Vol.2020-EMB-55 No.3
2020/12/11

情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

IoT 時代の仮想シミュレーション環境「箱庭」の実現に向けた検討および初期実装
高瀬 英希1,2,a)

細合 晋太郎3

高田 光隆4

庭野 正義5

辻 悠斗6

森 崇6

概要：IoT の新たな時代を迎え，開発現場では様々な機器が絡んだ複雑なシステムと向き合う必要がある．
我々は，このようなシステムを効率的にシミュレーションできる環境である「箱庭」の研究開発の構想に取り組んでいる．本環境では，IoT システムの全体像を机上で仮想化できるようにして，多様な領域からの技術者が集まって構築される IoT システムの振る舞いや問題経路を，各自の開発対象や興味から多様に観察できるようにする．本稿では，これまで我々が検討を進めてきた「箱庭」の狙いや基本構想を紹介する．その後，これらを実証する応用事例として開発を進めているプロトタイプについて共有する．最後に，単体ロボットを題材としたプロトタイプの開発状況を紹介し，その技術的有意点を議論する．

A study of virtual simulation environment in the novel IoT era“Hakoniwa” and its initial implementation

1. はじめにク系など，様々な分野の技術領域を横断していることがわ
かる．このような IoT システムを構築する際の課題として

IoT（Internet of Things）は，情報技術の総合格闘技では，まず，各技術領域の成果物を結合する際のテストや検ある．多様かつ大量の計算機器がネットワークを介して密証が困難であることが挙げられる．全体結合しないと見え接に絡み合い，大規模かつ複雑な IoT システムが構築されない問題が多数潜んでおり，様々な機器間の整合性を取る

る．高品質な IoT システムを実現するためには，組込み系必要がある．さらに，問題発生時には，そもそもデバッグ

のみならず IT 系や通信インフラ系，ICT サービス系にクが困難であり，その経路や原因調査が著しく複雑になる．

ラウドサーバ系など，様々な分野の技術領域を結集させる

加えて，IoT システムの実用化には実証実験が不可欠であことが不可欠となる．

るが，その手間や時間，費用コストも非常に大きくなる．

このような大規模な IoT システム開発について，自動運

IoT サービスの構築にあたっても，どのモジュールをどう

転車を活用した IoT 交通サービスを例として示す．図 1 の組み合わせて効果的な新しいサービスを創出できるかを評ように，本例では，メカやエレキ・ECU の自動車制御系は価することは，準備と手間の大きくなる工程となる．

もちろんのこと，位置情報から配車管理を担うクラウド交

我々は，このような IoT システム開発時および IoT サー

通サービス系，さらには Web サービスのためのネットワー

ビス構築時の課題に対するアプローチとして，「箱庭」の研究開発に取り組んでいる．多様な分野からの技術者が集

1

2

3

4

5

6

a)

京都大学
Kyoto University
JST さきがけ
JST PRESTO
チェンジビジョン
Change Vision, Inc.
名古屋大学
Nagoya University
アイコムシステック
ICOMSYSTECH Co.,Ltd.
永和システムマネジメント
ESM, Inc.
takase@i.kyoto-u.ac.jpⓒ 2020 Information Processing Society of Japan

まって IoT システムを開発する際に，仮想環境上にソフ
トウェアやサービスを持ち寄って，机上で実証実験できる場を提供できるようにする．本取り組みは，組込みシステ
ム構築の基盤となるソフトウェアやプラットフォームを良質なオープンソースソフトウェアとして開発・公開することで，組込みシステム技術と産業の振興を図ることを目的とした特定非営利活動法人である TOPPERS プロジェク
ト [1] のワーキンググループとして活動を推進している．

1

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IPSJ SIG Technical Report)*+,./0!"#$%&'(!"#$*+#$%&'(

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自動運転を活用した IoT 交通サービスの開発例とその課題

本稿では，大規模かつ複雑な IoT システムを効率的にシ

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図 2562@$AB,CD.
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箱庭のコンセプトと想定する利用シーン

