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    Simulation and statistical model-checking of logic-based multi-agent system models

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    This thesis presents SALMA (Simulation and Analysis of Logic-Based Multi- Agent Models), a new approach for simulation and statistical model checking of multi-agent system models. Statistical model checking is a relatively new branch of model-based approximative verification methods that help to overcome the well-known scalability problems of exact model checking. In contrast to existing solutions, SALMA specifies the mechanisms of the simulated system by means of logical axioms based upon the well-established situation calculus. Leveraging the resulting first-order logic structure of the system model, the simulation is coupled with a statistical model-checker that uses a first-order variant of time-bounded linear temporal logic (LTL) for describing properties. This is combined with a procedural and process-based language for describing agent behavior. Together, these parts create a very expressive framework for modeling and verification that allows direct fine-grained reasoning about the agents’ interaction with each other and with their (physical) environment. SALMA extends the classical situation calculus and linear temporal logic (LTL) with means to address the specific requirements of multi-agent simulation models. In particular, cyber-physical domains are considered where the agents interact with their physical environment. Among other things, the thesis describes a generic situation calculus axiomatization that encompasses sensing and information transfer in multi agent systems, for instance sensor measurements or inter-agent messages. The proposed model explicitly accounts for real-time constraints and stochastic effects that are inevitable in cyber-physical systems. In order to make SALMA’s statistical model checking facilities usable also for more complex problems, a mechanism for the efficient on-the-fly evaluation of first-order LTL properties was developed. In particular, the presented algorithm uses an interval-based representation of the formula evaluation state together with several other optimization techniques to avoid unnecessary computation. Altogether, the goal of this thesis was to create an approach for simulation and statistical model checking of multi-agent systems that builds upon well-proven logical and statistical foundations, but at the same time takes a pragmatic software engineering perspective that considers factors like usability, scalability, and extensibility. In fact, experience gained during several small to mid-sized experiments that are presented in this thesis suggest that the SALMA approach seems to be able to live up to these expectations.In dieser Dissertation wird SALMA (Simulation and Analysis of Logic-Based Multi-Agent Models) vorgestellt, ein im Rahmen dieser Arbeit entwickelter Ansatz für die Simulation und die statistische Modellprüfung (Model Checking) von Multiagentensystemen. Der Begriff „Statistisches Model Checking” beschreibt modellbasierte approximative Verifikationsmethoden, die insbesondere dazu eingesetzt werden können, um den unvermeidlichen Skalierbarkeitsproblemen von exakten Methoden zu entgehen. Im Gegensatz zu bisherigen AnsĂ€tzen werden in SALMA die Mechanismen des simulierten Systems mithilfe logischer Axiome beschrieben, die auf dem etablierten Situationskalkül aufbauen. Die dadurch entstehende prĂ€dikatenlogische Struktur des Systemmodells wird ausgenutzt um ein Model Checking Modul zu integrieren, das seinerseits eine prĂ€dikatenlogische Variante der linearen temporalen Logik (LTL) verwendet. In Kombination mit einer prozeduralen und prozessorientierten Sprache für die Beschreibung von Agentenverhalten entsteht eine ausdrucksstarke und flexible Plattform für die Modellierung und Verifikation von Multiagentensystemen. Sie ermöglicht eine direkte und feingranulare Beschreibung der Interaktionen sowohl zwischen Agenten als auch von Agenten mit ihrer (physischen) Umgebung. SALMA erweitert den klassischen Situationskalkül und die lineare temporale Logik (LTL) um Elemente und Konzepte, die auf die spezifischen Anforderungen bei der Simulation und Modellierung von Multiagentensystemen ausgelegt sind. Insbesondere werden cyber-physische Systeme (CPS) unterstützt, in denen Agenten mit ihrer physischen Umgebung interagieren. Unter anderem wird eine generische, auf dem Situationskalkül basierende, Axiomatisierung von Prozessen beschrieben, in denen Informationen innerhalb von Multiagentensystemen transferiert werden – beispielsweise in Form von Sensor- Messwerten oder Netzwerkpaketen. Dabei werden ausdrücklich die unvermeidbaren stochastischen Effekte und Echtzeitanforderungen in cyber-physischen Systemen berücksichtigt. Um statistisches Model Checking mit SALMA auch für komplexere Problemstellungen zu ermöglichen, wurde ein Mechanismus für die effiziente Auswertung von prĂ€dikatenlogischen LTL-Formeln entwickelt. Insbesondere beinhaltet der vorgestellte Algorithmus eine Intervall-basierte ReprĂ€sentation des Auswertungszustands, sowie einige andere OptimierungsansĂ€tze zur Vermeidung von unnötigen Berechnungsschritten. Insgesamt war es das Ziel dieser Dissertation, eine Lösung für Simulation und statistisches Model Checking zu schaffen, die einerseits auf fundierten logischen und statistischen Grundlagen aufbaut, auf der anderen Seite jedoch auch pragmatischen Gesichtspunkten wie Benutzbarkeit oder Erweiterbarkeit genügt. TatsĂ€chlich legen erste Ergebnisse und Erfahrungen aus mehreren kleinen bis mittelgroßen Experimenten nahe, dass SALMA diesen Zielen gerecht wird

