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Hybrid multi-agent systems: modeling, specification and verification

  • Specifying behaviors of multi-agent systems (MASs) is a demanding task, especially when applied in safety-critical systems. In the latter systems, the specification of behaviors has to be carried out carefully in order to avoid side effects that might cause unwanted or even disastrous behaviors. Thus, formal methods based on mathematical models of the system under design are helpful. They not only allow us to formally specify the system at different levels of abstraction, but also to verify the consistency of the specified systems before implementing them. The formal specification aims a precise and unambiguous description of the behavior of MASs, whereas the verification aims at proving the satisfaction of specified requirements. A behavior of an agent can be described as discrete changes of its states with respect to external or internal actions. Whenever an action occurs, the agent moves from one state to another one. Therefore, an efficient way to model this type of discrete behaviors is to use a kind of state transition diagrams such as finite automata. One remarkable advantage of such transition diagrams is that they lend themselves formal analysis techniques using model checking. The latter is an automatic verification technique which determines whether given properties are satisfied within a model underlying a particular system. In realistic physical environments, however, it is necessary to consider continuous behaviors in addition to discrete behaviors of MASs. Examples of those type of behaviors include the movement of a soccer agent to kick off or to go to the ball, the process of putting out the fire by a fire brigade agent in a rescue scenario, or any other behaviors that depend on any timed physical law. The traditional state transition diagrams are not sufficient to combine these types of behaviors. Hybrid automata offer an elegant method to capture such types of behaviors. Hybrid automata extend regular state transition diagrams with methods that deal with those continuous actions such that the state transition diagrams are used to model the discrete changes of behaviors, while differential equations are used to model the continuous changes. The semantics of hybrid automata make them accessible to formal verification by means of model checking. The main goal of this thesis is to approach hybrid automata for specifying and verifying behaviors of MASs. However, specifying and and verifying behaviors of MASs by means of hybrid automata raises several issues that should be considered. These issues include the complexity, modularity, and the expressiveness of MASs' models. This thesis addresses these issues and provides possible solutions to tackle them.
  • Die Beschreibung des Verhaltens eines Multi-Agenten-Systems (MAS) ist eine fordernde Aufgabe, besonders dann, wenn es in sicherheitskritischen Umgebungen eingesetzt werden soll. Denn in solchen Umgebungen muss die Beschreibung besonders sorgfältig ausgeführt werden um Seiteneffekte zu vermeiden, die ungewünschte oder sogar zerstörerische Folgen haben könnten. Deshalb sind formale Methoden nützlich, die auf mathematischen Modellen des zu entwerfenden Systems basieren. Sie erlauben es nicht nur das System formal auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu spezifizieren, sondern auch seine Konsistenz noch vor der Implementierung zu verifizieren. Das Ziel der formalen Spezifikation ist eine präzise und eindeutige Beschreibung des Verhaltens des Multi-Agenten-Systems, während die Verifikation darauf abzielt, geforderte Eigenschaften dieses Systems zu beweisen. Üblicherweise wird das Verhalten eines Agenten als diskrete Änderung seines Zustands im Bezug auf externe oder interne Aktionen aufgefasst. Jedes mal, wenn eine Aktion auftritt, ändert sich der Zustand des Agenten. Deshalb sind Zustandsübergangsdiagramme bzw. endliche Automaten ein naheliegender Ansatz das Verhalten zu modellieren. Ein weiterer Vorteil einer solchen Beschreibung ist, dass sie sich für das sogenannte Model Checking eignet. Dabei handelt es sich um eine automatische Analysetechnik, die bestimmt, ob das Modell des Systems spezifizierten Eigenschaften genügt. Allerdings muss in realistischen, physikalischen Umgebungen neben dem diskreten auch das kontinuierliche Verhalten des Multi-Agenten-Systems betrachtet werden. Dabei könnte es sich beispielsweise um die Schussbewegung eines Fußballspieler-Agenten, den Prozess des Löschens durch einen Feuerwehr-Agenten oder jedes andere Verhalten handeln, das auf zeitlichen physikalischen Gesetzen basiert. Die üblichen Zustandsübergangsdiagramme sind nicht ausreichend, um diese beiden Verhaltensarten zu kombinieren. Hybride Automaten stellen jedoch eine elegante Lösung dar. Im Wesentlichen erweitern sie die üblichen Zustandsübergangsdiagramme durch Methoden, die sich mit kontinuierlichen Aktionen befassen. Die Zustandsübergänge modellieren weiterhin die diskreten Verhaltenswechsel, während Differentialgleichungen verwendet werden um das kontinuierliche Verhalten zu beschreiben. Besonders geeignet erscheinen Hybride Automaten, weil ihre formale Semantik die Verifikation durch Model Checking erlaubt. Deshalb ist das Hauptziel dieser Arbeit, Hybride Automaten für die Modellierung und die Verifikation des Verhaltens von Multi-Agenten-Systemen einzusetzen. Jedoch bringt ihr Einsatz mehrere Probleme mit sich, die betrachtet werden sollten. Zu diesen Problemfeldern zählen Komplexität, Modularität und die Aussagestärke der Modelle. Diese Arbeit befasst sich mit diesen Problemen und liefert mögliche Lösungen.

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Metadaten
Author:Ammar Mohammed
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-5664
Referee:Ulrich Furbach, Frieder Stolzenburg
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2010/11/05
Date of publication:2010/11/05
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2010/10/27
Release Date:2010/11/05
Tag:Multiagentensysteme; hybride Automaten
hybrid automata; multiagent systems
Number of pages:ix, 157
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Informatik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG