[論文レビュー] Edge computing for cyber-physical systems: A systematic mapping study emphasizing trustworthiness

José Manuel Gaspar Sánchez, Nils Jörgensen+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2021

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本系統的マッピング研究では、エッジコンピューティングがサイバーフィジカルシステム（CPS）における役割を調査し、安全性、セキュリティ、予測可能性といった信頼性特性に注目している。224篇の論文を分析した結果、実世界のCPS応用において極めて重要な信頼性が、依然として十分に検討されていないことが明らかになった。これは、今後の研究において統合的・実験的・持続可能性に配慮したアプローチが求められることを示唆する重要な研究ギャップである。

ABSTRACT

Edge computing is projected to have profound implications in the coming decades, proposed to provide solutions for applications such as augmented reality, predictive functionalities, and collaborative Cyber-Physical Systems (CPS). For such applications, edge computing addresses the new computational needs, as well as privacy, availability, and real-time constraints, by providing local high-performance computing capabilities to deal with the limitations and constraints of cloud and embedded systems. Our interests lie in the applications of edge computing as part of CPS, where several properties (or attributes) of trustworthiness, including safety, security, and predictability/availability are of particular concern, each facing challenges for the introduction of edge-based CPS. We present the results of a systematic mapping study, a kind of systematic literature survey, investigating the use of edge computing for CPS with a special emphasis on trustworthiness. The main contributions of this study are a detailed description of the current research efforts in edge-based CPS and the identification and discussion of trends and research gaps. The results show that the main body of research in edge-based CPS only to a very limited extent consider key attributes of system trustworthiness, despite many efforts referring to critical CPS and applications like intelligent transportation. More research and industrial efforts will be needed on aspects of trustworthiness of future edge-based CPS including their experimental evaluation. Such research needs to consider the multiple interrelated attributes of trustworthiness including safety, security, and predictability, and new methodologies and architectures to address them. It is further important to provide bridges and collaboration between edge computing and CPS disciplines.

研究の動機と目的

• エッジコンピューティングとサイバーフィジカルシステム（CPS）における研究の現状、特に信頼性に関連して理解すること。
• エッジベースのCPSにおいて、安全性、セキュリティ、予測可能性、可用性といった主要な信頼性特性がどのように扱われているかを特定すること。
• トレンド分析、研究手法上の欠陥、CPSとエッジコンピューティングのコミュニティ間のクロスディシプリナリーな協働の必要性を踏まえ、今後の研究を導くこと。
• エッジ-CPS開発において、より強い実験的検証、持続可能性の統合、アーキテクチャフレームワークの導入を提唱すること。
• 今後の研究において、透明性、責任性、レジリエンスといった信頼性の次元を拡張することを推奨すること。

提案手法

• 学術データベースを対象に、事前に定義された検索基準を用いて、エッジコンピューティングとCPSに関する関連論文を特定するための系統的文献レビューを実施した。
• 含む・除外基準に基づき224篇の論文をスクリーニング・分析し、信頼性を中核的テーマとするエッジコンピューティング応用に焦点を当てた。
• 研究の焦点、信頼性特性、応用分野、および手法的アプローチ（例：シミュレーション、プロトタイプ、実験的評価）ごとに論文を分類した。
• 研究トピックのトレンド、使用された技術（例：MEC、フォッグコンピューティング、クラウドレット）、信頼性の取り扱いの度合いをマッピングした。
• 実世界のテストや持続可能性、クロスドメイン統合への注意が不足しているなど、繰り返し現れる手法上の制限を特定した。
• テーマ的合成を通じて、今後の研究方向性を提案した。具体的には、アーキテクチャフレームワーク、テストベッド開発、信頼性の次元拡張が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジコンピューティングは現在、サイバーフィジカルシステムにおいてどのように応用されており、主な応用分野は何か？
• RQ2 既存の研究は、エッジベースのCPSにおける安全性、セキュリティ、予測可能性といった主要な信頼性特性をどの程度取り扱っているか？
• RQ3 実験的検証や実世界での展開に関して、現在の研究にどのような手法上のギャップが存在するか？
• RQ4 持続可能性と循環型経済の原則は、エッジベースのCPSの設計において、どのようにより良く統合できるか？
• RQ5 エッジコンピューティングとCPSの統合における主な課題は何か。また、コミュニティ間の協働をどのように改善できるか？

主な発見

• 実世界の応用において極めて重要な安全性、セキュリティ、予測可能性といった核心的な信頼性特性を扱う研究は、エッジベースのCPSにおいて限定的である。
• 実験的評価や実世界のテストベッドの欠如が顕著で、多くの研究がシミュレーションや理論的モデルに依存している。
• エネルギー効率や循環型経済の概念といった持続可能性の原則の統合は、現在のエッジ-CPS研究においてほとんど無視されている。
• 研究は分野ごとに断片的であり、エッジコンピューティングとCPSのコミュニティ間の協働が不十分で、統一的なアーキテクチャフレームワークの開発を阻害している。
• 透明性、責任性、レジリエンスといった信頼性の次元は、未だ十分に検討されておらず、今後の研究で深く検討する必要がある。
• 本研究では、標準化された参考アーキテクチャの必要性と、特許分析を含む産業界との連携を強化する必要性を明らかにした。