研究テーマ：超スマート社会を実現するシステム制御

本研究室は，2017年4月発足の研究室で，システム制御工学とそのエネルギー・環境への応用を専門分野としています． システム制御工学とは，工学的な対象（わかりやすい例ではロボット，自動車など）の振る舞いを系統的にデザインする工学分野です．本研究室では，その中でも特に「超スマート社会」と呼ばれる情報，電力，エネルギー，交通，水道，経済など異種のネットワークのインターネットを通じた連携（IoT: モノのインターネット）を活用した便利で安心な未来社会を実現するシステム制御の理論と技術を，主たるテーマとして取り組んでいます． 特に，「超スマート社会」を「モノの流れからなる階層的なネットワーク」と「意思決定主体である人間」の2つの側面からとらえることによって， システム制御の理論と技術の確固たる基盤を構築します．

• 階層性・ネットワーク性に基づく大規模複雑システムの制御理論
• 人間・機械系に対する非線形制御理論
• 大規模電力ネットワークの安定性解析・制御技術
• Plug&Play機能に基づく地域エネルギーシステムの制御技術
• 農業機械の自動走行のための分散・協調制御
• 大規模複雑プラントのモデリングと制御技術

階層性・ネットワーク性に基づく大規模複雑システムの制御理論

本研究では，超スマート社会における社会インフラシステムを異種のネットワークからなる階層的ネットワークシステムとしてモデリングし，大規模システムの制御理論を構築します． 具体的には，超スマート社会にあらわれる送配電ネットワーク，交通流ネットワーク，上・下水道ネットワークなどの大規模社会インフラシステムに共通にあらわれる性質は， モノのネットワークを介した「流れ」が階層的に結合する点です． 一般にこのような「流れ」は多次元システム（偏微分方程式によって記述される時間，空間など複数の独立変数を持つシステム）として記述されます． 本アプローチでは前に書いたような大規模システムを複数の多次元システムが階層的にネットワーク結合をする多次元階層的ネットワークシステムとして見通し良く記述し，その分散協調的なロバスト制御系設計の理論を確立し，超スマート社会におけるサステイナブルな運用に理論的な側面から貢献することを目指します．

• 小島千昭：ビヘイビアアプローチによるシステム制御って？，システム/制御/情報，第62号 第9巻，pp. 384-385, 2018年9月
• ○ 小島千昭：超スマート社会の予測・制御に向けた多次元階層的ネットワーク性に基づく大規模システムのモデリング，第8回 横幹連合コンファレンス，D-3-3, 立命館大学 朱雀キャンパス，京都府 京都市，2017年12月3日
• Chiaki Kojima and Shinji Hara: Characterization of Finite Frequency Properties for n-Dimensional Behaviors Using Quadratic Differential Forms, SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, Volume 7, Number 2, pp. 112-121, March, 2014（2016年度 計測自動制御学会 論文賞 受賞） [J-STAGE] [SICE]
• 平成29～31年度 日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究 (C), 多次元階層的ネットワーク性に基づく大規模動的システムのロバスト制御系設計 [KAKEN]

人間・機械系に対する非線形制御理論

現在少子高齢化社会が進んでおり，将来，工場での作業や農作業，物資の運送など，日常を支える様々な場面で深刻な人手不足に陥る可能性があります．そのような問題への解決策の一つとして，人と機械とがうまく協働・共存ができる社会を実現することが考えられます．その実現のためには，システム制御工学の観点から人間と機械が協働して作業を行うシステムに関する研究を行うことも必要になります．非線形制御理論，機械学習，「ユルさ」などをキーワードに，新しい形の人間・機械協調作業のための制御手法の構築及びその性質の理論的解明を行うことを目指します． さらに，「ユルさ」の視点でドライ バーの運転支援など，地域コミュニティの課題解決にも貢献します．

