。
CPS の定義は前回のものを踏襲していました。
第 3 回 CPS Week は 2010 年 4 ⽉にスエーデンのストックホルムの KTH(スエーデン王⽴⼯科⼤学)で、IEEE と ACM の共催、NSF, ArtistDesign、欧州委員会第 7 期フレームワー
ク･プログラム、MdH（メーラルダーレン⼤学）がスポンサーとなって開催されました。この時は 5 つの国際会議と 9 つのワークショップ、2 つのチュートリアルが開催されました。
ここでは、「ＣＰＳは、物理環境のあらゆる種類のオブジェクトと構造物に埋め込まれた計算と通信のコアによって、その運⽤がモニターされ、連携され、制御され、統合されるようなエンジニアリング・システムである」と再定義されました。
⽂部科学省の派遣で私が CPS の調査研究のために参加したのは、第 4 回 CPS Week で、2011 年 4 ⽉に⽶国シカゴのホテル JW マリオットで、IEEE、ACM、NSF と共に、産業界からは、Lockheed Martin、Microsoft Research、NEC、John Deere、Boeing、GM がスポンサーとなって開催されました。5 つの国際会議と、7 つのワークショップ、2 つのチュートリアルが開催されました。CPS の定義は前回のものを踏襲していました。その後も CPS

Week は毎年開催され、2019 年からは CPS-IoT Week と名称に IoT（Internet of Things：もののインターネット）を加えて現在に⾄っています。
2011 年の CPS Week での講演で、先に紹介した Helen Gill 博⼠は、2011 年の CPS Week
での講演で、CPS の第 2 年次という題⽬で講演しました。CPS プログラムが、2007 年 PCASTを受けて、NSF の CISE 部⾨と ENＧ部⾨を急遽⽴ち上げた背景には、CPS が、科学技術の観点から重要であるだけでなく、航空宇宙、⾃動⾞、化学⽣産、市⺠⽣活基盤、エネルギー、保健、製造、資材、輸送など、⽶国の安全と競争⼒に重要な多くの分野におけるグランドチャレンジに重⼤な影響を及ぼすと考えてのことであったと説明しました。
CPS プログラムは 2009 年にスタートし、この年は 59 件を採択しました。2010 年は 43件余りを採択しました。
2010 年 6 ⽉ 10 ⽇には第１回 CPS 研究代表者会議（CPS PI（PrincipalInvestigator）meeting）が開催されました。採択プロジェクトには、中規模プロジェクトと⼤規模プロジェクトの 2 つのカテゴリーがあり、中規模プロジェクトは年 30 万ドルから 50万ドルの規模で、3 年から 5 年の期間、⼤規模プロジェクトは、最⻑ 5 年にわたって年 100万ドル規模の助成が⾏われました。当時は、ターゲット分野として、特に保健、エネルギー、運輸の 3 分野に重点が置かれていました。2009 年には、CPS 基礎研究、輸送、保健と医療、エネルギーの 4 分野に重点が置かれ、2010 年には、重要分野として、オープン・ソース･ツールがこれらに加えられました。これは、拡張可能な CPS プラットフォーム技術を⽬指すものでした。
2009 年当時、NSF では、CPS を「計算リソースと物理リソースの密結合と調整」と定義していました。今後の CPS は、適応性、⾃律性、効率性、機能性、信頼性、安全性、有⽤性において、今⽇のレベルをはるかに凌駕する必要があるとされていました。CPS 研究の発展によって、以下のようなシステムの世界が⼤きく変容すると考えられていました。
・ 迅速な反応を要するシステム（⾃律的衝突回避など）
・ 精度を要するシステム（ロボット外科⼿術、ナノレベル許容度の製造など）
・ 危険を伴うために、近づくことができない場所での作業（捜索、救助、消防、探査のための⾃律システムなど）
・ ⾼効率システム（正味のエネルギー消費が零となるビルディングなど）
・ ⼈の能⼒拡⼤、社会福祉（⽀援技術、ユビキタス健康管理モニタリングおよび情報配信など）
NSF では、2010 年から毎年、プロジェクト研究代表者会議を⾏っていました。2011 年と 2012 年にワシントンで開かれたプロジェクト代表者会議には、私⾃⾝も⽂部科学省から派遣され、Helen Gill 博⼠に招かれて講演も⾏いました。
2011 年の PI 会議では、欧州委員会の Jorge Pereira 博⼠が講演し、EU においては、「ネットワーク結合されたモニタリングと制御（Networked Monitoring and Control）」プログ
ラムが⽶国における CPS プログラムに対応しているとしてこれを紹介しました。このプログラムでは、

