JP2008090607A - 資源の制約をともなう自律分散型制御 - Google Patents

Abstract

【課題】総資源の制約を満たし、かつシステム全体の性能を達成ないし維持する制御方策を実時間で決定していく方法であって、特定の管理個体を設けずに、その時点時点で資源をもっとも必要とする各個体が自律的に決定する分散型制御の方法を提案する。
【解決手段】総資源の制約をみたす機能と、システム全体の性能を達成・維持する制御機能とを、動的に高い柔軟性をもたせた分散制御によって行わせるもので、各個体には、自律的な判断と制御を実施する機能をもつソフトウェアである「エージェント(agent)」を配置し、資源配分を行う管理個体のエージェントを特定することなしに、動的に交代で方策・意志決定の処理を行わせる新たな方法である「カードゲーム方式」を提案し、汎用性の高い処理方法を提供する。
【選択図】図５

Description

制御に要する総電力、総情報流量等の投じられる資源が制約される場合において、その制約を確実に充足しつつ、システムを構成するすべての個体における所定の性能を達成または維持する方策を、特定の管理個体を設けずに、その時点時点で資源をもっとも必要とする各個体が自律的に決定していく、自律分散型制御の方法に関する。

最初に、本明細書及び特許請求の範囲において使用する用語についてまとめておく。
資源 ：電力や情報流量等の、単位時間内にシステムに投じられる制御操作量
電力量 ：電力の積分値
情報量 ：情報流量の積分値
性能 ：温度やバッファの利用率などの指標
個体 ：システムを構成する、分散して各所に配されるサブシステム、構成員など
管理個体：サーバー。システムにおける方策・意志決定を行う個体
回線網 ：ネットワーク。システムを構成する全個体間の情報を相互に交換できる通信路。
入札 ：(bid) 回線網を通じて全個体に提供要求を発信し、それにこたえて情報が報告されること。
応札 ：(Report) 入札要求に応えて、性能下限値を下回る場合に、その下限値と現性能値の差を On Card に記載したり、オンインターバル値と最後にオンとなった後の経過区間数の差を Coast Card に記載したり、性能上限を超えている場合に Skip Card を発行して、サーバ権をもつ個体に報告すること。
評価 ：(evaluate) 入札された情報を基に、評価指標が最大の情報を提供した個体を選抜すること。
実施 ：(commit) 制御操作を実施すること。
交代 ：(shift) 管理個体の権限を委譲すること。
エージェント：(agent) 各個体に具備される、自律判断を行うソフトウェアのこと。
区間 ：電力を投入する一定の時間幅であり、入札、評価、実施、交代の１巡の機能が実行される時間間隔でもある。
インターバル：各個体が、前記機能を遂行する時間間隔を、区間幅を単位に表した数字

列車の起動・停止や、各事業所や各家庭におけるクーラーのオン・オフ、また人工衛星各所におけるヒータ制御など、各個体の制御の実施にともなう資源の消費の開始・停止が、システム全体への資源供給能力（総電力量または総情報流量）を超過する可能性を生ずることは、非常に多くの大規模システムにみられる問題で、実効的な資源の利用効率を低下させている問題でもある。これが、大規模な停電や、アクセスの集中による通信機能の麻痺、あるいは人工衛星システムにおける電力利用効率の低下を招く原因となっている。

総資源の制約を満たす制御方策を、システムに特定の管理個体を設けて決定する方式が存在する。また、システム全体の性能を達成ないし維持する制御方策を、各個体で分散的に決定する方法も存在する。しかし、両者を両立させること、すなわち、総資源の制約を満たし、かつシステム全体の性能を達成ないし維持する制御方策を、各個体で自律的かつ分散的に決定する方法は存在しなかった。

また、特許文献１は、計算機におけるメモリ資源が制約された環境での動作法を扱ったものであるが、本発明で述べるところの、動的で適応型の資源制約を満たす分散制御とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献２，３では、計算機におけるファイルの再配置を短時間で効率よく行うことを扱ったものであるが、本発明で述べるところの、動的で適応型の資源制約を満たす分散制御とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献４は、各計算機間で実施されるリモート呼び出しの性能を評価する方法を扱ったもので、本発明で述べるところの制御法とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献５は、計算機におけるレジスタを分散して配置挿入することを扱ったものであり、本発明で述べるところの、動的で適応型の資源制約を満たす分散制御とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献６は、計算機におけるアドレス透過のメモリ移動をはかることを扱ったものであり、本発明で述べるところの、動的で適応型の資源制約を満たす分散制御とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献７では、計算機における支障のないクライアントを削除して、使用していた資源を解放する方法を述べたものであるが、本発明の方式では、特定の管理個体による監視機能は不要であり、また資源の解放ではなく資源を消費する個体を動的に割り付ける処理を、各個体が交代で担う方式であって、内容は全く異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献８は、情報提供計算機からの探索制御を扱ったものであり、本発明で述べるところの、資源制約下での動的な資源を消費する個体への割り付け制御とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献９は、計算機における廃棄優先の管理方式を扱ったものであり、本発明で述べるところの、動的で適応型の制御方式とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献１０は、資源割り当てを扱ったものであるが、本発明で述べるところの、一定の資源制約下での制御を分散的な処理にて解決する方式とは異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献１１は、資源の切り離しをはかるもので、本発明での、動的な資源を消費する個体への割り付け制御を行い、資源の切り離しを行わない方式とは異なるもので、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献１２は、ＡＳＩＣの設計を扱ったもので、本発明で述べるところの、資源制約下での動的な資源を消費する個体への割り付け制御方式とは課題が異なり、背景課題を未解決に残している。

また、特許文献１３、１４は、全個体が同時に操作を行う方式であり、特定の管理個体が存在せず方策決定および実施個体が常時１つである点で、本発明とは方式が異なる。また、同文献には、全個体の改善量を評価する過程が含まれているが、本発明の方法ではその評価は必要なく、異なる方式である。

