一种结合AADL和IMC的系统可靠性建模方法

随着嵌入式软件在安全关键领域广泛应用,系统可靠性随着其规模、复杂度和性能需求的不断提升而愈显重要。结构分析设计语言AADL是应用于嵌入式领域的体系结构建模、分析和验证的重要手段。由于AADL是一种半形式化模型,需要精确描述其语义才能进行定量分析。提出一种基于AADL的系统可靠性建模方法。首先,结合AADL模型和AADL错误模型附件,得到AADL可靠性模型;然后,提出一种模型转换方法,将AADL可靠性模型的基本元素和错误传播等特殊元素转换到交互式马尔科夫链模型IMC,进行可靠性定量分析;最后,结合法国空中交通控制系统的实例,证明该方法的可行性和有效性。     

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.     

软硬件综合AADL可靠性建模及分析方法

目前嵌入式系统广泛应用于航空电子、远程医疗、汽车电子等具有高可靠性要求的系统中。随着嵌入式系统的复杂度越来越高,为了保障系统的高可靠性需求,需要在系统开发的早期设计阶段对系统的可靠性进行分析评估,以提高系统的开发效率。嵌入式系统中软件、硬件功能的失效都会对系统可靠性产生影响,而AADL的可靠性模型缺乏对硬件构件错误的影响及传播机制进行刻画分析的能力。本文综合考虑软、硬件错误发生失效后对系统可靠性的影响,提出了一种面向系统架构级别的软硬件综合可靠性分析方法。该方法基于电子电路设计中事务级建模方法,扩展了AADL事务级错误模型的语法和语义,来支持AADL对硬件构件错误传播的硬件功能行为建模,在此基础上,利用AADL模型实例化机制实现对嵌入式系统可靠性建模,刻画了错误行为在硬件构件之间、软硬件构件之间的传播与影响。同时,定义了AADL硬件构件事务级错误模型到广义随机Petri网模型的映射规则,实现了系统软、硬件综合的可靠性行为仿真计算模型组合,支持嵌入式系统的软硬件综合可靠性分析。论文开发了软硬件综合可靠性建模与分析工具原型,并以某型飞机空气增压系统为例,在航空电子系统架构设计中进行尝试,验证了该方法在复杂嵌入式系统设计中进行软硬件综合可靠性分析的可行性与优越性。     

AADL进程子集行为语义研究

AADL是一种基于组件的半形式化建模语言,采用结构化方法对大型复杂软件系统的软硬件进行统一建模,有效描述系统的功能行为、非功能属性以及运行时的体系结构动态演化,但其许多问题需要进一步研究与完善。本文首先分析了AADL形式语义研究现状,然后定义了AADL进程子集的形式语言,建立了AADL进程子集通信模型,通过对事件的形式化定义和分析体现了事件在系统状态转变过程中的重要作用,对AADL进程子集行为语义进行了研究。与相关研究成果的对比说明了本文的优势。本文为AADL语言及其形式语义的发展提供了一种有益的参考,进一步完善大型复杂软件系统体系结构建模与分析技术。     

基于Uppaal的实时系统AADL数据流模型的转换与验证

体系结构分析设计语言AADL是一种可支持软硬件一体化建模及同一模型多元分析的形式化与图形化建模语言。采用时间自动机形式化模型检验方法对AADL模型中的数据流进行转换和验证。考虑到单一数据流与混合数据流的差异性,分别设计了数据流到时间自动机模型的转换规则,并通过时间自动机网络实现数据流的综合分析。设计开发了自动化模型转换的插件AADLToUppaal Plug-in,将其嵌入到OSTATE工具中,使用时间自动机建模与验证工具Uppaal对转换得到的时间自动机进行模拟和验证,等价地验证所设计的AADL模型数据流时延是否满足系统实时性要求。仿真实验结果表明,所设计的数据流模型转换方法能有效地将AADL模型转换到时间自动机模型,并能在Uppaal中正确地分析原模型的数据流时延特性。     

面向CPS时空性质验证的混成AADL建模与模型转换方法

随着信息物理融合系统CPS （Cyber Physical System）研究的深入,CPS的安全性问题越来越受到人们的广泛关注,如何验证CPS时空不一致的安全性问题已经成为研究热点.本文针对该问题提出了面向CPS时空性质验证的混成AADL （Architecture Analysis&Design Language）建模与模型转换方法.首先,扩展AADL行为附件的时空描述能力,提出混成AADL （Hybrid Architecture Analysis&Design Language）,用于建模CPS的时空性质;其次,在进程代数中引入微分方程以及位置描述提出HP-TCSP,能够验证CPS的时空性质;再次,通过模型转换将混成AADL转换为HP-TCSP,从而可以将混成AADL描述的CPS模型在HP-TCSP中进行时空一致性验证;最后通过一个飞机避撞系统实例,验证该方法的有效性.     

