混杂系统的扩展时间自动机模型及验证研究

混杂系统复杂度高且涉及领域广,没有通用的方法来解决分析、设计等问题。为解决一类工业控制混杂系统的建模和验证问题,对时间自动机进行了语义扩展,使其含有连续变量以及映射在其上的约束,使用扩展后的时间自动机对此类混杂系统进行建模,采用验证工具UPPAAL进行模型分析模拟,并使用简化的CTL对系统需求规范进行验证。具体实例研究表明,该方法对于分析设计一类混杂系统具有可行性和有效性。     

基于UML状态图的C4ISR系统的建模和实时分析

针对C4ISR系统的实时性强的特点,对UML状态图进行时间扩展,使用时间扩展的UML状态图对C4ISR系统进行建模。同时为分析C4ISR系统的实时性,采用一定的转化规则,将时间扩展状态图模型转化成时间Petri网模型,使用时间Petri网的可达树来分析C4ISR系统的时间特性。应用一个C4ISR防空实例表明了该方法的可行性和实用性。     

基于Petri网的工作流过程模型及资源分布分析

针对工作流系统的特点对时延Petri网模型进行扩展,提出了一种新的工作流建模方法,即扩展时延Petri网。给出了扩展时延Petri网的定义,并用该方法分析了工作流四种基本模型;给出了利用排队论和随机Petri网理论计算工作流模型时间性能指标的新方法,用这种方法可求得与实例到达率相关的工作流模型平均完成时间。最后应用上述方法讨论了工作流资源分布的几种模式,并与模拟结果加以对比,计算结果的最大误差在3%左右,说明基于扩展时延Petri网的方法是分析工作流系统时间性能的有效方法。     

使用时间化自动机形式化带有时间扩展的UML状态图

严格建模是嵌入式实时系统设计的核心技术，通过UMI。方法与形式化方法结合可以给严格建模提供很好的工具支持。时间化自动机(Timed Automata)是一种用于描述、验证实时系统的理论模型。文中提出了一种通过时间化自动机来形式化带有时间扩展的UML状态图的方法，这种方法为UMI。与形式化方法的结合构造了桥梁作用。带有时间扩展的UML状态图用于嵌入式系统动态模型的建模，从时间化自动机模型得到形式化规范将更容易。UML状态图的形式化分为两部分完成；层次状态图的平面化以及时间化自动机的构造。     

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。     

基于对象分布式实时系统的容错模型研究

该文在基于对象的分布式实时系统调度模型研究的基础上,对G-Net模型进行了扩展,即给出了一种基于时间约束G-Net的分布式实时系统容错模型。该模型提供了容错和模块化机制,降低了分布式实时系统设计的复杂性,提高了系统的可维护性,有助于大型复杂可靠的分布式实时系统的设计。最后,该文还给出了基于时间约束G-Net模拟器的结构。     

基于UML Profile设计OLAP元模型

对UML进行轻量级扩展,建立了一套针对联机分析处理(OLAP)的扩展机制,并建立基于多维建模的OLAP元模型.实现OLAP在概念层上的设计,取代了以往在具体的表结构和数据仓库系统上进行建模的方法.使得OLAP较旱地伴随数据仓库系统进入设计阶段,以减少开发的时间和代价.     

基于扩展SysML活动图的嵌入式系统设计安全性验证方法研究

能源、交通等领域中复杂嵌入式系统设计的安全性分析与验证工作已经成为当前的重要研究热点之一;本文提出一种结合MARTE语义信息的扩展Sys ML活动图模型,用于描述安全关键应用中的嵌入式系统动态行为的设计,并对此扩展模型展开基于模型转换的系统设计安全性特征的形式化分析与验证方法的研究;包括:构建了Sys ML活动图与MARTE中非功能性质建模语义相结合的元模型,以及验证工具UPPAAL的时间自动机元模型,并且给出了二者之间的语义映射规则;建立了从时间自动机模型描述到UPPAAL工具输入格式之间的语法转换方法;设计了一个基于AMMA平台的面向扩展Sys ML活动图的模型转换与验证框架;最后,给出了一个高铁控制系统设计模型的安全性验证的实例分析.     

