[发明专利]一种基于模型转换的CPS建模与验证方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于模型转换的CPS建模与验证方法，主要用于对CPS进行建模与验证。

背景技术

信息物理系统(Cyber Physical System，CPS)将物理过程与计算相结合，通过嵌入式系统和网络对物理设备进行监测与控制，计算与物理过程通过反馈机制相互影响。CPS能否满足设计需求，对系统设计实施来说至关重要，验证技术可以确定系统是否满足某些属性，弥补了传统的测试技术无法证明系统不存在缺陷的不足，在提高和保障系统安全性，可靠性等方面起到了关键的作用。形式化验证方法利用数学方法来验证规约的属性是否正确。一般的模型检验技术应用于有限状态的系统，而CPS具有离散与连续的行为，存在无限的状态，对大规模CPS的验证工作变的更有挑战。

越来越多的形式化的验证方法应用于CPS验证，其中基于微分动态逻辑(dL，Differential Dynamic Logic)的定理证明方法在对CPS进行验证时能有效准确地适用于大规模CPS的属性验证，由于其操作模型Hybrid Programs(以下简称HP)难以进行通用直观的建模工作，特别在CPS设计阶段难以体现设计的一般化。

发明内容

本发明针对微分动态逻辑方法的缺陷，使用HybridUML对CPS进行建模，提出一种将HybridUML模型转换为HP的模型转换方法，利于转换得到的HP进行CPS属性的推理验证。将通用的模型转换为形式化的模型进行验证也是软件工程领域研究的热点。HybridUML是UML的一种扩展，弥补了UML没有精确语义和不能对连续状态建模的不足，且同时保持了UML通用直观的特性。

本发明的一种基于模型转换的CPS建模与验证方法，用于对CPS进行建模与验证，可以直接对CPS进行形式化建模，并且自动模型转换为微分动态逻辑方法的操作模型，进而使用定理证明器进行验证。与过去的方法相比，本发明既可以很好地对通用建模语言所建的CPS模型进行验证，又弥补了HP不够通用、一般化的弱点。

技术方案：本发明的方法首先利用HybirdUML对CPS进行建模，再进行自动模型转换为微分动态逻辑的操作模型HP(Hybrid Programs)，然后生成输入代码作为定理证明器的输入。

本发明的具体步骤如下：

步骤1).分析给出微分动态逻辑方法验证CPS的操作模型HP的形式化描述，包括InitBlock表示初始化块，DJ表示离散变迁的集合，CE表示连续变化的集合，HPSkeleton和HPContent分别表示Hybrid Programs的框架和内容，

步骤2).在HybridUML元模型数据结构表示基础上，增加Mode和Agent分类、顶层Mode、变迁的源和目标Mode、变迁分类等的形式化表示，

步骤3).定义模型转换规则的格式，包括RuleType表示规则的类型，分为映射规则和处理规则，Mapping/Processing表示规则的映射或处理过程，Return Result表示返回规则处理的结果，

步骤4).建立共享变量表规则CreateShareVariableTable，表的每一行表示Agent之间共享的变量，用于解决HybridUML有变量有作用域限制，而Hybrid Programs中变量皆为全局变量的问题，

步骤5).进行HybridUML模型中静态结构到HPSkeleton的转换，

步骤6).建立规则CreateTransitionPath将一个变迁以别一个变迁的目标Mode为源Mode的两个变迁进行合并，

步骤7).建立规则EliminateJunction将HybridUML的状态图中的分叉点进行合并

步骤8).建立规则FlatHierarchyMode，根据变迁的种类将HybridUML状态图的层次进行展开

步骤9).定义有向图TransitionGraph表示展开后的简单状态图，图的顶点由HybridUML中原子Mode组成，顶点之间的边表示以该两个顶点为源和目标的变迁，

步骤10).建立变迁转换的规则MappingTGtoHP将TransitionGraph中的变迁转换为Hybrid Programs中的变迁，

步骤11).生成规则应用的模板TemplateHUtoHP，组织步骤4)至步骤10)中建立的规则，对于输入的HybridUML模型应用模板生成相应的Hybrid Programs模型，

步骤12).利用微分动态逻辑公式对CPS属性进行规约，