・ 広⼤な地域、厳しい環境における、異種間で相互に結合された連携システムで、ちょっとした摂動のような変化から、システム全体にわたる機能不良に⾄るまで、想定された筋書きの範囲を超えてしまう事態にも対処しうるシステム
・ 多数の学術分野にまたがるシステム
・ ループ中に⼈が介在するシステム（⼈が意思決定を⾏ったり、知識や知恵を提供したりするオーグメンテッド制御）を対象とするとしていました。このプログラムは歴史的には、「組み込みシステム」から始まり、「組み込みシステムと制御」を対象とし、その後、「組み込みシステムのネットワーク化」が進んだことから、「ネットワーク結合されたモニタリングと制御」を対象にするようになり、今後は、「システムのシステム」を含む「複雑なシステム⼯学」へと展開していくと考えていると述べ、今後は、「パーベイシブ組み込み型インテリジェンス」へと発展すると考えると述べました。
EU の「ネットワーク結合されたモニタリングと制御」プログラムでは、防衛と国家安全保障は扱わないが、早期警報システムとエネルギーは対象としているとし、本プログラムの焦点となっている対象は・ エネルギー効率のよいビル
・ グリーン・カー
・ 未来の⼯場
・ 未来のインターネットであると紹介しました。ここで述べられている研究の⽅向性は、現在も⼤きくは変わっていません。
同じ会議で、ドイツ科学アカデミーの Manfred Broy 博⼠は、CPS は Internet of Thingsとほぼ同じと捉えているとし、物理世界とサイバー世界をつなぐもの、組み込みシステムとグローバル･ネットワークが結合したものと捉えており、応⽤分野として、・ モビリティ・ 保健・ スマート・グリッドの 3 点を挙げ、技術における深遠な変⾰が経済に破壊的変化をもたらすことになると主張しました。将来の要件として、・ オープンでかつ分野を超えたプラットフォーム
・ 相補的な拡張と統合・ 系統的強化を挙げ、挑戦課題として、・ 分野間協⼒
・ 組み込みシステムの計算処理
・ システムのシステム

・ 状況と実世界に対するアウェアネス
・ オープン･アクセスを挙げました。
欧州委員会の Jorge Pereira 博⼠が⾔う、ループ中に⼈が介在するシステム（⼈が意思決定を⾏ったり、知識や知恵を提供したりするオーグメンテッド制御）や、ドイツ科学アカデ
ミーの Manfred Broy 博⼠が⾔う、CPS は Internet of Things とほぼ同じという⽴場に⽴つと、そのような CPS は最早クローズドなウェル・フォームド･システムではなくなります。
私⾃⾝も、先に述べた⽂部科学省への調査報告の中で、今後の CPS の展開の⽅向性として、CPS の考え⽅を都市やコミュニティに拡張適⽤することを提案し、ソーシャル CPS を情報科学分野における次の世代の⼤きな挑戦的研究課題として取り上げることを提案していました。先の NSF の PI 会議でもそのような観点から講演をし、Helen Gill 博⼠に、「私の研究紹介は今回の PI 会議で発表されているＣＰＳ(つまり閉世界を対象としたＣＰＳ)とは少し異なるが、ＮＳＦはなぜ開世界を対象としたソーシャルＣＰＳも扱わないのですか？」と質問をしました。彼⼥の答えは、いずれは取り組みたいと思っているとのことでした。
現在、私は JST の CREST プログラムの⼀つである「ビッグデータ応⽤」の総括をしており、同じく CREST プログラムの「ビッグデータ基盤技術」（総括：喜連川教授）とともに、毎年 NSF との合同会議を開いていますが、NSF 側のビッグデータ関連プログラムは 2 つの柱を⽴てており、⼀つが、「21 世紀の科学技術のためのデータの⾼度活⽤」であり、もう⼀つが、「スマートで、相互に結合されたコミュニティ」となっています。実はこの 2 つ⽬の柱は、NSF の現在の CPS プログラムのテーマで、Helen Gill 博⼠の後、このプログラムを引き継いだ David Corman 博⼠によって推進されています。この 2 つ⽬の柱は、まさに、私が Helen Gill 博⼠に提案したソーシャルＣＰＳであり、欧州委員会の Jorge Pereira 博⼠や、ドイツ科学アカデミーの Manfred Broy 博⼠が論じていた内容に沿う概念です。

３．

ソーシャルＣＰＳとは

第 3 世代の CPS では、社会基盤システムや環境システムに焦点が当てられ、結果として開システムへと拡⼤されつつあります。開システムであるがゆえに、対象はウェル・フォームド･システムとは⾔えず、統合システムを理論的基盤に基づいて論じることは不可能となります。閉ループによる制御という考えも薄らぎ、ループ中に⼈が介在するシステムへと関⼼が移ってきています。したがって実時間制御システムというよりは、モニタリングに基づいた戦略的意思決定を⽀援するシステムを構築するといった⽅向への関⼼が拡⼤されています。先に述べた、欧州連合における CPS 関連プログラムの関⼼もここにあったように思われます。実際、その後の欧州連合の EIT ICT Labs Call of Activities 2012, version 1.0 では