• ○ Chiaki Kojima, Kazutoshi Sakakibara, and Masaki Nakamura: A Formal Verification Approach for Exact Solution to Finite-Time Optimal Control Problem of Hybrid Systems, Proceedings of the SICE Annual Conference 2019 (SICE 2019), Hiroshima, Japan, September, 2019 (To appear)
• 平成30年度 富山県立大学 重点領域研究遂行支援，ハイブリッドシステムに対する最適予測制御の形式的検証による厳密解法と実問題への応用 [報告書]
• 令和元年度 富山県立大学 重点領域研究遂行支援（学科横断型），意思決定の不確かさ「ユルさ」を考慮した人間-機械システムのハイブリッド制御 -EVを介した最適化による地域コミュニティの課題解決

大規模電力ネットワークの安定性解析・制御技術

太陽光発電や風力発電などの不確定性を有する再生可能エネルギーの大量導入を受けて，電力ネットワークの従来運用技術の限界が指摘されています． 再生可能エネルギーの大量導入に対して有効となる電力ネットワークのの解析・制御技術の確立を目指します． 特に，データ駆動型の診断技術として、同期位相計測器 (PMU) の計測データに基づき，電力ネットワークの安定性診断や周波数・電圧制御を確立します．

• Chiaki Kojima, Yoshihiko Susuki, and Shinji Hara: Dissipativity-Based Stability Analysis of Networked Nonlinear Descriptor Systems and its Application to Power Grids, SICE Journal of Control, Measurement, and System Integration, Volume 12, Number 1, pp. 29-38, January, 2019 [J-STAGE]
• ○ Chiaki Kojima，Yoshihiko Susuki and Aranya Chakrabortty: A Data-Driven Construction of Energy Functions for Power Grid Collective Behavior via Synchrophasors, Proceedings of the SICE International Symposium on Control Systems 2017 (ISCS 2017), Okayama, Japan, March 8th, 2017
• ○ 小島千昭，薄良彦，原辰次：消散性に基づくネットワーク化非線形デスクリプタシステムに対する安定性解析とその電力系統への応用，第59回 自動制御連合講演会，pp. 377-382, 北九州国際会議場，福岡県 北九州市，2016年11月10日 [J-STAGE]
• Chiaki Kojima, Yoshihiko Susuki, Koji Tsumura and Shinji Hara: Decomposition of Energy Function and Hierarchical Diagnosis of Power Grid Swing Instabilities, Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE, Volume E7-N, Number 4, pp. 523-547, October, 2016（2017 NOLTA, IEICE Best Paper Award 受賞） [J-STAGE]
• Yoshihiko Susuki, ○ Chiaki Kojima and Shinji Hara: A Hierarchical Representation of Power Grid Dynamics Using Singular Perturbation, Proceedings of the SICE International Symposium on Control Systems 2016 (ISCS 2016), 4A2-2, Nagoya, Japan, March 10th, 2016
• ○ Chiaki Kojima, Yoshihiko Susuki, Koji Tsumura and Shinji Hara: Decomposition of Energy Function and Hierarchical Transient Stability Diagnosis for Power Networks, Proceedings of the 54th IEEE Conference on Decision and Control (CDC 2015), pp. 3266-3271, Osaka, Japan, December 16th, 2015 [IEEE Xplore]
• 平成27～30年度 日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究 (B), クープマンモード解析に基づく電力ネットワークのデータ駆動型運用技術の構築（研究代表者：薄良彦（大阪府立大学））[KAKEN]

Plug&Play機能に基づく地域エネルギーシステムの制御技術

超スマート社会における地域エネルギーシステムに対して，時々刻々と特性が変化してもPlug&Play機能により対応可能な制御理論を構築します． 特に， 地域エネルギーシステムを想定した階層的ネットワークシステムの構成要素（サブシステム，ネットワークシステム）のそれぞれを消散性（エネルギー収支に関する性質）からとらえます． 具体的には，再生可能エネルギーや電気自動車の大量導入による配電系統の周波数，電圧への影響の定量化やそれらの制御，商業施設や地域コミュニティにおける充電ステーションの設置や充電料金による交通量の制御など多面的に検討し，エネルギーシステムのロバストネスやレジリエンスを保証する制御技術を確立します．また，「ユルさ」の視点でドライバーの運転支援など，地域コミュニティの課題解決にも貢献します．

