Probabilistic Conformance for Cyber-Physical Systems
在系统分析中，一致性表示两个系统同时满足相同的规范;因此，分析一个系统的结果自动转移到另一个系统，或者一个系统可以在实践中安全地取代另一个系统。在这项工作中，我们研究了信息物理系统（CPS）的概率一致性。我们提出了一个概念（近似）的概率一致性的信号时序逻辑（STL）表示的复杂规范集。基于一种新的统计测试，我们开发了第一个统计验证方法的概率一致性的广泛的一类CPS。使用该方法，我们验证了广泛使用的丰田动力系统的完整和简化模型的启动时间，基于模型预测控制和基于神经网络的汽车车道保持控制器的建立时间，以及完整和简化的电网系统的最大电压偏差的一致性。
2021-03-02 cs.SY eess.SY
Conformance Testing for Stochastic Cyber-Physical Systems
本文针对随机信息物理系统提出基于轨迹距离分布的一致性度量及非一致性风险概念，证明其传递性质，并利用保形预测从数据估计这些度量，在多种系统上验证了方法的有效性。
2023-08-12 cs.SY eess.SY
A Semantic Model for Interacting Cyber-Physical Systems
我们提出了一个基于组件的语义模型的网络物理系统（CPS），其中组件的概念抽象的内部细节的网络和物理过程，暴露一个统一的语义模型，其外部可观察的行为表示为一组序列的观察。我们引入代数运算，这样的序列来模拟不同种类的组件组成。这些组合操作符通过其组成组件的行为的交互的规范来产生其所得组合组件的外部可观察行为，因为它们，例如，同步或相互排斥彼此的替代行为。我们的框架是足够的表达，以允许关节的属性，协调所需的交互组成的组件之间的框架内，也作为组件的行为。我们证明了我们的形式主义的有用性，通过协调属性的例子在CPS组成的两个机器人通过共享的物理资源进行交互。
2022-03-25 cs.SY eess.SY
Configuring Safe Spiking Neural Controllers for Cyber-Physical Systems through Formal Verification
本文提出通过MILP形式化验证调优转换后SNN的时间窗口超参数，兼顾精度与输出安全范围，并利用紧致边界反馈和数据驱动步骤减少验证调用。
2024-08-04 cs.ET cs.SY eess.SY
Automated Malware Design for Cyber Physical Systems
网络物理系统的攻击设计对于在设计时和运行时评估CPS弹性以及从测试平台生成丰富的数据集以供研究至关重要。针对网络物理系统的攻击与IT攻击的区别在于，其主要目标是损害物理系统。因此，设计此类攻击需要网络和物理系统知识。当前生成攻击的做法要么集中在使用IT网络安全现有知识体系的系统的网络部分，要么使用黑客攻击来注入可能损害物理过程的攻击。在本文中，我们提出了一种系统的方法，可以根据CPS安全和控制规范自动生成完整性攻击，而无需了解物理系统或其动态。生成的攻击违反了系统的操作和安全要求，因此对系统的弹性提出了真正的测试。我们提出了一种算法来自动化的恶意软件有效载荷的发展。文中给出了几个例子来说明所提出的方法。
2021-07-06 cs.CR cs.SY eess.SY
Numerical LTL Synthesis for Cyber-Physical Systems
fortiss GmbH（fortiss有限公司）；EECS, UC Berkeley（加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系）
本文提出数值LTL合成方法，用于在物理系统中合成控制器，通过扩展LTL合成以支持实数输入和多项式约束谓词，解决传统LTL合成在离散输入上的限制。
2013-07-14 cs.LO cs.SE cs.SY
A Pragmatic Guide to Building Conservative Discrete Abstractions of Cyber-Physical Systems
University of Florida（佛罗里达大学）
本教程提出一种按构造保守的闭环动力系统离散抽象构建工作流，含四模块化步骤，经三案例研究验证其设计选择对抽象结构、运行时间及验证结果的影响。
2026-08-12 cs.LO cs.SY eess.SY
Falsification of Cyber-Physical Systems using Bayesian Optimization
Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）；Lund University（隆德大学）；University of Sarajevo（萨拉热窝大学）；Stanford University（斯坦福大学）
