[論文レビュー] Cyber-Physical Systems, a new formal paradigm to model redundancy and resiliency

Mario Lezoche, Hervé Panetto|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Smart Grid Security and Resilience参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、産業4.0環境における故障耐性および適応性の向上を目的として、形式的概念分析（FCA）に基づく新しい形式的メタモデルを、情報物理システム（CPS）の再冗長性とレジリエンスを体系的にモデル化するために提案する。サイバーと物理的コンポーネント間の関係を形式化することにより、本手法はCPSの構造的最適化を可能にし、産業4.0環境における故障耐性と適応性を強化する。

ABSTRACT

Cyber-Physical Systems (CPS) are systems composed by a physical component that is controlled or monitored by a cyber-component, a computer-based algorithm. Advances in CPS technologies and science are enabling capability, adaptability, scalability, resiliency, safety, security, and usability that will far exceed the simple embedded systems of today. CPS technologies are transforming the way people interact with engineered systems. New smart CPS are driving innovation in various sectors such as agriculture, energy, transportation, healthcare, and manufacturing. They are leading the 4-th Industrial Revolution (Industry 4.0) that is having benefits thanks to the high flexibility of production. The Industry 4.0 production paradigm is characterized by high intercommunicating properties of its production elements in all the manufacturing processes. This is the reason it is a core concept how the systems should be structurally optimized to have the adequate level of redundancy to be satisfactorily resilient. This goal can benefit from formal methods well known in various scientific domains such as artificial intelligence. So, the current research concerns the proposal of a CPS meta-model and its instantiation. In this way it lists all kind of relationships that may occur between the CPSs themselves and between their (cyber-and physical-) components. Using the CPS meta-model formalization, with an adaptation of the Formal Concept Analysis (FCA) formal approach, this paper presents a way to optimize the modelling of CPS systems emphasizing their redundancy and their resiliency.

研究の動機と目的

• 産業4.0を支援する情報物理システム（CPS）における再冗長性およびレジリエンスの体系的モデリングの増大するニーズに対処すること。
• 既存のモデリング手法に見られる、コンポーネント相互作用および故障耐性メカニズムの形式的でない欠落を克服すること。
• すべてのサイバーおよび物理的コンポーネント間の関係を捉える統一されたメタモデルの開発。
• 形式的概念分析（FCA）を、再冗長性およびレジリエンスに重点を置いたCPS構造のモデリングの形式的基盤として採用すること。
• 動的産業環境における適応性、安全性、および故障耐性の向上を図るCPSの構造的最適化を可能にすること。

提案手法

• すべてのサイバーおよび物理的コンポーネント間の可能な関係を形式化するCPSメタモデルを提案する。
• CPSコンポーネントおよびその相互依存性を形式的文脈として表現するために、形式的概念分析（FCA）を適応する。
• FCAの概念ラティス構造を用いて、再冗長およびレジリエントなコンポーネント構成を同定および分析する。
• FCAに基づく分析を適用し、再冗長性を通じてレジリエンスを最大化する最適なシステム構成を導出する。
• CPSアーキテクチャの体系的検証および最適化のための形式的フレームワークにメタモデルを統合する。
• FCAの数学的厳密性を活用して、CPSコンポーネント関係モデリングにおける一貫性および完全性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CPSにおけるサイバーおよび物理的コンポーネント間のすべての関係を包括的に表現する形式的メタモデルをどのように定義できるか？
• RQ2 形式的概念分析（FCA）をどのように適応させれば、CPSアーキテクチャにおける再冗長性およびレジリエンスをモデル化できるか？
• RQ3 CPSコンポーネントのどの構造的構成が、再冗長性を通じて最適なレジリエンスをもたらすか？
• RQ4 FCAのような形式的手法は、産業4.0の文脈における故障耐性および適応性の高いCPSの設計をどのように支援できるか？
• RQ5 再冗長性およびレジリエンスの体系的最適化を可能にするCPSの主要な形式的性質は何か？

主な発見

• 提案されたCPSメタモデルは、形式的かつ拡張可能な方法で、サイバーおよび物理的コンポーネント間の関係を的確に捉えている。
• FCAベースのモデリングにより、システムのレジリエンスを高める再冗長なコンポーネント構成を同定できるようになった。
• 形式的文脈表現により、再冗長性および故障耐性に基づいたCPS構造の体系的分析と最適化が可能になった。
• 本手法は、複雑な産業環境におけるレジリエントなCPSの設計のための構造的で数学的に整合性のあるフレームワークを提供する。
• FCAのCPSモデリングへの統合により、検証可能でスケーラブルなレジリエントシステム設計が可能となり、特に高可用性応用分野で顕著である。
• 本手法は、生産システム設計におけるレジリエンスおよび再冗長性の形式的検証を可能にするため、産業4.0環境への応用可能性を示している。