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2016 Fiscal Year Research-status Report

事象駆動型量子化制御に基づく通信制御系の縮退運転アルゴリズム

Research Project

Project/Area Number 15K06134
Research InstitutionThe University of Electro-Communications

Principal Investigator

澤田 賢治  電気通信大学, i-パワードエネルギー・システム研究センター, 准教授 (80550946)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords制御工学 / サイバーセキュリティ / サイバーフィジカルシステム
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,通信制御系のためのセキュリティ技術を量子化制御の観点から与えるものである.H27年度に続き,H28年度も2つの方向性から研究を進めた.
第一に,制御システムの状態遷移を離散事象システムでモデル化し,サイバー攻撃による状態異常を検出する方法である.モデル化対象は制御システム内のフィールド機器とコントローラの2つを考慮した.離散事象システムに基づくオブザーバを効率的に適用するために,モデルの低次元化をカルマン正準分解の観点から与えた.また,複数の異常検出器が制御系内に介在するとき,異常検出の競合を避けるため,仲介者攻撃が存在する状況でのネットワークを介した協調型状態推定方法も与えた.また,制御システムのライフサイクルを考慮した防御技術では,保守運転から通常運転への復帰プロセスを考慮した異常検出器の構築が可能となった.
カルマン正準分解に基づく方法に関しては,制御システムのソフトウェアの構造解析への横展開を実現している.この際,モデル化対象はC言語ソースをコンパイル時に発生する制御フローグラフである.同手法では,タスクの静的な実行順序表現をペトリネットにより動的な実行順序表現に変換している.これにより,システムの遷移状態によっては実行されないタスクを洗い出し,正規コマンドの乗っ取りや改ざんに流用されないように無駄なスクリプトの削除に貢献できるものとなっている.
第二に,コントローラに実装されるホワイトリスト型異常検出方法を与えた.Programmable Logic Controller を対象に,制御機器用のプログラミング言語で実装可能な異常検出方法をペトリネットから考慮した.結果として,フィールド機器の実行順序を踏まえたペトリネットかプログラミング言語への変換方法を与えた.システム応答時間やフィールド機器の連続ダイナミクス特性への対応はH29年度の内容となる.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

実機実験において,H27年度は中間者攻撃だけを想定していたが,H28年度はDoS攻撃やプログラム改変への対応が可能となっている.本内容は,H28年度の段階で論文投稿中であり,条件付き採録になっている.通信路上の攻撃下での複数異常検出器の協調推定は量子化制御と離散事象システムの融合の結果得られたものであり,当初の研究成果では予定していないものである.また,ソフトウェアのコード解析において動的モデリング導入によるタスク分類化も当初の予定にないものである.Programmable Logic Controllerのような産業用コントローラを踏まえた異常検出器の実装も可能となった.以上により,本研究は当初の計画以上に進展していると判断できる.

Strategy for Future Research Activity

縮退運転アルゴリズムの理論研究では,異常検出器のメモリ量と検出精度,並びに縮退運転後の性能劣化量の解析に従事する.これらに関しては,不変集合に基づく次数指定型量子化器の数値設計の観点から進める.通信路上の攻撃がある下での複数機器の協調稼働に関しては,より本質的な性能解析のためにリーダー・フォロワー問題に帰着し,協調稼働が可能な通信レート解析を実施する.ソフトウェアのコード解析においては,プログラムモジュールへの対応やプログラム更新後の安全性解析への展開を考える.コントローラ用の異常検出アルゴリズムでは,フィールド機器のシステム応答時間や連続ダイナミクスへの対応となる.

Causes of Carryover

科研費利用を想定した海外開催の国際学会1件が受理されなかったため,その分の予算を利用しなかった.また,低性能CPUを想定した異常検出アルゴリズムを開発できたため,研究室の既存設備の低性能Programmable Logic Controllerによる実機検証が可能になった.これにより,高性能Programmable Logic Controllerを購入する必要がなくなった.

Expenditure Plan for Carryover Budget

学術論文の投稿費と英語論文の校閲費に当てる.また,海外の国際学会への再投稿を行う.

