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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.
Hybrid automata are used as standard means for the specification and analysis of dynamical systems. Several researches have approached them to formally specify reactive Multi-agent systems situated in a physical environment, where the agents react continuously to their environment. The specified systems, in turn, are formally checked with the help of existing hybrid automata verification tools. However, when dealing with multi-agent systems, two problems may be raised. The first problem is a state space problem raised due to the composition process, where the agents have to be parallel composed into an agent capturing all possible behaviors of the multi-agent system prior to the verification phase. The second problem concerns the expressiveness of verification tools when modeling and verifying certain behaviors. Therefore, this paper tackles these problems by showing how multi-agent systems, specified as hybrid automata, can be modeled and verified using constraint logic programming(CLP). In particular, a CLP framework is presented to show how the composition of multi-agent behaviors can be captured dynamically during the verification phase. This can relieve the state space complexity that may occur as a result of the composition process. Additionally, the expressiveness of the CLP model flexibly allows not only to model multi-agent systems, but also to check various properties by means of the reachability analysis. Experiments are promising to show the feasibility of our approach.
Hybrid systems are the result of merging the two most commonly used models for dynamical systems, namely continuous dynamical systems defined by differential equations and discrete-event systems defined by automata. One can view hybrid systems as constrained systems, where the constraints describe the possible process flows, invariants within states, and transitions on the one hand, and to characterize certain parts of the state space (e.g. the set of initial states, or the set of unsafe states) on the other hand. Therefore, it is advantageous to use constraint logic programming (CLP) as an approach to model hybrid systems. In this paper, we provide CLP implementations, that model hybrid systems comprising several concurrent hybrid automata, whose size is only straight proportional to the size of the given system description. Furthermore, we allow different levels of abstraction by making use of hierarchies as in UML statecharts. In consequence, the CLP model can be used for analyzing and testing the absence or existence of (un)wanted behaviors in hybrid systems. Thus in summary, we get a procedure for the formal verification of hybrid systems by model checking, employing logic programming with constraints.