针对信息物理系统（CPSs）基于仿真的证伪需减少计算密集型仿真次数的问题，本研究提出改进贝叶斯优化（BO）的两项增强措施并优化采集函数，基准评估显示该方法能显著提升证伪效率。
2025-02-12 cs.LG cs.SY eess.SY
A Rule-Aware Prompt Framework for Structured Numeric Reasoning in Cyber-Physical Systems
Washington State University（华盛顿州立大学）
本文提出一种规则感知提示框架，用于在基于物理的系统中实现结构化数值推理，通过模块化设计提升规则遵循性和效率。
2025-12-14 cs.SY eess.SY
Enhancing Temporal Logic Falsification with Specification Transformation and Valued Booleans
网络物理系统（CPS）是具有物理和软件组件的系统，例如汽车和工业机器人。由于这些系统表现出离散和连续的动态，它们是复杂的，因此很难验证它们的行为是否符合预期。时序逻辑性质的证伪是通过模拟来寻找CPS反例的一种方法。在本文中，我们提出了两个补充，以提高伪造的能力，使其在大规模的工业环境中更可行。第一个增加的是一个框架，用于将规范从基于信号的模型转换为信号时序逻辑。第二个补充是在证伪过程中使用值布尔和添加剂鲁棒语义。我们评估了一组基准模型上的附加鲁棒语义的性能，我们可以看到，哪些语义是更可取的依赖于模型和规范。
2019-10-18 cs.SY eess.SY
Constrained Optimization for Hybrid System Falsification and Application to Conjunctive Synthesis
信息物理系统（CPS）的综合问题是寻找一个输入信号，使系统的行为满足给定的规范。我们的设定是，规范是信号时序逻辑的公式，而且，规范是不同的，往往是相互冲突的要求的结合。合取规范对于基于优化的证伪（CPS分析的一种已建立的方法，也可用于合成）通常具有挑战性，因为通常的框架（特别是其强大的语义如何处理布尔连接词）不适合在不同需求之间找到微妙的权衡。我们所提出的方法包括基于优化的证伪和约束优化的组合。具体来说，我们表明，国家的最先进的多约束排名方法可以与伪造的CMA-ES优化供电相结合，其性能优势在实验中得到证明。
2021-02-10 cs.SY eess.SY
Adaptive Testing for Specification Coverage
确保网络物理系统（CPS）的正确性是一项极具挑战性的任务，在实践中通常通过基于仿真的测试来解决。正式的规约语言，如信号时序逻辑（STL），用于数学表达CPS的要求，从而使仿真活动更系统和原则。我们提出了一种新的方法，自适应生成测试规格覆盖STL。为了实现这一目标，我们设计了合作的可达性游戏，我们结合数值优化来创建测试，探索系统的方式，行使规范的各个部分。据我们所知，我们的方法是第一个自适应测试方法，可以直接应用到MATLAB \texttrademark \; Simulink/Stateflow模型。我们实现了我们的方法在一个原型工具，并评估了几个说明性的例子和案例研究，从航空电子领域，证明了自适应测试的有效性（1）逐步建立一个测试用例，达到测试目标，（2）生成一个测试套件，增加规范的覆盖范围，（3）推断规范的哪一部分实际上是实现的。
2021-01-26 cs.FL cs.GT cs.LO
What Does It Take to Get Guarantees? Systematizing Assumptions in Cyber-Physical Systems
University of Florida（佛罗里达大学）
本文系统分析了网络物理系统中假设与保证的关系，揭示了CPS假设的常见趋势和不足，并呼吁更规范的假设报告与测试。
2025-11-20 cs.SY eess.SY
Compositional Falsification of Cyber-Physical Systems with Machine Learning Components
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Decyphir, Inc.（Decyphir公司）
本文研究了包含机器学习组件的网络物理系统（CPS）的正确性问题，提出了一种组合性验证框架，通过时间逻辑 falsifier 和机器学习分析器合作寻找违反规范的执行，以验证 CPS 的正确性。
2018-12-16 cs.LG cs.SE cs.SY
