Extended Fault Trees Analysis supported by Stochastic Petri Nets

This work presents several extensions to the Fault Tree [90] formalism used to build models oriented to the Dependability [103] analysis of systems. In this way, we increment the modelling capacity of Fault Trees which turn from simple combinatorial models to an high level language to represent more complicated aspects of the behaviour and of the failure mode of systems. Together with the extensions to the Fault Tree formalism, this work proposes solution methods for extended Fault Trees in order to cope with the new modelling facilities. These methods are mainly based on the use of Stochastic Petri Nets. Some of the formalisms described in this work are already present in the literature; for them we propose alternative solution methods with respect to the existing ones. Other formalisms are instead part of the original contribution of this work

Dépliages et interprétation abstraite pour réseaux de régulation biologiques paramétrés

The analysis of dynamics of biological regulatory networks, notably signalling and gene regulatory networks, faces the uncertainty of the exact computational model. Indeed, most of the knowledge available concerns the existence of (possibly indirect) interactions between biological entities (species), e.g. proteins, RNAs, genes, etc. The details on how different regulators of a same target cooperate, and even more so on consistent rates for those interactions, however, are rarely available. In this regard, qualitative modelling approaches in the form of discrete regulatory networks, such as Boolean and Thomas networks, offer an appropriate level of abstraction for the biological regulatory network dynamics. As discrete regulatory networks are based on an influence graph, they require few additional parameters compared to classical quantitative models. Nevertheless, determining the discrete parameters is a well known challenge, and a major bottleneck for providing robust predictions from computational models.The influence graph of a regulatory network establishes dependencies for the evolution of each specie, specified by the directed edges of the graph. The dependencies alone, however, do not suffice to specify the logical function governing the evolution of a specie. Instead the logical functions associated to each specie, constrained by the influence graph, are encoded within the parameters of a discrete regulatory network. The space of admissible logical functions is then represented by a parametric regulatory network. On the one hand, parametric regulatory networks can be used for identification of parameter values for which the resulting discrete regulatory network satisfies given (dynamical) properties. Parameter identification of regulatory networks can thus be seen as a particular instance of model synthesis, in the constrained setting of the underlying influence graph. On the other hand, parametric regulatory networks may be analysed as a stand-alone model, for making predictions that are robust with respect to variability in the network.The analysis of parametric regulatory network dynamics is hampered by dual combinatorial explosion, of the state space and of the parameter space. In this thesis, we develop novel methods of parametric regulatory network analysis, in the form of specialised semantics, aimed at alleviating the combinatorial explosion. First, we introduce abstract interpretation for the set of admissible parameter evaluations (parametrisations).The abstraction allows us to represent any set of parametrisations by a constant size encoding, at the cost of a conservative over-approximation. Second, we lift partial order semantics in the form of unfolding from Petri nets to parametric regulatory networks. The influence graphs of biological regulatory networks tend to be relatively sparse, allowing for a lot of concurrency. This can be harnessed by partial order reduction methods to produce concise state space representations.The two approaches are aimed at tackling both aspects of the dual combinatorial explosion and are introduced in a compatible manner, allowing one to employ them simultaneously. Such application is supported by a prototype implementation used to conduct experiments on various parametric regulatory networks. We further consider refinements of the methods, such as an on-the-run model reduction method lifted to parametric regulatory networks from automata networks.L'analyse de la dynamique des réseaux de régulation biologique, notamment des réseaux de signalisation et de régulation génique, fait face à l'incertitude du modèle de calcul exact. En effet, la plupart des connaissances disponibles concernent l'existence d'interactions (éventuellement indirectes) entre des entités biologiques (espèces), par ex. protéines, ARN, gènes, etc. Les détails sur la manière dont les différents régulateurs d'une même cible coopèrent, et plus encore sur les taux cohérents pour ces interactions, sont cependant rarement disponibles. A cet égard, des approches de modélisation qualitative sous forme de réseaux de régulation discrets, tels que les réseaux booléens et Thomas, offrir un niveau d'abstraction approprié pour la dynamique du réseau de régulation biologique. Les réseaux de régulation discrets étant basés sur un graphe d'influence, ils nécessitent peu de paramètres supplémentaires par rapport aux modèles quantitatifs classiques. Néanmoins, la détermination des paramètres discrets est un défi bien connu et un goulot d'étranglement majeur pour fournir des prédictions robustes à partir de modèles informatiques.Le graphe d'influence d'un réseau de régulation établit des dépendances pour l'évolution de chaque espèce, spécifiées par les arêtes dirigées du graphe. Les dépendances seules, cependant, ne suffisent pas pour spécifier la fonction logique régissant l'évolution d'une espèce. Au lieu de cela, les fonctions logiques associées à chaque espèce, contraintes par le graphe d'influence, sont codées dans les paramètres d'un réseau de régulation discret. L'espace des fonctions logiques admissibles est alors représenté par un réseau de régulation paramétrique. D'une part, les réseaux de régulation paramétriques peuvent être utilisés pour l'identification de valeurs de paramètres pour lesquelles le réseau de régulation discret résultant satisfait des propriétés (dynamiques) données. L'identification des paramètres des réseaux de régulation peut ainsi être vue comme un exemple particulier de synthèse de modèle, dans le cadre contraint du graphe d'influence sous-jacent. D'autre part, les réseaux de régulation paramétriques peuvent être analysés comme un modèle autonome, pour faire des prédictions robustes vis-à-vis de la variabilité du réseau.L'analyse de la dynamique du réseau de régulation paramétrique est entravée par la double explosion combinatoire, de l'espace d'états et de l'espace des paramètres. Dans cette thèse, nous développons de nouvelles méthodes d'analyse de réseau de régulation paramétrique, sous forme de sémantique spécialisée, visant à atténuer l'explosion combinatoire. Tout d'abord, nous introduisons une interprétation abstraite de l'ensemble des évaluations de paramètres admissibles (paramétrisations). L'abstraction permet de représenter n'importe quel ensemble de paramétrisations par un encodage de taille constante, au prix d'une sur-approximation conservatrice. Deuxièmement, nous élevons la sémantique d'ordre partiel sous la forme d'un déploiement des réseaux de Petri vers des réseaux de régulation paramétriques. Les graphiques d'influence des réseaux de régulation biologique ont tendance à être relativement clairsemés, ce qui permet une grande concurrence. Cela peut être exploité par des méthodes de réduction d'ordre partiel pour produire des représentations d'espace d'état concises.Les deux approches visent à aborder les deux aspects de la double explosion combinatoire et sont introduites de manière compatible, ce qui permet de les utiliser simultanément. Une telle application est soutenue par une implémentation prototype utilisée pour mener des expériences sur divers réseaux de régulation paramétriques. Nous considérons en outre des raffinements des méthodes, comme une méthode de réduction de modèle à la volée portée aux réseaux de régulation paramétriques à partir de réseaux d'automates

