平成29年度 春期エンベデッドシステムスペシャリスト試験 午後Ⅰ問3過去問題解説

Описание: 本動画では、平成29年度 春期 エンベデッドシステムスペシャリスト試験 午後Ⅰ 問3「病院内資料配送システム」を題材に、軌道式の自律移動システムが持つ制約を前提として、NFCによる限定的な通信条件下での制御設計、ACモータの制御特性に基づく速度・方向制御、センサの論理値推移の読解、分岐部の排他制御と衝突防止、さらに通信途絶を想定した自律動作へと、ハードウェアとソフトウェアの境界領域を一貫した設計判断として解説します。本問の難しさは、システム全体をサーバが計画・統制する一方で、配送車にもセンサとMPUが搭載されており、サーバ指示が届かない局面を含めて安全側に倒す必要がある点にあります。午後Ⅰとしての読解ポイントは、通信が通信点でのみ成立すること、通信可能範囲が距離で与えられていること、通信準備時間が差し引かれること、プロトコル上の効率が「16バイト送るのに200ビット」として与えられていること、分岐部動作に要する時間が車両間隔と競合すること、そして駆動がDCではなく3相ACモータであることなど、後の設問を成立させる定義を先に固定できるかに集約されます。採点講評が強調するのも、この「定義の取り違え」と「目的と手段の混同」であり、計算や穴埋めの正誤以上に、設計意図を仕様根拠に基づいて答えられるかが合否を分けます。

設問1は、通信量と分岐部制御のタイミングを、距離・速度・準備時間・プロトコル効率をすべて積み上げて処理する設問です。NFC通信量の計算では、まず配送車の速度1m/sと通信可能範囲0.08mから、通信点を通過する間に通信が成立し得る時間を0.08秒と確定し、そこから検知10msと準備10msの合計0.02秒を差し引いて実通信時間0.06秒を得ます。通信速度400kbit/sで0.06秒送受信できるビット数は24,000ビットとなり、ここでプロトコル効率として「16バイト送るのに200ビット必要」という条件を適用して24,000/200=120パケット、データ量は120×16=1,920バイト、すなわち1.92kバイトとなり、小数第2位四捨五入で1.9kバイトに到達します。本問の計算で典型的に崩れるのは、通信可能範囲を距離として扱わずに時間を直接仮定してしまうこと、準備時間を引かずに過大に見積もること、ビットとバイトを混同すること、そして「16バイトのデータ」をそのまま通信量として足してしまい、200ビットという効率条件を落とすことです。与件が効率条件を明示している時点で、単純な転送速度計算ではなく、プロトコルを含む実効データ量の見積りを求めているため、条件を漏らさず積み上げる姿勢がそのまま得点になります。

同じ設問1の分岐部制御は、分岐部動作に6秒かかる一方で後続車が5m後方を1m/sで接近するため、5秒で到達してしまい復帰が間に合わないという時間競合を、速度調整で解く問題です。先行車が分岐を使う局面では、分岐手前の通信点で接近を検知し、減速制御を開始して分岐部中央で停止させることで、分岐部の切替と進入を安全に完了させます。後続車は、停止・発進の繰り返しが消費電力を増やすという前提も踏まえ、より手前の通信点で減速指示を受け、停止ではなく速度調整で時間を稼いで衝突と待ち時間を抑えます。ここは「止めればよい」と短絡しやすい箇所ですが、与件が電力消費の論点を含めている以上、速度制御による平準化が設計意図として中心である点を押さえる必要があります。午後Ⅰでは、図の時系列を追いながら、どの通信点で何を指示し、どこで停止させるのかを、分岐部動作時間と車間距離から論理的に説明できるかが難所になります。

