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Date
2023Type
- Doctoral Thesis
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yes
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Abstract
The contemporary era struggles with the intricate challenge of designing “complex systems”. These systems are characterized by intricate webs of interactions that interlace their components, giving rise to multifaceted complexities, springing from at least two sources.
First, the co-design of complex systems (e.g., a large network of cyber-physical systems) demands the simultaneous selection of heterogeneous components (e.g., hardware vs. software parts), while satisfying system constraints and accounting for multiple objectives. Second, different components are interconnected through interactions, and their design cannot be decoupled (e.g., within a mobility system).
Navigating this complexity necessitates innovative approaches, and this thesis responds to this imperative by focusing on the theory of co-design. Our exploration extends from the design of individual platforms, such as autonomous vehicles, to the orchestration of entire mobility systems built upon such platforms. In particular, we delve into the theoretical foundations of a monotone theory of co-design, establishing a robust mathematical framework, leveraging category theory to elucidate key concepts, including compositionality and functorial solution schemes in co-design.
Notably, this thesis offers not only an understanding of the theoretical underpinnings, but also practical guidance for applying them to a diverse array of real-world problems, revolving around the domain of embodied intelligence. The presented toolbox empowers efficient computation of optimal design solutions tailored to specific tasks and, in its novelty, paves the way for several possibilities for future research. Show more
Die heutige Zeit ist mit der schwierigen Herausforderung konfrontiert, “komplexe Systeme” zu entwerfen. Diese Systeme sind durch komplizierte Netze von Wechselwirkungen gekennzeichnet, die ihre Komponenten miteinander verflechten, was zu einer vielschichtigen Komplexität führt, die mindestens zwei Ursachen hat.
Erstens erfordert die Mitgestaltung komplexer Systeme (z.B. eines grossen Netzes cyber-physischer Systeme) die gleichzeitige Auswahl von Komponenten heterogener Natur (z.B. Hardware- und Softwareteile), während gleichzeitig die Systembeschränkungen erfüllt und mehrere Ziele berücksichtigt werden müssen. Zweitens sind verschiedene Komponenten durch Interaktionen miteinander verbunden, und ihr Design kann nicht entkoppelt werden (z.B. innerhalb eines Mobilitätssystems).
Die Beherrschung dieser Komplexität erfordert innovative Ansätze, und diese Arbeit reagiert auf diese Notwendigkeit, indem sie sich auf die Theorie des Co-Designs konzentriert. Unsere Untersuchung erstreckt sich vom Design einzelner Plattformen, wie z.B. autonomer Fahrzeuge, bis hin zur Orchestrierung ganzer Mobilitätssysteme, die auf solchen Plattformen aufbauen. Insbesondere befassen wir uns mit den theoretischen Grundlagen einer monotonen Theorie des Co-Designs und schaffen einen robusten mathematischen Rahmen, indem wir die Kategorientheorie nutzen, um Schlüsselkonzepte wie Kompositionalität und funktionale Lösungsschemata im Co-Design zu erläutern.
Diese Arbeit bietet nicht nur ein Verständnis der theoretischen Grundlagen, sondern auch praktische Anleitungen für deren Anwendung auf eine Vielzahl von realen Problemen, die sich um den Bereich der verkörperten Intelligenz drehen. Der vorgestellte Werkzeugkasten ermöglicht die effiziente Berechnung optimaler, auf spezifische Aufgaben zugeschnittener Designlösungen und eröffnet in seiner Neuartigkeit eine Fülle von Möglichkeiten für zukünftige Forschung. Show more
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https://doi.org/10.3929/ethz-b-000648075Publication status
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Publisher
ETH ZurichSubject
co-design; optimization; mobility; autonomyOrganisational unit
09574 - Frazzoli, Emilio / Frazzoli, Emilio
Funding
180545 - NCCR Automation (phase I) (SNF)
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