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2020 年度 実施状況報告書

地域農業を支えるCPSの実証研究:高精度収穫量予測手法の確立

研究課題

研究課題/領域番号 19K11986
研究機関沼津工業高等専門学校

研究代表者

山崎 悟史  沼津工業高等専門学校, 制御情報工学科, 准教授 (80635889)

研究分担者 切岩 祥和  静岡大学, 農学部, 教授 (50303540)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード農業CPS / LPWAネットワーク / 施設栽培果樹作物 / 収穫量予測 / ノンパラメトリック回帰 / 収穫モデル / 状態空間 / 機械学習
研究実績の概要

本研究では、Physical空間で得たセンシング情報をCyber空間で解析し、それを次アクションへフィードバックする農業CPS(Cyber-Physical System)の実現を目標としている。データの統計的解析に基づいて環境にロバストな果樹栽培作物の収穫モデルを創出するためには、物理空間の情報(データ)を容易かつ確実に取得できる手段であるIoTネットワークの構築が必須である。本研究では、農業CPSにおけるデ―タ解析精度やセンサノードのライフタイム向上を主目的として、LPWA(Low Power Wide Area)規格に着目した。本年度では、(1)まず昨年度構築したLPWA(Sigfox)ネットワークのエネルギー消費の解析を行い、センサ端末のバッテリー寿命を推定可能とする手法を確立した。(2)その過程で、将来的に稠密なIoT環境が想定されることに着目し、LPWAやWiFiなどをIoTネットワークとして用いた場合のスループット改善に資する手法を提案し、理論解析や数値実験を用いて有効性の確認に成功した。(3)さらに、果樹栽培作物の収穫に関するこれまで蓄積してきた情報(構築したIoTネットワークから自動で取得した環境・施設データと、就農者によって手動で蓄積した収穫量データ)を用いて収穫量予測手法の検討を進めた。具体的には、先に提案してきた差分ノンパラメトリック回帰を用いた手法に基づく予測精度に関する基礎性能を取得できた。
これらの成果は、学術論文誌や国際会議発表を通じて学術分野にて発表され、新聞報道等を通じて地域社会に公開された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度の推進方策にて記載した通り、構築した農業IoTネットワークのエネルギー消費性能を明らかにし、センサ端末のバッテリー寿命を実験的に推定可能とする手法を提案し、有効性を示した。その過程で、将来の稠密なIoT環境を想定したスループット改善手法を提案し理論解析や数値実験によって有効性を示した。さらに、申請書に記載した通り、先に提案した差分ノンパラメトリック回帰手法を用いてデータ解析の基礎検討を行い、収穫量推定法の拡張によって収穫量予測自体の実現可能性の感触が得られた。
以上の結果から、総合的におおむね順調に進展していると判断する。

今後の研究の推進方策

これまで先に提案してきた差分ノンパラメトリック回帰に基づいて取得した予測精度に関する詳細な評価を行い、結果の統計学・農学的な解釈を進めたい。その際、ノンパラメトリック回帰としてGAM(Generalized Additive Model)以外を用いたときの性能も評価する。さらに、状態空間モデルに基づく時系列データ解析手法の構築を検討し、それと回帰分析との性能差、特徴差異を明らかにし、収穫量モデルを確立していく。

次年度使用額が生じた理由

2019.3頃から感染拡大した新型コロナウィルスの影響で,申請時に発表参加予定していた学会,研究会等が全て中止となったため,その分の旅費等が残る形となった.次年度以降も学会発表に関してはこのような状況が続くと思われるため,論文投稿や実験設備に伴う経費や情報収集費等に充てる.

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Throughput Maximization Based on Optimized Frame-Aggregation Levels for IEEE802.11 WLANs2021

    • 著者名/発表者名
      K.Suzuki, S.Yamazaki
    • 雑誌名

      IEEE Communications Letters

      巻: 25 ページ: 1725,1728

    • DOI

      10.1109/LCOMM.2021.305

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 進展するディジタル無線通信技術 -マルチアンテナシステムの概要と動向-2021

    • 著者名/発表者名
      森岡和行,平野拓一,山崎悟史,武田茂樹
    • 雑誌名

      電気学会論文誌C

      巻: 141 ページ: 111,122

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.141.111

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Throughput Analysis of Dynamic Multi-Hop Shortcut Communications for a Simple Model2021

    • 著者名/発表者名
      S.Yamazaki, R.Asakura, K.Ohuchi
    • 雑誌名

      IEICE Transaction on Fundamentals

      巻: E103-A ページ: 951,954

    • DOI

      10.1587/transfun.2019EAL2147

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energy-Efficiency Comparison of Ad-Hoc Routings in a Shadowing Environment for Smart IoT2021

    • 著者名/発表者名
      Y.Kuwahara, N.Aihara, S.Yamazaki, K.Ohuchi, H.Mizuno
    • 雑誌名

      Proc. of the 35th International Conference on Information Networking (ICOIN 2021)

      巻: proceeding ページ: 801,804

    • DOI

      10.1109/ICOIN50884.2021.9333990

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Simple and Energy-Efficient Flooding Scheme for Wireless Routing2020

    • 著者名/発表者名
      S.Yamazaki, Y.Abiko, H.Mizuno
    • 雑誌名

      International Journal of Wireless Communications and Mobile Computing

      巻: Article ID 8832602 ページ: 1,9

    • DOI

      10.1155/2020/8832602

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Autonomous Decentralized Frequency Resource Allocation using ACK Signal in LoRaWAN2020

    • 著者名/発表者名
      K. Suzuki, N. Aihara, K. Adachi, S. Yamazaki
    • 雑誌名

      Proc. of the 23rd International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC2020)

      巻: proceeding ページ: 1,6

    • DOI

      10.1109/WPMC50192.2020

    • 査読あり
  • [学会発表] WLAN理論スループットを最大化するフレーム集約法における多変数化の効果2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木康介,山崎悟史
    • 学会等名
      2021年度電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] 各種パラメータが802.11acフレーム集約数と理論スループットに与える影響2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木康介,山崎悟史
    • 学会等名
      2020年度電子情報通信学会ソサエティ大会
  • [学会発表] 最適なフレーム集約数に基づく802.11WLANスループットの最大化2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木康介,山崎悟史
    • 学会等名
      電子情報通信学会技術報告 RCS2020-61
  • [学会発表] LoRaWANにおけるACK信号を用いた自律分散的な周波数リソース割当て手法の検討2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木康介,山崎悟史
    • 学会等名
      電子情報通信学会無線通信技術報告 RCS2020-54
  • [備考] 沼津工業高等専門学校制御情報工学科山崎研究室webサイト

    • URL

      https://user.numazu-ct.ac.jp/~s-yamazaki/

  • [備考] 一般財団法人AOIフォーラムwebサイトにおける本校山崎研究室の研究紹介

    • URL

      https://aoi-forum.jp/members/5558/

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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