Scale-Free Random SAT Instances

We focus on the random generation of SAT instances that have properties similar to real-world instances. It is known that many industrial instances, even with a great number of variables, can be solved by a clever solver in a reasonable amount of time. This is not possible, in general, with classical randomly generated instances. We provide a different generation model of SAT instances, called \emph{scale-free random SAT instances}. It is based on the use of a non-uniform probability distribution $P(i)\sim i^{-\beta}$ to select variable $i$, where $\beta$ is a parameter of the model. This results into formulas where the number of occurrences $k$ of variables follows a power-law distribution $P(k)\sim k^{-\delta}$ where $\delta = 1 + 1/\beta$. This property has been observed in most real-world SAT instances. For $\beta=0$, our model extends classical random SAT instances. We prove the existence of a SAT-UNSAT phase transition phenomenon for scale-free random 2-SAT instances with $\beta<1/2$ when the clause/variable ratio is $m/n=\frac{1-2\beta}{(1-\beta)^2}$. We also prove that scale-free random k-SAT instances are unsatisfiable with high probability when the number of clauses exceeds $\omega(n^{(1-\beta)k})$. %This implies that the SAT/UNSAT phase transition phenomena vanishes when $\beta>1-1/k$, and formulas are unsatisfiable due to a small core of clauses. The proof of this result suggests that, when $\beta>1-1/k$, the unsatisfiability of most formulas may be due to small cores of clauses. Finally, we show how this model will allow us to generate random instances similar to industrial instances, of interest for testing purposes

Network Model Selection for Task-Focused Attributed Network Inference

Networks are models representing relationships between entities. Often these relationships are explicitly given, or we must learn a representation which generalizes and predicts observed behavior in underlying individual data (e.g. attributes or labels). Whether given or inferred, choosing the best representation affects subsequent tasks and questions on the network. This work focuses on model selection to evaluate network representations from data, focusing on fundamental predictive tasks on networks. We present a modular methodology using general, interpretable network models, task neighborhood functions found across domains, and several criteria for robust model selection. We demonstrate our methodology on three online user activity datasets and show that network model selection for the appropriate network task vs. an alternate task increases performance by an order of magnitude in our experiments

Enabling swarm aggregation of position data via adaptive stigmergy: a case study in urban traffic flows

Urban road congestion estimation is a challenge in traffic management. City traffic state can vary temporally and spatially between road links, depending on crossroads and lanes. In addition, congestion estimation requires some sort of tuning to “what is around” to trigger appropriate reactions. An adaptive aggregation mechanism of position data is therefore crucial for traffic control. We present a biologically-inspired technique to aggregate position samples coming from on-vehicle devices. In essence, each vehicle position sample is spatially and temporally augmented with digital pheromone information, locally deposited and evaporated. As a consequence, an aggregated pheromone concentration appears and stays spontaneously while many stationary vehicles and high density roads occur. Pheromone concentration is then sharpened to achieve a better distinction of critical phenomena to be triggered as detected traffic events. The overall mechanism can be actually enabled if structural parameters are correctly tuned for the given application context. Determining such correct parameters is not a simple task since different urban areas have different traffic flux and density. Thus, an appropriate tuning to adapt parameters to the specific urban area is desirable to make the estimation effective. In this paper, we show how this objective can be achieved by using differential evolution

Explanations as Programs in Probabilistic Logic Programming

The generation of comprehensible explanations is an essential feature of modern artificial intelligence systems. In this work, we consider probabilistic logic programming, an extension of logic programming which can be useful to model domains with relational structure and uncertainty. Essentially, a program specifies a probability distribution over possible worlds (i.e., sets of facts). The notion of explanation is typically associated with that of a world, so that one often looks for the most probable world as well as for the worlds where the query is true. Unfortunately, such explanations exhibit no causal structure. In particular, the chain of inferences required for a specific prediction (represented by a query) is not shown. In this paper, we propose a novel approach where explanations are represented as programs that are generated from a given query by a number of unfolding-like transformations. Here, the chain of inferences that proves a given query is made explicit. Furthermore, the generated explanations are minimal (i.e., contain no irrelevant information) and can be parameterized w.r.t. a specification of visible predicates, so that the user may hide uninteresting details from explanations.Comment: Published as: Vidal, G. (2022). Explanations as Programs in Probabilistic Logic Programming. In: Hanus, M., Igarashi, A. (eds) Functional and Logic Programming. FLOPS 2022. Lecture Notes in Computer Science, vol 13215. Springer, Cham. The final authenticated publication is available online at https://doi.org/10.1007/978-3-030-99461-7_1

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