[論文レビュー] Verification of Agent-Based Artifact Systems

Francesco Belardinelli, Alessio Lomuscio+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2013

Business Process Modeling and Analysis参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、データ構造とエージェント間相互作用を統合する、新たな意味論であるアーティファクト中心マルチエージェントシステム（AC-MAS）を用いた、エージェントベースのアーティファクト中心システムの形式的検証フレームワークを提案する。2つの決定可能フラグメント（文アトミック論理式への句構造的制限、または意味的均一性）を同定し、有限の抽象化を可能にするとともに、モデルチェックイング問題がEXPSPACE完全であることを証明した。これにより、無限状態システムの有限モデルによる検証が可能となる。

ABSTRACT

Artifact systems are a novel paradigm for specifying and implementing business processes described in terms of interacting modules called artifacts. Artifacts consist of data and lifecycles, accounting respectively for the relational structure of the artifacts' states and their possible evolutions over time. In this paper we put forward artifact-centric multi-agent systems, a novel formalisation of artifact systems in the context of multi-agent systems operating on them. Differently from the usual process-based models of services, the semantics we give explicitly accounts for the data structures on which artifact systems are defined. We study the model checking problem for artifact-centric multi-agent systems against specifications written in a quantified version of temporal-epistemic logic expressing the knowledge of the agents in the exchange. We begin by noting that the problem is undecidable in general. We then identify two noteworthy restrictions, one syntactical and one semantical, that enable us to find bisimilar finite abstractions and therefore reduce the model checking problem to the instance on finite models. Under these assumptions we show that the model checking problem for these systems is EXPSPACE-complete. We then introduce artifact-centric programs, compact and declarative representations of the programs governing both the artifact system and the agents. We show that, while these in principle generate infinite-state systems, under natural conditions their verification problem can be solved on finite abstractions that can be effectively computed from the programs. Finally we exemplify the theoretical results of the paper through a mainstream procurement scenario from the artifact systems literature.

研究の動機と目的

• データとプロセスを統合するアーティファクト中心ワークフローを実行するマルチエージェントシステムにおける形式的検証手法の不足に対処すること。
• データの進化とエージェントの知識を両方とも捉える、計算的に根拠のある意味論を備えた、アーティファクト中心マルチエージェントシステム（AC-MAS）を形式化すること。
• 無限状態のアーティファクトシステムにおける一階時相知識論理のモデルチェックイング問題の決定的フラグメントを同定すること。
• 効果的な検証を可能にするために、アーティファクト中心プログラムから有限の抽象化を構築する構成的メソッドを開発すること。
• 実世界の調達シナリオを用いてアプローチを実証し、実用的適用性と正しさを示すこと。

提案手法

• エージェントシステムとアーティファクトシステムを統合する形式的モデルとしてAC-MASを提案し、データ構造とエージェント相互作用を明示的にモデル化する。
• 時間経過に伴うエージェントの知識とシステムの進化を表現できる、量化子を含む一階時相知識論理を導入する。
• 2つの直交する決定的フラグメントを同定する：1つは文アトミック論理式への句構造的制限によるもの、もう1つはシステムの意味的均一性によるもの。
• 論理的性質を保持する有限の抽象化を構築するための一階バイシミュレーションの新規概念を考案する。
• アーティファクト中心プログラムを、システム行動の記述的かつコンactな表現として定義し、有界条件下で均一なAC-MASを誘導することを示す。
• これらのプログラムから有限の抽象化を生成する構成的手順を提供し、有限モデル上のモデルチェックイングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一階データと知識論理を備えた無限状態のアーティファクト中心マルチエージェントシステムに対して、モデルチェックイングを決定可能にすることができるか？
• RQ2 どのような句構造的または意味的制限が、論理的性質を保持したまま無限状態アーティファクトシステムの有限抽象化を可能にするか？
• RQ3 均一性条件は有限抽象化に十分であるか？また、一般のアーティファクト中心プログラミング言語に適用可能か？
• RQ4 アーティファクト中心プログラムを用いて、複雑な仕様の検証結果を保持する有限抽象化を生成できるか？
• RQ5 これらの制限下でのモデルチェックイングの計算量はどのようにスケーリングするか？実用的には扱いやすいか？

主な発見

• アーティファクト中心マルチエージェントシステムに対する一階時相知識論理のモデルチェックイング問題は、一般には決定不能である。
• 文アトミック論理式への句構造的制限のもとでは、無限状態の有界AC-MASが一階バイシミュレーションによって有限の抽象化を許容する。
• 意味的均一性の条件下でも、有界AC-MASは有限の抽象化を許容し、決定可能な検証を可能にする。
• これらの決定的フラグメントにおけるモデルチェックイング問題はEXPSPACE完全であることが示され、高いが決定可能な計算量を示している。
• この手法は、調達シナリオに成功裏に適用され、一致要件、予算制約、コスト制限などの性質が正しく検証され、履行要件は正しく拒否された。
• アーティファクト中心プログラムから有限の抽象化が構築され、これらの有限モデル上でのモデルチェックイングが、元の無限状態システムにおける仕様の真偽を正しく反映していた。