[논문 리뷰] Cyber-Physical Systems, a new formal paradigm to model redundancy and resiliency

Mario Lezoche, Hervé Panetto|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 산업 4.0 환경에서 고장 내성과 적응 가능성 향상을 위해 형식적 개념 분석(FCA) 기반의 새로운 형식적 메타모델을 제안한다. 사이버 및 물리적 구성 요소 간의 관계를 형식화함으로써, 이 접근법은 복수성과 내성성에 대한 체계적인 최적화를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산업 4.0를 지원하는 사이버-물리 시스템(CPS)에서 복수성과 내성성에 대한 체계적인 모델링이 증가하는 필요성을 해결하기 위해.
• 기존 모델링 접근법이 구성 요소 간 상호작용 및 고장 내성 메커니즘을 형식화하지 못하는 한계를 극복하기 위해.
• 모든 사이버 및 물리적 구성 요소 간의 관계를 포괄적으로 포착하는 통합된 메타모델을 개발하기 위해.
• 형식적 개념 분석(FCA)을 사용하여 복수성과 내성성에 중점을 둔 CPS 구조의 형식적 기초를 마련하기 위해.
• 변동성이 큰 산업 환경에서의 적응 가능성, 안전성 및 고장 내성 향상을 위한 CPS의 구조적 최적화를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 사이버 및 물리적 구성 요소 간의 가능한 모든 관계를 형식화하는 CPS 메타모델을 제안한다.
• FCA를 변형하여 CPS 구성 요소와 그 상호의존성을 형식적 맥락으로 표현한다.
• FCA의 개념 격자 구조를 활용하여 복수성과 내성성 있는 구성 요소 구성 방식을 식별하고 분석한다.
• FCA 기반 분석을 적용하여 복수성을 통해 내성성을 극대화하는 최적의 시스템 구성 방식을 도출한다.
• 메타모델을 체계적인 검증 및 최적화를 위한 형식적 프레임워크에 통합한다.
• FCA의 수학적 엄밀함을 활용하여 CPS 구성 요소 간 관계 모델링의 일관성과 완전성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 사이버 및 물리적 구성 요소 간의 모든 관계를 체계적으로 표현할 수 있는 형식적 메타모델을 정의할 수 있는가?
• RQ2 형식적 개념 분석(FCA)은 CPS 아키텍처의 복수성과 내성성을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 어떤 CPS 구성 요소의 구조적 구성이 복수성을 통해 최적의 내성성을 달성하는가?
• RQ4 FCA와 같은 형식적 방법은 산업 4.0 환경에서 고장 내성성과 적응 가능성을 갖춘 CPS 설계를 어떻게 지원하는가?
• RQ5 복수성과 내성성의 체계적 최적화를 가능하게 하는 CPS의 핵심 형식적 성질은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 CPS 메타모델은 사이버 및 물리적 구성 요소 간의 관련 관계를 형식적이고 확장 가능한 방식으로 성공적으로 포괄한다.
• FCA 기반 모델링은 시스템 내성성을 향상시키는 복수성 있는 구성 요소 구성 방식을 식별하는 데 기여한다.
• 형식적 맥락 표현 방식은 복수성과 고장 내성성에 기반한 CPS 구조의 체계적 분석 및 최적화를 가능하게 한다.
• 이 방법은 복잡한 산업 환경에서 내성적인 CPS 설계를 위한 체계적이고 수학적으로 타당한 프레임워크를 제공한다.
• FCA의 CPS 모델링 통합은 특히 고가용성 응용 분야에서 검증 가능하고 확장 가능한 내성 시스템 설계를 지원한다.
• 이 방법은 생산 시스템 설계에서 내성성과 복수성의 형식적 검증이 가능하게 하여 산업 4.0 환경에서의 응용 잠재력을 입증한다.