自适应软件动态过程时间特性建模与验证方法

现有自适应软件建模与验证方法较少考虑时间约束,然而,在时间攸关应用领域,自适应软件能否正确运行,不仅要考虑自适应逻辑的正确性,还要考虑自适应软件动态过程的时间特性。为此,首先显式定义了自适应软件的时间特性（监控周期、延迟触发时间、自适应过程截止时间、自适应调节时间和稳定时间等）;然后,构造了一种基于时间自动机网络（TAN）的自适应软件动态过程时间特性建模模板;最后,将自适应软件时间特性描述为定时计算树逻辑（TCTL）的形式,并对时间特性进行了形式化分析和验证。结合具体案例验证了该自适应软件时间特性建模和验证方法,结果表明该方法能够显式刻画自适应软件时间特性,降低其形式化建模的难度。     

基于场景的联锁软件形式化模型生成方法

为保证列车运行安全和旅客生命财产安全,对车站联锁控制系统进行有效的分析、验证和测试是必不可少的,而形式化模型是联锁系统分析、验证和测试的基础.以计算机联锁软件的UML半形式化模型为基础,以事件确定有限自动机模型作为描述系统的形式化模型,研究UML2.0顺序图转换为事件确定有限自动机模型的方法.首先选取一组与交互行为相关的全局变量作为状态向量来分析和消解顺序图各个场景的消息以及不同场景间的同一消息的前后置状态向量值是否存在矛盾,从而得到一致性的需求场景;然后提取各对象的事件序列生成对应的事件确定有限自动机;最后通过组合系统中对象的自动机模型得到系统的事件确定有限自动机模型.该方法改善了安全苛求软件的设计与开发,为软件质量评估提供了技术支撑.     

面向软件模糊自适应的UML用例扩展

现有统一建模语言(UML)设施及一般软件自适应工具难以直接支持软件模糊自适应(SFSA)需求分析与设计阶段的建模,为此,提出一种基于UML用例扩展的SFSA需求分析与设计方法--Fuzzy Case。该方法结合SFSA的概念模型,应用UML扩展机制引入新的构造型和标记值,建立了Fuzzy Case的一般模型;同时定义了Fuzzy Case的语法结构,并用对象约束语言(OCL)定义了其语义描述,形成了完整的SFSA建模设施。实例验证表明,与传统方法相比,Fuzzy Case能更清晰地表达SFSA的结构,准确定义软件的内部语义,建模过程更加简单方便,能有效提高SFSA的开发效率。     

基于Promela的UML建模方法及其应用

针对形式化方法与可视化方法的优缺点,本文提出形式化方法与可视化UML互补的建模方法,主要探讨用形式化方法验证UML模型,将UML模型转换为Promela模型,再用模型检测工具SPIN对Promela模型进行验证。最后通过实例对此转换方法进行验证,实验结果表明了此方法的有效性。     

基于对象着色Petri网的UML模型研究

UML广泛应用于软件建模,但缺乏有效的模型检测的方法,使用形式化方法对UML模型进行分析,可以发现UML模型的设计问题,提高UML模型的质量。对象着色Petri网是一种拥有接口库所的模块化着色Petri网,既是一种图形化建模工具,又是具有严格的语法语义定义的形式化方法。通过引入事件托肯,改进了将UML模型转换为对象着色Petri网的方法,结合实例将UML状态图和协作图映射为对象着色Petri网模型。并用着色Petri网的方法和工具对模型进行了分析,验证了模型的一系列性质。     

基于对象着色Petri网的UML模型研究

UML广泛应用于软件建模，但缺乏有效的模型检测的方法，使用形式化方法对UML模型进行分析，可以发现UML模型的设计问题，提高UML模型的质量。对象着色Petri网是一种拥有接口库所的模块化着色Petri网，既是一种图形化建模工具，又是具有严格的语法语义定义的形式化方法。通过引入事件托肯，改进了将UML模型转换为对象着色Petri网的方法，结合实例将UML状态图和协作图映射为对象着色Petri网模型。并用着色Petri网的方法和工具对模型讲行了分析．验证了模型的一系列性质．     

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。     

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。     

基于UML的嵌入式建模方法改进策略研究

统一建模语言UML(unified modeling language)在嵌入式系统设计建模中已经获得了广泛的承认,有很多成功的应用.但UML在嵌入式建模中存在时间约束描述能力不强和所建模型形式化复杂、验证难及模型重用性不高等问题.针对这些问题提出了一种改进策略:定义实时语义和映射规则,建立实时描述模式模板,使用模板中实时描述模式描述时间约束信息.改进后的方法能可视化地分析模型、纠正错误和简单地进行形式化转换,能利用支撑工具对模型进行验证,较好地解决了UML在嵌入式系统建模中存在的问题.     

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.     

可视化语言技术在软件开发中的应用

可视化语言技术比一维文本语言在描述软件组成方面具有优越性.由于图表和图形概念在系统建模中的广泛使用,可视化语言可以应用于需求分析、设计、测试和维护等软件开发的各个阶段.除了具有直观易见的特点之外,图文法在计算机上的精确建模和验证能力,为设计可视化语言提供了一个坚实的理论基础.讨论了可视化语言的形式理论基础,回顾了相关的可视化图形编程环境.特别提出了一种空间图文法,并且用该图文法定义了统一建模语言的行为语义.基于空间图文法,开发了一种基于模式驱动的框架,以帮助软件架构与设计.     

