Síntesis dirigida de controladores para sistemas de eventos discretos

• Autores: Ciolek, Daniel Alfredo
• Año de publicación: 2018
• Idioma: inglés
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Uchitel, Sebastián
• Materia: SISTEMAS DE EVENTOS DISCRETOS; SINTESIS DE SISTEMAS REACTIVOS; PLANIFICACION AUTOMATICA; ENTORNOS NO-DETERMINISTICOS Y PARCIALMENTE OBSERVABLES; CONTROL SUPERVISOR; DISCRETE EVENT SYSTEMS; SUPERVISORY CONTROL; REACTIVE SYNTHESIS; AUTOMATED PLANNING; NON-DETERMINISTIC AND PARTIALLY OBSERVABLE ENVIRONMENTS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

El problema de construir automáticamente un componente de software que al ser ejecutado en un ambiente dado satisfaga un objetivo, es recurrente en la ingeniería del software y en particular en el campo de los sistemas de eventos discretos. El control supervisor, la síntesis de sistemas reactivos y la planificación automática son tres disciplinas que se alinean con esta visión. Proviniendo de distintas comunidades, consideran distintas perspectivas con respecto a aspectos de representación y cómputo. Resulta interesante que las tres disciplinas comparten la característica importante de que la semántica de sus problemas está basada en variantes de sistemas de transiciones, que frecuentemente resultan ser exponenciales con respecto al tama˜no de especificaciones compactas. En esta tesis estudiamos el problema de síntesis desde la perspectiva del control supervisor resaltando la relación entre las tres disciplinas. Comenzamos mostrando cómo la síntesis reactiva y la planificación automática pueden ser utilizadas efectivamente para resolver problemas de control supervisor de sistemas de eventos discretos determinísticos. Para lograrlo, proponemos traducciones eficientes del problema de control supervisor en el marco de la síntesis reactiva y la planificación automática. Notablemente, nuestras traducciones capturan la naturaleza composicional y reactiva de las especificaciones de control, evitando la explosión exponencial a la que están sujetos acercamientos similares. Reportamos los resultados de una evaluación experimental comparando la eficacia de distintas herramientas provenientes de las tres disciplinas. Los resultados muestran que nuestras traducciones permiten aplicar transparentemente técnicas de síntesis reactiva y planificación automática con una eficiencia competitiva con las herramientas nativas al control supervisor. Continuamos presentando una técnica de síntesis dirigida de controladores para sistemas de eventos discretos. Inspirado en la combinación de técnicas, este método explora el espacio de solución buscando supervisores guiado por una heurística independiente del dominio. La heurística es derivada de una abstracción basada en la forma componetizada en la que se describen ambientes complejos. La abstracción puede verse como una versión relajada del problema, cuya solución más simple puede proveer indicios sobre cómo resolver el problema original. Luego, construyendo la composición de los componentes “sobre la marcha” obtenemos una solución explorando sólo una porción reducida del espacio de estados. Presentamos una evaluación de la técnica comparándola con acercamientos establecidos de las tres disciplinas y mostramos que nuestro método se desempe˜na bien incluso a medida que el espacio de estados crece. Finalmente, discutimos una extensión a la síntesis dirigida de controladores que permite computar supervisores en ambientes parcialmente observables y nodeterminísticos, incurriendo en una complejidad adicional. Aprovechamos el vínculo entre observabilidad parcial y no-determinismo y mostramos que podemos reducir el primer problema en el segundo composicionalmente. Adicionalmente, hacemos notar que en este contexto la existencia de una solución puede depender del modelo de interacción entre el controlador a sintetizar y el ambiente, y mostramos cómo nuestra técnica se adapta a dos modelos de interacción relevantes.
The problem of automatically constructing a software component such that when executed in a given environment satisfies a goal is recurrent in software engineering and, in particular, in the field of discrete event systems. Supervisory control, reactive synthesis and automated planning are three disciplines which fit into this vision. Arising from different communities, they consider distinct perspectives on representational and computational aspects. Interestingly, the three disciplines share the important characteristic that their problems’ semantics are based on sorts of transitions systems, which are often exponential with respect to the size of compact input specifications. In this thesis we study the synthesis problem from the perspective of supervisory control highlighting the relations between these three disciplines. We start by showing how reactive synthesis and automated planning can be leveraged effectively to solve supervisory control problems of deterministic discrete event systems. To do so, we propose efficient translations of the supervisory control problem into the reactive synthesis and automated planning frameworks. Notably, our translations capture the compositional and reactive nature of control specifications, avoiding a potential exponential explosion found in similar approaches. We report on an experimental evaluation comparing the efficacy of different tools from the three disciplines. The results show that our translations allow to transparently apply techniques from reactive synthesis and automated planning with an efficiency that rivals that of native supervisory control tools. We continue presenting the directed controller synthesis technique for discrete event systems. Inspired by the combination of techniques, this method explores the solution space for supervisors guided by a domain-independent heuristic. The heuristic is derived from an abstraction based on the componentized way in which complex environments are described. The abstraction can be seen as a relaxed version of the problem, whose simpler solution can provide insights on how to solve the original problem. We propose two heuristics, the first is extracted from an abstraction built by considering a simplified form of composition, while the second attempts to discover dependencies between the intervening components. Then, by building the composition of the components on-the-fly, we obtain a solution exploring only a reduced portion of the state space. We report on an evaluation of the technique comparing it to well-known approaches from the three disciplines and show that our method performs well even as the size of the state space grows. Finally, we discuss an extension to the directed controller synthesis technique that allows the computation of supervisors under partially observable and non-deterministic environments, which incurs in added complexity. We exploit the link between partially observable control and non-determinism and show that we can reduce the former into the latter compositionally. Additionally, we point out that in this setting the existence of a solution may depend on the interaction model between the controller-to-be and the environment, and show how our technique adapts to two relevant interaction models.
Fil: Ciolek, Daniel Alfredo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.