CN112163343A - 一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法 - Google Patents

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王瑞
陆芝浩
关永
孔辉
李晓娟
施智平
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Abstract

本发明公开一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，包括：S1：获取Ptolemy离散事件模型；S2：将Ptolemy离散事件模型翻译成适合模型验证的形式化Uppaal模型；S3：对所述Uppaal模型中功能逻辑的性质进行形式化描述；S4：改进Ptolemy模型验证界面；S5：将步骤S2翻译生成的Uppaal模型与步骤S4获得的验证界面结合，完成对Ptolemy离散事件模型的验证，并将验证结果返回到验证界面。本发明可以使用Uppaal进行仿真分析，同时可以黑盒的进行安全性、可达性的分析；避免了状态空间爆炸；保证了模型一致性，同时降低了验证的复杂度；可以降低模型验证的复杂度。

Description

一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法
技术领域
本发明涉及到一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，尤其涉及到一种基于Ptolemy离散事件模型翻译成Uppaal模型，进而进行形式化验证的方法；属于形式化验证技术领域。
背景技术
Ptolemy是一个开源的、面向角色的具有强大的建模仿真能力的集成环境。但是，Ptolemy并不具备对模型进行形式化验证的能力。然而，实践证明建模是一个复杂且易错的过程，有错的模型将导致有错的实现，在系统运行之后再更正错误耗费巨大，因此，对模型进行形式化验证是至关重要的。在Ptolemy中划分了多个域，例如：离散事件域、数据流域、连续时间域等。鉴于离散事件域的广泛应用，我们针对此域中的Ptolemy模型进行形式化验证。
现有对Ptolemy离散事件模型进行验证的技术包括两种，分别是通过解析Ptolemy离散事件模型，进而生成可用于RED和Real-Time Maude进行验证的文件，然后借助专业验证工具实现验证。但是这些方法都存在着一些问题。第一种技术，在当前的角色库中，所能支持的角色只有FSM Actor，以及状态中只能包含一个refinement的Modal Model。另外，Modal Model采用的是将refinement在顶层摊平的方式，这种实现方式会造成状态空间爆炸。这种技术的缺点在于无法对含有复杂层次化的角色的Ptolemy离散事件模型进行验证。第二种技术采用tick模拟时钟的推进，这种方法会造成数据溢出，也会增加验证的复杂度，另外，翻译延迟角色时，不能实现对多个输入事件的延迟处理，只能当一个输入事件延迟发送之后才能再接收输入事件，这种技术的缺点在于没有保证翻译前后角色的一致性，并且也增加了验证的复杂度。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，通过将Ptolemy离散事件模型翻译为Uppaal时间自动机模型，进而借助模型验证工具Uppaal完成验证过程。
本发明提供了一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，包括以下步骤：
S1：获取Ptolemy离散事件模型；
S2：将Ptolemy离散事件模型翻译成适合模型验证的形式化Uppaal模型；
S3：对所述Uppaal模型中功能逻辑的性质进行形式化描述；
S4：改进Ptolemy模型验证界面；
S5：将步骤S2翻译生成的Uppaal模型与步骤S4获得的验证界面结合，完成对Ptolemy离散事件模型的验证，在验证界面生成符合Uppaal模型应用程序接口要求的xml文件，通过调用Uppaal模型应用程序接口进行性质验证并将验证结果返回到验证界面。
进一步的，所述S1中获取Ptolemy离散事件模型的方式包括两种：(1)在Ptolemy集成环境中选择DE Director构建一个新的Ptolemy离散事件模型；(2)在Ptolemy集成环境中读取一个Ptolemy离散事件模型的xml文件。
进一步的，所述S2中将Ptolemy离散事件模型翻译成适合模型验证的形式化Uppaal模型，包括获取Ptolemy离散事件模型中各个角色的信息，将Ptolemy离散事件模型中的各个角色翻译成对应的时间自动机，以及将各个时间自动机组合构成一个Uppaal模型。
进一步的，所述获取Ptolemy离散事件模型中各个角色的信息，具体将获取的Ptolemy离散事件模型作为输入，通过解析获取的Ptolemy离散事件模型，选择出模型中的各个角色存储到定义好的角色容器中。
进一步的，所述将Ptolemy离散事件模型中的各个角色翻译成对应的时间自动机，具体为将角色容器作为输入，遍历容器中的角色，根据角色类型选择定义好的映射过则，进而将角色翻译成时间自动机，存储到自动机容器中。此过程包括对结果显示角色的翻译、对功能角色的翻译和对层次化角色的翻译：
