C-4-3

第 13 回横幹連合コンファレンス
2022.12.17-18 早稲田大学国際会議場

自律分散情報制御システム○高橋 由泰（日立）

加藤 博光（日立）

入江 直彦（日立）

Autonomous Decentralized Information and Control Systems* Y. Takahashi (Hitachi), H. Kato (Hitachi), N. Irie (Hitachi)
Abstract－ As people's needs and the business environment are constantly changing, the systems that support
society must also continue to change to keep up with the world's trends. Autonomous decentralized informationand control systems are a system concept that originated from the model of living organisms. It has been applied
to many social infrastructure systems such as railways and steel, which require non-stop operation, flexibility,
and maintainability, and supports sustainable system growth by realizing non-stop modification and gradual expansion.
Index terms－ ADS, Autonomous decentralized information and control systems, SoS,

System of Systems

1. 推薦対象および推薦理由の概要

およびそのアーキテクチャに従って具体的に実装された個別の具体システム群，によって達成された，分散情報制御システムの変化」を指している．また，各手段は当該コトつくりにおいて以下に示す役割を果たしたものと考えられる．

本稿では「自律分散情報制御システム」をコトつくり至宝に相応しい対象として推薦し，その理由について考察する．
自律分散システムの定義はいくつか存在するが，分かりやすい定義としては「システムを構成する各要素A) 自律分散コンセプト（サブシステム，個）が，個々に自律性を保ちつつ行
自律分散コンセプトは，生物を範として生まれたシ
動しながらお互いに協調し，システム全体として秩序
3)8)9)ステムコンセプトである．自律分散システムは1)を生成するシステムのこと」が挙げられる ．すなわち，1977年より開発が始まり，以来，鉄道10)や鉄鋼11)などの自律分散システムは1980年代にあって，初めから一般産業向け情報制御システムに適用されてきている．
System of Systemsとして定義されたシステムと言え，適用先の情報制御システムにおいて，開発当時，信
System of Systemsの先駆けと言える．特にIEEEの国際頼性，計画的拡張性，定期的保守性の改善が大きなニ会議 IEEE International Symposium on Autonomous Deーズとなっていた．しかし，システムの規模が拡大す
centralized Systems (ISADS)は自律分散情報制御システるに伴い，システム全体をリプレースして拡張したり，ムの研究者らによって立ち上げられて以来，継続的に部分的に修正・追加するたびにシステムを停止するこ2)開催され，次回ISADS2023 は15回目の開催となる．とが許されなくなってきていた．すなわち，ニーズとこれらにより，世界で研究がなされる日本発のシステして，システムのフォールトトレランス性，段階的拡ムアーキテクチャとなり，学問としてのシステムエン張性，稼働中の保守性が大きくなりつつあった．これ
ジニアリング研究の発展に大きく寄与している．
らはトータルシステムの分割されたものとしてサブシ
実用面でも鉄道運行管理システムや鉄鋼製造管理シ
ステムを考える従来の大規模システムでは，サブシスステム等，世界中の様々な社会・産業分野で多数の適テムの部分的な停止を許容できないため，解決が難し
3)
用実績があり ，そのネットワークはISOやIECの国際い課題と考えられた．9)4)5)標準となっている など，世界の大規模情報制御シス
この課題の解決法として，自律分散システムコンセ
テムにおける代表的なアーキテクチャの一つとして，プトが考えられているが，その検討においては，まず活用されている．
これら課題を解決していると考えられた生体を検討しまた，その発展形は今でも研究・開発され続けてお9)6)7)
り ，今後Society5.0を迎える上で，ますます大規模化， なおしている．
生体は活動しつつ成長できる．生体は器官レベルで複雑化する社会システムの基盤情報システムアーキテは異なるものの，細胞単位で見ると均質な細胞からなクチャとしても期待できる．っている．特に成長という観点からは，脳がすべてをこのように，自律分散情報制御システムは情報シス管理するということではなく，すべて均質な細胞からテムアーキテクチャの研究や，System of Systemsの発様々な器官へ成長できるようになっている．これは複展，その実用に対し，国内外にて大きく寄与しており，雑なシステムでも均質なサブシステムだけで構成できコトつくりの至宝として十分な価値を持つと考えられることの示唆を与えている．
る．
また，生体は免疫システムによって生体に障害を引き起こすような細菌を排除するような仕組みを持って
2. 推薦対象の定義及び構成要素いる．これも脳が生体全体の状況を大局的情報として収集し，障害の検知と回復を行っているのではなく，本稿における自律分散情報制御システムとは「大規個々の細胞が局所的情報によって相手が細菌であるか，模情報制御システムにおいて，フォールトトレランス自分と同じ生体の細胞であるかの判断をしている．す性，段階的拡張性，稼働中の保守性の３つの性質の確
なわち，変化し続けるシステムにあっては，情報の局保を目的にまとめられた自律分散コンセプトと，当該所性が基本にあるという示唆を与えている．
コンセプトに基づくシステムアーキテクチャとして定また，生物は進化する．その進化は新しい遺伝子を義された自律分散情報制御システムアーキテクチャ，持つ細胞が生まれることで生じるが，新しい遺伝子を持つ細胞が生まれる時点では，その優劣が別の特別な細胞によって判断されているのではない．すなわち，次々に新たなシステムを融合させるには，機能における平等性があって可能となるという示唆を与えている．
上記のような均質，局所，平等という細胞の条件，および異常が正常という生体全体の性質を，システムの世界に取り込んだのが，自律分散システムのコンセプトと言える9)．自律分散システムでは，以下の前提がある．
⚫ サブシステムの統合がシステムである．
⚫ システムには機能不稼働なものを含む．
自律分散コンセプトは，当該コトつくりにおいて，次に説明する自律分散情報制御システムアーキテクチ
ャを導出する指針としての役割を果たしている．この役割は，従来の大規模システムでは実現できなかった，フォールトトレランス性，段階的拡張性，稼働中の保守性を実現するために必要となるシステムの性質を明確化したことにより，果たせるようになった．
B) 自律分散情報制御システムアーキテクチャ
自律分散システムのアーキテクチャは，自律分散コンセプトに基づいて導出されている．まず，自律分散システムは，数学的には以下の性質から定義されている12)1)．
⚫ 自律可制御性
他のサブシステムの機能不稼働にもかかわらず，生存しているサブシステムは自らを制御できる．
⚫ 自律可協調性
他のサブシステムの機能不稼働にもかかわらず，生存しているサブシステムは互いに協調できる．

