[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种形式化框架，用于使用一种名为基于制品的多智能体系统（AC-MAS）的新语义来验证基于智能体的制品中心系统，该语义整合了数据结构与智能体交互。它识别出两个可判定片段——通过将句子原子公式进行语法限制或通过语义一致性——从而实现有限抽象，并证明模型检测问题为 EXPSPACE 完全，因此可通过有限模型验证无限状态系统。

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.

研究动机与目标

• 为解决多智能体系统在结合数据与流程的制品中心工作流中缺乏形式化验证方法的问题。
• 形式化基于制品的多智能体系统（AC-MAS），采用计算基础的语义，以捕捉数据演化与智能体知识。
• 识别一阶时态-认识逻辑在无限状态制品系统中模型检测问题的可判定片段。
• 开发一种构造性方法，从基于制品的程序构建有限抽象，以实现有效验证。
• 在真实采购场景中展示该方法，证明其实际适用性与正确性。

提出的方法

• 提出 AC-MAS 作为一种形式化模型，将制品系统与多智能体系统相结合，显式建模数据结构与智能体交互。
• 引入带量词的一阶时态-认识逻辑，以表达随时间演化的智能体知识与系统演化。
• 识别出两个正交的可判定片段：一个通过将公式限制为句子原子公式，另一个通过系统的语义一致性。
• 提出一阶 bisimulation 的新概念，以构建保持逻辑性质的有限抽象。
• 将基于制品的程序定义为系统行为的声明式、紧凑表示，证明在有界条件下其可诱导出一致的 AC-MAS。
• 提供一种构造性过程，从这些程序生成有限抽象，从而实现在有限模型上的模型检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使无限状态的基于制品的多智能体系统在使用一阶数据与认识逻辑时，实现模型检测的可判定性？
• RQ2 何种语法或语义限制可在保持逻辑性质的同时，实现无限状态制品系统的有限抽象？
• RQ3 一致性条件是否足以实现有限抽象？能否将其应用于通用的基于制品的编程语言？
• RQ4 基于制品的程序能否用于生成保持复杂规格验证结果的有限抽象？
• RQ5 在这些限制下，模型检测的计算复杂性如何变化？其在实践中是否具有可操作性？

主要发现

• 基于制品的多智能体系统在一阶时态-认识逻辑下的模型检测问题在一般情况下是不可判定的。
• 在将公式限制为句子原子公式的语法限制下，有界无限状态 AC-MAS 可通过一阶 bisimulation 实现有限抽象。
• 在系统的语义一致性条件下，有界 AC-MAS 同样可实现有限抽象，从而实现可判定的验证。
• 这些可判定片段的模型检测问题是 EXPSPACE 完全的，表明其复杂度虽高但仍是可判定的。
• 该方法成功应用于采购场景，验证了匹配性、预算约束与成本限制等性质，同时正确拒绝了履行要求。
• 从基于制品的程序构建了有限抽象，且在这些有限模型上的模型检测正确反映了原始无限系统中规格的真值。