ミュレーションできる環境である「箱庭」について，我々のこれまでの検討状況を報告する．まず 2 章では，箱庭の基

456

786

本構想としてコンセプトおよび我々の狙いを概説する．次に 3 章では，箱庭のアーキテクチャを示し，これを形成す

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!"0123'()*+

る技術要素およびコア技術を紹介する．その後 4 章では，我々の構想を実証することを目的とした応用事例として開発を進めている 3 種類のプロトタイプモデルについて詳述
する．さらに 5 章では，単体ロボット向けシミュレータについて詳説し，その核となる異種レイヤ間の時間管理機構

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を提案する．6 章にて関係する既存の取り組みに触れたの
ち，最後に 7 章にて本稿のまとめと今後の展望を示す．

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2. 「箱庭」のコンセプトと狙い,-./

箱庭*1 のコンセプトは，「箱の中に，様々なモノを自分の好みに配置して，いろいろ試せる」ことである．IoT シス
テムの開発や IoT サービスの構築に携わる全ての技術者のために，仮想的なシミュレーション環境とエコシステムを構築することを目指している．多様な分野からの技術者が集まって IoT システムを開発する際に，仮想環境である箱庭上にソフトウェアやサービスを持ち寄って，机上で実証実験できる場を提供する．
図 2 に，箱庭のコンセプトと想定する利用シーンを示
す．本環境では，IoT システムの全体像を机上で仮想化できるようにして，多様な領域からの技術者が集まって構築
される IoT システムの振る舞いや問題経路を，各自の開発
対象や興味から多様に観察できるようにする．目指す強みと新しさとしては，IoT の各要素を連携させた複雑なシス
テムの事象や状態を，任意の精度で検証可能とすることである．箱の中では同じ挙動が再現されるシステム環境を，各技術者の分野や立場に応じた視点や抽象度で評価できるようにする．箱庭では，組込みマイコンやサーバに車両力学モデルや走行環境モデルなど，IoT システムを構成する*1「箱庭」の名称の語源は，名園や山水を模したミニチュアの庭園に由来している．盆景や盆栽に類するもので，江戸時代後半から
明治時代にかけて流行したといわれている．

ⓒ 2020 Information Processing Society of Japan

図 3

箱庭のアーキテクチャ

要素の名称を「アセット」と定義している．このアセットを差し替えることで，検証の対象や抽象度などを任意に設定できるようにする．
箱庭の利用者としては，IoT システム全体の開発者やそれを利用してサービスを展開する提供者だけでなく，IoT
システムを構築するための構成要素の開発者および提供者を想定する．すなわち，構成要素を開発する技術者は，それに対応するアセットを提供することで，この自身の成果
物を箱庭環境上で試行できるようになる．

3. アーキテクチャ
図 3 に，現時点で検討している箱庭のアーキテクチャを示す．箱庭が対応するドメインサービスとしては，車載
系や家電系，ロボットサービスにさらには航空・宇宙系な
ど，様々な分野へ適応できることを目指している．アセッ
ト・サービスとして利用されるシミュレーション内の登場物は，3.1 節にて述べる既存のソフトウェアフレームワー
クを技術要素として活用している．アセットの拡充ならびに箱庭への活用に向けた機能拡張にも取り組んでいる．な2

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図 4

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複雑な IoT システムを仮想環境で動作させる仕組み

お，特にクラウドサービスや可視化技術については，活用

サードパーティツールとして活用している．

できる既存のサードパーティのソフトウェアフレームワー

これらの他にも，IoT 時代の仮想シミュレーション技術

クを積極的に利用する方針としている．3.2 節にて述べるの確立に向けて，箱庭を形成するために統合すべき技術要

ように，仮想シミュレーションを実現するための共通かつ素を模索しているところである．

重要なコア機能の技術確立に重点的に取り組んでいる．

3.2 箱庭コア機能
3.1 技術要素
箱庭のシミュレーション内の登場物として活用するア

IoT システムのような大規模かつ複雑なシステムを仮想環境で動作させる仕組みを体系化するために，箱庭エンジ

セット・サービスである技術要素について概説する．

ンと名付けた共通かつ重要なコア機能の検討を進めていathrill 主に車載向けの ECU やカーネルを対象とした命る．箱庭の核となる機能として，次の 4 種類のコア機能を