また、特許文献１５は、プランニングと資源配分を分離する方式であり、本発明での資源制約下での動的な資源を消費する個体への割り付け制御方式とは異なる。

また、特許文献１６は、データ圧縮の方式に特化したものであり、本発明での資源制約下での動的な資源を消費する個体への割り付け制御方式とは異なる。

また、特許文献１７は、競合の解決を例外ハンドラにて行うもので、本発明での資源制約下での動的な資源を消費する個体への割り付け制御方式とは異なる。

また、特許文献１８、１９は、グラフに基づいた資源管理を行う方式であり、本発明の資源制約下での動的な資源を消費する個体への割り付け制御方式とは異なる。

また、特許文献２０は、本発明での、特定の管理個体が存在せず、また入札を採るエージェントが動的に割り付けられていく点で異なる方式である。

また、特許文献２２，２３，２４は、特定の管理個体を設けるもので、本発明での資源制約下での動的な資源を消費する個体への割り付け制御方式とは異なる。

特開２００５− ６１４５号公報 特開２００３−２９６１４９号公報 特開２００３−２９６１４８号公報 特開２００３−１８６７０７号公報 特開平１１−２７２６４１号公報 特開平 ９−２３７２１５号公報 特開平 ９−２３１１４８号公報 特開平 ９−２０４４３６号公報 特開平 ９−１１６５４０号公報 特開平 ６− ２８３７８号公報 特開平 ５−２５０２９８号公報 特表平１１−５０２６４６号公報 特開平 ９−２９７６８９号公報 特開平 ７− ６１５７号公報 特開平 ７− ６１４２号公報 特表２００３−５１９９４５号公報 特表２００１−５１１５５５号公報 米国特許第６，８５９，９２７号 米国特許第６，８４２，８９９号 米国特許第６，８０１，８１９号 米国特許第６，７３２，０１９号 米国特許第６，４５９，６８３号 米国特許第５，７４２，７７２号 米国特許第６，２４３，３９６号

列車の起動・停止や、クーラーのオン・オフなど、図１のように構成されるシステム内の各個体における独立の資源の消費の開始・停止が、システム全体の資源供給能力を超過することは、非常に多くのシステムにみられる問題である。要求される供給能力は、平均的には非常に低くとどまるも、各個体での資源消費が一斉に開始されて、図２のごとく、資源消費にピークが現れることを想定して設計されなくてはならない問題を生じている。あるいは、ある確率で、システムの運用にリスクを抱えてしまう。この現象・問題は、情報処理における、データ収集バスにおける情報流量の集中や、同様に移動体通信におけるアクセスの瞬間的な集中などでも見られる。これらは、利用可能な資源に制約がある下で、資源を消費する個体を動的に割り当て、かつシステム全体の性能を目標に到達ないし維持させる問題である。

ある特定の施設や装置など、すなわち図３のように、特定の管理個体を設け、システム内の供給・消費に関わる要求等の情報を一旦集計し、それらを時分割に平滑化する作業を行うと、この問題を図４のように解決することができる。実際に、ある人工衛星の熱制御においては、一定の周期でこの機能を果たす専用の処理装置（管理者）を設けて、資源の再配分を行って、ピーク電力の抑制と平滑化を行い、効果をあげている。

しかし、この方法では、あらかじめ決められた構成のシステムにしか適用できず、あらたな構成員が現れたり、構成員が除かれたり、あるいは再編成が行われる場合には、根本から再構成しなおさなくてはならない問題を生ずる。実際、人工衛星システムの例、たとえば熱制御系では、設計される衛星対象毎にこの再構成の作業を余儀なくされることになる。また、特定の管理個体を設ける方式では、管理個体の故障がシステム全体の故障に直結するリスクとなるほか、資源や情報交換のための計装が非常に大きくなる問題となる。

汎用に、任意の対象に対して、この制御を実現するには、特定の管理個体を設けずに、意志・方策決定を遂行できる方式が必要である。このことは、稼働状態を維持しつつ、また離合・集散を許容しつつ、この資源の制約を満たす制御を行う方法でもある。

以上のように、一定の総資源の制約と、各所における性能達成ないし維持要求を満たしつつ、特定の管理個体を設けずに、システムの変形に頑強でもある、方策・意志決定方式が望まれている。

本発明は、この資源の制約をみたす機能と、システム全体の性能を達成・維持する制御機能とを、動的に高い柔軟性をもたせた分散制御によって行わせるもので、各個体には、自律的な判断と制御を実施する機能をもつソフトウェアである「エージェント(agent)」を配置し、資源配分を行う管理個体のエージェントを特定することなしに、動的に交代で方策・意志決定の処理を行わせる新たな方法である「カードゲーム方式」を提案し、汎用性の高い処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、システム全体に投入される総資源の制約を満たしつつ、システムを構成する全個体における性能を所定の目標値へ達成ないし維持する制御方式であって、
前記、システム全体には、必要とする有限で一定規模の資源を提供する設備、および各個体間を結び各個体での資源の消費や性能の情報を相互に交換できる適切な回線網と、
前記、システムを構成する各個体には、個々に所定の性能を許容されうる範囲で合致させるべき目標値が与えられ、
前記、システムを構成する各個体には、個々に、初期において、資源を投入するインターバルの値が与えられ、
前記、システムを構成する各個体は、提供される資源を既知の量で消費するよう規定された、性能を操作する制御の実施機能、ないしはアクチュエーション装置と、
前記、システムを構成する各個体は、その性能を計測する機能、ないしは各個体で消費される資源を計測する機能と、
前記、システムを構成する各個体は、前記回線網との送受信機能と、
前記、システムを構成する各個体は、提供される資源を受領する機能と、
前記、システムを構成する各個体は、自律的に方策・意志決定を行うソフトウェア機能（エージェント）と、を備え、
前記、制御を各個体によって交代で実行することを特徴とする方法を提供する。（図５）

