The Language of Search

This paper is concerned with a class of algorithms that perform exhaustive search on propositional knowledge bases. We show that each of these algorithms defines and generates a propositional language. Specifically, we show that the trace of a search can be interpreted as a combinational circuit, and a search algorithm then defines a propositional language consisting of circuits that are generated across all possible executions of the algorithm. In particular, we show that several versions of exhaustive DPLL search correspond to such well-known languages as FBDD, OBDD, and a precisely-defined subset of d-DNNF. By thus mapping search algorithms to propositional languages, we provide a uniform and practical framework in which successful search techniques can be harnessed for compilation of knowledge into various languages of interest, and a new methodology whereby the power and limitations of search algorithms can be understood by looking up the tractability and succinctness of the corresponding propositional languages

Exploiting the probability of observation for efficient Bayesian network inference

xi, 88 leaves : ill. ; 29 cmIt is well-known that the observation of a variable in a Bayesian network can affect the effective connectivity of the network, which in turn affects the efficiency of inference. Unfortunately, the observed variables may not be known until runtime, which limits the amount of compile-time optimization that can be done in this regard. This thesis considers how to improve inference when users know the likelihood of a variable being observed. It demonstrates how these probabilities of observation can be exploited to improve existing heuristics for choosing elimination orderings for inference. Empirical tests over a set of benchmark networks using the Variable Elimination algorithm show reductions of up to 50% and 70% in multiplications and summations, as well as runtime reductions of up to 55%. Similarly, tests using the Elimination Tree algorithm show reductions by as much as 64%, 55%, and 50% in recursive calls, total cache size, and runtime, respectively

Scalable Statistical Modeling and Query Processing over Large Scale Uncertain Databases

The past decade has witnessed a large number of novel applications that generate imprecise, uncertain and incomplete data. Examples include monitoring infrastructures such as RFIDs, sensor networks and web-based applications such as information extraction, data integration, social networking and so on. In my dissertation, I addressed several challenges in managing such data and developed algorithms for efficiently executing queries over large volumes of such data. Specifically, I focused on the following challenges. First, for meaningful analysis of such data, we need the ability to remove noise and infer useful information from uncertain data. To address this challenge, I first developed a declarative system for applying dynamic probabilistic models to databases and data streams. The output of such probabilistic modeling is probabilistic data, i.e., data annotated with probabilities of correctness/existence. Often, the data also exhibits strong correlations. Although there is prior work in managing and querying such probabilistic data using probabilistic databases, those approaches largely assume independence and cannot handle probabilistic data with rich correlation structures. Hence, I built a probabilistic database system that can manage large-scale correlations and developed algorithms for efficient query evaluation. Our system allows users to provide uncertain data as input and to specify arbitrary correlations among the entries in the database. In the back end, we represent correlations as a forest of junction trees, an alternative representation for probabilistic graphical models (PGM). We execute queries over the probabilistic database by transforming them into message passing algorithms (inference) over the junction tree. However, traditional algorithms over junction trees typically require accessing the entire tree, even for small queries. Hence, I developed an index data structure over the junction tree called INDSEP that allows us to circumvent this process and thereby scalably evaluate inference queries, aggregation queries and SQL queries over the probabilistic database. Finally, query evaluation in probabilistic databases typically returns output tuples along with their probability values. However, the existing query evaluation model provides very little intuition to the users: for instance, a user might want to know Why is this tuple in my result? or Why does this output tuple have such high probability? or Which are the most influential input tuples for my query ?'' Hence, I designed a query evaluation model, and a suite of algorithms, that provide users with explanations for query results, and enable users to perform sensitivity analysis to better understand the query results

New Formal Methods for Automotive Configuration

Die Komplexität der Automobilkonfiguration hat in den letzten Jahrzehnten extrem zugenommen. Ein typischer deutscher Premiumhersteller kann bis zu 10^80 Varianten eines einzigen Fahrzeugmodells bauen. Dieser Variantenreichtum muss jedoch entlang der gesamten Prozesskette—vom Produktentstehungsprozess bis hin zur Fertigung im Werk—verwaltet und beherrscht werden. Hierzu müssen von Experten einerseits die vom Kunden bestellbaren Fahrzeuge dokumentiert werden (High Level Regelwerk), andererseits müssen diesen Fahrzeugen physikalische Teile, Steuergeräte und Softwarekonfigurationen zugeordnet werden (Low Level Regelwerk). Die vorliegende Arbeit führt einen neuen generischen Formalismus für Konfigurationsdaten in der Automobilindustrie ein und präsentiert einen ausführlichen Überblick über die in der Industrie vorkommenden Prüfmöglichkeiten. In verschiedenen Industriekooperationen mit z.B. Audi, BMW, Daimler, Opel und VW wurde verifiziert, dass dieser Formalismus auf diese Hersteller übertragbar ist. Viele der bestehenden Prüfalgorithmen werden in dieser Dissertation entscheidend optimiert und werden im Rahmen des neuen generischen Frameworks formuliert. Es werden neue Prüf- und Analysemöglichkeiten auf Konfigurationsdaten vorgestellt. Dies sind unter anderem das Zählen baubarer Fahrzeuge, die Berechnung minimaler und maximaler Kundenorders oder die Berechnung von direkten Zwängen in der Konfigurationsbasis. Ein Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Einführung der Booleschen Quantorenelimination in der Automobilkonfiguration. Während die Quantorenelimination bisher vor allem im Bereich des symbolischen Modelcheckings zu finden war, werden hier zwei Anwendungen in der Automobilindustrie identifiziert, die großes Interesse in den industriellen Kooperationen erweckt haben. Es werden verschiedene Ansätze zur Booleschen Quantorenelimination vorgestellt und bezüglich der Anwendungen evaluiert. Im Rahmen dieser Arbeit entstand die Softwarebibliothek AutoLib, die die vorgestellten Algorithmen implementiert und vor allem einen neuen SAT Solver mit sich bringt, der sowohl Inkrementalität und Dekrementalität, als auch das sogenannte Proof Tracing, also das Aufzeichnen von Beweisen bei Nicht-Erfüllbarkeit, implementiert. Nach unserem Wissen ist dies der einzige SAT Solver, der diese beiden Funktionen auch in Kombination unterstützt. AutoLib wird aktuell in einem Produktivsystem bei BMW sowie in Prototypen bei Audi/VW und bei Daimler eingesetzt. Alle Algorithmen, die in dieser Arbeit präsentiert werden, wurden in einer Mach- barkeitsstudie bei BMW in den Jahren 2012 und 2013 implementiert und auf ihre industrielle Einsetzbarkeit hin verifiziert. Ein Produktivsystem, das Teile dieser Algorithmen umfasst und auf AutoLib basiert, hatte im Mai 2014 GoLive bei BMW