物联网系统时间自动机建模的研究与应用

探讨基于时间自动机理论进行物联网系统建模和模型检测的理论、方法、工具和实践.对时间自动机的基础理论进行比较全面和精确的论述,完善部分概念及其精确的形式化定义.提出基于时间自动机理论进行建模的方法,并指出时间自动机理论研究对物联网系统建模的指导意义.介绍时间自动机的建模工具UPPAAL,说明基于UPPAAL建立时间自动机模型的建模、仿真和检测方法.结合物联网系统中一个经典的温度感知服务的系统需求、理论与实践相结合,进行温度感知管理系统时间自动机建模,并进行模型仿真与模型检测.实验结果表明,该系统能够正确感知温度,具有容错性且不会陷入死锁.     

基于时间自动机模型的无线传感器网络数据收集协议测试用例生成

从协议测试的角度出发研究了基于时间自动机模型的无线传感器网络数据收集协议测试用例生成方法,提出利用UPPAAL工具对数据收集协议建立时间自动机模型,进而利用UPPAAL CoVer工具生成满足特定覆盖标准的测试路径集合的方法。为了便于生成实际测试用例,开发了辅助自动测试用例生成工具ATCGT。通过一个工业界的无线抄表数据收集协议的建模与测试用例生成实例,阐明了该方法的有效性。     

基于UPPAAL的数据关联时序有限自动机模型验证

对数据关联过程建立了时序有限自动机模型，时序有限自动机时钟变量只取整数值，从而减小数据关联过程生成的状态空间。在一定的时间约束下，使用模型检测工具UPPAAL对所建模型的关键性质——关联准确性进行了分析和验证。检测结果验证了利用UPPAAL进行数据关联准确性分析的可行性。     

Research on Verification Method of AADL Behavior Model Based on UPPAAL

为了实现AADL(体系结构分析与设计语言)行为模型的分析验证,基于行为附件的文法结构以及行为描述方式,提出了AADL行为模型与UPPAAL下时间自动机模型之间的模型转换规则.在转换规则的基础上,设计和实现了自动转换的原型工具.最后以航天器控制系统中制导、导航与控制计算机从陀螺取数的AADL模型为例,经自动转换得到时间自动机模型,并在UPPAAL下仿真、验证其行为正确性,同时证明了模型转换的有效性.     

三模冗余箭机系统的设计及形式化分析

针对航天系统的具体需求,本文首先设计了三模冗余箭载计算机系统。接着通过形式化方法对三模冗余箭机系统协议进行分析,采用UPPAAL模型工具建立了CPU时间自动机、表决时间自动机、仲裁时间自动机及脉冲发生单元时间自动机。最后对模型进行仿真及相关性质的验证。经过验证,提取了两个重要的参数取值约束关系。该约束关系对于系统的设计具有一定的启发性,同时也保障了系统的安全性及可靠性。     

UPPAAL--一种适合自动验证实时系统的工具

UPPAAL是一个基于时间自动机的自动验证工具,已成功地用于实时控制器和通信协议等实时系统的验证.本文介绍了UPPAAL的语法,语义和语用,列举了它的几种扩展形式,并归纳了其应用及研究现状.     

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.     

实时时序逻辑语言XYZ/RE到时间自动机的映射

时间自动机是一种重要的实时系统建模工具。本文建立了实时时序逻辑语言XYZ/RE到时间自动机的一种映射机制,将XYZ/RE所描述的系统进程直接转换为时间自动机,这样不但可以准确捕获实时系统功能和控制行为,还可以利用基于时间自动机的验证工具UPPAAL对XYZ/RE描述的系统正确性进行检测。最后本文通过一个实例的描述与检测,验证了映射机制的有效性。     

时变网络中国邮路问题的时间自动机模型

基于时间自动机理论,提出了时间窗、时间依赖服务代价以及时间依赖旅行时间这3类时变网络中国邮路问题的统一建模的语义模型和求解方法.首先,将中国邮路问题可行解条件和时变参数与时间自动机联系起来,建立了3类问题的统一时间自动机系统(timed automata system,简称TAS)模型;然后,将时变网络中国邮路问题归结为TAS模型上的一系列可达性判定问题,并利用形式化验证算法给出了有效的求解方法.由于TAS模型中存在O(|A|+|AR|+1)个时间自动机,限制了问题求解规模.为此,通过扩展时间自动机语义,提出了TAS模型中的时间自动机合并策略,进而将TAS模型转换为一个广义时间自动机(GTA)模型.基于GTA模型,利用UPPAAL工具对9组、共54个随机算例进行实验.实验结果表明,该方法在求解精度上明显优于运筹学领域的方法.     

