On the Satisfiability and Model Checking for one Parameterized Extension of Linear-time Temporal Logic

Sequential reactive systems are computer programs or hardware devices which process the flows of input data or control signals and output the streams of instructions or responses. When designing such systems one needs formal specification languages capable of expressing the relationships between the input and output flows. Previously, we introduced a family of such specification languages based on temporal logics $LTL$, $CTL$ and $CTL^*$ combined with regular languages. A characteristic feature of these new extensions of conventional temporal logics is that temporal operators and basic predicates are parameterized by regular languages. In our early papers, we estimated the expressive power of the new temporal logic $Reg$-$LTL$ and introduced a model checking algorithm for $Reg$-$LTL$, $Reg$-$CTL$, and $Reg$-$CTL^*$. The main issue which still remains unclear is the complexity of decision problems for these logics. In the paper, we give a complete solution to satisfiability checking and model checking problems for $Reg$-$LTL$ and prove that both problems are Pspace-complete. The computational hardness of the problems under consideration is easily proved by reducing to them the intersection emptyness problem for the families of regular languages. The main result of the paper is an algorithm for reducing the satisfiability of checking $Reg$-$LTL$ formulas to the emptiness problem for Buchi automata of relatively small size and a description of a technique that allows one to check the emptiness of the obtained automata within space polynomial of the size of input formulas

О выразительных возможностях некоторых расширений линейной темпоральной логики

One of the most simple models of computation which is suitable for representation of reactive systems behaviour is a finite state transducer which operates over an input alphabet of control signals and an output alphabet of basic actions. The behaviour of such a reactive system displays itself in the correspondence between flows of control signals and compositions of basic actions performed by the system. We believe that the behaviour of this kind requires more suitable and expressive means for formal specifications than the conventional LT L. In this paper, we define some new (as far as we know) extension LP-LT L of Linear Temporal Logic specifically intended for describing the properties of transducers computations. In this extension the temporal operators are parameterized by sets of words (languages) which represent distinguished flows of control signals that impact on a reactive system. Basic predicates in our variant of the temporal logic are also languages in the alphabet of basic actions of a transducer; they represent the expected response of the transducer to the specified environmental influences. In our earlier papers, we considered a model checking problem for LP-LT L and LP-CT L and showed that this problem has effective solutions. The aim of this paper is to estimate the expressive power of LP-LT L by comparing it with some well known logics widely used in the computer science for specification of reactive systems behaviour. We discovered that a restricted variant LP-1-LT L of our logic is more expressive than LTL and another restricted variant LP-n-LT L has the same expressive power as monadic second order logic S1S.Конечные автоматы, задающие преобразования потоков входных сигналов в последовательности элементарных действий, являются простейшей моделью вычислений, пригодной для описания поведения реагирующих систем. Это поведение проявляется в соответствии между потоком входных сигналов и последовательностью элементарных действий, выполняемых системой. Мы полагаем, что для формального описания поведения реагирующих систем такого рода требуются более сложные и выразительные средства спецификации, нежели традиционная темпоральная логика линейного времени LT L. В этой работе рассматривается новый язык формальных спецификаций LP-LT L, представляющий собой расширение темпоральной логики LT L, специально разработанное для описания свойств вычислений автоматов-преобразователей. Темпоральные операторы в формулах LP-LT L снабжены параметрами, в качестве которых используются множества слов (языки), описывающие потоки сигналов управления, поступающих на вход реагирующей системы. Базовые предикаты в формулах LP-LT L также определяются языками в алфавите элементарных действий; эти языки описывают ожидаемую реакцию системы в ответ на воздействия окружающей среды. В более ранних работах авторов этой статьи изучалась задача верификации конечных автоматов-преобразователей относительно спецификаций, представленных формулами логик LP-LT L и LP-CT L. Было показано, что для обеих логик эта задача алгоритмически разрешима. Цель данной работы — оценить выразительные возможности логики LP-LT L и сравнить ее с широко известными логиками, применяющимися в информатике для спецификации реагирующих систем. В логике LP-LT L были выделены два фрагмента LP-1-LT L и LP-n-LT L. Нам удалось установить, что язык спецификаций LP-1-LT L более выразителен, чем LT L, в то время как фрагмент LP-n-LT L обладает точно такими же выразительными возможностями, что и монадическая логика второго порядка S1S

О верификации моделей и проверке выполнимости формул одного параметрического расширения темпоральной логики линейного времени

