Runtime Monitoring of Metric First-order Temporal Properties

We introduce a novel approach to the runtime monitoring of complex system properties. In particular, we present an online algorithm for a safety fragment of metric first-order temporal logic that is considerably more expressive than the logics supported by prior monitoring methods. Our approach, based on automatic structures, allows the unrestricted use of negation, universal and existential quantification over infinite domains, and the arbitrary nesting of both past and bounded future operators. Moreover, we show how to optimize our approach for the common case where structures consist of only finite relations, over possibly infinite domains. Under an additional restriction, we prove that the space consumed by our monitor is polynomially bounded by the cardinality of the data appearing in the processed prefix of the temporal structure being monitored

Graph based management of temporal data

In recent decades, there has been a significant increase in the use of smart devices and sensors that led to high-volume temporal data generation. Temporal modeling and querying of this huge data have been essential for effective querying and retrieval. However, custom temporal models have the problem of generalizability, whereas the extended temporal models require users to adapt to new querying languages. In this thesis, we propose a method to improve the modeling and retrieval of temporal data using an existing graph database system (i.e., Neo4j) without extending with additional operators. Our work focuses on temporal data represented as intervals (event with a start and end time). We propose a novel way of storing temporal interval as cartesian points where the start time and the end time are stored as the x and y axis of the cartesian coordinate. We present how queries based on Allen’s interval relationships can be represented using our model on a cartesian coordinate system by visualizing these queries. Temporal queries based on Allen’s temporal intervals are then used to validate our model and compare with the traditional way of storing temporal intervals (i.e., as attributes of nodes). Our experimental results on a soccer graph database with around 4000 games show that the spatial representation of temporal interval can provide significant performance (up to 3.5 times speedup) gains compared to a traditional model

A cookbook for temporal conceptual data modelling with description logic

We design temporal description logics suitable for reasoning about temporal conceptual data models and investigate their computational complexity. Our formalisms are based on DL-Lite logics with three types of concept inclusions (ranging from atomic concept inclusions and disjointness to the full Booleans), as well as cardinality constraints and role inclusions. In the temporal dimension, they capture future and past temporal operators on concepts, flexible and rigid roles, the operators `always' and `some time' on roles, data assertions for particular moments of time and global concept inclusions. The logics are interpreted over the Cartesian products of object domains and the flow of time (Z,<), satisfying the constant domain assumption. We prove that the most expressive of our temporal description logics (which can capture lifespan cardinalities and either qualitative or quantitative evolution constraints) turn out to be undecidable. However, by omitting some of the temporal operators on concepts/roles or by restricting the form of concept inclusions we obtain logics whose complexity ranges between PSpace and NLogSpace. These positive results were obtained by reduction to various clausal fragments of propositional temporal logic, which opens a way to employ propositional or first-order temporal provers for reasoning about temporal data models

Doctor of Philosophy

dissertationLinked data are the de-facto standard in publishing and sharing data on the web. To date, we have been inundated with large amounts of ever-increasing linked data in constantly evolving structures. The proliferation of the data and the need to access and harvest knowledge from distributed data sources motivate us to revisit several classic problems in query processing and query optimization. The problem of answering queries over views is commonly encountered in a number of settings, including while enforcing security policies to access linked data, or when integrating data from disparate sources. We approach this problem by efficiently rewriting queries over the views to equivalent queries over the underlying linked data, thus avoiding the costs entailed by view materialization and maintenance. An outstanding problem of query rewriting is the number of rewritten queries is exponential to the size of the query and the views, which motivates us to study problem of multiquery optimization in the context of linked data. Our solutions are declarative and make no assumption for the underlying storage, i.e., being store-independent. Unlike relational and XML data, linked data are schema-less. While tracking the evolution of schema for linked data is hard, keyword search is an ideal tool to perform data integration. Existing works make crippling assumptions for the data and hence fall short in handling massive linked data with tens to hundreds of millions of facts. Our study for keyword search on linked data brought together the classical techniques in the literature and our novel ideas, which leads to much better query efficiency and quality of the results. Linked data also contain rich temporal semantics. To cope with the ever-increasing data, we have investigated how to partition and store large temporal or multiversion linked data for distributed and parallel computation, in an effort to achieve load-balancing to support scalable data analytics for massive linked data