• 小島千昭，滑川徹：超スマート社会のPlug&Play制御系設計-ネットワーク構造と消散性の活用，計測と制御，第58号 第8巻，2019年8月（掲載予定）
• 〇 Chiaki Kojima and Toru Namerikawa: Passivity-Short in Networked Nonlinear Systems, Proceedings of the SICE International Symposium on Control Systems 2019 (ISCS 2019), 2I1-5, Kumamoto, Japan, March 8th, 2019
• 〇 岡田彪雅，小島千昭，滑川徹：大型ショッピングモール駐車場における電気自動車の最適充電スケジューリング，計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会 2018, SS11-18, 富山国際会議場，富山県 富山市，2018年11月27日
• 平成29～31年度 日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究 (B), 大規模都市インフラシステムのPlug & Play制御と最適化（研究代表者：滑川徹（慶應義塾大学）） [KAKEN]

農業機械の自動走行のためのマルチエージェント制御

本テーマでは，稲作に代表される広大な圃場を想定し，安価かつ中程度の機能を持ち自動運転を行う耕作機械を複数台導入し，その局所的な通信によって圃場全体を時間・コストや耐故障性の観点で効率よく耕作する最適な軌道生成を行うためのマルチエージェント制御（分散・協調制御）の枠組みを構築します． また，過酷な環境にある圃場において障害物の回避や圃場の浸水などに適切に対応するために， レーダー，ライダーなどの複数センサを導入し障害物や荒れ具合を推定するセンサフュージョンに基づく適切な計測の組み合わせや耕作機械間の通信方式も検討します． このような自動走行のパッケージの構築によって，農業機械の運転者の安全性の担保や農作業者の積極的な補助となることを目指していきます．

• 〇 盛田修，林真美，小島千昭，大倉裕貴，佐保賢志：マルチエージェント制御に基づく複数耕作機械の経路設計と相対位置・相対速度の推定の検討，第29回 インテリジェント・システム・シンポジウム， 富山国際会議場，富山県 富山市，2019年9月（発表予定）
• ○ 林真美，小島千昭：マルチエージェントシステムの被覆制御と複数耕作機械の経路設計への応用，平成30年度 北陸地区学生による研究発表会，5-2-3, 富山高等専門学校 本郷キャンパス，富山県 富山市，2019年3月2日
• 平成30年度 富山県立大学 奨励研究費（萌芽的研究），マルチエージェント制御に基づく複数の農業用耕作機械の自動運転における最適軌道生成

大規模複雑プラントのモデリングと制御技術

超スマート社会を支える大規模複雑な工業プラント（化学系，流体系など）は，その複雑な構造や化学反応に起因して従来の電気系や機械系を想定したシステム制御工学とは異なる革新的な技術の創出が求められます．本テーマでは，機械学習なども盛り込んだ新しいモデリングと制御の技術の開発， および実際のプラントを想定した大規模シミュレーションを行います．

• 小島千昭：階層的ネットワークシステムのデータ駆動型低次元化，計測と制御，第56号 第12巻，pp. 919-924, 2017年12月 [J-STAGE]
• ○ Chiaki Kojima: Hierarchical Network Identification of Large-Scale Systems - an Approach Based on Dissipation Equalities, Proceedings of the 19th IFAC World Congress (IFAC 2014), pp. 5538-5543, Cape Town, South Africa, August 27th, 2014 [ScienceDirect]
• ○ Chiaki Kojima: Distributed Proper Orthogonal Decomposition for Large-Scale Networked Nonlinear Systems with Approximation Error Bound, Proceedings of the 13th European Control Conference 2014 (ECC 2014), pp. 1086-1091, Strasbourg, France, June 26th, 2014 [IEEE Xplore]
• ○ Chiaki Kojima, Issei Kawasaki, Satoshi Moriyama and Jun Wada: Distributed Proper Orthogonal Decomposition for Large-Scale Networked Dynamical Systems, Proceedings of the 2013 European Control Conference (ECC 2013), pp. 3439-3445, Zurich, Switzerland, July 19th, 2013 [IEEE Xplore]
• ○ Chiaki Kojima, Ryuta Hashimoto and Shisei Nakano: Hierarchical Network Identification of Large-Scale Systems - Homogeneous Case, Proceedings of the 2012 American Control Conference (ACC 2012), pp. 4034-4039, Montreal, Canada, June 28th, 2012 [IEEE Xplore]