一种水下群机器人路径规划算法的形式化研究

为了增强基于遗传算法的水下群机器人路径规划算法正确性的说服力,使用定理证明对其进行形式化研究,给出算法在定理证明器HOL4中的形式化模型。基于算法形式化的一般步骤,首先对算法的设计进行了详细的分析,指出算法设计的核心步骤与建模难点。在此基础上建立了总体形式化建模框架,然后对其进行化简,得到种群初始化、选择、交叉三个核心模块。接着给出模型中要用到的基本数据类型的形式化描述,并分别对三个模块进行形式化描述,最终得到算法的形式化模型。通过证明与模型相关的97条性质,说明了模型的合理性及有效性,在此模型的基础上,可以完成对算法的形式化验证,同时还能拓展HOL4的应用范围。     

SpaceWire译码电路在HOL4中的形式化验证

SpaceWire是在苛刻环境下的高速通信总线协议,译码电路是其接收端的关键电路,对该电路进行形式化验证具有重要的现实意义.形式化验证方法中的定理证明将需要分析的电路进行形式化建模,结合定理证明器,对模型的性质进行严格推理从而完成验证.本文运用定理证明的方法,在高阶逻辑证明工具HOL4中对SpaceWire总线的译码电路进行形式化验证.首先根据SpaceWire标准规范抽取相关性质,用高阶逻辑语言形式化描述;然后分析电路设计中的VHDL代码,依据代码实现的功能用相应的逻辑谓词建模;最后在HOL4中证明了译码电路设计的模型能满足所提取的性质.本文同时给出了形式化建模的方法和验证过程.     

基于Isabelle定理证明器算法程序的形式化验证

形式化验证对保证软件的正确性和可靠性具有十分重要的意义。定理机械证明是形式化验证的一个重要研究领域,Isabelle系统是一个被广泛运用的定理证明辅助工具。本文在分析Dijkstra最弱前置谓词理论的基础上,根据PAR方法开发的算法程序循环不变式,提出了一种使用Isabelle定理证明器对算法程序进行机械验证的方法。该方法既克服了传统手工验证过程的繁琐性和易错性等缺点,又达到"提高验证效率和保证算法程序高可信"的目标,具有很好的实用价值。     

一种基于Isabelle/HOL的安全通信协议验证方法

传统对称密钥加密协议的加密和解密速度较快,但用户无法进行身份认证,容易造成通信代理持有密钥过多导致管理困难的问题,而非对称密钥加密协议可实现用户的合法身份认证,但密钥复杂度高,使其在处理大容量消息时运行速度较慢。为解决上述问题,结合对称和非对称密钥加密方式,构建D_protocol混合密钥加密协议。使用Isabelle/HOL定理证明辅助工具对D_protocol协议建立通信代理和消息序列的形式化模型,采用形式化操作语义描述用户行为,通过归纳分析方式对通信协议消息交互过程涉及的相关定理展开验证,结果表明D_protocol协议在提高通信效率的同时具有较高的安全性,并且可在一定程度上抵抗外部攻击和中间人攻击。     

Xen混合多策略模型的设计与形式化验证

Xen作为一种虚拟化工具因开源、高效等特点而受到越来越多的关注。作为Xen安全的基础,XSM决定了其安全性。原生XSM没有对系统资源进行安全分级,并且以虚拟机为管理对象使得Dom0作为一个唯一管理域不符合最小特权,文中设计了一种混合多策略模型SV_HMPMD。在该模型中,针对BLP引入多级安全标签,从而增加BLP的实用性,并通过DTE和RBAC对特权进行更细致的划分,从而对Dom0特权进行合理限制。提出了一种分层模型,利用该模型对混合模型进行形式化的描述。运用系统不变量构造访问规则的安全属性需求,通过Isabelle/HOL对模型设计与安全需求的一致性进行验证。     

基于形式化方法的有限域乘法器的建模与验证

针对有限域乘法器设计正确性的问题进行研究,阐述了有限域乘法器在高阶逻辑定理证明器HOL4中进行形式化建模和验证的过程。通过分析电路的结构特性和时序特性,提出了结合层次化和基于周期的形式化建模方法,构建4位多项式基有限域乘法器的形式化模型;最后在HOL4系统中完成对其相关性质的验证。实验结果证明了该有限域乘法器设计的正确性,同时表明所提出的建模方法对时序逻辑电路的验证是有效的。     

