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Simulation and statistical model-checking of logic-based multi-agent system models
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 agentsâ
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 SALMAâs 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 fuÌr die Simulation und die statistische ModellpruÌfung (Model Checking)
von Multiagentensystemen.
Der Begriff âStatistisches Model Checkingâ beschreibt modellbasierte approximative
Verifikationsmethoden, die insbesondere dazu eingesetzt werden
können, um den unvermeidlichen Skalierbarkeitsproblemen von exakten Methoden
zu entgehen. Im Gegensatz zu bisherigen AnsÀtzen werden in SALMA die
Mechanismen des simulierten Systems mithilfe logischer Axiome beschrieben,
die auf dem etablierten SituationskalkuÌl aufbauen. Die dadurch entstehende
prÀdikatenlogische Struktur des Systemmodells wird ausgenutzt um ein Model
Checking Modul zu integrieren, das seinerseits eine prÀdikatenlogische Variante
der linearen temporalen Logik (LTL) verwendet. In Kombination mit
einer prozeduralen und prozessorientierten Sprache fuÌr die Beschreibung von
Agentenverhalten entsteht eine ausdrucksstarke und flexible Plattform fuÌr 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 SituationskalkuÌl 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) unterstuÌtzt,
in denen Agenten mit ihrer physischen Umgebung interagieren. Unter
anderem wird eine generische, auf dem SituationskalkuÌl basierende, Axiomatisierung
von Prozessen beschrieben, in denen Informationen innerhalb von
Multiagentensystemen transferiert werden â beispielsweise in Form von Sensor-
Messwerten oder Netzwerkpaketen. Dabei werden ausdruÌcklich die unvermeidbaren
stochastischen Effekte und Echtzeitanforderungen in cyber-physischen
Systemen beruÌcksichtigt.
Um statistisches Model Checking mit SALMA auch fuÌr komplexere Problemstellungen
zu ermöglichen, wurde ein Mechanismus fuÌr die effiziente Auswertung
von prÀdikatenlogischen LTL-Formeln entwickelt. Insbesondere beinhaltet
der vorgestellte Algorithmus eine Intervall-basierte ReprÀsentation des
Auswertungszustands, sowie einige andere OptimierungsansÀtze zur Vermeidung
von unnötigen Berechnungsschritten.
Insgesamt war es das Ziel dieser Dissertation, eine Lösung fuÌr 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
genuÌgt. TatsĂ€chlich legen erste Ergebnisse und Erfahrungen aus
mehreren kleinen bis mittelgroĂen Experimenten nahe, dass SALMA diesen
Zielen gerecht wird
Federated Embedded Systems â a review of the literature in related fields
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
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 agentsâ
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 SALMAâs 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 fuÌr die Simulation und die statistische ModellpruÌfung (Model Checking)
von Multiagentensystemen.
Der Begriff âStatistisches Model Checkingâ beschreibt modellbasierte approximative
Verifikationsmethoden, die insbesondere dazu eingesetzt werden
können, um den unvermeidlichen Skalierbarkeitsproblemen von exakten Methoden
zu entgehen. Im Gegensatz zu bisherigen AnsÀtzen werden in SALMA die
Mechanismen des simulierten Systems mithilfe logischer Axiome beschrieben,
die auf dem etablierten SituationskalkuÌl aufbauen. Die dadurch entstehende
prÀdikatenlogische Struktur des Systemmodells wird ausgenutzt um ein Model
Checking Modul zu integrieren, das seinerseits eine prÀdikatenlogische Variante
der linearen temporalen Logik (LTL) verwendet. In Kombination mit
einer prozeduralen und prozessorientierten Sprache fuÌr die Beschreibung von
Agentenverhalten entsteht eine ausdrucksstarke und flexible Plattform fuÌr 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 SituationskalkuÌl 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) unterstuÌtzt,
in denen Agenten mit ihrer physischen Umgebung interagieren. Unter
anderem wird eine generische, auf dem SituationskalkuÌl basierende, Axiomatisierung
von Prozessen beschrieben, in denen Informationen innerhalb von
Multiagentensystemen transferiert werden â beispielsweise in Form von Sensor-
Messwerten oder Netzwerkpaketen. Dabei werden ausdruÌcklich die unvermeidbaren
stochastischen Effekte und Echtzeitanforderungen in cyber-physischen
Systemen beruÌcksichtigt.
Um statistisches Model Checking mit SALMA auch fuÌr komplexere Problemstellungen
zu ermöglichen, wurde ein Mechanismus fuÌr die effiziente Auswertung
von prÀdikatenlogischen LTL-Formeln entwickelt. Insbesondere beinhaltet
der vorgestellte Algorithmus eine Intervall-basierte ReprÀsentation des
Auswertungszustands, sowie einige andere OptimierungsansÀtze zur Vermeidung
von unnötigen Berechnungsschritten.
Insgesamt war es das Ziel dieser Dissertation, eine Lösung fuÌr 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
genuÌgt. TatsĂ€chlich legen erste Ergebnisse und Erfahrungen aus
mehreren kleinen bis mittelgroĂen Experimenten nahe, dass SALMA diesen
Zielen gerecht wird
Feedback Control Goes Wireless: Guaranteed Stability over Low-power Multi-hop Networks
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
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
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
- âŠ