令レベルの CPU エミュレータである [2], [3]．仮想マ

提案する．

イコン上で組込みプログラムの実行およびデバッグが

時間管理

箱庭にプラグインされたアセットのシミュレー

試行でき，ベアメタルプログラムやリアルタイム OS

ション時間を管理し，アセット間のシミュレーション上で動作する組込み制御プログラムを評価できる．

時間を調歩する機能

mROS 箱庭では，デバイス間の通信機構として，ロボット向け開発プラットフォームである ROS（Robot Op-

erating System）[4] に着目している．mROS は，ROS
ノードおよびその出版購読通信機能を組込みデバイス
上で実行可能とする軽量実行環境である．

TOPPERS カーネル TOPPERS プロジェクトで開発が同期・通信

アセット間でのデータの交換，および，イベント通知や処理待ちを実現
スケジューリング

アセットのそれぞれの実行タイミングを管理する機能アセット管理アセットのライフサイクルや情報出力，および，内部情報や入出力データを管理する機能進んでいるオープンソースのリアルタイムカーネルで

図 4 に示すように，箱庭コア機能が備えるべき重要な機ある．高い信頼性・安全性・リアルタイム性を要求さ能特性としては，コンポーネント化，可視化，イベント駆れる組込みシステムを対象として，µITRON 仕様の拡動化および自動化が挙げられる．

張・改良である ASP カーネルや保護機能を持つ HRP
カーネル，車載制御用の AUTOSAR OS 仕様に準拠した ATK カーネルなどが公開されている．

4. プロトタイプモデルの開発
ここまで述べてきた箱庭のコンセプトと狙いを実証する

RDBOX ROS ロボットや IoT に最適化された，Kuber-

ための応用事例を示すことを目的として，現在，3 種類のnetes クラスタとセキュアで拡張性の高い Wi-Fi ネッ

プロトタイプモデルの開発に取り組んでいる．本取り組み

トワークを自動構築できるネットワークフレームワー

を通して，箱庭エンジンとしてのコア機能の機能詳細検討クである [7]．シミュレーション環境と現実の作業環を同時に進めている．

境をブリッジすることを目的としている．

1 つめのプロトタイプモデルは，図 5 に示す単体ロボッ

Unity リアルタイム 3D 開発プラットフォームである．

ト向けシミュレータである．ET ソフトウェアデザインロ

箱庭では，物理演算エンジンと空間可視化のためのボットコンテスト（ET ロボコン）[8] を題材としており，1ⓒ 2020 Information Processing Society of Japan3

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IPSJ SIG Technical Report!"#$%&'()*+

5. 単体ロボット向けシミュレータ!"#$%&'&(()

本章では，ET ロボコンを題材として開発しているプロ*+,-.

トタイプモデルである単体ロボット向けシミュレータにつ/01,'/01

いて詳説する．本シミュレータの構成と狙いを示し，この2345677

核をなす箱庭コア技術である異種レイヤ間の時間管理機構

図 5を提案する．その後，本シミュレータの想定される展開事

単体ロボット向けシミュレータ

例を提示し，提案手法の技術的有意点を議論する．

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5.1 プロトタイプモデルの構成
単体ロボット向けシミュレータは，図 5 に示すように，

ET ロボコン大会の規定に基づく HackEV を仮想化の対象とした．教育版 EV3 インテリジェントブロック内の組込み!"#"!"#$!"#%

マイコンの仮想化については athrill を，ロボット全体と外部環境の可視化および物理演算については Unity をそれぞ

図 6

ROS・マルチ ECU 向けシミュレータ

れ用いている．ソフトウェアプラットフォームについては

TOPPERS/EV3RT（Real-Time platform for EV3）[9] を)*+','!"#$%&'(

採用している．ただし，athrill が現状で主に対応するマイコンが V850 の命令セットであるため，TOPPERS/EV3RT!"#$%&'()