Gauge积分在HOL4中的形式化

积分是许多数学理论的基础,如实数分析、信号与系统中微分方程的求解等等。Gauge积分是黎曼积分在闭 区间上的推广,应用更加方便。将Gauge积分的运算性质在HOL4 (Higher-Order Logic 4)中形式化,包括积分的线 性运算性质、积分不等式、分部积分、积分分裂定理、子区间的可积性、对特殊函数的积分的形式化及积分极限定理、柯 西可积准则,并根据相关性质对反相积分器进行了验证。     

终止证明方法在形式化建模中的应用

随着形式化方法的普及和应用,定理证明器HOL4在形式化建模过程中无法自动完成终止证明的情况越来越多,而手动终止证明又缺少通用的证明思路.针对这种情况,提出规范化的手动终止证明方法.该方法从问题产生的本质入手,首先保证目标具备解决终止问题的必要条件,然后通过等效替换简化证明目标,最后以原有定理库为基础,寻找证明过程中缺失...     

汇编级顺序语句块的自动形式化规约及其验证

软件的形式化验证是保障软件可证明性、可靠性和安全性的重要手段,但传统形式化验证脚本的生成过程复杂且需要形式化验证专家的大量手工验证。为提高证明效率,构建一种自动证明模型,并在此基础上提出语义自动规约算法以及对所规约的语义自动生成证明脚本的算法。利用C++和Python并通过交互式定理证明器Isabelle 2017在基准数据中随机选择10个程序进行测试,结果表明,与完全人工操作相比,该算法具有较高的验证效率,可实现顺序语句块的自动化规约与验证。     

基于HOL4的形式化方法

针对计算机系统设计的正确性问题,研究了一种在测试空间上完备的形式化方法,探讨了硬件系统在定理证明器HOL4中进行形式化验证的一般方法,其中包括如何采用高阶逻辑形式化描述系统的实现与规范,以及在HOL4中证明目标的一般过程.同时,以乘法器为实例,提出一种功能分解法对需要分析的电路进行形式化建模,并对模型的性质在HOL4中进行推理与验证,从而证明了乘法器电路设计的模型满足所提取的性质.     

操作系统形式化设计与验证综述

对操作系统的形式化设计和验证的概念进行介绍,描述其框架和基本方法。比较和分析操作系统宏内核和微内核结构,调查多个设计和验证项目,阐述项目的验证目标、方法、优缺点和进展情况。在总结研究现状的基础上,分析和展望操作系统形式化设计和验证的发展趋势,从操作系统模型设计、验证工具、代码实现和验证重用等方面给出形式化设计和验证的思路。     

嵌入式操作系统的形式化验证研究

描述了一个汽车电子嵌入式实时操作系统的分层形式模型:在低层,该操作系统的顺序内核承担基础设施的角色,实施任务、ISR和系统服务等并发执行体之间的切换;而在高层,该操作系统向用户提供可并发执行的系统服务。两个层次的模型具有不同的配置状态视图和操作粒度。作为最重要的安全相关特性,应用与OS之间的存储隔离保护机制在顺序内核的模型中得以体现。建立了操作系统的实现正确性定理,包括相应的仿真关系和实现不变量。根据该操作系统两个部分模型的特点及相应代码的实现语言情况,选择组合应用定理证明器Isabelle/HOL和程序验证工具VCC的方式,有效完成了该操作系统的形式化验证。     

混成系统形式化验证

混成系统是实时嵌入式系统的一种重要子类,其行为中广泛存在离散控制逻辑跳转与连续实时行为交织混杂的情况,因此行为复杂,难以掌握与控制.由于此类系统广泛出现在工控、国防、交通等与国计民生密切相关的安全攸关的领域,因此,如何对相关系统进行有效的分析与理解,从而保障系统安全运营,是一项具有重要意义的工作.常规的系统安全性分析手段,如测试、仿真等仅能在一定输入的情况下运行系统来观测系统行为,无法穷尽地检测复杂混成系统在所有可能输入下的行为,因此并不足以保证系统的安全性.区别于测试等方法,形式化方法通过求解系统模型状态取值范围等方法来确认系统模型中一定不会出现相关错误.因此,其对于保障安全攸关混成系统的安全性具有十分重要的意义.形式化方法由形式化规约与形式化验证两个方面构成.因此从以上两个角度分别对形式化规约方向上现有混成系统建模语言、关注性质以及形式化验证方向的混成系统模型检验、定理证明的现有主要技术与方法进行了综述性的回顾与总结.在此基础上,针对现阶段实时嵌入式系统复杂化、网络化的特性,对混成系统形式化验证的重要关注问题与研究方向进行了探索与讨论.     

