扩展SysML支持需求追踪模型的自动生成

安全关键系统广泛应用于航空、航天、核能、交通等领域,对安全性有着很高的要求。保障需求可追踪性是安全关键系统开发过程中的基本要求,也是各项安全性分析的重要前提。致力于建立需求与设计制品间的纵向追踪关系,采用模型驱动的方法来实现追踪模型的自动生成并实现追踪信息的图形化表达。首先通过配置文件的机制对SysML模型进行扩展,使用该扩展的SysML模型对需求以及设计制品进行建模用于捕获追踪信息。接着设计了一个追踪元模型用于表达以及存储追踪信息可供后期安全性分析使用,并使用模型转换技术实现从扩展的SysML模型到追踪模型的自动化生成。最后通过襟缝翼控制系统的案例来说明该方法的有效性。     

基于SysML的复杂机电系统设计模型形式化扩展与验证

形式化系统验证是保证系统设计正确性的一种重要手段.如何针对复杂机电系统物理与软件相融合的特征,对系统设计的动态特征进行验证,是系统验证研究领域亟待解决的问题.针对这一问题,对系统工程标准建模语言SysML进行扩展,提出了一套形式化系统模型验证方法.首先,以计算树逻辑和基于流的功能表示为形式化基础,形成基于SysML的系统功能建模方法;然后,以混合自动机为基础,建立基于SysML的系统行为建模方法;最后,针对物理与软件子系统的不同动态特征,借助NuSMV模型校验器,以层次化方式实现系统模型的自动验证.以移动机器人系统为例,展示了复杂机电系统设计模型的自动验证过程.     

基于限定自然语言需求模板的AADL模型生成方法

随着嵌入式软件系统在汽车、核工业、航空、航天等安全关键领域的广泛应用,其失效将会导致财产的损失、环境的破坏甚至人员的伤亡,使得保障软件安全性成为系统开发过程中的重要部分.传统的安全性分析方法主要应用在软件的需求分析阶段和设计阶段,然而需求与设计之间的鸿沟却一直是软件工程领域的一大难题.正是由于这一鸿沟的存在,使得需求分析阶段的安全性分析结果难以完整详尽地反映在软件设计中,其根本原因是当前的软件需求主要通过自然语言描述,存在二义性与模糊性,且难以进行自动化处理.为了解决这一问题,本文面向构件化嵌入式软件,首先提出了一种半结构化的限定自然语言需求模板用于需求规约,能够有效降低自然语言需求的二义性与模糊性.然后,为了降低自动化处理的复杂性,采用需求抽象语法图作为中间模型实现基于限定自然语言需求模板规约的软件需求与AADL模型之间的转换,并在此过程中自动记录两者之间的可追踪关系.最后,基于AADL开源工具OSATE对本文所提方法进行了插件实现,并通过航天器导航、制导与控制系统（Guidance,Navigation andControl,GNC）进行了实例性验证.     

面向自然语言需求的验证性质生成方法

安全关键系统和软件的安全性、可靠性需要形式化验证来保障,使用形式化验证的前提是从自然语言需求文本中提取相关验证性质并将其转化为形式化规约,这已成为当前形式化验证领域研究的热点和难点.当前的形式化规约提取工作大多针对英文需求,较少针对中文自然语言需求.此外,由于AADL具有强大的表达能力和完善的验证机制,已成为航空航天领域的主要建模语言之一,而现有的工作较少考虑如何从需求中提取AADL模型的验证性质.为了解决上述问题,本文提出一种面向自然语言需求的AADL模型验证性质自动生成方法,从自然语言需求中提取验证的相关性质,并将其转化为AADL模型验证工具AGREE可识别的形式化规约.首先,定义了模式定义语言(Contract Pattern Language, CPL),将需求划分为不同模式,并给出由固定句型和占位符组成的需求模板;其次,通过自然语言处理技术解析需求文本,获取替换需求模板中占位符的原子命题,以便生成完整的形式化规约;最后,设计并实现了相关工具,并将其用于工业界实际案例来说明该方法的可用性和有效性.     

