[논문 리뷰] Guaranteed Model-Based Fault Detection in Cyber-Physical Systems: A Model Invalidation Approach

Farshad Harirchi, Necmiye Özay|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 19.

Fault Detection and Control Systems인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 혼합정수선형계획법(MILP)을 통한 모델 무효화를 이용해 사이버-물리 시스템에 대한 보장된 실시간 장애 감지 방법을 제안한다. T-감지 가능성과 약한 감지 가능성 개념을 도입하여 유한시간 보장을 갖는 후행 수평 감지 기능을 가능하게 하며, 시간에 따라 변하는 불확실성과 언어 제약이 있는 장애 모델을 갖는 스위치된 아핀 시스템에 대해 장애 감지가 타당하고 완전함을 보장한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 매개변수 불확실성이 존재하는 복잡한 사이버-물리 시스템에서 실시간 보장 장애 감지의 과제를 해결한다.
• 유한시간 감지 보장을 갖지 못하는 전통적인 잔차 기반 방법의 한계를 극복한다.
• 최적화 기반 모델 무효화를 통해 효율적이고 실시간으로 구현 가능한 장애 감지 구현을 가능하게 한다.
• 모드 순서에 대한 언어 제약을 포함한 감지 가능성 이론을 확장하여 복잡한 장애 시나리오에 대한 적용 범위를 넓힌다.
• T-감지 가능성 특성을 유지하면서도 감지 보장을 보존하는 후행 수평 장애 감지 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 노이즈가 있는 입력-출력 데이터를 노미널 시스템 모델의 행동 집합과 비교하여 장애 감지를 모델 무효화 문제로 공식화한다.
• 효율적인 실시간 계산을 위해 모델 무효화 문제를 혼합정수선형계획법(MILP)의 타당성 검사 문제로 환원한다.
• 후행 수평 구현에서 감지 보장을 잃지 않도록 하기 위해 T-감지 가능성 개념을 도입한다.
• 특정 모드 전환 행동이 제한된 장애를 처리하기 위해 약한 감지 가능성(weak-detectability)을 정의한다.
• 모드 순서 지표를 MILP 공식화에 통합하여 T-감지 가능하지 않은 장애도 감지할 수 있도록 한다.
• 최신의 MILP 솔버를 활용하여 타당성 문제를 효율적으로 해결함으로써 실시간 배포를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 매개변수 불확실성이 존재하는 스위치된 아핀 시스템에 대해 모델 무효화 기반 장애 감지 체계가 타당하고 완전한가?
• RQ2 후행 수평 장애 감지 프레임워크에서 유한시간 감지 보장을 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ3 유한 시간 수평 T 내에서 장애를 감지할 수 있도록 보장하는 조건은 무엇이며, 최소 T 값을 어떻게 계산할 수 있는가?
• RQ4 특정 조건에서만 특정 모드가 허용되는 등 제약된 전환 순서를 갖는 장애(예: 활성화 시 부분적으로만 열리는 펌프)는 T-감지 가능하지 않지만, 이 프레임워크로 감지 가능한가?
• RQ5 불확실성과 노이즈의 포함이 감지에 필요한 시간 수평 T에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 매개변수 불확실성이 존재하는 스위치된 아핀 시스템에 대한 모델 무효화 문제는 효율적인 실시간 구현을 가능하게 하는 MILP 타당성 문제로 환원된다.
• T-감지 가능성은 후행 수평 방식으로 장애 감지를 수행할 수 있도록 보장하며, 이로 인해 감지 보장이 유지되며 최소 T 값은 MILP를 통해 계산된다.
• 스마트 빌딩 레디언트 시스템의 경우, 코어 온도가 측정될 경우 장애 감지를 위해 T = 6가 필요하며, 불확실성과 노이즈가 존재하더라도 동일하게 유지된다.
• 코어 온도가 측정되지 않을 경우 T > 100가 필요하여, 코어 온도 측정이 장애 감지 가능성에 결정적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 약한 감지 가능성은 제약된 모드 순서를 갖는 장애(예: 활성화 시에만 부분적으로 열리는 펌프)의 감지를 가능하게 하며, 감지에 T = 8가 필요하다.
• 수치적 결과는 장애 모드가 비활성화된 기간 동안 장애가 감지되지 않음을 확인한다(예: 두 번째 펌프는 항상 꺼져 있음), 이는 장애 모드가 활성화될 때에만 감지가 가능하다는 것을 확인한다.