[論文レビュー] Technical Report: Artificial DNA - a Concept for Self-Building Embedded Systems

Uwe Brinkschulte|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Modular Robots and Swarm Intelligence参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、埋め込みシステムの各プロセッサーコアに格納される自己記述的で自己構築可能なブループrintである「人工DNA」を提案する。これにより、実行時における自己組織化、自己修復、動的適応が可能になる。コンパクトなデジタルDNAにシステム構造、タスク間の関係性、ハードウェア適合性を符号化することで、分散型の人工ホルモンシステム（AHS）を用いて、リアルタイムかつフェイルセーフな動作を、複雑で大規模な埋め込みシステムにおいて実現する。

ABSTRACT

This technical report deals with the concept of an artificial DNA which contains a blueprint of the structure and organization of an embedded system. This blueprint can be used to build up the embedded system in a self-organizing manner at run-time. The report describes in detail the basic principles of the the artificial DNA and its relationship to standard design methods for embedded systems. A prototypic implementation is presented and evaluated. Additionally, future work is described and a conclusion is given.

研究の動機と目的

• 数千の計算ノードを有する埋め込みシステムの複雑さが増す中で、人的設計ではスケーラブルでないという課題に応えるため。
• 分散型リアルタイム埋め込みシステムにおける自己組織化、自己修復、自己最適化を実現するため。
• 生物学的DNAにインspiredした自己記述的システムアーキテクチャを考案し、実行時におけるシステム構築と適応を可能にするため。
• 重要度とリソース可用性に基づいて、実行時におけるリソースの複製と冗長性の合成を可能にすることで、動的フェイルセーフ性を実現するため。
• 人工DNAを動的ブループrintとして用いることで、実行時におけるシステム構造の進化と再構成を可能にするため。

提案手法

• 各基本機能要素を一意のIDとパラメータセットで識別し、状態関数と出力関数により動作をモデル化することで、埋め込みシステムを基本的機能要素のネットワークとして表現する。
• システム全体の構造、タスク依存関係、通信、コアの適合性を、各プロセッサーコアに格納されたコンパクトなデジタル「人工DNA」に符号化する。
• 実行時における人工DNAのトランスcriptionを実現するため、人工ホルモンシステム（AHS）を用い、現在のシステム状態と制約に基づいて、タスクをコアに動的に割り当てる。
• 重要度値とリソース可用性に基づいて、重要な基本要素のリソースを動的に複製することで、自己適応型フェイルセーフ性を実現するモジュラー冗長性を実装する。
• DNAを実行時において変更可能とすることで、再構成と進化を可能にし、リソースの変化に伴いレプリカやシステム構造が自動的に適応する仕組みを提供する。
• 同じ基本要素（例：ALU、PID制御器）の複数インスタンスがチャレンジ・リスポンスチェックを通じて相互に検証することで、暗黙的冗長性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数千のコアを有する大規模な埋め込みシステムに対して、生物学的インスパイアドな原則を用いて自己記述的・自己構築可能なシステムを設計するにはどうすればよいか？
• RQ2 コンパクトで分散的かつ進化可能であるデジタルDNAとして、システム構造と動作を最適に表現する方法は何か？
• RQ3 重要度とリソース制約に基づいて、実行時におけるモジュラー冗長性を動的に合成する最適な方法は何か？
• RQ4 人工DNAにおける基本要素の暗黙的および明示的複製を通じて、自己修復とフェイルセーフ性をどのように達成できるか？
• RQ5 人工DNAは、人的介入なしに、リアルタイムでのシステム再構成と進化をどの程度サポートできるか？

主な発見

• 人工DNAアプローチのプロトタイプ実装は、実世界のロボットビークル上で成功裏に評価され、実現可能性と実用性が裏付けられた。
• 人工DNAシステムのメモリおよび通信オーバーヘッドは低く、限定的な基本要素のセットを用いることで、コンパクトなDNA表現が可能である。
• DNAブループrintに基づく自己構築、自己適応、自己修復動作は、リアルタイムシステム要件を満たすことができる。
• 動的モジュラー冗長性は実行時において合成可能であり、リソースの可用性やシステム要件に応じて、レプリカの移動、追加、削除が可能である。
• 同じ基本要素の複数インスタンスによる暗黙的冗長性により、低コストの相互検証と障害検出が可能である。
• DNA構造の変更に対しても自動適応が可能であり、人的再構成なしに自己修復と進化を実現できる。