好ましい様態では、前記ソフトウェア機能（エージェント）では、特定の方策・意志決定を行う管理個体を設けることを想定せず、各個体が、予め資源を消費するインターバル値（duty）の初期値を与えられ、動的にサーバー(server)、クライアント(client) 機能を交代するもので、入札（bid）, 評価（evaluate）, 実施（commit）, 交代（shift） のサーバー４機能と、応札(Report)のクライアント機能とを動的に遂行して、全個体が分散して、システム全体に対する方策・意志決定の処理を行わせる新たな方法（「カードゲーム方式」）を導入することを特徴とする。（図６）

好ましい様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）においては、サーバー機能が交代（shift）によって委譲された時点で、まず、性能を目標値に到達ないし維持するための資源の消費を実施（commit）し、入札（bid）の段階において、各個体における性能逸脱情報と設定された資源を消費するインターバル値からの実際に最後にオンされてからの経過時間の区間数の逸脱情報とを各所より収集し、評価（evaluate）の後、次の区間で資源を消費する個体を選抜し、方策・意志決定権を委譲するために交代（shift）させることを特徴とする。（図７）

好ましい様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）においては、入札要求に応えて、各個体における、性能や資源の投入状況を応札(Report)させることを特徴とする。

好ましい様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）において、入札時に収集される、各個体での性能逸脱情報と設定された資源を消費するインターバル値からの実際に最後にオンされてからの経過時間の区間数の逸脱情報は、性能下限を下回る場合において発行される逸脱性能差カード（On Card）と、性能の許容域内において発行される、設定されている資源消費インターバル値と実際に最後にオンされてからの経過時間の区間数との差を示すカード（Coast Card）と、性能の上限を上回る場合において発行される、積極的に資源消費を要求しないカード（Skip card）の３種類のカード情報によって交換されること（「カードゲーム方式））を特徴とする。

好ましい様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）において、評価時に、On Card の存在する場合においては、On Card 記載値のもっとも小さい（大きな負値）個体を次のサーバとし、On Card の発行されない場合においては、Coast Card 記載値のもっとも小さい（大きな負値）の個体を次のサーバと定めることを特徴とする。

好ましい様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）において、Skip Card の発行を必ずしも必要としないことを特徴とする。

別の様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）において、実施時に、当該個体の Coast Card 記載値をゼロにクリアし、以降も、初期に設定された固定の資源を消費するインターバル値を参照して動作を継続することを特徴とする。

別の様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）において、実施時に、当該個体の Coast Card 記載値をゼロにクリアするも、その記載値を参照し、設定されている資源を消費するインターバル値を加減して更新して動作させ、制御実績にもとづいて適応させることを特徴とする。

別の様態では、前記、ソフトウェア機能（エージェント）において、実施時に、前項の方法によって更新された全個体の資源を消費するインターバル値を積算し、それを基に指定された全システムへの総資源へ整合させるべく、全個体の資源を消費するインターバル値に比率を掛けて更新して動作させることを特徴とする。

好ましい態様では、前記各個体において規定される資源の消費量が、全て同一量に規格化されることを特徴とする。（図８）

また、本発明は、前記システム資源が電力であり、前記各所における性能が温度であることを特徴とする、ヒータないし冷却装置を提供する。

別の態様では、本発明は、前記システム資源が区分化された情報流量（パケット数）であり、前記各所における性能が入出力蓄積装置（バッファ）の利用効率であることを特徴とする、情報入出力装置を提供する。

好ましい態様では、前記システムに具備される回線網は、資源を供給する系統に同時に併設されることを特徴とする。

本発明で扱う制御により、システム全体での有限で一定の総資源の制約を満足しつつ、各個体における性能を所定の値に到達ないしは維持することが、特定の管理個体を設けることなく、動的にサーバー機能を個体間の交代で、すなわち分散型で実現できる。

本発明は、サーバー機能の動的な割り付けを行うことに特徴があり、システム内の個体の再構成、離脱・集合への自由度が大幅に拡大される。

本発明により、管理個体の故障による全損のリスクを防ぐことができるほか、一部個体の故障が全システムへ影響することを避けることができ、耐故障性を向上させることができる。

本発明では、入札と評価過程を経るため、個々のエージェントの故障を容易に検出し、排斥することができる。

本発明では、集中管理個体が存在しないため、同個体と他個体間を結ぶ計装線などを大幅に削減することができ、軽量化、省スペース化することができる。

本発明により、事前でのシステム全体に試験や再構成に要する時間を削減することができ、システム構築までのコストを低減できる。

本発明では、汎用化により画一のモジュールとしてハードウェア化が可能であり、各エジェントを同一設計とできる。

本発明により、システム全体の資源制約を確実に満足することができる。

本発明の応用機能を用いることで、総資源の利用効率の向上がはかれる。本発明では、全エージェントの改善量を集中して評価する必要はなく、適応的に余剰資源を開放し最適化することができる。

本発明により、無駄なエージェントの参加を除くことができ、コンパクトなシステムが構築できる。

本発明では、実施エージェントは常時１つであり、衝突することを排除できる。

本発明は、多様なシステムに応用が可能である。

本発明により、稼働状態を維持したまま上位機能への更新が容易にできる。

数学的説明と制御論理の概容：
資源を電力、性能を各個体での温度とする、人工衛星の熱制御システムの例において、本発明の内容を数学的に記述し、あわせて制御論理を解説する。

各個体における制御点温度 Ti を並べたベクトルを T , 各点への供給ヒータ電力を適切に正規化して並べて q とする。人工衛星の熱制御問題とは、下記で記述されるシステムにおいて、T の性能値が所定の目標値 T ^* の許容範囲に入るべく制御を行うことである。A は各点の熱結合や散逸過程を示す行列で、B は、q に対応して正規化されたヒータ電力の供給機構を示す行列である。