时间Petri网在即时检验流程建模中的应用

针对即时检验系统的设计与开发建模问题,提出一种基于时间Petri网的并发系统建模分析方法,为即时检验流程设计建立较为准确的信息化模型。通过将活动持续时间概念引入Petri网模型中,提出了适用于即时检验系统建模的时间Petri网建模方法,并设计了嵌入Petri网模型中的调度仿真器协助分析、优化即时检验控制过程。仿真实验结果表明所提出的时间Petri网建模方法在可达节点和运行时间等方面能够满足并行多类别即时检验调度与控制系统的流程建模实际需要,为流程仿真和分析提供有力工具,从而辅助系统设计者对即时检验系统进行优化。     

一种新型内核扩展安全访问方法

内核扩展的安全性对操作系统的稳定运行具有重要意义.内核扩展在为驱动开发提供了便捷的同时,但也带来了重大安全隐患.本文设计了一个新型内核扩展安全访问(Security Access to Kernel Extension,SAKE)模型系统,该系统通过对驱动模块的控制范围进行约束,对关键内核扩展函数接口进行审查,来实现安全的内核扩展访问.文中所述研究在Linux操作系统上对SAKE模型系统进行了实现,并结合多款驱动进行了评测.安全性评测结果表明SAKE能够提供安全内核扩展访问功能,并且性能评测表明该系统带来的开销很小.     

实时软件系统开发技术

分析了开发实时系统和实时软件系统的特殊性，讨论了传统实时软件系统开发技术(包括RTSA技术、DARTS技术、JSD技术、NRL方法、OOA＆OOD技术等)，并比较了它们各自的优缺点．详细讨论了面向对象技术在实时软件系统开发中的应用，对统一建模语言(UML)在实时软件系统中的应用也进行了深入分析和讨论．在分析了实时UML(UML-RT)的不足之后，提出了融合UML和CPN的实时软件开发技术，并用一个实例说明了如何利用该技术进行实时软件开发．     

基于消息顺序图和Petri网的移动应用监测平台建模分析

随着移动互联网的迅猛发展,移动应用的数量呈现井喷式的爆发,对其性能、故障和短板进行实时、有效的监测与分析是保证系统正常运行的关键。统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)作为一种功能较强的面向对象的图形建模工具,可以对移动应用监测平台进行建模分析,但在其过程描述中缺乏严格的语义。Petri网作为一种离散事件动态系统的建模和分析方法,提供了在逻辑时序下研究系统特性和性能的有效手段,并具有图形方法的直观性和逻辑方法的概括性。通过将基于UML消息顺序图和Petri网的建模方法应用到移动应用监测平台的分析过程中,针对用户下发的监测任务构建系统的消息顺序图和Petri网模型,利用消息顺序图对平台各对象之间在时间顺序上的交互关系进行了验证,并利用Petri网化简规则和状态方程对该模型进行了结构上的正确性验证和可达性分析。     

Specification and analysis of timing requirements for real-time systems in the CBD approach

In real-time software, not only computation errors but also timing errors can cause system failures, which eventually result in significant physical damages or threats to human life. To efficiently guarantee the timely execution of expected functions, it is necessary to clearly specify and formally verify timing requirements before performing detailed system design. With the expected benefit of reusability and extensibility, component technology has been gradually applied to developing industrial applications including real-time systems. However, most of component-based approaches applied to real-time systems lack in a systematic and rigorous approach to specifying and verifying timing requirements at an earlier development stage. This paper proposes a component-based approach to specifying and verifying timing requirements for real-time systems in a systematic and compositional manner. We first describe behaviors of the constituent components including timing requirements in UML diagrams, and then translate the UML diagrams into MTER nets, an extension of TER nets, to perform timing analysis in a compositional way. The merit of the proposed approach is that the specification and analysis results can be reused and independently maintained.     

