Symbolic representation of multi-valued logical models in Rust

Bc. Lukáš Chudíček

Bachelor's thesis

Abstract:

V průzkumu systémů obsahujících vzájemně interagující biologické entity se využívají Booleovské funkce k popisu těchto interakcí. Stavový prostor takových systémů je zkoumán s cílem získat náhled do jejich dynamiky. Pro obcházení limitací způsobených exponenciálním růstem stavového prostoru se používá symbolické prohledávání, zprostředkované Binárními Rozhodovacími Diagramy (BDD), které se vyhýbá explicitnímu výčtu stavů. Nicméně kódování interakcí, mající v reálném světě spojitou povahu, do Booleovských domén může kompromitovat výstižnost tohoto nastavení. Tato práce shromažďuje existující teorii týkající se reprezentace stavových prostorů entit s libovolně velkými doménami pomocí BDD. Poskytuje implementaci schopnou nejen symbolicky reprezentovat, ale také symbolicky prozkoumávat takové stavové prostory. Implementace též nabízí čtyři odlišné metody pro kódování stavů do BDD. Srovnává jejich efektivitu na praktickém výkonnostním testu. Odhalí, že tato kódování vykazují podobné chování, co se týče jejich vlivu na velikost příslušných BDD. Výsledná implementace je veřejně přístupná na GitHub pod licencí MIT.

Abstract:

In the exploration of systems comprising interacting biological entities, Boolean functions are employed to describe these interactions. The state space of such systems is investigated, providing insights into their dynamics. To address the exponential growth of the state space, symbolic exploration, facilitated by Binary Decision Diagrams (BDDs), is utilized, avoiding explicit enumeration. However, encoding the continuous-like nature of real-world interactions into Boolean domains may compromise the expressiveness of this setup. This thesis compiles existing theories related to representing state spaces of entities with arbitrarily large domains using BDDs. It provides an implementation capable of not only symbolically representing but also exploring such state spaces. The implementation also provides four distinct methods for encoding the states using BDDs, comparing their efficiency on a practical benchmark problem. The encodings turn out to exhibit similar behavior in terms of their impact on the size of the underlying BDDs. The resultant implementation is publicly accessible on GitHub under the MIT license.

Keywords

Binary Decision Diagram, Symbolic Exploration, Systems Biology, Boolean Network, Multivalued Network

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 12. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 16. 2. 2024
• Supervisor: RNDr. Samuel Pastva, Ph.D.
• Reader: Bc. Ondřej Huvar

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / field:
Programming and development / Programming and development