Hierarchical Hybrid Monitoring for Autonomous Systems

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Komponentenbasierte Überwachung hybrider Systeme durch den Einsatz formaler Methoden

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Verfahrens zum nahtlosen Komponentenentwurf und zur Systemüberwachung durch ein einheitliches Modell, das die Anforderungen der Entwicklung von komplexen dynamischen Systemen erfüllt und somit einen Beitrag zum Entwurf verlässlicher Systeme leistet. Hierfür wird die komponentenbasierte Design-Methodologie KobrA eingesetzt, weil diese eine schrittweise Komponentenzerlegung auf verschiedenen Abstraktionsebenen und Sichten durchführt. Sie beinhaltet sowohl „Top-down“-Elemente als auch „Bottom-up“-Ansätze, die für eine effiziente prototypische Systemrealisierung geeignet sind. Mit der Entwicklung eines formalen echtzeitfähigen Überwachungs- und Fehlererkennungsmechanismus wird die KobrA-Methode durch eine formale Modellierungssprache erweitert, welche sowohl für die Softwareentwickler als auch für die Ingenieure verständlich sein soll. Aus diesem Grund sollte diese Sprache eine eindeutige und streng definierte Semantik besitzen. Die einheitliche Beschreibung der Systemkomponenten sowie der Überwachungskomponenten durch denselben formalen Sprachmittel ermöglicht die systematische Einbettung der Überwachung über den gesamten Entwicklungsprozess und dessen Ausführung während des Betriebs. Petri-Netze gehören zur Graphentheorie und zählen seit mehreren Jahren zu den mächtigsten Spezifikationswerkzeugen in verschiedenen Gebieten. Sie erlauben die Beschreibung des Komponentenverhaltens durch ein Netzwerk, bestehend aus Knoten und aus Bedingungen für den Datenfluss zwischen diesen Knoten. Wesentliche Vorteile von Petri-Netzen sind zum einen ihre formale mathematische Formulierung, die auf einem soliden theoretischen Fundament beruht, sowie zum anderen die explizite Abbildung des Prozesszustandes über ein Markierungskonzept. Petri-Netze ermöglichen zusätzlich die Darstellung sequentieller, sich gegenseitig ausschließender sowie paralleler Aktivitäten, die Modellierung und Visualisierung von Systemverhalten sowie die Nebenläufigkeit und die Synchronisation von kooperativen Prozessen. In dieser Arbeit erfolgt die Verhaltensbeschreibung der Überwachungskomponenten durch eine neue Klasse von Petri-Netzen, so genannte „Modifizierte Partikel Petri-Netze“ (engl., Modified Particle Petri Nets „MPPN“). Diese Netzklasse beinhaltet hybride Petri-Netze für die Modellierung des hybriden Systemverhaltens und einen Partikelfilter als probabilistische Erweiterung, um die Überwachung als Tracking-Problem aufzufassen. Petri-Netze bieten eine vollständige und konsistente Beschreibung der Prozesse, die graphische Anschauung sowie Simulation und Animation als Testmöglichkeit bereits während der Entwurfsphase. Die Kombination aus KobrA-Beschreibungsformalismus und Petri-Netzen erlaubt eine anschauliche, modular und hierarchisch strukturierte Modellierung, direkt in einer formalen Sprache. Durch unterstützende Werkzeuge, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt sind, kann die Realisierung der Überwachungskomponente direkt aus der Spezifikation generiert werden. Hierfür wird das Petri-Netzmodell in ein textuelles kompaktes XML-Austauschformat (engl., „Extensible Markup Language“) transformiert, welche sich an dem PNML-Standard (engl., „Petri Net Markup Language“) orientiert. Diese generische Vorlage enthält das Komponentenverhalten und die für den Überwachungsprozess notwendigen Parameter. Der besondere Aspekt für den Einsatz derselben formalen Methode, nämlich die Petri-Netze, sowohl für die Spezifikation als auch für die Realisierung, beruht auf zwei Zielen. Das primäre Ziel ist, ein einheitliches verständliches Ausdrucksmittel für die Entwurfsphase eines Systems zu stellen, mit dem alle Aspekte des ausgewählten Abstraktionsniveaus unmissverständlich dargestellt werden können. Denn Spezifikationsdokumente in natürlichen Sprachen sind anfällig für Missverständnisse, während formale Spezifikationen auf mathematischen Beschreibungen und eindeutiger Semantik und Syntaxen basieren. Das sekundäre Ziel ist eine formale überprüfbare Spezifikation (mittels eines Simulationswerkzeuges) als solide Basis für die Realisierungsphase zu bilden. Denn eine automatisch verifikationsbasierte Systementwicklung stellt eine Möglichkeit zur Erhöhung der Systemverlässlichkeit dar. Die andere Möglichkeit basiert auf der Robustheit des Überwachungsverfahrens während der Betriebsphase