A Compositional Approach to Diagnosing Faults in Cyber-Physical Systems
本文针对信息物理系统（CPS）系统级故障诊断难题，基于组合式设计与假设-保证契约，利用契约式设计进展计算系统契约，实现故障组件及相关谓词的高效识别，并通过Pacti与自动驾驶示例验证方法有效性。
2025-07-07 cs.LO cs.SY eess.SY
Modeling and Verifying Cyber-Physical Systems with Hybrid Active Objects
网络物理系统（CPS）的正式建模很困难，因为它们提出了离散-连续动态和并发行为相结合的双重挑战。现有的CPS形式化规范和验证语言都是在其底层证明搜索技术之上设计的。它们缺乏高层次的结构要素。此外，它们不能有效地执行。这使得正式的CPS模型难以理解和验证，从而削弱了它们的可用性。相反，我们建议在一个活动对象（AO）语言设计的并发系统的简洁，直观的建模CPS模型。为此，我们扩展了AO语言ABS和混合主动对象（HAO）的运行时环境。在HAO中形式化的CPS模型和需求必须遵循某些通信模式，这些模式允许自动转换为差分动态逻辑，即顺序混合程序逻辑。验证是通过使用定理证明器KeYmaera X释放结果公式来实现的。我们证明了我们的方法与案例研究的实用性。
2019-06-13 cs.LO cs.PL cs.SY
Control Synthesis for Cyber-Physical Systems to Satisfy Metric Interval Temporal Logic Objectives under Timing and Actuator Attacks
本文研究的综合控制器的网络物理系统（CPS），需要执行复杂的任务，是时间敏感的，在对手的存在。该任务被指定为度量区间时序逻辑（MITL）中的公式。假设对手有能力篡改CPS的控制输入，并操纵CPS感知的定时信息。为了模拟CPS和对手之间的相互作用，以及这两类攻击的效果，我们定义了一个实体称为持续时间随机博弈（DSG）。DSG以概率方式捕获环境中状态之间的转换，以及这些转换所花费的时间。与防御者表示为有限状态控制器（FSC）的政策，我们提出了一个基于值迭代的算法，计算FSC，最大限度地满足MITL规范下的两类攻击的概率。一个信号控制的交通网络的数值案例研究来说明我们的结果。
2020-01-27 cs.SY eess.SY
STPA-driven Multilevel Runtime Monitoring for In-time Hazard Detection
安全验证或运行时监控为安全关键型网络物理系统提供了增强设计保证措施并确保操作安全性和安全性的装备。网络物理系统具有交互故障、攻击面和攻击媒介，导致意外的危害和损失场景。这些交互故障对实时检测危害的监测规范和监测位置的运行时验证提出了挑战。我们开发了一个形式良好的工作流模型，连接系统理论过程分析，通常被称为STPA，危害因果关系的信息，以较低级别的运行时监控，以检测在操作阶段的危害。具体来说，我们的模型遵循DepDevOps范式，为运行时监控提供关于监控内容、监控位置和监控上下文的证据和见解。我们证明和评估的价值，多级监视器注入危险的自主紧急制动系统模型。
2022-06-22 cs.SE cs.SY eess.SY
An STL-based Approach to Resilient Control for Cyber-Physical Systems
我们提出了ResilienC，网络物理系统的弹性控制的框架基于STL的要求。ResilienC利用最近开发的形式主义，用于根据$(\mathit{rec},\mathit{dur})$实值对的集合来指定CPS弹性，其中$\mathit{rec}$表示系统从属性违规中快速恢复的能力（可恢复性），并且$\mathit{dur}$反映其避免违规后恢复的能力（耐久性）。我们将弹性STL控制问题定义为多目标优化问题之一，其中所需STL规格的可恢复性和耐久性最大化。当两个目标都不优先于另一个目标时，问题的解决方案是一组帕累托最优系统轨迹。我们提出了一个精确的解决方法，弹性STL控制问题，使用混合整数线性规划编码和后验$ε$约束的方法，有效地检索完整的最佳弹性解决方案。在ResilienC中，在每个时间步，由决策者策略从帕累托最优解集合中选择的最优控制动作实现模型预测控制的形式。我们在两个重要的案例研究中展示了ResilienC框架的实际效用：自动驾驶车辆车道保持和最后期限驱动的多区域包裹交付。
2022-11-05 cs.SY eess.SY
Finding Unknown Unknowns using Cyber-Physical System Simulators (Extended Report)
本研究提出通过检查离散模式序列发现CPS中的未知罕见行为，开发两种加速采样算法，在多个基准上实现超100倍加速。
