本文提出了一种验证网络物理安全 - 关键系统中发现的非线性人工神经网络（ANN）行为的方法。我们将Sigmoid函数的专用间隔约束传播器实施到SMT求解器ISAT中，并将这种方法与组成方法进行比较，该方法通过ISAT中可用的基本算术特征和近似方法来编码Sigmoid函数。我们的实验结果表明，专用和组成方法明显优于近似方法。在我们所有的基准中，专门的方法与组成方法相比表现出相等或更好的性能。

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。

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.

Deep neural networks have achieved impressive experimental results in image classification, but can surprisingly be unstable with respect to adversarial perturbations, that is, minimal changes to the input image that cause the network to misclassify it. With potential applications including perception modules and end-to-end controllers for self-driving cars, this raises concerns about their safety. We develop a novel automated verification framework for feed-forward multi-layer neural networks based on Satisfiability Modulo Theory (SMT). We focus on safety of image classification decisions with respect to image manipulations, such as scratches or changes to camera angle or lighting conditions that would result in the same class being assigned by a human, and define safety for an individual decision in terms of invariance of the classification within a small neighbourhood of the original image. We enable exhaustive search of the region by employing discretisation, and propagate the analysis layer by layer. Our method works directly with the network code and, in contrast to existing methods, can guarantee that adversarial examples, if they exist, are found for the given region and family of manipulations. If found, adversarial examples can be shown to human testers and/or used to fine-tune the network. We implement the techniques using Z3 and evaluate them on state-of-the-art networks, including regularised and deep learning networks. We also compare against existing techniques to search for adversarial examples and estimate network robustness.

Deep neural networks have emerged as a widely used and effective means for tackling complex, real-world problems. However, a major obstacle in applying them to safety-critical systems is the great difficulty in providing formal guarantees about their behavior. We present a novel, scalable, and efficient technique for verifying properties of deep neural networks (or providing counter-examples). The technique is based on the simplex method, extended to handle the non-convex Rectified Linear Unit (ReLU ) activation function, which is a crucial ingredient in many modern neural networks. The verification procedure tackles neural networks as a whole, without making any simplifying assumptions. We evaluated our technique on a prototype deep neural network implementation of the next-generation airborne collision avoidance system for unmanned aircraft (ACAS Xu). Results show that our technique can successfully prove properties of networks that are an order of magnitude larger than the largest networks verified using existing methods.

作为神经网络（NNS）越来越多地引入安全关键域，在部署之前越来越需要在部署之前正式验证NNS。在这项工作中，我们专注于NN等效的正式验证问题，其旨在证明两个NNS（例如原件和压缩版本）显示等效行为。已经提出了两种方法：混合整数线性编程和间隔传播。虽然第一种方法缺乏可扩展性，但后者仅适用于结构性相似的NN，其重量变化很小。我们纸张的贡献有四个部分。首先，我们通过证明epsilon-andatience问题是突出的，我们表现出理论结果。其次，我们扩展了Tran等人。单个NN几何路径枚举算法以多个NN的设置。在第三步中，我们实现了扩展算法，用于等价验证，评估其实际使用所需的优化。最后，我们执行比较评估，显示我们的方法优于前一种最先进的现有技术，两者，用于等效验证以及反例查找。

由于它们在计算机视觉，图像处理和其他人领域的优异性能，卷积神经网络具有极大的普及。不幸的是，现在众所周知，卷积网络通常产生错误的结果 - 例如，这些网络的输入的小扰动可能导致严重的分类错误。近年来提出了许多验证方法，以证明没有此类错误，但这些通常用于完全连接的网络，并且在应用于卷积网络时遭受加剧的可扩展性问题。为了解决这一差距，我们在这里介绍了CNN-ABS框架，特别是旨在验证卷积网络。 CNN-ABS的核心是一种抽象细化技术，它通过拆除卷积连接，以便在这种方式创造原始问题的过度逼近来简化验证问题;如果产生的问题变得过于抽象，它会恢复这些连接。 CNN-ABS旨在使用现有的验证引擎作为后端，我们的评估表明它可以显着提高最先进的DNN验证引擎的性能，平均降低运行时间15.7％。

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 present AI 2 , the first sound and scalable analyzer for deep neural networks. Based on overapproximation, AI 2 can automatically prove safety properties (e.g., robustness) of realistic neural networks (e.g., convolutional neural networks).The key insight behind AI 2 is to phrase reasoning about safety and robustness of neural networks in terms of classic abstract interpretation, enabling us to leverage decades of advances in that area. Concretely, we introduce abstract transformers that capture the behavior of fully connected and convolutional neural network layers with rectified linear unit activations (ReLU), as well as max pooling layers. This allows us to handle real-world neural networks, which are often built out of those types of layers.We present a complete implementation of AI 2 together with an extensive evaluation on 20 neural networks. Our results demonstrate that: (i) AI 2 is precise enough to prove useful specifications (e.g., robustness), (ii) AI 2 can be used to certify the effectiveness of state-of-the-art defenses for neural networks, (iii) AI 2 is significantly faster than existing analyzers based on symbolic analysis, which often take hours to verify simple fully connected networks, and (iv) AI 2 can handle deep convolutional networks, which are beyond the reach of existing methods.

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。

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。

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。

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。

我们考虑了认证深神经网络对现实分布变化的鲁棒性的问题。为此，我们通过提出一个新型的神经符号验证框架来弥合手工制作的规格和现实部署设置之间的差距模型。这种环境引起的一个独特的挑战是，现有的验证者不能紧密地近似sigmoid激活，这对于许多最新的生成模型至关重要。为了应对这一挑战，我们提出了一个通用的元算象来处理乙状结肠激活，该乙状结激素利用反示例引导的抽象细化的经典概念。关键思想是“懒惰地”完善Sigmoid函数的抽象，以排除先前抽象中发现的虚假反示例，从而确保验证过程中的进展，同时保持状态空间较小。 MNIST和CIFAR-10数据集的实验表明，我们的框架在一系列具有挑战性的分配变化方面大大优于现有方法。

QNNVerifier是第一个用于验证神经网络实现的开源工具，以考虑其操作数的有限字长（即量化）。通过采用最先进的软件模型检查（SMC）技术来实现对量化的新颖支持。它将神经网络的实现基于可满足模数理论（SMT）来将神经网络的实现到一阶逻辑的可解除片段。通过给定硬件确定的精度，通过直接实现来表示固定和浮点操作的影响。此外，Qnnverifier允许指定定制安全性能，并使用不同的验证策略（增量和K-Incuction）和SMT求解器来验证所产生的模型。最后，QNNVerifier是第一个通过间隔分析和非线性激活功能的离散化来组合不变推论的工具，以加快级别验证神经网络的级数。 qnnverifier的视频呈现可在https://youtu.be/7jmgol41zty中获得

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。

本文提出了一种新的可达性分析工具，用于计算给定输入不确定性下的前馈神经网络的输出集的间隔过度近似。所提出的方法适应神经网络的现有混合单调性方法，用于可动力分析的动态系统，并将其应用于给定神经网络内的所有可能的部分网络。这确保了所获得的结果的交叉点是可以使用混合单调性获得的每层输出的最紧密的间隔过度近似。与文献中的其他工具相比，专注于小类分段 - 仿射或单调激活功能，我们方法的主要优势是其普遍性，它可以处理具有任何嘴唇智能连续激活功能的神经网络。此外，所提出的框架的简单性允许用户通过简单地提供函数，衍生和全局极值以及衍生物的相应参数来非常容易地添加未实现的激活功能。我们的算法经过测试，并将其与1000个随机生成的神经网络上的五个基于间隔的工具进行了比较，用于四个激活功能（Relu，Tanh，Elu，Silu）。我们表明我们的工具总是优于间隔绑定的传播方法，并且我们获得比Reluval，神经化，Verinet和Crown（适用于案件的时）更严格的输出界限。

我们考虑非线性优化问题，涉及神经网络代表代理模型。我们首先展示了如何直接将神经网络评估嵌入优化模型中，突出难以防止收敛的方法，然后表征这些模型的平稳性。然后，我们在具有Relu激活的前馈神经网络的特定情况下存在两种替代配方，其具有recu激活：作为混合整数优化问题，作为具有互补限制的数学程序。对于后一种制剂，我们证明了在该问题的点处的有同性，对应于嵌入式制剂的实质性。这些配方中的每一个都可以用最先进的优化方法来解决，并且我们展示了如何为这些方法获得良好的初始可行解决方案。我们将三种实际应用的配方进行比较，在燃烧发动机的设计和控制中产生的三种实际应用，在对分类器网络的对抗攻击中产生的产生，以及在油井网中的最佳流动确定。

随着神经网络作为任务至关重要系统中组成部分的越来越多的整合，越来越需要确保它们满足各种安全性和livesice要求。近年来，已经提出了许多声音和完整的验证方法，但这些方法通常受到严重的可伸缩性限制。最近的工作提出了通过抽象 - 再填充功能增强这种验证技术的增强，这些功能已被证明可以提高可伸缩性：而不是验证大型且复杂的网络，而是验证者构造，然后验证一个较小的网络，其正确性意味着原始的正确性网络。这种方案的缺点是，如果验证较小的网络失败，则验证者需要执行改进步骤，以增加验证网络的大小，然后开始从SCRATCH验证新网络 - 有效地``'浪费''它的早期工作在验证较小的网络方面。在本文中，我们通过使用\ emph {残留推理}来提高基于抽象的神经网络验证的增强：在验证抽象网络时使用信息的过程，以加快对精制网络的验证。本质上，该方法允许验证者存储有关确保正确行为的搜索空间部分的信息，并允许其专注于可能发现错误的区域。我们实施了我们的方法，以扩展到Marabou验证者，并获得了有希望的结果。

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。