高信頼システム間連携のための仮想/現実空間連動ブロックチェーン基盤の研究開発

项目来源

日本学术振兴会基金(JSPS)

项目主持人

山本 寛

项目受资助机构

立命館大学

项目编号

24K02916

立项年度

2024

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

18460000.00日元

学科

高性能計算関連;合同審査対象計算機システム関連、高性能計算関連;計算機システム関連

学科代码

未公开

基金类别

基盤研究(B)

关键词

高信頼システム間連携 ; ブロックチェーン ; 時空間情報滞留手法 ; エッジコンピューティング ; データ安全性検証 ;

参与者

塚本和也;野林大起;妙中雄三

参与机构

立命館大学,情報理工学部;九州工業大学,大学院情報工学研究院;九州工業大学,大学院工学研究院;奈良先端科学技術大学院大学,先端科学技術研究科

项目标书摘要:各機関とも、それぞれが担当する研究実績の概要で示した課題(1)-(4)について検討を進めるとともに、定期的に意見交換を行うことで各課題の進捗と課題間の関連性を確認するとともに、課題の今後の方針について積極的な議論を進めている。まず(1)について、キャンパス内の複数箇所に設置したLiDARから収集した三次元点群データを解析し、ロボットや人に対応する点群を特定した上で、その位置や移動履歴をリアルタイムに計測するシステムを実現している。また、点群データやその形状を表す特徴量をブロックチェーンと分散ストレージが連携する基盤で管理し、それらの参照や比較が間違いなく行われたことを証明できる基盤を実現している。次に(2)について、時空間情報滞留の範囲を制限する送信制御手法を実装し、九州工業大学内の屋内における実験検証を通して本手法の実現可能性を評価している。さらに(3)について、STDの機密性やプライバシ性を保証するために、GCIP上のエッジサーバに実装される多層化ブロックチェーンの概念を提案した上で、上位層ブロックチェーンについてはシミュレーション評価と実機検証により有効性を検証できている。更に下位層ブロックチェーンについては、現実都市環境を模擬した広域シミュレーション評価によって有効性を着実に検証出来ている。最後に(4)について、物理空間のデータ収集から異常検知、データ処理基盤を含めた包括的な研究を遂行できている。時空間データの相関は重要なデータ価値であるため、それを保存しながらもプライバシ確保する方法を検証できており、データの安全性を判断するための異常検知の有効性も検証できている。そのような処理を物理空間近傍で実行する計算資源活用の効率化も実現できている。本研究課題は、(1)ブロックチェーンを介した仮想/現実空間循環制御、(2)現実空間におけるデバイス連携ネットワーク技術、(3)エッジコンピューティング技術を活用した機能管理技術、(4)デバイス間連携によるデータの安全性検証技術に分けて遂行した。(1)について、代表者が所属するキャンパス内で運用されている自律移動ロボットを題材として、ロボットや施設に配備されているセンサから収集したデータを解析し、ロボットやその周辺における人の位置をリアルタイムに特定するシステムを設計・試作した。また、センサから収集したデータを分散ストレージと連携するブロックチェーンに記録する基盤技術を実現した。(2)について、時空間情報滞留手法(STD-RS)を活用した各種データの滞留範囲制御技術について検討した。本手法によってデータを特定の範囲にとどめるためには、データ送信者と中継するノードがある程度位置情報を把握する必要があるため、ビーコンの受信強度に基づき屋内のみにデータの滞留範囲を制限するための送信制御手法を提案し試作した。(3)について、時空間に依存するデータ(STD)の機密性やプライバシ性を保証するためのデータ処理機能として、これまでに提案した多層化ブロックチェーンを具現化し、上位層ブロックチェーンによるSTD誤送信の検知手法の実機評価に加え、地域毎に構築される下位層ブロックチェーンによる異常ノードの検出手法の考案及び高度化を進めた。(4)について、複数デバイスのデータ安全性を検証するために、異常検知手法を提案した。複数の事業者の生成データは異なる特徴量を持つ可能性が高く、複数事業者のクレジットカードの利用履歴を類似データとして用い、個別学習したMLPモデルを動的融合する連合学習を提案した。加えて、軌跡データの類似性に基づいてプライバシ性を保持しながら情報価値を維持するLDP拡張を提案した。令和7年度は、引き続き(1)ブロックチェーンを介した仮想/現実空間循環制御の担当者が、ブロックチェーンに記録される多様なセンサデータの解析の履歴や、システム間でのセンサデータの流通の履歴を解析する技術を検討する。特に、履歴を解析することで解析・流通処理が正しく行われたことを検証するセキュリティ技術(特に、ゼロ知識証明技術)の応用についても検討する。次に(2)現実空間におけるデバイス連携ネットワーク技術については、前年度に引き続きSTD-RSにおける滞留範囲の制御について精度改善をめざす。特に、中継ノードが移動する環境を想定した送信制御手法を検討する。また、データ自体の機密性とプライバシを考慮し、転送される過程で機密性/プライバシ性が動的に変動する状況を想定した手法を検討する。さらに(3)エッジコンピューティング技術を活用した機能管理技術については、実ネットワークを想定した上位層ブロックチェーン手法の有効性についても検証出来る予定である。更に下位層ブロックチェーン手法の高度化も予定しており、実ネットワーク環境での有効性調査も視野にいれている。最後に(4)デバイス間連携によるデータの安全性検証技術については、データの安全性を検証する手法の高度化を行う。機械学習等のAIを活用して、いくつかのユースケースに対して有効性を検証し、提案技術を洗練していく予定である。Reason:各機関とも、それぞれが担当する研究実績の概要で示した課題(1)-(4)について検討を進めるとともに、定期的に意見交換を行うことで各課題の進捗と課題間の関連性を確認するとともに、課題の今後の方針について積極的な議論を進めている。まず(1)について、キャンパス内の複数箇所に設置したLiDARから収集した三次元点群データを解析し、ロボットや人に対応する点群を特定した上で、その位置や移動履歴をリアルタイムに計測するシステムを実現している。また、点群データやその形状を表す特徴量をブロックチェーンと分散ストレージが連携する基盤で管理し、それらの参照や比較が間違いなく行われたことを証明できる基盤を実現している。次に(2)について、時空間情報滞留の範囲を制限する送信制御手法を実装し、九州工業大学内の屋内における実験検証を通して本手法の実現可能性を評価している。さらに(3)について、STDの機密性やプライバシ性を保証するために、GCIP上のエッジサーバに実装される多層化ブロックチェーンの概念を提案した上で、上位層ブロックチェーンについてはシミュレーション評価と実機検証により有効性を検証できている。更に下位層ブロックチェーンについては、現実都市環境を模擬した広域シミュレーション評価によって有効性を着実に検証出来ている。最後に(4)について、物理空間のデータ収集から異常検知、データ処理基盤を含めた包括的な研究を遂行できている。時空間データの相関は重要なデータ価値であるため、それを保存しながらもプライバシ確保する方法を検証できており、データの安全性を判断するための異常検知の有効性も検証できている。そのような処理を物理空間近傍で実行する計算資源活用の効率化も実現できている。Outline of Research at the Start:ロボット/ドローンなど新技術を導入して社会システムを変革するには、運用に関わる多種ステークホルダーのシステムが相互連携し、事故回避や運用ガイドラインの継続的更新などを可能とする仕組みが求められる。本研究は、システム間でブロックチェーンを構成し、現実空間の状態を観測したデータを相互に流通して認識できる状態の種別や範囲を拡張することで、各システムが提供するサービスを高信頼化する連携基盤を実現する。特に、システム同士が仮想空間(ブロックチェーン)と連動して現実空間でも直接的に連携し、デバイス(ロボット、防犯装置など)間でのリアルタイムかつ高信頼なデータ流通を可能とするネットワークの構成を実現する。

  • 排序方式:
  • 1
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  • 1.Efficient Token Exchange Scheme among Different Blockchain Ledgers

    • 关键词:
    • Chains;Costs;Distributed ledger;Electronic commerce;Fees and charges;Smart contract;Aggregate cross-chain communication;Block-chain;Centralised;Commitment scheme;Cross-chain communication;Exchange rates;Fair exchange;Insert key-value commitment scheme;Key values;Trusted third parties
    • Miyaji, Hideaki;Hsu, Po-Chu;Yamamoto, Hiroshi
    • 《IEICE Transactions on Information and Systems》
    • 2026年
    • E109.D卷
    • 2期
    • 期刊

    A blockchain is a distributed ledger that allows users to exchange information without a centralized authority. This technology enables users to send and receive tokens among other applications, such as transactions, product management, and elections. It is possible to send data and tokens inside a single blockchain, but a method to efficiently share the data and tokens among different blockchains has not yet been constructed. Cross-chain communication, the focal point of several recent research efforts, is a scheme for sending data or tokens among different blockchains. In existing studies, a trusted third party (TTP) is used to ensure fair rates of token exchange among different blockchains. However, because blockchains are originally designed with a policy that does not incorporate the use of TTPs, the fair exchange rate should not be determined by TTPs, but rather by the market price of tokens among users. When exchange rates are determined from quotes among users, the preferred scheme is to determine the exchange rate offered by many users as an auction. Here, some existing cross-chain communication systems use smart contracts that automatically execute arbitrary processes on the blockchain. However, such schemes require a gas fee each time a smart contract is executed. Thus, implementing an auction scheme that determines the fair exchange rate among different blockchains would necessitate each user to pay a fee for each new token offered, which would result in high gas fees. In this study, we propose a scheme to determine exchange rates from quotes among users with a relatively low gas fee. Using a first-price sealed-bid auction and commitment scheme, the user with the highest token value can be identified without revealing the other users’ token offer values. In our scheme, the largest token value among users is determined as the exchange rate using an external Smart Contract (SC) instead of a TTP. We further modify the existing insert key-value commitment scheme to aggregate the commitment values of token offers. Our scheme is based on the generalized RSA assumption. By proving that it satisfies the key-binding property, we prove that the token sender cannot act maliciously. We further implement the proposed scheme and demonstrate that the gas fees and data space required to implement the proposed scheme are practically feasible. Copyright © 2026 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers.

