IoT	  シミュレーションフレームワークと	  コミュニティシミュレータ
国立研究開発法人 情報通信研究機構	  北陸StarBED技術センター	  牧野義樹	  <ymakino@nict.go.jp>

15/11/06

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はじめに• 実際の物理環境と密に連携して動作を行なうシステムであるIoTやCPSなどに注目が集まっている。	  
• StarBED上でこのような新たなシステムを実現するためには、ネットワークエミュレータ以外にも物理環境を模擬し、システム全体の制御を対象とした実験が行なうことが必要である。

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IoTシミュレーションに必要な要素• Internet	  Of	  Things	  (IoT)	  とは？	  

– PCだけではなく様々なモノがインターネットに接続	  – 計算機と物理空間が密接に連携するシステム	  • 多数のセンサから情報を収集	  • 収集したデータを元に膨大な計算を実行	  • アクチュエータを通じて実空間を制御	  センサ

– 様々なシステムとしての側面を持つ	  • 末端端末はエンベデッドシステム	  • リアルタイムシステム	  • 安定した動作のための制御システム	  計算・通信
フィードバック制御

環境– フィードバック制御	  • クラウドなどビッグデータ活用システム	  • などなど	  15/11/06

アクチュエータ

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IoTシミュレーションフレームワーク
実デバイス
デバイス	  ソフトウェア
制御	  数学モデル
環境	  ソフトウェア
環境	  数学モデル

CPS検証システム
IoT検証システム
フレームワーク

ユビキタスネットワーク
シミュレータ
物理環境シミュレータ
実環境を用いたシミュレータ

実験結果

数学モデル
シミュレータ
実験情報
蓄積システムシミュレータ間の時間同期システム

検証内容

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4実環境を用いたシミュレーション• 実験住宅 iHouse	  – 木造二階建	  – ECHONET	  Liteを用いて家電、センサを制御	  iHouse• 実験のため ECHONET	  Lite	  機器を追加	  – 精度の高い温湿度計測のため温湿度センサ	  – 快適制御実験のための送風機	  温湿度センサ	  (コントローラ部)
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送風機
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人体模擬システムHOBITS• iHouseで人体の発熱発湿を模擬	  – 無人での居住実験を実現	  – 4人家族を模擬するためiHouse中に模擬装置を15台設置	  – HOBITS管理システムから全機器を集中管理	  – 熱量の調整は電気スタンドを利用	  15/11/06

6情報収集システム• iHouseとシミュレータのデータを同一フォーマットで収集	  • iHouseとシミュレータの結果を区別なく利用可能	  情報収集システム	  室内の温湿度等の	  センサ情報	  Webインタフェースと	  ECHONET	  Liteを用いた	  
情報収集

実システム

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Webインタフェースを用いた	  情報収集

シミュレータ群

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高精度ホームシミュレータ• MATLAB	  Simulinkにより構築	  • iHouseの温熱環境を模擬

Simulinkで作成したiHouseのモデル
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複数モデルに対応した	  ホームシミュレータ• モデルのシミュレーションを実現したサブシミュレータを結合	  • サブシミュレータの結合のためのインタフェース	  – シミュレータ間のデータ送受信	  • 送受信するデータの明確化	  – 時刻同期処理への対応	  • 保守的同期、投機的実行、リアルタイム実行	  温熱環境サブシミュレータ

人間行動サブシミュレータ

数式モデル

ベイジアン
ネットワークなど

様々なサブシミュレータ
対象のモデル…

温熱環境モジュール

人間行動モジュール

様々なモジュール

インタフェース

インタフェース

インタフェース

シミュレータ管理部

データ通信機能
データベース

13/03/15

データ表現

時刻管理機能時刻管理機能接続管理機能接続情報

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シミュレータ実行管理機構
利用ノードの選択	  シミュレータを並列実行

シミュレータ実行	  管理機構	  	  シミュレータ	  (コミュニティシミュレータ等)

シミュレータ	  (コミュニティシミュレータ等)…

情報収集システム

シミュレータ	  (コミュニティシミュレータ等)
StarBED実験環境
シミュレーション結果のデータ

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フレームワークと各システムの関係
シミュレータ実行	  管理機構	  	  IoT検証システム
フレームワーク

