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.     

从行为树转换到UML状态机来验证系统需求

定义了从行为树到统一建模语言状态机的转换.行为树是一种图形化建模方法,它能够抓取和形式化自然语言描写的需求的系统的动态行为,但是在软件开发过程中,人们更广泛的使用UML状态机.把这两种方法结合到一起提供了一种从自然语言需求到系统可执行模型的道路,这反过来又促进了需求验证和到模型驱动软件开发方法的转变.在Eclipse模型框架下实现了从行为树到统一建模语言状态机的转换,并通过一个安全警报案例研究来表明此方法的可行性.     

基于系统理论过程分析的软件安全性需求分析与验证方法

针对传统系统理论过程分析（STPA）方法缺乏自动化实现手段、自然语言结果分析存在歧义性的问题,提出一种基于STPA的软件安全性需求分析与验证方法。首先,提取软件安全性需求,并利用算法将其转化为形式化表达式;其次,建立状态图模型来描述软件安全控制行为逻辑,并将其转化为程序可读的形式化语言;最后,采用模型检验技术进行形式化验证。结合某武器发射控制系统案例验证了方法的有效性,结果表明,该方法能够实现安全需求分析的自动化生成与形式化验证,解决了传统方法对于人工干预的依赖问题及自然语言描述问题。     

基于系统理论过程分析的软件安全性需求分析与验证方法

针对传统系统理论过程分析（STPA）方法缺乏自动化实现手段、自然语言结果分析存在歧义性的问题，提出一种基于STPA的软件安全性需求分析与验证方法。首先，提取软件安全性需求，并利用算法将其转化为形式化表达式；其次，建立状态图模型来描述软件安全控制行为逻辑，并将其转化为程序可读的形式化语言；最后，采用模型检验技术进行形式化验证。结合某武器发射控制系统案例验证了方法的有效性，结果表明，该方法能够实现安全需求分析的自动化生成与形式化验证，解决了传统方法对于人工干预的依赖问题及自然语言描述问题。     

一个基于形式化方法的系统安全性建模分析实例研究

随着安全关键性系统的日益复杂,如何提高安全关键系统的安全性成为急需解决的问题.基于形式化模型的复杂系统设计与分析是一种重要的安全性分析方法.本文工作对AIR6110标准中的机轮刹车实例系统进行了基于形式化方法的安全性分析研究,包括:在系统模型设计层级对机轮刹车系统(WBS)的架构进行层次化分析,将自然语言描述的WBS系统功能用形式化语言(AADL的子集SLIM)进行严格的建模描述,消除AIR6110标准中自然语言描述存在的需求语义的二义性,从而建立了WBS系统的形式化模型;考虑系统可能发生的故障并设计多种类的故障模式,基于这些故障模式对建立的形式化功能模型进行失效行为语义的扩展,然后对获得的扩展系统模型进行安全性分析.实例分析论证了基于模型的安全性分析方法在工业系统中的有效性和实用性.     

一种网构软件体系结构中的纵横验证机制*

如何在开放、动态、复杂的Internet环境下开发网构软件是软件技术领域一个挑战性课题。从网构软件整个生命周期入手,对网构软件的形式化模型,在简单介绍抽象状态机(ASM)的基础理论之后,刻画了网构软件的构件模型,并对构件模型进行了基于ASM的形式化描述,在此基础上,将粗粒度抽象构件的精化问题转换为求解构件组合方案的问题,并在体系结构元层,提出一种双向验证方法对不同抽象程度的组合方案进行横向和纵向的验证,以保证目标系统的正确性和求精过程的正确性。以上形式化建模和双向验证方法尽可能地避免和消除了软件设计早期的错误。通过系统实验验证可以看出,该方法对网构软件的开发具有一定指导意义。     

带有并发行为的UML状态机图的形式语义

在软件开发过程中,UML(统一建模语言)状态机图是目前最流行的建模形式之一,它属于半形式化模型,无法用形式化的方法进行推理。为了能对UML状态机图进行推理,现有工作采用Petri网、时序逻辑语言XYZ/E、动态描述逻辑、Z(Object-Z)语言、CHAM化学抽象机等作为状态机图的形式语义,但这些语义都是行为语义,并没有从结构上直接形成体现真并发的形式语义。该文提出一种新的模型——统一结构模型作为带有并发行为的UML状态机图的形式语义,该模型不会增加或减少状态机图的任何信息。基于统一结构模型首先定义了状态机图的格局(全局状态),用于表现状态机图的执行过程,并且给出了UML状态机图的格局的转换规则,说明格局如何在状态机图中执行,在此基础上给出了状态机图的可达性算法,然后还对状态机图的死锁等性质进行了介绍,最后开发出一个原型工具,实现了状态机图的可达性分析,并用实例说明了该方法的应用。     

基于UML的计算机联锁软件的分析与建模

有效地测试、分析和验证计算机联锁软件是保证列车运行安全和旅客生命财产安全的重要手段,而形式化模型是系统测试、分析和验证的基础。以联锁软件的UML非形式化模型为基础,以有限状态机模型为系统形式化模型描述的数学工具,研究UML顺序图(场景)自动转化为有限状态机模型的方法。首先将场景的UML顺序图转化为FSP进程代数模型,然后通过合并不同对象的进程代数模型,得到系统的有限状态机模型。最后以接车进路用例为例生成系统的有限状态机模型,以验证该方法的可行性和有效性。     

操作系统形式化设计与安全需求的一致性验证研究

采用数学形式化方法对操作系统进行设计和验证可以保证系统的高度安全性.目前已有的操作系统形式化研究工作主要是验证系统的实现在代码级的程序正确性.提出一种操作系统形式化设计和验证的方法,采用操作系统对象语义模型(OSOSM)对系统的设计进行形式化建模,使用带有时序逻辑的高阶逻辑对操作系统的安全需求进行分析和定义.对象语义模型作为系统设计和形式化验证的联系.以实现和验证过的可信微内核操作系统VTOS为实例,阐述形式化设计和安全需求分析,并使用定理证明器Isabelle/HOL①对系统的设计和安全需求的一致性进行验证,表明VTOS达到预期的安全性.     

