分散×協調

Download Report

Transcript 分散×協調 

25-27 Sep. 2013
「分散×協調」による
社会システムのデザイン
京都大学 太田 快人
南 裕樹
丸田 一郎
概要
従来の常識を超える
分散 × 協調
⇒ 高機能デザイン
・システムの構成要素を「分散化」
・個々の要素をお互いに「協調」
・・・空間的に離れている
・・・相互に作用し，
全体の機能を形作る
⇒ 集中型のシステムでは達成できない機能を実現
環境・生活安全
高効率化，低コスト化，省エネ，耐故障性↑
使いやすい，安心・安全，快適，．．．
概要
従来の常識を超える
分散 × 協調
工学分野の
例
・分散コンピューティング
・高度交通システム
・電力ネットワーク
・センサネットワーク
・群ロボット
Ｐ２Ｐ
⇒ 高機能デザイン
通信路
小型電源
需給バランス制御
フォーメーション制御
概要
従来の常識を超える
分散 × 協調
⇒ 高機能デザイン
ファンネル（ガンダム）
ヤッターメカ（ヤッターマン）
ミニコン（トランスフォーマー）
概要
従来の常識を超える
分散 × 協調
⇒ 高機能デザイン
教育，家族？
タチコマ（攻殻機動隊）
サプライチェーン
概要
従来の常識を超える
分散 × 協調
⇒ 高機能デザイン
・システムの構成要素を「分散化」
・個々の要素をお互いに「協調」
⇒ 集中型のシステムでは達成できない機能を実現
環境・生活安全
目標
高効率化，低コスト化，省エネ，耐故障性↑
使いやすい，安心・安全，快適，．．．
イノベーションを起こす！
工学，経済，医療・福祉，
農業，生物，教育，．．．
・新しい分散協調システム (社会システム) を提案
・「どのように協調させるか？」を検討 (シミュレーション援用)
スケジュール
25日
テーマ説明，分散協調の基礎と応用
アイスブレイク
ブレスト（何を分散協調させる？）
（自己紹介）
9:30
10:00
11:00
12:00
26日
1日目の
まとめ
9:30
アイデア検討
15:30
17:30
実現可能性，
持続可能性，課題，．．．
ブレスト（どう協調させる？）
シミュレーション検証
10:00
13:30
有用性，（即効性），
インパクト，波及効果
アイデア検討
12:00
13:00
まとめ，発表準備
15:30
17:30
27日
発表準備
9:30
発表会(15+10)
12:00
13:00
17:30
講義資料
マルチエージェントの
基礎と応用
マルチエージェントシステムとは
複数のエージェントが相互作用しながら協働
⇒ 大域的な目的を達成
自然界の例
局所的な情報で
秩序立った行動
魚の群れ
鳥の群れ
蛍の同期現象
工学的応用
・センサネットワーク
・スマートグリッド
・分散コンピューティング
・？？？
交通システム
群ロボット
マルチエージェントシステムとは
複数のエージェントが相互作用しながら協働
⇒ 大域的な目的を達成
分散協調制御 （分散最適化）
簡
単
に
紹
介
・合意制御 (Consensus)
・被覆制御 (Coverage)
・ハーフトーン制御
・ゲーム理論
・粒子群最適化 (PSO)
マルチエージェント技術１
合意制御：すべての状態の値を同じ値に収束させる
高さ
情報交換
合意
エージェント
台
分散制御
近傍エージェント
との状態の差
マルチエージェント技術１
合意制御：すべての状態の値を同じ値に収束させる
高さ
情報交換
合意
高さ
マルチエージェント技術１
合意制御：すべての状態の値を同じ値に収束させる
高さ
情報交換
合意
高さ
マルチエージェント技術１
合意制御：すべての状態の値を同じ値に収束させる
高さ
情報交換
合意
2D
3D
マルチエージェント技術１
合意制御：すべての状態の値を同じ値に収束させる
高さ
情報交換
合意
・ランデブー