実験住宅 iHouse

ユビキタスネットワーク
シミュレータ
物理環境シミュレータ

人体模擬システム	  HOBITS

高精度ホームシミュレータ

実環境を用いたシミュレータ
温熱環境サブシミュレータ

数学モデル
シミュレータ

様々なモジュール

インタフェース

インタフェース

インタフェース

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シミュレータ間の時間同期システム

対象のモデル…

シミュレータ管理部

データ通信機能

実験情報
蓄積システム様々なサブシミュレータ

ベイジアン
ネットワークなど
人間行動モジュール

データベース

情報収集システム	  人間行動サブシミュレータ

数式モデル
温熱環境モジュール

データ表現

時刻管理機能時刻管理機能接続管理機能接続情報

複数モデルに対応した	  ホームシミュレータ
11スマートコミュニティシミュレータ	  開発の背景• スマートコミュニティは、電力や熱などのエネルギー設備、システム全体の制御や管理を行うためのIT設備等、様々なシステムが連携して動作する複雑なシステム	  • システムの動作により人間の行動も変化するため、人間の行動についても考慮した設計を行う必要	  • 動作の異なるデマンドレスポンスを採用した場合の効果の変化の予測が困難	  • StarBED、iHouse、ホームシミュレータを活用したコミュニティシミュレータを開発	  15/06/18

12スマートコミュニティの要素• 施設等	  – 地域エネルギーマネジメントシステム– 個別住宅	  – 集合住宅
– 学校や病院など中核施設や商業施設– コミュニティ内分散電源– 高圧受電設備	  – 熱受信設備	  • インフラ	  – 電力	  – 熱	  – 情報通信	  15/11/06

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INFO

スマートコミュニティ	  シミュレータモジュールの構成	  THR

PWR

OpenADRに準ずる通信(制御情報)	  CTRL

消費電力通信(独自フォーマット：XML)	  熱量通信(独自フォーマット：XML)	  １

シミュレータ制御通信(Socket+API)	  管理モジュール

電力負荷、分散電源、	  HEMS相当を実装

個別住宅モジュール	  【コミュニティプロファイル定義】	  ・例：	  住宅モジュール数：XXX	  
家族構成：XXX	  N

通信用	  Library	  DR制御	  電力負荷、分散電源、	  xEMS相当を実装

集合住宅モジュール	  １

CEMS	  (地域エネルギー	  マネジメントモジュール)

DR	  制御	  N【CEMS用設定ファイル】	  ・DR制御用パラメタ等	  N

分散電源モジュール	  (蓄電池)

N

１

N

熱受信	  モジュール14

通信用	  Library	  DR制御	  通信用	  Library	  通信用	  Library	  商業施設モジュール	  １N

通信用	  Library	  住宅用	  Simulator	  電力負荷、分散電源、	  xEMS相当を実装

中核施設モジュール	  (病院)

高圧受電	  モジュール※住宅モジュール等の	  DR制御	  中核施設モジュール	  (工場)N

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構成補足は次ページ参照	  通信用	  Library	  中核施設モジュール	  (学校)

I/F

住宅用	  Simulator	  学校用	  Simulator	  電力負荷、分散電源、	  FEMS相当を実装
DR制御	  工場用	  Simulator	  電力負荷、分散電源、	  xEMS相当を実装
DR制御	  病院用	  Simulator	  電力負荷、分散電源、	  BEMS相当を実装
DR制御	  商業施設用	  Simulator	  メッセージシーケンス図

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スマートコミュニティ定義• コンピュータの専門家でなくても、様々にパラメータを変更したシミュレーションを繰り返し行う
ことを容易に• テンプレートファイルを変更することでシミュレーション対象のコミュニティを設定	  • 詳細度に応じて複数のテンプレートが存在	  – コミュニティ全体定義	  – シミュレーション情報定義	  – 各施設モジュールの定義	  – コミュニティ内分散電源の定義	  – 各施設の設備定義
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コミュニティ全体定義例(1/2)<?xml	  version="1.0"	  encoding="UTF-­‐8"?><community>	  <facility>	  	  <facilitytype	  type="school1">	  	  	  	  <num>1</num>	  	  </facilitytype>	  </facility>	  <commercialfacility>	  	  <commercialfacilitytype	  type="market1">	  	  	  	  <num>1</num>	  	  </commercialfacilitytype>	  </commercialfacility>	  <house>	  	  <housetype	  type="house1">	  	  	  <num>400</num>	  	  </housetype>	  	  <housetype	  type="house2">	  	  	  <num>400</num>	  	  </housetype>	  </house>	  15/11/06•学校	  – 種類:	  school1	  – 数:	  1	  •商業施設	  – 種類:	  market1	  – 数:	  1	  •住宅	  – 種類:	  house1	  – 数:	  400	  •住宅	  – 種類:	  house2	  – 数:	  40017