通例の制御では、各個体において
の論理にて、ヒータをオンとし、電力を投入して温度を目標値に到達させるか、または維持することになる。ここで、通常は、A はゆるやかな散逸機構であり、たとえば簡易には
と仮定でき、
が十分に小さければ
の平衡温度にいたる。ただし、過渡応答過程では消費電力は一定になるわけではない。

割り当てるべき総電力としては、この平衡温度が上の式を満たす電力ではなく、過渡応答において、各個体のスウィッチが偶然に同時にオンとなりうるため、最大のピーク電力を資源供給能力として確保しなくてはならない。

これに対して、デューティ熱制御方式とは、あらかじめ、ヒータ電力あたりの散逸率の推定値
がある程度既知であれば、
の制御で
となり、モデルが正確であれば、開ループ(open loop) 法にて、熱制御が達成されることに対応する。ティルド記号は推定値を示す。このとき、必要な電力は
で一定とできる。ただし、
である。ここに投入熱量は、ある一定時間あたりでの平均投入電力に対応している。一定の電力を消費するインターバルで各個体にて電源をオンとすることで、制御は達成でき、これを固定デューティ制御と呼ぶ。

しかし、この制御には、開ループ制御であるために、制御性能がモデルの誤差に影響を受けやすい問題があり、上記のように最終温度は目標値通りとはならない。

ここで、
で記述される方法で、投入電力ないしは、オンとするインターバル値を更新すると
であり、2>β>0 であれば、
に収束することが保証され、モデル誤差を補償することができる。ただし、同時に消費電力は、当然ながら
へと変化する。βは調整パラメータである。

この制御方式は、準静的に総電力量を変化させるもので、割当て資源量の制約を満たしつつ、各所の性能である温度を制御できることになる。これを積分補償型、あるいは適応型のデューティ制御と呼ぶ。

電力の制約下での温度制御とは、Bq を q と改めて書き換えると、いわば
の最適化を行って、制約を満たしつつ所定の性能をもっとも正確に制御する投入電力、いいかえれば電力を投入するインターバル値（デューティ率）を定める問題といえる。この問題の解は、
で与えられるが、この最適化作業を、分散処理型に変換し、実時間にて逐次的に解を求めていく過程がこの発明の別の解釈でもある。専用の熱制御専用装置により、集中管理を行えば、この解を求めることができるが、本発明とは、この集中制御を分散型の制御に置き換えたことになる。

各個体における１区間での消費電力の値は既知で固定あると仮定して一般性を失わない。各個体における投入電力とは、ある一定区間内に、その既知の固定消費電力のオン時間分の総和である。以下の説明では、簡単のために、各個体の消費電力を共通に一定値であると仮定する。実際のシステムにおいても、この仮定は現実的である。平均要求電力の大きい個体のヒータは、デューティ率要求が高いこととして扱うことができる。デューティ率とは、何区間毎にオンとするかを示す数値である。この扱いを行うことで、一度に１カ所でしか電力を消費しないように論理を組むことで、常に消費電力が全システムで一定とすることができる。大規模システムにおいては、適切な小規模システムに分割して、この方式を採用すればよい。

本発明では、これに加えて、分散処理する方法として、カードゲーム方式を採用している。システムの構成に、管理個体を設けないようにするためには、各個体に同一の制御論理の搭載が必要であり、各個体がいずれもサーバーにもなり、かつクライアントにもなる論理が必要である。

本発明では、常に最も優先する、すなわち要求度の高い電力を求める個体に、実施を許可し、方策・意志決定権を与える、すなわちサーバ個体にするべく、サーバ機能を交代していく論理を提案している。各個体の動作は、１）電力消費の実施（電力投入オン）(Commit)、２）入札（bid）、３）評価（Evaluate）、４）サーバの交代（Shift）の４動作で構成する。１）の消費の実施は、かならずしも最初に実施される必要はないが、他の３つの動作は順次行われなくてはならない。

入札時には、その時点でのサーバ個体から、回線網で結合している全個体に、情報カードの発行・報告の要求を発する。各個体から報告されるカードには、On Card、Coast Card、Skip Card の３種類を設ける。上述のように、各個体には、予め初期に電力を投入するインターバル値が記憶されている。On Card は、各個体の温度が下限温度を下回った場合に発行され、逸脱温度差が記録される。すなわち下限温度を下回るほど負の大きな値が記録される。Coast Card は、各個体の温度が所定の温度を中心とする許容幅に入っていた場合に発行され、設定されているオンインターバル値と、最後に同個体をオンとした時点からの経過区間数との差が記録される。すなわち、設定されているオンインターバル値を超えてオンされない時間を経過する個体ほど、負の大きな数字を記録する。Skip Cardは、上限温度を超えている場合に発行されるもので、積極的に電力の投入を求めないCard である。Skip Card は、必ずしも発行される必要はない。

評価時には、On Card の数字がもっとも大きく逸脱している（負にある）個体を優先して選抜し、続いて Coat Card の数字がもっとも大きく所定インターバル値から超えている（負にある）個体を選抜し、その個体を次の区間での管理個体、すなわちサーバと定義する。

交代時には、必要があれば、入札時の情報であるオンインターバル値の表などの情報を、次のサーバ個体に移動するがある。移動させることは、本発明では必須ではなく、基本的な動作においては、サーバの交代にともなう情報の移送は生じないが、特別な応用機能を導入する場合には、この移送処理を導入することがある。
１．最も基本的な固定デューティ制御だけの場合は、Coast Card に記録する際に参照する、最後に同個体をオンとした時点からの経過区間数値をゼロにクリアするだけである。
２．積分型ないし適応型の補償の場合には、時刻 k から次の時刻 k+1 に進む際、
にしたがって、オンデューティ値の表の更新を行う。ここに、n_i は、個体 i のオンデューティ値を示し、添え字 actual は、実際のオンデューティ値を示す。
３．電力制約条件下での最適化を行う場合：
を、入札段階で配信し、これを各機器のオンデューティ値の表の値に乗じて使用する。