・フォーメーション
・群れ
・振動子の同期
同じ速度
編隊
同じ位置
同じ位相
マルチエージェント技術２
被覆制御：領域を最適にカバーするように配置させる
分散制御
・効率的なセンサーネットワークの構築
・施設／環境モニタリング
・探索，レスキュー
マルチエージェント技術２
被覆制御：領域を最適にカバーするように配置させる
分散制御
エージェント
台
カバーする領域
ボロノイ分割
エージェント間の通信
マルチエージェント技術２
被覆制御：領域を最適にカバーするように配置させる
分散制御
評価関数
の局所最小値を与える制御則
重要度
ボロノイ領域の
重み付き重心
マルチエージェント技術２
被覆制御：領域を最適にカバーするように配置させる
分散制御
重要度
均一
マルチエージェント技術２
被覆制御：領域を最適にカバーするように配置させる
分散制御
重要度
非均一
マルチエージェント技術３
ハーフトーン制御：適切なON/OFFパターンを決める
適切な照度分布を提供
需要と供給をバランス
LED照明
通信路
通信
路
小型電源
照度
集中制御： 全体を把握し，
組み合わせ最適化で決定 ex)
分散制御： ネットワークを活用し，自律分散的に決定
マルチエージェント技術３
ハーフトーン制御：適切なON/OFFパターンを決める
提案手法の考え方
目標
ON
需要が多い ⇒ 多くの電源をＯＮ
ON
ON
電源間で情報交換 ⇒ 電力を補う
・周囲が電力余剰 → 電源をＯＦＦ
・周囲が電力不足 → 電源をＯＮ
ON
誤差の影響を近くの電源が補う
マルチエージェント技術３
100 個の電源
提案手法
需要と供給をバランス
通信路
小型電源
電源間で情報交換
⇒ 自律的に決定
需要分布
供給分布
マルチエージェント技術３
100 個の電源
提案手法
需要と供給をバランス
通信路
小型電源
電源間で情報交換
⇒ 自律的に決定
需要分布
供給分布
マルチエージェント技術３
16 個の照明
シミュレーション
照度
目標分布
実験
マルチエージェントシステムとは
複数のエージェントが相互作用しながら協働
⇒ 大域的な目的を達成
分散協調制御 （分散最適化）
簡
単
に
紹
介
・合意制御 (Consensus)
・被覆制御 (Coverage)
・ハーフトーン制御
・ゲーム理論
・粒子群最適化 (PSO)
補足資料：ゲーム理論
複数のエージェント（意思決定主体）における
意思／行動決定の一般理論・・・最善の戦略は何か？
・基本１（非協力ゲーム）
黙秘
囚人A
自白
黙秘
Ａ：１年 Ｂ：１年
Ａ：５年 Ｂ：釈放
自白
Ａ：釈放 Ｂ：５年
Ａ：３年 Ｂ：３年
囚人Ｂ
・どちらかが自白すれば，釈放．他は５年の懲役．
・両方黙秘なら，両方が１年の懲役．
・両方自白なら，両方が３年の懲役．
⇒自分の利益だけ考えると“自白”が有利（相談なしなら最善）
※全体を考えると・・・“黙秘”が正解
補足資料：ゲーム理論
複数のエージェント（意思決定主体）における
意思／行動決定の一般理論・・・最善の戦略は何か？
・基本２（協力ゲーム）
野球
Ａ(彼女)
Ｂ(彼)
映画
野球
Ａ：満足度3 Ｂ：満足度5
Ａ：0
Ｂ：0
映画
Ａ：1
Ａ：5
Ｂ：2
Ｂ：1
確率pで野球，確率（p-1）で映画
E(彼) = 5p+2(1-p) = 3p+2，E(彼女) = 3p+5(1-p) = 5-2p
均等解：二人の満足度の期待値を等しくするようにpを選ぶ
⇒ E(彼)=E(彼女) … p=3/5 の確率で野球を選択
功利主義的解：二人の満足度の和を最大にするにpを選ぶ
⇒ E(彼)+E(彼女)=7+p … p=1 で野球を選択するほうが良い
ナッシュ解：交渉決裂の満足度からの増分の積を最大にする
⇒ (E(彼)-1)(E(彼女)-1)=(3p+1)(4-2p) … p=2/3 で野球
補足資料：粒子群最適化（PSO）
