Robustness in timed automata : analysis, synthesis, implementation

par Ocan Sankur

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Nicolas Markey.

Le jury était composé de Patricia Bouyer-Decitre, Krishnendu Chatterjee, Claude Jard, Kim Guldstrand Larsen.

Les rapporteurs étaient Rajeev Alur, Eugène Asarin, Jean-François Raskin.

  • Titre traduit

    Robustesse dans les automates temporisés : analyse, synthèse, implémentation


  • Résumé

    Les automates temporisés sont un formalisme qui permet de modéliser, vérifier, et synthétiser des systèmes temps-réels. Ils sont dotés d’une sémantique abstraite et mathé- matique, qui permet de formaliser et résoudre plusieurs problèmes de vérification et de synthèse. Cependant, les automates temporisés sont utilisés pour concevoir des modèles, plutôt que décrire des systèmes temps-réels entiers. Ainsi, une fois la phase de conception terminée, il reste à déterminer si les comportements du modèle correspondent à ceux d’un vrai système. Une étape importante de l’implémentation consiste à s’assurer de la robustesse du système. On considère une notion de robustesse sur les automates tem- porisés qui exige que les comportements soient préservés quand le modèle est sujet à des perturbations bornées. Dans cette thèse, plusieurs approches sont étudiées : Dans l’analyse de robustesse, on se demande si un automate temporisés donné préserve ses com- portements sous divers types de perturbations, et on cherche à calculer un majorant sur les perturbations tolérées. La synthèse robuste s’intéresse au calcul d’une loi de contrôle (ou une stratégie) qui guide le système, et tolère des perturbations d’une magnitude calculable. Enfin, dans l’implémentation robuste, on s’intéresse à transformer automatiquement un modèle donné pour le rendre robuste, tout en préservant ses comportements. Plusieurs modèles de perturbations sont considérés : erreurs de mesure de temps (élargissement de gardes), élimination des comportements limites (contraction de gardes), et la restriction du domaine du temps aux valeurs discrètes. On formalise également les problèmes de synthèse robuste comme des jeux entre le contrôleur et un environnement qui perturbe systèmatiquement tout délai choisi par une quantité bornée. Ces problèmes sont étudiés pour les automates temporisés, ainsi que leurs extensions- les jeux temporisés, et les automates et jeux temporisés pondérés. Plusieurs algorithmes d’analyse de robustesse parametrée contre l’élargissement de gardes et la contraction de gardes sont proposés. Deux variantes de la sémantique de jeu pour le problème de synthèse robuste sont également étudiées pour les automates temporisés et leurs extensions. Un logiciel d’analyse de robustesse contre la contraction de gardes, ainsi que des résultats expérimentaux sont présentés. Le problème de l’implémentation robuste est étudié dans deux contextes différents. Tous les algorithmes calculent également un majorant sur les perturbations que le modèle donné est capable de tolérer.


  • Résumé

    Timed automata are a formalism to model, verify, and synthesize real-time systems. They have the advantage of having an abstract mathematical semantics, which allow formalizing and solving several verification and synthesis problems. However, timed automata are intended to design models, rather than completely describe real systems. Therefore, once the design phase is over, it remains to check whether the behavior of an actual implementation corresponds to that of the timed automaton model. An important step before implementing a system design is ensuring its robustness. This thesis considers a notion of robustness that asks whether the behavior of a given timed automaton is preserved, or can be made so, when it is subject to small perturbations. Several approaches are considered: Robustness analysis seeks to decide whether a given timed automaton tolerates perturbations, and in that case to compute the (maximum) amount of tolerated perturbations. In robust synthesis, a given system needs to be controlled by a law (or strategy) which tolerates perturbations upto some computable amount. In robust implementation, one seeks to automatically transform a given timed automaton model so that it tolerates perturbations by construction. Several perturbation models are considered, ranging from introducing error in time measures (guard enlargement), forbidding behaviors that are too close to boundaries (guard shrinking), and restricting the time domain to a discrete sampling. We also formalize robust synthesis problems as games, where the control law plays against the environment which can systematically perturb the chosen moves, by some bounded amount. These problems are studied on timed automata and their variants, namely, timed games, and weighted timed automata and games. Algorithms for the parameterized robustness analysis against guard enlargements, and guard shrinkings are presented. The robust synthesis problem is studied for two variants of the game semantics, for timed automata, games, and their weighted extensions. A software tool for robustness analysis against guard shrinkings is presented, and experimental results are discussed. The robust implementation problem is also studied in two different settings. In all algorithms, an upper bound on perturbations that the given timed automaton tolerates can be computed.


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