Proceedings of the International Workshop on the Design of Dependable Critical Systems “Hardware, Software, and Human Factors in Dependable System Design”

As technology advances, technical systems become increasingly complex not only in terms of functionality and structure but also regarding their handling and operation. In order to keep such complex safety-critical and mission-critical systems controllable, they are required to be highly dependable. Since the costs for designing, testing, operating, and maintaining such systems significantly increase with the dependability requirements, new design approaches for the cost effective development and production of dependable systems are required, covering hardware, software, and human factor aspects. This workshop aims at presenting and discussing the latest developments in this field, spanning the entire spectrum from theoretical works on system architecture and dependability measures to practical applications in safety and mission critical domains

Proceedings of the First NASA Formal Methods Symposium

Topics covered include: Model Checking - My 27-Year Quest to Overcome the State Explosion Problem; Applying Formal Methods to NASA Projects: Transition from Research to Practice; TLA+: Whence, Wherefore, and Whither; Formal Methods Applications in Air Transportation; Theorem Proving in Intel Hardware Design; Building a Formal Model of a Human-Interactive System: Insights into the Integration of Formal Methods and Human Factors Engineering; Model Checking for Autonomic Systems Specified with ASSL; A Game-Theoretic Approach to Branching Time Abstract-Check-Refine Process; Software Model Checking Without Source Code; Generalized Abstract Symbolic Summaries; A Comparative Study of Randomized Constraint Solvers for Random-Symbolic Testing; Component-Oriented Behavior Extraction for Autonomic System Design; Automated Verification of Design Patterns with LePUS3; A Module Language for Typing by Contracts; From Goal-Oriented Requirements to Event-B Specifications; Introduction of Virtualization Technology to Multi-Process Model Checking; Comparing Techniques for Certified Static Analysis; Towards a Framework for Generating Tests to Satisfy Complex Code Coverage in Java Pathfinder; jFuzz: A Concolic Whitebox Fuzzer for Java; Machine-Checkable Timed CSP; Stochastic Formal Correctness of Numerical Algorithms; Deductive Verification of Cryptographic Software; Coloured Petri Net Refinement Specification and Correctness Proof with Coq; Modeling Guidelines for Code Generation in the Railway Signaling Context; Tactical Synthesis Of Efficient Global Search Algorithms; Towards Co-Engineering Communicating Autonomous Cyber-Physical Systems; and Formal Methods for Automated Diagnosis of Autosub 6000

Measurements, Models, Systems and Design

531 s.

Methodology for the Accelerated Reliability Analysis and Prognosis of Underground Cables based on FPGA

