Efficient parameter search for qualitative models of regulatory networks using symbolic model checking

Investigating the relation between the structure and behavior of complex biological networks often involves posing the following two questions: Is a hypothesized structure of a regulatory network consistent with the observed behavior? And can a proposed structure generate a desired behavior? Answering these questions presupposes that we are able to test the compatibility of network structure and behavior. We cast these questions into a parameter search problem for qualitative models of regulatory networks, in particular piecewise-affine differential equation models. We develop a method based on symbolic model checking that avoids enumerating all possible parametrizations, and show that this method performs well on real biological problems, using the IRMA synthetic network and benchmark experimental data sets. We test the consistency between the IRMA network structure and the time-series data, and search for parameter modifications that would improve the robustness of the external control of the system behavior

Robust detection, isolation and accommodation for sensor failures

The objective is to extend the recent advances in robust control system design of multivariable systems to sensor failure detection, isolation, and accommodation (DIA), and estimator design. This effort provides analysis tools to quantify the trade-off between performance robustness and DIA sensitivity, which are to be used to achieve higher levels of performance robustness for given levels of DIA sensitivity. An innovations-based DIA scheme is used. Estimators, which depend upon a model of the process and process inputs and outputs, are used to generate these innovations. Thresholds used to determine failure detection are computed based on bounds on modeling errors, noise properties, and the class of failures. The applicability of the newly developed tools are demonstrated on a multivariable aircraft turbojet engine example. A new concept call the threshold selector was developed. It represents a significant and innovative tool for the analysis and synthesis of DiA algorithms. The estimators were made robust by introduction of an internal model and by frequency shaping. The internal mode provides asymptotically unbiased filter estimates.The incorporation of frequency shaping of the Linear Quadratic Gaussian cost functional modifies the estimator design to make it suitable for sensor failure DIA. The results are compared with previous studies which used thresholds that were selcted empirically. Comparison of these two techniques on a nonlinear dynamic engine simulation shows improved performance of the new method compared to previous technique

A guided tour of asynchronous cellular automata

Research on asynchronous cellular automata has received a great amount of attention these last years and has turned to a thriving field. We survey the recent research that has been carried out on this topic and present a wide state of the art where computing and modelling issues are both represented.Comment: To appear in the Journal of Cellular Automat

Performance analysis with network-enhanced complexities: On fading measurements, event-triggered mechanisms, and cyber attacks

Copyright © 2014 Derui Ding et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.Nowadays, the real-world systems are usually subject to various complexities such as parameter uncertainties, time-delays, and nonlinear disturbances. For networked systems, especially large-scale systems such as multiagent systems and systems over sensor networks, the complexities are inevitably enhanced in terms of their degrees or intensities because of the usage of the communication networks. Therefore, it would be interesting to (1) examine how this kind of network-enhanced complexities affects the control or filtering performance; and (2) develop some suitable approaches for controller/filter design problems. In this paper, we aim to survey some recent advances on the performance analysis and synthesis with three sorts of fashionable network-enhanced complexities, namely, fading measurements, event-triggered mechanisms, and attack behaviors of adversaries. First, these three kinds of complexities are introduced in detail according to their engineering backgrounds, dynamical characteristic, and modelling techniques. Then, the developments of the performance analysis and synthesis issues for various networked systems are systematically reviewed. Furthermore, some challenges are illustrated by using a thorough literature review and some possible future research directions are highlighted.This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grants 61134009, 61329301, 61203139, 61374127, and 61374010, the Royal Society of the UK, and the Alexander von Humboldt Foundation of Germany

Real-Time Trigger and online Data Reduction based on Machine Learning Methods for Particle Detector Technology

Moderne Teilchenbeschleuniger-Experimente generieren während zur Laufzeit immense Datenmengen. Die gesamte erzeugte Datenmenge abzuspeichern, überschreitet hierbei schnell das verfügbare Budget für die Infrastruktur zur Datenauslese. Dieses Problem wird üblicherweise durch eine Kombination von Trigger- und Datenreduktionsmechanismen adressiert. Beide Mechanismen werden dabei so nahe wie möglich an den Detektoren platziert um die gewünschte Reduktion der ausgehenden Datenraten so frühzeitig wie möglich zu ermöglichen. In solchen Systeme traditionell genutzte Verfahren haben währenddessen ihre Mühe damit eine effiziente Reduktion in modernen Experimenten zu erzielen. Die Gründe dafür liegen zum Teil in den komplexen Verteilungen der auftretenden Untergrund Ereignissen. Diese Situation wird bei der Entwicklung der Detektorauslese durch die vorab unbekannten Eigenschaften des Beschleunigers und Detektors während des Betriebs unter hoher Luminosität verstärkt. Aus diesem Grund wird eine robuste und flexible algorithmische Alternative benötigt, welche von Verfahren aus dem maschinellen Lernen bereitgestellt werden kann. Da solche Trigger- und Datenreduktion-Systeme unter erschwerten Bedingungen wie engem Latenz-Budget, einer großen Anzahl zu nutzender Verbindungen zur Datenübertragung und allgemeinen Echtzeitanforderungen betrieben werden müssen, werden oft FPGAs als technologische Basis für die Umsetzung genutzt. Innerhalb dieser Arbeit wurden mehrere Ansätze auf Basis von FPGAs entwickelt und umgesetzt, welche die vorherrschenden Problemstellungen für das Belle II Experiment adressieren. Diese Ansätze werden über diese Arbeit hinweg vorgestellt und diskutiert werden

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi