有限状态自动机的并行确定化及过程分析

本文通过对并行环境下非确定有限自动机和确定有限自动机的等价性和转换进行研究，详细分析了非确定有限自动机到确定有限自动机的并行转换方法及算法，并以实例给出了其间并行转化的过程。     

从基于迁移的扩展Büchi自动机到Büchi自动机

目前的模型检测方法中,有一种方法是基于自动机来实现的.具体做法是:将抽象出的系统模型用Büchi自动机来表示,将需要验证的性质用LTL(linear temporal logic)公式来表达;然后将LTL公式取反后转化为Büchi自动机,并检查这两个自动机接受语言之间的包含关系.有一类LTL公式转化为Büchi自动机的算法是:在计算过程中,首先得到一个标注在迁移上的扩展Büchi自动机(transition-based generalized Büchi automaton,简称TGBA),然后把这种扩展Büchi自动机转换成非扩展的Büchi自动机.针对这类转换算法,根据Büchi自动机接受语言的特点,重新定义了基于迁移的扩展Büchi自动机的求交运算,减少了需要复制的状态个数,使转换后的自动机具有较少的状态.测试的结果表明:对随机产生的公式,新算法相对于以往的算法有明显的优势.     

LTL公式到自动机的转换

在LTL公式和自动机理论的基础上,给出了一种从LTL公式到自动机的转换算法.该算法先简化LTL公式,然后再对简化的LTL公式转换,形成选择Buchi自动机.此算法与其他算法相比,具有可扩展性的优点,可以在此基础上形成属性描述语言PSL向自动机的转换.     

PSL可满足问题的计算复杂度

PSL是一种用于描述并行系统的属性规约语言,包括线性时序逻辑FL和分支时序逻辑OBE两部分。由于OBE就是CTL,因此论文重点研究FL逻辑。理论上已证明许多难解的问题都可多项式变换为“可满足性”问题,“可满足性”问题是研究时序逻辑的核心问题之一,并已成为程序验证的一种有力工具;而计算复杂度是“可满足性”问题需要解决的最深刻的方向之一,其研究意义在于它可作为解决一类问题的难度的标准。文中在利用“铺砖模型”基础上,推导并得出FL的“可满足性”问题的计算复杂度为EXPSPACE—hard,这对正确评价解决该问题的各种算法的效率,进而确定对已有算法的改进余地具有重要的指导意义。     

PSL可满足问题的计算复杂度

PSL是一种用于描述并行系统的属性规约语言,包括线性时序逻辑FL和分支时序逻辑OBE两部分。由于OBE就是CTL,因此论文重点研究FL逻辑。理论上已证明许多难解的问题都可多项式变换为“可满足性”问题,“可满足性”问题是研究时序逻辑的核心问题之一,并已成为程序验证的一种有力工具;而计算复杂度是“可满足性”问题需要解决的最深刻的方向之一,其研究意义在于它可作为解决一类问题的难度的标准。文中在利用“铺砖模型”基础上,推导并得出FL的“可满足性”问题的计算复杂度为EXPSPACE—hard,这对正确评价解决该问题的各种算法的效率,进而确定对已有算法的改进余地具有重要的指导意义。     

Streett自动机确定化工具

自动机的确定化是将非确定性自动机转换为接收相同语言的确定性自动机,是自动机理论的基本问题之一.ω自动机的确定化是诸多逻辑,如SnS, CTL*,μ演算等,判定过程的基础,同时也是解决无限博弈求解问题的关键,因此对ω自动机确定化的研究具有重要意义.主要关注一类ω自动机——Streett自动机的确定化.非确定性Streett自动机可以转换为等价的确定性Rabin或Parity自动机,在前期工作中已经分别得到了状态复杂度最优以及渐进最优算法,为了验证提出的算法的实际效果,也为了形象地展示确定化过程,开发一款支持Streett自动机确定化的工具是必要的.首先介绍4种不同的Streett确定化结构:μ-Safra tree和H-Safra tree (最优)将Streett确定化为Rabin自动机, compact Streett Safra tree和LIR-H-Safra tree (渐进最优)将Streett确定化为Parity自动机;然后,根据Streett确定化算法,基于开源工具GOAL (graphical tool for omega-automata and logics),实现...     

