TCBV:一种构件时序行为建模与相容性验证工具

利用形式化方法对复杂实时构件系统的时序行为进行建模与验证对于提高安全攸关实时构件系统的正确性、可靠性与安全性具有重要意义。介绍了基于时间行为协议的构件时序行为的形式化建模和相容性验证方法,给出了时间行为协议建模与相容性验证工具TCBV的系统架构与功能模块。TCBV应用方便,能够实现实时构件时序行为模型的图形化表示,并可对复杂交互行为的相容性进行自动验证。结合应用实例,介绍了如何利用TCBV对复杂实时构件系统的时序行为进行建模和验证。最后,将TCBV与其它相关工具进行了比较。     

基于扩展DPN的CPS混成行为时效建模与综合评估

信息物理融合系统行为是一种由离散计算过程与连续物理动态过程深度融合并紧密交互的混成行为.在CPS设计早期对信息系统实体的信息实体的关键监控参数、实时指标,以及物理系统设施的连续行为规律进行综合评估,是这类系统进一步设计与实现的基础.基于扩展DPN语义,以某智能车CPS系统自主行进紧急避障过程为研究对象,建立了其信息物理混成行为的Petri网模型,以融合并集中体现各关键参数和指标的时序协作效应;通过对该模型的仿真运行,实现了CPS行为的在线观测与综合评估.该方法为CPS子系统关键设计指标的综合合理性评估及其组合设计提供了一种解决途径.     

面向CPS系统仿真的建模方法研究与设计

CPS仿真建模在构建CPS系统时具有重要意义,不仅能够在系统开发过程中对系统进行验证和测试,而且是模型驱动开发中的重要环节。CPS系统通过精化和提炼可分为物理实体和计算实体,采用具有动态连续性、基于时间的运动状态行为模型构建物理实体;计算实体模型则采用基于有限状态机的离散系统行为模型进行构建。通过面向时间的状态精化对两种行为模型进行扩展,将两种扩展模型进行融合,完成CPS系统的建模仿真。分析了构建计算实体模型的统一建模语言(UML)以及构建物理实体模型的simulink/RTW建模工具的可行性,提出了基于UML框架的两种异质模型融合方法。     

基于SMT的时钟约束语言CCSL的形式化分析方法与工具

时钟约束语言CCSL是一种用于描述实时嵌入式系统中事件之间约束的形式化语言.它是UML针对实时嵌入式系统建模的扩展包MARTE （Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded systems）中用于对时间建模的一个子语言.给定一组由CCSL定义的时钟约束条件,需要判断是否存在某种调度策略满足约束,是否所有满足这些约束的行为都不会导致系统死锁等分析.针对CCSL的形式化分析目前已经有一定的研究工作,如基于状态迁移系统与时间自动机的方法等.但这些方法要么只针对某种特定的分析,要么只适用于部分CCSL约束,要么分析效率较低.本文提出一种基于SMT的统一且高效的CCSL形式化分析方法.统一性体现在其可用于有效性证明、迹分析、死锁检测、LTL模型检测等方面的验证与分析.基于该方法开发了原型工具同时支持上述四种验证功能.工具集成了当前最高效的SMT求解器Z3和CVC4.得益于SMT求解器的高效性,实验中大部分的验证可以在短时间内完成.     

基于时序约束建模的自动精化和组合工具

为提供更优质的使用Event-B形式化方法建模混合系统的工具,根据混合系统的时序约束建模方法,其能够很好刻画混合系统建模中的时间相关性质并且支持精化和组合,提出基于它的自动筛选、精化和组合的方法.开发对应的自动精化和组合的工具链,工具链包含模型检测、自动精化和组合、模型证明等一系列功能并拥有用户友好的界面.给出一个使用工具的案例介绍和应用此工具.     

满足复杂要求的机器人最优巡回控制系统设计与实现

本文结合线性时序逻辑理论与模糊控制方法,设计并实现了一种满足复杂任务需求的移动机器人巡回控制系统,它既能够针对复杂时序任务进行路径规划,又能够对机器人进行模糊控制实现路径跟踪.首先,基于线性时序逻辑理论,确定能够满足复杂巡回任务需求的全局最优路径.接着,根据所获得的最优路径,采用模糊控制方法设计轨迹跟踪控制器,使其通过实时位姿反馈对机器人进行路径跟踪控制.仿真结果验证了移动机器人巡回控制系统的有效性.最后,基于E-Puck移动机器人构建了能够满足复杂任务需求的移动机器人巡回控制实验系统.基于所提出的最优巡回路径规划算法和模糊控制器设计方法,通过图像处理、数据通信、算法加载等软件模块的实现完成了满足复杂任务需求的移动机器人巡回控制.     

