[论文解读] TARZAN: A Region-Based Library for Forward and Backward Reachability of Timed Automata (Extended Version)

Andrea Manini, Matteo Rossi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2026

Formal Methods in Verification被引用 0

一句话总结

Tarzan 引入一个基于区域的定时自动机库，用于跟踪时钟变为无界的顺序以改进向后和向前可达性，在某些 TA 子类上比基于区域的工具表现更好。

ABSTRACT

The zone abstraction, widely adopted for its notable practical efficiency, is the de facto standard in the verification of Timed Automata (TA). Nonetheless, region-based abstractions have been shown to outperform zones in specific subclasses of TA. To complement and support mature zone-based tools, we introduce TARZAN, a C++ region-based verification library for TA. The algorithms implemented in TARZAN use a novel region abstraction that tracks the order in which clocks become unbounded. This additional ordering induces a finer partitioning of the state space, enabling backward algorithms to avoid the combinatorial explosion associated with enumerating all ordered partitions of unbounded clocks, when computing immediate delay predecessor regions. We validate TARZAN by comparing forward reachability results against the state-of-the-art tools Uppaal and TChecker. The experiments confirm that zones excel when TA have large constants and strict guards. In contrast, TARZAN exhibits superior performance on closed TA and TA with punctual guards. Finally, we demonstrate the efficacy of our backward algorithms, establishing a foundation for region-based analysis in domains like Timed Games, where backward exploration is essential.

研究动机与目标

• 为定时自动机（TA）中的基于区域的验证提供对基于区域工具的补充以提升可行性。
• 引入一个精炼的区域表示，记录时钟变为无界的顺序，以实现高效的向后可达性。
• 开发在新表示下计算区域的延迟后继和离散后继/前驱的算法。
• 在与最先进的基于区域的工具对比中评估 Tarzan，以识别区域方法表现出色的 TA 子类。
• 为向后分析应用（如定时博弈）奠定基础，使向后可达性成为可能。

提出的方法

• 定义一个精炼的区域表示，跟踪时钟变为无界的顺序，扩展关于有界时钟的既有工作。
• 将区域分为四类（Z、P、M、U），基于无界时钟的顺序和有界时钟的小数部分。
• 针对新表示，开发计算区域的离散后继和直接延迟前驱的算法（附伪代码）。
• 将这些算法扩展到TA网络，通过维护专用的数据结构来表示区域状态的笛或积。
• 将 Tarzan 实现为支持向前与向后可达性的 C++20 库，输入以领域特定语言（Liana）给出。
• 将 Tarzan 的向前可达性与 Uppaal 和 TChecker 进行对比，以识别性能区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在哪些 TA 子类中区域基础的可达性优于基于区域的方式？
• RQ2 跟踪无界时钟的顺序如何影响直接延迟前驱计算的效率？
• RQ3 区域基础的向后可达性是否可有效用于支持如定时博弈等应用？
• RQ4 Tarzan 在 TA 及 TA 网络上的区域基础算法的计算特性（时间/内存）是什么？
• RQ5 Tarzan 的向后算法如何对安全属性的向前可达性形成互补？

主要发现

• Tarzan 在封闭 TA 与具有精确守卫的 TA 上显示出更高的性能，并且在处理较大常数或较多时钟方面优于某些基于区域的工具。
• 跟踪时钟变为无界的顺序可将直接延迟前驱的数量减少到每个区域最多三个。
• 向后可达性可以提升对安全属性的验证，并为定时博弈分析提供基础。
• Tarzan 的向后与向前可达性算法通过与 Uppaal 和 TChecker 的比较来验证向前可达性结果的正确性。
• 在 TA 网络上的实验表明 Tarzan 适用于多组成部分的实时系统，并可通过 Zenodo 工件实现可重复的结果。