Reinforcing Spacecraft Computer System by Bit Inversion: Towards Sustainability Through Program Evolution

• Project/Area Number: 16KT0103
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 特設分野
• Research Field: Intensification of Artifact Systems
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: Takadama Keiki 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20345367)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 原田 智広 立命館大学, 情報理工学部, 助教 (40755518)
• Project Period (FY): 2016-07-19 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2018: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2017: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2016: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
• Keywords: 進化計算 / プログラム / ビット反転 / ローバ

Outline of Final Research Achievements

This project proposes the program evolution method based on bit inversion caused by space radiation in order to reinforce spacecraft computer systems against unexpected external incidents (such as sensor trouble or environmental change) and internal incidents (such as program bug). To investigate an effectiveness of the proposed method, this project focuses on the space rover and builds the design method for reinforcing the functions in the computer systems through an evaluation of the evolved programs that controls the rover.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

・学術的意義：従来のプログラム進化の研究は最適化に着目しているが，本研究では最適性に加え，ヒューマンエラーやセンサ故障などへのロバスト性にも着目しており，新しい研究を生み出すことに貢献する．
・社会的意義：宇宙線がコンピュータに当たると情報のビットが反転してデータ破壊や誤作動が起こるため，従来は高額で低速な宇宙用CPUを採用しているが，本研究の成果を用いると現在のハイスペックCPUを利用可能となり，安く，小さく，速いシステムが実現できる．

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Bristol(英国)
• [Journal Article] Artificial Bee Colony Algorithm based on Adaptive Local Information Sharing meets multiple dynamic environments (2019)
  • Author(s): Takano, R., Sato, H., and Takadama, K.
  • Journal Title: SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration (JCMSI) Volume: Vol. 12, No. 1 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.9746/jcmsi.12.1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SLIM Spacecraft Location Estimation by Crater Matching Based on Similar Triangles and Its Improvement (2018)
  • Author(s): 石井 晴之、福田 盛介、澤井 秀次郎、坂井 真一郎、村田 暁紀、上野 史、辰巳 嵩豊、梅内 祐太、高玉 圭樹、原田 智広、鎌田 弘之、石田 貴行
  • Journal Title: AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN, THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES Volume: 17 Issue: 0 Pages: 69-78
  • DOI: 10.2322/astj.JSASS-D-17-00011
  • NAID: 130006731199
  • ISSN: 1884-0477
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multimodal Genetic Programming by Using Tree Structure Similarity (2018)
  • Author(s): 吉田 修武，原田 智広，Thawonmas Ruck
  • Journal Title: Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers Volume: 54 Issue: 8 Pages: 640-649
  • DOI: 10.9746/sicetr.54.640
  • NAID: 130007437532
  • ISSN: 0453-4654, 1883-8189
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Machine-Code Program Evolution by Genetic Programming Using Asynchronous Reference-Based Evaluation Through Single-Event Upset in On-Board Computer (2017)
  • Author(s): Harada, T. and Takadama, K.
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 29 Issue: 5 Pages: 808-818
  • DOI: 10.20965/jrm.2017.p0808
  • NAID: 130007519782
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2017-10-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recovery System Based on Exploration-Biased Genetic Algorithm for Stuck Rover in Planetary Exploration (2017)
  • Author(s): Uwano, F., Tajima, Y., Murata, A., and Takadama, K.
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 29 Issue: 5 Pages: 877-886
  • DOI: 10.20965/jrm.2017.p0877
  • NAID: 130007519878
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2017-10-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deployment of Wireless Mesh Network Using RSSI-Based Swarm Robots Passing Narrow Corridor by Movement Function along Walls, (2016)
  • Author(s): Hattori, K., Tatebe, N., Kagawa, T., Owada, Y., Shan, L., and Temma, K., Hamaguchi, K., and Takadama, K.
