分散協調における相互作用――通信，移動，観測の役割の解明――

• Project/Area Number: 18H03202
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60010:Theory of informatics-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 山内 由紀子 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (10546518)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 分散アルゴリズム / 自己組織化 / モバイルロボット / ドローン / モバイルロボット群 / モジュールロボット / 分散協調 / 分散システム / モバイル計算主体群 / 相互作用 / 匿名性 / 対称性 / 自律適応性 / 局所性 / 移動性

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，計算主体間の相互作用が分散協調において果たす役割の解明である．従来の分散システムモデルで想定されていた計算機間のメッセージ通信だけではなく，ロボット群などのモバイル計算主体群モデルにおける移動や観測など，様々な相互作用を研究対象とすることで，単一の分散システムモデルでは発見できなかった分散協調の原理を系統的，効率的に発見することを目指し，(i) 計算主体の匿名性により生じる対称性と相互作用の関係の解明，(ii) 観測や移動による相互作用の局所性，並列性に対して，記憶が果たす役割の解明，(iii) 簡潔な分散アルゴリズムの実現に取り組む.
令和4年度と研究費繰越を行った令和5年度は(ii)，(iii) に取り組み，以下の結果を得た．(a)自律的に移動するモバイルロボット群によって，オブジェクトの欠損部分を充填し，オブジェクトの凸包を形成する分散アルゴリズムを得た．この成果は，円盤状のロボット自身やオブジェクトが観測の妨げとなる状況下での分散協調の可能性を示した．(b)モバイルロボットが自覚できない故障の程度などをロボットの色と考え，ロボットを色ごとに分離する分散アルゴリズムを得た．この手法は，モバイルロボット群システムの自己診断や自己修復への応用が期待できる. (c)自律的に移動するモジュールが集合的に形成するモジュールロボット2台が，フィールド中を移動しながら集合するランデブー問題について，分散アルゴリズムを得るとともに，ランデブー問題を解くために必要なモジュール数や観測範囲を示した．この結果は，複数のモジュールロボットの分散協調を初めて提案し，さらに，ランデブー問題を解くために必要なモジュールロボットの状態数(メモリ)や相互作用の程度を示すものである．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画で挙げていた以下の2つの課題について成果を挙げている．(i) モジュールロボットの新しい分散協調問題としてランデブー問題を提案し，解法とともに，問題を解くために必要な記憶や相互排除の程度を明らかにした．(ii) モバイルロボット群の分離問題を提案し，解法を示した．特に，(ii) については国際会議で口頭発表を行った．
さらに，相互作用，つまり観測の妨げとなるロボットの体積やオブジェクトを想定した凸包充填問題についても解法を提案し，成果を挙げている．

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究成果を迅速に国際会議，論文誌に投稿する．これまでの研究成果をもとに，最終年度では従来のモバイル計算主体群の計算モデルにハードウェア特有のバッテリ制約やセンシングの誤差，通信などの機能を取り入れ，分散アルゴリズムの提案や分散協調の限界を示す．