図 7-./0123456789:#$%&'(

協調動作向けシミュレータ

つのマイコンで 1 台のロボット全体を制御するシステムのシミュレーションを実現する．本シミュレータの開発を通して．物理シミュレータとマイコンシミュレータ間の連携方法や，異なるシミュレータ間の時間管理の仕組みを確立する．詳細は 5 章で述べる．

2 つめは，図 6 に示す ROS・マルチ ECU 向けシミュレータである．複数のマイコンが ROS 通信を介して 1 台のロボットを制御するシステムのシミュレーションを実現す
る．マイコンだけでなく FPGA や GPU 等の異種混載型のシステムへの適応も目指しており，マルチ ECU や FPGA／ GPU 間の分散的な連携方法と時間管理の仕組み，箱庭
アセット間のスケジューリング方式および同期・通信機能を検討している．また，アセット間における ROS 通信のデータや状態の可視化を実現することを目指している．

3 つめは，図 7 に示す協調動作向けシミュレータである．
ロボットなどの複数のシステムが協調的に動作するシステ
ムのシミュレーションを実現する．本シミュレータの開発
を通して，クラウドサービスとの連携による包括的な IoTシステムの仮想化の実現や，システム間の協調動作の連携方法を検討する．これと合わせて，箱庭アセットを充実させるための仕組みを構築していく．

ⓒ 2020 Information Processing Society of Japanが標準サポートする HRP3 カーネルではなく ASP3 カー
ネルに代替して実現している．ロボットの制御プログラム
は C/C++で記述することができる．
本プロトタイプによって，Unity 上の 1 台のロボットおよび athrill によって仮想化された組込みマイコンとその制御プログラムを連携させたシミュレーションが実現可能となる．構成要素としては，ロボット本体についてはモータ
やセンサ，制御用のマイコンについてはリアルタイムカー
ネルおよびロボット制御用のプログラム，走行コースや障害物などの外部環境からなる．本体のセンサについては，

HackEV に取り付けられているカラーセンサ，超音波セン
サおよびジャイロセンサの値を取得できる．また，制御用
プログラムのデバッグ容易化のために，インテリジェント
ブロックの LCD 上におけるシリアルメッセージ表示の仮想化も実現している．なお，Unity エディタ上での操作によって，走行コースや障害物を任意に設定したり，さらにはロボット本体を変更することも可能である．

5.2 時間管理機構
箱庭は，構成要素として様々なシミュレータが混在する環境となる．各シミュレータはそれぞれ固有のシミュレー
ション時間を持つため，独立して動作するとそれぞれの実
行タイミングにずれが生じる．実際に単体ロボット向け
シミュレータでは，組込みマイコンシミュレータの athrillとロボット本体および外部環境を仮想化する物理シミュ
レータの Unity が同時に稼働されることとなる．それぞれのデータのセンシング周期およびシミュレーションのための計算時間は同一ではない．また，同種のシミュレータで4

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IPSJ SIG Technical Report!"#$!"#$%&'3>?@ABCD&@
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情報やバージョン番号，拡張領域のオフセットおよびサイズ，さらに時間同期のための情報が含まれている．続く

480 バイトのフィールドには，カラーセンサやモータなど
HackEV および EV3RT における基本機能のデータが保持される．後半の 512 バイトは，仮想化の対象や機能に応じて構成可能なフィールドとして確保している．

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時間管理のための情報は，計 64 ビットのマイクロ秒単位で管理している．本プロトタイプモデルでは 2 種類のシミュレータのみで構成されるため，短周期でのセンシング!"#$%&'!"#$%&(!"#$%&)!"#$%&'()*+,-./0123"#$%&"45+,36789:;<=

図 8

異種レイヤ間の時間管理機構が求められより処理負荷が重くなる Unity 側に箱庭時間を配置し，athrill にセンシングデータとともに通知してそれぞれのシミュレーション時間を同期するようにしている．
本手法は中央制御的ではなく分散制御方式となるため，
複数シミュレータから構成される箱庭の仮想化処理にかかる計算機上での並列化が容易となる．また，各シミュレー

