我们介绍了一种新颖的方法来对计算机程序进行自动终止分析：我们使用神经网络来表示排名功能。排名函数映射程序状态为从下面界限并随着程序运行而减小的值；排名函数的存在证明了程序终止。我们从程序的采样执行轨迹训练神经网络，以使网络的输出沿轨迹降低；然后，我们使用符号推理正式验证其对所有可能执行的概括。通过肯定的答案，我们获得了该计划的正式终止证书，我们称之为神经排名函数。我们证明，由于神经网络代表非线性功能的能力，我们的方法成功地超过了最先进工具的程序。这包括在其循环条件和包括非线性表达式的程序中使用析取的程序。

我们提出了一种新的方法来自动化定理证明和演绎计划的综合，其中alphazero式的代理人正在自我培训，以完善以非确定计划表示的高级专家策略。一个类似的教师代理人是自我训练，以产生对学习者的适当相关性和难度的任务。这允许利用最少的域知识来解决训练数据无法获得或难以合成的问题。我们说明了关于命令程序不变合成问题的方法，并使用神经网络来完善教师和求解器策略。

神经网络越来越依赖于复杂安全系统（例如自动驾驶汽车）的组成部分。对在更大的验证周期中嵌入神经网络验证的工具和方法的需求很高。但是，由于关注的广泛验证属性，很难进行神经网络验证，通常每个验证属性仅适用于专用求解器中的验证。在本文中，我们展示了最初设计用于验证，验证和仿真金融基础架构的功能编程语言的Imandra如何为神经网络验证提供整体基础架构。我们开发了一个新颖的图书馆Checkinn，该图书馆在Imandra的神经网络上形式化，并涵盖了神经网络验证的不同重要方面。

神经网络已广泛应用于垃圾邮件和网络钓鱼检测，入侵预防和恶意软件检测等安全应用程序。但是，这种黑盒方法通常在应用中具有不确定性和不良的解释性。此外，神经网络本身通常容易受到对抗攻击的影响。由于这些原因，人们对可信赖和严格的方法有很高的需求来验证神经网络模型的鲁棒性。对抗性的鲁棒性在处理恶意操纵输入时涉及神经网络的可靠性，是安全和机器学习中最热门的主题之一。在这项工作中，我们在神经网络的对抗性鲁棒性验证中调查了现有文献，并在机器学习，安全和软件工程领域收集了39项多元化研究工作。我们系统地分析了它们的方法，包括如何制定鲁棒性，使用哪种验证技术以及每种技术的优势和局限性。我们从正式验证的角度提供分类学，以全面理解该主题。我们根据财产规范，减少问题和推理策略对现有技术进行分类。我们还展示了使用样本模型在现有研究中应用的代表性技术。最后，我们讨论了未来研究的开放问题。

General mathematical reasoning is computationally undecidable, but humans routinely solve new problems. Moreover, discoveries developed over centuries are taught to subsequent generations quickly. What structure enables this, and how might that inform automated mathematical reasoning? We posit that central to both puzzles is the structure of procedural abstractions underlying mathematics. We explore this idea in a case study on 5 sections of beginning algebra on the Khan Academy platform. To define a computational foundation, we introduce Peano, a theorem-proving environment where the set of valid actions at any point is finite. We use Peano to formalize introductory algebra problems and axioms, obtaining well-defined search problems. We observe existing reinforcement learning methods for symbolic reasoning to be insufficient to solve harder problems. Adding the ability to induce reusable abstractions ("tactics") from its own solutions allows an agent to make steady progress, solving all problems. Furthermore, these abstractions induce an order to the problems, seen at random during training. The recovered order has significant agreement with the expert-designed Khan Academy curriculum, and second-generation agents trained on the recovered curriculum learn significantly faster. These results illustrate the synergistic role of abstractions and curricula in the cultural transmission of mathematics.

归纳逻辑编程（ILP）是一种机器学习的形式。ILP的目标是诱导推广培训示例的假设（一组逻辑规则）。随着ILP转30，我们提供了对该领域的新介绍。我们介绍了必要的逻辑符号和主要学习环境;描述ILP系统的构建块;比较几个维度的几个系统;描述四个系统（Aleph，Tilde，Aspal和Metagol）;突出关键应用领域;最后，总结了未来研究的当前限制和方向。

组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。

回答集编程（ASP）已成为一种流行的和相当复杂的声明问题解决方法。这是由于其具有吸引力的地址解决方案的工作流程，这是可以轻松解决问题解决的方法，即使对于计算机科学外的守护者而言。与此不同，底层技术的高度复杂性使得ASP专家越来越难以将想法付诸实践。有关解决此问题，本教程旨在使用户能够构建自己的基于ASP的系统。更确切地说，我们展示了ASP系统Clingo如何用于扩展ASP和实现定制的专用系统。为此，我们提出了两个替代方案。我们从传统的AI技术开始，并展示元编程如何用于扩展ASP。这是一种相当轻的方法，依赖于Clingo的reation特征来使用ASP本身表达新功能。与此不同，本教程的主要部分使用传统的编程（在Python中）来通过其应用程序编程接口操纵Clingo。这种方法允许改变和控制ASP的整个模型 - 地面解决工作流程。 COMENT of Clingo的新应用程序课程使我们能够通过自定义类似于Clingo中的进程来绘制Clingo的基础架构。例如，我们可能会互动到程序的抽象语法树，控制各种形式的多射击求解，并为外国推论设置理论传播者。另一种横截面结构，跨越元以及应用程序编程是Clingo的中间格式，即指定底层接地器和求解器之间的界面。我们通过示例和几个非琐碎的案例研究说明了本教程的前述概念和技术。