模型驱动的嵌入式系统设计安全性验证方法研究

基于模型的嵌入式系统安全性分析与验证方法是近年来在安全攸关系统工程领域中出现的一个重要研究热点。提出一种基于模型驱动架构的面向SysML/MARTE状态机的系统安全性验证方法,具体包括:构建了具备SysML/MARTE扩展语义的状态机元模型,以及安全性建模与分析语言AltaRica的语义模型GTS的元模型;然后建立了从SysML/MARTE状态机模型分别到时间自动机模型以及AltaRica模型的语义映射模型转换规则,并基于AMMA平台和时间自动机验证工具UPPAAL设计实现了对SysML/MARTE状态机的模型转换与系统安全性形式化验证的框架。最后给出了一个飞机着陆控制系统设计模型的安全性验证实例分析。     

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。     

面向SysML的系统安全性分析工具与实例研究

基于模型的安全性分析方法能够提高对目前复杂安全关键系统的建模与分析能力。系统建模语言(System Modeling Language,SysML)是一类在工业领域被广泛应用的非形式化系统功能建模语言,AltaRica是面向系统安全性分析的形式化建模语言。针对国内目前缺乏面向SysML的系统安全性分析工具的现状,设计实现了一个面向SysML的系统安全性分析工具并进行了实例研究。首先建立了SysML设计模型到AltaRica分析模型的映射规则;同时根据映射规则设计算法实现两种模型的自动转换,并集成了Altarica的分析引擎对系统模型进行自动化安全性分析;最后以SAE-AIR6110标准中的一个复杂的机轮刹车系统(Wheel Brake System,WBS)为实例,验证了所提工具的可行性和有效性。实验结果表明,对于包含25个组件类型、34个组件实例的复杂系统,该工具可有效地完成SysML模型到AltaRica模型的转换并进行正确的安全性分析。     

信息物理融合系统的时间需求一致性分析

信息物理融合系统(cyber-physical system,简称CPS)蕴藏着巨大的潜在应用价值.时间在CPS中起到非常重要的作用,应该在需求早期阶段明确.提出了一个基于逻辑时钟的CPS时间需求一致性分析框架.首先,构建了CPS软件的时间需求概念模型,提供时间需求和功能需求的基本概念,并给出了概念模型的形式化语义;然后,在模型制导下,从CPS的交互环境特性和约束中提取出其软件时间需求规约.基于形式化语义,定义了时间需求规约的一致性特性.为了支持形式化验证,将时间需求规约转换成NuSMV模型,用CTL公式表述要检测的特性,并使用NuSMV工具实施了一致性检测.     

基于SysML的机载软件分层精化建模与验证方法

机载软件被广泛应用于航空航天领域, 大幅提升了机载设备的性能.但随着机载软件规模逐渐增大、功能逐渐增多, 给软件的开发带来了难度, 如何保障机载软件的正确性和安全性也成为一个难题.基于模型的开发可以有效提升开发效率, 而形式化方法能够有效保障软件的正确性.为了降低开发难度, 同时保障机载软件的正确性、安全性, 本文提出一种基于SysML状态机图子集的机载软件分层精化建模与验证方法.首先使用SysML状态机图对机载软件的动态行为进行建模, 根据提出的精化规则, 对初始模型进行手动逐层精化得到精化设计模型.然后针对软件模型动态变化的特性, 将SysML状态机模型自动转换为时间自动机网络, 并从软件需求中手动提取形式化TCTL性质进行模型检验.其次, 为了实现编码自动化, 将SysML模型自动转换至Simulink, 利用Simulink Coder生成源代码.最后, 以一个自动飞行控制软件为例进行了开发和验证, 实验结果表明了该方法的有效性.     

不确定环境下hCPS系统的形式化建模与动态验证

随着科技的进步,新型复杂系统例如人机物融合系统（Human Cyber-Physical Systems,HCPS）已经与人类社会生活越来越密不可分.软件系统所处的信息空间与人们日常生活所处的物理空间日渐融合.物理空间内环境的复杂多变、时空数据的爆发增长以及难以预料的人类行为等不确定因素威胁着系统安全.由于系统安全需求的增长,系统的规模和复杂度随之增加所带来的一系列问题亟待解决.因此,在不确定性环境下,构造智能、安全的人机物融合系统已经成为软件行业不可回避的挑战.环境不确定性使得人机物融合系统软件无法准确感知其所处的运行环境.感知的不确定性将导致系统的误判,从而影响系统的安全性.环境不确定性使得系统设计人员无法为人机物融合系统软件的运行环境提供准确的形式化规约.而对于安全要求较高的系统,准确的形式化规约是保证系统安全的首要条件.为了应对规约的不确定性,本文提出时空数据驱动与模型驱动相结合的建模方式,即通过使用机器学习算法,基于环境中时空数据对环境进行建模.根据安全软件的典型特征,采用动态验证的方式保证系统的安全,从而构建统一安全的理论框架.为了展示方案的可行性,本文以自动驾驶车辆与人驾驶的摩托车的交互场景为例说明了在不确定性环境下的人机物融合系统的建模与验证的具体应用.     