あっても，実行する計算機の負荷や環境によってはシミュ

タ時間を可視化して時間同期の程度を定量化することがでレーションのための計算時間に変動が生じうる．そこで本きるため，シミュレータの動作環境やスペックの妥当性を稿では，異種レイヤ間での時間を同期させる方式を提案

評価して調整することも可能となる．

する．
提案する時間管理機構の方式を図 8 に示す．仕組みとし

5.3 展開事例ては，箱庭時間と呼ぶ時刻をコア機能として用意する．各

単体ロボット向けシミュレータの展開事例としては，オシミュレータは，この箱庭時間を適切なタイミングで参照

ンラインでのロボット教育での採用を想定している．図 9

し，自身のシミュレーション時間の進め方を調整するように，展開事例として想定する演習課題のデモを示す．このにする．つまり，箱庭時間より早い場合はシミュレーショ

デモでは，フロアの色や障害物までの距離を各種センサ

ン時間を遅くし，箱庭時間より遅い場合は，シミュレーで検出し，ゴールまでロボットの動作を制御することをション時間を早く進めるようにする．加えて，いずれかの演習課題としている．また，ロボットの内部状態をインテ

シミュレータを一時停止する場合や，処理負荷が高くなりシミュレータの時間が遅れる場合には，箱庭時間の進度を

表 1

athrill から Unity への通信データの仕様（一部）
オフセット

サイズ

ヘッダ情報

の仕組みによって，あるシミュレータ上でのプログラムの

04

ASCII コードバージョン番号44

整数値

デバッグのためにブレークポイントに到達する時には，連時間同期用情報 [usec]

84

下位 32 ビット

携する他のシミュレータも一時停止してその時点の挙動を(athrill 側の時間)

124

上位 32 ビット

観察することができる．

時間同期用情報 [usec]

16

4

下位 32 ビット

(Unity 側の時間)20

4

上位 32 ビット

拡張領域オフセット

24

4

整数値

拡張領域サイズ

28

4

整数値

(HackEV 基本機能)

32

480

—

(HackEV 拡張機能)

512

512

—

調整する仕組みも用意している．この時間管理機構の同期

箱庭時間を各シミュレータで共有する通信方式としては，

UDP および MMAP による 2 種類の方式がある．UDP パ
ケットで箱庭時間を共有する方式では，各シミュレータを別々の計算機に配置することができ，箱庭の処理全体を負名称

値の単位表現荷分散することが可能となる．ただし，ネットワーク通信を伴うため，箱庭時間を共有するための処理にかかる遅延が発生しうる．MMAP ファイルで箱庭時間を共有する方式では，遅延は発生しないが，時間管理機構および各シ
ミュレータを同一の計算機に配置する必要がある．

表 2

Unity から athrill への通信データの仕様（一部）

名称

オフセット

サイズ

値の単位表現

ヘッダ情報

0

4

ASCII コードバージョン番号44

整数値(予約領域)

8

8—

時間同期用情報 [usec]

16

4

下位 32 ビット

(Unity 側の時間)20

4

上位 32 ビットは athrill から Unity への制御データを，表 2 は Unity か

拡張領域オフセット

24

4

整数値

ら athrill へのセンシングデータの情報をそれぞれ表して

拡張領域サイズ

28

4

整数値

いる．それぞれのデータは 1,024 バイトのサイズ長で規定(HackEV 基本機能)

32

480

—

している．先頭から 32 バイトまでのフィールドにヘッダ(HackEV 拡張機能)

512

512

—

表 1 および表 2 に，単体ロボット向けシミュレータにおける athrill と Unity の通信データ仕様の一部を示す．表 1ⓒ 2020 Information Processing Society of Japan5

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セット管理の仕組みとして，箱庭と目指す方向性が近い．
相互接続モデルについては，FMU 内に数値計算ソルバを内$%&'()

包しない Model Exchange および Co-Simulation の 2 種類の方法が提供されている．シミュレーション時間の同期方

*+#",

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法についても検討されており，前者については完全な時間!"#同期が可能であり，後者の場合はシミュレータ間の許容される遅延時間をユーザが設定する．ただし，いずれも中央制御方式であるため，システムの構成要素が増えると時間

34567"

管理の処理オーバヘッドが大きくなる可能性が考えられる.