N個の粒子を
ランダムに配置
・
を計算
・制約を満たしていな
ければ，ペナルティ
イメージ
更新
⇒
no
・確率的最適化手法
・複数の粒子が相互作用
しながら解空間を動き回る
yes
を解とする
i番目の粒子のtステップまでに最適値
を与える
粒子全体でのtステップまでに最適値
をあたえる
・シンプルなアルゴリズム
補足資料
グループワーク
アイデア創出
アイデア ＝ 既存の要素の組み合わせ
ブレインストーミングのルール
・自由奔放
固定概念から逃れる．とっぴな意見，思いつき
・批判厳禁
生み出すことに集中．評価はあとで
・質より量
数で勝負．たくさんでれば，
質が良いものが生まれる？
・便乗発展
アイデアの結合・改善（発展）
スケジュール
25日
テーマ説明，分散協調の基礎と応用
アイスブレイク
ブレスト（何を分散協調させる？）
（自己紹介）
9:30
10:00
11:00
12:00
26日
1日目の
まとめ
9:30
アイデア検討
15:30
17:30
実現可能性，
持続可能性，課題，．．．
ブレスト（どう協調させる？）
シミュレーション検証
10:00
13:30
有用性，（即効性），
インパクト，波及効果
アイデア検討
12:00
13:00
まとめ，発表準備
15:30
17:30
27日
発表準備
9:30
発表会(15+10)
12:00
13:00
17:30
アイスブレーキング
自己紹介
（30~40分程度）
⇒ 順番・今朝，起きた時間が早い人順
・誕生月が早い順
① 【簡単に】名前，専門分野，趣味・特技
② 【より深く】予め用意した質問の中からランダムに選び，
一人ずつ答えてもらう．
【普通の質問】
最近がんばってることはなんですか？
将来の夢はなんですか？
最近はまっていることは？
週末は何してる？
好きな食べ物はなんですか？
好きな色はなんですか？
好きなにおいは？
「私，実は○○なんです。」
子どもの頃はまった遊びは？
あなたは何フェチですか？
いま，どんな気持ち？
【テーマに関するネタを提供できそうな質問】
最近困ったことはなんですか？
最近嬉しかったことはなんですか？
今一番欲しいものはなんですか？
なんでも叶うとしたら何がしたいですか？
気になっている（興味のある）社会問題は？
自分の専門分野の「分散協調」は？
2050年の便利なものは？
（家電，乗物，建物，服，食べ物，医療，教育）
好きなアニメは？
好きな音楽は？
好きな映画は？
１日目のグループワーク
25日
テーマ説明，分散協調の基礎と応用
アイスブレイク
ブレスト（何を分散協調させる？）
（自己紹介）
9:30
10:00
11:00
12:00
13:30
有用性，（即効性），
インパクト，波及効果
アイデア検討
15:30
17:30
テーマ：分散協調化すると “役に立つ”，“おもしろい” ものは？
・ライティングシートを使った発散＆収束
・チェックリストを使った発散＆収束
○お昼休みに，情報収集（散歩⇒観察）をする
○有用性，（即効性），インパクト，拡散性
を考えながら，最終的に２～３個のアイデアに絞る
○17:00～：スライドにまとめてアイデア発表をする
１日目のグループワーク
テーマ：分散協調化すると “役に立つ”，“おもしろい” ものは？
道具：ライティングシート，筆記具
※実現できるかどうかは考えない
発散技法（ブレインライティング）
６人が３個ずつのアイデアを５分間で考える ⇒ ６×３×６＝１０８個のアイデア
収束技法（ＫＪ法に近い）
似たアイデアをまとめて，それぞれのベストを決める ⇒ 魅力的なアイデアを抽出
参考：IDEA PLANT
１日目のグループワーク
テーマ：分散協調化すると “役に立つ”，“おもしろい” ものは？
※実現できるかどうかは考えない
・１０のべき乗
