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《南京航空航天大学》 2017年
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面向CPS时间属性的软件可信建模与验证方法研究

许海洋  
【摘要】:软件形式化方法已经在工业领域得到广泛应用,形式化方法已成为提高软件可信性的重要手段。但是在CPS中,软件的体系结构会随着需求和环境而动态变化,不仅需要满足功能性要求,还要求时间等非功能属性具有可信性。如何精确地描述与验证CPS软件系统,目前国内外还没有一种统一的、成熟的建模和验证方法。CPS可信属性研究的难点在于如何精确地描述软件系统、如何从软件需求场景中抽取系统规范、如何高效地对系统进行模型检测。从而在系统设计的早期阶段尽早发现软件潜在的错误,及时纠正软件需求和系统设计中的不一致性和不完备性等问题,提高CPS软件的可信性。本文立足于CPS软件可信属性的建模与验证问题,旨在建立基于模型驱动的CPS软件时间可信属性的建模与验证集成框架,提出适合于CPS环境的软件时间可信属性的建模和验证方法。利用Object-Z语言的形式化优点描述模型的静态语义,利用PTA在时间约束和转移概率方面的优点描述模型的动态语义,建立软件的时间可信模型。采用基于场景的语言进行需求分析,进而抽取需求规范。针对CPS软件的时间可信属性,设计模型检测算法。本文从软件模型、需求规范、模型检测三方面进行了深入地探索研究,研究工作的主要创新性成果如下:(1)为了精确地描述CPS软件的功能属性和实时性等非功能属性,本文研究了软件的图形化模型和形式化建模方法。建立软件系统的图形化模型,有利于客户与软件开发人员形成共识,同时也能够有效地减低软件开发的复杂度,但是图形化模型不便于软件的形式化验证。因此,一方面充分利用MARTE在建立时间模型等非功能属性方面的图形化优势,另一方面研究融合静态结构和动态行为的形式化集成模型。在MDA框架下,设计了MARTE静态结构到Object-Z类、MARTE动态行为到PTA表达式之间的映射规则,提出了集成的的形式化建模方法PTA-OZ,该方法能够对MARTE建立的软件模型,进行静态结构验证和动态行为验证,从而能够利用形式化方法验证图形化建模语言建立的模型。在理论上,采用不变式和三元元模型相结合的方法,对模型转换的语义一致性进行了验证。并在Papyrus环境中,基于XMI实现了该转换框架。实验分析表明,该方法能够将图形化模型转化为形式化模型,并能够对转换后的CPS软件的功能属性和实时性等非功能属性进行有效地检验。(2)为了准确地描述软件需求,自动抽取属性公式。本文引入时钟和时间约束的形式化定义,定义了LSC图的时间属性模型,提出了TLSC到时序逻辑公式的转换规则,并给出了优化公式的方法。从基于场景的LSC语言出发,来描述CPS的软件需求。由于时间对于CPS软件的系统行为具有不容忽视的影响,需要关注于时间敏感的LSC图属性问题。通过引入时钟和时间约束的形式化定义,提出了TLSC图,研究了基于场景语言在描述软件需求时的时间属性问题。采用形式化的方式定义了TLSC图的语法和语义,以利于转换为时序逻辑公式。通过设计的基本规则和组合规则,实现了TLSC图到时序逻辑公式的转换;为了简化公式规模,利用传递性重新定义时间次序关系,进一步研究了公式优化的方法,使得公式规模有效地降低。最后,设计并完成了TLSC图到时序逻辑公式转换系统,从而实现了从需求场景中自动抽取逻辑公式。该方法适合于描述实时软件系统的属性和行为,能够从TLSC建立的软件需求规范中,自动抽取逻辑公式,并进行优化,初步解决了模型检验中逻辑公式的自动抽取问题。(3)为了准确地计算有界模型检测的完备性阈值,首次将半张量积理论引入到有界模型检测中,提出了基于半张量积的完备性阈值求解方法。采用离散时间进化系统来研究Kripke模型的状态进化拓扑结构,首先,通过Kripke模型解析算法,建立布尔函数的代数形式,并将其转换为逻辑形式。其次,通过固定点求解算法和k-loop求解算法,计算布尔网络中的吸引子。最后,根据吸引子计算固定点的位置、环路的长度以及环路的状态集等参数。采用经典数学理论中的矩阵分析方法来求解Kripke模型的前向半径,作为Kripke模型的完备性阈值。相比于以往的阈值计算方法,本文方法充分运用半张量积理论,利用代数运算代替逻辑运算,计算方法简单。(4)为了提高有界模型检测的效率,提出面向CPS时间可信属性的有界模型检测算法。充分考虑基于SAT方法编码中时间属性的缺失问题,对于CPS实时系统的时序逻辑公式,提出了基于SMT的RTECTL公式的有界模型检测算法,在命题公式的编码过程中,保留了公式中的时间属性。在逻辑公式路径的选择上,提出了基于优化的路径量词选择方法,具有减少路径数目的优点,并在理论上证明了该编码方法的可行性。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP29