基于Yices对时间自动机的有界模型检测

为了避免在有界模型检测过程中对变量进行布尔编码以及对时间自动机模型中的时钟进行预处理,给出一个利用SMT(satisfiability modulo theories)工具进行的对时间自动机进行有界模型检测的方法.该方法将时间自动机模型直接转换成SMT工具可识别的逻辑公式,利用SMT工具可求解包含有整数型和实数型变量逻辑公式的能力来进行模型检测.实验结果表明,对于某些可达性性质的验证,该方法的效率有一定的优势.     

Büchi自动机确定化分析工具

无限字自动机的确定化是理论计算机研究重要的一部分,在形式化验证,时序逻辑,模型检测等方面有重要应用.自Büchi自动机提出半个世纪以来,其自动机的确定化算法始终是其中的基础.有别于当初只是在理论上对其大小上下界的探索,利用日新月异的高性能计算机技术不失为一种有效的辅助手段.为了深入研究非确定性Büchi自动机确定化算法的实现过程,我们希望重点研究确定化过程中的索引能否继续被优化的问题,实现了确定化研究工具NB2DR.可以对非确定性Büchi自动机进行高效的确定化,并通过工具提供的分析其确定化过程来达到对其确定化算法改进的目的.通过对生成的确定性无限字自动机的索引的深入分析来探索相关索引的理论.该工具还实现了可以根据需要的Büchi自动机的大小与字母表参数,生成确定化的Rabin自动机族,亦可以反向根据需要的指定索引的大小来生成全部Büchi自动机族,测试生成无限字自动机的等价性等功能.     

程序时序属性的自动测试

测试预言是一种用来检测被测系统的测试执行是否正确的方法。文中，作者设计并实现了一种根据程序的线性时序逻辑(LTL)的性质产生测试预言的方法。首先，作者将一线性时序逻辑公式转换为一个有限状态自动机，然后，管理源代码，以便抽取与线性时序逻辑性质有关的状态序列。最后，用谊信息来模拟状态自动机，并决定程序执行是否满足线性时序逻辑的性质。     

基于事件确定有限自动机的UML2.0 序列图描述与验证

为了确保软件分析与设计阶段UML2.0序列图模型的可靠性,采用命题投影时序逻辑(propositional projection temporal logic,简称PPTL)模型检测方法对该模型进行分析和验证.提出了事件确定有限自动机(event deterministic finite automata,简称ETDFA),并使用该自动机为序列图建立形式化模型,通过给出的基于ETDFA的PPTL模型检测算法得到验证结果.该方法可以在基于Spin的PPTL模型检测器的支持下实现.实例结果表明,该方法可以验证序列图的性质并保证其可靠性.     

Checking Finite Traces using Alternating Automata

We present three algorithms to check at runtime whether a reactive program satisfies a temporal specification, expressed by a future linear-time temporal logic formula. The three methods are all based on alternating automata, but traverse the automaton in different ways: depth-first, breadth-first, and backwards, respectively. All three methods have been implemented and experimental results are presented. We outline an extension to these algorithms that is applicable to LTL formulas containing both past and future operators.     

Checking Finite Traces Using Alternating Automata

Alternating automata have been commonly used as a basis for static verification of reactive systems. In this paper we show how alternating automata can be used in runtime verification. We present three algorithms to check at runtime whether a reactive program satisfies a temporal specification, expressed by a linear-time temporal logic formula. The three methods start from the same alternating automaton but traverse the automaton in different ways: depth-first, breadth-first, and backwards, respectively. We then show how an extension of these algorithms, that collects statistical data while verifying the execution trace, can be used for a more detailed analysis of the runtime behavior. All three methods have been implemented and experimental results are presented.     