  • Journal Title: Journal Artificial Life and Robotics Volume: 21(4) Issue: 4 Pages: 434-442
  • DOI: 10.1007/s10015-016-0300-y
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analyzing Influence of Relationship between Characteristic of Solutions and Their Evaluation Time in Asynchronous Evolutionary Algorithm (2016)
  • Author(s): 原田智広
  • Journal Title: Transaction of the Japanese Society for Evolutionary Computation Volume: 7 Issue: 2 Pages: 46-55
  • DOI: 10.11394/tjpnsec.7.46
  • NAID: 130005277274
  • ISSN: 2185-7385
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Multimodal Genetic Programming Using Program Similarity Measurement and Its Application to Wall-Following Problem (2019)
  • Author(s): Yoshida, S. Harada, T., and Thawonmas, R.
  • Organizer: Genetic and Evolutionary Computation Conference 2019 (GECCO 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] How to Select Appropriate Craters to Estimate Location Accurately in Comprehensive Situations for SLIM Project (2019)
  • Author(s): Uwano, F., Tatsumi, T., Murata, A., Takadama, K., Kamata, H., Ishida, T., Fukuda S., Sawai, S., and Sakai, S.
  • Organizer: The 32nd International Symposium on Space Technology and Science (ISTS 2019) & 9th Nano-Satellite Symposium (NSAT)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 故障に対して冗長性を備えた仮想ロボットのニューロ進化による持続可能な行動獲得 (2019)
  • Author(s): 速水 陽平, 上野 史，高玉 圭樹
  • Organizer: 計測自動制御学会，第46回知能システムシンポジウム
• [Presentation] An Improved Social-Spider Optimization Algorithm for Tracking Peak in Dynamic Environments (2019)
  • Author(s): Takano, R. and Takadama, K.
  • Organizer: The 24th International Symposium on Artificial Life and Robotics (AROB 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月面着陸最適候補の多目的選定問題におけるNSGA-IIとVNSを用いる最適化手法の提案 (2019)
  • Author(s): 大伴 周也，磯林 知志，原田 智広，Thawonmas Ruck
  • Organizer: 進化計算学会，第15回進化計算学会研究会
• [Presentation] 小型月着陸実証機SLIMの開発状況 (2019)
  • Author(s): 坂井 真一郎, 櫛木 賢一, 澤井 秀次郎, 福田 盛介, 荒川 哲人，齋藤宏生，佐藤 英一, 上野 誠也, 鎌田 弘之, 北薗 幸一, 小島 広久，下地 治彦，高玉 圭樹, 能見 公博, 樋口 丈浩, SLIMプロジェクトチーム
  • Organizer: 第19回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2019)
• [Presentation] 高精度月着陸のための画像航法および自律誘導制御 (2019)
  • Author(s): 石田 貴行，植田 聡史，伊藤 琢博，坂井 真一郎，福田盛介，上野 誠也，樋口 丈浩，鎌田 弘之，高玉 圭樹，小島 広久，狩谷 和季
  • Organizer: 第19回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2019)
• [Presentation] A Study on Multimodal Genetic Programming Introducing Program Simplification (2018)
  • Author(s): Murano, K., Yoshida, S., Harada, T., and Thawonmas, R.
  • Organizer: Joint 10th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 19th International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 動的最適化問題に向けた異種戦略の個体別適用に基づく差分進化 (2018)
  • Author(s): 小林 亮太，岩瀬 拓哉，高野 諒，佐藤 寛之，高玉 圭樹
  • Organizer: 進化計算学会，第12回進化計算シンポジウム 2018
• [Presentation] Social Spider Optimization Algorithmの動的最適化問題への適用：変化への追従から先回りへ (2018)
  • Author(s): 高野 諒，高玉 圭樹
  • Organizer: 進化計算学会，第12回進化計算シンポジウム 2018
• [Presentation] 月着陸探査ミッションの最適着陸地点選定問題に対する分散型局所探索法の有効性の検証 (2018)
  • Author(s): 原田 智広
  • Organizer: 進化計算学会，第12回進化計算シンポジウム 2018
• [Presentation] Artificial Bee Colony Algorithm based on Adaptive Local Information Sharing: Approach for several dynamic changes (2018)
  • Author(s): Takano, R., Sato, H., and Takadama, K.