［数値例］
図９は、簡単な温度制御系の構成例である。ここでの問題は、指定された温度に各ノード点の温度を制御することにある。ノード１には太陽光が入射し、ノード９および１１の表面から熱輻射によって放熱が行われている。この制御系は図１０のように書き換えることができる。

各ノードでの温度を、
とし、各ノードでのヒータによる熱入力を、
と記す。各ノードでの熱容量を m_i とすると、温度変化は
によって記述することができる。ここで、k_ij はノードi,j 間の熱伝達率であり、
で記述される。K_ij は熱伝導率、A_ij は等価断面積、L_ij は等価線路長である。また、太陽光入射量は
、熱輻射による放熱量は
で書かれる。ここに、f_o は太陽からの平均熱フラックスであり、A_i は各ノードでの正対入射／輻射面積、α_i, ε_i はそれぞれ太陽光吸収率と輻射率である。σは、ボルツマン係数である。

制御系全体の温度変化は、
で記述される。ここにM は熱容量を要素とする行列で、K は相互熱伝達率で構成される行列である。s は太陽光熱入射を、 d は熱輻射による放熱、h はヒータに関わる熱の入出力を示す。K 行列は、
などと書かれる。各要素は、上述の熱伝達率である。また、各ベクトルは
である。

ここで掲げる数値例では、M 行列の要素を
M(1,1)=1.0*0.3e3; 1kg Fe(鉄) 相当
M(2,2)=2.0*0.9e3; 2kg Al panel(アルミニウム板) 相当
M(3,3)=2.0*0.9e3; 2kg Al panel(アルミニウム板) 相当
M(4,4)=2.0*0.9e3; 2kg Al panel(アルミニウム板) 相当
M(5,5)=40.0*4.0e3; 40 リットル ヒドラジン(N2H4) 燃料 相当
M(6,6)=3.0*0.3e3; 3kg Fe(鉄) 相当
M(7,7)=2.0*0.9e3; 2kg Al panel(アルミニウム板) 相当
M(8,8)=2.0*0.9e3; 2kg Al panel(アルミニウム板) 相当
M(9,9)=1.0*0.9e3; 1kg Al panel(アルミニウム板) 相当
M(10,10)=1.0*0.9e3; 1kg Al panel(アルミニウム板) 相当
M(11,11)=3.0*0.3e3; 3kg Al panel(アルミニウム板) 相当
と仮定した。単位は、(J/deg) である。
K 行列を構成する各ノード間の熱伝達率は、この簡単な例では
k(1,2)=4.e3*5.e-3/0.2; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.2m 長 相当
k(2,3)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(2,4)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(3,5)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(5,9)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(4,6)=4.e3*3.e-3/0.4; 4kW/mK 30cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(3,7)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(6,8)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(7,9)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長相当
k(8,10)=4.e3*5.e-3/0.4; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.4m 長 相当
k(10,11)=4.e3*5.e-3/0.2; 4kW/mK 50cm² 断面積, 0.2m 長 相当
と仮定した。単位は、(W/deg) である。

太陽光入射量 s(W)は、
s(1)=1.4e3*0.02*0.2; solar flux at 1st node 0.02m², 太陽光吸収率= 0.2、
一方の熱輻射による放熱量 d(W)を、
d(1)=- σ*0.8*0.05*Teq(1)^4; ε₁ =0.8, 面積 0.05m²
d(9)=- σ *0.8*0.2*Teq(9)^4; ε₉=0.8, 面積 0.2m²
d(11)=- σ *0.8*0.2*Teq(11)^4; ε₁₁=0.8, 面積 0.2m²
とした。(^) は、べき乗を示す。

このとき、参考までに、全ノードを10degC に保つ平衡状態での定常電力量を評価すると、
( 9, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 58, 0, 58) (W)
であると求められる。合計は 125(W) である。またこの場合、高々３個のヒータがあれば目的が達せられることもわかっている。すなわち、１１個のヒータには冗長性があり、目的温度分布を実現するヒータへの電力配分解は唯一ではないと推論できる。実際、ノード３と５、４と６間には、各１個のヒータがあれば十分であり、明確に冗長性が存在している。

この数値例においては、これらの冗長な解のうち、予めヒータ量を各ノードに
(15, 10, 10, 0, 5, 25, 10, 10, 20, 5, 15) (W)
と配分する状態を平衡とするべく、各ノードでの温度設定が行われるものと逆に仮定しその制御性を検討する。この電力割り当てでは、総電力は 125(W) としてあり、上述に参考に掲げた温度分布に近い状態を実現することを期待して設定した。このヒータ電力配分の下での平衡温度は
(11.1, 11.0, 10.8, 11. 0, 10.5, 10.9, 10.6, 10.4, 10.2, 9.6, 9.2) (degC)
と求められる。解は、４次方程式の解として求められる。結果を見ると、上述の３個のヒータで実現される、10degC 一様分布にかなり近いことがわかる。これは、総電力125(W) を何らかの分布を保って投入しさえすれば、その割り当て配分には鈍感に、温度分布が定まることを示している。さらに上記の３個のヒータでの制御結果が示すように、ほぼ同様の平衡温度分布を実現するヒータ電力割り当ての解が複数存在することも推測できる。

この定常温度まわりで線型化した温度履歴の支配ダイナミクスの時定数は、
(2.5, 4, 7, 8, 10, 16, 23, 38, 84, 99000, 497) (sec)
であり、500 秒以上の時間シミュレーションを実施すれば、制御結果を評価可能であるといえる。