4.6 節が CPS に割り振られており、上に述べた観点での CPS に関するプログラムに関して論じられていました。
中国における CPS も物のインターネット(Internet of Things)と同⼀視しており、欧州連合のビジョンと似ています。わが国における現在の CPS に対する関⼼の拡⼤もこの第 3 世
代の CPS ビジョンから⽣じています。
わが国においては、第⼀世代の CPS 研究の内容は、個々の対象分野で技術として研究開発されてきており、それを CPS という観点から眺めて共通の学術的基盤を確⽴することを⽬指すという点に関しては充分な努⼒がなされてこなかったように⾒受けられます。⼀⽅、
CPS という⾔葉が独⽴に普及し始めてからは、第 2 世代や、第 3 世代のビジョンでの発展に対する期待が⼤きくなっています。この状況は、欧州連合の状況と⾮常に似ています。⼀⽅、第 2 世代のビジョンに⽴つ研究開発も、基盤理論の確⽴をはじめとする基礎の部分では⽶国に⽐べて研究開発が遅れており、この部分の強化も必要であると考えます。
今後特に重要となるのは、第 3 世代のビジョンに⽴つ CPS 研究で、これに関しては、⽶国も、欧州連合も、⽇本も数年前から本格的にスタートしたところです。
私⾃⾝に関していうと、⽶国での CPS 研究の現状と、将来のソーシャル CPS に向けた研究の⽴ち上げの重要性を提案する報告書を⽂部科学省に提出した後、2011 年に、⽂部科学省からこの⽅向でのフィージビリティ・スタディの予算が付き、北海道⼤学の他に、国⽴情報学研究所、⼤阪⼤学、九州⼤学の 3 機関と連携して１年間、ソーシャル CPS の予備研究を⾏いました。その後、2012 年に本格研究 5 年間の公募があり、私たちの 4 機関連携グループが予算を獲得し、私のグループでは、札幌市における除排雪を⼤規模社会サービスの例と考え、その効率化を都市規模のソーシャル CPS によって制御する⽬標を⽴てて研究開発を⾏いました。
2012 年度から 2016 年度の本格研究では、私のグループは、①北広島に設置されているＸバンドＭＰレーダのレーダ・データの 5 分毎準実時間受信、②札幌市内のタクシーのプローブ・カー・データを統計処理し、交差点から交差点までの道路リンクごとの平均速度、台数、最⾼/最低速度などの統計データを 5 分毎の統計データとして受信する準実時間受信、③中央バスの協⼒を得て実現した路線バス 10 数台の位置情報の実時間取得、④路線バス 1台のフロントパネルに下向き 270 度の振り幅で設置したレーザ・レンジ・スキャナを⽤いた道路表⾯並びに路側の堆雪状況の実時間 3 次元計測データの取得、⑤除排雪⾞ 10 数台にスマートフォンを搭載し、除雪作業の軌跡と 3 軸加速度の変化の実時間取得などを実現し、これらのビッグデータの分析を⾏いました．そして、交差点におけるコーナー除排雪の重要性とその効果の検証として、路側の堆雪の裾野の道路中央への局所的な出っ張りが種となって、渋滞を起こす現象を⽰し、そのような状況の実時間での検出技術を提案しました。また、タクシーによる⼈の移動の流れを市全域に渡って⼀⽇の変化として可視化する技術や、路⾯凍結によりスリップが⽣じやすいエリアの実時間推定などを⾞の ABS 起動のビッグデータから分析によって求める基礎研究も⾏いました。これらの成果は札幌市雪対策室に報告を⾏うと共に、学会や⼀般講演会を開催して公表しました。
その後、2 年間の間、札幌市から新たに助成を受け、これらの技術の実適⽤に向けた開発に取り組みました。⼀⽅、これらのビッグデータを⽤いた実時間の分析によって、渋滞個所などの実時間推定ができたとしても、それが雪の影響によるものか、違法駐⾞などの別の要因によるものかが分からないと、そのまま除排雪作業の出動指⽰には使えないとの意⾒が担当者の⽅からありました。
これを受けて、今年度からはスタートした、ＣＰＳ研究室においては、市全体をカバーする、道路交通の異常検知と、検知された箇所の画像をオン・デマンドで実時間取得できるよ
うな、ワイヤレスのモニタリング・ネットワーク・システムを、安価な通信コストで構築するための研究開発を⾏うことを最初の⽬標に設定しました。具体的には LPWA を⽤いて、安価な積雪計などの各種定点観測センサを⼤量に配置可能にする技術の開発と、路線バスや除排雪⾞のトラジェクトリを準実時間で取得する⾼度な符号化と圧縮技術の研究を⾏い、
時速 40ｋｍ以下の移動体であれば、2 秒ごとの位置の変化を取得し、時速 40ｋｍ以上になった場合には 4 秒ごとの位置の変化を準実時間で取得するモードへと⾃動的に切り替え、1分毎に 128 ビットのデータにして送信する技術を開発しました。
今後は、地域ＢＷＡを活⽤し、多数の交通状況の監視カメラによる、オン・デマンドの実時間状況把握システムの技術開発や、道路の有効幅の推定にマルチバンドのリモート・センシング画像の分析技術を⽤いる研究を計画しています。これらと、従来の研究成果を組み合わせ、スマート除排雪に資する基盤技術の開発と、その他の応⽤への展開を図っていきたいと考えています。
次回からは、スマート除排雪に関して私のグループが北海道⼤学で⾏った研究の成果や、現在、CPS 研究室で取り組んでいる研究開発の内容を具体的に取り上げ、紹介をしたいと思います。