  • Organizer: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiple Swarm Intelligence Methods based on Multiple Population with Sharing Best Solution for Drastic Environmental Change (2018)
  • Author(s): Umenai, Y., Uwano, F., Sato, H., and Takadama, K.
  • Organizer: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Adaptive Asynchrony in Semi-Asynchronous Evolutionary Algorithm Based on Performance Prediction Using Search History (2018)
  • Author(s): Harada, T.
  • Organizer: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crowding Distance based Promising Solution Selection in Surrogate Assisted Asynchronous Multi-Objective Evolutionary Algorithm (2018)
  • Author(s): Harada, T., Kaidan, M., and Thawonmas, R.
  • Organizer: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月面画像に基づくクレータ検出と特徴点検出法によるバックアップ処理について (2018)
  • Author(s): 小松原 燿介，上沼 大悟，津田 啓輔，三木 健生，上原 あかり，鎌田 弘之，高玉 圭樹，石田 貴行，福田 盛介，澤井 秀次郎，坂井 真一郎
  • Organizer: 日本航空宇宙学会，第62回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 包括的な撮影画像パターンに対するSLIM探査機の自己位置推定の評価と精度向上 (2018)
  • Author(s): 上野 史，村田 暁紀，辰巳 嵩豊，高玉 圭樹，鎌田 弘之，石田 貴行，福田 盛介，澤井 秀次郎，坂井 真一郎
  • Organizer: 日本航空宇宙学会，第62回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] How to Detect Essential Craters in Camera Shot Image for Increasing the Number of Spacecraft Location Candidates while Improving Its Estimation Accuracy? (2018)
  • Author(s): Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Uwano, F., Tatsumi, T., Takadama, K., Kamata, H., Ishida, T., Fukuda, S., Sawai, S., and Sakai, S.
  • Organizer: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyzing Triangle Matching Method Based on Craters for Spacecraft Localization (2018)
  • Author(s): Uwano, F., Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Tatsumi, T., Murata, A., and Takadama, K.
  • Organizer: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プログラムの簡略化を用いる多峰性遺伝的プログラミングの検証 (2018)
  • Author(s): 村野 慧，吉田 修武，原田 智広，Thawonmas Ruck
  • Organizer: 計測自動制御学会，第13回コンピューテーショナル・インテリジェンス研究会
• [Presentation] How to Detect Essential Craters in Camera Shot Image for Increasing the Number of Spacecraft Location Candidates while Improving Its Estimation Accuracy?, (2018)
  • Author(s): Takadama, K., (Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Uwano, F., Tatsumi, T., Kamata, H., Ishida, T., Fukuda S., Sawai, S., and Sakai, S.)
  • Organizer: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyzing Triangle Matching Method Based on Craters for Spacecraft Localization (2018)
  • Author(s): Uwano, F., (Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Tatsumi, T., Murata, A., and Takadama, K.)
  • Organizer: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 耐故障性を備えたシステムの構築に向けた多峰性遺伝的プログラミングの提案 (2018)
  • Author(s): 原田 智広
  • Organizer: 第11回SICEシステム・情報部門 関係論的システムデザイン調査研究会
• [Presentation] 小型月着陸実証機SLIMの開発状況 (2018)
  • Author(s): 坂井 真一郎, (櫛木 賢一, 澤井 秀次郎, 福田 盛介, 佐藤 英一,上野 誠也, 鎌田 弘之, 北薗 幸一, 小島 広久，下地 治彦，高玉 圭樹,能見 公博, 樋口 丈浩, SLIMプロジェクトチーム)
  • Organizer: 第18回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2018)
• [Presentation] ピンポイント月着陸のための画像航法および自律誘導制御 (2018)
  • Author(s): 植田 聡史，(伊藤 琢博，坂井 真一郎，石田 貴行，福田盛介，上野 誠也，樋口 丈浩，鎌田 弘之, 高玉 圭樹，小島 広久，狩谷 和季)
  • Organizer: 第18回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2018)
• [Presentation] A Study of Self-Adaptive Semi-Asynchronous Evolutionary Algorith on Multi-Objective Optimization Problem (2017)
  • Author(s): Harada, T. (Takadama, K.)
