Verification of Stochastic Timed Automata

par Pierre Carlier

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Patricia Bouyer-Decitre et de Thomas Brihaye.

  • Titre traduit

    Vérification des automates temporisés et stochastiques


  • Résumé

    La vérification est maintenant une branche très connue des sciences informatiques. Elle est cruciale lorsque l'on a affaire à des programmes informatiques dans des systèmes automatiques : on veut vérifier si un système donné est correct et s'il satisfait des propriétés nécessaires à son bon fonctionnement. Une façon d'analyser ces systèmes se fait par la modélisation mathématique. La question est alors : peut-on vérifier si le modèle satisfait les propriétés requises ? C'est ce que l'on appelle le problème du model-checking. Plusieurs modèles ont été étudiés dans la littérature. Nous portons notre intérêt sur des modèles qui peuvent mêler des aspects temporels et des aspects probabilistes. Dans cette thèse, nous étudions donc le modèle des automates temporisés et stochastiques (ATS). Les contributions de ce document sont divisées en deux parties. Tout d'abord, nous étudions les problèmes de model-checking qualitatifs et quantitatifs des ATS. Les ATS sont, en particulier, des systèmes probabilistes généraux et avec de tels modèles, on est intéressé par des questions du type : « Une propriété est-elle satisfaite, au sein d'un modèle donné, avec probabilité 1 ? » (qualitatif) ou bien « Peut-on calculer une approximation de la probabilité que le modèle satisfait une propriété donnée ? » (quantitatif).Nous étudions ces questions dans des systèmes probabilistes généraux en utilisant, entre autres, la notion de decisiveness utilisée dans les chaînes de Markov infinie dans le but d'obtenir d'importants résultats qualitatifs et que nous étendons ici dans notre contexte plus général. Nous prouvons plusieurs résultats pour les problèmes de model-checking qualitatifs et quantitatifs de ces systèmes probabilistes, certains d'entre eux étant des extensions de travaux antérieurs sur les chaînes de Markov, d'autres étant nouveaux, et nous montrons comment l'on peut appliquer ces résultats sur des sous-classes des ATS. Nous étudions ensuite la vérification compositionnelle des ATS. En général, un système est le résultat de plusieurs plus petits systèmes fonctionnant ensemble. La vérification compositionnelle permet alors de réduire l'analyse de gros systèmes aux analyses des plus petits systèmes qui le composent. Il est donc crucial d'avoir une bonne structure compositionnelle au sein des modèles mathématiques, et cela manque aux ATS. Dans cette thèse, nous définissons un opérateur de composition pour les ATS. Nous faisons d'abord l'hypothèse que les ATS composés fonctionnent complètement indépendamment l'un de l'autre, c'est-à-dire les ATS ne communiquent pas entre eux. Nous prouvons que notre définition satisfait bien cette hypothèse d'indépendance. Un tel opérateur de composition n'est pas très intéressant puisque, généralement, les systèmes interagissent entre eux. Mais c'est une première étape nécessaire. Nous introduisons donc le nouveau modèle des ATS interactifs (ATSI) qui vont permettre des interactions entre les systèmes. Nous définissons un opérateur de composition dans les ATSI qui va rendre possible des synchronisations entre les systèmes et qui est construit sur la précédente composition dans les ATS. Nous finissons cette thèse par l'identification d'une sous-classe de ATSI dans laquelle tous les résultats qualitatifs et quantitatifs fournis dans cette thèse peuvent être appliqués, et qui est donc accompagnée d'une bonne structure compositionnelle au sein du modèle.


  • Résumé

    Verification is now a well-known branch in computer science. It is crucial when dealing with computer programs in automatic systems: we want to check if a given system is correct and satisfies some specifications that should be met. One way to analyse those systems is to model them mathematically. The question is then: can we check if the model satisfies the required specifications ? This is called the model-checking problem. Several models have been studied in the literature. We have an interest for models that can mix both timing and randomized aspects. In this thesis we thus study the stochastic timed automaton model (STA). The contributions of this document are twofold. First, we study the qualitative and quantitative model-checking problems of STA. STA are, in particular, general probabilistic systems and with such model, one is thus interested in questions like « Is a property satisfied, within a given model, with probability 1 ? » (qualitative) or « Can we compute an approximation of the probability that the model satisfies a given property ? » (quantitative).We study those questions for general stochastic systems using, amongst other, the notion of decisiveness used in infinite Markov chains in order to get strong qualitative and quantitative results, and that we extend here in or more general context. We prove several results for the qualitative and quantitative model-checking problems of those probabilistic systems, some of them being extensions of previous work on Markov chains, others being new, and we show how it can be applied to subclasses of STA. Then we study the compositional verification in STA. In general, a system is the result of several smaller systems working together. Compositional verification allows then one to reduce the analysis of a big system to the analyses of the smaller systems which compose it. It is then crucial to have a good compositional framework in mathematical models, and this lacks in STA. In this thesis, we define an operator of composition for STA. We first make the assumption that the STA composed run completely independently from each other, i.e. they do not communicate between them. We prove that our definition satisfies indeed this independence assumption. Such an operator of composition is not very interesting as in general, systems do communicate. But it is a necessary first step. We then introduce the new model of interactive STA (ISTA) that will allow for interactions between the systems. We define an operator of composition in ISTA that will make synchronisations possible between the systems and that is built on the previous composition in STA. We end this thesis with the identification of a subclass of ISTA in which all the qualitative and quantitative results provided in this thesis can be applied, and which thus comes with the nice compositional framework defined in the model.


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