Sequential reactive systems are computer programs or hardware devices which process the flows of input data or control signals and output the streams of instructions or responses. When designing such systems one needs formal specification languages capable of expressing the relationships between the input and output flows. Previously, we introduced a family of such specification languages based on temporal logics $LTL$, $CTL$ and $CTL^*$ combined with regular languages. A characteristic feature of these new extensions of conventional temporal logics is that temporal operators and basic predicates are parameterized by regular languages. In our early papers, we estimated the expressive power of the new temporal logic $Reg$-$LTL$ and introduced a model checking algorithm for $Reg$-$LTL$, $Reg$-$CTL$, and $Reg$-$CTL^*$. The main issue which still remains unclear is the complexity of decision problems for these logics. In the paper, we give a complete solution to satisfiability checking and model checking problems for $Reg$-$LTL$ and prove that both problems are Pspace-complete. The computational hardness of the problems under consideration is easily proved by reducing to them the intersection emptyness problem for the families of regular languages. The main result of the paper is an algorithm for reducing the satisfiability of checking $Reg$-$LTL$ formulas to the emptiness problem for Buchi automata of relatively small size and a description of a technique that allows one to check the emptiness of the obtained automata within space polynomial of the size of input formulas.К последовательным реагирующим системам относятся компьютерные программы и вычислительные устройства, которые обрабатывают потоки входных данных или сигналов управления и генерируют на выходе последовательности команд или результатов вычислений. Для проектирования таких систем полезно иметь формальные языки спецификаций, способные выражать отношения между входными и выходными потоками данных. В предшествующих работах нами было предложено семейство таких языков спецификаций, представляющих собой расширение темпоральных логик $LTL$, $CTL$ и $CTL^*$ за счет использования регулярных языков в качестве параметров темпоральных операторов. Мы провели сравнительный анализ выразительных возможностей нового расширения темпоральной логики линейного времени $Reg$-$LTL$ и предложили алгоритмы верификации моделей для новых расширений логик $Reg$-$LTL$, $Reg$-$CTL$, и $Reg$-$CTL^*$. Однако вопрос о сложности задач верификации моделей и проверки выполнимости формул указанных логик оставался открытым. В этой статье мы восполняем этот пробел в наших исследованиях и показываем, что для темпоральной логики $Reg$-$LTL$ обе задачи являются Pspace-полными. Вычислительная трудность рассматриваемых задач легко доказывается сведением к ним проблемы пустоты пересечения семейств регулярных языков. Основным результатом статьи является алгоритм сведения задачи проверки выполнимости формул логики $Reg$-$LTL$ к проблеме пустоты автоматов Бюхи сравнительно небольшого размера и описание стратегии, позволяющей проверять пустоту полученных автоматов с использованием объема памяти, полиномального относительно размера исходных формул

Эффективные алгоритмы проверки эквивалентности для некоторых классов автоматов

Finite transducers, two-tape automata, and biautomata are related computational models descended from the concept of Finite-State Automaton. In these models an automaton controls two heads that read or write symbols on the tapes in the one-way mode. The computations of these three types of automata show many common features, and it is surprising that the methods for analyzing the behavior of automata developed for one of these models do not find suitable utilization in other models. The goal of this paper is to develop a uniform technique for building polynomial-time equivalence checking algorithms for some classes of automata (finite transducers, two-tape automata, biautomata, single-state pushdown automata) which exhibit certain features of the deterministic or unambiguous behavior. This new technique reduces the equivalence checking of automata to solvability checking of certain systems of equations over the semirings of languages or transductions. It turns out that such a checking can be performed by the variable elimination technique which relies on some combinatorial and algebraic properties of prefix-free regular languages. The main results obtained in this paper are as follows:1.            Using the algebraic approach a new algorithm for checking the equivalence of states of deterministic finite automata is constructed; time complexity of this algorithm is O(n log n).2.            A new class of prefix-free finite transducers is distinguished and it is shown that the developed algebraic approach provides the equivalence checking of transducers from this class in quadratic time (for real-time prefix-free transducers) and cubic (for prefix-free transducers with ɛ-transitions) relative to the sizes of analysed machines.3.            It is shown that the equivalence problem for deterministic two-tape finite automata can be reduced to the same problem for prefix-free finite transducers and solved in cubic time relative to the size of the analysed machines.4.            In the same way it is proved that the equivalence problem for deterministic finite biautomata can be solved in cubic time relative to the sizes of analysed machines.5.            By means of the developed approach an efficient equivalence checking algorithm for the class of simple grammars corresponding to deterministic single-state pushdown automata is constructed.Конечные преобразователи, двухленточные автоматы и биавтоматы — взаимосвязанные вычислительные модели, ведущие свое происхождение от концепции конечного автомата. В вычислениях этих машин проявляется много общих черт, и удивительно, что методы анализа, разработанные для одной из указанных моделей, не находят подходящего применения в других моделях. Целью данной статьи является разработка единой методики построения быстрых алгоритмов проверки эквивалентности для некоторых классов автоматов (конечных преобразователей, двухленточных автоматов, биавтоматов, магазинных автоматов), которые демонстрируют определенные черты детерминированного или однозначное поведение. Этот новый метод сводит проверку эквивалентности автоматов к проверке разрешимости систем уравнений над полукольцами языков или бинарных отношений. Как оказалось, такую проверку достаточно просто провести методом исключения переменных, используя некоторые комбинаторные и алгебраические свойства регулярных префиксных языков. Основные результаты, полученные в этой статье, таковы.1.            При помощи алгебраического метода построен новый алгоритм проверки эквивалентности детерминированных конечных автоматов, имеющий сложность по времени O(n log n).2.            Выделен новый класс префиксных конечных трансдьюсеров и показано, что проверка эквивалентности трансдьюсеров из этого класса может быть осуществлена новым методом за время, квадратичное (для префиксных трансдьюсеров реального времени) и кубическое (для префиксных трансдьюсеров с ɛ-переходами) относительно размеров анализируемых автоматов.3.            Показано, что проблема эквивалентности для детерминированных двухленточных конечных автоматов сводится к задаче проверки эквивалентности префиксных конечных трансдьюсеров и может быть решена за время, кубическое относительно их размеров.4.            Аналогичным образом установлена разрешимость проблемы эквивалентности для детерминированных конечных биавтоматов за время, кубическое относительно их размеров.5.            При помощи нового метода построен алгоритм проверки эквивалентности для простых грамматик, соответствующих детерминированным магазинным автоматам с одним состоянием