CSR: Small: Collaborative Research: Gray Box Testing of Complex Cyber-Physical Systems Using Optimization and Optimal Control Techniques

CSR:小型:协作研究:使用优化和最优控制技术对复杂信息物理系统进行灰盒测试

基本信息

  • 批准号:
    1319457
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 24.94万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-10-01 至 2016-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The project develops new methodologies for testing complex Cyber-Physical Systems that perform safety-critical tasks in a wide variety of application domains such as automotive, airspace, medical devices and power generation. The primary challenge in these applications lies in the complexity of the physical system, modeled as systems of non-linear Ordinary Differential Equations (ODE) with a large number of state variables, and the interaction of this physical subsystem with a software-based controller. In many industrial applications, these models are not even available in a closed-form representation and only system simulations can be performed. In this project, ideas from optimization and optimal control theory are employed in order to drive the process of state-space exploration for system verification. The theory of robustness metrics for temporal logic specifications is combined with non-smooth optimization theory which results in gradient descent search methods for multi-modal CPS. At a higher level, concrete and symbolic execution techniques are combined to enhance the performance of the search methods. The verification methods can be readily integrated into existing industrial strength simulation environments. The target applications for such verification tools are from the domains of medical and automotive applications.Verification of complex CPS is a challenging problem. Continuous and multiple recalls of medical and automotive products due to software errors across virtually all manufacturers establish the urgency and importance of the problem. This project results in usable verification tools integrated inside existing and widely adopted model-based development platforms. The application focus on the verification of medical and automotive software ultimately helps avoid harmful losses due to errors in these safety-critical systems. The concrete benefit to society is twofold: first, improved system safety and dependability; and, second, reduced development times for new products. The educational aspects of this project revolve around courses that train students on model-based design and verification methods for safety-critical CPS. The educational mission of the project also stresses a "safety first" approach to designing CPS wherein specification and verification are taught as integral steps in the design rather than post-design steps. Besides research publications, avenues of dissemination include sharing of software, models, and course materials via cps-vo.org and other publicly accessible websites.
该项目开发用于测试复杂网络物理系统的新方法,这些系统在汽车、航空航天、医疗设备和发电等广泛应用领域执行安全关键任务。这些应用中的主要挑战在于物理系统的复杂性,建模为具有大量状态变量的非线性常微分方程(ODE)系统,以及该物理子系统与基于软件的控制器的相互作用。在许多工业应用中,这些模型甚至不能以封闭形式表示,只能进行系统仿真。在这个项目中,从最优化和最优控制理论的思想,以推动系统验证的状态空间探索的过程。将时态逻辑规范的鲁棒性度量理论与非光滑优化理论相结合,提出了多模态CPS的梯度下降搜索方法。在更高的层次上,具体的和符号的执行技术相结合,以提高搜索方法的性能。验证方法可以很容易地集成到现有的工业强度仿真环境。这些验证工具的目标应用来自医疗和汽车应用领域。复杂CPS的验证是一个具有挑战性的问题。几乎所有制造商都因软件错误而连续多次召回医疗和汽车产品,这表明了问题的紧迫性和重要性。该项目的结果是在现有的和广泛采用的基于模型的开发平台内集成了可用的验证工具。该应用程序专注于医疗和汽车软件的验证,最终有助于避免由于这些安全关键系统中的错误而造成的有害损失。对社会的具体好处是双重的:第一,提高系统的安全性和可靠性;第二,减少新产品的开发时间。该项目的教育方面围绕课程,培训学生基于模型的设计和验证方法的安全关键CPS。该项目的教育使命还强调了“安全第一”的方法来设计CPS,其中规范和验证是作为设计中的整体步骤而不是设计后步骤来教授的。除了研究出版物外,传播途径还包括通过cps-vo.org和其他可公开访问的网站分享软件、模型和课程材料。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Formal Techniques for Verification and Testing of Cyber-Physical Systems
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Jyotirmoy V. Deshmukh;S. Sankaranarayanan
  • 通讯作者:
    Jyotirmoy V. Deshmukh;S. Sankaranarayanan
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知道了