606 research outputs found

    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volum

    Efficient Model Checking: The Power of Randomness

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    Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

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    Although tremendous progress has been made in Artificial Intelligence (AI), it entails new challenges. The growing complexity of learning tasks requires more complex AI components, which increasingly exhibit unreliable behaviour. In this book, we present a model-driven approach to model architectural safeguards for AI components and analyse their effect on the overall system reliability

    Markov field models of molecular kinetics

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    Computer simulations such as molecular dynamics (MD) provide a possible means to understand protein dynamics and mechanisms on an atomistic scale. The resulting simulation data can be analyzed with Markov state models (MSMs), yielding a quantitative kinetic model that, e.g., encodes state populations and transition rates. However, the larger an investigated system, the more data is required to estimate a valid kinetic model. In this work, we show that this scaling problem can be escaped when decomposing a system into smaller ones, leveraging weak couplings between local domains. Our approach, termed independent Markov decomposition (IMD), is a first-order approximation neglecting couplings, i.e., it represents a decomposition of the underlying global dynamics into a set of independent local ones. We demonstrate that for truly independent systems, IMD can reduce the sampling by three orders of magnitude. IMD is applied to two biomolecular systems. First, synaptotagmin-1 is analyzed, a rapid calcium switch from the neurotransmitter release machinery. Within its C2A domain, local conformational switches are identified and modeled with independent MSMs, shedding light on the mechanism of its calcium-mediated activation. Second, the catalytic site of the serine protease TMPRSS2 is analyzed with a local drug-binding model. Equilibrium populations of different drug-binding modes are derived for three inhibitors, mirroring experimentally determined drug efficiencies. IMD is subsequently extended to an end-to-end deep learning framework called iVAMPnets, which learns a domain decomposition from simulation data and simultaneously models the kinetics in the local domains. We finally classify IMD and iVAMPnets as Markov field models (MFM), which we define as a class of models that describe dynamics by decomposing systems into local domains. Overall, this thesis introduces a local approach to Markov modeling that enables to quantitatively assess the kinetics of large macromolecular complexes, opening up possibilities to tackle current and future computational molecular biology questions

    Deciding Differential Privacy of Online Algorithms with Multiple Variables

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    We consider the problem of checking the differential privacy of online randomized algorithms that process a stream of inputs and produce outputs corresponding to each input. This paper generalizes an automaton model called DiP automata (See arXiv:2104.14519) to describe such algorithms by allowing multiple real-valued storage variables. A DiP automaton is a parametric automaton whose behavior depends on the privacy budget ϵ\epsilon. An automaton AA will be said to be differentially private if, for some D\mathfrak{D}, the automaton is Dϵ\mathfrak{D}\epsilon-differentially private for all values of ϵ>0\epsilon>0. We identify a precise characterization of the class of all differentially private DiP automata. We show that the problem of determining if a given DiP automaton belongs to this class is PSPACE-complete. Our PSPACE algorithm also computes a value for D\mathfrak{D} when the given automaton is differentially private. The algorithm has been implemented, and experiments demonstrating its effectiveness are presented

    LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume

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    Validation and Verification of Safety-Critical Systems in Avionics

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    This research addresses the issues of safety-critical systems verification and validation. Safety-critical systems such as avionics systems are complex embedded systems. They are composed of several hardware and software components whose integration requires verification and testing in compliance with the Radio Technical Commission for Aeronautics standards and their supplements (RTCA DO-178C). Avionics software requires certification before its deployment into an aircraft system, and testing is mandatory for certification. Until now, the avionics industry has relied on expensive manual testing. The industry is searching for better (quicker and less costly) solutions. This research investigates formal verification and automatic test case generation approaches to enhance the quality of avionics software systems, ensure their conformity to the standard, and to provide artifacts that support their certification. The contributions of this thesis are in model-based automatic test case generations approaches that satisfy MC/DC criterion, and bidirectional requirement traceability between low-level requirements (LLRs) and test cases. In the first contribution, we integrate model-based verification of properties and automatic test case generation in a single framework. The system is modeled as an extended finite state machine model (EFSM) that supports both the verification of properties and automatic test case generation. The EFSM models the control and dataflow aspects of the system. For verification, we model the system and some properties and ensure that properties are correctly propagated to the implementation via mandatory testing. For testing, we extended an existing test case generation approach with MC/DC criterion to satisfy RTCA DO-178C requirements. Both local test cases for each component and global test cases for their integration are generated. The second contribution is a model checking-based approach for automatic test case generation. In the third contribution, we developed an EFSM-based approach that uses constraints solving to handle test case feasibility and addresses bidirectional requirements traceability between LLRs and test cases. Traceability elements are determined at a low-level of granularity, and then identified, linked to their source artifact, created, stored, and retrieved for several purposes. Requirements’ traceability has been extensively studied but not at the proposed low-level of granularity

    Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

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    Künstliche Intelligenz (KI) hat in den vergangenen Jahren große Erfolge erzielt und ist immer stärker in den Fokus geraten. Insbesondere Methoden des Deep Learning (ein Teilgebiet der KI), in dem Tiefe Neuronale Netze (TNN) zum Einsatz kommen, haben beeindruckende Ergebnisse erzielt, z.B. im autonomen Fahren oder der Mensch-Roboter-Interaktion. Die immense Datenabhängigkeit und Komplexität von TNN haben jedoch gravierende Schwachstellen offenbart. So reagieren TNN sensitiv auf bestimmte Einflussfaktoren der Umwelt (z.B. Helligkeits- oder Kontraständerungen in Bildern) und führen zu falschen Vorhersagen. Da KI (und insbesondere TNN) in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt werden, kann solch ein Verhalten zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Folglich haben sich neue Forschungspotenziale entwickelt, die sich explizit der Absicherung von KI-Verfahren widmen. Ein wesentliches Problem bei vielen KI-Verfahren besteht darin, dass ihr Verhalten oder Vorhersagen auf Grund ihrer hohen Komplexität nicht erklärt bzw. nachvollzogen werden können. Solche KI-Modelle werden auch als Black-Box bezeichnet. Bestehende Arbeiten adressieren dieses Problem, in dem zur Laufzeit “bösartige” Eingabedaten identifiziert oder auf Basis von Ein- und Ausgaben potenziell falsche Vorhersagen erkannt werden. Arbeiten in diesem Bereich erlauben es zwar potenziell unsichere Zustände zu erkennen, machen allerdings keine Aussagen, inwiefern mit solchen Situationen umzugehen ist. Somit haben sich eine Reihe von Ansätzen auf Architektur- bzw. Systemebene etabliert, um mit KI-induzierten Unsicherheiten umzugehen (z.B. N-Version-Programming-Muster oder Simplex Architekturen). Darüber hinaus wächst die Anforderung an KI-basierte Systeme sich zur Laufzeit anzupassen, um mit sich verändernden Bedingungen der Umwelt umgehen zu können. Systeme mit solchen Fähigkeiten sind bekannt als Selbst-Adaptive Systeme. Software-Ingenieure stehen nun vor der Herausforderung, aus einer Menge von Architekturellen Sicherheitsmechanismen, den Ansatz zu identifizieren, der die nicht-funktionalen Anforderungen bestmöglich erfüllt. Jeder Ansatz hat jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualitätsattribute des Systems. Architekturelle Entwurfsentscheidungen gilt es so früh wie möglich (d.h. zur Entwurfszeit) aufzulösen, um nach der Implementierung des Systems Änderungen zu vermeiden, die mit hohen Kosten verbunden sind. Darüber hinaus müssen insbesondere sicherheitskritische Systeme den strengen (Qualitäts-) Anforderungen gerecht werden, die bereits auf Architektur-Ebene des Software-Systems adressiert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich mit einem modellbasierten Ansatz, der Software-Ingenieure bei der Entwicklung von KI-basierten System unterstützt, um architekturelle Entwurfsentscheidungen (bzw. architekturellen Sicherheitsmechanismen) zum Umgang mit KI-induzierten Unsicherheiten zu bewerten. Insbesondere wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen auf Basis von etablierten modellbasierten Techniken erforscht. In einem weiteren Schritt wird die Erweiterbarkeit/Verallgemeinerbarkeit der Zuverlässigkeitsvorhersage für Selbst-Adaptive Systeme betrachtet. Der Kern beider Ansätze ist ein Umweltmodell zur Modellierung () von KI-spezifischen Unsicherheiten und () der operativen Umwelt des Selbst-Adaptiven Systems. Zuletzt wird eine Klassifikationsstruktur bzw. Taxonomie vorgestellt, welche, auf Basis von verschiedenen Dimensionen, KI-basierte Systeme in unterschiedliche Klassen einteilt. Jede Klasse ist mit einem bestimmten Grad an Verlässlichkeitszusicherungen assoziiert, die für das gegebene System gemacht werden können. Die Dissertation umfasst vier zentrale Beiträge. 