全投入電力が 125(W) であることから、これを 5(W) 単位で25単位に分割し、いいかえれば40msec 毎に125(W) 電力をON するべく離散化を行う。割り当て電力が 15 (W)であるヒータには、40msec パルスで、１秒間に３回ON を行うデューティ列を定義すればよい。同様の操作を全ヒータについて行うと、各ヒータをON する間隔（duty cycle 値）は、
(8.3, 12.5, 12.5, 25, 25, 5, 12.5, 12.5, 6.25, 25, 8.3) (-)
と求められる。割り当て電力がゼロのヒータノードにも、１秒に１度ON する機会を与えたため、見かけ上の総和はこの場合、130W となっている。

数値模擬では、３種類の制御方式を評価する。
１）固定デューティ率による制御
２）On/Off 制御による、目標温度による制御
３）応用制御論理
応用制御における数値例では、a) もっとも簡単にCoast Card に記載するべき値をリセットしてしまう方式、b) デューティを適応型(adaptive)に更新する方式、c) 全ヒータ電力を指定して適応型に更新する方式の3通りを比較して示す。C) では、全構成員のCoast テーブル情報を受け渡し、最適化を行うもっとも発展した方法である。（概要書参照）構成員間でテーブル情報を交換しない、b) 方式でも、適応型で最適なデューティテーブルに更新が可能なうえ、全ヒータ電力値も一定の値に自動制御される。

数値例−１： 固定デューティ率制御
予めモデルから求められているduty cycle 値
(8.3, 12.5, 12.5, 25, 25, 5, 12.5, 12.5, 6.25, 25, 8.3)
を用いて、新制御則にて制御した結果を図１１に示した。この制御はduty については開ループ制御である。

図１１からわかるように、温度は収束制御されている。目標値よりもやや高めに収束するのは、目標温度が 125W 平衡であるのに対し、duty から規定される総電力が、130W になっているためである。これは、上述のように、duty cycle 値が 25 を超えるチャンネルを25 に強制設定しているためである。

数値例−２： On/Off 制御による、目標温度による制御
同じ制御対象を、各ヒータチャネル（総計125W 消費）ばらばらに、On/Off 制御した場合の結果を図１２に掲げた。各ノードチャネルのヒータ量は、平衡条件に一致させ
(15, 10, 10, 0, 5, 25, 10, 10, 20, 5, 15) (W)
と設定した。結果は図にみるように、最大230-250W もの瞬時電力ピークが現れ、ヒータ電力の変化が大きい問題を生ずる。

温度の制御性は、固定デューティ制御の場合に比べて良好で時定数の長いノードも含めて、安定に誤差が漸減している。
本発明で述べる制御論理が解決しているのは、この総ヒータ消費電力の変動である。

数値例−３a： 本発明での制御論理 a) リセット方式
本発明での制御論理は、オンインターバル値の表と温度逸脱度の評価を併用する論理で、もっとも簡単な実装方法が、各ノードにて、指定の固定時間だけオンの操作を行い、Coast Card のカウンタをリセットする方法である。図１３には、この方法を用いた場合の、制御結果を示す。温度は、期待通り制御され、固定デューティ率制御よりも収束性がよい。同時に掲げている、オンインターバル値との差つまり、予定インターバルに対してオン要請がされた時点までのCoast Card カウンタ回数との差は、-5 よりも小さく、このことは温度制御優先で制御が行われている健全な状態を示唆している。
温度が全体に高めであるのは、デューティ列から規定される総電力が 130W になっているためである。

数値例−３b： 本発明での制御論理 b) 適応型デューティ更新方式
この方式では、On Card で要求があがり、その個体をサーバとして実施する毎に、オンインターバル値の表を更新する、適応型の制御結果を図１４に掲げた。この例では、各ノードでのオンインターバル値の初期値は、25すなわち１秒間に 40msec間だけオンとする値で開始している。適応はほぼ 500秒後までに終わり、以降の Coast Card で出された時点でのインターバル差は定常的な繰り返しパターンに収束している。最終的に、適応された後のオンインターバル値は、
(8.4, 12.5, 12.5, 25, 25, 6.3, 12.5, 12.5, 6.3, 25, 8.3)
となった。この値は、数値例−１で採用した固定デューティに近い。多少、このオンインターバル値が数値例−１と異なるのは、達成された温度値が２つの異なる値に収束していることに対応している。このことは、適応過程が、逐次的に４次の非線形方程式の定常解を求めていることに対応しているといえる。この制御結果では当然ながら、総電力は自動的に拘束値である 125W に収束する。

数値例−３c： 本発明での制御論理 c) 全ヒータ電力指定の適応型デューティ更新方式
一旦、適応過程が収束すると、結果として総電力値も定まる。その値が、所望の電力値と異なる場合、それを所望の指定値に一致させる更なる適応化も可能になる。図１５には、総電力を 122W に制限して行った結果を掲げる。制御はほぼ順調で、オンインターバル値は、
(8.2, 16.6, 16.6, 25, 25, 4.0, 16.6, 16.6, 8.2, 25, 8.2)
に収束した。図には、適応の結果として定まった総電力の値も掲げた。

この制御結果では、一見すると少ない電力で目標温度より高い温度に収束したかのように見えるが、非常に長い時定数の温度履歴が存在し、無限時間後には、やや低めの温度に収束していく。この制御結果が示した結果では、総電力として122W を指定できる。

これに対し、総電力を 115W に制約して同様の制御を試みた場合には、制御は大崩れはしないものの、目的温度を逸脱してしまうことがわかっている。
これは本質的に、115W では所定の温度制御はできないのであるから、結果は当然といえる。この制御論理は、不可能な制御を可能できるわけではない。

