Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.01.2016

Automatisierte Synthese Cyber-Physikalischer Systeme: Eine passivitätsbasierte Methode

Prof. Dr. Majid Zamani
Technische Universität München
Professur für Hybride Regelungssysteme

Prof. Dr. Murat Arcak
University of California, Berkeley
EECS - Electrical Engineering and Computer Science


In den letzten zehn Jahren hat es ein großes Interesse an automatisierten Methoden zur Synthesen von Cyber-Physical Systems (CPS) gegeben, die sowohl aus kontinuierlichen wie auch diskreten Komponenten bestehen. Die meisten der bestehenden Ansätze konzentrieren sich auf diverse Techniken zur Berechnung von endliche Abstraktionen von CPS. Mit Hilfe der endlichen Approximation des Verhaltens von CPS ist es möglich, die aus der Informatik bekannten Methoden zur automatisierten Berechnung von Regler anzuwenden und komplexe Spezifikationen, die unter anderem in linearer temporaler Logik formuliert werden können, umzusetzen. Klassische Reglerentwurfsverfahren können solche Spezifikationen nicht handhaben. Ein Nachteil dieser abstraktionsbasierten Verfahren ist der immense Rechenaufwand, der der Berechnung einer Abstraktion zugrunde liegt. Durch die gleichmäßige Raumdiskretisierung, die bei der Berechnung von Abstraktionen statt findet, steigt der Rechenaufwand exponentiell mit der Dimension des kontinuierlichen Zustandsraumes. Das ist bedauerlich: bei vielen der sicherheitskritischen Anwendungen wie z.B. öffentliche Stromnetze, automatisierte Autobahnen und Luftverkehrsmanagement handelt es sich um komplexe, vernetzte Systeme. Der abstraktionsbasierte Systementwurf könnte hier zur Entwicklung von sichereren Systemen mit geringeren Kosten unter weniger Zeitaufwand führen. Das Ziel dieses Projektes ist es, neue Ansätze für den automatisierten, abstraktionsbasierten Systementwurf für komplexe, vernetzte CPS zu entwickeln. Im Speziellen, gilt es die aus der Regelungstheorie bekannte Passivität für gemischt diskret-kontinuierliche Systeme zu erweitern, und darauf aufbauend skalierbare Verfahren zu entwickeln, die eine kompositionelle Berechnung von Abstraktionen und Reglern für vernetzte Systeme erlauben.

Abschlussbericht
Prof. Dr. Majid Zamani ein Tenure-track Assistenz-Professor der Technischen Universität München besuchte Prof. Murat Arcak der University of California, Berkeley, vom 2. bis 13. April 2016. Während dieses Besuchs arbeiteten sie an der Konstruktion von Abstraktionen für vernetzte Steuerungssysteme. Insbesondere wurde ein kompositorisches Schema für die Konstruktion von Abstraktionen für vernetzte Steuerungssysteme basierend auf den dissipativen Eigenschaften der Teilsysteme analysiert. In diesem Zusammenhang kann die Abstraktion, die selbst ein Regelungssystem ist, als ein Ersatz des ursprünglichen Systems in dem Reglerentwurfsprozess verwendet werden. Darüber hinaus wurde ein konstruktives Verfahren zur Konstruktion von Abstraktionen einer bestimmten Klasse von nichtlinearen Systemen entwickelt.

Die erarbeiteten Resultate wurden anhand eines vernetzten linearen Systems illustriert. Für das lineare System wurde eine Abstraktion in einer kompositionellen Art und Weise entworfen. Dabei ist ein besonderes Merkmal, dass die Konstruktion ohne die sonst üblichen, restriktiven Bedingungen an den Verstärkungsfaktor der Teilsysteme funktioniert. Diese Arbeit wird derzeit zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift IEEE Transactions on Control of Network Systems begutachtet. Ein Entwurf der Arbeit ist unter dem Link https://arxiv.org/pdf/1608.01590.pdf zugänglich. Derzeit arbeiten wir an der Erweiterung des Ansatzes für stochastische Systeme. Dabei kommt auch die von uns am Fachgebiet entwickelte Software zum Einsatz.

Gemeinsame Finanzierung:

Der von BaCaTeC finanzierte Besuch initiierte einen guten Hintergrund für gemeinsame Forschungsstipendien.

Zum Beispiel sind Prof. Zamani als PI und Prof. Murat Arcak als Mitarbeiter zusammen mit anderen PIs und Mitarbeitern der Technischen Universität München, dem Massachusetts Institute of Technology, der Nanyang Technological University, der National University of Singapore, der Singapore University of Technology and Design, beteiligt am Intra-CREATE gemeinsamen Zuschuss für "Synergistisches Design vertikaler Technologien für intelligente und sichere Verkehrssysteme: ein systemübergreifender Systemansatz". Der Zuschuss wird derzeit geprüft.

München, 13. Februar 2017