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 姜鹏;陈鑫;李宣东;;一种面向信息物理融合系统安全攸关场景的测试用例自动生成方法[J];计算机科学;2014年11期
2 于振华;蔡远利;付晓;谢文军;徐海平;;信息物理融合系统可信软件形式化建模与分析[J];系统工程理论与实践;2014年07期
3 王宇英;周兴社;梁东方;;面向信息物理融合系统的异构模型转换方法[J];西安电子科技大学学报;2015年02期
4 李晓宇;王宇英;周兴社;梁东方;;一种信息物理融合系统仿真建模方法[J];系统仿真学报;2014年03期
5 尹玲;陈小红;刘静;;信息物理融合系统的时间需求一致性分析[J];软件学报;2014年02期
6 万勇兵;徐中伟;梅萌;;一种符号化执行的实时系统一致性测试生成方法[J];电子学报;2013年11期
7 徐亮;刘宏;;基于SMT的TECTL性质的限界模型检测方法[J];计算机工程与科学;2013年10期
8 李晔;王映辉;于振华;;信息物理融合系统的面向对象Petri网建模[J];西安电子科技大学学报;2014年02期
9 朱敏;李必信;陈乔乔;吉顺慧;李加凯;;基于微分动态逻辑的CPS建模与属性验证[J];电子学报;2012年06期
10 李仁发;谢勇;李蕊;李浪;;信息-物理融合系统若干关键问题综述[J];计算机研究与发展;2012年06期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 宋翠叶;基于事件的CPS系统行为仿真建模方法研究[D];西北工业大学;2015年
2 刘志锋;模型检测中关键技术的研究及其应用[D];南京大学;2011年
3 杨年华;模型驱动架构中的可信嵌入式软件建模与分析[D];华东理工大学;2011年
4 燕飞;轨道交通列车运行控制系统的形式化建模和模型检验方法研究[D];北京交通大学;2006年
5 董威;面向UML的模型检验研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 张衍志;符号化模型检测算法的研究[D];吉林大学;2009年
2 崔天意;舰艇装备软件可靠性测试方法及预测研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
3 李晓鸋;基于时间自动机模型的联锁软件规则描述研究[D];合肥工业大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 蒋俊;黄传河;华超;胡海桥;彭晖;;基于软件定义资源的实时控制CPS数据传输机制[J];计算机工程与科学;2015年12期
2 尹忠海;张凯成;杜华桦;周拥军;梁晓龙;孙强;;基于事件驱动的信息物理融合系统建模[J];微电子学与计算机;2015年12期
3 向婉芹;杨瓅;陈乙源;;信息物理系统中建模与仿真研究综述[J];重庆电力高等专科学校学报;2015年05期
4 Yong Xie;Liangjiao Liu;Renfa Li;Jianqiang Hu;Yong Han;Xin Peng;;Security-aware Signal Packing Algorithm for CAN-based Automotive Cyber-physical Systems[J];IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica;2015年04期
5 曾玮妮;林亚平;易叶青;何施茗;陈鹏;;传感器网络数据处理中基于隐私向量的隐私保护机制[J];通信学报;2015年09期
6 罗世亮;程良伦;;面向复杂工业环境的信息物理融合系统可靠性[J];北京理工大学学报;2015年09期
7 许东;李静;朱刚;;信息物理系统的偶图动态建模与分析[J];小型微型计算机系统;2015年09期
8 杨志才;裘杭萍;权冀川;雷智朋;;CPS拓扑结构节点重要性排序方法[J];计算机科学;2015年08期
