On the connection of probabilistic model checking, planning, and learning for system verification

This thesis presents approaches using techniques from the model checking, planning, and learning community to make systems more reliable and perspicuous. First, two heuristic search and dynamic programming algorithms are adapted to be able to check extremal reachability probabilities, expected accumulated rewards, and their bounded versions, on general Markov decision processes (MDPs). Thereby, the problem space originally solvable by these algorithms is enlarged considerably. Correctness and optimality proofs for the adapted algorithms are given, and in a comprehensive case study on established benchmarks it is shown that the implementation, called Modysh, is competitive with state-of-the-art model checkers and even outperforms them on very large state spaces. Second, Deep Statistical Model Checking (DSMC) is introduced, usable for quality assessment and learning pipeline analysis of systems incorporating trained decision-making agents, like neural networks (NNs). The idea of DSMC is to use statistical model checking to assess NNs resolving nondeterminism in systems modeled as MDPs. The versatility of DSMC is exemplified in a number of case studies on Racetrack, an MDP benchmark designed for this purpose, flexibly modeling the autonomous driving challenge. In a comprehensive scalability study it is demonstrated that DSMC is a lightweight technique tackling the complexity of NN analysis in combination with the state space explosion problem.Diese Arbeit präsentiert Ansätze, die Techniken aus dem Model Checking, Planning und Learning Bereich verwenden, um Systeme verlässlicher und klarer verständlich zu machen. Zuerst werden zwei Algorithmen für heuristische Suche und dynamisches Programmieren angepasst, um Extremwerte für Erreichbarkeitswahrscheinlichkeiten, Erwartungswerte für Kosten und beschränkte Varianten davon, auf generellen Markov Entscheidungsprozessen (MDPs) zu untersuchen. Damit wird der Problemraum, der ursprünglich mit diesen Algorithmen gelöst wurde, deutlich erweitert. Korrektheits- und Optimalitätsbeweise für die angepassten Algorithmen werden gegeben und in einer umfassenden Fallstudie wird gezeigt, dass die Implementierung, namens Modysh, konkurrenzfähig mit den modernsten Model Checkern ist und deren Leistung auf sehr großen Zustandsräumen sogar übertrifft. Als Zweites wird Deep Statistical Model Checking (DSMC) für die Qualitätsbewertung und Lernanalyse von Systemen mit integrierten trainierten Entscheidungsgenten, wie z.B. neuronalen Netzen (NN), eingeführt. Die Idee von DSMC ist es, statistisches Model Checking zur Bewertung von NNs zu nutzen, die Nichtdeterminismus in Systemen, die als MDPs modelliert sind, auflösen. Die Vielseitigkeit des Ansatzes wird in mehreren Fallbeispielen auf Racetrack gezeigt, einer MDP Benchmark, die zu diesem Zweck entwickelt wurde und die Herausforderung des autonomen Fahrens flexibel modelliert. In einer umfassenden Skalierbarkeitsstudie wird demonstriert, dass DSMC eine leichtgewichtige Technik ist, die die Komplexität der NN-Analyse in Kombination mit dem State Space Explosion Problem bewältigt

Bounded Verification of Higher-Order Stateful Programs

In this thesis we explore bounded verification techniques for higher-order stateful programs. We consider two settings: open and closed higher-order, which are defined by the type-order of free variables present in each. Closed higher-order programs allow free variables only if they are of ground type, whereas open higher-order programs generalise this by allowing free variables of arbitrary order. We elaborate on the challenges involved in reasoning within said settings, and define a higher-order stateful language—an ML-like -calculus with recursion and higher-order global state—as our vehicle of study. We define a Bounded Model Checking technique for closed higher-order programs via defunctionalization using nominal techniques, and a Symbolic Execution Game Semantics to perform Bounded Symbolic Execution of open higher-order programs. Contributions presented in this thesis involve theoretical and experimental results. On the theoretical side, all approaches defined herein are sound and bounded-complete in the sense that they report errors if and only if errors are reachable up to the given bound—all results necessary to show this are included. For the experimental side, we implemented prototype tools for each technique, collected and created benchmarks to test each higher-order setting, and measured the performance of our tools to compare them to other relevant existing tools. Results presented herein for closed and open higher-order programs have been published in SETTA 2019 and FSCD 2020 respectively