調査研究概要

１.　調査研究の目的

21世紀における高度情報システムは、簡易な操作性をはじめ新しい知的情報処理を可能とする「柔らかな機械システム」（マンマシンインタフェース）の利用条件が必須となっている。
わが国では、平成４年度よりリアルワールドコンピューティング（RWC）研究開発が国家プロジェクトとして進められ、柔らかな情報処理のための研究開発が行われている。そのなかで情報統合技術と超並列超分散処理技術は、「柔らかな機械システム」の開発に不可欠であり、それに伴いその適用分野の探索、海外における開発状況等を調査研究することが重要課題になっている。

そこで本調査研究では、このような「柔らかな機械システム」の構築に向け、人間の感性である五感を取り扱う情報統合技術の適応可能性の検討を行う。また、その普及・発展に必須となる情報処理基盤としての超並列超分散処理システム上のプログラミング環境等について検討を行い、もって本システムの開発を促進し、今後のわが国機械工業の振興に寄与することを目的としている。

２.　調査研究の範囲及び実施体制　

２.１　調査研究の範囲

本調査研究の範囲である「柔らかな機械システム」のための情報統合技術及び超並列超分散技術について以下の項目により行う。

２.１.１　柔らかな機械システムのための情報統合技術に関する調査研究

国家プロジェクトで推進している RWC 研究は、実世界に存在する多種多様な情報、すなわち漠然とした、あるいは不完全な情報を対象にして妥当な判断や問題解決を行う新しい情報処理体系「新情報処理」を構築することとして進められている。

一方、機械システムを人間とのインタフェースでみると、従来はあらかじめ定められた例外のない完全な規則に従って機械システムを使用することを人間が強いられている。したがって、このような不規則性の事象への対応化を図ることが重要課題となっている。
上記背景を踏まえて「柔らかな機械システム」とは、「従来とは逆に、機械システムの方が人間の住む環境に自律的に適応すること」と捉え直すと、技術課題は機械システムを人間の住む自然な環境になじませるためのマンマシンインタフェースを実現することと考えられる。このような手段として上記「新情報処理」技術に大きな可能性が期待できる。
このような観点から、「新情報処理」技術の機械システムへの適応性に関して、次の２点を中心に調査検討した。　

（１）昨年度は、「柔らかな機械システム」応用に指向して、視覚，聴覚，触覚，言語，記憶等ヒューマンメディアを統合する情報統合技術の機能（例えば、声・表情・身振りを同時に認識し、これにより機械システムと対話することを可能にする情報統合技術）および要素技術（音声認識・判断技術、動作や手作業の解析技術など）について、内外の研究動向を調査した。
本年度は、これらの調査をもとに、個々の要素技術について、具体的な適用方法とそのための環境整備について問題点を明らかにする。

（２）昨年度は、「柔らかな機械システム」応用システム（例えば、見よう見まねで仕事を覚え、人間と一緒に仕事・作業ができるロボットや、徐々に賢くなり人間の意図を推量して会話を自動編集するシステム）について、関連分野の最新技術動向（電子秘書など）を調査した。
本年度は、応用システムの完成イメージを明確にすると共に、完成システムを実現するための個々のシナリオを描き、このシナリオを開発側に示しうる程度に明確にする。
特に、開発のためのマイルストーン的な項目を具体的に示す。このことにより、応用システム開発面の行動指針が得られる。

２.１.２　柔らかな機械システムのための超並列・超分散処理シス技術に関する調査研究

２.１.１に述べた「柔らかな機械システム」は多くの場合、膨大な計算量を伴うものと予測される。従って、このニーズに応えるための情報処理基盤として超並列超分散処理技術が想定される。

このような超並列超分散処理技術を基盤とする機械システムを構築し普及させるにあたっては、プログラミング言語、プログラムライブラリ及び開発環境等、プログラミング環境が重要な課題になってくる。