On regular temporal logics with past

The IEEE standardized Property Specification Language, PSL for short, extends the well-known linear-time temporal logic LTL with so-called semi-extended regular expressions. PSL and the closely related SystemVerilog Assertions, SVA for short, are increasingly used in many phases of the hardware design cycle, from specification to verification. In this article, we extend the common core of these specification languages with past operators. We name this extension PPSL. Although all ω-regular properties are expressible in PSL, SVA, and PPSL, past operators often allow one to specify properties more naturally and concisely. In fact, we show that PPSL is exponentially more succinct than the cores of PSL and SVA. On the star-free properties, PPSL is double exponentially more succinct than LTL. Furthermore, we present a translation of PPSL into language-equivalent nondeterministic Büchi automata, which is based on novel constructions for 2-way alternating automata. The upper bound on the size of the resulting nondeterministic Büchi automata obtained by our translation is almost the same as the upper bound for the nondeterministic Büchi automata obtained from existing translations for PSL and SVA. Consequently, the satisfiability problem and the model-checking problem for PPSL fall into the same complexity classes as the corresponding problems for PSL and SVA.     

赋权型自动机的不同模型研究

自动机理论是理论计算机科学的基础理论之一,在很多领域自动机有着广泛的应用,有穷状态自动机是正则语言的识别机器,通常分为确定型与非确定型两种模型,其识别语言的能力是等价的。赋权自动机是另一类重要的自动机模型,自动机的每条转移规则和状态可以赋以某一代数结构上的某一数值,从而可以计算输入字符串的权值。任何有穷状态自动机都可以视为一特殊赋权自动机,因此赋权自动机功能更强大,应用更为广泛。     

基于量子逻辑的自动机和文法理论

初步建立了基于量子逻辑的自动机和文法理论的基本框架.引入了量子文法(称为l值文法),特别是证明了任意l值正规文法生成的语言(称为量子语言)等价于某种基于量子逻辑且含动作(的自动机(称为l值自动机)识别的语言,反之,任意l值自动机识别的语言等价于某l值正规文法生成的语言.建立了l值泵引理,并得到量子语言的判定性刻画.最后简要讨论了正规文法与量子文法(即l值正规文法)的关系.因此,为进一步研究更复杂的量子自动机(如量子下推自动机和Turing机)和量子文法(如量子上下文无关文法和上下文有关文法)奠定了基础.     

格值交替树自动机

交替（树）自动机因其本身关于取补运算的简洁性及其与非确定型（树）自动机的等价性,成为自动机与模型检测领域研究的一个新方向.在格值交替自动机与经典交替树自动机概念的基础上,引入格值交替树自动机的概念,并研究了格值交替树自动机的代数封闭性和表达能力.首先,证明了对格值交替树自动机的转移函数取对偶运算,终止权重取补之后所得自动机与原自动机接受语言互补这一结论.其次,证明了格值交替树自动机关于交、并运算的封闭性.最后,讨论了格值交替树自动机和格值树自动机、格值非确定型自动机的表达能力;证明了格值交替树自动机与格值树自动机的等价性,并给出了二者相互转化的算法及其复杂度分析;同时,提供了用格值非确定型自动机来模拟格值交替树自动机的方法.     

Practical CTL* model checking: Should SPIN be extended?

We describe an efficient CTL^* model checking algorithm based on alternating automata and games. A CTL^* formula, expressing a correctness property, is first translated to a hesitant alternating automaton and then composed with a Kripke structure representing the model to be checked, after which this resulting automaton is then checked for nonemptiness. We introduce the nonemptiness game that checks the nonemptiness of a hesitant alternating automaton (HAA). In the same way that alternating automata generalise nondeterministic automata, we show that this game for checking the nonemptiness of HAA, generalises the nested depth-first algorithm used to check the nonemptiness of nondeterministic Büchi automata (used in Spin).     

Deterministic Autopoietic Automata

This paper studies some issues related to autopoietic automata, a model of evolving interactive systems, where the automata produce other automata of the same kind. It is shown how they relate to interactive Turing machines. All results by Jiri Wiedermann on nondeterministic autopoietic automata are extended to deterministic computations. In particular, nondeterminism is not needed for a single autopoietic automaton to generate all autopoietic automata.