  • Organizer: Workshop on Parallel and Distributed Evolutionary Inspired Method in Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2017)
  • Place of Presentation: Berlin, Germany
  • Year and Date: 2017-07-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Performance Comparison of Parallel Asynchronous Multi-Objective Evolutionary Algorithm with Different Asynchrony, (2017)
  • Author(s): Harada, T. (Takadama, K.)
  • Organizer: 2017 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2017)
  • Place of Presentation: Donostia - San Sebastian, Spain
  • Year and Date: 2017-06-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙機コンピュータシステムの強化に向けたプログラム創発 (2017)
  • Author(s): 高玉 圭樹 (原田 智広)
  • Organizer: 第61回システム制御情報学会研究発表講演会 (SCI2017)
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府京都市）
  • Year and Date: 2017-05-24
  • Invited
• [Presentation] 非同期進化法における探索履歴を用いた性能予測に基づく非同期性の適応的調整 (2017)
  • Author(s): 原田 智広
  • Organizer: 進化計算シンポジウム2017
• [Presentation] Multimodal Genetic Programming by Using Tree Structure Similarity Clustering (2017)
  • Author(s): Yoshida, S., (Harada, T. and Thawonmas, R.)
  • Organizer: IEEE 10th International Workshop on Computational Intelligence and Applications (IWCIA 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SLIM画像照合航法(クレータ検出) (2017)
  • Author(s): 岡田 怜史，(中浜 優佳，上原 あかり，鎌田 弘之，狩谷 和季，高玉 圭樹，石田貴行，福田 盛介，澤井 秀次郎，坂井 真一郎)
  • Organizer: 第61回宇宙科学技術連合講演会，日本航空宇宙学会
• [Presentation] SLIM探査機の高度や姿勢の傾きによるクレータ検出位置ずれに対応する自己位置推定法 (2017)
  • Author(s): 石井 晴之，(村田 暁紀，上野 史，辰巳 嵩豊，梅内 裕太，松本 和馬，高玉 圭樹，鎌田 弘之，石田 貴行，福田 盛介，澤井 秀次郎，坂井 真一郎)
  • Organizer: 第61回宇宙科学技術連合講演会，日本航空宇宙学会
• [Presentation] 木構造類似度を用いる多峰性遺伝的プログラミングにおける交叉法の検証 (2017)
  • Author(s): 吉田 修武，(原田 智広，ターウォンマット ラック)
  • Organizer: 第13回進化計算学会研究会
• [Presentation] 代替評価モデルを用いる非同期多目的進化計算法における混雑度距離による有望階選択 (2017)
  • Author(s): 海段 美紗希，(原田 智広，ターウォンマット ラック)
  • Organizer: 第13回進化計算学会研究会
• [Presentation] A Study of Self-Adaptive Semi-Asynchronous Evolutionary Algorithm on Multi-Objective Optimization Problem (2017)
  • Author(s): Harada, T. (and Takadama, K.)
  • Organizer: Workshop on Parallel and Distributed Evolutionary Inspired Method in Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrating Surrogate Evaluation Model and Asynchronous Evolution in Multi-Objective Evolutionary Algorithm for Expensive and Different Evaluation Time (2017)
  • Author(s): Kaidan, M. (Harada, T., and Thawonmas, R.)
  • Organizer: Workshop on Parallel and Distributed Evolutionary Inspired Method in Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多目的最適化問題における評価時間の偏りが半非同期進化法に与える影響の分析 (2017)
  • Author(s): 原田 智広，(高玉 圭樹)
  • Organizer: 第11回コンピューテーショナル・インテリジェンス研究会，計測自動制御学会
• [Presentation] Performance Comparison of Parallel Asynchronous Multi-Objective Evolutionary Algorithm with Different Asynchrony (2017)
  • Author(s): Harada, T. (and Takadama, K.)