一方、国家プロジェクトで推進している RWC 研究では上記「新情報処理」に指向した情報処理基盤として、超並列計算機及び超並列分散オブジェクト指向言語 MPC++ 等のプログラミング環境の研究開発が進められている状況にある。
上記背景を踏まえ、次の２点を中心に調査・検討を行う。なお、平成７年度は最新技術動向を把握するため、米国へ技術者を派遣して調査を行うと共に、欧米より関連する研究・開発者、学識経験者を招聘して討論を行った。平成８年度は、欧州へ技術者を派遣して調査を行い、成果に反映する。

（１）「柔らかな機械システム」のための情報処理基盤要件の検討

昨年度は、より多くの機械システムを人間社会に適用させるためには、計算機システムにどのような機能・性能が必要か、さらに開発研究中の超並列超分散計算機システムに必要な機能は何かについて検討を行い要件を整理した。
本年度は、さらに、欧州における研究動向を調査し、開発研究中の超並列超分散計算機システムにおける将来の必要な機能について検討を深める。

（２）「柔らかな機械システム」への適応性の検討

　昨年度は、「新情報処理」に指向した超並列計算機及び並列分散オブジェクト指向言語等のプログラミング環境がどのような機械システム（応用システム）に適用しうるかについて検討を行った。
　本年度は、さらに、欧州における研究動向を調査し、「柔らかな機械システム」応用に指向した MPC++ 言語拡張仕様及び応用面の発掘を行う。

２.２　調査研究の実施体制

本調査研究の実施に当たっては、技術研究組合　新情報処理開発機構内に「柔らかな機械システム調査研究委員会」を設置し、その下に「情報統合技術専門委員会」及び「超並列・超分散処理システム技術専門委員会」を設置した。調査研究委員会の指導の基に各専門委員会により、具体的な調査研究活動を行い、その成果を本報告書としてとりまとめた。委員会のメンバーは、以下に示すとおりである。

（１）柔らかな機械システム調査研究委員会

委員長	杉江　 昇	名城大学 理工学部電気電子工学科 教授
委員	米澤　明憲	東京大学 大学院理学系研究科情報科学専攻 教授
	平木　　敬	東京大学 大学院理学系研究科情報科学専攻 教授
	中島　秀之	電子技術総合研究所 通信知能研究室 室長
事務局	加藤　泰宏	技術研究組合 新情報処理開発機構 国際部部長代理
	浪越　徳子	技術研究組合 新情報処理開発機構 国際部調査課主任

（２）情報統合技術専門委員会委員

委員長	中島　秀之	電子技術総合研究所 通信知能研究室 室長
委員	麻生　英樹	電子技術総合研究所 情報科学部情報数理研究室
	伊庭　幸人	統計数理研究所予測制御研究系
事務局	加藤　泰宏	技術研究組合 新情報処理開発機構 国際部部長代理
	浪越　徳子	技術研究組合 新情報処理開発機構 国際部調査課主任

（３）超並列・超分散処理システム技術専門委員会委員

委員長	平木　　敬	東京大学　大学院理学系研究科情報科学専攻　教授
委員	米澤　明憲	東京大学 大学院理学系研究科情報科学専攻 教授
	松岡　　聡	東京大学　大学院工学系研究科計数工学専攻　講師
	藤田　正幸	⑭三菱総合研究所経営システム開発センター情報技術開発部情報基盤システム室 室長
事務局	加藤　泰宏	技術研究組合 新情報処理開発機構 国際部部長代理
	浪越　徳子	技術研究組合 新情報処理開発機構 国際部調査課主任

３.　調査研究成果の要約

３.１　柔らかな機械システムのための情報統合技術に関する調査研究

３.１.１　機能及び要素技術

情報統合における個々の要素技術はその共通技術としてのシステムアーキテクチャを明確にすることによってその適用環境の整備が図られる。そこで、まず、「情報統合のためのシステムアーキテクチャ」を明確にした。