設問2は、モータ制御の定義とセンサ論理の読解で、採点講評上の最大の分岐点がここにあります。本問の駆動は3相交流モータであり、速度は駆動電流の周波数で決まり、回転方向は位相関係で決まるという前提が与えられています。したがって減速するために行うべき制御は、電圧やデューティ比の調整ではなく、周波数を徐々に低くすることになります。またメイン回廊への移動で方向反転を伴う場合は、位相関係を逆転させて回転方向を反転し、その上で周波数を徐々に高くして必要な速度へ立ち上げる、という「方向は位相、速度は周波数」という二軸で制御を表現できるかが問われています。DCモータの感覚でPWM制御を答えると根本的に外れるため、ここで失点すると合格が遠のきます。ACモータの定義を見落とさず、設問が求める動作をその定義へ写像できるかが、まさに午後Ⅰの読解力です。

赤外線LEDとセンサの論理は、反射があるとポートが1になるという条件を踏まえ、距離が変化したときに論理がどう遷移するかを読み解きます。位置Lでは2つのセンサが反応して1,1、位置Mでは片側が範囲外となり1,0、位置Nでは近づきすぎて死角に入り0,0になるという推移は、直感と逆の挙動を含むため、組込み試験で典型的なトラップになります。近づくほど確実に検知するはずだという思い込みを排し、検知範囲と死角という物理制約を論理値として表現できるかがポイントです。混雑時の制御に関しては、混雑を把握できるのは全車の位置を管理するサーバであり、その上で速度を落として調整する目的は、停止と発進を繰り返す運用を避けて消費電力を抑えることです。ここも採点講評で指摘されやすい箇所で、手段としての「減速する」ではなく、問われているのは目的であるため「消費電力を少なくするため」と答え切る必要があります。

設問3は仕様変更に対する複数台制御の考え方で、排他制御とフェイルセーフの設計が問われます。分岐部の排他制御では、配送路側に1台目が滞留している状態で、2台目がメイン回廊を直進したい場合、分岐部が配送路側に下がったままだと2台目が物理的に通れないという競合が発生します。したがって、1台目がすぐに配送路から離脱しない見込みなら、2台目が分岐部に接近する前に分岐部をメイン回廊側へ戻しておく、という事前復帰の制御が必要になります。ここは排他制御を「通行予約」として捉え、分岐部の姿勢を共有資源として管理する発想ができるかが重要で、単に「先行車を止める」では直進車の要求を満たせません。通信途絶時の動作では、通信点以外で停止してサーバ指示が受けられないという前提があるため、車載センサで前方車両を検知し、追従走行により安全側に移動を継続するという自律動作が求められます。これはサーバ集中制御の弱点を、局所センサによる安全機能で補完する設計であり、与件が述べる「配送車自身も衝突防止機能を有する」という前提を、そのまま要求仕様の満たし方として答案へ落とす部分になります。

本問で合否を分ける論点は、通信量計算で準備時間とプロトコル効率を含めて積み上げられるか、分岐部動作時間と車間距離から到達時刻の競合を導き、停止ではなく減速による平準化を設計意図として説明できるか、ACモータの定義を見落とさず速度は周波数・方向は位相として答えられるか、センサ値の推移で死角による0,0を恐れず導けるか、混雑時の速度調整の目的を消費電力低減として明確に書けるか、そして仕様変更で分岐部を共有資源として事前復帰する排他制御と、通信途絶時の追従走行という自律安全策を整合的に示せるかの六点です。いずれも、知識の暗記ではなく、与件の定義と制約を起点にした設計判断を問うているため、ここを押さえることが午後Ⅰでの安定得点につながります。

動画を見る意義は、病院内資料配送という題材を通じて、通信点でしか通信できない制約下での制御設計、実効通信量の見積り、ACモータの制御パラメータの読み替え、センサ論理の落とし穴回避、分岐部という共有資源の排他制御、そして通信途絶を含むフェイルセーフな自律動作という、組込み・制御・ネットワークが交差する領域の頻出論点を一度に体系化できる点にあります。この体系ができると、類題でも「定義を拾う」「条件を漏らさず積む」「目的と手段を分ける」「共有資源を排他で管理する」「通信不能時は自律で安全側へ倒す」という解き方の骨格が再現でき、午後Ⅰで失点しにくい答案構成が可能になります。