时滞动力系统及混成系统的形式化验证

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61872341
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0201.计算机科学的基础理论
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

In real world, time-delays exist ubiquitously in systems in physics, biology and control, among others, namely, the evolution of the system depends not only on the current state, but also on past states. Delay differential equations are the popular mathematical model in characterizing the continuous dynamics of systems with delays. The study on formal verification of nonlinear delayed (hybrid) dynamical systems faces a large amount of challenges, and thus is still in infancy. This project is motivated by practical requirements in safety verification of delayed (hybrid) dynamical systems and centers the key scientific problems on reachability analysis of nonlinear delayed (hybrid) dynamical systems, for which the continuous dynamics are characterized by delay differential equations. The project aims to make progress in three aspects. First, we are trying to address several fundamental problems in the theory of formal verification of delayed (hybrid) dynamical systems, such as the investigation on properties of the solution to delay differential equations and the construction of (Hamilton-Jacobi) partial differential equations characterizing reachable sets of delay differential equations. Second, we aim at proposing scalable and efficient reachability analysis algorithms for nonlinear delayed (hybrid) dynamical systems. Finally, the newly designed algorithms will be implemented and integrated into our previous tools and further applied to the analysis and verification of real systems with delays such as high-speed trains. The application team features great interdisciplinarity and has been cooperating well for a long time. We believe that we would make progress in the research of the aforementioned problems in the theory and method of formal verification of nonlinear delayed (hybrid) dynamical systems, and facilitate the verification and analysis on real dynamical systems with delays such as high-speed trains.
在现实世界中,许多物理、生物、控制等实际系统中存在时滞现象,即系统的演化规律不仅依赖于当前的状态,还依赖于过去某些时刻的状态。时滞微分方程是常用于刻画这些系统连续动态行为的数学模型。非线性(混成)时滞系统形式化验证的研究尚处于初级探索阶段,其发展面临诸多挑战。本项目将从非线性(混成)时滞系统安全性验证的实际需求出发,围绕基于非线性时滞微分方程的(混成)时滞动力系统可达性分析问题,拟展开三方面的研究:一,非线性(混成)时滞系统形式化验证理论,包括时滞微分方程解性质的剖析及可达集的(Hamilton-Jacobi)偏微分方程刻画;二,大规模非线性(混成)时滞系统的可达性分析;三,相关工具开发及高铁等典型时滞系统的案例研究。我们的申请团队有很好的研究基础和多年卓有成效的合作,可望在非线性时滞(混成)系统形式化验证理论和方法的研究中取得突破,并将新的理论方法应用于高铁等典型时滞系统的验证和分析中。

结项摘要

时滞现象广泛地存在各种实际系统中, 如生物系统和自动化系统,这些系统的演化规律不仅依赖于当前的状态,还依赖于过去某些时刻的状态。在一些安全攸关系统中,时滞现象会使系统的安全性能下降,甚至导致系统不安全。时滞微分方程是刻画这些系统连续动态行为的主要数学模型,其可达集的上、下近似(可达集的超集、子集)计算是验证这些系统安全的主要手段之一。此项目研究时滞微分方程可达集计算的基础理论,提出可达集计算的有效方法。本项目取得了以下三方面的重要成果:1. 基于严格的数学推导得到了扰动时滞微分方程解满足同胚性质的充分条件,进而提出了计算此类时滞微分方程可达集上、下近似的边界方法,形成原型工具两套。 此方法只需计算边界的可达集,无需计算内点可达集,可极大的提高可达集计算效率及精度;2. 提出了刻画时滞微分方程无界时间可达-规避集合下近似的凸约束。据我们所知,这是首个刻画时滞微分方程可达-规避集合下近似的凸约束;3. 提出了基于数据驱动的可能近似正确检验方法,此方法可以计算现有基于数学模型的可达集计算方法无力处理的大规模复杂系统的可达集。此外,还提出了针对指数稳定时滞微分方程可达集上近似的计算方法以及混成时滞系统的安全控制律生成方法。. . 研究成果发表在控制理论及形式化方法的权威期刊及会议上,如IEEE Transactions on Automatic Control、SIAM Journal on Control and Optimization、IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems、CDC、ACC、IFAC、CAV 、HSCC 等,培养了两名博士生、两名硕士生。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(13)
专利数量(0)
Inner-Approximating Reachable Sets for Polynomial Systems with Time-Varying Uncertainties
具有时变不确定性的多项式系统的内近似可达集
  • DOI:
    10.1109/tac.2019.2923049
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Automatic Control
  • 影响因子:
    6.8
  • 作者:
    Bai Xue;Martin Franzle;Naijun Zhan
  • 通讯作者:
    Naijun Zhan
PAC Model Checking of Black-Box Continuous-Time Dynamical Systems
黑盒连续时间动力系统的 PAC 模型检查
  • DOI:
    10.1109/tcad.2020.3012251
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (IEEE TCAD)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Bai Xue;Miaomiao Zhang;Arvind Easwaran;Qin Li
  • 通讯作者:
    Qin Li
Robust Invariant Sets Computation for Discrete-Time Perturbed Nonlinear Systems
离散时间扰动非线性系统的鲁棒不变集计算
  • DOI:
    10.1109/tac.2021.3063315
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Automatic Control (IEEE TAC)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Bai Xue;Naijun Zhan
  • 通讯作者:
    Naijun Zhan
Synthesizing Robust Domains of Attraction for State-Constrained Perturbed Polynomial Systems
综合状态约束扰动多项式系统的鲁棒吸引力域
  • DOI:
    10.1137/19m125220x
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    SIAM Journal on Control and Optimization (SICON)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Bai Xue;Qiuye Wang;Naijun Zhan;Shijie Wang;Zhikun She
  • 通讯作者:
    Zhikun She
Over- and Underapproximating Reach Sets for Perturbed Delay Differential Equations
扰动时滞微分方程的过逼近和欠逼近范围集
  • DOI:
    10.1109/tac.2020.2977993
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Automatic Control (IEEE TAC)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Bai Xue;Qiuye Wang;Shenghua Feng;Naijun Zhan
  • 通讯作者:
    Naijun Zhan

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其他文献

时延混成系统的切换控制器合成
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国科学 数学
  • 影响因子:
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  • 作者:
    白云军;甘庭;焦丽;薛白;詹乃军
  • 通讯作者:
    詹乃军
全固态电池用硫系玻璃电解质材料研究进展
  • DOI:
    10.14062/j.issn.0454-5648.20200981
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    硅酸盐学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    关尚升;焦清;薛白;陈旦;马宝琛;樊博;林常规
  • 通讯作者:
    林常规
Effects of the higher concentrate ratio on the production performance, ruminal fermentation, and morphological structure in male cattle-yaks
高浓缩比对公牦牛生产性能、瘤胃发酵及形态结构的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Veterinary Medicine and Science
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    姜雅慧;代鹏;代秦丹;马健;王之盛;胡瑞;邹华围;彭全辉;王立志;薛白
  • 通讯作者:
    薛白
饥饿及恢复饲喂对牦牛生长性能、营养物质表观消化率和血清指标的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    动物营养学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    曾少玉;王之盛;彭全辉;薛白;王立志;邹华围;胡瑞;祝伊枭;周芯宇
  • 通讯作者:
    周芯宇
碳质纳米填料在聚合物导热复合材料中的研究进展
  • DOI:
    10.16865/j.cnki.1000-7555.2019.0154
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    高分子材料科学与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    单博;谢兰;薛白;秦舒浩;郑强
  • 通讯作者:
    郑强

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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