研究プロジェクト

システムオブシステムズのモデリングと総合信頼性

System of Systems（複数の独立したシステムが連携して創発的な目的を果たす仕組み）を、自律的に意思決定する主体が相互作用する社会技術システムとして捉え、その全体挙動と総合信頼性（英語では dependability）を設計する新しい工学の確立を目指しています。

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背景

本研究では、System of Systems（SoS）を単なるシステムの集合ではなく、自律的に意思決定する主体が相互作用する社会的システムとして捉えます。対象となるのは、個々の要素の正しさだけでは説明しきれない、全体としての振る舞いが重要になる大規模な社会技術システムです。

目指しているのは、そのような SoS の全体挙動を設計できる新しい工学の確立です。構造や接続関係だけでなく、主体どうしの相互作用、利害、意思決定まで含めて扱い、望ましいシステム全体の振る舞いを説明・設計・検証するための方法論を構築します。

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課題

自動運転交通、スマートグリッド、スマートシティ、データ連携基盤など、現代のシステムは複数の主体が独立に意思決定する分散型システムとなっています。このような環境では、各主体が合理的に行動していても、その相互作用の結果として全体に望ましくない現象が生じることがあります。

利己的な行動により全体効率が低下することがあります。たとえば交通では渋滞、エネルギーでは電力ピークのような問題が生じます。
想定外の相互作用によって、システム全体が不安定化することがあります。
個々のシステムがそれぞれ最適に動いていても、全体としては機能しない場合があります。

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従来研究の限界

従来のシステム工学や SoSE は、アーキテクチャ設計、通信・制御、ソフトウェア設計といった観点で大きな成果を上げてきました。一方で、実社会の SoS で本質的になる「主体がどう行動するか」という問題は、十分には扱われていません。

そのため、構造としては正しく設計され、個々の要素が仕様通りに構築されていても、実運用では期待したように機能しないという問題が残ります。SoS を実社会で機能させるには、構造設計だけでなく、主体の意思決定と相互作用を設計対象に含める必要があります。

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研究内容

本研究では、「制御する」のではなく、「望ましい行動が自然に選ばれるように設計する」という考え方を採用します。具体的には、ルールや契約、インセンティブを設計し、各主体が自律的に行動しても、全体として望ましい状態に収束するような仕組みを構築します。

これは、外部から全体を一括制御する発想ではなく、主体の意思決定と相互作用を前提に、結果として望ましい均衡が現れる条件を設計するという立場です。SoS を社会技術システムとして扱うことで、構造設計に加えて、行動設計や制度設計まで含めた方法論へ広げることを目指します。

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これまでの成果

このテーマは MaaS のレジリエンス研究から始まりました。エンタープライズアーキテクチャモデリングに基づく MaaS のレジリエンス分析・設計（Reliability Engineering & System Safety, 2023）、FRAM を半定量化したデジタルヘルスケアサービスの信頼性分析（Computer Systems Science and Engineering, 2023）に続き、マルチエージェント強化学習によるレジリエンスエンジニアリング手法（IEEE Transactions on Network and Service Management, 2026）へと発展しています。

SoS 全体の保証については、ステークホルダーの合意形成に基づくレジリエンス保証（IEEE Access, 2025）、ArchiMate による評価手法（Systems, 2025）、Stackelberg 進化ゲームによる動的レジリエンス分析（ICSRS 2025・SoSE 2026）と、モデリングからゲーム理論へ手法を広げてきました。ガバナンスを設計変数として扱う実証研究（SoSE 2026）は、制度設計まで含めたこのテーマの方向性を示す成果です。

産学官の活動とも連動しています。自動運転の保証技術を扱う SEAMS・TIGARS プロジェクトや IEC 62853 に関わる標準化活動に参加し、自動運転の総合信頼性に関する解説（自動車技術会会誌, 2024）などを通じて、研究成果を社会の議論につなげてきました。

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この研究のうれしさ

交通・エネルギー・物流のように多くの組織が関わるサービスは、どこか1つの組織の判断だけでは全体を良くできません。この研究が進むと、ルールやインセンティブの設計を通じて参加者が自然に協調し、災害や障害が起きてもサービス全体が止まりにくい社会システムを作れるようになります。

「誰かが全体を制御する」のではなく、「全体が望ましい方向に向かう条件を設計する」。この発想の転換が、複雑になりすぎた社会システムを扱う新しい道具になると考えています。

