物理モデルとセンサデータに基づく省リソースな制御と通信方策の設計

• Project/Area Number: 21K14184
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21040:Control and system engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 橋本 和宗 大阪大学, 大学院工学研究科, 講師 (60883361)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 信頼されるAI / システム制御

Outline of Research at the Start

制御対象とコントローラがネットワークを介し接続されるネットワーク化制御システムでは，アクチュエータに印加する操作量を決定する制御方策に加え，制御対象とコントローラが「いつ通信するべきか」という通信方策も適切に設計しなければならない.本研究では，モデル化誤差を含むネットワーク化制御システムに対し，ネットワークを介した通信頻度を低減化する省リソースな制御と通信方策の設計を目指す.具体的には，物理モデリングが困難なモデル化誤差をセンサデータにより学習し，その学習結果と物理モデルに基づく数理解析により，所望の制御目的と通信頻度低減化の両方を達成する設計法の確立を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

本年度では、主に以下の研究成果が得らえた。
①ガウス過程回帰による自己駆動制御器の設計: 未知システムに対する自己駆動型制御器の設計手法を新たに提案した 。特に、制御対象のダイナミクスに通信間隔の情報を組み込むことで、従来よりもより短時間で最適な制御と通信方策の学習を可能とした。得られた成果は国際誌Advanced robotics に採録済みである。

②隊列走行における制御：隊列走行に対するコントローラの学習手法を提案した。特に、機械学習モデルの一つである再帰型ニューラルネットワークを用いることで、有人先頭車の急アクセルや急ブレーキの影響を後方車両に伝搬させないコントローラの学習が可能となった。得られた研究成果は、国内会議：電子情報通信学会高信頼制御通信研究会および国際会議：IEEE Australian and New Zealand Control Conferenceにて発表済みである。

③感染症の事象駆動型抑制方策の設計: 感染症の拡大を表す数理モデル(SIRSモデル)を用いて、感染症拡大を抑制するための事象駆動型方策の設計手法を提案した 。 特に、状態の離散化を行うシンボリックモデルを用いることで、感染率を常に所望の値以下に抑えることを保証する事象駆動制御器の設計が可能となった。得られた成果は、国際誌 Nonlinear Analysis : Hybrid Systems に採録された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

2023年度では、2022年度で得られたアルゴリズムを更に改良し、従来手法よりも効率的に制御器が学習できるアルゴリズムが提案できた。さらに、本研究の発展的・派生的な研究成果として、隊列走行といったマルチエージェント（群）に対するコントローラ設計手法や、感染症の抑制方策の設計手法も提案できた。
以上のことから、研究進捗は当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