基于MDA的实时软件资源建模与模型转换的方法

模型驱动体系结构(MDA)是一种以模型为中心的软件开发框架,其本质是元建模与模型转换。提出了一种基于MDA的实时软件资源建模与模型转换的方法。首先通过元建模抽象出包含资源信息的MARTS元模型以及价格时间自动机的元模型;然后利用模型转换语言ATL对MARTS元模型和价格时间自动机元模型构造转换规则,通过将对应的实例模型进行相互转换,实现在MDA下MAR"I'E模型到价格时间自动机模型的转换;最后通过形式化工具UPPAAL对模型转换结果进行形式化验证。实例分析表明了该方法的可行性与有效性,它能够提高实时软件资源建模的可信性。     

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。     

Timed Behavior Trees for Failure Mode and Effects Analysis of time-critical systems

Behavior Trees are a graphical notation used for formalising functional requirements, and have been successfully applied to several industrial case studies. However, the standard notation does not support the concept of time, and consequently its application is limited to non-real-time systems. To overcome this limitation we extend the notation to timed Behavior Trees. We provide an operational semantics which is based on timed automata, and thus serves as a formal basis for the translation of timed Behavior Trees into the input notation of the timed model checker UPPAAL. System-level timing properties of a Behavior Tree model can then be automatically verified using UPPAAL. Based on the notational extensions with model checking support, we introduce timed Failure Mode and Effects Analysis, a process for identifying cause-consequence relationships between component failures and system hazards in real-time safety critical systems.     

基于时间自动机的信息物理融合系统建模与验证

信息物理融合系统的建模和验证是当前研究的一个热点。本文通过分析信息物理融合系统的体系结构,利用时间自动机为建模工具,将该结构中的各个组件分别进行建模,以表现它们的分布性和实时性。这些时间自动机组成一个网络模型,用于刻划整个系统之间的并发通信和协作过程。最后,提出一组该系统要满足的性质(包括时间约束),运用模型检测工具UPPAAL自动验证本系统的正确性。     

基于时间自动机的Web服务模型检测

传统的基于有限状态机的组合Web服务模型检测方法不能保证带有时间约束的组合Web服务的正确性.把组合Web服务看成多智能体系统,将带有时间约束的Web服务智能体建模为时间自动机,通过并发组合构成时间自动机网络,从而用时间自动机验证工具UPPAAL对组合Web服务的运行过程进行模拟,并验证其活性、安全性和死锁等性质.采用该方法对雇员出差安排组合Web服务进行建模和验证,结果表明,该组合Web服务存在死锁问题.最后通过分析死锁产生的路径,完善该组合Web服务的通信协议,从而消除了死锁.     

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。     

AFDX冗余管理机制的仿真

介绍了AFDX系统的组成及体系结构,通过对AFDX实时通信协议的冗余管理机制和冗余帧处理算法的分析和研究,提出具有较高可靠性的冗余帧处理算法ESKM。并通过时间自动机理论和UPPAAL工具模拟仿真,验证了其满足航空电子网络数据传输的可靠性需求。     

Verification of real‐time systems design

The main objective of this paper is to present an approach to accomplish verification in the early design phases of a system, which allows us to make the system verification easier, specifically for those systems with timing restrictions. For this purpose we use RT‐UML sequence diagrams in the design phase and we translate these diagrams into timed automata for performing the verification by using model checking techniques. Specifically, we use the Object Management Group's UML Profile for Schedulability, Performance, and Time and from the specifications written using this profile we obtain the corresponding timed automata. The ‘RT‐UML Profile’ is used in conjunction with a very well‐known tool to perform validation and verification of the timing needs, namely, the UPPAAL tool, which is used to simulate and analyze the behaviour of real‐time dynamic systems described by timed automata. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

AFDX冗余管理机制的仿真

介绍了AFDX系统的组成及体系结构,通过对AFDX实时通信协议的冗余管理机制和冗余帧处理算法的分析和研究,提出具有较高可靠性的冗余帧处理算法ESKM.并通过时间自动机理论和UPPAAL工具模拟仿真,验证了其满足航空电子网络数据传输的可靠性需求.