嵌入式软件系统体系结构可靠性分析方法

AADL是嵌入式领域对SA进行建模、评估的常用方法,但其属于一种半形式化开发语言,无法直接对SA的可靠性进行验证。为此,提出一种基于AADL的可靠性分析框架,对SA的可靠性进行形式化验证。首先通过分析系统体系结构的元素关系,建立AADL可靠性模型;然后设计转换模型及其规则,将AADL模型转换为连续时间马尔科夫链模型;最后采用概率模型检验工具对连续时间马尔科夫链模型进行可靠性定量分析。仿真结果表明,与现有可靠性分析方法相比,该方法在计算效率和转换效率上都有明显的提高。基于AADL的可靠性分析框架实现在软件系统开发早期对SA进行可靠性定量计算,为AADL在嵌入式软件系统可靠性定量分析方面提供了一种新的验证思路。     

AADL建模工具的设计

设计一种架构分析与设计语言(AADL)建模工具,便于用户建立AADL模型.基于模型驱动体系结构思想,在Eclipse插件开发平台上开发可扩展的插件集合AADL模型设计工具.用户根据该工具建立的嵌入式系统AADL架构模型,通过XML文档保存,分析与验证工具以第三方插件的形式集成到该工具中,提取系统的AADL架构模型.通过应用实例验证了该工具的有效性.     

采用AADL的软件系统可靠性建模与评估方法

结构分析与设计语言(architecture analysis and design language,AADL)是应用于嵌入式领域的体系结构建模、分析和验证的重要手段。针对系统可靠性随着其规模、复杂度和性能需求的不断提升而愈显突出的问题,给出了一个基于AADL的软件系统可靠性建模与评估框架:首先建立AADL可靠性模型,然后将其转换为广义随机Petri网(generalized stochastic Petri net,GSPN)模型后再进行分析,最后根据分析结果判断是否需要进行模型改进。在研究已有的基本转换规则的基础上,重点讨论了系统中组件之间错误传播以及表示系统发生模式转换的Guard_Transition属性到GSPN的转换规则。以某飞行控制系统中数据发送和处理单元为实例,验证了所提转换规则和可靠性建模与评估框架的有效性。     

基于UPPAAL的AADL行为模型验证方法研究

Web服务(Web services)已成为当前和未来网络分布式应用的主流软件开发技术。如何确保Web服务软件的质量和可靠性是当前软件工程领域关注的焦点问题。分析了Web服务测试的层次和阶段,以及测试工具的现状,提出了Web服务自动化测试的技术框架,分析了此框架内Web服务操作、Web服务操作序列和Web服务组合WSB-PEL流程测试的关键技术,并研制了测试用例自动生成的原型系统,给出了实验结果,最后指出Web服务自动化测试技术值得进一步探讨的主题。     

AADL模型代码自动生成技术研究*

随着嵌入式系统在安全关键领域的广泛应用,必须采用现代软件工程的技术进一步提高其可信性,以保证人们的生命安全。基于模型驱动方法,对AADL（体系结构分析设计语言）模型的框架代码自动生成技术进行了研究,提出了从AADL模型元素到C和Ada的语法元素的映射规则,由此实现了自动代码生成器generator并集成在开源工具OSATE中。最后通过一个实例,说明将AADL模型自动转换为框架代码后与模块代码结合的有效性。     

AADL模式转换设计方法研究

为实现AADL(体系结构分析与设计语言)对航天器控制系统等运行模式相对复杂的嵌入式系统的详细描述,针对AADL核心标准及其行为附件在描述能力上的不足,在行为附件原有文法定义的基础上进行改进,使之能够对多条件合集下的模式转换以及模式转换的优先级进行描述。提出了抽象状态的概念以简化原行为附件文法在描述组合式状态转换关系方面的繁杂程度,提高设计模型的可读性。通过对实际控制系统运行模式进行设计,结果表明了改进后的行为附件文法很好地满足了设计描述上的需求。     