其中，所述对结果显示角色的翻译：针对Dispaly这类的只用于展示Ptolemy离散事件模型结果，而与模型的实际逻辑执行无关的角色，可以直接忽略，不进行翻译。
所述对功能角色的翻译：根据角色的类型，在映射规则库中选择对应的映射规则，进而按照选择的映射规则，将角色翻译为时间自动机。
所述对层次化角色的翻译：将层次化的角色翻译成多个时间自动机，各个时间自动机之间采用同步机制进行通信，保留层次化的特点。
进一步的，所述将各个时间自动机组合构成一个Uppaal模型，具体为将自动机容器作为输入，将容器中的各个自动机有机结合起来，形成一个可进行形式化验证的时间自动机网络。
进一步的，所述S3对Uppaal模型中功能逻辑的性质进行形式化描述，具体为分析Ptolemy离散事件模型中的危险情况、特征信息，抽象成可在Uppaal中进行验证的CTL公式。
进一步的，所述S4改进Ptolemy模型验证界面是基于Eclipse插件开发技术,在验证界面中增加选项按钮，包括验证工具选择、验证方式选择、验证性质添加和验证结果返回，此验证界面可实现Uppaal模型应用接口的调用。
进一步的，所述S5对Ptolemy离散事件模型的验证过程，包括通过步骤S4设置的选项按钮，分别调用对应的程序进行验证工具的选择、验证方式的选择、验证性质的添加和验证结果的返回。
其中，所述验证工具的选择为：形式化验证工具Uppaal
所述验证方式的选择：具体有以下两种验证方式可以选择：方式(1)完成自动翻译过程后，在指定位置生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的xml文件，但不进行验证过程；方式(2)完成自动翻译过程后，生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的临时xml文件，调用Uppaal中的verifyta.exe读取临时xml文件和输入的验证性质，进行验证，返回验证结果后，自动删除临时xml文件。
进一步的，所述方式(1)完成自动翻译过程后，在指定位置生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的xml文件，但不进行验证过程：需要启动形式化验证工具Uppaal获取生成的xml文件，输入验证公式进行验证，当验证公式不满足时，可以选择在仿真环境中生成不满足的路径。
所述验证性质：根据Ptolemy离散事件模型的特征抽象出的CTL公式，可以同时验证多条性质，多条性质之间以“；”隔开。
所述验证结果的返回：当选择直接调用verifyta.exe进行验证时，会返回输入的验证性质的验证结果：满足或者不满足。
本发明具有以下优点：
1、将Ptolemy离散事件模型翻译成Uppaal模型，可以使用Uppaal进行仿真分析，同时可以黑盒的进行安全性、可达性的分析。
2、利用同步机制保留Ptolemy模型层次化的特点，避免了状态空间爆炸。
3、摒弃tick计时，采用invariant和guard相配合的方式，促使模型准确的产生事件，保证了模型一致性，同时降低了验证的复杂度。
4、由功能角色翻译而成的时间自动机，其局部的时钟变量，可以通过秒表控制始终其是否执行，通过暂停暂时用不到的时钟，可以降低模型验证的复杂度。
附图说明
图1：系统流程示意图。
图2：自动机定时产生事件模型示意图。
图3：层次化自动机模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述该发明方法。
本发明涉及到一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法及相应的插件实现，该插件是基于开源的Ptolemy建模仿真集成环境并使用Eclipse插件开发技术实现的。用户可以通过在Ptolemy集成环境中使用该插件，实现对Ptolemy离散事件模型的安全性、可达性、死锁等性质的验证。为了方便工程师对CTL验证公式的书写，改进了性质公式的处理方式。自动化的模型翻译、黑盒的模型检查器和可视化的CTL公式书写使模型验证成本大大减少。
1)工具总体概述
该Ptolemy离散事件模型形式化验证工具，基于模型翻译，将Ptolemy离散事件模型翻译成Uppaal时间自动机模型。Ptolemy集成环境获取Ptolemy离散事件模型后，可以通过接口，进入执行自动翻译和验证的界面，从而选择生成文件位置、验证工具、验证方式、输入CTL验证公式，进而进行模型的自动翻译、验证并返回验证结果或生成xml文件。
图1是系统流程示意图，分为以下几个步骤：
步骤(1)获取Ptolemy离散事件模型，方式有两种：在Ptolemy集成环境中构建新模型或者读取已有模型；具体为：1)在Ptolemy集成环境中选择DE Director构建一个新的Ptolemy离散事件模型；2)在Ptolemy集成环境中读取一个Ptolemy离散事件模型的xml文件。
步骤(2)将Ptolemy离散事件模型翻译成适合模型验证的形式化Uppaal模型