A first attempt to combine SysML requirements diagrams and B

This article describes a work-in-progress in the framework of a research project aiming at combining requirements engineering methods with formal methods. The main idea is to extend the SysML language with concepts of existing requirements engineering methods. In this article we present extensions to SysML with concepts from the goal model of the KAOS method and we give rules to derive a formal B specification from this goal model. The approach is then illustrated on a case study.     

CORAMOD: a checklist-oriented model-based requirements analysis approach

Requirement development activities such as requirements analysis and modelling are well defined in software engineering. A model-based requirement development may result in significant improvements in engineering design. In current product development activities in this domain, not all requirements are consciously identified and modelled. This paper presents the checklist-oriented requirements analysis modelling (CORAMOD) approach. CORAMOD is a methodology for the use of model-based systems engineering for requirements analysis of complex products utilizing checklists, the simplest kind of rational design method. The model-based focuses the requirements analysis process on requirement modelling, whereas the checklist encourages a conscious and systematic approach to identify requirements. We illustrate the utility of CORAMOD artefacts by a comprehensive case study example and modelling with system modelling language (SysML). We suggest that visual accessibility of the SysML views facilitates the full participation of all stakeholders and enables the necessary dialogue and negotiation. The approach promotes tracing derived requirements to the customer need statement and enhances validation by model execution and simulation.     

基于MTRDL的自动飞行系统模式需求建模与验证方法[1]

在民机自动飞行过程中,自动飞行系统模式转换是影响安全的重要因素,随着现代民机机载系统的功能与复杂度的快速增长,在需求阶段对自动飞行系统模式转换的安全性分析和验证成为重要的挑战.飞行模式转换的复杂性不仅体现在自动飞行过程中必需的多重飞行模式之间的交互关系,还体现在模式转换与外部环境之间复杂的数据与控制交联关系,这些交联关系同时隐含了飞行模式转换的安全性质,这些特征提高了形式化方法的应用难度.本文工作提出一种领域特定的建模验证框架:首先,提出面向自动飞行系统模式转换的领域需求建模语言MTRDL,和基于该语言扩展于SysML上的建模方法;其次,提出基于安全需求模板的安全性质辅助规约方法;最后,通过对某机型的若干条目化需求的实例研究,证明了本文方法在自动飞行系统模式转换需求验证中的有效性.     

基于SWRL的软件需求一致性验证方法

需求质量已经成为确保软件项目成功的一个重要因素,对复杂软件系统的需求进行检查和验证,是需求工程中非常重要的工作。在基于领域本体的需求获取和分析等相关工作基础上,提出了一种基于本体和语义规则的需求一致性验证方法,将自然语言描述的需求分解成若干结构良好的最小需求项,使用领域本体的概念模型对其进行形式化和结构化的表示。通过领域本体中的知识来映射需求语义,采用语义万维网规则语言（SWRL）来定义需求一致性验证的推理规则,并通过实例对此方法进行了分析和验证。     

UML for systems engineering

The paper provides an introduction to the employment of Unified Modeling Language (UML) in systems engineering. The standard being developed for this purpose is the Systems Modeling Language (SysML) specification. This paper, while not dealing with SysML in depth, starts by observing several straightforward benefits of SysML and some of its (possibly, not so obvious) challenges. The primary objective of this paper is to provide pragmatic guidance to systems engineers, who want a jump start on SysML, by describing how to effectively use its base language (UML 2.0) in the context of systems engineering.     

基于企业流程的需求形式化说明语言

需求说明是对需求分析结果所进行的文档化工作,其工作结果—需求规格说明在系统开发、测试、质量保证、项目管理中起着重要的作用。现有的需求规格说明绝大多数是采用自然语言来编写,由于自然语言在严密性上的缺陷,从而导致需求规格说明普通存在着三个严重的问题:模糊性、不准确性和不一致性。该文提出的基于企业流程的需求形式化说明语言,是以四元组作为描述机制,不仅能描述各活动之间的逻辑关系,而且能表达活动对信息流的操作形式,即将控制流和数据流合为一体。