2015 Fiscal Year Annual Research Report
大規模ネットワーク化系のための制御論的セキュリティ対策の確立
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15H04020
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
石井 秀明 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (50376612)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 制御理論 / 制御システム / サイバーセキュリティ / マルチエージェントシステム / 分散アルゴリズム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ネットワーク化された大規模制御系に対するサイバー攻撃とその情報セキュリティ対策を制御理論の観点に基づいて考える．今年度は，エージェント系の合意問題において一部エージェントが異常に振舞う場合を検討した．また，エージェント系に関する情報が匿名性を持つ場合の状態推定も並行して研究した．主な結果は以下の3つにまとめられる．
① レジリエントな合意アルゴリズムを構築した．ここでは一部の悪意のあるエージェントが正常なエージェントの合意を妨害すべく行動する．正常エージェントは近傍の情報の内，非常に大きな値もしくは小さな値を外れ値として無視する単純なアルゴリズムを実装した．さらに無線センサネットワークの時刻同期のレジリエント化に応用した．
② 上記のレジリエントな合意アルゴリズムでは，エージェントが持つ値は実数であるが，これを整数値の場合に拡張した．とくに各エージェントが更新を行う時刻を確率的に決定するゴシップ通信の仕組みを導入し，グラフのロバスト性に関するタイトな条件を導出した．
③ 複数の線形システムから構成されるアンサンブル系に対して初期状態の推定問題を考えた．アンサンブル系で得られる観測値は匿名性を有し，各システムと各出力の間の関係は未知である．本研究ではシステム間で情報交換がある場合を検討した．
主に理論研究を進めたが，有効性の検証はシミュレーション実験を通じて行った．今年度は以上の結果の一部を IFAC Workshop NecSys (9月，Philadelphia, USA)，Int. Symp. on Swarm Behavior and Bio-Inspired Robotics (10月，京都)，計測自動制御学会 第3回制御部門マルチシンポジウム(3月，名古屋)などで発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
大規模なネットワーク化システムに関して，攻撃による異常情報もしくは匿名性に起因する情報欠落が含まれる場合について，広く研究を進めることができた．上記の研究実績で挙げた課題①～③の研究結果は，いずれも本研究で目指す方向に沿ったものである．次年度に引き続き取り組むべき課題が多く残されており，新たな発展が期待される．当初，研究計画で検討を予定していた課題で，遅れ気味なのは，実験による検証の内，センサネットワークの構築である．レジリエントな時刻同期に関する理論的な検討が長引いたためである．これについては引き続き取り組む予定である．
一方で，ネットワーク化制御に関する基礎的な課題について，いくつか興味深い成果を得ている．
④ 近年，制御系のために用いる通信量を削減する目的で研究されている事象・自己駆動型制御について新たな手法を提案した．とくにリアルタイムに制御器で必要となる計算量の面で効率的なアプローチとなっているが，これは状態空間を2次元空間に写像することで実現している．
⑤ 制御対象に不確かさが含まれる場合に，通信の削減を実現する量子化制御手法についても検討を進めており，一定の成果を得ている．信号値を離散化する量子化器が持つ粗さは通信量を左右する指標となるが，通信中にデータ損失も起きうる状況下で，いかに粗い情報で制御目的を達成できるかという課題に解析的に取り組んだ．
⑥ 大規模な制御系において分散的な制御器を用いる際に，制御器間の通信を削減する手法を検討した．とくに情報交換が必要な制御器の組を求めるのに，Googleの検索エンジンにおいてウェブページの重要度を示す PageRank に基づくアルゴリズムを提案した．灌漑用水路の水量制御の問題に適用し，有効性を確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度進めてきた大規模システムに対するサイバーセキュリティ対策に関する研究の方向性を強化するとともに，新しい発展を目指す．とくに本研究ではセキュリティ対策の通信量と計算量の面での効率性の向上も目的に掲げているので，力を注ぎたい．上記の研究実績で挙げた課題については継続して検討する．並行して新たな課題にも取り組み，より高度なアルゴリズム構築やその解析を行う．
1. 理論構築：(1-A) レジリエントな合意：計算・通信量の低減化 ③ 目的の緩和：分散アルゴリズムの構成が難しい問題設定については，目的を厳密な合意から緩和する方向で検討する．一定の誤差範囲での近似的な合意や，集中的にブロードキャストされる信号の使用等を検討する．とくに悪意性の高い故障・攻撃を想定したビザンチン合意に対する技法を活用する．
(1-B)レジリエントな合意：より高次のエージェント系へ：① ロバストグラフに基づく解析：各エージェントが高次の動特性を持つ場合へと拡張を図る．まずロバスト性を持つネットワークを考え，その後より冗長性が低い場合を検討する．とくに自律移動ロボット群の応用において，妥当な問題設定や更新則の導出を目指す．
(2) アンサンブル系の解析 ② 状態推定問題：初年度の結果に基づき，エージェント系の出力が匿名性を持つ場合の状態推定器の設計手法を確立する．観測ノイズの影響抑制と分散化による計算量の低減化について詳細に検討する．
(3) 改ざん情報に基づくネットワーク化制御：① 通信レートの変動：サイバー攻撃によって，ネットワーク上の通信量が大きく変動する場合を考える．通信が可能な時間帯に，冗長な制御・観測信号を送信することで対応するプロトコルとフィードバック制御器の設計手法を提案する．
研究発表：理論的な成果については，前年度と同様の会議での発表を行う．また，研究成果をまとめ，雑誌への投稿を行う．
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Research Products
(17 results)