    Federated Embedded Systems – a review of the literature in related fields

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    This report is concerned with the vision of smart interconnected objects, a vision that has attracted much attention lately. In this paper, embedded, interconnected, open, and heterogeneous control systems are in focus, formally referred to as Federated Embedded Systems. To place FES into a context, a review of some related research directions is presented. This review includes such concepts as systems of systems, cyber-physical systems, ubiquitous computing, internet of things, and multi-agent systems. Interestingly, the reviewed fields seem to overlap with each other in an increasing number of ways

    Simulation and statistical model-checking of logic-based multi-agent system models

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    This thesis presents SALMA (Simulation and Analysis of Logic-Based Multi- Agent Models), a new approach for simulation and statistical model checking of multi-agent system models. Statistical model checking is a relatively new branch of model-based approximative verification methods that help to overcome the well-known scalability problems of exact model checking. In contrast to existing solutions, SALMA specifies the mechanisms of the simulated system by means of logical axioms based upon the well-established situation calculus. Leveraging the resulting first-order logic structure of the system model, the simulation is coupled with a statistical model-checker that uses a first-order variant of time-bounded linear temporal logic (LTL) for describing properties. This is combined with a procedural and process-based language for describing agent behavior. Together, these parts create a very expressive framework for modeling and verification that allows direct fine-grained reasoning about the agents’ interaction with each other and with their (physical) environment. SALMA extends the classical situation calculus and linear temporal logic (LTL) with means to address the specific requirements of multi-agent simulation models. In particular, cyber-physical domains are considered where the agents interact with their physical environment. Among other things, the thesis describes a generic situation calculus axiomatization that encompasses sensing and information transfer in multi agent systems, for instance sensor measurements or inter-agent messages. The proposed model explicitly accounts for real-time constraints and stochastic effects that are inevitable in cyber-physical systems. In order to make SALMA’s statistical model checking facilities usable also for more complex problems, a mechanism for the efficient on-the-fly evaluation of first-order LTL properties was developed. In particular, the presented algorithm uses an interval-based representation of the formula evaluation state together with several other optimization techniques to avoid unnecessary computation. Altogether, the goal of this thesis was to create an approach for simulation and statistical model checking of multi-agent systems that builds upon well-proven logical and statistical foundations, but at the same time takes a pragmatic software engineering perspective that considers factors like usability, scalability, and extensibility. In fact, experience gained during several small to mid-sized experiments that are presented in this thesis suggest that the SALMA approach seems to be able to live up to these expectations.In dieser Dissertation wird SALMA (Simulation and Analysis of Logic-Based Multi-Agent Models) vorgestellt, ein im Rahmen dieser Arbeit entwickelter Ansatz für die Simulation und die statistische Modellprüfung (Model Checking) von Multiagentensystemen. Der Begriff „Statistisches Model Checking” beschreibt modellbasierte approximative Verifikationsmethoden, die insbesondere dazu eingesetzt werden können, um den unvermeidlichen Skalierbarkeitsproblemen von exakten Methoden zu entgehen. Im Gegensatz zu bisherigen AnsĂ€tzen werden in SALMA die Mechanismen des simulierten Systems mithilfe logischer Axiome beschrieben, die auf dem etablierten Situationskalkül aufbauen. Die dadurch entstehende prĂ€dikatenlogische Struktur des Systemmodells wird ausgenutzt um ein Model Checking Modul zu integrieren, das seinerseits eine prĂ€dikatenlogische Variante der linearen temporalen Logik (LTL) verwendet. In Kombination mit einer prozeduralen und prozessorientierten Sprache für die Beschreibung von Agentenverhalten entsteht eine ausdrucksstarke und flexible Plattform für die Modellierung und Verifikation von Multiagentensystemen. Sie ermöglicht eine direkte und feingranulare Beschreibung der Interaktionen sowohl zwischen Agenten als auch von Agenten mit ihrer (physischen) Umgebung. SALMA erweitert den klassischen Situationskalkül und die lineare temporale Logik (LTL) um Elemente und Konzepte, die auf die spezifischen Anforderungen bei der Simulation und Modellierung von Multiagentensystemen ausgelegt sind. Insbesondere werden cyber-physische Systeme (CPS) unterstützt, in denen Agenten mit ihrer physischen Umgebung interagieren. Unter anderem wird eine generische, auf dem Situationskalkül basierende, Axiomatisierung von Prozessen beschrieben, in denen Informationen innerhalb von Multiagentensystemen transferiert werden – beispielsweise in Form von Sensor- Messwerten oder Netzwerkpaketen. Dabei werden ausdrücklich die unvermeidbaren stochastischen Effekte und Echtzeitanforderungen in cyber-physischen Systemen berücksichtigt. Um statistisches Model Checking mit SALMA auch für komplexere Problemstellungen zu ermöglichen, wurde ein Mechanismus für die effiziente Auswertung von prĂ€dikatenlogischen LTL-Formeln entwickelt. Insbesondere beinhaltet der vorgestellte Algorithmus eine Intervall-basierte ReprĂ€sentation des Auswertungszustands, sowie einige andere OptimierungsansĂ€tze zur Vermeidung von unnötigen Berechnungsschritten. Insgesamt war es das Ziel dieser Dissertation, eine Lösung für Simulation und statistisches Model Checking zu schaffen, die einerseits auf fundierten logischen und statistischen Grundlagen aufbaut, auf der anderen Seite jedoch auch pragmatischen Gesichtspunkten wie Benutzbarkeit oder Erweiterbarkeit genügt. TatsĂ€chlich legen erste Ergebnisse und Erfahrungen aus mehreren kleinen bis mittelgroßen Experimenten nahe, dass SALMA diesen Zielen gerecht wird