Table 1: ADS Functions.
機能構成要素通信路
データフィールド
通信形態
ブロードキャスト
メッセージ内容 内容コード
内容
コード

観点
均質
平等
局所

メッセージ本体

データフィールド

データ

サブシステムFig. 1: ADS Data Field. (Modified from original12))
この自律分散情報制御システムアーキテクチャは，当該コトつくりにおいては，個別の具体システムを設計する際のリファレンスアーキテクチャとしての役割を果たしている．

自律分散システムアーキテクチャの特徴を挙げると以下のとおりである．
まず，新たなサブシステムをデータフィールドに接続しようとしたとき，均質性からその接続可能性が保証されている．また平等性により，他のサブシステムが新たなサブシステムを認識しなくても，通信内容に触れることができる．また局所性により，自分に必要な通信かどうかを新たなサブシステムが把握することができる．
これにより，フォールトトレランス性は，サブシス
上記，数学的定義に基づき，データフィールドを通テムをバックアップするようなサブシステムを随時追信路として用いる分散情報制御システムというアーキ加することにより達成できる．すなわち，重要度に応テクチャが提案された．
じてサブシステムの多重化が容易なアーキテクチャとこのアーキテクチャにおいては，すべてのサブシスなっている．
テムは，データフィールドとのみに接続された均質なまた，段階的拡張性も，新たなサブシステムを随時構造となっている．データはデータフィールド上にメ追加することにより達成できる．新たなサブシステムッセージとして流される．そして当該メッセージはブが新たなメッセージをデータフィールドに送信したとロードキャストされて全てのサブシステムが平等に見しても，既存サブシステムは単純に自分に無関係なメることができ，受信側が受信を選択するようにしていッセージと判断すれば受信しない．そのため，新たなる．受信側が適切なメッセージを選択受信可能とするサブシステムは随時接続可能となっている．
ため，メッセージは内容コードを与え，受信側とメッさらに稼働中の保守性も，稼働中のサブシステムのセージと言う局所情報のみで選択受信可能としている． メッセージを観測することは容易であり，データフィまとめると，自律分散システムアーキテクチャにおールドを流れるデータを選択して読み取ればよいこと
ける，機能と構成要素のマッピングはTable 1のようにによって達成されている．各サブシステムが定期的になる．
データフィールドにメッセージを流すようにしておけ
ば，Keep aliveによる各サブシステムの状態監視機能が実現できる．
また何らかのテストを実施する場合には，テストであることを内容コードに記載しておけば，オンラインテストに対応可能なサブシステムについては，オンラインテストが可能となる．当該オンラインテス
トは，メッセージに関わらないサブシステムは単純に受信しないだけであり，影響を及ぼさない．

このように，サブシステムにおいて柔軟性が大きく保たれるシステムアーキテクチャとなっている．
さらに，自律分散システムアーキテクチャでは，サーバ（マスタ）への負荷集中を解消でき，マルチキャスト通信によってネットワーク負荷を低減できる13)．
これにより，高性能化にも寄与することとなった．
また，当初の自律分散情報制御システムアーキテク
チャは，空間的にサブシステムを分割し，ゲートウェイで接続する機能や，履歴データをデータフィールドに保持し，時間的な連続性を保持する機能などが追加されることにより，適用可能な範囲・規模が拡大することとなった．