さまざまな視点からアイデアをだす（制約（お金，時間）があるとどうなる？）
・オズボーンのチェックリスト
転用したら？
応用したら？
変更したら？
拡大したら？
縮小したら？
代用したら？
置換したら？
逆転したら？
結合したら？
⇒ 現在のままでの新しい使い道は？
⇒ 似たものはないか？真似はできないか？
⇒ 意味，色，動き，臭い，形をかえる
⇒ 大きくする，長くする，時間を増やす
⇒ 小さくする，短くする，圧縮する
⇒ 代わりになる人，物は？材料，場所は？
⇒ 入れ替えたら，順番を変えたら
⇒ 逆さにしたら，上下左右・役割
⇒ 合体，混ぜる
発散
・クリティカル リーディング チェック
１．【要点】着眼点は何か？
２．【適用範囲】どれくらい有効か？
３．【新規性】付加価値はなにか？
４．【重要性】どのくらい重要か？
・アイデア選択：４分類（合理的，喜ばしい，愛しい，大穴）
・視覚化（スケッチ；概念，もの，体験）
収束
２日目のグループワーク
26日
1日目の
まとめ
9:30
実現可能性，
持続可能性，課題，．．．
ブレスト（どう協調させる？）
シミュレーション検証
10:00
アイデア検討
12:00
13:00
まとめ，発表準備
15:30
17:30
テーマ：どのように協調させるか？
・技術面（マルチエージェント技術をつかったシミュレーション）
・戦略面（普及させるための戦略，お金・・・）
○実現可能性（技術），持続可能性（戦略）
を考えながら，ディスカッション
○提案システムの“名前”を考える．
○17:00～：スライドにまとめてアイデア発表をする
参考資料
○書籍
・加藤昌治：考具，株式会社阪急コミュニケーションズ
・山崎 他 ：エクスペリエンス・ビジョン，丸善
・情報デザインフォーラム編：情報デザインの教室，丸善
・京都大学フィールド情報学研究会編：フィールド情報学入門，共立出版
○web
・一般社団法人デザイン思考研究所 http://designthinking.or.jp/
- テキスト03：デザイン思考家が知っておくべき39のメソッド
・日本創造学会 http://www.japancreativity.jp/index.html
- 主要な創造技法
・IDEO.org https://www.ideo.org/
25-27 Sep. 2013
「分散×協調」による
社会システムのデザイン
京都大学 太田快人
南 裕樹
丸田一郎
物品
■１．テーマごと貸出物品 各テーマ毎に以下の物品を貸出しいたします。
①文房具セット
はさみ×1、スティックのり×1、セロハンテープ×1、ホッチキス×1
太字カラーマーカー（10色セット）×1、細字カラーペン（12色セット）×1
ポストイット（100枚×10冊）×2箱、
A4コピー用紙×30枚、A3コピー用紙×20枚
②什器
テーブル（45cm×180cm）×2、椅子×人数分、
ホワイトボード（ボードマーカー黒・赤・青・緑・イレーザー付）×1台、
電源タップ（4口）×2本
■２．共用設備 会場に以下の設備をご用意します。
A4カラー複合機（印刷・コピー・スキャン）×1台 ※A3サイズには対応しておりません。
会場と同じ建物にあるKRPの ビジネスセンターでA3プリントが可能ですが、代金は各自
ご負担 ください。（A3カラー印刷1枚80円となります。）
無線LANアクセスポイント
掃除機
ポスター
従来の常識を超える
分散 × 協調
工学分野の
⇒ 高機能デザイン
例
環境・生活安全
・分散コンピューティング
・高度交通システム
・群ロボット
・センサネットワーク
・電力ネットワーク
デザインスクール
フォーメーション制御
通信路
小型電源
需給バランス制御
「社会システム」
のデザイン
工学，経済，医療・福祉，
農業，生物分野，．．．
概要＆教育目標
本ワークショップでは，「分散・協調」をキーワードとして，環境や生活安全といった身近な問題を解決するシステムの
