5G/6GとAR/VRによる社会インフラ向けDXソリューションの研究開発

1.　はじめに

高速大容量，高信頼低遅延，同時多接続の特長を持つ5G（Fifth Generation）の商用サービスが2019年4月に米韓で，2020年3月に日本で開始された。ドイツや日本を中心に，自営利用可能なローカル5Gも登場した。いずれも4G［Fourth Generation（LTE：Long Term Evolution）］をアンカーバンドとした高速大容量に寄与するNSA（Non-stand Alone）型5Gが主流である。今後1～2年以内には5G専用コア網の導入も始まり，基地局からコア網まですべてを5G化するSA（Stand Alone）型5Gの商用サービス登場も見込まれる。SA型5Gでは，5Gの真価である高信頼低遅延，同時多接続の利用が可能となり，容量，遅延，接続数の各性能が4G比で一桁向上する。さらなる性能向上や省電力化などをめざす次世代移動通信規格6G（Sixth Generation）の議論も各国で始まっている。加えて，GPU（Graphics Processing Unit）やFPGA（Field Programmable Gate Array），AI（Artificial Intelligence）半導体といったエッジデバイスを活用し，演算処理をクラウドから基地局や集約局，コア網内にオフロードして低遅延実行するMEC（Multi-access Edge Computing），ネットワークを論理分割し用途に応じた通信品質を保証するネットワークスライシングの利用も可能になり，さまざまな産業でのDX（Digital Transformation）を加速すると期待されている。

日立では，5GとLumadaを組み合わせ，社会インフラ分野における顧客ニーズに沿ったDXソリューションを提供するためのエッジコンピューティング運用技術やAR（Augmented Reality），VR（Virtual Reality）技術の研究開発に取り組んでいる。これらのDXソリューションの仮説検証を進める場として，北米の日立アメリカ社（Hitachi America, Ltd.）と日立製作所中央研究所の「協創の森」に5G実証環境も整備した。

2.　エッジコンピューティング運用技術

5G/6Gとエッジデバイスの進化は，従来ではコストと性能の両面から難しかった協調型の自律分散処理によるエッジコンピューティングでDXソリューション実現への道を開く。インダストリー分野の例として，製造工場であれば，個々の現場機器が多数のカメラやセンサーで現場状況をリアルタイムに把握し，周囲と情報共有しつつ自律的にリアルタイムフィードバック制御をかけ，工場全体で生産性向上を実現する世界をめざすことが可能になる。製造工場にとどまらず，エンドユーザーの発注から，製造，物流，サービス運用までバリューチェーン全体での最適化へも拡張が期待される。さらには，モビリティ分野のスマート化，エネルギー分野の効率化，最終的には都市全体の最適化といった社会インフラ全体におけるDXソリューションの実現をめざし，日立は，フレームワークとなる三つの要素技術から成るエッジコンピューティング運用技術を開発し，検証を進めている（図1参照）^1）。

図1｜エッジコンピューティング運用技術の活用イメージ 5Gを活用したデジタルソリューションを現場に迅速に導入し，安定的に運用できる高信頼なエッジコンピューティング運用技術の開発・検証を推進しており，インダストリー，モビリティ，エネルギーなどの社会インフラ分野への適用を進める。

2.1　三つの要素技術

目的とするソリューションの要件に応じた通信環境の提供，そのうえで必要なアプリケーション機能の最適配備とリアルタイム処理の実行が，5G/6Gで共通的に利用可能な本フレームワークの要素技術となる。

