Vérification et synthèse quantitative

Quantitative Verification and Synthesis

• Auteur / Autrice : Christian Von Essen
• Direction : Saddek Bensalem, Barbara Jobstmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 28/04/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Verimag (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alain Girault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Saddek Bensalem, Barbara Jobstmann, Ahmed Bouajjani
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Raskin, Marta Kwiatkowska

Mots clés

Mots clés contrôlés

Audit informatique

Mots clés libres

Vérification quantitative

Synthèse quantitative

Systèmes adaptatifs

Quantitative Verification

Quantitative Synthesis

Adaptive Systems

Program Repair

Résumé

Cette thèse contribue à l'étude théorique et a l'application de la vérification et de la synthèse quantitative. Nous étudions les stratégies qui optimisent la fraction de deux récompenses des MDPs. L'objectif est la synthèse de régulateurs efficaces dans des environnements probabilistes. Premièrement nous montrons que les stratégies déterministes et sans mémoire sont suffisants. Sur la base de ces résultats, nous proposons trois algorithmes pour traiter des modèles explicitement encodées. Notre évaluation de ces algorithmes montre que l'un de ces derniers est plus rapide que les autres. Par la suite nous proposons et mettons en place une variante symbolique basé sur les diagrammes de décision binaire.Deuxièmement, nous étudions le problème de réparation des programmes d'un point de vue quantitatif. Cela conduit à une reformulation de la réparation d'un log: que seules les exécutions fautives du programme soient modifiées. Nous étudions les limites de cette approche et montrons comment nous pouvons assouplir cette nouvelle exigence. Nous concevons et mettons en œuvre un algorithme pour trouver automatiquement des réparations, et montrons qu'il améliore les modifications apportées aux programmes. Troisièmement, nous étudions une nouvelle approche au framework pour la vérification et synthèse quantitative. La vérification et la synthèse fonctionnent en tandem pour analyser la qualité d'un contrôleur en ce qui concerne, par exemple , de robustesse contre des erreurs de modélisation. Nous considérons également la possibilité d'approximer la courbure de Pareto, qui appataît de la combinaison du modèle avec de multiples récompenses. Cela nous permet à la fois d'étudier les compromis inhérents au système et de choisir une configuration adéquate. Nous appliquons notre framework aux plusieurs études de cas. La majorité de l'étude de cas est concernée par un système anti-collision embarqué (ACAS X). Nous utilisons notre framework pour aider à analyser l'espace de conception du système et de valider le contrôleur en cours d'investigation par la FAA. En particulier, nous contribuons l'analyse par PCTL et stochastic model checking.

This thesis contributes to the theoretical study and application of quantitative verification and synthesis. We first study strategies that optimize the ratio of two rewards in MDPs. The goal is the synthesis of efficient controllers in probabilistic environments. We prove that deterministic and memoryless strategies are sufficient. Based on these results we suggest 3 algorithms to treat explicitly encoded models. Our evaluation of these algorithms shows that one of these is clearly faster than the others. To extend its scope, we propose and implement a symbolic variant based on binary decision diagrams, and show that it cope with millions of states. Second, we study the problem of program repair from a quantitative perspective. This leads to a reformulation of program repair with the requirement that only faulty runs of the program be changed. We study the limitations of this approach and show how we can relax the new requirement. We devise and implement an algorithm to automatically find repairs, and show that it improves the changes made to programs.Third, we study a novel approach to a quantitative verification and synthesis framework. In this, verification and synthesis work in tandem to analyze the quality of a controller with respect to, e.g., robustness against modeling errors. We also include the possibility to approximate the Pareto curve that emerges from combining the model with multiple rewards. This allows us to both study the trade-offs inherent in the system and choose a configuration to our liking. We apply our framework to several case studies. The major case study is concerned with the currently proposed next generation airborne collision avoidance system (ACAS X). We use our framework to help analyze the design space of the system and to validate the controller as currently under investigation by the FAA. In particular, we contribute analysis via PCTL and stochastic model checking to add to the confidence in the controller.