基于XML的UML模型向AADL模型的自动转换

UML已经成为复杂系统建模的工业标准,并可借助代码自动生成工具实现从分析到编码的开发过程自动化;AADL具有精确的语义和严格的语法规范,可用于描述嵌入式实时系统的软、硬件体系结构,并能分析系统的功能及非功能属性。 UML和AADL模型的基本元对象有相互对应关系,并且两种模型的表示都能够采用标准的XML的交换格式。为充分发挥两种语言的优势,文中研究了UML模型向AADL模型的自动转换,以XML为媒介实现两种模型的元对象的对应转换,最终达到两种模型的转换,使用户在设计阶段能够结合运用AADL、UML工具的优点对系统进行分析。     

基于异构模型融合的CPS系统仿真建模方法研究

单一的离散系统仿真或连续系统仿真已无法满足复杂的CPS系统仿真需求。结合CPS一体化模型的3类 实体,对计算实体构建基于事件驱动的离散事件仿真模型(UML模型),对物理实体构建基于动态连续时间坐标的连 续时间仿真模型(Simulink模型),并以刻画计算实体和物理实体的交互接口和行为特征为目的,进行协同仿真,构建 交互实体模型。给出并分析了UM工丫Simulink协同建模的优点,研究并分析了3种不同的模型融合方法,结合无人机 模型,从模型级对CPS一体化模型的融合进行了分析设计。     

A Stochastic Game Model for Evaluating the Impacts of Security Attacks Against Cyber-Physical Systems

A quantitative security evaluation in the domain of cyber-physical systems (CPS), which operate under intentional disturbances, is an important open problem. In this paper, we propose a stochastic game model for quantifying the security of CPS. The proposed model divides the security modeling process of these systems into two phases: (1) intrusion process modeling and (2) disruption process modeling. In each phase, the game theory paradigm predicts the behaviors of the attackers and the system. By viewing the security states of the system as the elements of a stochastic game, Nash equilibriums and best-response strategies for the players are computed. After parameterization, the proposed model is analytically solved to compute some quantitative security measures of CPS. Furthermore, the impact of some attack factors and defensive countermeasures on the system availability and mean time-to-shutdown is investigated. Finally, the proposed model is applied to a boiling water power plant as an illustrative example.     

一种SysML模型到AADL模型的自动转换方法

安全关键系统的实现需要通过需求、设计、集成、验证和测试等多个阶段。近年来,模型驱动开发方法逐渐成为安全关键系统设计与开发的重要手段。由于还没有一个建模语言能够支持整个安全关键系统开发生命周期,因此选择集成使用2种广泛使用的标准语言:系统建模语言(SysML)和嵌入式实时系统体系结构分析与设计语言(AADL)。SysML和AADL提供了同一系统的2个不同视图,SysML模型为系统工程师提供了一个系统视图,AADL为架构设计师建立一个较低层次的设计视图,它结合了实现所有功能的硬件、操作系统和代码。提出一种SysML模型到AADL模型的自动转换方法。首先,定义SysML子集SubSysML,主要包括模块定义图(BDD)、内部模块图(IBD)、活动图(ACT)子集和从IBD和BDD扩展的AADL Profile;其次,定义SubSysML到AADL的转换规则并设计转换算法;然后,对生成的AADL初始模型进行精化;最后,使用EMF框架技术实现SubSysML到AADL的模型转换工具并通过雷达案例验证所提方法的有效性。     

基于时间抽象状态机的AADL模型验证

提出了一种基于时间抽象状态机(timed abstract state machine,简称TASM)的AADL(architecture analysis and design language)模型验证方法.分别给出了AADL子集和TASM的抽象语法,并基于语义函数和类ML的元语言形式定义转换规则.在此基础上,基于AADL开源建模环境OSATE(open source AADL tool environment)设计并实现了AADL模型验证与分析工具AADL2TASM,并基于航天器导航、制导与控制系统(guidance,navigation and control)进行了实例性验证.     

复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言:AADL

首先归纳了AADL(architecture analysis and design language)的发展历程及其主要建模元素.其次,从模型 驱动设计与实现的角度综述了AADL 在不同阶段的研究与应用,总结了研究热点,分析了现有研究的不足,并对 AADL 的建模与分析工具、应用实践进行了概述.最后,探讨了AADL 的发展与研究方向.     

复杂嵌入式实时系统体系结构设计与分析语言:AADL

首先归纳了AADL(architecture analysis and design language)的发展历程及其主要建模元素.其次,从模型驱动设计与实现的角度综述了AADL在不同阶段的研究与应用,总结了研究热点,分析了现有研究的不足,并对AADL的建模与分析工具、应用实践进行了概述.最后,探讨了AADL的发展与研究方向.