[论文解读] Symbolic Models for Networked Control Systems.

Majid Zamani, Manuel Mazo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2014

Formal Methods in Verification参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于网络化控制系统（NCS）的符号建模框架，该框架同时考虑了通信延迟、分组丢失、量化误差和带宽限制。通过构建抽象化的符号模型，该方法能够合成在非理想网络条件下仍保证正确性的控制器，以满足复杂的时序逻辑规范，例如LTL公式或无限词自动机。

ABSTRACT

Abstract. Networked control systems (NCS) are spatially-distributed systems in which communication be-tween sensors, controllers, and actuators is supported by a shared communication network that is subject to variable communication delays, quantization errors, packet losses, limited bandwidth, and other practical non-idealities. This work investigates the problem of constructively deriving symbolic models of NCS by simultaneously considering the mentioned network non-idealities. One can employ the obtained abstracted models to synthesize symbolic controllers enforcing rich specifications over NCS. Examples of such specifi-cations include properties expressed as formulae in linear temporal logic (LTL) or as automata on infinite strings. 1.

研究动机与目标

• 解决在存在延迟、分组丢失和量化等现实通信约束下的网络化控制系统（NCS）建模挑战。
• 开发一种统一的符号抽象方法，同时捕捉多种网络非理想特性。
• 在NCS上实现对高层规格（包括LTL公式和无限字符串上的自动机）的控制器合成。
• 通过符号模型提供形式化保证，确保所合成控制器的正确性。

提出的方法

• 本文通过将连续动态和网络引入的不确定性抽象为离散转移，构建了NCS的有限状态符号模型。
• 将网络非理想性（如可变延迟、分组丢失和量化）建模为系统状态演化的有界扰动。
• 该方法基于输入到状态稳定性（ISS）和增量稳定性特性，利用有限抽象以确保对网络引入不确定性的鲁棒性。
• 将符号模型表述为有限转移系统，其中状态表示连续状态空间的区域，转移表示在网路约束下的可能演化。
• 该构造确保符号模型是原始NCS的有限近似，并具有明确定义的模拟关系。
• 所得符号模型支持通过形式化方法（如博弈论或自动机理论技术）进行控制器合成，以处理复杂规格。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在同时考虑延迟、分组丢失和量化等多重网络非理想性的情况下，构建NCS的符号模型？
• RQ2 在这些非理想性下，何种条件可确保符号模型准确表示原始NCS？
• RQ3 该符号模型能否用于合成在NCS上强制执行丰富时序逻辑规格的控制器？
• RQ4 当应用于原始NCS时，可对所合成控制器的正确性提供何种形式化保证？

主要发现

• 所提出的符号模型捕捉了NCS的关键动态特性，同时抽象掉了连续状态的细节，从而支持形式化控制器合成。
• 该方法确保符号模型是原始系统的有限抽象，并具有模拟关系，从而保证控制器合成的正确性。
• 该方法支持合成强制执行以线性时序逻辑（LTL）或无限字符串自动机形式表达的规格的控制器。
• 该框架对多种网络非理想性（包括可变延迟、分组丢失和量化误差）具有鲁棒性，且在有界范围内。
• 符号模型使形式化验证与合成技术能够在原本因混合性和不确定性而难以处理的NCS上应用。
• 该构造提供了一种系统化方法，用于推导出针对网络环境中复杂高层规格的正确性设计控制器。