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  • 4.Highly Reliable Oracle Provisioning Infrastructure for Blockchain-Based Distributed Metaverse

    • 关键词:
    • ;BLE;Block-chain;Decentralised;Demand and supply;Digital contents;Management platforms;Metaverses;Non-fungible token;Oracle;Virtual spaces
    • Araki, Raiya;Miyaji, Hideaki;Yamamoto, Hiroshi
    • 《2025 IEEE International Conference on Consumer Electronics, ICCE 2025》
    • 2025年
    • January 11, 2025 - January 14, 2025
    • Las Vegas, NV, United states
    • 会议

    Blockchain that is a decentralized data management platform is attracting much attention recently. Recent advancement of blockchain technology increases the demand and supply of Non-Fungible Tokens (NFTs) that enable management of ownership concepts for various digital contents. Especially in the metaverse, NFT contents such as images and videos are actively used to facilitate communication within the virtual space. However, systems and technologies that link NFT content in the metaverse with metaverse platforms and generate metadata (e.g., popularity of each content) from data created through user's activities in the metaverse (e.g., user attention, conversation audio) are not realized. Therefore, our research aims to provide highly reliable data regarding the popularity and evaluation function of NFT content. To achieve the objective, we focus on extending existing oracle mechanisms and developing a system that integrates NFT content and various data generated on the metaverse platforms. The oracle technology to handle data provision and verification processes allows users within the metaverse to mutually verify reliability of the data generated through interactions with NFT content. Additionally, the proposed platform enables the use of common devices (e.g., smartphones) as wallets for the blockchain. These common devices can be used to sign transactions through short-range wireless communication when sending data to the blockchain through devices constituting the metaverse platform. This approach ensures user's involvement in data transmission procedure while simultaneously enabling mutual verification of the transmitted data through the blockchain to achieve both wallet security and data reliability. © 2025 IEEE.

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  • 5.Secure Federated Matrix Factorization via Device-to-Device Model Shuffling

    • 关键词:
    • Agglomeration;Cryptography;Data accuracy;Data acquisition;Data aggregation;Data collection;Data privacy;Learning systems;Location;Matrix algebra ;Recommender systems;Aggregation methods;Device modelling;Distributed systems;Location based;Location data;Location recommendation;Matrix factorizations;Model shuffling;Privacy concerns;Training epochs
    • Sasada, Taisho;Hossain, Delwar;Taenaka, Yuzo;Rahman, Mahbubur;Kadobayashi, Youki
    • 《IEEE Access》
    • 2025年
    • 13卷
    • 期刊

    Location-Based Recommendation Systems (LBRS) use device location data to suggest nearby hotels, restaurants, and points of interest. Since directly collecting location data from users can raise privacy concerns, there is growing interest in building recommendation systems based on Federated Learning (FL). Under FL, parameters of recommendation model learned on each user’s device are collected on a single server to build aggregated model. While FL does not raise privacy concerns about data collection since it does not collect user data directly, it may construct unfair models that repeatedly recommend specific locations. Although there are training methods to achieve fair recommendations that prevent such bias, they require more training epochs than usual. In FL, a malicious server can infer the original location data by continuously tracking a specific user’s parameter updates, and the inference accuracy increases proportionally with the number of training epochs. This means that achieving fair location recommendations in FL puts the original data at risk. In this paper, we design a novel parameter aggregation method to build fair and secure FL recommendation models. In the proposed aggregation method, users exchange parameters with each other before model aggregation to prevent malicious servers from inferring the original data. Even if a server (adversary) continuously tracks a specific user’s device, it cannot get parameters from the same user, thus preventing inference of the original location data. An experiment result demonstrated that the proposed method can reduce training time while maintaining the same accuracy as homomorphic encryption approach. © 2013 IEEE.