2025-03-28 cs.NA cs.SY eess.SY
Safe-visor Architecture for Sandboxing (AI-based) Unverified Controllers in Stochastic Cyber-Physical Systems
高性能但未经验证的控制器，例如，基于人工智能的（a.k.a.基于人工智能的控制器被广泛应用于信息物理系统（CPS）中，以完成复杂的控制任务。然而，保证CPS的安全性和可靠性与这种控制器是目前非常具有挑战性的，这是至关重要的，在许多现实生活中的安全关键应用。为了应对这一困难，我们在这项工作中提出了一个安全的遮阳板架构，用于在嘈杂的环境中运行的CPS中对未经验证的控制器进行沙箱化。随机CPS）。建议的架构包含一个基于历史的监督员，它检查来自未经验证的控制器的输入，并在系统的功能和安全性之间做出妥协，以及一个安全顾问，当未经验证的控制器危及系统的安全时，提供回退。基于历史的监督器和安全顾问都是基于原始系统与其有限抽象之间的近似概率关系设计的。通过采用这种体系结构，我们提供了正式的概率保证，保持接受语言的确定性有限自动机（DFA）表示的安全规范。同时，未经验证的控制器仍然可以在控制回路中使用，即使他们是不可靠的。我们证明了我们提出的结果的有效性，将它们应用到两个（物理）的案例研究。
2021-08-19 cs.SY eess.SY
RampoNN: A Reachability-Guided System Falsification for Efficient Cyber-Kinetic Vulnerability Detection
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）
本文提出RampoNN框架，通过控制代码、物理系统模型和信号时间逻辑规范，系统识别网络-物理漏洞。利用深度伯恩斯坦神经网络提高可达性分析精度，加速漏洞检测并提升可扩展性。
2026-04-01 cs.CR cs.SY eess.SY
Coverage Explorer: Coverage-guided Test Generation for Cyber Physical Systems
针对CPS测试覆盖率不足的问题，提出Coverage Explorer框架，结合覆盖率采样、聚类代理模型与模型预测控制生成测试用例，在多个基准上验证了其有效性。
2023-12-04 cs.NA cs.SY eess.SY
Software Fault Tolerance for Cyber-Physical Systems via Full System Restart
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Uber（优步）；ABB（ABB集团）
本文提出了一种新的控制器设计方法，旨在保证非线性物理系统的安全性，实现运行时的安全系统重启，并允许使用未经验证的复杂控制器（如神经网络）以驱动物理系统满足复杂规范。通过基于抽象的控制器合成方法，设计了一个形式验证的控制器，提供应用和系统级的容错能力以及安全保证，并且该方法可以使用商用现成（COTS）处理单元实现。通过在倒置摆和三自由度直升机上实现所提出的控制器，验证了该解决方案的有效性以及在各种故障注入情况下系统的安全性。
2018-12-09 cs.SY eess.SY
Minimum Violation Control Synthesis on Cyber-Physical Systems under Attacks
Worcester Polytechnic Institute（伍斯特理工学院）
本文研究了在存在攻击的情况下，如何在线性时序逻辑约束下综合出最小违规控制器，通过构建Stackelberg博弈模型并提出非线性规划问题来解决最优控制策略，最后通过数值案例验证了方法的有效性。
2018-08-31 cs.RO cs.SY eess.SY
Control Barrier Functions for Abstraction-Free Control Synthesis under Temporal Logic Constraints
时序逻辑已被广泛用于表示复杂的任务规格的信息物理系统（CPS）。在时序逻辑约束下综合CPS控制器的单向式方法之一是首先将CPS抽象为离散转换系统，然后应用形式化方法。然而，这种方法在计算上要求很高，并且由于维数灾难，其可扩展性受到影响。在本文中，我们提出了一个控制障碍函数（CBF）的方法，抽象自由控制综合下的线性时序逻辑（LTL）的约束。我们首先构造确定性拉宾自动机的规格和计算接受运行。然后，我们计算一个序列的LTL公式，其中每一个必须满足在特定的时间间隔，并证明，满足该序列的公式是足以满足LTL规格。最后，我们通过构造一个合适的CBF来计算满足每个公式的控制策略。我们提出了一个二次规划来计算控制器，并显示使用所提出的方法合成的控制器保证系统满足LTL规格，提供的二次规划是可行的，在每个时间步。数值算例研究表明，所提出的方法。
