We consider the problem of predictive monitoring (PM), i.e., predicting at runtime future violations of a system from the current state. We work under the most realistic settings where only partial and noisy observations of the state are available at runtime. Such settings directly affect the accuracy and reliability of the reachability predictions, jeopardizing the safety of the system. In this work, we present a learning-based method for PM that produces accurate and reliable reachability predictions despite partial observability (PO). We build on Neural Predictive Monitoring (NPM), a PM method that uses deep neural networks for approximating hybrid systems reachability, and extend it to the PO case. We propose and compare two solutions, an end-to-end approach, which directly operates on the rough observations, and a two-step approach, which introduces an intermediate state estimation step. Both solutions rely on conformal prediction to provide 1) probabilistic guarantees in the form of prediction regions and 2) sound estimates of predictive uncertainty. We use the latter to identify unreliable (and likely erroneous) predictions and to retrain and improve the monitors on these uncertain inputs (i.e., active learning). Our method results in highly accurate reachability predictions and error detection, as well as tight prediction regions with guaranteed coverage.


翻译:我们考虑了预测性监测(PM)的问题,即从目前状态中预测未来违反某一系统的行为。我们是在最现实的环境中工作的,在这种环境中,只有部分和噪音的状态观测在运行时可以进行。这种环境直接影响到可达性预测的准确性和可靠性,危及系统的安全。在这项工作中,我们为PM提出了一个基于学习的方法,该方法尽管部分可观察性,却得出准确和可靠的可达性预测。我们以神经预测性监测(NPM)为基础,这是一种利用深神经网络来接近混合系统的可达性,并将它扩大到PO案例。我们提出和比较两种解决办法:一种端对端办法,直接依靠粗略观察,采用两步方法,采用中间状态估计步骤。两种解决办法都依靠符合性预测性预测,提供预测性保障,区域以预测形式提供可靠和可靠的可达性预测性预测性预测性。我们利用后者来确定不可靠(和可能错误)预测性,并用精确的预测性来重新预测和改进关于这些不确定性投入的监测结果,作为高度精确的预测性、积极学习方法。

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