In many synthesis problems, it can be essential to generate implementations which not only satisfy functional constraints but are also randomized to improve variety, robustness, or unpredictability. The recently-proposed framework of control improvisation (CI) provides techniques for the correct-by-construction synthesis of randomized systems subject to hard and soft constraints. However, prior work on CI has focused on qualitative specifications, whereas in robotic planning and other areas we often have quantitative quality metrics which can be traded against each other. For example, a designer of a patrolling security robot might want to know by how much the average patrol time needs to be increased in order to ensure that a particular aspect of the robot's route is sufficiently diverse and hence unpredictable. In this paper, we enable this type of application by generalizing the CI problem to support quantitative soft constraints which bound the expected value of a given cost function, and randomness constraints which enforce diversity of the generated traces with respect to a given label function. We establish the basic theory of labelled quantitative CI problems, and develop efficient algorithms for solving them when the specifications are encoded by finite automata. We also provide an approximate improvisation algorithm based on constraint solving for any specifications encodable as Boolean formulas. We demonstrate the utility of our problem formulation and algorithms with experiments applying them to generate diverse near-optimal plans for robotic planning problems.


翻译:在许多综合问题中,制定不仅能满足功能限制,而且随机地改进种类、稳健性或不可预测性的实施可能至关重要。最近提出的控制即兴化框架(CI)提供了在硬性和软性限制下对随机化系统进行校正的合成的技术。然而,以前关于CI的工作侧重于质量规格,而在机器人规划和其他领域,我们往往拥有可相互交易的定量质量指标。例如,巡逻安全机器人的设计者可能想知道平均巡逻时间需要增加多少,以确保机器人路线的特定方面足够多样化,因而不可预测。在本文件中,我们通过推广CI问题,使这种类型的应用能够支持数量上的软性限制,这些限制制约了特定成本功能的预期价值,以及随机性限制,这些限制使特定标签功能产生的痕迹具有多样性。我们建立了贴有标签的定量CI问题的基本理论,并发展有效的算法,用于在规格被定数的自动化数据编码时解决这些问题。我们还提供了一种近于该机器人路线的特定方面的具体化方法。我们根据BOI的精确性算算法,在任何规格的公式的制定上,我们用一种约束性化方法来证明我们任何BOIL的公式的精确性算算问题。

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