清掃工場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位手法の性能評価

1. 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 Performance Evaluation of Indoor Positioning Method Using Magnetic Fingerprinting Path Matching in a Cleaning Plant 奥村嶺情報基盤システム学研究室修⼠論⽂発表撮影禁⽌

2. 清掃⼯場における作業員の安全確保 • 焼却設備が存在する炉室 • ⾼温 (40℃近く) • 防じんマスク着⽤義務 • 作業員には過酷な環境 • 熱中症の危険性⼤背景 • 炉室の点検・清掃時における作業員の安全確保 -> 複数⼈で⾏動する対策 (熱中症の早期発⾒のため) ところが… 実際に同時に作業できている⼈数は 1.43 ⼈[1] 実際に複数⼈で同時に⾏動するのは困難 [1] ⽇本の廃棄物処理令和元年度版より、 2019年のごみ処理施設の施設数と作業員数の統計から計算 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 2 / 25

3. 屋内測位システムの必要性背景 • 遠隔で作業員の位置を知りたい (誤差は10 mぐらい) • でも⾼額な設備投資は不可能現場からは、が求められている。低コストで導⼊可能な作業員追跡システム作業員を追跡するには屋内測位技術が必要であるしかし、清掃⼯場を想定した屋内測位に関する先⾏研究は無い最⼤測位誤差 10 m 程度 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 3 / 25

4. 本研究の⽬的⽬的清掃⼯場の特徴を考慮し、磁気だけを⽤いて測位する磁気フィンガープリンティングパスマッチングを提案し、実際の清掃⼯場での測位精度を評価する。 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 4 / 25

5. 屋内測位に関する既存研究と導⼊コスト関連研究測位に⽤いる基盤 Bluetooth Wi-Fi 磁気測位精度 ◎ 1 cm 〜 10 m ◎ 1 cm 〜 10 m ○ 5m 〜 60m インフラ導⼊コスト △ 100万円単位 △ 1000万円単位 ○ ほぼ 0円 • Bluetooth: ビーコンを測位範囲に配置し、電波の受信強度や受信⾓度から位置を推定する • Wi-Fi: AP(アクセスポイント)を測位範囲に配置し、電波の受信強度や受信⾓度から位置を推定する • 磁気: 測位範囲内の残留磁気を取得して、推定の際に⽐較する（FP: フィンガープリンティング） ※ すべての⼿法で FP は精度向上のため実施される 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 5 / 25

6. フィンガープリンティングオフラインフェーズ、推定フェーズの2段階で測位する。各地点の特徴を指紋として保持し、照合する。オフラインフェーズ推定フェーズ … 指紋測位範囲内の指紋を予め収集各位置の指紋をデータマップとして保存測位範囲スマートフォン？照合指紋を取得（位置は不明）位置が判明特定完了測位範囲関連研究 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 6 / 25

7. DTW (Dynamic Time Warping) 関連研究 • 2 つの時系列データの幾何学的な不⼀致度を計算するアルゴリズム[2] • 時間⽅向の平⾏移動 (位相変化) 伸縮 (周期変化) に頑健 aaa -> 測定周波数の異なる時系列データ同⼠を⽐較可能 [2] Pavel Senin. Dynamic time warping algorithm review. Information and Computer Science Department University of Hawaii at Manoa Honolulu, USA, Vol. 855, No. 1-23, p. 40, 2008. https://data-analysis-stats.jp/%E6%A9%9F%E6%A2%B0%E5%AD%A6%E7%BF%92/dtwdynamic-time- warping%E5%8B%95%E7%9A%84%E6%99%82%E9%96%93%E4%BC%B8%E7%B8%AE%E6%B3%95/ 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 7 / 25

8. 既存⼿法 • LocateMe: Magnetic-fields-based indoor localization using smartphones. [2] • ⼤学構内にて磁気のみを⽤い、 6本の廊下上の位置を特定する • 合成磁気の時系列データ波形を DTWで数値化して分類する • 壁や柱に沿って平均速度1.5m/sで歩いた関連研究 [2] Kalyan Pathapati Subbu, Brandon Gozick, and Ram Dantu. LocateMe: Magnetic-fields-based indoor localization using smartphones. ACM Trans. Intell. Syst. Technol., Vol. 4, No. 4, October 2013. 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 8 / 25 [2]