Ptolemy模型是由多个角色构成的，将Ptolemy离散事件模型翻译成适合模型验证的形式化模型，包括获取Ptolemy离散事件模型中各个角色的信息，将Ptolemy离散事件模型中的各个角色翻译成对应的时间自动机和将各个时间自动机组合构成一个Uppaal模型。
获取Ptolemy离散事件模型中各个角色的信息，具体将获取的Ptolemy离散事件模型作为输入，通过解析获取的Ptolemy离散事件模型，选择出模型中的各个角色存储到定义好的角色容器中。
将Ptolemy离散事件模型中的各个角色翻译成对应的时间自动机，具体为将角色容器作为输入，遍历容器中的角色，根据角色类型选择定义好的映射过则，进而将角色翻译成时间自动机，存储到自动机容器中。此过程包括对结果显示角色的翻译、对功能角色的翻译和对层次化角色的翻译：
对结果显示角色的翻译：针对Dispaly这类的只用于展示Ptolemy离散事件模型结果，而与模型的实际逻辑执行无关的角色，可以直接忽略，不进行翻译。
对功能角色的翻译：根据角色的类型，在映射规则库中选择对应的映射规则，进而按照选择的映射规则，将角色翻译为时间自动机。每种角色的映射规则，分别设计如下细则IOMapping、ParameterMapping、FunctionMapping。
IOMapping规则：将角色的输入接口翻译成一个局部或全局的变量和一个用于表示该变量是否被赋值的bool变量；将角色的输出接口翻译成一个全局的变量、一个用于表示该变量是否被赋值的bool变量和一个同步通道或者广播。
ParameterMapping：将角色中的内置参数和自定义参数翻译成局部或全局变量。
FunctionMapping：根据角色的功能翻译成一个或多个由location和transition构成的时间自动机。
如图2所示的时间自动机模型invariant为t<＝period，guard为t>＝period，保证每次产生事件的时间间隔都是period。当invariant中含有表达式t’＝＝0时，时钟t暂停计时，t’＝＝1时开始计时。
对层次化角色的翻译：将层次化的角色翻译成多个时间自动机，各个时间自动机之间采用同步机制进行通信，保留层次化的特点。如图3所示，层次化角色翻译生成多个时间自动机，各个时间自动机之间通过同步串联通信。
将各个时间自动机组合构成一个Uppaal模型，具体为将自动机容器作为输入，将容器中的各个自动机有机结合起来，形成一个可进行形式化验证的时间自动机网络。
步骤(3)对所述Uppaal模型中功能逻辑的性质进行形式化描述；
具体为分析Ptolemy离散事件模型中的危险情况、特征信息，抽象成可在Uppaal中进行验证的CTL公式。验证公式可用于验证模型的安全性、可达性、死锁。其中：安全性：就是把实际情景通过验证公式表达出来，通过验证公式，判断模型是否存在危险情况，例如只有绿灯车才可以走，就是A[]light.green&&car.go满足。可达性：就是通过验证公式来判断时间自动机中的某些状态是否可达，就是是否能执行到，例如T是一个时间自动机，S是自动机中的一个状态，E<>T.S，就是判断S是否可达。死锁：就是通过属性公式A[]notdeadlock，来判断整个Uppaal模型会不是锁住，运行不了了。
步骤(4)基于Eclipse插件开发技术改进Ptolemy模型验证界面
基于Eclipse插件开发技术改进Ptolemy模型验证界面：具体为在验证界面中增加选项按钮，包括验证工具选择、验证方式选择、验证性质添加和验证结果返回，，此验证界面实现Ptolemy DE模型到Uppaal模型的自动翻译，以及Uppaal模型应用接口的调用。
步骤(5)对Ptolemy离散事件模型的验证过程
通过步骤S4设置的选项按钮，分别调用对应的程序进行验证工具的选择、验证方式的选择、验证性质的添加和验证结果的返回。
其中，所述验证工具的选择为：形式化验证工具Uppaal
所述验证方式的选择：具体有以下两种验证方式可以选择：方式(1)完成自动翻译过程后，在指定位置生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的xml文件，但不进行验证过程；需要启动形式化验证工具Uppaal获取生成的xml文件，输入验证公式进行验证，当验证公式不满足时，可以选择在仿真环境中生成不满足的路径；方式(2)完成自动翻译过程后，生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的临时xml文件，调用Uppaal中的verifyta.exe读取临时xml文件和输入的验证性质，进行验证，返回验证结果后，自动删除临时xml文件。
验证性质的添加：根据Ptolemy离散事件模型的特征抽象出的CTL公式，可以同时验证多条性质，多条性质之间以“；”隔开。
验证结果的返回：当选择直接调用verifyta.exe进行验证时，会返回输入的验证性质的验证情况：满足或者不满足。

Claims (10)

1.一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：获取Ptolemy离散事件模型；
S2：将Ptolemy离散事件模型翻译成适合模型验证的形式化Uppaal模型；