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  • 6.Multi-Dementional Feature Engineering for Reliable Detection Method of Vehicles with Location Information Errors in Spatio-Temporal Data Retention System

    • 关键词:
    • Signal detection;Block-chain;Data-retention;Location information;Machine-learning;Multi-layered;Multi-layered blockchain;Retention systems;Spatio-temporal data;Spatio-temporal data-RS
    • Takabe, Tatsuya;Yamamoto, Hiroshi;Nobayashi, Daiki;Ikenaga, Takeshi;Tsukamoto, Kazuya
    • 《2025 IEEE International Conference on Consumer Electronics, ICCE 2025》
    • 2025年
    • January 11, 2025 - January 14, 2025
    • Las Vegas, NV, United states
    • 会议

    The widespread adoption of IoT devices has led to increased sensor data. Among the data, we defined spatio-temporal data (STD) as data that depends on both time and space. We proposed a spatio-temporal data retention system (STD-RS) that uses vehicles to retain and utilize STD within a specific spatial area. However, in STD-RS, errors in vehicle location information can cause data to be transmitted outside the target area. Previously, we proposed a method to detect abnormal vehicles by learning the distance and received signal strength indication (RSSI) of the vehicle and then confirmed that the method can detect abnormal vehicles with an accuracy of approximately 80%. However, the previous method did not consider vehicles that cannot generate features for learning in this paper. Moreover, as the evaluation was conducted in a single (ideal) environment only, the validation of effectiveness in practical environments remains. In this study, we use the sufficiency rate of data necessary for feature generation as an evaluation metric and evaluate how the spatial and quantitative changes in the combination of features for learning impact the sufficiency rate and detection accuracy under practical environments. The simulation evaluation results revealed the factors that affected the sufficiency rate and demonstrated that using the long-term spatial variation of RSSI as a feature improves the detection accuracy in any environment. © 2025 IEEE.

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  • 7.Information-Centric Networking-based Active Data Retrieval Method in Spatio-Temporal Data-Retention System

    • 关键词:
    • Content based retrieval;Spatio-temporal data;Active data;Data retrieval;Data-retention;Information Centric Networks;Information-centric networkings;Retention systems;Retrieval methods;Spatio temporal data rentention system;Spatio-temporal data;Specific areas
    • Suda, Tomoki;Nobayashi, Daiki;Ikenaga, Takeshi;Tsukamoto, Kazuya;Misumi, Makoto;Nakamura, Ryo
    • 《16th International Conference on Ubiquitous and Future Networks, ICUFN 2025》
    • 2025年
    • July 8, 2025 - July 11, 2025
    • Hybrid, Lisbon, Portugal
    • 会议

    The Spatio-Temporal Data-Retention System (STDRS) disseminates and retains spatio-temporal data (STD) within a specific area using user device mobility and wireless communication. Conventional STD-RS employs broadcasting to uniformly distribute data without queries, which can lead to redundant transmissions and unreliable delivery. To address this, we propose incorporating Information-Centric Networking (ICN) into STDRS, enabling content-based data retrieval that reduces unnecessary dissemination while ensuring access to relevant information. © 2025 IEEE.

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  • 9.FedFusion: Adaptive Model Fusion for Addressing Feature Discrepancies in Federated Credit Card Fraud Detection

    • 关键词:
    • Fraud; Credit cards; Adaptation models; Training; Feature extraction;Federated learning; Long short term memory; Convolutional neuralnetworks; Heterogeneous networks; Credit card fraud; fraud detectionsystem; federated learning; FedFusion; CNN; MLP; LSTM; dataheterogeneity;SMOTE
    • Aurna, Nahid Ferdous;Hossain, Md Delwar;Khan, Latifur;Taenaka, Yuzo;Kadobayashi, Youki
    • 《IEEE ACCESS》
    • 2024年
    • 12卷
    • 期刊

    The digitization of financial transactions has led to a rise in credit card fraud, necessitating robust measures to secure digital financial systems from fraudsters. Nevertheless, traditional centralized approaches for detecting such frauds, despite their effectiveness, often do not maintain the confidentiality of financial data. Consequently, Federated Learning (FL) has emerged as a promising solution, enabling the secure and private training of models across organizations. However, the practical implementation of FL is challenged by data heterogeneity among institutions, complicating model convergence. To address this issue, we propose FedFusion, which leverages the fusion of local and global models to harness the strengths of both, ensuring convergence even with heterogeneous data with total feature discrepancy. Our approach involves three distinct datasets with completely different feature sets assigned to separate federated clients. Prior to FL training, datasets are preprocessed to select significant features across three deep learning models. The Multilayer Perceptron (MLP), identified as the best-performing model, undergoes personalized training for each dataset. These trained MLP models serve as local models, while the main MLP architecture acts as the global model. FedFusion then adaptively trains all clients, optimizing fusion proportions. Experimental results demonstrate the approach's superiority, achieving detection rates of 99.74%, 99.70%, and 96.61% for clients 1, 2, and 3, respectively. This highlights the effectiveness of FedFusion in addressing data heterogeneity challenges, thereby paving the way for more secure and efficient fraud detection systems in digital finance.

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