頼性，計画的拡張性，定期的保守性の改善のための技術開発が推進されていた．しかし，システムの規模が拡大するに伴い，システム全体をリプレースして拡張したり，部分的に修正・追加するたびにシステムを停止することが許されなくなってきていた．すなわち，達成すべき課題はシステムのフォールトトレランス性，段階的拡張性，稼働中の保守性にあった．これらはトータルシステムの分割されたものとしてサブシステムを考える従来の大規模システムでは，サブシステムの部分的な停止を許容できないため，解決が難しい課題と考えられていた．

C) 個別の自律分散情報制御システム
個別の自律分散情報制御システムの例は多い．文献
13)によれば，2000年当時で例えば以下の産業応用がある．
➢ 新幹線の列車制御➢ 首都圏の鉄道制御➢ 自動車生産システム➢ タイヤ生産システム➢ ビール生産システム➢ 新聞製作システム
これらはフォールトトレランス性，段階的拡張性，稼働中の保守性を実現したシステムである．具体例の一つとして，首都圏の鉄道制御について述べる．
首都圏の鉄道制御に向け，省力化した要員体制で超高密度鉄道の安定した輸送を確保して，サービス改善と保安度向上を可能にする「東京圏輸送管理システム（ATOS）」が開発されている．これは形態が複雑な超高密度鉄道の列車群を指令員だけで自在に操れるように全自動制御するものであるが，その開発事項の一つに段階構築可能な自律分散技術が挙げられている14) ．
東京圏輸送管理システムは，当時中央線だけでも最大級の鉄道制御システムだったが，東京全域への構築は列車運転を続けながら長期間にわたるため，段階構築に必要な機能を付加した自律分散技術を開発している 14)．東京圏輸送管理システムにおいては，駅ごとに分散設置した新型電子連動装置が自律的に動作しながら，中央コンピュータも一構成要素として全体統括を分担し，トータルで一つのシステムとして稼働できる．
これを実現するためにデータフィールドを機能コードが付加されたメッセージが流れるアーキテクチャとなっている．
なお東京圏輸送管理システムは，優れた研究成果として，日本学術振興会によって卓越研究データベースに登録されている15)．

4.

3.

当該コトつくりの背景

自律分散情報制御システムが開発される以前は，第2 章でも述べたように，中央集中型システムが使われていた．
適用先の情報制御システムにおいて，開発当時，信達成された内容および生じた状態変化

当該コトつくりによって大規模情報分散システムを実現できるようになり，大規模な鉄道のスムース・フォールトトレランス性な運行，自動車やタイヤ，ビール，新聞といった大量かつ高速な生産物の監視・制御システムを実現することができるようになった．
その結果，例えば首都圏において高密度な鉄道運行を省力化して実現することができるようになるなど，社会においてより便利なサービスを享受できる，というコトが実現された．

5.

主たる貢献者

当該コトつくりでは，自律分散システムアーキテク
チャの開発初期から，システムアーキテクチャや応用システムを数多く開発してきた(株)日立製作所が主たる貢献者であると推測する．

6.

価値の観点による考察

自律分散システムの価値は以下のように大きいものと考えている．
⚫ 先導力
システムコンセプトとしてまとめ，それを数学的に定義した点で，のちに続くモノづくりの指針となり，多くのモノを製作できた．それにより，より便利なサービスを享受できるというコトを数多く作れた．
また，新たな知的活動を誘発する先導力を持ち，国際会議の立ち上げ等，システムエンジニアリングの分野の学問の進展に貢献した．
以上のように新たな知的活動を数多く誘発し，先導性を持ち得ていたと考えられる．
⚫

規範力
自律分散コンセプト，およびそのシステムアーキテクチャによって，業種の枠を超えて様々な情報制御システムで長年使われるという規範力を持っていたと考えられる．
特に ADS-net が国際標準になり，数多くの実システムにおいて使われたという点も，規範力を十分に持ち合わせていた点と考えている．
⚫

⚫

7.

意味力
System of Systems の先駆けと言え，ISADS の開催によって新たな学問分野を切り開き，国内外含
め多くの人が参加する意味力を持ち合わせていたと考えている．
解決力
従来手法では実現できなかった大規模な情報制御システムを実現し，鉄道運行管理など実社会において社会課題を解決してきた．その影響力は大きいものと考えている．

まとめ

以上述べたように，自律分散情報制御システムは情報システムアーキテクチャの研究や，System of Systemsの発展，その実用に対し，国内外にて大きく寄与しており，先導力，規範力，意味力，解決力を高いレベルで合わせ持つものと考えられる．コトつくりの至宝として十分な価値を持つものと考え，推薦する．

参考文献
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