背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。

贝叶斯神经网络（BNNS）将分布放在神经网络的重量上，以模拟数据的不确定性和网络的预测。我们考虑在具有无限时间地平线系统的反馈循环中运行贝叶斯神经网络策略时验证安全的问题。与现有的基于样品的方法相比，这是不可用的无限时间地平线设置，我们训练一个单独的确定性神经网络，用作无限时间的地平线安全证书。特别是，我们证明证书网络保证了系统的安全性在BNN重量后部的子集上。我们的方法首先计算安全重量，然后改变BNN的重量后，以拒绝在该组外的样品。此外，我们展示了如何将我们的方法扩展到安全探索的强化学习环境，以避免在培训政策期间的不安全轨迹。我们在一系列加固学习基准上评估了我们的方法，包括非Lyapunovian安全规范。

随着深度学习在关键任务系统中的越来越多的应用，越来越需要对神经网络的行为进行正式保证。确实，最近提出了许多用于验证神经网络的方法，但是这些方法通常以有限的可伸缩性或不足的精度而挣扎。许多最先进的验证方案中的关键组成部分是在网络中可以为特定输入域获得的神经元获得的值计算下限和上限 - 并且这些界限更紧密，验证的可能性越大，验证的可能性就越大。成功。计算这些边界的许多常见算法是符号结合传播方法的变化。其中，利用一种称为后替代的过程的方法特别成功。在本文中，我们提出了一种使背部替代产生更严格的界限的方法。为了实现这一目标，我们制定并最大程度地减少背部固定过程中发生的不精确错误。我们的技术是一般的，从某种意义上说，它可以将其集成到许多现有的符号结合的传播技术中，并且只有较小的修改。我们将方法作为概念验证工具实施，并且与执行背部替代的最先进的验证者相比，取得了有利的结果。

最近，图形神经网络（GNN）已应用于群集上的调整工作，比手工制作的启发式方法更好地表现了。尽管表现令人印象深刻，但仍然担心这些基于GNN的工作调度程序是否满足用户对其他重要属性的期望，例如防止策略，共享激励和稳定性。在这项工作中，我们考虑对基于GNN的工作调度程序的正式验证。我们解决了几个特定领域的挑战，例如网络，这些挑战比验证图像和NLP分类器时遇到的更深层和规格更丰富。我们开发了拉斯维加斯，这是基于精心设计的算法，将这些调度程序的单步和多步属性验证的第一个通用框架，它们结合了抽象，改进，求解器和证明传输。我们的实验结果表明，与以前的方法相比，维加斯在验证基于GNN的调度程序的重要特性时会达到显着加速。

Two approaches to AI, neural networks and symbolic systems, have been proven very successful for an array of AI problems. However, neither has been able to achieve the general reasoning ability required for human-like intelligence. It has been argued that this is due to inherent weaknesses in each approach. Luckily, these weaknesses appear to be complementary, with symbolic systems being adept at the kinds of things neural networks have trouble with and vice-versa. The field of neural-symbolic AI attempts to exploit this asymmetry by combining neural networks and symbolic AI into integrated systems. Often this has been done by encoding symbolic knowledge into neural networks. Unfortunately, although many different methods for this have been proposed, there is no common definition of an encoding to compare them. We seek to rectify this problem by introducing a semantic framework for neural-symbolic AI, which is then shown to be general enough to account for a large family of neural-symbolic systems. We provide a number of examples and proofs of the application of the framework to the neural encoding of various forms of knowledge representation and neural network. These, at first sight disparate approaches, are all shown to fall within the framework's formal definition of what we call semantic encoding for neural-symbolic AI.

