ビット反転を用いた宇宙機コンピュータシステム強化：プログラム進化による持続可能性

• 研究課題/領域番号: 16KT0103
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 特設分野
• 研究分野: 人工物システムの強化
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 高玉 圭樹 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20345367)
• 研究分担者: 原田 智広 立命館大学, 情報理工学部, 助教 (40755518)
• 研究期間 (年度): 2016-07-19 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2018年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2017年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2016年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 進化計算 / プログラム / ビット反転 / ローバ

研究成果の概要

本研究では，予期せぬ外的要因(センサ故障や環境変化など)及び内的要因(プログラムバグなど)に対して宇宙機に搭載されたコンピュータシステムを強化するために，宇宙線によるビット反転を利用したプログラム進化を考案した．また，提案手法の有効性を検証するために，宇宙探査ローバに着目し，進化したローバの制御プログラムを評価するとともに，システム強化のための機能設計を確立した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

・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．

研究成果

• [国際共同研究] University of Bristol(英国)
• [雑誌論文] Artificial Bee Colony Algorithm based on Adaptive Local Information Sharing meets multiple dynamic environments (2019)
  • 著者名/発表者名: Takano, R., Sato, H., and Takadama, K.
  • 雑誌名: SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration (JCMSI) 巻: Vol. 12, No. 1 号: 1 ページ: 1-10
  • DOI: 10.9746/jcmsi.12.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 相似な三角形に基づくクレータマッチングによるSLIM探査機の自己位置推定とその精度向上 (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: 航空宇宙技術 巻: 17 号: 0 ページ: 69-78
  • DOI: 10.2322/astj.JSASS-D-17-00011
  • NAID: 130006731199
  • ISSN: 1884-0477
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 木構造類似度を用いる多峰性遺伝的プログラミング (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田 修武，原田 智広，Thawonmas Ruck
  • 雑誌名: 計測自動制御学会論文集 巻: 54 号: 8 ページ: 640-649
  • DOI: 10.9746/sicetr.54.640
  • NAID: 130007437532
  • ISSN: 0453-4654, 1883-8189
  • 査読あり
• [雑誌論文] Machine-Code Program Evolution by Genetic Programming Using Asynchronous Reference-Based Evaluation Through Single-Event Upset in On-Board Computer (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada, T. and Takadama, K.
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 29 号: 5 ページ: 808-818
  • DOI: 10.20965/jrm.2017.p0808
  • NAID: 130007519782
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • 年月日: 2017-10-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recovery System Based on Exploration-Biased Genetic Algorithm for Stuck Rover in Planetary Exploration (2017)
  • 著者名/発表者名: Uwano, F., Tajima, Y., Murata, A., and Takadama, K.
  • 雑誌名: Journal of Robotics and Mechatronics 巻: 29 号: 5 ページ: 877-886
  • DOI: 10.20965/jrm.2017.p0877
  • NAID: 130007519878
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • 年月日: 2017-10-20
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deployment of Wireless Mesh Network Using RSSI-Based Swarm Robots Passing Narrow Corridor by Movement Function along Walls, (2016)
  • 著者名/発表者名: Hattori, K., Tatebe, N., Kagawa, T., Owada, Y., Shan, L., and Temma, K., Hamaguchi, K., and Takadama, K.
  • 雑誌名: Journal Artificial Life and Robotics 巻: 21(4) 号: 4 ページ: 434-442
  • DOI: 10.1007/s10015-016-0300-y
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 非同期進化的アルゴリズムにおける解の性質と評価時間の関係性による影響の分析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 原田智広
  • 雑誌名: 進化計算学会論文誌 巻: 7 号: 2 ページ: 46-55
  • DOI: 10.11394/tjpnsec.7.46
  • NAID: 130005277274
  • ISSN: 2185-7385
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Multimodal Genetic Programming Using Program Similarity Measurement and Its Application to Wall-Following Problem (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, S. Harada, T., and Thawonmas, R.
  • 学会等名: Genetic and Evolutionary Computation Conference 2019 (GECCO 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] How to Select Appropriate Craters to Estimate Location Accurately in Comprehensive Situations for SLIM Project (2019)
  • 著者名/発表者名: Uwano, F., Tatsumi, T., Murata, A., Takadama, K., Kamata, H., Ishida, T., Fukuda S., Sawai, S., and Sakai, S.
  • 学会等名: The 32nd International Symposium on Space Technology and Science (ISTS 2019) & 9th Nano-Satellite Symposium (NSAT)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 速水 陽平, 上野 史，高玉 圭樹