9. 既存⼿法の問題点既存⼿法では、測位の際は地磁気を乱す磁気のピークに着⽬するが、清掃⼯場ではピークが⾒つからないことが多い関連研究廊下の壁際を歩いた際の磁気変動（既存⼿法論⽂より抜粋） 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 9 / 25 清掃⼯場を歩いた場合 0 2 4 6 8 Distance [ m ]

10. 清掃⼯場（炉室）の特徴関連研究 • ⽔平⽅向 32 m x 40 m • 鉛直（⾼さ）⽅向 25 m 以上 • ⾦属製の設備・パイプグレーチング -> 豊富な残留磁気を期待 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 10 / 25

11. 提案⼿法 • 磁気指紋の特徴をより詳細に捉えるために磁気の鉛直・⽔平成分を⽤いる • 照合する際は時系列データ同⼠の⽐較となるのでDTWを⽤いる⼿法 DTWで照合指紋を移動しながら取得位置が判明特定完了測位範囲？ 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 11 / 25

12. • 加速度センサを⽤いて、磁界の鉛直⽅向 𝑀! と⽔平⽅向 𝑀" を抽出する。磁気の鉛直・⽔平成分⼿法鉛直⽅向 ! ⽔平平⾯空間磁界 " = $!, $", $# " の鉛直⽅向成分 "$ &% = "% &$ " の⽔平⽅向成分 "% 重⼒ベクトル ' = (!, (", (# ! 0 センサの姿勢によらず、同じ磁界なら同じ値 𝑀! = 𝑴 cos 𝜃 = 𝑴 𝑴 ⋅ 𝑮 𝑴 𝑮 = 𝑴 ⋅ 𝑮 𝑮 = 𝑚"𝑎" + 𝑚#𝑎# + 𝑚$𝑎$ 𝑎" % + 𝑎# % + 𝑎$ % 𝑀& = 𝑴 % − 𝑀! % ∵ 𝑴 ⋅ 𝑮 = 𝑴 𝑮 cos 𝜃 ⇔ cos 𝜃 = 𝑴 ⋅ 𝑮 𝑴 𝑮 ∵ 𝑴 𝟐 = 𝑀" # + 𝑀$ # 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 12 / 25

13. 評価⽅法測位の推定フェーズ⽤データを2種類⽤意し、既存⼿法・提案⼿法双⽅の測位誤差を⽐較する。評価評価⽅法 1 • 単純な測位精度を評価 • オフラインフェーズ • 測定⽤台⾞ • 推定フェーズ • 測定⽤台⾞ • オフライン・推定のデータは同じ⽇に取得評価⽅法 2 • 実践的な測位精度を評価 • オフラインフェーズ • 測定⽤台⾞ • 推定フェーズ • ⼿持ち＆歩⾏ • オフライン・推定のデータの取得⽇時の開きは 8ヶ⽉ 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 13 / 25

14. 測位誤差 • 測位パスと正解パスの先頭と末尾のユークリッド距離を合成 • 作業員の救助を考慮して末尾を重視評価測位パス: 𝑥! " , 𝑦! " , 𝑥# " , 𝑦# " , … , (𝑥$ " , 𝑦$ " ) 正解パス: 𝑥! % , 𝑦! % , 𝑥# % , 𝑦# % , … , (𝑥& % , 𝑦& % ) ErrorHead = 𝑥! " − 𝑥! % # + 𝑦! " − 𝑦! % # ErrorTail = 𝑥$ " − 𝑥& % # + 𝑦$ " − 𝑦& % # = ErrorHead + 2 ⋅ ErrorTail 3 測位誤差測位パス正解パス ErrorHead ErrorTail 測位パス正解パス 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 14 / 25

15. 評価⽅法1 測定⽤台⾞を⽤いて 24 本のパス上を 30 cm 間隔で2回ずつ収集したデータをそれぞれオフライン・推定フェーズとみなす • 想定シチュエーション • 作業員は線上の任意の地点から同⼀パス上で 6 m 移動する • 想定される移動パスは 1136 本評価 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 19 17 20 21 22 23 24 5 m 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 15 / 25

16. 評価⽅法1 結果 5数要約・平均既存⼿法提案⼿法最⼤値 1.04 0.53 75 % 0.11 0.10 中央値 0.00 0.00 25 % 0.00 0.00 最⼩値 0.00 0.00 算術平均 0.07 0.06 絶対平均 0.09 0.09 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価評価 [m] 16 / 25

