A compositional approach for performance certification of large-scale engineering systems

大型工程系统性能认证的组合方法

基本信息

  • 批准号:
    1405413
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 47.05万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-08-01 至 2018-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

A compositional approach for performance certification of large-scale engineering systemsA major problem for safety-critical engineering systems is to certify the required stability and performance properties using analytical and computational models of the physical system. The existing methods for such certification are severely limited in their ability to cope with the number of physical components and the complexity of their interactions in today's large-scale systems. The project addresses this problem with a compositional approach that derives system-level guarantees from key structural properties of the subsystems and their interactions, rather than tackle the system model as a whole. The first objective is to develop tools that automatically detect useful properties of the subsystems and their interconnection, and to exploit these properties to simplify the task of performance certification. To select important subsystem properties, recently developed techniques for large-scale optimization are employed. Likewise, efficient algorithms from graph theory and computational algebra are leveraged to detect symmetries in the interconnection of the components, leading to further simplification. The second objective is to advance the aforementioned compositional approach to "hybrid" systems in which a supervisory control algorithm is able to switch from one mode of operation to another. The task is then to develop switching strategies to prevent the system from reaching states that are deemed "unsafe". One of the educational contributions of the project is the development of a desktop robotic system that mimics the logrolling game in which two players aim to stay on a floating log while attempting to cause the competitor to lose balance. This system embodies fundamental problems that are of great interest across a wide range of application areas and provides a test bed for new control algorithms, such as switching strategies between several modes (defensive, aggressive, short-term survival, etc.). A further educational contribution is a graduate course on the theme of this project that is being developed by the principal investigators.The lack of scalable tools for verification is a major problem for safety-critical engineering systems in which the number of physical components and the complexity of their interactions are continuously increasing. This project addresses this problem with a compositional approach that exploits key structural properties of the subsystems and their interconnection topology, rather than tackle the system model as a whole. The first objective is to develop tools that automatically detect critical properties of the subsystems and their interconnection. This will be accomplished by exploiting symmetries in the interconnection topology to reduce the size of the numerical problem for performance certification and by employing large-scale optimization tools, such as the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM), to select the most important subsystem properties. The second objective is to advance the aforementioned compositional approach beyond traditional performance criteria and system models. The new tasks include safety verification where the goal is to ensure that no trajectory enters an undesirable set, and designing switching strategies for hybrid systems to maintain safety. The combination of the proposed compositional approach and modern computational tools predicated on semidefinite programming offer great potential to overcome the existing dimensional barriers for these problems. The PIs are developing a graduate course on the theme of this project. A further educational contribution is the development of a desktop robotic system that mimics the logrolling game in which two players aim to stay on a floating log while attempting to cause the competitor to lose balance. This system embodies fundamental distributed control problems that are of great interest across a wide range of application areas and provides a testbed for new algorithms, including those resulting from the proposed research.
大规模工程系统性能认证的一种组合方法安全关键工程系统的一个主要问题是使用物理系统的分析和计算模型来认证所需的稳定性和性能属性。 这种认证的现有方法在科普当今大规模系统中物理组件的数量及其相互作用的复杂性方面受到严重限制。 该项目通过一种组合方法来解决这个问题,该方法从子系统及其交互的关键结构属性中获得系统级保证,而不是将系统模型作为一个整体来处理。 第一个目标是开发自动检测子系统及其互连的有用属性的工具,并利用这些属性来简化性能认证的任务。 为了选择重要的子系统属性,最近开发的大规模优化技术。 同样,从图论和计算代数的有效算法被用来检测组件互连中的对称性,从而进一步简化。 第二个目标是将上述合成方法推进到“混合”系统,其中监督控制算法能够从一种操作模式切换到另一种操作模式。 然后,任务是开发切换策略,以防止系统达到被认为是“不安全”的状态。 该项目的教育贡献之一是开发了一个桌面机器人系统,该系统模仿了logrolling游戏,其中两名玩家旨在保持在浮动日志上,同时试图使竞争对手失去平衡。 该系统体现了在广泛的应用领域中非常感兴趣的基本问题,并为新的控制算法提供了测试平台,例如在几种模式(防御,攻击,短期生存等)之间切换策略。 进一步的教育贡献是一个研究生课程的主题,这个项目正在开发的主要研究人员。缺乏可扩展的工具进行验证是一个主要问题的安全关键工程系统中的物理组件的数量和它们之间的相互作用的复杂性不断增加。 这个项目解决了这个问题的组合方法,利用关键的子系统和它们的互连拓扑结构的结构特性,而不是解决整个系统模型。 第一个目标是开发自动检测子系统及其互连的关键属性的工具。 这将通过利用互连拓扑结构中的对称性来减少性能认证的数值问题的大小,并通过采用大规模优化工具(如交替方向乘法器(ADMM))来选择最重要的子系统属性来实现。 第二个目标是推进上述组合方法超越传统的性能标准和系统模型。 新的任务包括安全验证,其目标是确保没有轨迹进入不期望的集合,并为混合动力系统设计切换策略以保持安全。 组合的方法和现代计算工具的半定规划预测的组合提供了很大的潜力,以克服现有的尺寸障碍,这些问题。 方案执行主任正在就这一项目的主题编写研究生课程。 另一个教育贡献是开发了一个桌面机器人系统,该系统模仿了logrolling游戏,其中两名玩家旨在保持在浮动日志上,同时试图使竞争对手失去平衡。 该系统体现了基本的分布式控制问题,是非常感兴趣的广泛的应用领域,并提供了一个测试平台,新的算法,包括那些所提出的研究。

项目成果

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