1. 5G通信環境の迅速提供技術
   機器制御や映像監視などのソリューションごとに求められる通信品質は異なり，現場にはこれらの複数の通信が混在する。本技術では，現場の通信環境に応じて各ソリューションの通信品質を保証する最適な通信方式を選択提供する。通信事業者が提供する5Gと自営のローカル5Gで対処方法は異なるが，例えば，より高信頼な通信が必要であればパケットや通信路の多重化と最速到達パケットの選択取り込みなどの組み合わせにより，5Gインフラが提供する以上の確実かつ低遅延な通信を実現する。
2. 最適機能配備技術
   アプリケーションの性能要件を満たすためには，通信遅延を削減できる現場（エッジ）での処理と大量の演算を行えるクラウドでの処理を最適に組み合わせる必要があるが，その設計や配置には多大な工数を必要とする。特に，現場ではスペースや電力，レイアウトなどから生じるコンピューティングやネットワークの制約があり，配置設計は複雑である。本技術では，これらの制約を把握し，現場のシステム環境に応じた最適な機能の配備と追加を容易にし，柔軟なシステム運用を可能にする。エッジに配備する機能の例としては次項の推論モデルなどが挙げられる。
3. リアルタイムエッジAI技術
   現場のエッジデバイスにはコンピューティング性能の制約があり，画像認識などの高負荷なAI処理のリアルタイムでの実行が困難である。本技術では，エッジデバイスで動かすDeep Neural Network（DNN：推論モデル）の認識精度を維持しつつ，不要な計算部分を削減するための学習を効率的に行うアルゴリズムにより，推論モデルを自動的に軽量・圧縮生成する^2）。こうして，制約のあるエッジデバイスで高負荷なAI処理のリアルタイム実行を可能にする。例えば，作業員の行動追従の認識には10 fps（Frames per Second）の精度が必要であり，汎用サーバであれば100 Wの電力消費となるが，本技術を適用することで消費電力5 Wの組み込みデバイスで実行可能になる。

2.2　エッジコンピューティング運用技術の適用事例

製造ラインの機能変更が頻繁に発生する多品種少量生産の製造現場を模擬し，これら三つの要素技術を組み合わせ，映像による組み立て作業支援ソリューション（AR組み立てナビ）を検証した。その結果，機器制御や映像監視など複数系統の無線通信が混在する環境でも，システムの運用に必要な高信頼（パケット誤り率0.0001％），低遅延（遅延時間50ミリ秒以下）の高品質な通信環境を構築できることを確認した。さらに，従来，人手で1時間以上かかっていたアプリケーションの配備を，専門的な知識がなくとも1分以内で自動的に実施できることを確認した。本技術の応用により，長時間の生産ライン停止を伴うことなく製造ラインの機能変更が可能になり，現場の生産性向上への寄与が期待できる。

3.　5GとAR/VR技術を活用した遠隔作業支援ソリューション

市場では労働人口の減少，熟練者の不足といった課題があり，生産性向上や熟練者の効率的な活用が求められている。日立では社会課題の解決，新たな価値提供に向け，現場と遠隔地をつなぐ遠隔作業支援ソリューションを開発している。本章では日立が考える遠隔作業支援システムの全体像と，日立独自のARスマートグラスを紹介する。

3.1　遠隔作業支援システムの全体像

3.2　日立のARスマートグラス

4.　5G実証環境の整備と今後の展開

4.1　日立の5G実証環境

図5｜協創の森のローカル5G実証環境 日立製作所中央研究所構内の2か所にプライベートLTEをアンカーバンドとしたNSA型の商用局免許でのローカル5G環境を構築し，2020年10月に開設した。今後，Stand Alone型のローカル5G環境にも対応させ，顧客協創の下，5G活用のDX（Digital Transformation）ソリューションの開発と仮説検証を進める。

4.2　今後の展開

今後，2020年12月に法制化された4.7 GHz帯のSub6無線にも対応するSA型のローカル5G環境の構築を予定している。本環境を用い，次のステップとして現場業務の自動化や遠隔化のソリューション実現に必要なリアルタイム制御，ローカル5G環境とパブリック5G環境とのシームレス連携などの研究開発を進める計画である。

5.　おわりに

日立は，AIやビッグデータ解析などのIT，社会インフラを運用・制御するOT（Operational Technology），幅広いプロダクトを一社で保有する強みを生かし，コト売りを志向する先進顧客との協創を通じて，Lumadaにその知見をユースケースとして蓄積している。

今後は，このLumadaと5G/6Gを掛け合わせ，エッジコンピューティング運用技術とAR/VR技術をさらに深化させるとともに，インダストリー分野の生産性向上，モビリティ分野のスマート化，エネルギー分野の効率化をはじめ，これらの垣根を越えた総合的な社会インフラ分野におけるDXソリューションの実現をめざす所存である。