お知らせ
屋内測位システム『TPC_IPS Ver1.0』を2022/4/1にリリースしました。同製品に関する質問またはデモを希望されるお客様はこちらよりお申し込みください。
尚、外部のIPS/RTLSと連携して動作するIPSアプリケーション・テンプレート『QuickIPS』及び 『TPC_IPS Web API』 も順次リリースを予定しています。
弊社では Raspberry Pi とビーコンを利用した IPS（Indoor Positioning System / 屋内位置測位システム ― 屋内のモノの位置を推定するシステム）を開発しており、昨年、独自のアルゴリズム・TCOT（二円指向三点測位）に基づくシステムのプロトタイプを本ブログと YouTube にて紹介しました。
TCOTを含む三点測位系の位置推定は、フィンガプリント方式に比べ事前のデータ蓄積・データ更新が不要な点が大きなメリットですが、反面、測位精度が低いのが弱点です。
今回、Raspberry Pi（以下、端末と呼ぶことがあります）とビーコンをテスト環境に敷設し、予めビーコンと端末の位置座標と、端末が取得したビーコンのRSSIをデータベースに記録（これを「フィンガプリント」と言います）し、そのフィンガプリントデータを機械学習にかけてることにより、測位精度がどの程度向上するのかを検証しました。
機械学習ツールは多くありますが、今回はノープログラミングで利用できる Orange と、Pythonの機械学習ライブラリとして有名な scikit-learn を使用し、それぞれで得た推定位置の結果を matplotlib によりプロットしています。
テスト環境
データと特徴量について
フィンガプリントを記録するデータベーステーブルには多くのフィールドがありますが、機械学習で使用する特徴量には端末の名称（下図のN1T、N2T、N3T・・・）、各端末が取得したRSSIに基づき算出したが端末からビーコンまでの距離（N1R、N2R、N3R・・・）を取り、目的変数（ラベル）はビーコンの位置座標（ax, ay）となります。
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| データベーステーブルに記録されたフィンガプリント（一部）をExcelで表示 |
機械学習による位置推定
TCOTによる位置推定
機械学習に入る前に、当社の二円指向三点測位（TCOT）により算出した推定位置を matplotlib によりプロットした結果を以下に提示します。
図1：TCOTによる位置推定のプロット
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各矢印の始点が実際のビーコンの位置、終点がTCOTにより算出された推定座標となります。
以下では今回使用する機械学習のツールについて説明すると共に、TCOTで使った同じデータを機械学習に適用し、どの程度、推定位置が改善するかを見ていきます。
Orange Data Mining による位置推定
今回使用した機械学習ツールの1つが Orange Data Mining で、スロベニアのリュブリャナ大学が開発提供するオープンソースのデータマイニングツールです。どなたでも無料ダウンロードして使用することができます。
本ツールでは、データ読み込み、モデル定義、予測、出力までの流れを GUI で組み合わせていくことにより、ノープログラミングで機械学習を実行できます。
操作画面のサンプルは以下のようになります。
今回は 数多くある機械学習の手法の中のk近傍モデル（kNN）を用いてビーコン位置の推定を行いました。kNNでは、あらかじめ教師となるデータを収集し、データは全て数値に変換されます。次に運用データ（機械学習の教科書では、"テストデータ"と呼ばれます）をkNNに渡すと、各テストデータが最も近接する教師データに分類され、それが持つ目的変数（ここでは教師データのxとy座標）を返してきます。
下図が Orange kNNの返してきたビーコンの推定位置をプロットしたものです。予め教師データを作成するというコストはかかりますが、図１のTCOTに比べると推定位置の誤差は改善されいます。
Orange kNN で指定した主なパラメータ：
- k：1
- メトリック：Manhattan
- Weight:Distance
注：
kNNは教師データに基づき分類を行うアルゴリズムであり、本例では教師が持つ目的変数（x、ｙ座標）に分類されます。従って、上図でビーコンが座標(0.5,0.5)に位置する場合でも、アルゴリズム的には座標（0, 0）が正解値となります。
scikit-learn による位置推定
次に、Google が提供するオープンソースの Python 用機械学習ライブラリ scikit -learn を使用します。
ここでは Orange Data Mining と同様に k近傍法（最近傍法）を採用します。ビーコン座標の予測モデル関数として KNeighborsClassifier、KNeighborsRegressor の二つを使います。
KNeighborsClassifier による位置推定
ここでは K近傍法のクラス分類となる KNeighborsClassifier 関数を使い、教師あり学習によりビーコンの位置を推定します。ラベル（分類クラス、目的変数）は X座標、Y座標 の多クラスを与えます。
パラメータ指定：
nbrs.fit(teacherData, teacherXYLabel)
prediction = nbrs.predict( testData )
パラメータ指定：
- k：1
- アルゴリズム：brute
- メトリック：manhattan
- Weights:distance
プロット結果は Orange とほぼ同等となりました。ただ、Orange と scikit-learn で同じ kNNを使いながら、個々のビーコンの推定座標に違いがありました。kNNは比較的単純なアルゴリズムなので Orange と scikit-learnで同じ結果を返すものと思っていたのですが、少し意外でした。この理由は、Orange では指定できない、brute（総当り） にあるのかもしれません。
KNeighborsRegressor による位置推定
ここでは K近傍法の回帰分析となる KNeighborsRegressor 関数を使うことによって、教師あり学習により位置を推定します。ラベル（分類クラス、目的変数）として X座標、Y座標 の多クラスを与えます。
パラメータ指定：
nbrs.fit( teacherData, teacherXYLabel )
prediction = nbrs.predict( testData )
主なパラメータ指定：
- k：1
- アルゴリズム：brute
- メトリック：manhattan
- Weights:distance
KNeighborsClassifier 関数と同一のプロット結果となりました。
参考リンク：
k近傍法
2.4 アルゴリズム1 k-最近傍法
今後の課題
今回、いくつかの方法でビーコンの位置推定を試みました。scikit-learn のkNN関数で指定したパラメータは、GridSearchCV により得られた最適解を使用していますが、特徴量スケーリングの改良などにより位置推定の精度をもう少し上げられるかも知れません。ニューラルネットワーク（MLPClassifier）も試してはいるのですが、まだ良い結果を得られていません。今後はMLPClassifierを含むその他のエスティメータも試用していく予定です。
また、エスティメータ以前に、取得したデータを見るとRSSIの振れ幅が大きい端末があり、この振れ幅が位置推定に悪影響を及ぼしていると思われます。この振れ幅を抑えるハードウェア的なアプローチの検討の方がより重要かもしれません。
Varista について
Webで上でプログラミング無しで利用できる機械学習ツールに Varista があります。以前に無償版を試用してみたのですが、上記の同じデータをアップロードできず、しばらく放置していました。年末、ダメ元で Varista に問い合わせたところ、思いがけず迅速・適格な回答を貰い、アップロードができるようになり、位置推定の結果（CSVファイル）を取得できました。そのファイルをプロットしたのが下図です。
Varista は決定木ベースのアルゴリズムを使用しており、設定可能なパラメータが多数あります。今回はほぼデフォルトのまま使用しましたが、上述の kNN と遜色ない結果が得られました。 このことから IPS では決定木関連のアリゴリズムも有望と思われます。
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| Varistaの「エキスパート」画面 ― 多数のパラメータを設定できる |
Varista には API は無いようですが、WebからテストデータをPostすると、即結果を返してくれるようなAPIがあればウレシイ、というユーザもいるのではないでしょうか。
（亀）
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