  • 学会等名: 計測自動制御学会，第46回知能システムシンポジウム
• [学会発表] An Improved Social-Spider Optimization Algorithm for Tracking Peak in Dynamic Environments (2019)
  • 著者名/発表者名: Takano, R. and Takadama, K.
  • 学会等名: The 24th International Symposium on Artificial Life and Robotics (AROB 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大伴 周也，磯林 知志，原田 智広，Thawonmas Ruck
  • 学会等名: 進化計算学会，第15回進化計算学会研究会
• [学会発表] 小型月着陸実証機SLIMの開発状況 (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第19回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2019)
• [学会発表] 高精度月着陸のための画像航法および自律誘導制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第19回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2019)
• [学会発表] A Study on Multimodal Genetic Programming Introducing Program Simplification (2018)
  • 著者名/発表者名: Murano, K., Yoshida, S., Harada, T., and Thawonmas, R.
  • 学会等名: Joint 10th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems and 19th International Symposium on Advanced Intelligent Systems (SCIS&ISIS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小林 亮太，岩瀬 拓哉，高野 諒，佐藤 寛之，高玉 圭樹
  • 学会等名: 進化計算学会，第12回進化計算シンポジウム 2018
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 高野 諒，高玉 圭樹
  • 学会等名: 進化計算学会，第12回進化計算シンポジウム 2018
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 原田 智広
  • 学会等名: 進化計算学会，第12回進化計算シンポジウム 2018
• [学会発表] Artificial Bee Colony Algorithm based on Adaptive Local Information Sharing: Approach for several dynamic changes (2018)
  • 著者名/発表者名: Takano, R., Sato, H., and Takadama, K.
  • 学会等名: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Multiple Swarm Intelligence Methods based on Multiple Population with Sharing Best Solution for Drastic Environmental Change (2018)
  • 著者名/発表者名: Umenai, Y., Uwano, F., Sato, H., and Takadama, K.
  • 学会等名: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Adaptive Asynchrony in Semi-Asynchronous Evolutionary Algorithm Based on Performance Prediction Using Search History (2018)
  • 著者名/発表者名: Harada, T.
  • 学会等名: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Crowding Distance based Promising Solution Selection in Surrogate Assisted Asynchronous Multi-Objective Evolutionary Algorithm (2018)
  • 著者名/発表者名: Harada, T., Kaidan, M., and Thawonmas, R.
  • 学会等名: Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会，第62回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会，第62回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] How to Detect Essential Craters in Camera Shot Image for Increasing the Number of Spacecraft Location Candidates while Improving Its Estimation Accuracy? (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Uwano, F., Tatsumi, T., Takadama, K., Kamata, H., Ishida, T., Fukuda, S., Sawai, S., and Sakai, S.
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Analyzing Triangle Matching Method Based on Craters for Spacecraft Localization (2018)
  • 著者名/発表者名: Uwano, F., Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Tatsumi, T., Murata, A., and Takadama, K.
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 村野 慧，吉田 修武，原田 智広，Thawonmas Ruck
  • 学会等名: 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
• [学会発表] How to Detect Essential Craters in Camera Shot Image for Increasing the Number of Spacecraft Location Candidates while Improving Its Estimation Accuracy?, (2018)
  • 著者名/発表者名: Takadama, K., (Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Uwano, F., Tatsumi, T., Kamata, H., Ishida, T., Fukuda S., Sawai, S., and Sakai, S.)
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Analyzing Triangle Matching Method Based on Craters for Spacecraft Localization (2018)
  • 著者名/発表者名: Uwano, F., (Ishii, H., Umenai, Y., Matsumoto, K., Tatsumi, T., Murata, A., and Takadama, K.)
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 原田 智広
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 小型月着陸実証機SLIMの開発状況 (2018)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 第18回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2018)
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 第18回 宇宙科学シンポジウム (SSS 2018)
• [学会発表] A Study of Self-Adaptive Semi-Asynchronous Evolutionary Algorith on Multi-Objective Optimization Problem (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada, T. (Takadama, K.)