时间自动机模型验证的研究进展

基于时间自动机的模型验证是一种形式化的实时并发系统时间性质验证技术,重大软件对时间行为、时序关系的高可靠性要求,不断刺激时间自动机模型验证技术的发展.介绍了时间自动机理论、模型验证算法及工具,对该领域的研究进展做了综述,指出了时间自动机模型验证存在的问题和研究方向.     

FAME: A UML-based framework for modeling fuzzy self-adaptive software

Context: Software Fuzzy Self-Adaptation (SFSA) is a fuzzy control-based software self-adaptation paradigm proposed to deal with the fuzzy uncertainty existing in self-adaptive software. However, as many software engineers lack fuzzy control knowledge, it is difficult for them to design and model this kind of fuzzy self-adaptive software (F-SAS). Therefore, efficient and effective modeling technologies and tools are needed for the SFSA framework.Objective: This paper aims to identify modeling requirements of F-SAS and to provide a modeling framework to specify, design and model F-SAS systems. Such a framework can simplify modeling process of F-SAS and improve the accessibility of software engineers to the SFSA paradigm.Method: This study proposes a modeling framework called Fuzzy self-Adaptation ModEling (FAME). By extending UML, FAME creates three types of modeling views. An analysis view called Fuzzy Case Diagram is created to specify the fuzzy self-adaptation goal and the realization processes of this goal. A structure view called Fuzzy Class Diagram is created to describe the fuzzy concepts and structural characteristics of F-SAS. A behavior view called Fuzzy Sequence Diagram is created to depict the dynamic behaviors of the F-SAS systems. The framework is implemented as a plug-in of Enterprise Architect.Results: We demonstrate the effectiveness and efficiency of the proposed approach by carrying out a subject-based empirical evaluation. The results show that FAME framework can improve modeling quality of F-SAS systems by 44.38% and shorten modeling time of F-SAS systems by 38.41% in comparison with traditional UML. Thus, FAME can considerably ease the modeling process of F-SAS systems.Conclusion: FAME framework incorporates the SFSA concepts into standard UML. Therefore, it provides a direct support to model SFSA characteristics and improves the accessibility of software engineers to the SFSA paradigm. Furthermore, it behaves a good example and provides good references for modeling domain-specific software systems.     

构件式实时系统建模与验证研究

在复杂的实时系统开发中使用构件式设计方法已成为目前软件开发领域中的研究热点,如何有效地验证实时软件的设计是否满足给定的时间需求并降低验证过程的复杂度,是实时计算领域中的主要挑战之一.文中对构件接口模型进行时间扩展,提出了时间接口模型,并将其用于构件接口交互行为的形式化建模.在接口自动机理论的的基础上进一步提出了时间接口自动机模型用于描述时间接口交互下构件的行为及组合方法,通过消除错误状态产生组合模型来约减构件时间接口自动机模型的积,并在约减的模型上进行性质检验,降低了分析复杂度,有效地应对状态空间爆炸问题.为了说明论文建议的方法,详细讨论了一个简单的、贯穿整篇论文的示例系统.     

一种基于场景的嵌入式软件设计方法

UML顺序图是一种常用的在软件开发早期阶段用来描述系统基于场景的需求规约的一种可视化建模语言。通过在UML顺序图中加入带时间区间标志的时间约束,得到时间顺序图模板TSDT（Timed Sequence Diagram Template）,用来建立嵌入式软件基于场景的需求规约模型。对消息传递自动机进行实时扩展,得到时间消息传递自动机TMPA（Timed Message Passing Automata）,TMPA以自动机的形式刻画了所建立的需求规约模型,为在需求阶段验证所建立的模型是否满足用户需求奠定了基础。     

双重软件体系结构描述框架XYZ/ADL

体系结构设计在软件开发过程中扮演着重要角色.工程中常用图形语言为软件体系结构建模,它们有直观、半形式化的优点;但是语义不够精确,难以对它们表示的模型进行分析,在这方面,形式化方法可与之互补.但在工程使用中仅用形式化语言建模又不太现实,所以如何结合二者之长以提高软件的可靠性已成为工业界和学术界共同关心的问题.提出了双重软件体系结构描述框架XYZ/ADL:支持工程中软件体系结构的基本概念,前端用一般的体系结构框图作为结构描述,用UML活动图、状态图作为抽象行为表示;后端用既可表示系统动态语义又可表示系统静态语义的时序逻辑语言XYZ/E作为一致的语义基础.前端的图形语言便于软件工程师的交流和使用,后端的形式语言是进一步的形式化分析验证的基础.     

无人机飞控软件系统建模与测试用例生成研究

软件规模与复杂度的迅速增长已成为设计与检验现代高质量无人机飞行控制软件(FCS)系统的重要挑战。采用模型驱动工程(MDE)的框架,使用嵌入式实时系统建模语言(MARTE)建立起某型无人机飞控软件系统的模型,给出了基于时间自动机的系统动态行为的形式化模型实例;结合无人机FCS系统的应用背景,建立了基于时间自动机模型的测试用例生成方法,包括建立测试用例生成框架、测试用例生成规则以及用例生成策略等;对某型无人机飞控软件系统中的主控模块进行了建模与测试用例生成的实例分析研究。