[論文レビュー] Guaranteed Model-Based Fault Detection in Cyber-Physical Systems: A Model Invalidation Approach

Farshad Harirchi, Necmiye Özay|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2016

Fault Detection and Control Systems被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、混合整数線形プログラミング（MILP）を用いたモデル無効化により、サイバーフィジカルシステムの保証付きリアルタイム故障検出手法を提案する。再収束ホライズン検出を可能にするためにT-検出可能性と弱-検出可能性を導入し、時変パラメータ不確実性と言語制約付き故障モデルを有するスイッチングアフィンシステムにおいて、故障検出が健全かつ完全であることを保証する。

ABSTRACT

This paper presents a sound and complete fault detection approach for cyber-physical systems represented by hidden-mode switched affine models with time varying parametric uncertainty. The fault detection approach builds upon techniques from model invalidation. In particular, a set-membership approach is taken where the noisy input-output data is compared to the set of behaviors of a nominal model. As we show, this set-membership check can be reduced to the feasibility of a mixed-integer linear programming (MILP) problem, which can be solved efficiently by leveraging the state-of-the-art MILP solvers. In the second part of the paper, given a system model and a fault model, the concept of T-detectability is introduced. If a pair of system and fault models satisfies T-detectability property for a finite T, this allows the model invalidation algorithm to be implemented in a receding horizon manner, without compromising detection guarantees. In addition, the concept of weak-detectability is introduced which extends the proposed approach to a more expressive class of fault models that capture language constraints on the mode sequences. Finally, the efficiency of the approach is illustrated with numerical examples motivated by smart building radiant systems.

研究の動機と目的

• 時変パrametric不確実性を有する複雑なサイバーフィジカルシステムにおけるリアルタイムで保証付きの故障検出の課題に取り組む。
• 有限時間内に検出保証を欠く従来の残差ベース手法の限界を克服する。
• 最適化ベースのモデル無効化を用いて、効率的でリアルタイムな故障検出の実装を可能にする。
• モードシーケンスの言語制約を含む検出可能性理論を拡張し、複雑な故障シナリオへの適用範囲を広げる。
• T-検出可能性特性が検出保証を維持する再収束ホライズン故障検出のフレームワークを提供する。

提案手法

• ノイズを含む入出力データとノーマルシステムモデルの動作集合を比較することで、故障検出をモデル無効化問題として定式化する。
• 効率的なリアルタイム計算を実現するため、モデル無効化問題を混合整数線形プログラミング（MILP）問題の可解性チェックに還元する。
• 再収束ホライズン実装を可能にするために、T-検出可能性の概念を導入し、検出保証の損なわれない実装を可能にする。
• 特定のモードシーケンスの制限（例：制限付きスイッチング動作）を有する故障を扱うために、弱-検出可能性を定義する。
• MILP定式化にモードシーケンスインジケータを組み込み、T-検出可能性に従わない故障を検出可能にする。
• 最先端のMILPソルバーを用いて可解性問題を効率的に解き、リアルタイムデプロイメントを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時変パラメータ不確実性を有するスイッチングアフィンシステムに対して、モデル無効化ベースの故障検出方式は健全かつ完全に動作可能か？
• RQ2 再収束ホライズン故障検出フレームワークにおいて、有限時間内に検出保証を維持するにはどうすればよいか？
• RQ3 故障が有限時間ホライズンT内に検出可能であるための条件は何であり、最小のTはどのように計算できるか？
• RQ4 特定の条件下でのみ許可されるモードの切り替え（例：特定のモードのみ許可）を有する故障は、T-検出可能性に従わないが、このフレームワークで検出可能か？
• RQ5 不確実性とノイズの影響により、検出に必要な時間ホライズンTはどのように変化するか？

主な発見

• パラメータ不確実性を有するスイッチングアフィンシステムのモデル無効化問題は、MILP可解性問題に還元され、効率的なリアルタイム実装が可能になる。
• T-検出可能性により、再収束ホライズンでの故障検出が保証され、MILPを用いて最小T値が計算可能である。
• スマートビルレディエントシステムにおいて、コア温度が測定されている場合、故障検出にはT = 6が必要であるが、不確実性とノイズ下でも同様に有効である。
• コア温度が測定されていない場合、T > 100が必要であることが示され、コア温度が故障検出可能性において極めて重要な役割を果たしていることが明らかになった。
• 弱-検出可能性により、故障が活性化された際にのみ部分的に開くポンプのような制限付きモードシーケンスを有する故障も検出可能であり、検出にT = 8が必要である。
• 数値結果から、故障モードが非活性化されている間（例：2番目のポンプが常にオフ）は故障が検出されないことが確認され、故障モードの活性化時のみ検出が可能であることが裏付けられた。