[論文レビュー] Benchmarks for cyber-physical systems: A modular model library for building automation systems (Extended version)

Nathalie Cauchi, Alessandro Abate|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、サイバー物理システム（CPS）のベンチマークとして、建物自動化システム（BAS）のためのモジュラーでオープンソースのモデルライブラリを提示する。このライブラリは、物理的ダイナミクスと離散的制御論理を統合しており、確率的要素、非線形性、複数の連続的および離散的状態を有する複雑なハイブリッドモデルを可能にする。3つの事例研究を通じて、オックスフォードのBASテストベッドから得た実データを用いたシミュレーション、到達可能性解析、制御合成の実装が示されている。

ABSTRACT

Building Automation Systems (BAS) are exemplars of Cyber-Physical Systems (CPS), incorporating digital control architectures over underlying continuous physical processes. We provide a modular model library for BAS drawn from expertise developed on a real BAS setup. The library allows to build models comprising of either physical quantities or digital control modules.% which are composable. The structure, operation, and dynamics of the model can be complex, incorporating (i) stochasticity, (ii) non-linearities, (iii) numerous continuous variables or discrete states, (iv) various input and output signals, and (v) a large number of possible discrete configurations. The modular composition of BAS components can generate useful CPS benchmarks. We display this use by means of three realistic case studies, where corresponding models are built and engaged with different analysis goals. The benchmarks, the model library and data collected from the BAS setup at the University of Oxford, are kept on-line at https://github.com/natchi92/BASBenchmarks.

研究の動機と目的

• 多様なCPS解析タスクを支援する再利用可能でモジュラーなBASモデルライブラリの開発を目的とする。
• ハイブリッドダイナミクス、確率的要素、複数の設定を有する現実的で複雑なCPSベンチマークを構築する課題に対処することを目的とする。
• 標準的で拡張可能なフレームワークを通じて、検証および合成ツールへのシームレスな統合を可能とすることを目的とする。
• 再現可能性およびベンチマーク化を支援するため、モデル、シミュレーションデータ、事例研究をオープンアクセスで提供することを目的とする。
• スマートビルにおける熱制御、安全の検証、最適制御戦略の合成に関する研究を支援することを目的とする。

提案手法

• モデルライブラリは物理的原則に基づき構築され、オックスフォード大学の2ゾーンBASテストベッドから得た実データを用いて検証されている。
• 部品は、熱的ダイナミクスを表すために抵抗-コンデンサ（RC）ネットワークを用いてモデル化され、代数的および微分方程式によって連続的ダイナミクスが定義される。
• ハイブリッドモデルは、物理的部品と離散的制御モード（例：ファン回転数、ミキサー位置）を組み合わせることで構築され、ガード条件と離散的遷移によって制御される。
• システムのダイナミクスは、ゾーン温度および給気温度の微分方程式によって定義され、入力は離散的モード（例：空気流量、給気温度）に依存する。
• SpaceExを用いた到達可能性解析により、連続時間のハイブリッドモデルに対して、時間経過に伴う安全および性能の検証が可能になった。
• モデルはモジュラーに構成されることで、異なる解析目的におけるスケーラビリティと再利用性が実現されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BASにおける多様なCPS解析タスクを支援するためのモジュラーかつ再利用可能なモデルライブラリは、どのように設計できるか？
• RQ2 BASモデルの複雑さを定義づける主なモデル化のトレードオフ（確率的要素、次元数、離散的モード）は何か？
• RQ3 現実的な物理的ダイナミクスと制御論理を有するハイブリッドモデルは、到達可能性解析および制御合成に効果的に使用できるか？
• RQ4 実世界のデータの統合は、モデルの正確性とベンチマーク用途における有用性をどのように向上させるか？
• RQ5 このモデルライブラリは、検証および合成ツールの比較に共通プラットフォームとしてどの程度活用できるか？

主な発見

• このモデルライブラリは、最大5つの離散的モードと複数の連続変数を有する複雑なハイブリッドBASモデルの構築を成功裏に支援し、現実的なシステム表現を可能にした。
• SpaceExを用いた到達可能性解析により、システムが設定値範囲内で熱的快適性を維持できることを確認した。初期温度が快適範囲内にある場合、軌道は（O, −）モードに安定化した。
• 快適範囲以下から開始した場合、システムは（O, −）から（H, Op）へ、次に（M, Op）へ、再び（O, −）へと動的遷移し、適応的制御行動を示した。
• ライブラリはSpaceExなどの形式的ツールとのシームレスな統合を可能とし、形式的検証および制御合成の実現可能性を示した。
• GitHub上のオープンアクセスリポジトリには、検証済みモデル、実センサー・データ、および事例研究が含まれており、再現可能性およびツール比較を支援している。
• ハイブリッドモデルは、環境条件の変化に応じたファン回転数やミキサー位置などの離散的制御操作と、連続的熱的ダイナミクスの相互作用を正確に捉えていた。