17. 評価⽅法1 提案⼿法の優位性 • 磁気を 𝑀!, 𝑀" に分けることで測位誤差が減少 • 測位距離が⻑いほど測位精度が良い • 単純な測位精度 -> 提案⼿法が優位評価 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 17 / 25 平均値の推移最⼤値の推移

18. 評価⽅法2 測定⽤台⾞を⽤いて収集したパスのデータをオフラインフェーズ⽤スマートフォンを⼿に持ち歩きながら収集したデータを推定フェーズ⽤ • 推定フェーズ⽤のデータは収集中の動画を参考に⼿動でアノテーション • 想定シチュエーション • 作業員は任意の地点から同⼀パス上を任意の距離移動する • アノテーションした移動パスは 12 本評価 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 18 / 25

19. 評価⽅法2 マッチング例 (ID 1) 考察 • 𝑀!, 𝑀" と DTW を⽤いることで、より細かな指紋の変化に追従可能となった 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 19 / 25

20. • 測位誤差が 10 m 以下 • 既存⼿法: 2 本 • 提案⼿法: 4 本 • 測位誤差の平均は悪化評価⽅法2 結果評価指紋パス ID 測位誤差 [m] 既存⼿法提案⼿法 0 0.66 0.33 1 33.27 1.47 2 18.28 19.38 3 69.11 116.86 4 17.11 78.88 5 11.23 68.87 6 15.75 30.31 7 2.62 2.69 8 28.55 4.09 9 18.30 37.10 10 21.59 33.78 11 50.28 49.26 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価測位誤差 [m] 既存⼿法提案⼿法算術平均 23.90 36.92 絶対平均 14.27 27.73 20 / 25

21. 評価⽅法2 マッチング例 (ID 8) 考察 • 𝑀!, 𝑀" と DTW を⽤いることで、より細かな指紋の変化に追従可能となった 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 21 / 25

22. 評価⽅法2の測位誤差考察測位誤差が悪化する例 • オフライン・推定フェーズで同⼀波形となるような指紋パスが得られない (指紋パスがオフセットする) 場合 -> 提案⼿法ではオフセットに過敏に反応することで測位誤差が増加 -> 既存⼿法では磁気合成値を使うことから、オフセットに鈍感なため、測位誤差増加が抑制された 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 22 / 25

23. 評価⽅法2の測位誤差考察オフライン・推定フェーズで同⼀波形となるような指紋が得られない原因 • 歩くことによるスマートフォンのブレ、測定⽤台⾞の移動軌跡を完全にトレースすることが困難 • 指紋パスで捉えたとしても同様の指紋パスが複数存在し、異なる位置だと判定した可能性 • オフラインフェーズ⽤のデータを取得したのは 2020/12/25 、推定フェーズ⽤のデータを取得したのは 2021/08/25 この約8ヶ⽉の間に磁気が変化した可能性 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 23 / 25

24. まとめ • 清掃⼯場において低コストで導⼊可能な作業員追跡システムが求められている。 • 低コストな磁気を⽤いる清掃⼯場を対象とした屋内測位⼿法磁気フィンガープリントパスマッチングを提案した。 • 実際の清掃⼯場にてデータを収集し、単純な測位精度と実践的な測位精度を評価した。 • 評価の結果、提案⼿法は、⼤学構内を対象とした既存⼿法に対し、単純な測位精度では測位精度の減少を達成した⼀⽅、作業員追跡システムの実現には課題が残った。 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 24 / 25

25. 今後の展望 • 実践的な測位精度向上 • 清掃⼯場の作業員追跡システムに使⽤する際には測位誤差の最⼤値を 10 m 程度に抑える必要 • LPWA (Low Power Wide Area) と⼤気圧差を利⽤して、提案⼿法による測位範囲をエリア分割することで、測位範囲内の重複する指紋パスを削減できると期待 • 清掃⼯場の複数階層にまたがる測位 • ⼤気圧差による階層推定 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 25 / 25

26. Next Topic is ... Appendix

27. ⽇本国のごみの処理の内訳 • 令和元年度のごみ総処理量に対し、直接焼却量は 80 % を超える背景 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 直接焼却中間処理直接埋⽴令和元年度ごみの処理状況 80.5 18.6 1.0 % 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 27 / N