Formal methods applied to the analysis of phylogenies: Phylogenetic model checking

Los árboles filogenéticos son abstracciones útiles para modelar y caracterizar la evolución de un conjunto de especies o poblaciones respecto del tiempo. La proposición, verificación y generalización de hipótesis sobre un árbol filogenético inferido juegan un papel importante en el estudio y comprensión de las relaciones evolutivas. Actualmente, uno de los principales objetivos científicos es extraer o descubrir los mensajes biológicos implícitos y las propiedades estructurales subyacentes en la filogenia. Por ejemplo, la integración de información genética en una filogenia ayuda al descubrimiento de genes conservados en todo o parte del árbol, la identificación de posiciones covariantes en el ADN o la estimación de las fechas de divergencia entre especies. Consecuentemente, los árboles ayudan a comprender el mecanismo que gobierna la deriva evolutiva. Hoy en día, el amplio espectro de métodos y herramientas heterogéneas para el análisis de filogenias enturbia y dificulta su utilización, además del fuerte acoplamiento entre la especificación de propiedades y los algoritmos utilizados para su evaluación (principalmente scripts ad hoc). Este problema es el punto de arranque de esta tesis, donde se analiza como solución la posibilidad de introducir un entorno formal de verificación de hipótesis que, de manera automática y modular, estudie la veracidad de dichas propiedades definidas en un lenguaje genérico e independiente (en una lógica formal asociada) sobre uno de los múltiples softwares preparados para ello. La contribución principal de la tesis es la propuesta de un marco formal para la descripción, verificación y manipulación de relaciones causales entre especies de forma independiente del código utilizado para su valoración. Para ello, exploramos las características de las técnicas de model checking, un paradigma en el que una especificación expresada en lógica temporal se verifica con respecto a un modelo del sistema que representa una implementación a un cierto nivel de detalle. Se ha aplicado satisfactoriamente en la industria para el modelado de sistemas y su verificación, emergiendo del ámbito de las ciencias de la computación. Las contribuciones concretas de la tesis han sido: A) La identificación e interpretación de los árboles filogeneticos como modelos de la evolución, adaptados al entorno de las técnicas de model checking. B) La definición de una lógica temporal que captura las propiedades filogenéticas habituales junto con un método de construcción de propiedades. C) La clasificación de propiedades filogenéticas, identificando categorías de propiedades según estén centradas en la estructura del árbol, en las secuencias o sean híbridas. D) La extensión de las lógicas y modelos para contemplar propiedades cuantitativas de tiempo, probabilidad y de distancias. E) El desarrollo de un entorno para la verificación de propiedades booleanas, cuantitativas y paramétricas. F) El establecimiento de los principios para la manipulación simbolica de objetos filogenéticos, p. ej., clados. G) La explotación de las herramientas de model checking existentes, detectando sus problemas y carencias en el campo de filogenia y proponiendo mejoras. H) El desarrollo de técnicas "ad hoc" para obtener ganancia de complejidad alrededor de dos frentes: distribución de los cálculos y datos, y el uso de sistemas de información. Los puntos A-F se centran en las aportaciones conceptuales de nuestra aproximación, mientras que los puntos G-H enfatizan la parte de herramientas e implementación. Los contenidos de la tesis están contrastados por la comunidad científica mediante las siguientes publicaciones en conferencias y revistas internacionales. La introducción de model checking como entorno formal para analizar propiedades biológicas (puntos A-C) ha llevado a la publicación de nuestro primer artículo de congreso [1]. En [2], desarrollamos la verificación de hipótesis filogenéticas sobre un árbol de ejemplo construido a partir de las relaciones impuestas por un conjunto de proteínas codificadas por el ADN mitocondrial humano (ADNmt). En ese ejemplo, usamos una herramienta automática y genérica de model checking (punto G). El artículo de revista [7] resume lo básico de los artículos de congreso previos y extiende la aplicación de lógicas temporales a propiedades filogenéticas no consideradas hasta ahora. Los artículos citados aquí engloban los contenidos presentados en las Parte I--II de la tesis. El enorme tamaño de los árboles y la considerable cantidad de información asociada a los estados (p.ej., la cadena de ADN) obligan a la introducción de adaptaciones especiales en las herramientas de model checking para mantener un rendimiento razonable en la verificación de propiedades y aliviar también el problema de la explosión de estados (puntos G-H). El artículo de congreso [3] presenta las ventajas de rebanar el ADN asociado a los estados, la partición de la filogenia en pequeños subárboles y su distribución entre varias máquinas. Además, la idea original del model checking rebanado se complementa con la inclusión de una base de datos externa para el almacenamiento de secuencias. El artículo de revista [4] reúne las nociones introducidas en [3] junto con la implementación y resultados preliminares presentados [5]. Este tema se corresponde con lo presentado en la Parte III de la tesis. Para terminar, la tesis reaprovecha las extensiones de las lógicas temporales con tiempo explícito y probabilidades a fin de manipular e interrogar al árbol sobre información cuantitativa. El artículo de congreso [6] ejemplifica la necesidad de introducir probabilidades y tiempo discreto para el análisis filogenético de un fenotipo real, en este caso, el ratio de distribución de la intolerancia a la lactosa entre diversas poblaciones arraigadas en las hojas de la filogenia. Esto se corresponde con el Capítulo 13, que queda englobado dentro de las Partes IV--V. Las Partes IV--V completan los conceptos presentados en ese artículo de conferencia hacia otros dominios de aplicación, como la puntuación de árboles, y tiempo continuo (puntos E-F). La introducción de parámetros en las hipótesis filogenéticas se plantea como trabajo futuro. Referencias [1] Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, José Ignacio Requeno, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. In Proceedings IEEE International Workshop on Mining and Management of Biological and Health Data, pages 152-157. IEEE, 2010. [2] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Phylogenetic analysis using an SMV tool. In Miguel P. Rocha, Juan M. Corchado Rodríguez, Florentino Fdez-Riverola, and Alfonso Valencia, editors, Proceedings 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 167-174. Springer, Berlin, 2011. [3] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Sliced model checking for phylogenetic analysis. In Miguel P. Rocha, Nicholas Luscombe, Florentino Fdez-Riverola, and Juan M. Corchado Rodríguez, editors, Proocedings 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 154 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 95-103. Springer, Berlin, 2012. [4] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Model checking software for phylogenetic trees using distribution and database methods. Journal of Integrative Bioinformatics, 10(3):229-233, 2013. [5] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Speeding up phylogenetic model checking. In Mohd Saberi Mohamad, Loris Nanni, Miguel P. Rocha, and Florentino Fdez-Riverola, editors, Proceedings 7th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 222 of Advances in Intelligent Systems and Computing, pages 119-126. Springer, Berlin, 2013. [6] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Timed and probabilistic model checking over phylogenetic trees. In Miguel P. Rocha et al., editors, Proceedings 8th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, Advances in Intelligent and Soft Computing. Springer, Berlin, 2014. [7] José Ignacio Requeno, Gregorio de Miguel Casado, Roberto Blanco, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10(4):1058-1070, 2013

Querying ATSQL databases with temporal logic

We establish a correspondence between temporal logic and a subset of ATSQL, a temporal extension of SQL–92. In addition, we provide an effective translation from temporal logic to ATSQL that enables a user to write high-level queries which are then evaluated against a space-efficient representation of the database. A reverse translation, also provided in this paper, characterizes the expressive power of a syntactically defined subset of ATSQL queries

Querying ATSQL Databases with Temporal Logic

In this paper we establish a correspondence between temporal logic and a subset of ATSQL, a temporal extension of SQL--92. In addition we provide an effective translation from temporal logic to ATSQL that enables a user to write high-level queries which can be evaluated against a space-efficient representation of the database. A reverse translation, also provided in this paper, characterizes the expressive power of a syntactically defined subset of ATSQL queries. 1 Introduction In this paper, we bring together two research directions in temporal databases. The first direction is concerned with temporal extensions to practical query languages such as SQL, e.g., [GN93, NA93, Sar93]. The issues addressed include space-efficient storage, effective implementation techniques, and handling of large amounts of data. This direction of research includes ATSQL [BJ96] an integration of ideas from TSQL2 [Sno95] and ChronoLog [Boh94]. The second direction of research is concerned with defining high..