Combining clause learning and resolution for multimodal reasoning

Abstract

Vários aspectos de sistemas computacionais complexos podem ser modelados utilizando linguagens lógicas, que permitem a caracterização de noções como probabilidades, pos- sibilidades, noções temporais, conhecimento e crenças [32, 37, 38, 64]. Lógicas modais, mais especificamente, têm sido amplamente estudadas em Ciência da Computação, pois possibilitam modelar de forma natural, por exemplo, noções de conhecimento e crença em sistemas multiagentes [16, 32, 64] e aspectos temporais na verificação formal de problemas relacionados a sistemas concorrentes e distribuídos [37, 38]. Apesar de sua simplicidade, linguagens modais são expressivas para raciocinar sobre relações entre diferentes contextos ou interpretações [15]. Uma vez que um sistema é especificado em uma linguagem lógica, é possível usar mé- todos de prova para verificar as propriedades desse sistema. Em geral, se I é o conjunto de fórmulas que representam a implementação e S é o conjunto que caracteriza a especi- ficação, o processo de verificação consiste em mostrar que é possível derivar os aspectos especificados em S a partir de I. Cada método de prova corresponde a um conjunto de regras de inferência acompanhado de uma metodologia de como lidar com as fórmulas. Geralmente, a literatura sobre um sistema de prova contém análises de melhor e pior casos. Também pode-se encontrar na literatura comparações entre diferentes métodos de prova para uma linguagem lógica específica. Para lógicas modais, por exemplo, uma aná- lise empírica de desempenho de quatro sistemas de prova diferentes pode ser encontrada em [42]. Ainda é possível combinar métodos de prova para se beneficiar do melhor cenário de cada método. Frequentemente, métodos de prova são projetados para serem implementados como provadores de teoremas automatizados, ou seja, aspectos relacionados à busca por uma prova também são considerados no projeto de um método de prova específico. Na lite- ratura, existem vários provadores de teoremas para lógicas modais [4, 67, 76, 77]. Neste trabalho, o foco é o provador de teoremas para a lógica multimodal básica Kn: KSP [61], que implementa o método baseado em resolução proposto em [60]. Kn é a linguagem que estende a lógica proposicional clássica com a adição dos operadores modais de necessidade, denotado por a , e de possibilidade, denotado por ♦a , ambos indexados por um agente a. v A semântica dos operatores é dada por “é necessário do ponto de vista do agente a” e “é possível do ponto de vista do agente a”, respectivamente. O KSP traduz as fórmulas de entrada para uma forma normal clausal na qual cláusulas são rotuladas pelo nível modal em que ocorrem, ajudando a restringir aplicações desneces- sários das regras de inferência do cálculo que o KSP implementa. Para reduzir o espaço de busca para uma prova, vários refinamentos e estratégias de simplificação são implemen- tadas como parte do provador KSP. Para obter o melhor desempenho para uma fórmula específica, ou classe de fórmulas, é importante escolher as estratégias e otimizações mais adequadas. De acordo com [61], o KSP apresenta um ótimo desempenho se o conjunto de símbolos proposicionais for uniformemente distribuído pelos níveis modais. No entanto, quando há um grande número de símbolos proposicionais em apenas um nível específico, a eficiência diminui. A razão é que a tradução para a forma normal usada sempre gera conjuntos satisfatíveis de cláusulas proposicionais, ou seja, cláusulas sem operadores modais. Como resolução depende da saturação do conjunto de cláusulas, isso pode custar muito tempo. Este trabalho contribui para o KSP com a implementação de uma opção adicional à lista de estratégias disponíveis do provador. O objetivo dessa nova opção é tentar reduzir o tempo que o KSP gasta saturando o conjunto de cláusulas, e, possivelmente, aumentar a velocidade na qual as regras de inferência que lidam com o raciocínio modal podem ser aplicadas. Portanto, a contribuição deste trabalho consiste, principalmente, na adição de duas novas regras ao cálculo implementado pelo KSP. Um dos resultados apresentados é a demonstração de que as regras são corretas e a adição de ambas não interfere na completude do provador. Nossa implementação utiliza um provador de satisfatibilidade booleana baseado em aprendizagem de cláusulas conduzida por análise de conflitos (CDCL SAT solver). O problema de satisfatibilidade booleana (SAT) é o problema de determinar se existe al- guma valoração para as variáveis de uma fórmula proposicional que torne esta fórmula verdadeira. Provadores para este problema (SAT solvers) são em geral conhecidos por serem muito eficientes. Esses provadores comumente são capazes de resolver problemas considerados difíceis, com mais de um milhão de variáveis e milhões de restrições [35]. Uma das principais razões para o amplo uso de SAT em muitas aplicações é que os CDCL SAT solvers são muito eficientes na prática [35]. A principal idéia por trás da aprendiza- gem de cláusulas implementada nesses solvers é adicionar as causas de um dado conflito, derivado de atribuições parciais de valores de verdade a símbolos proposicionais, como cláusulas aprendidas. Então essas informações são usadas para podar a árvore de busca por uma valoração satisfatível em diferentes partes. vi Competições anuais também influenciaram o desenvolvimento de implementações in- teligentes e eficientes dos provadores baseados em SAT, como Chaff [56], MiniSat [73] e Glucose [5]. Essas competições permitem que muitas técnicas sejam exploradas e criam uma extensa coleção de instâncias de problemas do mundo real e problemas projetados como desafiadores, formando um grande banco referência de casos de teste [35]. Além da análise de conflitos, os provadores modernos incluem técnicas como estruturas de dados com avaliação preguiçosa, reinicializações de busca, heurísticas de ramificação controlada por conflitos e estratégias de exclusão de cláusulas [14]. Em 2005, mais especificamente, Sörensson e Een desenvolveram um provador SAT com minimização de cláusulas de con- flito, chamado MiniSat [73], que permaneceu por um tempo como o SAT solver do estado da arte. O MiniSat é um provador popular, com um desempenho surpreendente, que implementa de forma sucinta muitas heurísticas conhecidas. Ele ganhou vários prêmios na competição SAT 2005 e tem a vantagem de ser código aberto. Mantém até hoje sua importância como uma ferramenta usada como parte integrada de diferentes siste- mas [26, 27, 28, 75]. Aproveitamos os esforços teóricos e práticos que foram direcionados em melhorar a eficiência de tais provadores para ajudar a acelerar o processo de saturação dentro dos procedimentos já implementados no KSP. Nossa implementação modifica o provador KSP para realizar uma chamada externa ao MiniSat. O provador modificado pode ser encontrado em [1]. A idéia principal por trás dessa combinação é criar uma consulta para o SAT solver contendo cláusulas especiais criadas a partir de cada nível modal. Se o provador baseado em CDCL aprender uma ou mais cláusulas pelo procedimento de análise de conflitos, adicionamos-as ao conjunto de cláusulas proposicionais da respectiva instância do KSP, pois sabemos que essas cláusulas aprendidas são consequências do conjunto que passamos ao MiniSat. Além disso, se o MiniSat concluir que o conjunto dado como entrada é insatisfatível, também aprendemos uma cláusula que, por construção, deve ser uma das premissas das regras de inferência que lidam com raciocínio modal. Aprendendo esta cláusula, nossa hipótese é que a aplicação dessas regras será possível sem que o KSP dependa da saturação do conjunto de cláusulas proposicionais. A combinação implementada foi testada com três grandes bancos de problemas clás- sicos, LWB [11], MQBF [43, 53] e 3CNF [53], em um Ubuntu 18.04 com um processador Intel i7 e 16 GB de memória. Assim como o KSP sozinho, nossa combinação não conseguiu resolver nenhuma instância dos problemas pertecentes ao 3CNF no limite de tempo de 20 minutos. Para os demais bancos, o limite de tempo dado foi de 100 segundos. Os resul- tados experimentais de nossa implementação executando com os bancos MQBF e LWB não apresentaram, em geral, um ganho em tempo de execução, provavelmente devido à sobrecarga que inserimos com a chamada ao MiniSat. vii Entretanto, nossa implementação foi capaz de avançar o KSP na resolução de entradas insatisfatíveis de uma das famílias mais difíceis do banco LWB. Essa família corresponde ao princípio da casa dos pombos estabelecido como fórmulas em Kn. Essas fórmulas são projetadas com um grande número de símbolos proposicionais distribuídos em um máximo de dois níveis modais, o que representa exatamente o cenário para o qual desejávamos me- lhorar a eficiência do KSP. O provador sozinho é capaz de resolver cinco instâncias dessa família, enquanto nossa combinação conseguiu resolver até a nona entrada. Outros pro- vadores na literatura também apresentam grande dificuldade em resolver instâncias dessa família [61]. Além disso, a execução do KSP combinado com o MiniSat para essas entra- das em particular mostrou que o uso do MiniSat permitiu uma diminuição significativa no número de inferências necessárias para que o KSP encontrasse uma prova. Isso é re- levante quando consideramos uso de memória como parâmetro de eficiência. Este último resultado indica que nossa combinação teve um impacto positivo na execução do KSP. Acreditamos que um refinamento nas mudanças implementadas no provador, buscando um meio termo entre a sobrecarga da chamada ao MiniSat e minimizar o número de inferências feitas, poderia levar a resultados ainda melhores.