  • 学会等名: Workshop on Parallel and Distributed Evolutionary Inspired Method in Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2017)
  • 発表場所: Berlin, Germany
  • 年月日: 2017-07-15
  • 国際学会
• [学会発表] Performance Comparison of Parallel Asynchronous Multi-Objective Evolutionary Algorithm with Different Asynchrony, (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada, T. (Takadama, K.)
  • 学会等名: 2017 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2017)
  • 発表場所: Donostia - San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2017-06-07
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 高玉 圭樹 (原田 智広)
  • 学会等名: 第61回システム制御情報学会研究発表講演会 (SCI2017)
  • 発表場所: 京都テルサ（京都府京都市）
  • 年月日: 2017-05-24
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 原田 智広
  • 学会等名: 進化計算シンポジウム2017
• [学会発表] Multimodal Genetic Programming by Using Tree Structure Similarity Clustering (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, S., (Harada, T. and Thawonmas, R.)
  • 学会等名: IEEE 10th International Workshop on Computational Intelligence and Applications (IWCIA 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] SLIM画像照合航法(クレータ検出) (2017)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 第61回宇宙科学技術連合講演会，日本航空宇宙学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 第61回宇宙科学技術連合講演会，日本航空宇宙学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉田 修武，(原田 智広，ターウォンマット ラック)
  • 学会等名: 第13回進化計算学会研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 海段 美紗希，(原田 智広，ターウォンマット ラック)
  • 学会等名: 第13回進化計算学会研究会
• [学会発表] A Study of Self-Adaptive Semi-Asynchronous Evolutionary Algorithm on Multi-Objective Optimization Problem (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada, T. (and Takadama, K.)
  • 学会等名: Workshop on Parallel and Distributed Evolutionary Inspired Method in Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Integrating Surrogate Evaluation Model and Asynchronous Evolution in Multi-Objective Evolutionary Algorithm for Expensive and Different Evaluation Time (2017)
  • 著者名/発表者名: Kaidan, M. (Harada, T., and Thawonmas, R.)
  • 学会等名: Workshop on Parallel and Distributed Evolutionary Inspired Method in Genetic and Evolutionary Computation Conference (GECCO 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 原田 智広，(高玉 圭樹)
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Performance Comparison of Parallel Asynchronous Multi-Objective Evolutionary Algorithm with Different Asynchrony (2017)
  • 著者名/発表者名: Harada, T. (and Takadama, K.)
  • 学会等名: 2017 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 高玉 圭樹，(原田 智広)
  • 学会等名: 第61回システム制御情報学会研究発表講演会 (SCI2017)
  • 招待講演
• [学会発表] The Robust Spacecraft Location Estimation Algorithm Toward The Misdetection Crater and The Undetected Crater in SLIM, (2017)
  • 著者名/発表者名: 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.)
  • 学会等名: The 31th International Symposium on Space Technology and Science (ISTS2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 原田智広
  • 学会等名: 進化計算シンポジウム2016，進化計算学会
  • 発表場所: 一宮シーサイドオーツカ（千葉県長生郡）
  • 年月日: 2016-12-11
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 上野 史 (村田 暁紀，高玉 圭樹)
  • 学会等名: 計測自動制御学会，システム・情報部門 学術講演会 2016 (SSI2016)
  • 発表場所: ウカルちゃんアリーナ（滋賀県大津市）
  • 年月日: 2016-12-07
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 原田智広
  • 学会等名: 計測自動制御学会，システム・情報部門 学術講演会 2016 (SSI2016)
  • 発表場所: ウカルちゃんアリーナ（滋賀県大津市）
  • 年月日: 2016-12-07
• [学会発表] 小型月着陸実証機「SLIM」プロジェクトの概要, (2016)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • 年月日: 2016-09-08
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • 年月日: 2016-09-08
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • 年月日: 2016-09-08
• [学会発表] クレータを用いた画像航法アルゴリズムの統合評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 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)
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会，第60回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 函館アリーナ（北海道函館市）
  • 年月日: 2016-09-08
• [産業財産権] 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)
  • 発明者名: 高玉 圭樹，石井 晴之, 上野 史
  • 権利者名: 国立大学法人 電気通信大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-106820
  • 出願年月日: 2018
  • 取得年月日: 2018