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情報系と物理系の 融合のカギを握る制御理論 - NII Interview (77-2)

新しい技術が社会で役立つためには、それが安全に使えることが必要だ。ロボットや自動運転など 人と親和性の高い技術の場合は、さらに「安心」であることも重要な要素となる。蓮尾メタ数理 システムデザインプロジェクトのグループ1「ヘテロジニアス形式手法グループ」において、システ ム工学の立場から従来の制御理論を拡張し、機械学習や最適化問題などを取りこんだ理論の構 築をめざす大阪大学大学院基礎工学研究科の潮俊光教授に、プロジェクトにおける役割を聞いた。

安全で安心な超スマート社会の実現に向けて

ushio77-2.jpg潮 俊光 Toshimitsu Ushio

大阪大学大学院基礎工学研究科 教授 / JST ERATO 蓮尾メタ数理システムデザインプロジェクト 大阪大学サイト リーダー

1985年神戸大学博士課程修了。現在、大阪大学大学院基礎工学研究科教授。制御系の非線形現象解析で博士号を取得後、離散事象・ハイブリッドシステムの制御の研究に従事し、最近は、形式的制御系設計、強化学習に関心をもつ。

情報系と物理系の融合をめざして

 ヘテロジニアスの"ヘテロ"は"ホモ(同じ、よく似た)"に対応する言葉で、"異質な"という意味だ。つまり、ヘテロジニアスとは異質なものから構成されることを示す。

 近年コンピュータ制御の役割が飛躍的に増すなか、新たに開発される工業的な一連のシステムを安全に運営するためには、コンピュータのソフトウエア部分(情報系)と、実際に動作する機械部分(物理系)の両方に対応した品質保証や制御法などが必要とされている。当プロジェクト全体で工業製品への応用までを視野に入れるなか、ヘテロジニアス形式手法グループ(G1)は、両者を統合するための理論整備を担当する。

 情報系と物理系という二つの系の統合にあたっては、情報系を基盤にして物理系へ向けての拡張と、物理系を基盤にして情報系へという二つの方向性が考えられる。同グループにおいて、情報系の専門家である蓮尾一郎准教授らは、ソフトウエアの品質保証として発展してきた情報系の「形式手法」を工業製品開発へ応用する方向で進める。一方、システム工学の専門家である潮教授たちは、逆方向からのアプローチになるという。

 潮教授の専門であるシステム工学に欠かせないのが、物理的なモノの動きを制御する制御工学であり、その基本を支えるのが「制御理論」である。従来の古典的な制御理論が扱ってきたのは、連続変数で定量的に表される物理システムだが、これにコンピュータに代表されるような離散変数で定性的に表されるシステムを融合させたものを「ハイブリッドシステム」と呼ぶ。潮教授は、ここに制御理論の応用を試みている。

 例えば「ロボットに物を運ばせる」システムを開発するときに、「運ぶ」という作業工程の段取りは情報科学の定性的なロジックによって記述できるが、「どの道筋で運べば最小のエネルギーで済むか」という問題は制御理論の定量的な手法で解く。「異なる手法をうまく組み合わせて」安全なシステム作りをめざすという。

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科学技術と社会との橋渡し役

 とりわけ、科学技術の社会実装において、システム工学・制御理論が重要な役割を果たすと潮教授は語る。時代の最先端の技術をどうしたらうまく使えるか、その方法を提供してきたのがシステム工学・制御理論だからだ。「ワットが発明した蒸気機関によって産業革命が進展したことは知られていても、同じく彼が作った"ガバナー"が知られていないのは残念です」。蒸気機関は安定した出力が得られなければ使いものにならないが、それを可能にしたのがガバナーという調節装置。遠心力の仕組みをうまく使った遠心振り子でできており、出力が大きくなると遠心力でバルブが閉まり、小さくなるとバルブが緩む仕組みだ。安定に蒸気機関が稼働するかどうかは、遠心振り子の開き方とバルブの閉まり方の調整具合による。この関係を理論化したのが制御理論の始まりだという。以後19世紀では、機械や装置をいかに安定して動かせるかを追究し、産業発展に大いに貢献した。

 京都賞、米国国家科学賞などを受賞したルドルフ・カルマンが提案した"カルマンフィルター"は、20世紀後半のNASA(アメリカ航空宇宙局)のアポロ計画で採用された。月面のロケットから地球に送られてくる信号に含まれるノイズは桁違いに多く、それまでの除去システムでは対応できなかったという。カルマンフィルターがアポロ計画の成功に大きく貢献し、ここでもシステム工学が重要な役割を果たした。現在では、あらゆる分野でカルマンフィルターが使われている。

 21世紀になった今日、IoT(モノのインターネット)が発達し、超スマート社会の到来もすぐそこだ。今後のシステム工学・制御理論の展開こそがそのカギを握ると潮教授。「最先端の技術をいかに安全に安心に実用化できるか。それが我々のこれからの使命だと思います。今回のプロジェクトの中から一つの答えが出てくればうれしいですね」

人と協働するロボットへの応用

 今回の研究は、人と親和性の高いロボットの開発にも有効だ。例えば自動運転の場合、「安全な運転と安心な運転は違う」と潮教授は言う。「ハイスピードで暴走する自動運転車の助手席に座らされて、『絶対に安全です』と言われても、安心できないですよね」

 自動運転においては安全なシステムを作るだけでは十分ではなく、その人らしいやり方で運転するような、使う人にとって安心感のあるシステムが必要となる。

 目標とする動作に沿ってきちんと車を動かすことは、古典的な制御理論が担ってきた。一方、人間にとって好ましい動作をどのように設定すべきかについては、データに基づく機械学習のテクニックが有望だ。安全で安心なシステムの実現には、形式手法と機械学習との融合がキーポイントである。

 介護ロボットなど人と協働するロボットは、人の気持ちに沿った対応が求められるが、グローバル化を視野に入れれば、人の感じ方ややり方の個人差だけでなく、民族や文化のレベルでの差を考えることも重要だ。「日本で暮らす外国人たちにとって安心なロボットの開発にも役立てられる」と潮教授は考える。

メタ(高次)の視点を持つ工学

 システム工学はさまざまな物理現象を対象とするが、その現象を扱う最適な数学の手法も、またさまざまだ。潮教授は、その都度必要な数学をすべて学んできたという。数多くの現象を手がけてきたなかで見えてくるものは何か。「まさにメタですね。多くの現象に共通の枠組み、原理を見ようとする、そういう意味でシステム工学はメタを扱う学問とも言えるのです。数学は本来メタ的なことをやろうとしており、システム工学はその数学を基本において、ものを設計しようとしています」。抽象度のレベルは違っても、二つの学問は同じものを志向しているようだ。

 この研究領域には世界的に注目が集まっているが、メタの視点から取り組むのが本プロジェクトの特徴だ。「基礎理論が実際に応用されるのは10年、20年先のこと。ソフトウエアだけでなく工業製品の設計までを見据えて、理論基盤を整備するこのプロジェクトの意義は極めて大きい」と潮教授。次世代に貢献する成果を期待したい。

(取材・文=平塚裕子 写真=佐藤祐介)

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第77号/2017年9月発行

形式手法をものづくりへ
ERATO「蓮尾メタ数理システムデザインプロジェクト」

・抽象数学で工業製品の設計支援
・情報系と物理系の融合のカギを握る制御理論
・「形式手法」を複雑化するものづくりの現場に活かす
・プロジェクト解説

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