（１） 情報統合のためのシステムアーキテクチャ

「複雑な処理の全体を従来のモダリティ別の垂直的な分割を越えて、いかに分割し統治するか」、この問題こそが情報統合の中心課題であり、この問題に、できるだけ一般的な形で答えようとするのが、情報統合のためのシステムアーキテクチャの研究である。
本節では、情報統合に適したシステムアーキテクチャのモデルについて、以下の項目の調査研究を行った。

・サブサンプションアーキテクチャ
・マルチエージェントアーキテクチャ
・制約指向のアプローチ
・状況指向のアプローチ
・学習・進化指向のアプローチ
・ハードウェアアーキテクチャ

１サブサンプションアーキテクチャ

Brooks によって提唱され、その昆虫型ロボットの鮮やかな動きとともに有名になった「サブサンプションアーキテクチャ(Subsumption Architecture)」[Brooks 86]について、考察した。このアーキテクチャは、一義的には情報統合の中でも、システムの内部と外部の統合による即応的システムを可能にするためのアーキテクチャモデルであるが、さらに広くマルチモーダル統合や記号とパタンの統合をもその射程に含むものである。

２マルチエージェントアーキテクチャ

サブサンプションアーキテクチャとマルチエージェントアーキテクチャを情報の流れの制御面から比較、検討を行った。

３制約指向のアプローチ

「制約指向」のプログラミングパラダイムは、「複雑な情報の流れ方」を実現するための最もラジカルな路線であり、この制約指向のアプローチについて、調査を行った。

４状況指向のアプローチ

システムが直面する状況を分類し、それぞれの状況毎に対処モジュールを構築するという形でのモジュール化をめざすのが、状況指向のプログラミングであり、この状況指向のアプローチについて、調査を行った。

５学習・進化指向のアプローチ

メタな設計アルゴリズムをシステムに持たせて、システムの設計自体をシステムに行わせることも考えられる。これは、一般には「学習・進化」と呼ばれる手法であり、このアプローチ方法について、調査を行った。

６ハードウェアアーキテクチャ

上記１～５は、おおむねソフトウェアによって実現されるアーキテクチャであったが、より高度な情報統合の実現のためには、ハードウェア、OS レベルにおいても新しいアーキテクチャが必要であり、本アーキテクチャの必要性ついて、調査を行った。

（２） 柔らかな情報処理と統計学

　・柔らかな情報処理と統計学の考え方
　　統計学的な考え方が次世代の情報処理のためにどのような役割を果たしうるかを整理した。
　・情報統合と統計学
　　``情報統合''に対して統計的な技法がどう使えるかを論じた。
　・統計的情報処理の新しい応用分野
　　統計学的な考え方が役立つ分野として有望なものにどのようなものがあるかを調査・研究した。

２.１）柔らかな情報処理と統計学の考え方

基本的な前提として、高度な情報処理を実現するためには、断片的な知識を集積するだけでは不十分である、ということがある。かりにいままで起こったことのすべてを記憶しているとしても、新しく起こることは必ず過去の経験とどこか違っている。従って、過去の経験した状況のどの部分に着目してどの部分を切り出したらよいか、過去の経験のうち何が雑音であって何が実体であるか、ということは経験だけから知ることはできず、何か内的な規則・構造のようなものが必要とされることになる。もちろん、このような内的な規則もまた経験によって修正・獲得することができるが、そのためにはまたより上位の規則が必要になる。

このような階層的な構造をうまく表現するには、統計モデルによる方法(確率ベースの考え方)が有効である。統計モデルにおける確率構造は、単に個々の事象の確からしさを表わすものというより、推論において考慮される事象の範囲を明示的に表現するものとして考えるべきである。一般に、言語を共有することは世界の範囲とその可能性についての思考を共有することにほかならず、世界のモデルを作るとは、世界の範囲とその可能性の全体を定めることにほかならない。そして、``いま考慮されている可能性の全体''を表現するもっとも手近な数学的手段が確率構造なのである。