Timing consistency checking for UML/MARTE behavioral models

UML/MARTE model-driven development approaches are gaining attention in developing real-time embedded software (RTES). UML behavioral models with MARTE annotations are used to describe timing behaviors and timing characteristics of RTES. Particularly, state machine, sequence, and timing diagrams with MARTE annotations are appropriate to understand and analyze timing behaviors of RTES. However, to guarantee software correctness and safety, timing inconsistencies in UML/MARTE should be identified in the design phase of RTES. UML/MARTE timing inconsistencies are related to modeling errors and can be hazards throughout the lifecycle of RTES. We propose a systematic approach to check timing consistency of state machine, sequence, and timing diagrams with MARTE annotations for RTES. First, we present how state machine, sequence, and timing diagrams with MARTE annotations specify the behaviors of RTES. To overcome informal semantics of UML/MARTE models, we provide formal definitions of state machine, sequence, and timing diagrams with MARTE annotations. Second, we present the timing consistency checking approach that consists of a rule-based and a model checking-based timing consistency checking. In the rule-based timing consistency checking, we validate well formedness of UML/MARTE behavioral models in timing aspects. In the model checking-based timing consistency checking, we verify whether timing behaviors of sequence and timing diagrams with MARTE annotations are consistent with the timing behaviors of state machine diagrams with MARTE annotations. We support an automated timing consistency checking tool UML/MARTE timing Consistency Analyzer for a seamless approach. We demonstrate the effectiveness and the practicality of the proposed approach by two case studies using cruise control system software and guidance and control unit software.     

应用UML进行实时系统资源分析

文中讨论了实时资源模型的结构和特性,以及应用UML进行实时系统资源分析的可行性。在资源的实现和对独占资源的调用方面对UML作了适当的扩展,并通过具体的例子说明如何使用有关的构造型。     

基于UML的EtherCAT矿井电力监控系统实时性研究

针对矿井电力监控系统中存在的实时性差、可靠性不足的问题,提出了采用以太网控制自动化技术EtherCAT为通信网络,搭建煤矿井下供电系统,并利用统一建模语言UML建立电力监控系统模型。实验室条件下,依据模型搭建系统实验平台,对EtherCAT矿井电力监控系统实时性进行分析。结果表明,系统网络报文传输时延极小,且故障切除实时性高,能够为后续EtherCAT矿井电力监控系统开发提供技术支持。     

基于UML和CPN的列控系统等级转换建模与分析

针对列控系统的安全性和实时性要求,基于CTCS-3级列控系统需求规范中等级转换场景建立C2级向C3级转换的UML(统一建模语言)模型和有色Petri网(CPN)模型,分析了影响列车安全运行和行车效率的因素,即转换时长和转换成功率,验证了该建模方法的有效性。验证结果表明,UML和CPN模型相结合的方法适合于列控系统需求规范的验证。搭建的等级转换模型能够满足系统实时性要求。在保证切换成功率的前提下,列车运行速度与切换时间成反比,速度越高,切换时间越短;列车速度越高,对系统实时性要求也越高。     

基于UML和平台的嵌入式系统设计方法研究

针对嵌入式系统设计和开发的特点和需求的不断提高导致设计开发的复杂性,研究了将UML和平台结合进行嵌入式系统设计的一种方法,使用UML描述平台细节和所提供的功能;利用UML的扩展特性建立了一种UML平台profile,包含建立新的构造类、构造关系、标签值和约束;并将这种UML和平台相结合的设计方法应用在嵌入式系统实例上,选择了组成嵌入式系统实例的硬件和软件平台,针对实例平台不同的服务层次建立了面向应用建模服务的相应实例平台模型,使用了静态图和动态图表示了这种平台模型,并且描述了实例平台模型的一种应用.     

实时系统的面向方面模型

基于UML的实时系统面向方面模型，能够把实时关注从系统中分离出来，形成一个独立于系统的时间方面，实现时间方面的并发设计和系统时间特性的统一管理。面向方面编程（AOP）技术允许把设计好的时间方面根据特定需要重新织入系统，组合为实时系统。模型扩展了UML来表达AOP技术和时间概念，并从系统的静态结构模型、动态行为模型和时间方面的织入等几部分建模实时系统。一个电梯控制系统例子充分说明这种设计过程。