  • Organizer: 2017 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 宇宙機コンピュータシステムの強化に向けたプログラム創発 (2017)
  • Author(s): 高玉 圭樹，(原田 智広)
  • Organizer: 第61回システム制御情報学会研究発表講演会 (SCI2017)
  • Invited
• [Presentation] The Robust Spacecraft Location Estimation Algorithm Toward The Misdetection Crater and The Undetected Crater in SLIM, (2017)
  • Author(s): Ishii, H., (Murata, A., Uwano, F., Tatsumi, T., Umenai, Y.,Matsumoto, K., Takadama, K., Kamata, H., Ishida, T., Fukuda S., Sawai, S., and Sakai, S.)
  • Organizer: The 31th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非同期性を適応的に制御する半非同期進化的アルゴリズムの検討 (2016)
  • Author(s): 原田智広
  • Organizer: 進化計算シンポジウム2016，進化計算学会
  • Place of Presentation: 一宮シーサイドオーツカ（千葉県長生郡）
  • Year and Date: 2016-12-11
• [Presentation] 可変長遺伝子型進化計算に基づく二輪ローバー型惑星探査機のスタック脱出行動最適化 (2016)
  • Author(s): 上野 史 (村田 暁紀，高玉 圭樹)
  • Organizer: 計測自動制御学会，システム・情報部門 学術講演会 2016 (SSI2016)
  • Place of Presentation: ウカルちゃんアリーナ（滋賀県大津市）
  • Year and Date: 2016-12-07
• [Presentation] 非同期リファレンス評価を用いる進化的アルゴリズムの選択・削除法の改良 (2016)
  • Author(s): 原田智広
  • Organizer: 計測自動制御学会，システム・情報部門 学術講演会 2016 (SSI2016)
  • Place of Presentation: ウカルちゃんアリーナ（滋賀県大津市）
  • Year and Date: 2016-12-07
• [Presentation] 小型月着陸実証機「SLIM」プロジェクトの概要, (2016)
  • Author(s): 坂井 真一郎 (澤井 秀次郎, 福田 盛介, 櫛木 賢一, 佐藤 英一, 上野 誠也, 鎌田 弘之, 北薗 幸一, 小島 広久, 高玉 圭樹, 能見 公博, 樋口 丈浩)
  • Organizer: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • Year and Date: 2016-09-08
• [Presentation] 主成分分析によるクレータ検出、クレータサイズ計測に関する研究 (2016)
  • Author(s): 鎌田 弘之 (中浜 優佳，岡田 怜史，森部 美沙子，狩谷 和季，石田 貴行，福田 盛介，高玉 圭樹，坂井 真一郎，澤井 秀次郎)
  • Organizer: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • Year and Date: 2016-09-08
• [Presentation] SLIM探査機における高度差や回転に対してロバストな自己位置推定アルゴリズム (2016)
  • Author(s): 石井 晴之 (村田 暁紀，高玉 圭樹，鎌田 弘之，石田 貴行，福田 盛介，澤井 秀次郎，坂井 真一郎)
  • Organizer: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • Year and Date: 2016-09-08
• [Presentation] クレータを用いた画像航法アルゴリズムの統合評価 (2016)
  • Author(s): 石田 貴行 (福田 盛介，鎌田 弘之，高玉 圭樹，狩谷 和季，坂井 真一郎，澤井 秀次郎)
  • Organizer: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • Place of Presentation: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • Year and Date: 2016-09-08
• [Patent(Industrial Property Rights)] 点群マッチング装置，点群マッチング方法及びプログラム (2018)
  • Inventor(s): 高玉 圭樹，石井 晴之, 上野 史
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 電気通信大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2018-106820
  • Filing Date: 2018
  • Acquisition Date: 2018