    Feedback Control Goes Wireless: Guaranteed Stability over Low-power Multi-hop Networks

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    Closing feedback loops fast and over long distances is key to emerging applications; for example, robot motion control and swarm coordination require update intervals of tens of milliseconds. Low-power wireless technology is preferred for its low cost, small form factor, and flexibility, especially if the devices support multi-hop communication. So far, however, feedback control over wireless multi-hop networks has only been shown for update intervals on the order of seconds. This paper presents a wireless embedded system that tames imperfections impairing control performance (e.g., jitter and message loss), and a control design that exploits the essential properties of this system to provably guarantee closed-loop stability for physical processes with linear time-invariant dynamics. Using experiments on a cyber-physical testbed with 20 wireless nodes and multiple cart-pole systems, we are the first to demonstrate and evaluate feedback control and coordination over wireless multi-hop networks for update intervals of 20 to 50 milliseconds.Comment: Accepted final version to appear in: 10th ACM/IEEE International Conference on Cyber-Physical Systems (with CPS-IoT Week 2019) (ICCPS '19), April 16--18, 2019, Montreal, QC, Canad

    Industrial agents in the era of service-oriented architectures and cloudbased industrial infrastructures

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    The umbrella paradigm underpinning novel collaborative industrial systems is to consider the set of intelligent system units as a conglomerate of distributed, autonomous, intelligent, proactive, fault-tolerant, and reusable units, which operate as a set of cooperating entities (Colombo and Karnouskos, 2009). These entities are forming an evolvable infrastructure, entering and/or going out (plug-in/plugout) in an asynchronous manner. Moreover, these entities, having each of them their own functionalities, data, and associated information are now connected and able to interact. They are capable of working in a proactive manner, initiating collaborative actions and dynamically interacting with each other in order to achieve both local and global objectives.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

    A Component-oriented Framework for Autonomous Agents

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    The design of a complex system warrants a compositional methodology, i.e., composing simple components to obtain a larger system that exhibits their collective behavior in a meaningful way. We propose an automaton-based paradigm for compositional design of such systems where an action is accompanied by one or more preferences. At run-time, these preferences provide a natural fallback mechanism for the component, while at design-time they can be used to reason about the behavior of the component in an uncertain physical world. Using structures that tell us how to compose preferences and actions, we can compose formal representations of individual components or agents to obtain a representation of the composed system. We extend Linear Temporal Logic with two unary connectives that reflect the compositional structure of the actions, and show how it can be used to diagnose undesired behavior by tracing the falsification of a specification back to one or more culpable components
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