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目指す姿

今後は、SoS を均衡として設計するという考え方をさらに具体化し、実社会で活用可能な設計・検証基盤の確立を目指します。Contract Architecture Description Language（CADL）によるルール・契約の形式化、自律主体を前提とした動的適応の設計、システム全体としての総合信頼性の評価、さらにデジタルツインを用いた実証を通じて、社会技術システムとしての SoS を扱う方法論へ発展させていきます。

ルール・契約の形式化と検証: システム構成だけでなく、ルールや契約も記述可能にし、矛盾や不整合を設計段階で検出します。
自律主体を前提とした動的適応の設計: 各主体が独立に行動・学習しても、全体として望ましい状態に収束する仕組みを明らかにします。
システム全体としての総合信頼性評価: 個々の正しさだけでなく、相互作用による問題を含めて評価し、回避方法を検討します。

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今後の方向性とテーマの例

上に挙げた基盤づくりと並行して、次のようなテーマに取り組みます。学生の研究テーマも、この方向性のなかから相談して決めていきます。

Contract Architecture Description Language（CADL）によるルール・契約の記述と設計時検証
Stackelberg ゲーム・進化ゲームに基づく SoS レジリエンスの動的分析
ガバナンスを設計変数とする実証研究（性能と自律性のトレードオフ分析）
ロボットシミュレータなどのデジタルツインを用いた SoS 実験環境の構築
MaaS・空港・防災・危険物輸送など、実サービスを対象にしたケーススタディ

初めて学ぶ人へ

まず読むならこの解説

専門の論文より先に、日本語で書かれた次の解説から入るのがおすすめです。

自動運転の総合信頼性─ドイツPEGASUSプロジェクトとレベル4自動運転サービスを例に考える
松原豊, 自動車技術会会誌, 2024年1月号特集イノベーションガバナンス.

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論文・発表の一覧を見る

2026
A Multi-Agent Reinforcement Learning Based Resilience Engineering Method for Mobility-as-a-Service
Zhengshu Zhou, Weijie Yu, Tingting Zhao, Qian Long, Yutaka Matsubara, Hiroaki Takada

IEEE Transactions on Network and Service Management, Vol.23, pp.2135-2148

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2026
A System-of-Systems Resilience Analysis Framework Based on Stackelberg Evolution Game
Huanjun Zhang, Yutaka Matsubara

21st International Conference on System of Systems Engineering (SoSE 2026), Kongsberg, Norway, Jun.-Jul. 2026

発表予定（To appear）。
2026
Governance as a Structural Design Variable: An Empirical Study of Performance-Autonomy Value Spaces in Systems of Systems
Chihiro Shimoyama, Yutaka Matsubara

21st International Conference on System of Systems Engineering (SoSE 2026), Kongsberg, Norway, Jun.-Jul. 2026

発表予定（To appear）。
2025
ArchiMate-Based System of Systems Resilience Evaluation Approach
Huanjun Zhang, Yutaka Matsubara

Systems, Vol.13, Issue 5

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2025
Consensus Based Resilience Assurance for System of Systems
Huanjun Zhang, Yutaka Matsubara

IEEE Access, Vol.13, pp.20203-20217

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2025
A Decision Support Scheme for Safe and Efficient Transportation of Hazardous Materials
Zhengshu Zhou, Yutaka Matsubara, Hiroaki Takada

IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, Vol.26, Issue 1, pp.309-322

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2025
A Dynamic Resilience Research for Acknowledged System-of-systems Based on a Stackelberg Evolutionary Game
Huanjun Zhang, Yutaka Matsubara

The 9th International Conference on System Reliability and Safety (ICSRS 2025), Italy, Nov 2025

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2025
Improving Airport Baggage Handling System Efficiency with Simulation-Based Design
Chenda Siv, Yutaka Matsubara, Hiroaki Takada

2nd IEOM World Congress on Industrial Engineering and Operations Management, Canada, Oct 2025
2025
Co-evolution Guidebook (HMCES Guidebook)
Daichi Mizuguchi, Akihisa Morikawa, Yutaka Matsubara, Kiyoshi Fujiwara

HMCES Project

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2025
共進化ガイドブック
水口大知, 森川聡久, 松原豊, 藤原清司

HMCES Project

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2025
Enhancing Human-Robot Collaboration through Existing Guidelines: A Case Study Approach
Yutaka Matsubara, Akihisa Morikawa, Daichi Mizuguchi, Kiyoshi Fujiwara