基于遗传规划的行为模型精化方法

行为模型的精化是软件工程中的基于模型驱动开发的关键问题.基于针对环境的形式化行为模型和形式化方法中的精化理论,提出了一种基于遗传规划的行为模型的自动精化方法.该方法将精化看作可执行的基本操作的组合过程.首先通过分析抽象行为的后置条件公式,执行基于逻辑归约的精化方法,从而生成循环结构和其他简单新行为的描述.然后利用基于遗传规划的精化方法对新行为继续精化,直到产生的程序最终由基本操作构成.由于传统的遗传规划方法对选择结构难以演化,提出了组合终止条件的概念.通过测试组合终止条件,选择结构也能较好的产生.最后以排序问题为例,给出实际的演化过程,结果说明该方法具有较强的可行性.事实上该方法适用于任何由若干基本操作组合以完成复杂操作的问题求解过程.     

面向实时数据的CPS一体化建模方法

信息物理系统（cyber-physical system，简称CPS）是一个在环境感知的基础上整合了物理和计算元素的系统，它可以智能地响应真实世界的动态变化，具有重要而广阔的应用前景.然而，CPS工作在复杂的物理环境中，周围的物理变化会对CPS的行为产生影响.因此，确保CPS在复杂环境中的安全性和可靠性至关重要.提出了一种面向实时数据的一体化建模方法，通过定义一系列的规则，将领域环境模型组合到运行时验证过程中去，从而保证CPS在不确定环境中的安全性和可靠性.该方法首先为环境建立数学模型.然后，设计合并规则将相同系统参数下仅有一个环境影响因子的数学模型合并为相同系统参数下有一个或多个环境影响因子的数学模型.之后，定义转换规则，将数学模型转换为伪代码表示的环境模型.最后，根据组合规则将环境模型组合到运行时监视模型中执行验证.该方法使得监视模型更加完整、准确，当环境发生变化时，通过动态调整参数范围使得CPS中的安全属性在复杂的物理环境中仍然得以满足.将该方法应用到移动机器人避障实验中，对影响电池容量的温度和湿度进行数学建模，然后将环境模型组合到监视模型中去，最终实现在执行任务前可以根据不同的物理环境准确地给出续航时间安全提醒.     

基于时序模型迁移的间歇过程监测建模方法

针对工业生产过程频繁变更操作条件的需求, 提出一种基于时序模型迁移的方法, 通过从旧过程数据中挖掘并提取相似性信息, 可以快速建立新过程的监测模型. 将该建模方法与时序模型迁移相结合应用于青霉素发酵仿真过程, 实验结果验证了该方法的有效性.

     

基于协议的实时构件行为一致性验证

对复杂实时构件系统行为进行形式化描述和一致性验证,可以提高实时构件的可复用性和系统的正确性、可靠性。分析了时间行为协议TBP(Timed Behavior Protocol)及其它学术界和工业界常用的时序行为形式化描述方法,对实时构件替换理论进行了讨论,给出了基于时间行为协议的构件一致性验证算法并对其进行了分析。     

基于行为逻辑的时序使用控制模型

着眼于单主体访问操作中的原子行为和时序性质,采用时序模态逻辑,提出一种基于行为的时序使用控制模型.该逻辑框架包含了与授权相关的按时间节点预定义的行为、由主客体属性和系统所表达的状态序列及状态谓词.在给出了一种策略语言后,对其语法和语义进行了形式定义,并根据使用控制(UCON)模型族的行为特性给出了控制策略.该逻辑模型不仅可以形式化描述使用控制基本原理,而且有助于准确并自动化地判定策略的可满足性,具有良好的灵活性和表达能力.     

面向服务的信息物理融合系统建模与验证

针对信息物理融合系统(CPS)中建模与验证面临的问题与挑战,基于服务组合的思想,提出一种CPS建模与验证方法。首先,综合分析已有研究成果,提出一种CPS的组成结构,包含物理世界、感知系统、信息处理系统、控制系统及时间约束。基于该结构提出CPS资源的服务分类及组成框架,并利用时间自动机理论,提出CPS物理环境建模方法、CPS原子服务建模方法及服务组合方法。最后,通过案例设计和模型检测工具Uppaal,分别对系统安全性、可达性、活性及时间约束四种类型的性质进行了相关验证。结果表明,系统通过了这些性质的验证,这也证明了面向服务的CPS建模方法的正确性。     

基于Event-B 方法的多应用智能卡的建模与开发

Event-B是一种基于集合论和谓词逻辑的形式化系统语言,能够采用精化策略为系统建立逐渐精化的模型。提出了如何将Event B应用到实际工业领域的方法,包括重写需求、建立抽象模型及逐层精化三个步骤。首先从环境、功能、性质三个主要方面重写需求,明确精化策略;然后利用形式化方法建立抽象模型并验证该模型;最后,在正确的抽象模型上按照精化策略添加需求、逐层精化,并对每层模型进行验证,基于满足需求的最后一层模型,可进一步利用工具完成代码自动生成。该方法学采用精化理论,以逐层递增的方式明确被开发系统的需求及性质,并进行形式化建模与验证,确保了模型的正确性。为了说明该方法学的可行性,以真正工业界的多应用智能卡为实例,基于Event-B方法及其工具平台Rodin给出了该方法在实际建模及验证过程中的应用。     

网上证券交易系统的时序Petri网描述及验证

基于时序Petri网对我国现行网上静态和动态证券交易系统进行了模拟、形式描述及功能正确性验证.应用时序逻辑推理规则,从形式上严格证明了证券交易系统需求规范及其时序Petri网模型动态行为的一致性.结果表明,时序Petri网能够清楚而简单地描述事件间的因果关系和时序关系以及并发系统中某些与时间有关的重要性质,如最终性和公平性.因此,时序Petri网可作为并发系统形式化描述和分析的有力工具.     