S3：对所述Uppaal模型中功能逻辑的性质进行形式化描述；
S4：改进Ptolemy模型验证界面；
S5：将步骤S2翻译生成的Uppaal模型与步骤S4获得的验证界面结合，完成对Ptolemy离散事件模型的验证，在验证界面生成符合Uppaal模型应用程序接口要求的xml文件，通过调用Uppaal模型应用程序接口进行性质验证并将验证结果返回到验证界面。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述S1中获取Ptolemy离散事件模型的方式包括两种：(1)在Ptolemy集成环境中选择DE Director构建一个新的Ptolemy离散事件模型；(2)在Ptolemy集成环境中读取一个Ptolemy离散事件模型的xml文件。
3.根据权利要求1所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述S2中将Ptolemy离散事件模型翻译成适合模型验证的形式化Uppaal模型，包括获取Ptolemy离散事件模型中各个角色的信息，将Ptolemy离散事件模型中的各个角色翻译成对应的时间自动机，以及将各个时间自动机组合构成一个Uppaal模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述获取Ptolemy离散事件模型中各个角色的信息，具体将获取的Ptolemy离散事件模型作为输入，通过解析获取的Ptolemy离散事件模型，选择出模型中的各个角色存储到定义好的角色容器中。
5.根据权利要求3所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述将Ptolemy离散事件模型中的各个角色翻译成对应的时间自动机，具体为将角色容器作为输入，遍历容器中的角色，根据角色类型选择定义好的映射过则，进而将角色翻译成时间自动机，存储到自动机容器中；此过程包括对结果显示角色的翻译、对功能角色的翻译和对层次化角色的翻译。
6.根据权利要求5所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述对结果显示角色的翻译：针对Dispaly这类的只用于展示Ptolemy离散事件模型结果，而与模型的实际逻辑执行无关的角色，可以直接忽略，不进行翻译；
所述对功能角色的翻译：根据角色的类型，在映射规则库中选择对应的映射规则，进而按照选择的映射规则，将角色翻译为时间自动机；
所述对层次化角色的翻译：将层次化的角色翻译成多个时间自动机，各个时间自动机之间采用同步机制进行通信，保留层次化的特点。
7.根据权利要求1所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述S3对Uppaal模型中功能逻辑的性质进行形式化描述，具体为分析Ptolemy离散事件模型中的危险情况、特征信息，抽象成可在Uppaal中进行验证的CTL公式。
8.根据权利要求1所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述S4改进Ptolemy模型验证界面是基于Eclipse插件开发技术，在验证界面中增加选项按钮，包括验证工具选择、验证方式选择、验证性质添加和验证结果返回，此验证界面可实现Uppaal模型应用接口的调用。
9.根据权利要求1所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述S5对Ptolemy离散事件模型的验证过程，包括通过步骤S4设置的选项按钮，分别调用对应的程序进行验证工具的选择、验证方式的选择、验证性质的添加和验证结果的返回；
所述验证工具的选择为：形式化验证工具Uppaal；
所述验证方式的选择：具体有以下两种验证方式可以选择：方式(1)完成自动翻译过程后，在指定位置生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的xml文件，但不进行验证过程；方式(2)完成自动翻译过程后，生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的临时xml文件，调用Uppaal中的verifyta.exe读取临时xml文件和输入的验证性质，进行验证，返回验证结果后，自动删除临时xml文件；
所述验证性质：根据Ptolemy离散事件模型的特征抽象出的CTL公式，可以同时验证多条性质，多条性质之间以“；”隔开；
所述验证结果的返回：当选择直接调用verifyta.exe进行验证时，会返回输入的验证性质的验证结果：满足或者不满足。
10.根据权利要求9所述的一种基于模型翻译的Ptolemy离散事件模型形式化验证方法，其特征在于：所述方式(1)完成自动翻译过程后，在指定位置生成一个可在Uppaal中进行形式化验证的xml文件，但不进行验证过程：需要启动形式化验证工具Uppaal获取生成的xml文件，输入验证公式进行验证，当验证公式不满足时，可以选择在仿真环境中生成不满足的路径。
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