Cyber-Physical Systems (CPS) in domains such as manufacturing and energy distribution generate complex time series data crucial for Prognostics and Health Management (PHM). While Deep Learning (DL) methods have demonstrated strong forecasting capabilities, their adoption in industrial CPS remains limited due insufficient robustness. Existing robustness evaluations primarily focus on formal verification or adversarial perturbations, inadequately representing the complexities encountered in real-world CPS scenarios. To address this, we introduce a practical robustness definition grounded in distributional robustness, explicitly tailored to industrial CPS, and propose a systematic framework for robustness evaluation. Our framework simulates realistic disturbances, such as sensor drift, noise and irregular sampling, enabling thorough robustness analyses of forecasting models on real-world CPS datasets. The robustness definition provides a standardized score to quantify and compare model performance across diverse datasets, assisting in informed model selection and architecture design. Through extensive empirical studies evaluating prominent DL architectures (including recurrent, convolutional, attention-based, modular, and structured state-space models) we demonstrate the applicability and effectiveness of our approach. We publicly release our robustness benchmark to encourage further research and reproducibility.


翻译:在制造与能源分配等领域的信息物理系统(CPS)中,产生对预测与健康管理(PHM)至关重要的复杂时间序列数据。尽管深度学习方法已展现出强大的预测能力,但由于鲁棒性不足,其在工业CPS中的应用仍受限。现有鲁棒性评估主要集中于形式化验证或对抗扰动,未能充分反映实际CPS场景中的复杂性。为此,我们提出一种基于分布鲁棒性的实用化鲁棒性定义,专门针对工业CPS定制,并构建了系统性的鲁棒性评估框架。该框架模拟传感器漂移、噪声及非均匀采样等实际扰动,可在真实CPS数据集上对预测模型进行全面鲁棒性分析。该鲁棒性定义提供标准化评分以量化并比较模型在不同数据集上的性能,辅助实现基于证据的模型选择与架构设计。通过对主流深度学习架构(包括循环、卷积、注意力机制、模块化及结构化状态空间模型)的广泛实证研究,我们验证了该方法的适用性与有效性。我们公开释放鲁棒性基准测试工具以促进后续研究与可复现性。

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