デザインを考える．
システムの構成要素を「分散化」し，個々の要素をお互いに「協調」させることで，従来の集中型のシステムでは達成
できなかった機能を実現できることがある．
たとえば，電力システムを例としてあげると，発電機自体を分散化し，複数の小型発電機をネットワークで結んだうえ
で，それらを適切に協調制御するというものがある．電力システムを分散化することにより，エネルギーの地産地消の
実現や耐故障性の向上などのメリットが生まれる．
このように，分散協調システムのデザインは，QOL(Quality of Life) の向上や経済活動の活性化などに貢献すると
考えられる．もちろん，工学分野以外の，経済，医療・福祉，農業，生物分野においても同様であり，システムのハー
ド面／ソフト面の分散協調化によって，従来の常識を超える機能を実現できる可能性がある．
そこで，本ワークショップでは，環境や生活安全などの問題・課題を題材として，未来（近い将来）の分散協調システム
を，自由な発想で検討したい．その中で，分散化された要素を「どのように協調させるか？どう制御するか？」につい
て，数理工学の知見を利用しながら考えてみたい．
分散協調技術の基礎と応用を学ぶ．
さらに，分散化されたものを「どのように協調させるか？」を考えるためには，数理工学の考え方が重
要であること，そして，社会的なさまざまな課題を解決するための“デザイン”において，数理工学が
キーテクノロジーになることを体感する．
補足資料
メモ
デザイン手法
•
•
•
•
•
さまざまな視点から考える：制約を付けてアイデアをだす
１０のべき乗
（お金，時間，．．．）
２ｘ２マトリクス
着眼点の穴埋め問題
「ユーザ」は「ユーザのニーズ」を必要とする．
なぜなら，「驚くべきインサイト」だから．
比喩，アナロジー
クリティカル・リーディング・チェックリスト
• デザイン原則
どういう制約があるか？
どう解決すればよいか？
有効性の指標は？
• How Might We (HMW)
１．【要点】着眼点は何か？
２．【適用範囲】どれくらい有効か？
３．【新規性】付加価値はなにか？
４．【重要性】どのくらい重要か？
○○してはどうか？
有用性，実現性，革新性
• アイデア選択：投票，４分類（合理的，喜ばしい，愛しい，大穴）
• 視覚化（スケッチ；概念，もの，体験）
デザイン手法
• チェックリスト
転用したら？
応用したら？
変更したら？
拡大したら？
縮小したら？
代用したら？
置換したら？
逆転したら？
結合したら？
＞＞
＞＞
＞＞
＞＞
＞＞
＞＞
＞＞
＞＞
＞＞
現在のままでの新しい使い道は？
似たものはないか？真似はできないか？
意味，色，動き，臭い，形をかえる
大きくする，長くする，時間を増やす
小さくする，短くする，圧縮する
代わりになる人，物は？材料，場所は？
入れ替えたら，順番を変えたら
逆さにしたら，上下左右・役割
合体，混ぜる
• ５Ｗ１Ｈ
だれが，いつ，どこで，なにを，なぜ，どうやって
• ３つのレンズ
有用性（価値），実現可能性（技術），持続可能性（戦略）
デザイン手法
環境，エネルギー，教育，医療，工学，生物，農業，サービス，ロボット，防犯，災害，
家電，車，家，遊び，食糧，携帯電話，パソコン（マイコン），水，空気，まんが
日本人，外国人，オタク，
１００年前，１００年後，
イノベーションを起こす社会変化
・人口構造（少子高齢化＞＞学校定員割れ）
・労働形態（産業⇒情報⇒知識）
・科学技術（ＩＴ：時間と距離の圧縮）
問題の構成要素を洗い出す，前後関係を明らかにして，循環サイクルをつくる
もし○○したら，××という結果になる
過去でなく未来を考える
問題でなく機会に焦点があたる
他の横並びでなく，独自性がある
手堅いものでなく，改革をもたらす