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動的スパースモデリング理論によるネットワーク系の最適ノードスケジューリング

研究課題

研究課題/領域番号 21K14188
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分21040:制御およびシステム工学関連
研究機関北九州市立大学

研究代表者

池田 卓矢  北九州市立大学, 国際環境工学部, 准教授 (00848319)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワードスパース制御 / 最適制御 / ネットワークシステム / ノード選択 / 可制御性 / 凸最適化 / マルチエージェントシステム / スパースモデリング / マルトエージェントシステム / ネットワーク化制御 / 省エネルギー / ネットワーク系 / 分散制御 / 最適化理論
研究開始時の研究の概要

本研究では,ネットワークを有する大規模系のための動的スパースモデリング理論を構築し,省エネルギーの観点から高効率なノードスケジューリング手法を提案する.具体的には,以下の研究計画に基づき,その理論の構築と実機実験による有効性の検証を行う.
(1)可制御性能に注目した最適ノードスケジューリング手法の理論的解析
(2)高速な数値計算アルゴリズムの開発
(3)無人航空機による省エネルギーの検証実験

研究成果の概要

スパース性制約下における可制御性グラミアンの最大化問題について,その最適解の数理的性質の解明と高効率な数値解法の提案を行った.まず,可制御性リアプノフ微分方程式を用いた可制御性グラミアンの表現方法を利用し,本問題がある最適制御問題として等価に表現可能であることを示した.そして,これに最大原理を適用することで,最適解の必要条件を導出した.この性質にもとづき,本問題が凸最適化問題と等価となる条件を導出した.次に,可到達集合に外接する平行体を特徴付け,これを介して近似指標の定量化を行った.本手法を用いた近似解法では,凸緩和手法による解法と比較すると解の品質は劣るが,計算量的負荷が少ない長所がある.

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で考察する動的スパースモデリングは理論的に新しいだけでなく,省エネルギーと通信制約を同時に最適化に取り入れた制御理論として学術的意義がある.また,本研究の応用範囲には無人航空機により構成されるマルチエージェントシステムの制御が含まれ,農業における農薬散布や航空写真の撮影等の産業的な応用のほか,巨大地震や広域火災などによる災害調査や探索などの急務かつ重要な応用がある.そのほか,ネットワークを内部に有する大規模系の設計理論は,制御理論分野のみならず情報工学や脳神経科学等の多岐にわたる分野に応用があり,その理論の確立により先端技術の発展が期待できる.

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 8件)

  • [雑誌論文] Matrix Pontryagin principle approach to controllability metrics maximization under sparsity constraints2024

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Takuya、Ohtsuka Tomofumi、Kashima Kenji
    • 雑誌名

      Automatica

      巻: 164 ページ: 111655-111655

    • DOI

      10.1016/j.automatica.2024.111655

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ネットワークトポロジーの最適設計2024

    • 著者名/発表者名
      池田卓矢
    • 雑誌名

      システム/制御/情報

      巻: 68 ページ: 212-217

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] ネットワークシステムのためのスパース最適制御2023

    • 著者名/発表者名
      加嶋 健司、池田 卓矢
    • 雑誌名

      システム/制御/情報

      巻: 67 号: 10 ページ: 408-413

    • DOI

      10.11509/isciesci.67.10_408

    • ISSN
      0916-1600, 2424-1806
    • 年月日
      2023-10-15
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Sparse control node scheduling in networked systems based on approximate controllability metrics2022

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Takuya、Kashima Kenji
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Control of Network Systems

      巻: - 号: 3 ページ: 1-1

    • DOI

      10.1109/tcns.2022.3154666

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Resource-aware time-optimal control with multiple sparsity measures2022

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Takuya、Nagahara Masaaki
    • 雑誌名

      Automatica

      巻: 135 ページ: 109957-109957

    • DOI

      10.1016/j.automatica.2021.109957

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Constrained Smoothing Splines by Optimal Control2022

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Takuya、Nagahara Masaaki、Chatterjee Debasish、Srikant Sukumar
    • 雑誌名

      IEEE Control Systems Letters

      巻: 6 ページ: 1298-1303

    • DOI

      10.1109/lcsys.2021.3092638

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Multiple sparsity constrained control node scheduling with application to rebalancing of mobility networks2021

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Takuya、Sakurama Kazunori、Kashima Kenji
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Automatic Control

      巻: - 号: 8 ページ: 1-1

    • DOI

      10.1109/tac.2021.3115441

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Maximum Hands-Off Control With Time-Space Sparsity2021

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Takuya、Nagahara Masaaki
    • 雑誌名

      IEEE Control Systems Letters

      巻: 5 号: 4 ページ: 1213-1218

    • DOI

      10.1109/lcsys.2020.3023265

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Sparse structure learning for consensus network systems via sum-of-absolute-values regularization2023

    • 著者名/発表者名
      Matsuzaki Fumiya、Yotsumoto Rio、Ikeda Takuya
    • 学会等名
      62nd Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Sparse network identification for consensus discrete-time systems2023

    • 著者名/発表者名
      Takuya Ikeda, Kenji Kashima
    • 学会等名
      IFAC World Congress
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On numerical solution to sparsity constrained controllability metrics maximization2022

    • 著者名/発表者名
      Tomofumi Ohtsuka, Takuya Ikeda, Kenji Kashima
    • 学会等名
      SICE Annual Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Matrix Pontryagin principle approach to controllability metrics maximization under sparsity constraints2022

    • 著者名/発表者名
      Tomofumi Ohtsuka, Takuya Ikeda, Kenji Kashima
    • 学会等名
      International Symposium on Mathematical Theory of Networks and Systems
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Resource-aware time-optimal control with multiple sparsity measures2022

    • 著者名/発表者名
      Takuya Ikeda, Masaaki Nagahara
    • 学会等名
      IFAC Symposium on Robust Control Design
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] スパース性制約付き可制御性最大化問題の可制御性リアプノフ微分方程式に基づく解法2022

    • 著者名/発表者名
      大塚智文, 池田卓矢, 加嶋健司
    • 学会等名
      第66回システム制御情報学会研究発表講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Optimal time-varying topology for network systems2022

    • 著者名/発表者名
      Takuya Ikeda, Kenji Kashima
    • 学会等名
      13th Asian Control Conference
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Distributed formation control for discrete-time systems with field of view constraint2022

    • 著者名/発表者名
      Fumiya Matsuzaki, Takuya Ikeda
    • 学会等名
      13th Asian Control Conference
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Data-driven optimal control for discrete-time linear systems2022

    • 著者名/発表者名
      Shota Nomasa, Takuya Ikeda
    • 学会等名
      13th Asian Control Conference
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] スタッフの移動ダイナミクスを考慮したワンウェイ型カーシェアリングサービスにおけるスパースリバランシング2021

    • 著者名/発表者名
      安田俊平, 池田卓矢, 櫻間一徳, 加嶋健司
    • 学会等名
      第64回自動制御連合講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 最適制御による平滑化スプライン2021

    • 著者名/発表者名
      永原正章, 池田卓矢
    • 学会等名
      第36回信号処理シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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