本発明は、宇宙応用のみならず、一般の電力制御や、情報処理システム、移動体通信など、非常に広範な応用が期待できる。

システム全体と各個体に設けられる本発明に基づく論理、装置を図５によって解説する。

本発明は、システム全体に投入される総資源の制約を満たしつつ、システムを構成する全個体における性能を所定の目標値へ達成ないし維持する制御方式であって、
前記、システム全体には、必要とする有限で一定規模の資源を提供する設備(1)、および各個体間を結び各個体での資源の消費や性能の情報を相互に交換できる適切な回線網(2)と、
前記、システムを構成する各個体には、個々に所定の性能を許容されうる範囲で合致させるべき目標値(3)が与えられ、
前記、システムを構成する各個体には、個々に、初期において、資源を投入するインターバルの値(4)が与えられ、
前記、システムを構成する各個体は、提供される資源を既知の量で消費するよう規定された、性能を操作する制御の実施機能、ないしはアクチュエーション装置(5)と、
前記、システムを構成する各個体は、その性能を計測する機能(6)、ないしは各個体で消費される資源を計測する機能(7)と、
前記、システムを構成する各個体は、前記回線網との送受信機能(8)と、
前記、システムを構成する各個体は、提供される資源を受領する機能(9)と、
前記、システムを構成する各個体は、自律的に方策・意志決定を行うソフトウェア機能（エージェント）(10)と、を備え、
前記、制御を各個体によって交代で実行する形態がもっとも典型的である。

喫緊の応用例として、人工衛星における熱制御装置（図１６）ないしデータ処理装置（図１７）がある。

人工衛星における熱制御装置（図１６）においては、資源が衛星システムで消費する電力であり、性能が各個体における温度の場合である。

人工衛星におけるデータ処理装置（図１７）においては、資源が衛星システムで処理できる情報流量であり、性能が各個体におけるバッファ上の転送待ち情報の残置率の場合である。

本発明を人工衛星システムへ応用した場合、１）ヒータ電力系、２）リアル，蓄積型テレメ処理、３）指令系データ処理、４）各機器の電力制御、５）群衛星間の通信、への利用が期待される。

本発明を、非宇宙開発分野に適用する場合、１）電車や車両の電力制御、２）交通量制御、３）汎用の電力管理制御、４）携帯電話などの情報量制御、への利用が期待できる。

ここで、これまで説明してきたシステムを実際に模擬人工衛星システムに適用し、試作を行い、実施した例について説明する。

実験例
機能を実際にハードウェア化して、検証するために、各個体における、ヒータ電力消費機能、情報収集機能、エージェント機能を組み込んだ回路を試作し、それらを８個用いて、動作と性能の検証を行った。

図１８は、各個体間の、サーバ機能、すなわち電力を消費（実施）して次のサーバを決定する（入札、評価と交代）作業を行う推移を描いたもので、各個体が、繰り返し交代で、この機能を遂行していることがわかる。

１９は、さらに各個体が、情報を収集するタイミングと、入札、評価と次のサーバ権の委譲を進めるタイミングを描いたものである。

図２０には、各個体におけるエージェント機能のフローチャートを掲げた。各エージェントでは、サーバ権を委譲されるごとに、まず電力を消費してヒータ電源をオンとする操作を行ったのち、入札要求を発信して情報収集を行い、つづいて報告されたカード情報に基づいて、次のサーバ、すなわち最も切迫して電力消費を行わなくてはならない個体を決定したのち、ヒータをオフとし、続いて委譲を行う過程を記述している。

図２１は、LIN 規格による回線網と、それにインタフェースを有する個体、およびこの制御システムに指令を行うモジュール（ここではパソコン）との接続・構成例を表現したものである。

図２２，２３は、機能評価に用いた簡易実験システムと、各個体に取り付けた、エージェント機能を持たせた、電力・情報インターフェースを有する、評価用のハードウェア基板を示した。

図２４は、もっとも簡易な固定デューティ方式に基づく、総資源の制約を受ける状態での、模擬実験例である。左図では、制御対象の熱数学モデルが正確である場合で、右図には、熱数学モデルに誤りがある場合の例を掲げた。後者では、この固定デューティ方式では、所期の目的を達成できていないことがわかる。

図２５には、この本発明の応用方式の１例として、実際のオンイターバル値を反映して、実際の熱数学モデルに適合する適応型のエージュエント機能下での応答を、上記の事前の熱数学モデルが正しくない場合に関しての応答例を示している。本機能は非常に機能し、モデル誤差を修正して、かつ総資源量の制約を満たした制御が機能する状況を示している。

図２６には、さらにもう１段高度の応用である、総電力の最適化、資源の最小化へのシミュレーション例を掲げた。同図左は、意図的に目標とする総電力量を原理的に不足する場合のシミュレーション結果で、同右図には、わずかながら余剰の総電力量を指定した場合のシミュレーション結果である。同右図の総電力量の下では、制御は完全に実施できていていることがわかり、総電力量の規制が原理的に可能であるかぎり、現実的な解を分散的かつ逐次的に達成できることを数値的に証明している。同左図においては、原理的に目標温度で平衡できないのであるが、模擬結果では、各構成員間で、要求を満たしたり、外したりしながら、全システムとして、時分割で対応していることがわかる。

各個体が独立に制御を行うシステムの例。 各個体が独立に制御を行うシステムでの、総資源（電力）消費履歴の例。 システムに特定の管理個体（集中管理制御装置）を設ける場合の構成例。 総資源の制約を満たす制御による平滑化の概念。 本発明の方式：総資源を一定に保ち、かつ各個体で所定の性能を満たす、自律分散制御方式。 本発明で述べる分散制御方式：「カードゲーム方式」によるサーバの委譲。 各個体のエージェントの処理フロー。 一般性を失わない、各構成員における消費電力量の規格化の概念。 簡単な温度制御系の構成例。 簡単な温度制御系のブロック図。 固定デューティ率制御結果。 On/Off 制御結果。 本発明の分散制御方式による制御結果 (Reset型)。 本発明の分散制御方式による制御結果（適応型）。 本発明の分散制御方式による制御結果（総電力 122W 指定時）。 本発明の方式：総消費電力を一定に保ち、かつ所定の温度目標を満たす制御系の例。 本発明の方式：総情報流量を一定に保ち、かつ所定のバッファ率を満たす制御系の例。 本発明で試作した装置におけるサーバ権の交代・委譲方式。 本発明で試作した装置における情報収集と委譲までのタイミング。 試作した装置での、各個体のエージェントの機能のフロー。 本発明で試作した装置における、各個体（エージェント）を結ぶ回線網。 本発明で試作し機能試験を実施した試験装置。 本発明で試作し、評価試験に供した装置。 試作・評価試験の結果（固定デューティ率制御）。 試作・評価試験の結果（固定デューティ率＋適応型制御）。 試作・評価試験の結果（可変デューティ率：総資源最適化制御）。

