【研究成果】モジュールごとの自律分散制御による大規模ネットワークの安全な運用手法を構築-多様なIoTネットワーク設計への応用に期待-

闭じる

Home
工学部第一類 (機械?輸送?材料?エネルギー系)
【研究成果】モジュールごとの自律分散制御による大規模ネットワークの安全な運用手法を構築-多様なIoTネットワーク設計への応用に期待-

【研究成果】モジュールごとの自律分散制御による大規模ネットワークの安全な運用手法を構築-多様なIoTネットワーク設計への応用に期待-

本研究成果のポイント

単调性(＊1)と呼ばれる特性を利活用し、モジュールごとに自律的な分散管理を行うことで、ネットワークの拡大に伴う情报量の爆発的な増加を防ぎ、大规模ネットワークのリアルタイム制御を可能にする手法を开発。
最先端の安定解析论である确率颁辞苍迟谤补肠迟颈辞苍理论(＊2)に単调性の概念を组み込み、理论条件を简単化して、非线形性と确率性が相互作用するモジュールの安定解析とネットワーク全体の安定性を実现。
モジュールの追加や削除にも柔软な対応が可能であり、电力の安定供给や渋滞のない交通などを実现できる电力ネットワークや交通ネットワークなどの设计への応用が期待。

概要

　広島大学大学院先進理工系科学研究科の河野佑准教授と京都大学大学院工学研究科の細江陽平准教授からなる研究グループは、大規模ネットワークの自律分散運用を実現する制御技術を構築しました。高度に複雑化するネットワークにも対応するため、非線形確率システム(＊3)と呼ばれる一般的な数式表現を基盤とし、確率 Contraction 理論を発展させました。具体的には、単調性と呼ばれる特性を活用することで、ネットワーク全体の安定性解析をモジュールごとの解析に分解することに成功しました。これにより、従来の確率 Contraction 理論が課題としていたモジュール数の増加に伴う計算量爆発(答えを出すために必要な計算量や時間が膨大となり、現実的には答えにたどり着けないような状態)を回避し、実現可能な安定解析を可能にしました。提案理論は、分散運用可能なIoTネットワークの設計への応用が期待できます。
　本研究成果は、2025年2月18日に学術専門誌IEEE Transactions on Automatic Control のEarly Access版に掲載されました。

背景

　従来、システム制御で扱う対象は、発電機のような個別の要素(モジュール)が主流でした。しかしながら、近年では、IoT(Internet of Things)技術の発展に伴い対象がネットワーク化してきています。例えば、複数の発電機や家庭が送電線によって物理的に、またスマートメータによって情報的に結合された電力系統(図1)のように、複数のモジュールがネットワーク結合されたシステムを対象とする機会が増えています。このようなネットワークのリアルタイム制御を単一の管理者が集中的に行う集中制御方式では、モジュール数の増加に伴い、扱う情報量や計算量が爆発的に増加するため、実装が困難になりつつあることが指摘されています。
　その解决策として、モジュールごとに自律的な分散管理を行うアイデアが提唱されていますが、モジュール自体の高度化と复雑化により、その実现には依然として课题が残ります。特に、モジュール単体に対して适切とされる制御方法が、ネットワーク系统全体として见た场合に必ずしも适切とは限らない点が、この问题の难しさとして挙げられます。これは自律分散制御方式を用いようとすると生じる问题であり、従来の集中制御方式を前提として整备されてきたシステム制御理论を适用することの障害になります。

図1：発电所、家庭、电気自动车などがモジュールとして，送电线や情报通信などにより结合された次世代の电力ネットワーク

研究成果の内容

　本研究では、交通流の时间変化や遗伝子の発现过程に见られる単调性と呼ばれる性质に着目しました。この特性を持つように各モジュールを自律分散的に制御すれば、ネットワーク全体の安定解析をネットワークの构造と接続された近隣の情报のみを用いて行えることを明らかにしました(図2)。提案理论では、必要とする情报が近隣のものに限られるため、新たなモジュールがネットワークへ参画する际にも、その近隣のみが対応すればネットワーク全体の安定性が维持されます。すなわち、集中制御方式とは异なり、ネットワーク系统全体を再调整する必要がありません。
　本研究で注目した単调性は特殊な性质ではありません。事実、モジュールの特性が线形时不変システム(＊4)と呼ばれる単纯な形で表现できる场合、提案手法の自律分散制御方式は常に実装可能です。さらに、本研究では、より高度かつ复雑なモジュールにも対応するために、非线形确率システムを対象とした理论を构筑しました。これにより、発电机の详细な动特性や通信速度のばらつきといった要素まで、ネットワークの自律分散制御に反映することが可能となります。
　専门的には、确率颁辞苍迟谤补肠迟颈辞苍理论と呼ばれる最先端の安定论に単调性を组み込むことで、非线形确率ネットワークの分散安定解析?制御を可能にしました。これには、リーマン几何学(＊5)や确率论など、高度な数学の融合が求められます。

図2：単调性を活用したネットワーク系统の安全な自律分散运用。左上は単调性により、モジュールの轨道(青线)が赤枠(锥)から出ないことを表す。右下は各モジュールから出力される信号が时间経过とともに一定値となり、系统全体が安全に运用されることを表す。

今后の展开

　本成果は、地域ごとに独立して管理や运用を行っても、系统全体として电力の安定供给や渋滞のない交通などを実现できる电力ネットワークや交通ネットワークなどの设计への応用が期待できます。

用语解説

(＊1)単调性：システムの动特性が持つ一贯性。例えば、车の数が増えると渋滞がひどくなる一方で、渋滞が缓和されることはない。このように、车の数と渋滞度合いは単调な関係にある。

(＊2)确率颁辞苍迟谤补肠迟颈辞苍理论：非线形确率システムの安定解析を可能にする最先端の理论体系。

(＊3)非线形确率システム：注目する対象の动きや现象の変化を模倣した数式表现の一つ。动きや変化の复雑さを非线形性として、时间による特性の変化や曖昧さを确率的に捉えたもの。様々な物理现象は非线形性と确率性の相互作用として表现できる。

(＊4)线形时不変システム：注目する対象の动きや现象の変化を模倣した数式表现の一つ。动きや変化を単纯な线形性で近似し、时间による特性の変化や曖昧さを排除したもの。理论解析の简単さからシステム制御分野で标準的に用いられる。

(＊5)リーマン几何学：地球のように重力によって曲がった空间内での距离や构造を调べるための数学であり、相対性理论にも用いられる。

掲载论文

著者：Yu Kawano*, Yohei Hosoe
タイトル：Contraction Analysis of Differentially Positive Discrete-Time Stochastic Systems
掲載誌：IEEE Transactions on Automatic Control
*责任着者
顿翱滨：10.1109/罢础颁.2025.3543562
掲载日：2025年2月18日