Symbolic Model Checking of Hybrid CTL

Bc. Ondřej Huvar

Bachelor's thesis

Anotácia:

Hybridní logika na výpočetních stromech (HCTL) rozšiřuje temporální logiku CTL. Zvýšená expresivita HCTL nám umožňuje popsat různé obecné strukturní vlastnosti systémů, které nejsou vázány na jejich atomické propozice. Tyto vlastnosti, jako třeba existence oscilace nebo několika různých stabilních stavů, hrají často zásadní roli při analýze biologických systémů. Ve zmíněných biologických systémech obvykle přesně neznáme veškeré interakce. Vhodná sémantická struktura pro reprezentaci této neurčitosti je barevná Kripkeho struktura. Jedná se o kolekci Kripkeho struktur, které sdílí stavový prostor, ale liší se v přechodové relaci. V této práci prezentujeme nový zcela symbolický algoritmus pro HCTL model checking na barevných Kripkeho strukturách. Algoritmus rozebíráme z pohledu korektnosti i složitosti. Použitelnost a škálovatelnost algoritmu demonstrujeme na sadě modelů ze systémové biologie.

Abstract:

Hybrid computation tree logic (HCTL) extends the branching-time temporal logic CTL. The extended expressiveness of HCTL allows specifying general high-level structural properties that are not tied to the system's atomic propositions. These properties, such as the existence of (arbitrary) oscillation or multiple steady states within the system's dynamics, often play a crucial role in analysing biological systems. Usually, not all interactions in such systems are precisely known. An appropriate semantic structure for dealing with this uncertainty is a collection of Kripke structures with the same state space that differ in their transition relation, called coloured Kripke structure. In this thesis, we present a novel, entirely symbolic BDD-based algorithm for model checking HCTL on coloured Kripke structures. We discuss the correctness and complexity of the algorithm. We demonstrate the applicability and scalability of the algorithm on a set of large models taken from systems biology.

Keywords

binary decision diagram, Boolean network, coloured Kripke structure, hybrid CTL, model checking, systems biology

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 19. 5. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 29. 6. 2022
• Vedúci: prof. RNDr. Luboš Brim, CSc.
• Oponent: RNDr. Matej Troják

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / odbor:
Informatics / Informatics