9 成荣;;云计算实现的相关技术与面临问题探讨[J];科技视界;2015年23期
10 王浩云;刘佼佼;侯思宇;任守纲;徐焕良;;信息物理系统(cyber-physical system)时空建模方法及在温室控制中的应用[J];农业工程学报;2015年15期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 许海洋;面向CPS时间属性的软件可信建模与验证方法研究[D];南京航空航天大学;2017年
2 陈彦秋;混合动力列车运行控制及能量管理策略研究[D];西南交通大学;2014年
3 翟文正;基于模型的异构多核嵌入式系统开发研究[D];上海大学;2013年
4 张岩;列车运行控制系统软件故障相关形式化测试方法[D];北京交通大学;2012年
5 荀径;基于智能体和元胞自动机的列车协同控制研究[D];北京交通大学;2012年
6 吕继东;列车运行控制系统分层形式化建模与验证分析[D];北京交通大学;2011年
7 郑长宗;安全苛求通信系统的形式化建模及验证[D];中国铁道科学研究院;2011年
8 吴怀广;Bigraph理论的研究与应用[D];武汉大学;2011年
9 曹源;高速铁路列车运行控制系统的形式化建模与验证方法研究[D];北京交通大学;2011年
10 陈振邦;服务计算中接口模型与构件设计的研究[D];国防科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马超;基于模型检测的安全路径验证[D];兰州大学;2018年
2 张延波;可能性测度下并发系统的符号化模型检测研究与实现[D];陕西师范大学;2018年
3 周翔;基于时间自动机的高铁列控系统TSRS的建模分析与验证[D];兰州交通大学;2017年
4 陈垣均;飞机除冰装备参数预测与运行监控[D];中国民航大学;2016年
5 任鹏程;复杂场景下列控系统功能验证分析[D];北京交通大学;2016年
6 陈凌宇;基于图论的形式化验证方法的研究与实现[D];电子科技大学;2016年
7 勇嘉伟;基于分布式系统的软件模型验证加速方法研究[D];大连理工大学;2015年
8 王斌;基于综合层次模型的舰载装备软件质量评价方法研究[D];东北大学;2015年
9 张会萍;基于模型检测的轨道交通运营场景安全性分析[D];青岛科技大学;2015年
10 任龙涛;基于STM嵌入式软件形式化建模及验证方法研究[D];大连理工大学;2015年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈小红;刘静;;基于环境的多形态时间需求建模方法[J];计算机学报;2013年01期
2 李仁发;谢勇;李蕊;李浪;;信息-物理融合系统若干关键问题综述[J];计算机研究与发展;2012年06期
3 温景容;武穆清;宿景芳;;信息物理融合系统[J];自动化学报;2012年04期
4 王中杰;谢璐璐;;信息物理融合系统研究综述[J];自动化学报;2011年10期
5 于振华;付晓;王静;胡正良;刘宇;;基于声学无线传感器网络的目标跟踪系统研究[J];电子科技大学学报;2011年04期
6 范贵生;虞慧群;陈丽琼;刘冬梅;;策略驱动的可靠嵌入式系统建模及分析方法[J];软件学报;2011年06期
7 罗娟;顾传力;李仁发;;基于角色的无线传感网络中间件研究[J];通信学报;2011年01期
8 彭鑫;李仁发;刘樑骄;;多信道车载网络带宽调制算法[J];通信学报;2010年11期
9 刘亚萍;黄志球;祝义;;基于元建模的实时系统模型转换方法研究[J];小型微型计算机系统;2010年11期
10 彭鑫;李仁发;杨柳;刘骄;;基于最小二乘优化的车辆位置估计算法[J];通信学报;2010年08期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李留英;UML测试技术的研究与实现[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2000年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 赖志诚;软件体系结构的形式化描述[D];广东工业大学;2005年
2 曾路;扩展UML用于实时系统建模[D];广东工业大学;2005年
3 张庆;一种基于UML状态图的类级测试技术的研究与实现[D];电子科技大学;2005年
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