在过去的十年中，神经网络（NNS）已被广泛用于许多应用程序，包括安全系统，例如自主系统。尽管采用了新兴的采用，但众所周知，NNS容易受到对抗攻击的影响。因此，提供确保此类系统正常工作的保证非常重要。为了解决这些问题，我们介绍了一个修复不安全NNS W.R.T.的框架。安全规范，即利用可满足的模型理论（SMT）求解器。我们的方法能够通过仅修改其重量值的一些重量值来搜索新的，安全的NN表示形式。此外，我们的技术试图最大程度地提高与原始网络在其决策边界方面的相似性。我们进行了广泛的实验，以证明我们提出的框架能够产生安全NNS W.R.T.的能力。对抗性的鲁棒性特性，只有轻度的准确性损失（就相似性而言）。此外，我们将我们的方法与天真的基线进行比较，以证明其有效性。总而言之，我们提供了一种算法以自动修复具有安全性的算法，并建议一些启发式方法以提高其计算性能。当前，通过遵循这种方法，我们能够产生由分段线性relu激活函数组成的小型（即具有多达数百个参数）的小型（即具有多达数百个参数）。然而，我们的框架是可以合成NNS W.R.T.的一般框架。一阶逻辑规范的任何可决定片段。

We study the problem of training and certifying adversarially robust quantized neural networks (QNNs). Quantization is a technique for making neural networks more efficient by running them using low-bit integer arithmetic and is therefore commonly adopted in industry. Recent work has shown that floating-point neural networks that have been verified to be robust can become vulnerable to adversarial attacks after quantization, and certification of the quantized representation is necessary to guarantee robustness. In this work, we present quantization-aware interval bound propagation (QA-IBP), a novel method for training robust QNNs. Inspired by advances in robust learning of non-quantized networks, our training algorithm computes the gradient of an abstract representation of the actual network. Unlike existing approaches, our method can handle the discrete semantics of QNNs. Based on QA-IBP, we also develop a complete verification procedure for verifying the adversarial robustness of QNNs, which is guaranteed to terminate and produce a correct answer. Compared to existing approaches, the key advantage of our verification procedure is that it runs entirely on GPU or other accelerator devices. We demonstrate experimentally that our approach significantly outperforms existing methods and establish the new state-of-the-art for training and certifying the robustness of QNNs.

深度神经网络（DNN）越来越多地用于安全至关重要的系统中，迫切需要保证其正确性。因此，验证社区设计了多种技术和工具来验证DNN。当DNN验证者发现触发错误的输入时，很容易确认；但是，当他们报告不存在错误时，就无法确保验证工具本身没有缺陷。由于在DNN验证工具中已经观察到了多个错误，因此这将DNN验证的适用性提出了质疑。在这项工作中，我们提出了一种具有证明生产能力的基于简单的DNN验证符的新型机制：产生易于检查的不可满足性的见证人，这证明了没有错误的情况。我们的证明生产是基于众所周知的Farkas引理的有效适应，并结合了处理分段线性函数和数值精确误差的机制。作为概念的证明，我们在Marabou DNN验证者之上实施了我们的技术。我们对避免空中碰撞的安全至关重要系统的评估表明，在几乎所有情况下，证明生产都成功了，只需要最小的开销。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

从数据中学到的分类器越来越多地用作安全是关键问题的系统中的组件。在这项工作中，我们通过称为安全订购约束的约束来提出针对分类器的正式安全概念。这些限制条件将分类器输出的类输出的顺序与输入的条件有关，并且表达足以编码文献中分类器安全规范的各种有趣的示例。对于使用神经网络实施的分类器，我们还提出了一种运行时机制，用于执行安全订购约束。我们的方法基于一个自我校正层，该层可证明，无论分类器输入的特征如何，它都可以产生安全的输出。我们将此层与现有的神经网络分类器组成，以构建自我校正网络（SC-NET），并证明除了提供安全的输出外，SC-NET还可以保证尽可能保留原始网络的分类精度。我们的方法独立于用于分类的神经网络的大小和体系结构，仅取决于指定的属性和网络输出的尺寸；因此，它可扩展到大型最新网络。我们表明，我们的方法可以针对GPU进行优化，从而在当前硬件上引入了少于1ms的运行时开销 - 即使在包含数十万个神经元和数百万参数的大型，广泛使用的网络上。

We present an approach for the verification of feed-forward neural networks in which all nodes have a piece-wise linear activation function. Such networks are often used in deep learning and have been shown to be hard to verify for modern satisfiability modulo theory (SMT) and integer linear programming (ILP) solvers.The starting point of our approach is the addition of a global linear approximation of the overall network behavior to the verification problem that helps with SMT-like reasoning over the network behavior. We present a specialized verification algorithm that employs this approximation in a search process in which it infers additional node phases for the non-linear nodes in the network from partial node phase assignments, similar to unit propagation in classical SAT solving. We also show how to infer additional conflict clauses and safe node fixtures from the results of the analysis steps performed during the search. The resulting approach is evaluated on collision avoidance and handwritten digit recognition case studies.

我们提出了Caisar，这是一个正在积极开发的开源平台，以表征AI Systems的鲁棒性和安全性。Caisar提供了一个统一的入口点，用于使用WhyML（Why3验证平台的成熟和表达语言）来定义验证问题。此外，Caisar协调并创建了最先进的机器学习验证工具，该工具单独无法有效地处理所有问题，但总体可以涵盖越来越多的属性。我们的目的是一方面，通过减少选择针对给定验证问题量身定制的方法的负担来协助V \＆v流程，另一方面描述一个平台。CAISAR很快将在https://git.frama-c.com/pub/caisar提供。