Dependable electrical power distribution systems demand high reliability levels that cause increased maintenance costs to the utilities. Often, the extra costs are the result of unnecessary maintenance procedures, which can be avoided by monitoring the equipment and predicting the future system evolution by means of statistical methods (prognostics). The present thesis aims at designing accurate methods for predicting the degradation of high and medium voltage underground Cross-Linked Polyethylene (XLPE) cables within an electrical power distribution grid, and predicting their remaining useful life, in order inform maintenance procedures. However, electric power distribution grids are large, components interact with each other, and they degrade with time and use. Solving the statistics of the predictive models of the power grids currently requires long numerical simulations that demand large computational resources and long simulation times even when using advanced parallel architectures. Often, approximate models are used in order to reduce the simulation time and the required resources. In this context, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) can be employed to accelerate the simulation of these stochastic processes. However, the adaptation of the physicsbased degradation models of underground cables for FPGA simulation can be complex. Accordingly, this thesis proposes an FPGA-based framework for the on-line monitoring and prognosis of underground cables based on an electro-thermal degradation model that is adapted for its accelerated simulation in the programmable logic of an FPGA.Energia elektrikoaren banaketa-sare konfidagarriek fidagarritasun maila altuak eskatzen dituzte, eta honek beraien mantenketa kostuen igoera dakar. Kostu hauen arrazoia beraien bizitzan goizegi egiten diren mantenketa prozesuei dagokie askotan, eta hauek eragoztea posible da, ekipamenduaren monitorizazioa eginez eta sistemaren etorkizuneko eboluzioa aurrez estimatuz (prognosia). Tesi honen helburua lurpeko tentsio altu eta ertaineko Cross-Linked Polyethylene (XLPE) kable sistemen eboluzioa eta geratzen zaien bizitza aurreikusiko duten metodo egokiak definitzea izango da, banaketa-sare elektriko baten barruan, ondoren mantenketa prozesu optimo bat ahalbidetuko duena. Hala ere, sistema hauek oso jokaera dinamikoa daukate. Konponente ezberdinek beraien artean elkar eragiten dute eta degradatu egiten dira denboran eta erabileraren ondorioz. Estatistika hauen soluzio analitikoa lortzea ezinezkoa da gaur egun, eta errekurtso asko eskatzen dituen simulazio luzeak behar ditu zenbakizko erantzun bat lortzeko, arkitektura paralelo aurreratuak erabili arren. Field Programmable Gate Array (FPGA)k prozesu estokastiko hauen simulazioa azkartzeko erabil daitezke, baina lurpeko kableen degradazio prozesuen modelo fisikoak FPGA exekuziorako egokitzea konplexua izan daiteke. Beraz, tesi honek FPGA baten logika programagarrian azeleratu ahal izateko egokitua izan den degradazio elektrotermiko modelo baten oinarritutako monitorizazio eta prognosi metodologia bat proposatzen du.Las redes de distribución de energía eléctrica confiables requieren de altos niveles de fiabilidad, que causan un mayor coste de mantenimiento a las empresas distribuidoras. Frecuentemente los costes adicionales son el resultado de procedimientos de mantenimiento innecesarios, que se pueden evitar por medio de la monitorización de los equipos y la predicción de la evolución futura del sistema, por medio de métodos estadísticos (prognosis). La presente tesis pretende desarrollar métodos adecuados para la predicción de la degradación futura de cables de alta y media tensión Cross-Linked Polyethylene (XLPE) soterrados, dentro de una red de distribución eléctrica, y predecir su tiempo de vida restante, para definir una secuencia de mantenimiento óptima. Sin embargo, las redes de distribución eléctrica son grandes, y compuestas por componentes que interactúan entre sí y se degradan con el tiempo y el uso. En la actualidad, resolver estas estadísticas predictivas requieren grandes simulaciones numéricas que requieren de grandes recursos computacionales y largos tiempos de simulación, incluso utilizando arquitecturas paralelas avanzadas. Las Field Programmable Gate Array (FPGA) pueden ser utilizadas para acelerar las simulaciones de estos procesos estocásticos, pero la adaptación de los modelos físicos de degradación de cables soterrados para su simulación en una FPGA puede ser complejo. Así, esta tesis propone el desarrollo de una metodología de monitorización y prognosis cables soterrados, basado en un modelo de degradación electro-térmico que está adaptado para su simulación acelerada en la lógica programable de una FPGA

Intelligent Business Process Optimization for the Service Industry

The company\u27s sustainable competitive advantage derives from its capacity to create value for customers and to adapt the operational practices to changing situations. Business processes are the heart of each company. Therefore process excellence has become a key issue. This book introduces a novel approach focusing on the autonomous optimization of business processes by applying sophisticated machine learning techniques such as Relational Reinforcement Learning and Particle Swarm Optimization

Intelligent Business Process Optimization for the Service Industry

The company's sustainable competitive advantage derives from its capacity to create value for customers and to adapt the operational practices to changing situations. Business processes are the heart of each company. Therefore process excellence has become a key issue. This book introduces a novel approach focusing on the autonomous optimization of business processes by applying sophisticated machine learning techniques such as Relational Reinforcement Learning and Particle Swarm Optimization