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。     

基于场景分析的系统形式化模型生成方法

采用形式化方法对系统的安全性进行分析与验证,是构造可靠安全软件系统的一个重要途径。当前的形式化安全分析方法,面临着系统的形式化建模难的问题。以铁路车站联锁系统中基本进路建立为例,提出基于场景分析的系统形式化模型生成方法。该方法首先采用OCL前/后置条件分析法对UML时序场景作一致性分析,然后将UML时序图中对象交互的行为序列转换成FSP进程代数模型,进而得到系统的形式化模型。该方法为系统的形式化建模提供了新思路,从安全质量方面改善了安全苛求软件的设计与开发,丰厚了基于模型的软件形式化开发方法。     

基于安全协议代码的形式化辅助建模研究

随着安全协议形式化分析技术的不断发展,利用工具自动验证虽已得到实现,但建模环节仍需依赖专业人员手工建模,难度大且成本高,限制了此技术的进一步推广。为了提高建模的自动化程度,提出了依据安全协议代码进行形式化模型辅助生成的方案。首先,使用污点分析获取协议的通信流程,并且记录密码学原语操作;然后,根据通信流程之间的序列关系构建协议通信状态机;最终,根据目前主流的安全协议形式化分析工具Tamarin的模型语法生成形式化模型。实验结果表明,此方案可以生成形式化模型中的关键部分,提高了形式化建模的自动化程度,为形式化分析技术的推广作出贡献。     

车站联锁进路控制逻辑的形式化方法

基于计算机联锁系统是一个对列车行驶系统提供安全条件的系统,车站联锁系统是保证车站行车安全和提高运输效率的典型安全苛求性系统。以形式化 方法Event-B为基础,引入角色Agent对联锁系统进行规范定义,通过智能体与Event-B的建模和验证,构造了车站联锁进路控制逻辑形式化验证模型,并进行 了形式化规范和推理,该模型在RODIN平台上进行验证,通过实例验证,满足了计算机联锁系统的安全需求。     

基于故障配置的故障树生成

故障树分析是提高系统安全性和可靠性的有效方法。传统的人工故障树生成方式难以解决当前系统的庞大规模与复杂性的问题,且容易出错。为此,提出基于故障配置的故障树生成方法,引入软件产品线的可变性管理,用于系统故障建模与形式化分析。首先,定义故障特征图模型用于刻画系统故障间的约束关系,基于Kripke结构定义故障标记迁移系统来描述系统的行为;然后,基于模型的语义建立通过模型检测生成故障树的过程;最后,通过时序逻辑描述系统安全属性,利用模型检测工具SNIP验证安全属性进而生成故障树。案例研究验证了该方法的有效性。     

轨道交通联锁领域特定语言的形式化

作为轨道交通系统的核心子系统之一，对联锁系统进行形式化建模与分析，是保证其安全性的重要手段.形式化建模需要领域知识和形式化知识的结合，由于形式化知识难以掌握，领域专家在建模整个过程中都需要形式化专家的帮助.为了解决这个问题，针对联锁系统的故障随机性、行为实时性、构件可重用的特点，提出设计联锁领域特定语言IS-SDL描述具体的联锁系统的参数，并基于随机混成自动机模板自动生成联锁系统的形式化模型，以进一步在此基础上进行安全分析.首先对联锁系统模型进行分析，根据不同案例设计其领域特定语言；其次，确定联锁系统的系统模型的模板，包括环境构件模板和控制器模板，并举例抽取其随机混成自动机模板；在模板基础上定义系统模型生成过程，让领域专家可以通过领域特定语言，输入参数自动生成具体的随机混成自动机系统模型；最后以某站联锁系统为例，展示了基于模板的具体系统模型的生成过程，并通过基于系统模型的事故预测分析，证明了该方法的可行性与有效性.     

一种针对安全可达动态系统的形式化学习方法

在动态系统建模问题中,深度学习为建模提供了更便捷和灵活的方法,但其难以解释的特点降低了模型的可靠性。针对具有安全性和可达性的动态系统,提出了一种形式化模型学习方法,将安全性和可达性引入到对目标系统的学习过程中,使模型满足这两个性质。为保证所学系统在定义域上严格满足这两个性质,该方法基于现代控制理论中的Lyapunov方法和Barrier函数设计了可验证的Lyapunov Barrier函数（LBF）,通过将其与动态系统联合学习,使得LBF能够为所学系统提供安全性和可达性保障。最后通过求解混合整数线性规划问题验证了模型确实满足相关性质,与DDPG的对比实验展示了这一方法的有效性。     

列车安全距离控制形式化建模与验证

随着我国铁路的迅速发展,对列车运行安全性的要求越来越高。采用Event-B形式化建模方法研究了高速列车安全距离控制形式化验证问题,以Event-B形式化仿真工具Rodin为基础,通过结合多智能体理论,引入感知决策法则,实现了无线闭塞中心(RBC)与列车的车地通信,建立了多列车运行的安全距离控制模型。仿真研究了高速列车最小间隔追踪控制运行,对列车安全距离控车行为进行了形式化建模并进行了POs证明义务验证。仿真结果表明,对于CTCS列车控制系统的复杂逻辑关联行为,采用提出的Event-B和多智能体系统(MAS)结合的形式化验证方法,可进行系统规范的模型验证,对于复杂系统的逻辑验证有较强的实际意义。