| 研究課題/領域番号 |
18H01460
|
|---|
| 研究機関 | 東京工業大学 |
|---|
研究代表者 |
石井 秀明 東京工業大学, 情報理工学院, 准教授 (50376612)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | 制御システム / サイバーセキュリティ / 分散アルゴリズム / マルチエージェント系 / 合意問題 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究では制御工学の観点から，物理システムへの影響を考慮したセキュリティ対策の高度化を目指す．とくに大規模なネットワーク系の協調制御の枠組みの中で，悪意のある攻撃者によりデータ改ざんや異常な情報発信・通信妨害等が生じた場合にも所望のタスクを達成するレジリエントな遠隔制御や分散アルゴリズムを開発する．本年度は主に以下の3つの成果を得た．
① レジリエント合意(1)：合意達成のための分散アルゴリズムにおいて，異常に振舞うエージェントが含まれる場合に，その影響抑制のために外れ値に基づくレジリエントな手法を考案した．特にエージェント間の通信量の低減化を図るために事象駆動型通信を導入し，達成可能な合意レベルの解析を行った．エージェントが持つ状態が実数値および離散値の場合を扱った．
② 攻撃下のネットワーク化制御(1)：通信を介して遠隔でフィードバック制御するシステムに対するサイバー攻撃を考え，安定性および通信量への悪影響を解析した．とくに通信データがジャミングやDoS攻撃を受けた状況を考え，攻撃者はエネルギー制約を受けるものとした．通信レートを陽に考慮した場合や非線形システムに対して標準的な手法である線形化に基づく制御系設計を行った場合について議論した．
③ PageRank 分散計算：合意問題と理論的に関わりが深い問題である，検索エンジンで用いられるPageRankの分散計算を考えた．PageRank は各ウェブページの人気度を示す指標であり，Googleが検索結果に用いている．新たな分散計算法としてクラスターに基づくものを提案した．理論的に収束性を示すと共に数値実験も行った．
本年度は上記成果の一部を計測自動制御学会 International Symposium on Control Systems，第6回制御部門マルチシンポジウム(2019年3月，熊本）等で発表した．
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
制御理論の観点からネットワーク化システムのセキュリティに関して広く研究を進めることができた．すでに国際会議への投稿を済ませ，雑誌論文への投稿準備も進めている．さらに，引き続き取り組むべき課題が多くあり，次年度の新たな発展も期待できる．本研究では幅広いエージェント系のタスクに対して，高いセキュリティレベルを保証する分散アルゴリズムの枠組みを構築することを目標としている．こうした観点から，下記の課題にも取り組み，いくつか興味深い予備的な成果も得ている．
④ レジリエント合意(2)：この問題に対する新たなアプローチとして，２ホップ通信をする手法を開発した．分散アルゴリズムでは基本的に各エージェントは自身のデータを送信するが，ここでは近傍のデータも含めて情報交換を行う．その結果，アルゴリズムが必要とするネットワーク構造に関する条件を緩和することが示された．
⑤ レジリエント合意(3)：マルチエージェント系の問題において，攻撃下においてもネットワークが連結性を維持することは基本的な課題である．本研究ではゲーム理論の観点から，攻撃者と防御者がエージェント間の通信の妨害および復活を通じてネットワークの連結性に関する評価関数を争う問題を検討した．各プレーヤは攻撃・防御に必要なエネルギーが制約されており，最適な戦略を解析的に導出した．
⑥ エネルギー管理システムのセキュア化：複数のマイクログリッドから構成されるエネルギーシステムにおける電力卸市場の問題を考えた．分散型モデル予測制御を活用した場合に，一部のマイクログリッドがアルゴリズムを正常に実行しない場合のロバスト性向上を目指した．異常なグリッドの同定，確率的手法の適用による信頼性の確保等を実現した．
本研究では制御，分散アルゴリズム，セキュリティに関する学際的な研究を対象としているが，上記の研究の一部は国内外の共同研究を通じて得ている．
|
| 今後の研究の推進方策 |
今年度進めてきた，制御工学の観点に基づく大規模なネットワーク化システムのセキュリティ対策の研究を引き続き継続すると同時に，新たな方向性の研究も探っていく．上記で研究実績として挙げた課題については発展させ，並行して新たな課題にも取り組み，より高度な制御手法や分散アルゴリズムを開発する．とくに下記の理論的な課題に取り組む予定である．
1. レジリエント合意：基本的な合意問題の枠組みを超えて，異常エージェントが悪影響を及ぼし得るマルチエージェント系に対する他の分散アルゴリズムの課題に取り組む．検討しているのは，センサネットワークの時刻同期に対する振動子ネットワークモデルの基づくアプローチ，自律移動ロボット群による被覆問題，分散型最小二乗法に基づくロボット群によるソース探索問題等である．
2. 電力システムにおけるレジリエントな状態推定：電力システムのセキュリティの課題として分散的な状態推定問題を考え，ネットワーク内の観測値が改ざん攻撃を受けた場合にもロバストに推定性能を保証する手法を導出する．とくにロバスト性が高くなるよう，ネットワークを効率的に分割する課題が重要となる．
3. ネットワーク化制御：ジャミング攻撃により通信妨害を受けるネットワークを介した非線形システムの安定化の問題を考える．通信レートに制約がある場合への拡張を図る．利用可能な通信レートと安定化領域間のトレードオフが得られるものと期待される．
4. PageRank 分散計算：本年度開発したクラスタに基づく高速な分散計算法をより大規模な数値例に適用する．所属する東工大内のホームページのネットワークをクロールし，数万ページ規模のデータを用いて，従来法との性能比較を行う．
研究成果の発表については，制御工学，分散計算・アルゴリズム等の会議や雑誌へ投稿する．
|