机器人控制系统关键模块的形式化验证

随着机器人应用在越来越多的领域,人们对其安全性的要求越来越高,作为机器人的核心,控制系统设计的可靠性对整个系统的安全至关重要;针对一种模块化设计的机器人控制系统架构,利用xMAS(eXecutable MicroArchitecture Specification,可执行微架构描述)模型在定理证明器ACL2中对其功能正确性进行验证,首先对Xmas在ACL2中的形式化理论做了阐述,然后对该机器人控制系统中的加速度传感器数据采集模块建立xMAS模型,提取关键属性并进行验证;将xMAS模型和定理证明器ACL2相结合,可以很好地解决机器人控制系统的验证问题,为机器人控制系统的形式化验证提供一个有效的方法参考。     

微内核操作系统互斥量模块功能正确性的形式化验证

操作系统在许多安全攸关领域为软件系统提供关键性底层支撑，操作系统中一个微小的错误或漏洞都可能引起整个软件系统的重大故障，造成巨大经济损失或危及人身安全.为了减少此类安全事故的发生，对操作系统正确性进行验证十分必要.传统测试手段无法穷尽系统中的所有潜在错误，因而操作系统验证有必要使用具有严格数学理论基础的形式化方法.在操作系统中，互斥量可协调多任务对资源的访问，是一种常用的任务同步方式，其功能正确性对于保障多任务应用的正确性十分关键.本文基于定理证明方法，在交互式定理证明器Coq中对某抢占式微内核操作系统的互斥量模块进行代码级形式化建模，给出其接口函数的形式化规范，并实现这些接口函数的功能正确性验证.     

摄动开普勒问题形式化建模与验证

摄动开普勒问题广泛应用于卫星轨道摄动分析,然而卫星轨道摄动分析数学模型的错误将导致灾难性后果.传统的建模与分析方法涉及到矢量代数、旋量代数、复数、四元数等多种不同的代数系统,在各个代数系统相互转换过程中极易引入错误.几何代数方法将多种代数系统统一到相同代数结构中,弥补了传统分析方法的不足.但是基于几何代数的摄动开普勒问题数学模型的正确性并没有通过严格的形式化验证.本文采用高阶逻辑来描述该问题的属性和规范,以公认的逻辑公理和推理规则为基础构建其形式化模型并进行验证,从而最大程度确保数学模型的正确性和分析方法的可靠性.     

机器人碰撞检测方法形式化

为应对更为复杂的任务需求,现代机器人产业发展愈发迅猛.出于协调工作的灵活性、柔顺性以及智能性等多项考虑因素,多臂/多机器人充分发挥了机器人的强大作用,成为现代机器人产业的重要研究热点.在机器人双臂协调运行当中,机械臂之间以及机械臂与外部障碍物之间容易发生碰撞,可能会造成财产损失甚至人员伤亡.对机器人碰撞检测方法进行形式化验证,以球体和胶囊体形式化模型为基础,构建基本几何体单元之间最短距离和机器人碰撞的高阶逻辑模型,证明其相关属性及碰撞条件,建立机器人碰撞检测方法基础定理库,为多机系统碰撞检测算法可靠性与稳定性的验证提供技术支撑和验证框架.     

BLP改进模型的形式化描述及自动化验证

在《信息安全技术操作系统安全技术要求》中,提出访问验证保护级安全操作系统的研发过程需要完全形式化的安全策略模型。针对该情况,对经典的数据机密性BLP模型进行相应改进,为系统中的主客体引入多级安全标签以及安全迁移规则,使其满足实际系统开发的需求。运用完全形式化的方法对改进模型的状态、不变量、迁移规则等进行描述,使用Isabelle定理证明器证明了迁移规则对模型的不变量保持性,从而实现对模型正确性的自动形式化验证,并保证了模型的可靠性。     

连续傅里叶变换基础理论的高阶逻辑形式化

连续傅里叶变换(CFT)在数学和工程技术领域都有着广泛应用.利用高阶逻辑定理证明器HOL4,实现了对连续傅里叶变换定义及其常用运算性质的形式化,包括线性、频移、反转性、积分、时域一阶微分及高阶微分运算性质,为采用形式化方法分析相关系统奠定了基础.最后利用定理证明的方法对电阻电感电容(RLC)串联谐振电路的频率响应特性进行了验证,说明了CFT形式化的初步应用.