符号の説明

１ 必要とする有限で一定規模の資源を提供する設備
２ 各個体間を結び各個体での資源の消費や性能の情報を相互に交換できる適切な回線網
３ 各個体に与えられる、所定の性能目標値
４ 資源を投入するインターバルの参照値
５ 性能を操作する制御の実施機能、ないしはアクチュエーション装置
６ その性能を計測する機能
７ 各個体で消費される資源を計測する機能
８ 回線網との送受信機能
９ 提供される資源を受領する機能
１０ 自律的に方策・意志決定を行うソフトウェア機能（エージェント）

Claims (15)

1. それぞれに資源を消費して性能を果たす複数の個体と、各個体に資源を提供する設備と、各個体ごとに設けられる資源を受領する設備と、おなじく各個体ごとに設けられる性能を操作する実施機能もしくはアクチュエーション装置とが含まれるシステムにおいて、前記資源を提供する設備からシステム全体に投入される総資源（資源の総和）の制約を満たしつつ、全ての個体の個別の性能を制御する方法であって、
   各個体間を結び各個体における資源の消費や性能の情報を相互に交換できる回線網及び送受信機能を設ける工程と、
   前記システムを構成する各個体に、個々に所定の性能を許容されうる範囲で合致させるべき目標値を与える工程と、
   前記システムを構成する各個体に、個々に資源を投入するインターバルの値を与える工程と、
   前記システムを構成する各個体の性能を計測する機能もしくは各個体で消費される資源を計測する手段を設ける工程と、
   前記システムを構成する各個体に、自律的に方策・意志決定を行うソフトウェア機能（エージェント）を設ける工程とを含み、
   前記ソフトウェア機能を各個体間で交代して実行することを特徴とする方法。
2. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、各個体が、予め資源を消費するインターバル値（duty）の初期値を与えられ、動的にサーバー(server)、クライアント(client)機能を交代することで、入札（bid）、評価（evaluate）、実施（commit）、交代（shift）のサーバー４機能と、応札(Report)のクライアント機能とを動的に遂行して、全個体が分散して、システム全体に対する方策・意志決定の処理を行わせることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、サーバー機能が交代（shift）によって委譲された時点で、性能を目標値に到達ないし維持するために資源の消費を実施（commit）し、入札（bid）の段階において、各個体における性能逸脱情報と設定された資源を消費する間隔区間数（インターバル）参照値からの実際に最後にオンされてからの経過時間の区間数の逸脱情報とを各個体より収集し、評価（evaluate）の後、次の区間で資源を消費するべき個体を選抜し、方策・意志決定権を委譲するために、交代（shift）することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、入札要求に応えて、各個体における、性能や資源の投入状況を応札(Report)することを特徴とする請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、入札要求に応えて、各個体における、性能や資源の投入状況を応札(Report)することを特徴とする請求項２乃至４のうちいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、入札時に収集される、各個体での性能逸脱情報と設定された資源を消費する間隔区間数（インターバル）参照値からの実際に最後にオンとされてからの経過時間の区間数の逸脱情報は、性能下限を下回る場合において発行される逸脱性能差カード（On Card）と、性能の許容域内において発行される、設定されている資源消費のインターバル参照値と実際に最後にオンされてからの経過時間の区間数との差を示すカード（Coast Card）と、性能の上限を上回る場合において発行される、積極的に資源消費を要求しないカード（Skip card）の３種類のカード情報によって交換されること（「カードゲーム方式））を特徴とする請求項２乃至５のうちいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、評価時に、On Card の存在する場合においては、On Card 記載値のもっとも小さい（大きな負値）個体を次のサーバとし、On Card の発行されない場合においては、Coast Card 記載値のもっとも小さい（大きな負値）の個体を次のサーバと定めることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、Skip Card の発行を必ずしも必要としないことを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記ソフトウェア機能（エージェント）において、実施時に、当該個体の Coast Card 記載値をゼロにクリアし、以降も、初期に設定された固定の資源を消費するインターバル値を参照して動作を継続することを特徴とする請求項６乃至８のうちいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、実施時に、当該個体の Coast Card 記載値をゼロにクリアするも、その記載値を参照し、設定されている資源を消費するインターバル値を加減して更新して動作させ、制御実績にもとづいて適応させることを特徴とする請求項６乃至９のうちいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ソフトウェア機能（エージェント）は、実施時に、前項の方法によって更新された全個体の資源を消費するインターバル値を積算し、それを基に指定された全システムへの総資源へ整合させるべく、全個体の資源を消費するインターバル値に比率を掛けて更新して動作させることを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載の方法。
12. 前記各個体において規定される資源の消費量を、全て同一量に規格化することを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載の方法。
13. 前記システムがヒータ及び／又は冷却装置であり、前記システム資源が電力であり、前記各個体における性能が温度であることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか一項に記載の方法。
14. 前記システムが情報入出力装置であり、前記システム資源が区分化された情報流量（パケット数）であり、前記各個体における性能が入出力蓄積装置（バッファ）の利用効率であることを特徴とする、請求項１乃至１２のうちいずれか一項に記載の方法。
15. 前記システムに具備される回線網は、資源を供給する系統に同時に併設されることを特徴とする請求項１１乃至１４のうちいずれか一項に記載の方法。