[论文解读] Incremental Observer Reduction Applied to Opacity Verification and Synthesis

Mona Noori-Hosseini, Bengt Lennartson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Petri Nets in System Modeling被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于验证和强制执行模块化离散事件系统中当前状态可辨别性与匿名性的增量观测器约简方法。通过在同步后结合本地观测器生成与可观测事件的逐步抽象，该方法在保持正确性的同时避免了状态空间爆炸，实现了对大型系统（如带电梯的多层建筑）的可扩展验证与控制器综合，与单体方法相比，合成时间最高提升6倍。

ABSTRACT

With the proliferation of communication networks and mobile devices, the privacy and security concerns on their information flow are raised. Given a critical system that may leak confidential information, the problem consists of verifying and also enforcing opacity by designing supervisors, to conceal confidential information from unauthorized persons. To find out what the intruder sees, it is required to construct an observer of the system. In this paper, we consider incremental observer generation of modular systems, for verification and enforcement of current state opacity. The synchronization of the subsystems generate a large state space. Moreover, the observer generation with exponential complexity adds even larger state space. To tackle the complexity problem, we prove that observer generation can be done locally before synchronizing the subsystems. The incremental local observer generation along with an abstraction method lead to a significant state space reduction compared to traditional monolithic methods. The existence of shared unobservable events is also considered in the incremental approach. Moreover, we present an illustrative example, where the results of verification and enforcement of current state opacity are shown on a modular multiple floor/elevator building with an intruder. Furthermore, we extend the current state opacity, current state anonymity, and language based opacity formulations for verification of modular systems.

研究动机与目标

• 解决模块化系统中存在共享不可观测事件时观测器生成的指数级复杂度问题。
• 实现对多层建筑等大规模系统中当前状态可辨别性与匿名性的可扩展验证。
• 提出一种控制器综合方法，通过将问题转化为禁止状态下的非阻塞控制问题，以强制实现可辨别性。
• 将增量抽象与观测器生成相结合，避免同步子系统系统中的状态空间爆炸，同时保持正确性。
• 在具有任意层数和电梯数量的多层建筑安全案例研究中，展示该方法的效率与可扩展性。

提出的方法

• 提出一种结合增量抽象与观测器生成的技术，同步后在本地处理可观测事件，避免全局观测器构建。
• 使用临时状态标签与可见双模等价关系处理存在共享不可观测事件的系统，确保本地抽象过程中的正确性。
• 通过引入标记非安全（秘密）状态为禁止状态的检测器自动机，将可辨别性验证问题转化为非阻塞监督控制问题。
• 对抽象后的模块化扩展观测器应用组合式控制器综合，利用现有的抽象技术（如冲突等价性与控制器综合等价性）。
• 基于抽象后的观测器模型构建控制器，确保可控性与非阻塞行为，同时强制实现可辨别性。
• 通过同步复合将控制器与系统集成，以验证非安全状态不会出现在观测器中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在共享不可观测事件的模块化系统中，如何降低观测器生成的复杂度？
• RQ2 增量抽象能否与观测器生成有效结合，以防止在可辨别性验证中出现状态空间爆炸？
• RQ3 如何通过监督控制以模块化且可扩展的方式强制实现当前状态可辨别性与匿名性？
• RQ4 在大规模系统中，增量综合相比单体方法的性能提升如何？
• RQ5 所提出的方法能否应用于多层建筑等实际系统（如带电梯的建筑）？

主要发现

• 增量抽象与观测器生成方法在保持正确性的同时，有效降低了存在共享不可观测事件的模块化系统中可辨别性与匿名性验证的状态空间爆炸问题。
• 在多层建筑案例研究中，增量综合实现的计算时间最高比单体综合快6倍，状态数与转移数显著减少。
• 该方法成功地将可辨别性验证问题转化为非阻塞监督控制问题，通过使用检测器自动机，从而可利用高效的现有抽象与综合技术。
• 基于增量抽象的控制器综合生成了更小、更高效的控制器，在最大测试案例（10层，66部电梯）中仅需700个状态与441条转移，而单体方法则不可行。
• 该方法在实际系统中展现出良好的可扩展性与实用性，如在具有任意层数与电梯数量的建筑安全示例中所展示。
• 使用临时状态标签的可见双模等价关系，使在存在共享不可观测事件的系统中实现正确性成为可能，而标准抽象方法在此类系统中会失效。