The Eclipse Foundation のワーキンググループとして
図 9

オンラインでのロボット教育に想定される展開事例

活動が推進されているプロジェクトとして，自動運転シ
ステムの開発を加速することを目的とした開発環境である OpenADx[12] がある．オープンソースツールを用いて，アーキテクチャ設計からインテグレーションの製造，試験などの開発プロセス全般をカバーしており，各開発プロセスにおいてシミュレーションができるようになっている．
このため，技術者の任意の視点や抽象度でシステム環境を評価できることを目指している箱庭の参考になるものと考えている．

3DCoAutoSim[13] は，Unity をベースとした高品質の3D 視覚化を備えた車両シミュレータであり，様々な運転環
境をエミュレートすることができる．交通モデルに基づいて他の車両の移動行動を視覚化し，Unity と交通流シミュ
図 10

ET ロボコン 2020 大会での展開事例 [8]レータである SUMO との通信を実現している．すなわち，（提供：ET ロボコン 2020 実行委員会）

IoT サービスとして交通流のシミュレーションに特化した仮想化環境であるといえる．

リジェントブロック上の LED の発光色で変化させたり，

HackEV 前方のアームを用いて地面に落ちているボールを運ぶといった発展課題を用意することができる．

7. おわりに
本稿では，IoT 時代の新たな仮想シミュレーション環境

昨今の新型コロナウイルス感染症を取り巻く情勢により，である「箱庭」について紹介し，そのコア機能のひとつ

組込みシステムやロボット制御に関する教育実習のオンである時間管理機構について提案した．本活動を通してライン化の模索が続いている．我々が開発した成果の一部得られる我々の研究開発の成果は，すべてオープンソー

は，図 10 のように 2020 年度の ET ロボコン大会においてスとして公開予定である．また，本活動の Web サイト

実際に採用されることとなった．また，大学における演習（https://toppers.github.io/hakoniwa）を立ち上げ，

科目でも，箱庭の技術によって構築された仮想シミュレー

最新動向を積極的に情報発信している．今後は，4 章で示ション環境を採用する動きがあり，いくつか進行中である．

した箱庭プロトタイプモデルの開発を推進していき，さら今後，このような取り組みでの教育効果および箱庭の有用に 3.2 節で示した箱庭エンジンとしてのコア機能の成熟お性について評価ならびに議論を進めていく予定である．

よび様々な機能拡充を進めていく予定である．

6. 既存の取り組み

謝辞

本稿で取り上げた箱庭プロトタイプモデルの 1 つである単体ロボット向けシミュレータにおいて，走行体ロ

箱庭に関係する既存の取り組みについて触れる．

ボットである HackEV の Unity アセットは，ET ロボコン

欧州の Modelica Association が中心となって策定を進め実行委員会より提供いただいたデータを基に作成していまている規格として，FMI（Functional Mockup Interface）

す．また，athrill と Unity の時間管理機構に関しては，そ[10], [11] がある．本規格は，様々なベンダが提供するツーの仕様について実行委員会の皆さまより多くの助言や技術ルの接続や統合をするためのオープンな標準インタフェー

的な協力をいただきました．ET ロボコン実行委員会の皆ス仕様である．FMU（Functional Mockup Unit）と呼ばさまに深く感謝いたします．なお，TOPPERS プロジェク

れるプラントモデルを単位として，シミュレータ等の異種ト箱庭 WG より公開している HackEV のアセットは，ETツール間で交換したり接続することができる．これは，アⓒ 2020 Information Processing Society of Japan6

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ロボコン実行委員会より提供されている本番環境とは異なりますのでご注意ください．また，本アセットは，個人利用または教育利用に限定してご利用ください．

Unity パッケージの設計と作成にあたっては，宝塚大学
東京メディア芸術学部の吉岡章夫准教授および学部生の杉﨑涼志さん，木村明美さん，千葉純平さんにご協力いただ
きました．ここに深く感謝いたします．
参考文献
[1]
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