コミュニティ全体定義例(2/2)
	  <condominium>	  	  <condominiumtype	  type="cond1">	  	  	  <num>10</num>	  	  </condominiumtype>	  </condominium>	  <communitypowersource>	  	  <powersourcetype	  type="powerC1">	  	  	  <num>1</num>	  	  </powersourcetype>	  	  <powersourcetype	  type="bacC1">	  	  	  <num>1</num>	  	  </powersourcetype>	  </communitypowersource></community>

15/11/06•

集合住宅	  – 種類:	  cond1	  – 数:	  10	  •コミュニティ内分散電源	  – 種類:	  powerC1	  – 数:	  1	  •コミュニティ内分散電源	  – 種類:	  bacC1	  – 数:	  1

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シミュレーション情報定義例<?xml	  version="1.0"	  encoding="UTF-­‐8"?>	  <simuladon>	  	  	  	  	  	  	  	  <dme>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <begin>2014-­‐07-­‐08T00:00:00</begin>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <end>2014-­‐07-­‐08T23:59:00</end>	  	  	  	  	  	  	  	  </dme>	  </simuladon>

15/11/06••

シミュレーションの開始時刻	  – 2014-­‐07-­‐08T00:00:00	  シミュレーションの終了時刻	  – 2014-­‐07-­‐08T23:59:00

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個別住宅定義例<?xml	  version="1.0"	  encoding="UTF-­‐8"?>	  <housespec>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <housetype>house1</housetype>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <simprogram>houseSimulater</simprogram>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <demandproﬁle>houseDemandProﬁle1.csv</demandproﬁle>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <thermalproﬁle>houseThermalProﬁle1.csv</thermalproﬁle>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <contractdemand>4</contractdemand>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <contracchermal>0</contracchermal>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <facilitypowersource>	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  <powersourcetype	  type="powerH1">	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  <num>1</num></powersourcetype>	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  <powersourcetype	  type="bacH1">	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  <num>1</num>	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  </powersourcetype>	  	  	  	  	  	  	  	  	  </facilitypowersource>	  	  	  	  	  	  	  	  	  <xems	  type="hems1"></xems>	  </housespec>

••
•
•••

•

•

15/11/06

種類	  – house1	  実行プログラム名	  – houseSimulator	  電力需要プロファイル	  – houseDemandProﬁle1.csv	  熱需要プロファイル	  – houseThermalProﬁle1.csv	  契約電力量	  – 4kVA	  住宅附属の分散電源	  – 種類:	  powerH1	  – 数:	  1	  住宅附属の分散電源	  – 種類:	  bacH1	  – 数:	  1	  利用するHEMSのアルゴリズム	  – hems1
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シミュレーション実行環境
実験ノード仕様	  CPU:	  Intel(R)	  Xeon(R)	  CPU	  E5-­‐2603	  v2	  1.80GHz	  	  	  	  (1CPU,	  4core/cpu,	  論理4コア)	  	  RAM:	  16GB

実験ノード構成(6台)
管理／高圧受電／CEMS／熱受信ノード 1台
シミュレーションノード
5台	  シミュレーション構成	  シミュレーション時間:	  24時間
・中核施設（学校） 1校
合計 1校
・商業施設
1店舗
合計 1店舗・個別住宅
2種類 400戸 合計 800戸
・集合住宅
1種類 200戸 合計 200戸
・地域の分散電源 2施設
合計 2施設

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実行結果• 7/8	  24時間	  • 実行時間:	  1時間4分

コミュニティ全体の消費電力
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分散電源供給電力22まとめ• IoTシミュレーションフレームワークと、それを実装する実験住宅と設備、シミュレータ	  – iHouseへのデバイス追加	  – 人体模擬システム	  HOBITS	  – 情報収集システム	  – ホームシミュレータ	  • 上記シミュレーション技術を活用したコミュニ
ティシミュレータ
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