２.２）情報統合と統計学

ここでは、`情報統合''の目的からみて統計的な技法がどう使えるかということを2つの側面(``自己組織化''、``糊'')にわけて考察した。また、その問題点についても論じた。


２.３）統計的情報処理の新しい応用分野

ここでは、広い意味での柔らかな機械・柔らかな情報処理の分野で統計学の考え方がどう役立つかを検討した。
具体的には、

・ 遺伝子情報処理
・ タンパク質の設計
・ 神経生理学データの解析

について述べた。生物関係が主となったが、もちろん生物関係以外でも興味あるテーマはある。

たとえば、
・ 大規模数値計算への統計学的アプローチ
・ 計算機ハードウエアの誤りの検出
などがある。

（３） 複雑性の指標

計算機がネットワークにより世界規模でつながっているときに，情報処理というのは従来の１台１台の計算機が独立に仕事をしていた環境とは違う．このように全体的な意味での計算・情報統合を考える上で、複雑性というのは切り離せない概念である．例えばＡＩというのはいろいろな定義があって「知能」というのがキーワードになっているが，結局は複雑系の情報処理を行っている．あるいは，複雑系の情報処理ということができない限り，知能にはならない．従って、ここでは以下の複雑性の指標について、調査した。

・創発の尺度
・状況に厚いシステム
・オートポイエシス
・有機的プログラミング

３.１.２　 柔らかな機械システムの研究開発へのシナリオ

人間が発する情報には、音声、動作、がある。音声、動作は本来は、波形や動画像で捉えられるので、それらはパターン情報である。このパターン情報は記号情報に変換すると、その伝達方法や記憶計算機による操作に対して、利便性を与えることができる。また、パターン情報と記号情報を合わせて、マルチモーダル情報ということができる。人間と計算機との対話は以上のことから、マルチモーダルによって行なわれるのがもっとも人間にとって自然なものである。このマルチモーダルの対話システムについては、以下の３つのものがこれからの社会において重要であると考えられ、その開発について調査・研究することは極めて、時期を得てるということができる。また、これらの研究開発は、今後５年以内において実現可能なものであり、応用システムの完成イメージとしては、

　・マルチモーダル統合対話 PCネットシステム
　・ マルチモーダル統合要約・検索支援システム
　・ モーバイル・コンピューティング・システム

があり、それらの研究開発のためのシナリオを作成した（図１参照）。

（１）マルチモーダル統合対話 PCネットシステム

マルチモーダル統合対話 システムは、現在の PC の発展を想定すると、PC のネットワークシステムにおいて実現されるべきである。そこでは、音声やジェスチャおよびデータベースとの情報統合と、対象モデルの学習により、人間の知的創造支援を行なうPC ネットワークシステム実現するものである。また、この技術は、人間とPC ネットワークを Seamless につなぐ、次世代のパーソナル・コンピュータ・ネットのプロトタイプとなるものである。
ここで開発されるシステムの主たる機能は、
1 同時複数ユーザによる音声とジェスチャによるPC を含むコンピュータ操作と入力 と集団討議の合意支援 、知的創造支援
2 顔画像の認識によるエージェント応答
3タスク記述
4合意状況決定のための1～3統合方式、合意状況結果の Computer Graphics、合成音 声出力となっている。

（２） マルチモーダル統合要約・検索支援システム

「マルチモーダル統合要約・検索支援システム」とは、音声、画像、テキストの相互対応と自己組織化により、Internet 上のデータベースのユーザの要求に合致する情報の要約・検索を行うシステムである。この技術は、今後の社会的な広がりとインパクトが大きい応用分野がもっとも期待されるものである。
ここで開発されるシステムの主たる機能は、
1 音声データの検索
2 音声要約・話題要約
3 テキストの自己組織化とその検索
4マルチモーダルデータの自己組織化と検索
となっている。

