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

Markov decision processes with uncertain parameters

Markov decision processes model stochastic uncertainty in systems and allow one to construct strategies which optimize the behaviour of a system with respect to some reward function. However, the parameters for this uncertainty, that is, the probabilities inside a Markov decision model, are derived from empirical or expert knowledge and are themselves subject to uncertainties such as measurement errors or limited expertise. This work considers second-order uncertainty models for Markov decision processes and derives theoretical and practical results. Among other models, this work considers two main forms of uncertainty. One form is a set of discrete scenarios with a prior probability distribution and the task to maximize the expected reward under the given probability distribution. Another form of uncertainty is a continuous uncertainty set of scenarios and the task to compute a policy that optimizes the rewards in the optimistic and pessimistic cases. The work provides two kinds of results. First, we establish complexity-theoretic hardness results for the considered optimization problems. Second, we design heuristics for some of the problems and evaluate them empirically. In the first class of results, we show that additional model uncertainty makes the optimization problems harder to solve, as they add an additional party with own optimization goals. In the second class of results, we show that even if the discussed problems are hard to solve in theory, we can come up with efficient heuristics that can solve them adequately well for practical applications