Reducing the impact of state space explosion in Stochastic Automata Networks

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2009

RESUMO

A solução de modelos markovianos com grande espaço de estados é um dos maiores desafios da área de avaliação de desempenho de sistemas. Os formalismos estruturados, como as Redes de Autômatos Estocásticos (SAN), foram propostos para descrever múltiplos componentes através de autômatos, cujas transições são regidas por eventos locais ou sincronizantes, com taxas de ocorrência constantes ou funcionais. Devido à capacidade de representação modular de SAN, através do uso de álgebra tensorial (ou de Kronecker), armazena-se o gerador infinitesimal do modelo de forma compacta e eficiente em memória. Os métodos numéricos de solção que calculam a distribuição estacionária das probabilidades são adaptados a estas representações tensoriais. A operação básica é a multiplicação vetor-descritor, que é produto de um vetor de probabilidades por termos tensoriais compostos por matrizes normalmente esparsas. O principal algoritmo chama-se Shuffle e é caracterizado pelo acesso e embaralhamento de posições do vetor quando multiplicado pelas matrizes de cada termo. Este método é considerado extremamente eficaz no armazenamento em memória, entretanto apresenta um tempo de processamento alto para a solução de modelos reais. Propõe-se um algoritmo híbrido e mais flexível para a multiplicação vetor-descritor, chamado Split, que coloca o algoritmo Shuffle em perspectiva, apresentando ganhos significativos no tempo de execução para diversas classes de modelos, sem onerar os recursos computacionais. Entretanto, quando os modelos aumentam em escala, este algoritmo numérico torna-se inadequado devido ao problema da explosão do espaço de estados. Para mitigar o impacto deste problema propõe-se o uso de soluções alternativas de simulação, as quais buscam estimar a distribuição estacionária de probabilidades tão próximas quanto possível das soluções analíticas, baseando-se na execução de longas trajetórias. Utiliza-se a técnica de simulação baseada em amostragem perfeita (também chamada de simulação exata), para fornecer amostras confiáveis da distribuição estacionária através do casamento de trajetórias, em tempo de simulação reverso. Esta difere-se da simulação tradicional por evitar o período transiente e a escolha aleatória de um estado inicial. Mostra-se a viabilidade destes algoritmos aplicados a SAN, principalmente quando se detectam propriedades de monotonicidade nos modelos. Espaços de estados parcialmente ordenados e propriedades de monotonicidade permitem a execução de um número reduzido de trajetórias em paralelo para obtenção de uma amostra. A análise numérica iterativa e a simulação de modelos estocásticos são abordagens que apresentam vantagens e limitações quando aplicadas à solução de modelos estruturados como SAN. A principal contribuição desta tese foca na redução do impacto da explosão do espaço de estados de modelos markovianos descritos em SAN, propondo soluções quando o tempo de computação das técnicas analíticas é muito longo ou quando os requisitos de armazenamento do vetor de probabilidade excedem a capacidade de memória das tecnologias correntes.

ASSUNTO(S)

redes de autÔmatos estocÁsticos mÉtodos numÉricos informÁtica ciencia da computacao

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