HMCES Project

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2024
自動運転の総合信頼性─ドイツPEGASUSプロジェクトとレベル4自動運転サービスを例に考える
松原豊

自動車技術会会誌, 2024年1月号特集イノベーションガバナンス
2024
AI2X Co-evolution Guidebook and Case Study for Human-centered AI Framework
Akihisa Morikawa, Yutaka Matsubara, Daichi Mizuguchi, Kiyoshi Fujiwara

SAFECOMP 2024 Position Paper, Florence, Sep 2024

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2024
Reaching Consensus on System-of-systems Resilience Assurance: A Case of Mobility as a Service
Huanjun Zhang, Yutaka Matsubara, Hiroaki Takada

SASSUR 2024 at SAFECOMP 2024, LNCS Vol.14989, pp.200-212, Florence, Sep 2024

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2023
Resilience Analysis and Design for Mobility-as-a-Service Based on Enterprise Architecture Modeling
Zhengshu Zhou, Yutaka Matsubara, Hiroaki Takada

Reliability Engineering & System Safety, Vol.229

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2023
Developing Reliable Digital Healthcare Service Using Semi-Quantitative Functional Resonance Analysis
Zhengshu Zhou, Yutaka Matsubara, Hiroaki Takada

Computer Systems Science and Engineering, Vol.45, No.1, pp.35-50

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2023
A Quantitative Approach for System of Systems’ Resilience Analyzing Based on ArchiMate
Huanjun Zhang, Yutaka Matsubara, Hiroaki Takada

DECSoS 2023 at SAFECOMP 2023, LNCS Vol.14489, pp.47-60, Toulouse, Sep 2023
2023
Toward Human-centered AI Framework: An Introduction to AI2X Co-evolution Project
Yutaka Matsubara, Akihisa Morikawa, Daichi Mizuguchi, Kiyoshi Fujiwara

SAFECOMP 2023 Position Paper, Toulouse, Sep 2023

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2023
SoSレジリエンスモデルのステークホルダーコンセンサスに向けた分析方法
Huanjun Zhang, 松原豊, 高田広章

DSW 2023, University of Tsukuba

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2021
MaaS信頼性向上のためのレジリエンスエンジニアリング手法
周正書, 松原豊, 高田広章

第57回組込みシステム研究発表会

最優秀論文発表賞受賞。

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2021
最優秀論文発表賞「MaaSの高信頼化を目的としたレジリエンスエンジニアリング手法」
周正書, 松原豊, 高田広章

日本ソフトウェア科学会第19回ディペンダブルシステムワークショップ（DSW 2021）
2020
自動車分野のCASE革命とサイバーセキュリティ
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情報処理 2020年4月号特集新たなモビリティ時代のサイバーセキュリティ, Vol.61, No.4, pp.338-343, Mar 2020
2020
Towards Identifying and Closing Gaps in Assurance of Autonomous Road Vehicles: Technical Notes Part 2
Robin Bloomfield, Gareth Fletcher, Heidy Khlaaf, Philippa Ryan, Shuji Kinoshita, Yoshiki Kinoshita, Makoto Takeyama, Yutaka Matsubara, Peter Popov, Kazuki Imai, Yoshinori Tsutake

TIGARS Project

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2020
Towards Identifying and Closing Gaps in Assurance of Autonomous Road Vehicles: Technical Notes Part 1
Robin Bloomfield, Gareth Fletcher, Heidy Khlaaf, Philippa Ryan, Shuji Kinoshita, Yoshiki Kinoshita, Makoto Takeyama, Yutaka Matsubara, Peter Popov, Kazuki Imai, Yoshinori Tsutake

TIGARS Project

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2019
Open System Dependabilityに基づくレジリエンス分析手法
戸田佳成, 松原豊, 高田広章

情報処理学会第50回組込みシステム研究発表会

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2018
つながる社会とクルマのセーフティ＆セキュリティの動向と展望
松原豊, 倉地亮, 高田広章

自動車技術 2018年5月号特集：コネクティビティ：つながる社会とクルマ, Vol.72, No.5, pp.87-93, May 2018
2017
自動車分野のセーフティとセキュリティの動向と展望 -自律走行の実現に向けて-
松原豊, 倉地亮, 高田広章

情報処理 2017年11月号特集 IoT時代のセーフティとセキュリティ -日本の産業競争力の強化に向けて-, Vol.58, No.11, Oct 2017