Pattern Matching with Time : Theory and Applications
Filtrage par motif temporisé : Théorie et Applications
Résumé
Dynamical systems exhibit temporal behaviors that can be expressed in various sequential forms such as signals, waveforms, time series, and event sequences. Detecting patterns over such temporal behaviors is a fundamental task for understanding and assessing these systems. Since many system behaviors involve certain timing characteristics, the need to specify and detect patterns of behaviors that involves timing requirements, called timed patterns, is evident. However, this is a non-trivial task due to a number of reasons including the concurrency of subsystems and density of time.The key contribution of this thesis is in introducing and developing emph{timed pattern matching}, that is, the act of identifying segments of a given behavior that satisfy a timed pattern. We propose timed regular expressions (TREs) and metric compass logic (MCL) as timed pattern specification languages. We first develop a novel framework that abstracts the computation of time-related aspects called the algebra of timed relations. Then we provide offline matching algorithms for TRE and MCL over discrete-valued dense-time behaviors using this framework and study some practical extensions.It is necessary for some application areas such as reactive control that pattern matching needs to be performed during the actual execution of the system. For that, we provide an online matching algorithm for TREs based on the classical technique of derivatives of regular expressions. We believe the underlying technique that combines derivatives and timed relations constitutes another major conceptual contribution for timed systems research.Furthermore, we present an open-source tool Montre that implements our ideas and algorithms. We explore diverse applications of timed pattern matching over several case studies using Montre. Finally we discuss future directions and several open questions emerged as a result of this thesis.
Les systèmes dynamiques présentent des comportements temporels qui peuvent être exprimés sous diverses formes séquentielles telles que des signaux, des ondes, des séries chronologiques et des suites d'événements. Détecter des motifs sur de tels comportements temporels est une tâche fondamentale pour comprendre et évaluer ces systèmes. Étant donné que de nombreux comportements du système impliquent certaines caractéristiques temporelles, le besoin de spécifier et de détecter des motifs de comportements qui implique des exigences de synchronisation, appelées motifs temporisés, est évidente.Cependant, il s'agit d'une tâche non triviale due à un certain nombre de raisons, notamment la concomitance des sous-systèmes et la densité de temps.La contribution principale de cette thèse est l'introduction et le développement du filtrage par motif temporisé, c'est-à-dire l'identification des segments d'un comportement donné qui satisfont un motif temporisé. Nous proposons des expressions rationnelles temporisées (TRE) et la logique de la boussole métrique (MCL) comme langages de spécification pour motifs temporisés. Nous développons d'abord un nouveau cadre qui abstraite le calcul des aspects liés au temps appelé l'algèbre des relations temporisées. Ensuite, nous fournissons des algorithmes du filtrage hors ligne pour TRE et MCL sur des comportements à temps dense à valeurs discrètes en utilisant ce cadre et étudions quelques extensions pratiques.Il est nécessaire pour certains domaines d'application tels que le contrôle réactif que le filtrage par motif doit être effectué pendant l'exécution réelle du système. Pour cela, nous fournissons un algorithme du filtrage en ligne pour TREs basé sur la technique classique des dérivées d'expressions rationnelles. Nous croyons que la technique sous-jacente qui combine les dérivées et les relations temporisées constitue une autre contribution conceptuelle majeure pour la recherche sur les systèmes temporisés.Nous présentons un logiciel libre Montre qui implémente nos idées et algorithmes. Nous explorons diverses applications du filtrage par motif temporisé par l'intermédiaire de plusieurs études de cas. Enfin, nous discutons des orientations futures et plusieurs questions ouvertes qui ont émergé à la suite de cette thèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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