28. 清掃⼯場における作業員の安全確保 • 平常運転時 -> 集中管理室からの遠隔操作 • 炉室に⼊室しなくて良い • 点検・清掃時 -> 点検・清掃の⾃動化は困難 • 作業員が炉室に⼊室して実施する背景 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 28 / N

29. センサの姿勢と磁界の関係 • 磁気センサ: センサにかかる磁界を XYZ の3要素で検出する -> センサの姿勢によって同じ磁界でも異なる値となる 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 29 / 25 ⼿法 Z X Y 1 μT の磁界 𝑚', 𝑚(, 𝑚) = (0, 0, 1) Z X Y 1 μT の磁界 𝑚', 𝑚(, 𝑚) = (0, 1, 0)

30. 予備実験 • 炉室の特徴と導⼊コストの両観点から最適と判断した、単純な磁気FPによる屋内測位⼿法を清掃⼯場から取得したデータで評価した。 • 結果、測位誤差の最⼤値は 45.45 m であった。 • 測位誤差の理由として、FPのデータマップにおいて、異なる位置で似通った指紋 ( ) が存在したのでは？予備実験？照合指紋を取得（位置は不明）位置が判明特定完了測位範囲 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 30 / N

31. 予備実験結果推定誤差マップ推定誤差最⼤: 45.4 75%: 26.2 50%: 16.0 25%: 5.92 最⼩: 0.58 平均: 15.5 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 31 / N

32. 事前実験の測位結果詳細 • 測位に偏りは⾒られない事前実験 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 32 / N

33. 評価に使⽤するデータの収集（収集アプリ）評価計測中ログ画⾯位置選択画⾯ • 取得データ • 各種センサ値 • 磁気 XYZ • 加速度 XYZ • ジャイロ XYZ • セルラー情報 • Wi-Fi 情報 • Bluetooth 情報 • 騒⾳（マイク） • 位置（⼿動） 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 33 / N

34. 評価に使⽤するデータの収集（測定⽤台⾞）評価位置取得の効率化を図る • データの収集⾃体はスマートフォン加えて • スマートフォンの回転⾓を測定 • 起点位置からの相対距離を測定 Android スマートフォンターンテーブル Arduino ラップトップPC ⾞輪フォトリフレクタ放出した光の反射量によって出⼒が変化⿊⾊：０⽩⾊：１ターンテーブル裏 N N N N S S S S ホールセンサ磁⽯ N 極が近づくと１ S 極が近づくと０⾞輪 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 34 / N

35. Next Topic is ... 評価⽅法 1

36. 評価⽅法1 提案⼿法の優位性 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 36 / 25 • 磁気を 𝑀!, 𝑀" に分けることで測位誤差が減少 • 単純な測位精度 -> 提案⼿法が優位評価平均値の推移最⼤値の推移

37. 評価⽅法1 結果 (パス⻑ 1.5 m) 5数要約・平均既存⼿法提案⼿法最⼤値 76.08 69.27 75 % 0.28 0.07 中央値 0.00 0.00 25 % 0.00 0.00 最⼩値 0.00 0.00 算術平均 4.51 0.41 絶対平均 7.50 0.69 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価評価 [m] 37 / N

44. アノテーション • 加速度センサの値を⽤いて歩数を検出し、歩幅 (62.5 cm) をかけ合わせて移動距離を求める。時刻 XYZ 合成加速度 [m/s 2 ] 歩数検出例 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 44 / N

45. Next Topic is ... 評価⽅法 2

46. 評価⽅法2 指紋パス ID 0 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価評価 46 / N

58. Next Topic is ... Dynamic Norm DTW

59. Dynamic Norm DTW • オフセットを検知し、最⼤最⼩正規化を実施してDTWする • 測位誤差の平均はわずかに悪化背景 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価 59 / N 測位誤差 [m] 既存⼿法提案⼿法 Dynamic Norm DTW 算術平均 23.90 36.92 38.31 絶対平均 14.27 27.73 28.49

60. Dynamic Norm DTW 指紋パス ID 0 〜 5 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価評価 60 / N

61. Dynamic Norm DTW 指紋パス ID 6 〜 11 2022/2/4 清掃⼯場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位⼿法の性能評価評価 61 / N

清掃工場における磁気フィンガープリンティングパスマッチングによる屋内測位手法の性能評価

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