[논문 리뷰] Monitoring Link Faults in Nonlinear Diffusively-coupled Networks

Miel Sharf, Daniel Zelazo|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 09.

Distributed Control Multi-Agent Systems참고 문헌 66인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 최대 평형 독립 수동성(MEIP)을 가진 비선형 확산 결합 다중 에이전트 시스템과 제어기에서 데이터 기반 모델 기반 고장 감지 및 격리(FDI) 프로토콜을 제안한다. 간선 표시 벡터와 수렴 확인 프로토콜을 활용하여, 고장 없는 상태와 고장이 발생한 상태 사이의 점근적 구분이 가능하며, 그래프 이론적 보장 조건을 제공한다: k-연결 그래프에서는 최대 k−2개의 고장을 격리할 수 있다. 이 방법은 MEIP 성질 외에 시스템 모델의 세부 정보가 필요로 하지 않으며, 네트워크 구조만 안다면 된다.

ABSTRACT

Fault detection and isolation is an area of engineering dealing with designing on-line protocols for systems that allow one to identify the existence of faults, pinpoint their exact location, and overcome them. We consider the case of multi-agent systems, where faults correspond to the disappearance of links in the underlying graph, simulating a communication failure between the corresponding agents. We study the case in which the agents and controllers are maximal equilibrium-independent passive (MEIP), and use the known connection between steady-states of these multi-agent systems and network optimization theory. We first study asymptotic methods of differentiating the faultless system from its faulty versions by studying their steady-state outputs. We explain how to apply the asymptotic differentiation to detect and isolate communication faults, with graph-theoretic guarantees on the number of faults that can be isolated, assuming the existence of a "convergence assertion protocol", a data-driven method of asserting that a multi-agent system converges to a conjectured limit. We then construct two data-driven model-based convergence assertion protocols. We demonstrate our results by a case study.

연구 동기 및 목표

• 통신 링크 고장이 발생하는 비선형 다중 에이전트 시스템에서 네트워크 고장 감지 및 격리(FDI) 문제를 다루는 것.
• 시스템의 전체 모델이 없이도 작동하는 프로토콜을 개발하여, 오직 수동성 성질과 네트워크 구조만을 기반으로 하는 것.
• 연결성(예: k-연결 그래프)에 기반하여 감지 가능하고 격리 가능한 고장의 수에 대한 그래프 이론적 보장을 제공하는 것.
• 실시간 데이터 기반 시스템 수렴 검증을 가능하게 하는 수렴 확인 프로토콜을 설계하는 것.

제안 방법

• 개별 링크 고장이 정적 상태 출력에 미치는 영향을 표현하기 위해 간선 표시 벡터를 사용하여, 서로 다른 시스템 구성 간의 점근적 구분을 가능하게 한다.
• 수렴 확인 프로토콜을 도입한다: 데이터 기반 방법으로 다중 에이전트 시스템이 추측된 정적 상태로 수렴하는지 검증하여 실시간 FDI를 가능하게 한다.
• 시간에 따라 시스템 행동을 모니터링하고 이상 징후를 탐지하기 위해 프로파일 기반 샘플링 방법을 활용한다.
• 수동성 이론에 기반한 두 가지 수렴 확인 프로토콜을 구성한다: 고주기 샘플링을 사용하는 방법과 수렴 프로파일 방법을 사용하는 방법으로, 둘 다 MEIP 가정 하에 정당화된다.
• 네트워크 최적화 이중성(최적 유량 문제와 잠재력 문제)을 적용하여 정적 상태 출력을 이중 네트워크 최적화 문제의 해와 연결한다.
• 고장 없는 상태와 고장이 발생한 상태 간의 점근적 구별 가능성을 확보하기 위해 제어기 출력에 무작위 편향을 주입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 확산 결합 다중 에이전트 시스템에서 에이전트나 제어기의 동역학에 대한 정확한 지식 없이도 고장 감지 및 격리가 가능할 수 있는가?
• RQ2 특히 k-연결성에 의해 결정되는 네트워크 연결성은 격리 가능한 고장의 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 오직 수동성 성질과 출력 측정값만을 사용하여 실시간 FDI를 가능하게 하는 데이터 기반 수렴 확인 프로토콜을 구성할 수 있는가?
• RQ4 간선 표시 벡터는 고장이 발생한 상태와 고장이 없는 상태 간의 점근적 차별화를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 제안된 FDI 프로토콜은 차량 속도 조율과 같은 비선형 실세계 시나리오에서 어떻게 구현되고 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FDI 프로토콜은 k-연결 그래프에서 최대 k−2개의 고장을 감지 및 격리할 수 있으며, 격리 가능한 고장의 수에 대한 그래프 이론적 상한을 제공한다.
• 2-연결 그래프의 경우, 어떤 수의 통신 고장이라도 감지 가능하며, 최대 k−2개까지 격리 가능하다.
• MEIP 성질과 무작위 편향 주입만을 사용하여 고장 없는 상태와 고장이 발생한 상태 간의 점근적 구분을 보장한다.
• 수렴 확인 프로토콜은 오직 출력 측정값만을 사용하여 추측된 정적 상태로의 수렴 여부를 검증함으로써 실시간 FDI를 가능하게 한다.
• 20辆 차량의 사례 연구에서, 프로토콜은 수렴 이전에도 다수의 고장을 성공적으로 감지하고 격리하였으며, 안정적인 속도 조율을 유지하였다.
• 프로필 기반 수렴 확인 방법은 저주기 샘플링을 가능하게 하며 수렴 속도 보장을 제공하지만, 고주기 방법은 함수 역행산이 필요 없지만 더 빈번한 측정이 요구된다.