1. Domänenunabhängige Modellierung von KI-spezifischen Umwelten: In diesem Beitrag wurde ein Metamodell zur Modellierung von KI-spezifischen Unsicherheiten und ihrer zeitlichen Ausdehnung entwickelt, welche die operative Umgebung eines selbstadaptiven Systems bilden. 2. Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen: Der vorgestellte Ansatz erweitert eine existierende Architekturbeschreibungssprache (genauer: Palladio Component Model) zur Modellierung von Komponenten-basierten Software-Architekturen sowie einem dazugehörigenWerkzeug zur Zuverlässigkeitsvorhersage (für klassische Software-Systeme). Das Problem der Black-Box-Eigenschaft einer KI-Komponente wird durch ein Sensitivitätsmodell adressiert, das, in Abhängigkeit zu verschiedenen Unsicherheitsfaktoren, die Prädektive Unsicherheit einer KI-Komponente modelliert. 3. Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen: Dieser Beitrag befasst sich mit einem Rahmenwerk für die Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen, welche für die Absicherung von KI-Komponenten vorgesehen sind. Die Arbeiten zu diesem Beitrag verallgemeinern/erweitern die Konzepte von Beitrag 2 für Selbst-Adaptive Systeme. 4. Klassen der Verlässlichkeitszusicherungen: Der Beitrag beschreibt eine Klassifikationsstruktur, die den Grad der Zusicherung (in Bezug auf bestimmte Systemeigenschaften) eines KI-basierten Systems bewertet. Der zweite Beitrag wurde im Rahmen einer Fallstudie aus dem Bereich des Autonomen Fahrens validiert. Es wurde geprüft, ob Plausibilitätseigenschaften bei der Zuverlässigkeitsvorhersage erhalten bleiben. Hierbei konnte nicht nur die Plausibilität des Ansatzes nachgewiesen werden, sondern auch die generelle Möglichkeit Entwurfsentscheidungen zur Entwurfszeit zu bewerten. Für die Validierung des dritten Beitrags wurden ebenfalls Plausibilitätseigenschaften geprüft (im Rahmen der eben genannten Fallstudie und einer Fallstudie aus dem Bereich der Mensch-Roboter-Interaktion). Darüber hinaus wurden zwei weitere Community-Fallstudien betrachtet, bei denen (auf Basis von Simulatoren) Selbst-Adaptive Systeme bewertet und mit den Ergebnissen unseres Ansatzes verglichen wurden. In beiden Fällen konnte gezeigt werden, dass zum einen alle Plausibilitätseigenschaft erhalten werden und zum anderen, der Ansatz dieselben Ergebnisse erzeugt, wie die Domänen-spezifischen Simulatoren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass unser Ansatz Software-Ingenieure bzgl. der Bewertung von Entwurfsentscheidungen, die für die Entwicklung von Selbst-Adaptiven Systemen relevant sind, unterstützt. Der erste Beitrag wurde implizit mit Beitrag 2 und mit 3 validiert. Für den vierten Beitrag wurde die Klassifikationsstruktur auf bekannte und repräsentative KI-Systeme angewandt und diskutiert. Es konnte jedes KI-System in eine der Klassen eingeordnet werden, so dass die generelle Anwendbarkeit der Klassifikationsstruktur gezeigt wurde
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