模型精化过程中模型间一致性检测研究

传统的模型精化过程中模型间一致性检测专注于检测模型自身的正确性、死锁、以及不变式保持性等,而无法保证模型间行为方面的一致性。为此提出利用系统行为属性来反应模型行为,结合模型检测的方法来检测模型间的行为一致性。首先对精化前模型分析生成抽象测试用例并抽取其代表的系统行为属性;然后根据精化后的模型抽取模型精化关系并进一步更新系统属性;最后使用这些系统行为属性来验证精化后的模型是否依然满足其代表的系统行为,如果不满足则说明模型间存在不一致行为,可以通过生成的反例路径找出不一致的位置。实验结果表明使用该方法可以有效找出模型精化前后的大多数不一致行为。     

工作流时序约束模型分析与验证方法

为了解决工作流时间建模与时序一致性验证问题,以时序逻辑和模型检查为基础,提出了一种工作流时间建模与时序一致性验证方法.该方法用一阶逻辑描述工作流模型及其时间信息,用时序逻辑描述工作流的时序约束,用模型检查算法对时序约束进行验证与分析.该方法不是针对某一种时序约束提出来的,而是能够验证任何用时序逻辑描述的工作流时序约束.该方法还能够对未通过验证的时序约束提供工作流运行实例作为反例,帮助用户定位模型的问题.以一个工作流时间建模和时序一致性验证的实例证实了所提出方法的有效性.     

应用于GIS系统的多级时序数据模型

GIS中地理对象生命期的表示以及动态信息的表达需要时序数据的支持。一些基于关系数据库的GIS系统在实现时序数据时形成大量的数据冗余且难以维护数据的一致性。针对这些问题，结合GIS中对于时序精度的不同需求，提出了一种多级别时序数据模型。讨论了时间的相关概念，定义了一套基本的时间对象类型，提出并解释了对象级和属性级时序数据模型。基于面向对象数据库的实现显示，模型不仅满足了GIS中支持时序数据的需求，同时在存储开销、数据一致性等方面具有显著的优点。     

一种面向软件行为和多视点的需求模型验证方法

软件需求分析是软件开发生命周期中最重要的步骤之一.模型驱动的需求分析方法将需求模型作为需求规格说明的补充,从一个或多个角度对非形式化的需求信息进行正确性验证以发现需求规格中的不一致和不完整性等.本文在一种新型的,基于软件行为和多视点的需求建模方法基础上,依据其构造特点,提出需求模型的分析以及验证方法.该方法主要通过构造模型待验证性质的行为时序逻辑规约,以需求模型对应的有穷状态迁移系统为基础,结合On-The-Fly的方法验证性质规约是否语义满足该状态迁移系统.此外,从命题抽象的角度对该验证方法进行优化.针对该方法实现了模型验证工具原型.     

基于SHML的CPS行为建模及仿真

信息物理融合系统（cyber-physical systems，简称CPS）是深度融合了计算进程和物理进程的统一体，是集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，具有广阔的应用前景.CPS的行为具有混成性、随机性等特征，建模及仿真CPS的动态行为对于开发高质量的CPS系统至关重要.但是目前缺乏面向CPS的领域建模方法及建模CPS的领域建模语言，也迫切需要支持仿真CPS领域模型的仿真工具.针对以上问题，提出一种面向CPS领域的随机混成建模语言（stochastic hybrid modeling language，简称SHML）以支持建模CPS系统的行为.首先，根据CPS的领域特征定义了SHML的元模型作为其抽象语法，并定义了SHML的具体语法和操作语义；其次，基于GEMOC框架实现了SHML的可视化建模工具.此外，集成GEMOC的序列化执行引擎和Scilab的连续行为仿真引擎，实现仿真CPS的混成行为.提出了一种面向CPS领域的建模及仿真方法，设计并实现了一个集成的面向CPS行为的建模与仿真平台，为CPS的建模及仿真提供了一种有效的方法及工具支撑.     

基于UML的概念模型的Petri网映射算法研究

概念模型的动态部分由于其复杂性不易通过阅读式的审查实施验证,针对采用统一建模语言(UML)描述的概念模型,通过UML时序图模型向Petri网模型的映射,可建立Petri网可执行模型,再对其进行验证.在深入分析UML时序图特点的基础上,针对已有映射方法存在的缺点,提出了基于消息的模型映射算法,并对时序图中的特殊结构(可选、条件、并行、循环),分别提出了其相应的映射算法,并验证了映射的正确性.方法有利于检查模型映射前后的一致性,同时具有可扩展的优点.