2024年度（最終年度）では、2023年度で得られたアルゴリズムの理論的解析（安定性・安全性等）を行う予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CentraleSupelec(フランス)
• [Int'l Joint Research] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] CentraleSupelec(フランス)
• [Int'l Joint Research] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
• [Journal Article] Synthesis of event-triggered controllers for SIRS epidemic models (2024)
  • Author(s): Ding Lichen、Hashimoto Kazumune、Takai Shigemasa
  • Journal Title: Nonlinear Analysis: Hybrid Systems Volume: 51 Pages: 101437-101437
  • DOI: 10.1016/j.nahs.2023.101437
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A lifting approach to learning-based self-triggered control with Gaussian processes (2024)
  • Author(s): Zhijun Wang、Hashimoto Kazumune、Hashimoto Wataru、Takai Shigemasa
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 38 Issue: 6 Pages: 410-420
  • DOI: 10.1080/01691864.2023.2301430
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modeling of observation instruments and path planning under time-variant illumination areas for water exploration in lunar polar region (2023)
  • Author(s): MORI Yuki、HASHIMOTO Kazumune、INOUE Hiroka
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 89 Issue: 928 Pages: 23-00011-23-00011
  • DOI: 10.1299/transjsme.23-00011
  • ISSN: 2187-9761
• [Journal Article] Learning-based Symbolic Abstractions for Nonlinear Control Systems (2022)
  • Author(s): Kazumune Hashimoto, Adnane Saoud, Masako Kishida, Toshimitsu Ushio, Dimos Dimarogonas
  • Journal Title: Automatica Volume: 146 Pages: 110646-110646
  • DOI: 10.1016/j.automatica.2022.110646
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] STL2vec: Signal Temporal Logic Embeddings for Control Synthesis With Recurrent Neural Networks (2022)
  • Author(s): Wataru Hashimoto, Kazumune Hashimoto, Shigemasa Takai
  • Journal Title: IEEE Robotics & Automation Letters Volume: 7 Issue: 2 Pages: 5246-5253
  • DOI: 10.1109/lra.2022.3155197
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Collaborative rover-copter path planning and exploration with temporal logic specifications based on Bayesian update under uncertain environments (2022)
  • Author(s): Kazumune Hashimoto, Natsuko Tsumagari, Toshimitsu Ushio
  • Journal Title: ACM Transactions on Cyber Physical Systems Volume: 6 Issue: 2 Pages: 1-24
  • DOI: 10.1145/3470453
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Signal Temporal Logic Meets Convex-Concave Programming: A Structure-Exploiting SQP Algorithm for STL Specifications (2023)
  • Author(s): Yoshinari Takayama, Kazumune Hashimoto, Toshiyuki Ohtsuka
  • Organizer: IEEE Conference on Decision and Control
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Robust Traffic Flow Control using Signal Spatio-Temporal Logic (2023)
  • Author(s): Sagar V Patil, Kazumune Hashimoto, Masako Kishida
  • Organizer: European Control Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Designing Controllers to Satisfy String Stability in Platoon Using Machine Learning (2023)
  • Author(s): Ryota Nakai, Kazumune Hashimoto and Shigemasa Takai
  • Organizer: Australian and New Zealand Control Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ローカルモデルによるストリングスタビリティを満たす隊列走行制御 (2023)
  • Author(s): 中井 椋太，橋本和宗，高井重昌
  • Organizer: 電子情報通信学会高信頼制御通信研究会
• [Presentation] ネットワーク化制御システムのための制御系設計：事象駆動制御と自己駆動制御 (2023)
  • Author(s): 橋本和宗
  • Organizer: 電子情報通信学会高信頼制御通信研究会
  • Invited
• [Presentation] SIRモデルに対する事象駆動型制御ポリシーの設計 (2023)
  • Author(s): 丁力辰，橋本和宗，高井重昌
  • Organizer: 第10回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
• [Presentation] 隊列走行のためのストリングスタビリティ制約付き安全制御 (2023)
  • Author(s): 熊本光宏，橋本和宗，高井重昌
  • Organizer: 第10回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
• [Presentation] サイバーフィジカルシステムを低コストで制御する機械学習技術の紹介 ～ 自動運転などにおける複雑なタスクをベクトルに変換しメモリ消費を低減 ～ (2022)
  • Author(s): 橋本和宗
  • Organizer: 電子情報通信学会IN研究会
  • Invited
• [Presentation] Learning-Based Iterative Optimal Control for Unknown Systems Using Gaussian Process Regression, European Control Conference (2022)
  • Author(s): Wataru Hashimoto, Kazumune Hashimoto, Yuga Onoue, Shigemasa Takai
  • Organizer: European Control Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Path planning for Lunar polar exploration: Bayesian network-based sensor modeling of neutron spectrometers and sampling-based optimal motion planning (2022)
  • Author(s): Yuki Mori, Kazumune Hashimoto
  • Organizer: AIAA Science and Technology Forum and Exposition
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] STL2vec: 複数のSTL仕様に対するRNNコントローラ設計のためのSTL埋め込みの学習 (2021)
  • Author(s): 橋本航，橋本和宗，高井重昌
  • Organizer: 第64回自動制御連合講演会
• [Remarks] Learning-based symbolic abstractions
  • URL: https://sites.google.com/view/kazumunehashimoto/%E7%A0%94%E7%A9%B6%E6%A5%AD%E7%B8%BE?authuser=0