Cyber-Physical Systems (CPS) consist of inter-wined computational (cyber) and physical components interacting through sensors and/or actuators. Computational elements are networked at every scale and can communicate with each other and with humans. Nodes can join and leave the network at any time or they can move to different spatial locations. In this scenario, monitoring spatial and temporal properties plays a key role in the understanding of how complex behaviors can emerge from local and dynamic interactions. We propose here the Spatio-Temporal Reach and Escape Logic (STREL), a logic-based formal language designed to express and monitor spatio-temporal requirements over the execution of mobile and spatially distributed CPS. STREL considers the physical space in which CPS entities (nodes of the graph) are arranged as a weighted graph representing their dynamic topological configuration. Both nodes and edges have attributes modeling physical and logical quantities that can evolve over time. STREL combines the Signal Temporal Logic with two spatial modalities reach and escape that operate over the weighted graph. From these basic operators, we can derive other important spatial modalities such as everywhere, somewhere, and surround. We propose both qualitative and quantitative semantics based on constraint semirings, an algebraic structure suitable for constraint satisfaction and optimization. We provide an offline monitoring algorithm for STREL and we show the feasibility of our approach with the application to two case studies: monitoring spatio-temporal requirements over a simulated mobile ad-hoc sensor network and a simulated epidemic spreading model for COVID19.
翻译:网络- 网络- 物理系统( CPS) 由相互交错的计算( cyber) 和物理组件组成, 通过传感器和( 或) 动作器进行互动。 计算元件在每个尺度上联网, 并且可以相互和与人进行交流。 节点可以随时加入和离开网络, 或者可以移动到不同的空间位置。 在此情况下, 监测空间和时间属性在理解当地和动态互动如何产生复杂行为方面发挥着关键作用。 我们在此提议 Spatio- Temporal Aach 和 Escape Locic (STEL), 这是一种基于逻辑的正式语言的正式语言, 旨在表达和监测执行移动和空间分布式 CPS 和空间分布式 CPS 执行过程中的 Spatiho- 时间要求。 STREL 考虑将CPS 实体( 图表的节点) 安排为代表其动态地形结构的加权图表。 两种节点和边缘具有建模的物理和逻辑模型。 STREL 将信号- 逻辑和两种空间模式结合起来, 在加权图表上操作。 从这些基本的网络操作中, 我们从一个基本的操作者, 展示一个空间- 和定性的轨点 展示一个重要的矩阵, 展示一个空间-, 和定量分析, 向另一个的轨距分析, 我们提供一个空间- 向一个空间- 展示一个空间- 的轨迹点 以 以 向一个空间- 向一个空间- 的轨距 向一个空间- 以 提供一种测量的轨距分析, 我们 向 向 以 以 以 向 向 向 向 以 以 以 以 以 以 以 以 以 向 向 向 向 以 以 以 向 向 基 的 基 基 基 基 基 基 度 的 向 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基