  • Research Products

    (13 results)

All 2017 2016

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Dynamic Quantizer Design under Communication Rate Constraints2016

    • Author(s)
      Hiroshi Okajima, Kenji Sawada, Nobutomo Matsunaga
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Automatic Control

      Volume: 61 Pages: 3190-3196

    • DOI

      10.1109/TAC.2015.2509438

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] カルマン正準分解に基づいたソフトウェアのモデル検査について2017

    • Author(s)
      塚田健人,岸田貴光,澤田賢治,新誠一
    • Organizer
      第4回制御部門マルチシンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山大学(岡山県岡山市)
    • Year and Date
      2017-03-06 – 2017-03-09
  • [Presentation] カルマン正準分解を用いた自律移動ロボットの無瞬断更新に関する研究2017

    • Author(s)
      岸田貴光,塚田健人,澤田賢治,新誠一
    • Organizer
      第4回制御部門マルチシンポジウム
    • Place of Presentation
      岡山大学(岡山県岡山市)
    • Year and Date
      2017-03-06 – 2017-03-09
  • [Presentation] 制御システムのためのモデルベースセキュリティ技術2017

    • Author(s)
      澤田賢治
    • Organizer
      制御システムセキュリティカンファレンス2017
    • Place of Presentation
      コクヨホール(東京都品川区)
    • Year and Date
      2017-02-21 – 2017-02-21
    • Invited
  • [Presentation] Control of self-organizing robots with switching role: Addition of robots in the multi columns formation moving2017

    • Author(s)
      Yuta Ueda, Kenji Sawada, Seiichi Shin
    • Organizer
      AROB 22th 2017
    • Place of Presentation
      B-Con PLAZAI(大分県別府市)
    • Year and Date
      2017-01-18 – 2017-01-20
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] EddyStone-URLを用いた行方不明者捜索システムの開発2017

    • Author(s)
      高橋すみか・上野里奈・川喜田佑介・澤田賢治・新 誠一・市川晴久
    • Organizer
      知的環境とセンサネットワーク研究会
    • Place of Presentation
      別府 花菱ホテル(大分県別府市)
    • Year and Date
      2017-01-18 – 2017-01-19
  • [Presentation] Quantized control based on invariant set analysis2016

    • Author(s)
      Kenji Sawada
    • Organizer
      SEMINAIRE DE L'EQUIPE MAC (LAAS-CNRS)
    • Place of Presentation
      フランス,ツールーズ
    • Year and Date
      2016-09-22 – 2016-09-22
    • Invited
  • [Presentation] Brake force distribution optimization using simultaneous perturbation stochastic approximation2016

    • Author(s)
      Kenta Tamura, Kenji Sawada, Seiichi Shin
    • Organizer
      SICE Annual Conference
    • Place of Presentation
      筑波大学(茨木県つくば市)
    • Year and Date
      2016-09-20 – 2016-09-23
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multiple Agents Maze Exploration with Deadlock Avoidance2016

    • Author(s)
      Yukari Mochizuki, Kenji Sawada, Seiichi Shin
    • Organizer
      SICE Annual Conference
    • Place of Presentation
      筑波大学(茨木県つくば市)
    • Year and Date
      2016-09-20 – 2016-09-23
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 制御システムのためのモデルベースセキュリティ技術2016

    • Author(s)
      澤田賢治
    • Organizer
      電気学会電子・情報・システム部門大会
    • Place of Presentation
      神戸大学(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2016-08-31 – 2016-09-03
  • [Presentation] ペトリネットに基づく制御システムのモデルベースセキュリティインシデント解析2016

    • Author(s)
      望月明典,澤田賢治,新誠一,細川嵩,奥村剛
    • Organizer
      電気学会電子・情報・システム部門大会
    • Place of Presentation
      神戸大学(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2016-08-31 – 2016-09-03
  • [Presentation] A Toolchain on Model Checking SPIN via Kalman Decomposition for Control Systems Software2016

    • Author(s)
      Kento Tsukada, Kenji Sawada, Seiichi Shin
    • Organizer
      2016 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE)
    • Place of Presentation
      フォートワース,テキサス
    • Year and Date
      2016-08-21 – 2016-08-24
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 制御系セキュリティのためのモデルベース技術2016

    • Author(s)
      澤田賢治
    • Organizer
      2016年5月高信頼制御通信研究会
    • Place of Presentation
      機械振興会館 (東京都港区)
    • Year and Date
      2016-05-13 – 2016-05-13
    • Invited

URL: 

Published: 2018-01-16  

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