2020-07-28 cs.SY eess.SY
A SysML-based language for evaluating the integrity of simulation and physical embodiments of Cyber-Physical systems
Warsaw University of Technology（华沙理工大学）；PAL Robotics（PAL机器人公司）
本文提出基于SysML的SPSysML语言及SPSysAP应用流程，通过定量因素和需求驱动方法评估信息物理系统中仿真与物理部件的完整性，提升组件可重用性，并在辅助生活机器人系统上验证了其有效性。
2025-01-01 cs.AR cs.MA cs.RO
Quantized State Hybrid Automata for Cyber-Physical Systems
University of Auckland（奥克兰大学）
本文提出量化状态混合自动机(QSHA)用于模拟复杂系统，通过动态量子方法提高离散事件检测的准确性，并在仿真步骤上显著优于传统方法。
2018-06-14 cs.SY eess.SY
Verification of Hyperproperties for Uncertain Dynamical Systems via Barrier Certificates
超属性是需要对系统的多个执行跟踪进行量化的系统属性。超属性可以表达信息物理系统的几个感兴趣的规范-例如不透明性，鲁棒性和非干扰性-这些都不能用线性时间属性来表达。本文首次提出了一种离散时间不确定动力系统超性质形式化验证的方法。所提出的方法涉及到复杂的hyperproperties分解成几个验证条件，利用基于自动机的结构对应的补充原始规范。这些验证条件然后通过合成所谓的增强屏障证书来解除，增强屏障证书为底层系统提供某些安全保证。对于系统的多项式型动态，我们提出了一个健全的程序来合成多项式型增强屏障证书减少问题的平方和优化。我们证明了我们提出的方法对两个重要的超性质：初始状态不透明性和初始状态鲁棒性的两个物理案例研究的有效性。
2021-11-23 cs.SY eess.SY
On How to Not Prove Faulty Controllers Safe in Differential Dynamic Logic
网络物理系统通常是安全关键的，其正确性至关重要，就像自动驾驶一样。使用形式化的数学方法是保证正确性的单向式。虽然这些方法已经显示出它们的有用性，但必须小心，因为建模误差可能导致证明有故障的控制器是安全的，这在实践中可能是灾难性的。本文讨论了微分动态逻辑中的两个这样的建模错误。微分动态逻辑是混杂系统的形式化描述和验证语言，混杂系统是信息物理系统的数学模型。主要的贡献是证明条件，当满足时，这两个建模误差不能导致故障控制器被证明是安全的。的问题说明了一个现实世界的例子，自动驾驶的安全控制器，它表明，制定的条件有预期的效果，一个错误的和正确的控制器。它还示出了如何制定的条件，帮助找到一个循环不变的候选人证明性能的混杂系统与反馈回路。使用交互式定理证明器KeYmaera X证明结果。
2022-07-12 cs.FL cs.SY eess.SY
Runtime Enforcement of Programmable Logic Controllers
随着工业4.0的到来，工业设施和关键基础设施正在转变为异构物理和网络组件（如可编程逻辑控制器）的生态系统，这些组件越来越多地相互连接，因此容易受到网络物理攻击，即，网络空间中可能对工业控制系统底层的物理过程产生不利影响的安全漏洞。在本文中，我们提出了一个正式的方法，运行时执法的基础上，以确保控制器网络的规范合规性，可能会受到勾结恶意软件，可能会篡改执行器命令，传感器读数和控制器间的通信。我们的方法依赖于一个特设的Ligatti等人的子类。的编辑自动机来执行以Hennessy和Regan的定时过程语言表示的控制器。我们定义了一个合成算法，给定一个字母表$P$的可观察到的行动和定时正确性属性$e$，返回一个监视器，强制执行任何（可能损坏）控制器与字母表$P$，并遵守属性$e$的过程中的属性$e$。我们的监控器纠正和抑制来自损坏的控制器的不正确操作，并在受审查的控制器无法以正确的方式执行操作时完全自主地执行操作。除了经典的要求，如透明度和健全性，建议的执行享有死锁和发散自由的监控控制器，以及可扩展性时，处理网络的控制器。最后，我们测试所提出的执法机制上的一个不平凡的案例研究，从工业水处理系统，其中控制器注入不同的恶意软件与不同的恶意目标。
2021-11-18 cs.CR cs.FL cs.SY