（３） モーバイル・コンピューティング・システム

画像や赤外線、接触センサーとCPUをもつ移動システムを用いて、その人間に対する補助・支援（受け付け案内、情報探索、手伝い、など）機能を実現する。移動能力をもつ計算機が人間に与える有用さに新しい計算機の利用方法がある。この有用さは、物理的な移動に対応する多地点に分散した計算機システムによっても、その機能が実現される。
ここで開発されるシステムの主たる機能は、
1 動画像による地図学習とそれに基づく位置同定および障害物回避
2 顔、音声、音響、接触センサーなどを通じての人との対話、環境状況の入力
3センサー入力、移動コマンド、音声応答における情報統合となっている。

３.２　柔らかな機械システムのための超並列・超分散処理システム技術に関する調査研究

３.２.１　超並列・超分散処理技術のための情報処理基盤要件の検討

柔らかな機械システム応用を指向した並列言語の関連分野について調査を行うため、次に示す国内外の国際会議における関連技術動向の調査を行った。
（１） Euro-Par '96における研究動向
（２） 情報統合・超並列ワークショップ
（１）は欧州・米国における超並列プログラミング環境の研究を中心とした会議であり、（２）は日本が国家プロジェクトとして推進しているリアルワールドコンピューティング(RWC)計画の成果発表としてのワークショップである。これらの会議の中で、超並列プログラミング環境研究における技術動向と、プログラミング環境に求められる要件を整理するとの観点から、このようなプログラミング環境を用いたアプリケーションについて調査した。

（１） Euro-Par '96における研究動向

Euro-Parは欧州における最大規模の超並列関連の国際会議である（表１、２参照）。今回のSubmissionは総数383で、40の国からの投稿があった。内、約300弱がヨーロッパからであり、アメリカから50件、日本からも10件あった。実際には約221件の発表があったことから、採択率は約58%程度である。

本会議は応用技術よりは、むしろ基盤技術的な面に重点がおかれている。理論面ではPRAM(Parallel Random Access Machine)、BSP(Bulk-Synchronous Parallel)などのモデルの研究が盛んで、それぞれ数件の発表があった。並列プログラミング言語及び並列ライブラリでは、Fortranを並列言語に拡張したHPFと、メッセージパッシングライブラリであるMPI、PVMに関する研究が主流となっており、今年度は特に開発環境の発表が目立った。またアーキテクチャ及び言語の両面で、仮想共有メモリ(分散メモリを共有メモリとして扱うソフトウェア技術)に関する発表も活発である。

Euro-Parにおける研究発表の動向を昨年度に比較すると、標準技術に基づく研究が増加したように感じられる(定量的には評価していないが)。この傾向の原因としては次のようなことが考えられるのではないか。つまり、(1)超並列計算機利用環境が欧州の研究者に行き渡りつつあること、(2)超並列技術自体がある程度確立され標準化されつつあること、などである。

情報統合・超並列ワークショップ(以降、RWCシンポジウムと略す)は、1992年度より国家プロジェクトとして推進されているリアルワールドコンピューティング(RWC)計画の成果発表との位置付けを持って開催されたシンポジウムである（表３参照）。

本シンポジウムでは、理論・新機能、超並列システム、光システムの3分野に分けて、約90件の研究発表がなされた（表４参照）。本シンポジウムの特徴はデモンストレーションの比率が高いことで、特に、本調査の調査対象である超並列システムに関してはデモンストレーションを中心とした発表が大半を占めていた。

３.２.２　超並列・超分散処理技術への適応性の検討

（１）欧州における関連技術動向調査

現在研究開発中の並列プログラミング言語仕様の探索及び、この並列言語を利用した柔らかな機械システムの応用面の発掘を行うため、欧州の最新技術動向の調査を行った。調査の方法は、欧州に於ける研究機関・研究者にヒアリングを行うことで実施した。
調査対象は、研究分野と研究レベルといった2つの観点から選定を行った。研究分野としては、