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Ottawa/Carleton University(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Sapienza University(イタリア)
• [Int'l Joint Research] University of Ottawa/Carleton University(カナダ)
• [Journal Article] Distributed computing theory for molecular robot systems (2020)
  • Author(s): Yukiko Yamauchi
  • Journal Title: New Generation Computing Volume: 38 Issue: 2 Pages: 325-340
  • DOI: 10.1007/s00354-020-00092-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shape formation by programmable particles (2020)
  • Author(s): Giuseppe A. Di Luna, Paola Flocchini, Nicola Santoro, Giovanni Viglietta, and Yukiko Yamauchi
  • Journal Title: Distributed Computing Volume: 33 Issue: 1 Pages: 69-101
  • DOI: 10.1007/s00446-019-00350-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Team Assembling Problem for Asynchronous Heterogeneous Mobile Robots (2018)
  • Author(s): Zhiqiang Liu, Yukiko Yamauchi, Shuji Kijima, and Masafumi Yamashita
  • Journal Title: Theoretical Computer Science Volume: 721 Pages: 27-41
  • DOI: 10.1016/j.tcs.2018.01.009
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 2台のモジュールロボットの集合と結合について (2024)
  • Author(s): 宇佐美智之
  • Organizer: 火の国情報シンポジウム2024
• [Presentation] ファットロボットによる三角形欠損の充填を用いた凸包充填 (2023)
  • Author(s): 上村 智哉
  • Organizer: 第192回アルゴリズム研究会
• [Presentation] 色付きロボットの分離問題 (2023)
  • Author(s): 清家 広和
  • Organizer: 第192回アルゴリズム研究会
• [Presentation] Distributed Computation by Mobile Robots (2023)
  • Author(s): Yukiko Yamauchi
  • Organizer: The 20th International Conference on Unconventional Computation and Natural Computation (UCNC 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Separation of Unconscious Colored Robots (2023)
  • Author(s): Yukiko Yamauchi
  • Organizer: The 25th International Symposium on Stabilization, Safety, and Security of Distributed Systems (SSS 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 色付きロボットの分離問題 (2023)
  • Author(s): 清家 広和
  • Organizer: 第192回アルゴリズム研究発表会
• [Presentation] 積み上がるモジュールロボットによる2次元平面上の探索問題 (2022)
  • Author(s): 宇佐美 智之
  • Organizer: 第 18 回情報科学ワークショップ
• [Presentation] Gathering on a Circle with Limited Visibility by Anonymous Oblivious Robots (2020)
  • Author(s): Giuseppe A. Di Luna, Ryuhei Uehara, Giovanni Viglietta, and Yukiko Yamauchi
  • Organizer: The 34th International Symposium on Distributed Computing (DISC 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Network Creation Games with Local Information and Edge Swaps (2020)
  • Author(s): Shotaro Yoshimura and Yukiko Yamauchi
  • Organizer: The 27th International Colloquium on Structural Information and Communication Complexity (SIROCCO 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 通信リンクのブロックによる移動故障エージェントの封じ込め (2020)
  • Author(s): 半澤 陽，山内 由紀子
  • Organizer: 第16回情報科学ワークショップ
• [Presentation] モジュールロボットによる3次元格子空間の探索 (2020)
  • Author(s): 山田 凌乃介，山内 由紀子
  • Organizer: 第16回情報科学ワークショップ
• [Presentation] 無記憶な非同期ロボット群による平面形成 (2020)
  • Author(s): 山内 由紀子
  • Organizer: 2019年度 冬のLAシンポジウム
• [Presentation] On the swap game with local information (2019)
  • Author(s): Yukiko Yamauchi
  • Organizer: Shonan Meeting 162
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] モバイルビザンチン故障の封じ込めと合意形成 (2019)
  • Author(s): 半澤 陽，山内 由紀子
  • Organizer: 第173回アルゴリズム研究会
• [Presentation] Plane Formation by Synchronous Mobile Robots in the Three-Dimensional Euclidean Space (2019)
  • Author(s): 山内由紀子，上原太一，来嶋秀治，山下雅史
  • Organizer: コンピュテーション研究会
  • Invited
• [Presentation] 局所性を考慮した辺交換によるネットワーク構成ゲーム (2019)
  • Author(s): 吉村 正太郎，山内 由紀子
  • Organizer: 2018年度 冬のLAシンポジウム
• [Presentation] n×c型2部グラフ上のパリティゲームに対するアルゴリズム (2019)
  • Author(s): 吉村 純弥，山内 由紀子， 来嶋 秀治
  • Organizer: 2018年度 冬のLAシンポジウム
• [Presentation] 通信リンクのブロックと切断によるモバイルビザンチン故障の封じ込めと合意形成 (2019)
  • Author(s): 半澤 陽，山内 由紀子
  • Organizer: 火の国情報シンポジウム2019
• [Presentation] Swap Games by Pessimistic Players with Local Knowledge (2018)
  • Author(s): Shotaro Yoshimura and Yukiko Yamauchi
  • Organizer: The 21st Japan & Korea Joint Workshop on Algorithms and Computation (WAAC 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2xn型2部グラフ上のパリティゲームに対する多項式時間アルゴリズム (2018)
  • Author(s): 吉村純弥，山内由紀子，来嶋秀治
  • Organizer: 本オペレーションズリサーチ学会九州支部事業・若手OR交流会
• [Presentation] 分散システムにおける自己組織化 (2018)
  • Author(s): 山内由紀子
  • Organizer: 群体数理検討会
  • Invited
• [Book] Distributed Computing by Mobile Entities, Current Research in Moving and Computing (2019)
  • Author(s): Paola Flocchini, Giuseppe Prencipe, and Nicola Santoro
  • Total Pages: 683
  • Publisher: Springer