[论文解读] DCSYNTH: Guided Reactive Synthesis with Soft Requirements for Robust Controller and Shield Synthesis

Amol Wakankar, Paritosh K. Pandya+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Formal Methods in Verification参考文献 7被引用 3

一句话总结

DCSYNTH 是一种反应式合成工具，使用离散持续时序演算（QDDC）生成高质量控制器，支持硬性要求与软性要求。它通过优先处理软性要求（如最小化延迟、提升鲁棒性）实现引导式合成，同时始终确保硬性安全性和活锁约束被满足，从而生成紧凑、鲁棒的控制器及可容忍突发错误的运行时防护罩。

ABSTRACT

DCSYNTH is a tool for the synthesis of controllers from safety and bounded liveness requirements given in interval temporal logic QDDC. It investigates the role of soft requirements (with priorities) in obtaining high quality controllers. A QDDC formula specifies past time properties. In DCSYNTH synthesis, hard requirements must be invariantly satisfied whereas soft requirements may be satisfied "as much as possible" in a best effort manner by the controller. Soft requirements provide an invaluable ability to guide the controller synthesis. In the paper, using DCSYNTH, we show the application of soft requirements in obtaining robust controllers with various specifiable notions of robustness. We also show the use of soft requirements to specify and synthesize efficient runtime enforcement shields which can correct burst errors. Finally, we discuss the use of soft requirements in improving the latency of controlled system.

研究动机与目标

• 为解决反应式合成工具缺乏引导性的问题，这些工具常生成多个正确但次优的控制器。
• 在正确性构建的基础上进一步提升控制器质量，通过引入具有优先级的软性要求。
• 实现鲁棒控制器的合成，使其在环境假设违反时仍能维持保证。
• 支持自动合成紧凑、高效的运行时强制防护罩，以纠正突发错误。
• 通过软性要求驱动的优化降低控制器延迟。

提出的方法

• 使用区间时序逻辑 QDDC 来指定硬性安全性/活锁属性以及具有优先级权重的软性要求。
• 采用局部最优合成策略，选择在严格遵守硬性约束的前提下满足最大软性要求子集的输出。
• 集成符号模型检测技术，利用路径查找算法测量最坏情况延迟。
• 通过将防护罩指定为一种可纠正错误输出并最小化偏差的控制器，支持防护罩合成。
• 采用两阶段合成：首先从硬性与软性要求中合成控制器；其次合成防护罩以在瞬时故障下维持正确性。
• 在 DCSYNTH 内部使用形式化规格语言定义系统接口、假设、要求及具有加权优先级的软性目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有优先级的软性要求能否引导反应式合成，生成超越正确性的更高品质控制器？
• RQ2 如何利用软性要求合成具备特定鲁棒性属性（如“永不放弃”或“不偷懒”）的控制器？
• RQ3 软性要求能否支持合成紧凑、高效的运行时防护罩，以纠正突发错误？
• RQ4 软性要求在实时系统中在多大程度上降低了控制器延迟？
• RQ5 同一规格框架能否支持使用统一形式化方法的控制器与防护罩合成？

主要发现

• DCSYNTH 通过将‘永不放弃’和‘不偷懒’等鲁棒性准则编码为具有适当优先级的软性要求，成功合成出满足这些鲁棒性标准的控制器。
• 该工具生成了紧凑的运行时强制防护罩，能够纠正突发错误，其防护罩大小与效率优于先前工作。
• 通过软性要求驱动的合成，最坏情况延迟在受控系统中得以降低，该结论经由使用 CTLDC 工具的符号路径分析验证。
• 该框架支持从统一的 QDDC 规格自动合成控制器与防护罩，显著降低工程工作量。
• 在矿井水泵与四细胞仲裁器案例研究中的实验结果表明，DCSYNTH 所生成的控制器在满足硬性约束的同时，以局部最优方式最大化软性目标的满足度。
• 该工具在真实世界嵌入式控制与运行时强制应用中展现出良好的可扩展性与实用性。