・科学技術計算
・社会科学
・プログラム開発環境
・EUにおける並列計算研究の動向

の4つを想定した。科学技術計算分野とは、計算機流体力学や分子動力学等の代表的スーパーコンピューティングアプリケーションを想定し、調査対象の選定には、特に計算機能力を重視した。この分野における調査項目は、従来ベクトルスーパーコンピュータ上に実装されていたアプリケーションをどのように並列実装しているのかなどを中心的な調査項目の対象とした。社会科学分野とは、計算量などの関係で計算機シミュレーションの対象となりにくかった分野、例えば、交通分野などを指している。この分野における調査項目は、問題のモデル化の方法とその並列実装などである。プログラミング言語/環境分野とは、文字通り並列プログラミング言語や並列プログラミング開発環境(コンパイラ、デバッガ、イベントトレーサなど)のことである。EUにおける並列計算研究の動向とは、EUが中心となり推進している研究プロジェクトに関して、超並列計算関連研究の現状と今後について調査することを目的としている。また、研究レベルを客観的に判定するのは困難であるが、特に科学技術計算分野の場合、その研究グループが利用する計算機資源がある程度客観的な指標を与えると考えられる。そこで、欧州の代表的な計算機サイトにおける利用可能な計算機資源のパワーを参考までに示す（表５参照）。この表は、NASA NPB 1 BT Size Aと呼ばれるベンチマークに基づき、Cray Y-MP1を1とした場合の比率で計算機能力を算定した結果を米国の研究者が集計したものである。

・スイス連邦工科大学(科学技術計算)
・ケルン大学(社会科学)
・KFA(プログラム開発環境)
・EU - HPCNプロジェクト(EUにおける並列計算研究の動向)

一例としてスイス連邦工科大学における研究活動を紹介する。スイス連邦工科大学(ETH)は、スイス唯一の国立大学で、アインシュタインが学び、教授を勤めたことで有名である。スイス連邦工科大学における超並列関連の研究は、次の3箇所で行なわれている。

・ETH(Eidgeno:ssische Technische Hochschule)
スイス連邦工科大学のチューリッヒにあるキャンパス。
・EPFL(Ecole polytechnique fdrale de Lausanne)
フランス国境に近いローザンヌにある別キャンパス。
・SCSC(Swiss Center for Scientific Computing)
ETHの附属機関で共同研究施設。イタリア国境に近いLugano-Mannoにある。

ETH(Zulich)は、4つのCRAY-J90(各10PE程度)、Intel Paragon、WS Clusterを持ち、EPFL(Lausanne)にはCRAY T3D(256PE)が設置されている。ETHの2つのキャンパスは34MB/sのネットワークで接続されている。SCSCの主な組織には、User SupportグループとScienceグループの2つの組織がある。User Supportグループは機器のメンテナンス及びユーザーサポートの担当で、Lugano-Mannoにある。ここには、最近導入されたSX-4(16PE)を始めSX-3(2PE)、Convex Examplar(16PE)などが設置されている。Scienceグループは化学、ファイナンス、数値解析、物理、素粒子物理などの小グループに分かれており、訪問先であるLuthi教授は化学部門の責任者である。Scienceグループの一部はZulichにある。ETHにおける具体的な研究事例として、次の研究について調査を行った。

・分散計算機環境による計算化学
・並列計算機による計算流体力学

ETHにおける研究の特徴は、ヘテロジニアスな分散計算機環境を最大限に活用した科学技術計算に取り組んでいる事である。ピーク性能を追求する研究では、単一の(並列)計算機を利用したものが多いが、従来のソフトウェア資源を有効に利用することを考えると、単一の計算機による計算は必ずしもトータルのパフォーマンスに有利ではない。また、ベクトル計算機に向いた計算や、反対に超並列計算機に向いた計算があることから、分散計算機環境を有効に活用することは、マシンの利用効率の面でも優れている。