CN115422033A - 一种分布交互式仿真时序验证方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布交互式仿真时序验证方法和系统，所述方法包括：编写用户配置文件，进行服务端和客户端的通信配置、日志配置；对分布交互式仿真系统进行插桩配置，生成带插桩的仿真系统程序；构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机；时序属性监控器验证带插桩的仿真系统程序生成的仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性。所述验证系统包括用户配置模块、仿真系统插桩配置模块、时序属性监控器构造模块、仿真系统时序属性验证模块。本发明更好地保证了分布交互式仿真系统的时序属性正确。

Description

一种分布交互式仿真时序验证方法和系统

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，更具体地，涉及一种分布交互式仿真时序验证方法和系统。

背景技术

现有的技术中高层体系结构(High-Level Architecture,HLA)作为分布交互式仿真的主流框架，已被正式接受为IEEE标准，其主要由四部分组成：接口规范(InterfaceSpecification，IFSpec)、规则(Rules)、对象模型模板(Object Model Template，OMT)、联邦开发和运行过程(Federation Development and Execution Process,FEDEP)。图1为HLA框架下仿真系统组成的逻辑示意图。HLA框架类似于构件系统框架下，多个联邦成员(Federate)通过运行时平台(Run-Time Infrastructure，RTI)提供的服务构成了一个完整的仿真系统。其中，RTI提供的服务包括：联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理、和数据管理等六大服务。HLA仿真系统已经迅速地发展起来，在诸多领域HLA有着广泛的应用。随之而来的，HLA仿真系统性能的验证validation and verification(V&V)也成为一个研究的热点。

工程实践中，系统性能验证的主要方法可分为形式化验证和动态验证方法两类。动态验证方法，包括多种测试方法，是通过观察系统在特定输入或某种系统环境下的执行情况来判断其功能的正确性。该方法具有很多优点，其能够快速、直接地找出系统错误。但是，这种方法无法覆盖系统的所有可能的运行状态，在实际操作中需要定量的度量方法来判断验证过程的充分程度。与动态测试方法不同，形式化验证方法可以覆盖系统的所有可能的运行状态。形式化验证方法主要有两类：模型检测和定理证明。模型检测方法是一种有效的验证方法。其依赖于规范的形式化表达，用抽象数学模型表达系统，用时序逻辑表达属性。时序逻辑可以表达随着时间的变化，系统的运行情况。通过在所有系统状态上进行搜索的方式，对属性进行检测。模型检测方法是一种自动验证方法，已在实际的工业领域应用。在已有的相关研究工作中使用动态验证技术对HLA仿真系统联邦性能研究较多，但是，使用模型检测方法对其验证的较少。模型检测技术需要穷举系统行为的状态空间，其运算性能随着系统规模扩大而下降。基于以上原因，形式化验证方法常用来验证系统设计的正确性，距离保证系统实现的正确性还有一定差距。测试技术不存在形式验证技术的定理发现问题和状态生成性能问题，但有限的测试用例难以覆盖软件运行的所有情形，无法替代形式验证的验证完整性这一优点。软件测试技术和模型检测技术的混成检验方法可以用于对系统模型进行量化分析验证，它是基于仿真系统运行的，能对系统满足属性的概率进行判定或者计算系统满足属性的概率。软件测试技术和模型检测技术的混成检验方法可以对黑盒系统和无限状态系统进行验证，只要系统是可以运行的，就可以使用统计模型检测。另外，软件测试技术和模型检测技术的混成检验方法很容易并行化，有助于验证大型复杂系统。本发明给出一种新的分布交互仿真系统时序验证方法和系统，采用软件测试技术和模型检测技术混成的方法，对分布式仿真系统的时序属性进行检验。

发明内容

本发明采用基于软件测试技术和模型检测技术的混成检验方法，对分布交互HLA/RTI仿真系统的线性时序逻辑(LTL)时序属性进行在线验证，保证分布交互式仿真系统的时序正确。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种分布交互式仿真时序验证方法，包括如下步骤：

编写用户配置文件，进行服务端和客户端的通信配置、日志配置；

对分布交互式仿真系统进行插桩配置，生成带插桩的仿真系统程序；

构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机；

时序属性监控器验证带插桩的仿真系统程序生成的仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性。

进一步优选地，所述服务端为时序验证系统，客户端为被验证的分布交互式仿真系统。

进一步优选地，所述日志配置包括：配置仿真事件日志文件和仿真时序错误日志文件。

进一步优选地，所述编写用户配置文件包括：将用户需要验证的时序属性用时序逻辑表达式表示，并保存在XML配置文件中。

进一步优选地，所述插桩配置包括：采用面向切面编程思想对分布交互式仿真系统进行插桩。

进一步优选地，所述插桩配置包括：对分布交互式仿真系统的仿真应用和仿真平台的源代码分别进行分析，定位产生事件的操作，进行插桩。

进一步优选地，所述插桩配置搜集的信息包括：仿真事件的类型、仿真事件之间的先验时序关系、仿真事件发生的本地时间和仿真事件发生的全局向量时间。

进一步优选地，所述构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机包括：基于自动机构造时序属性对应的时序属性监控器，将LTL时序性质取反后转化为时序监控自动机。

进一步优选地，所述验证带插桩的仿真系统程序生成的仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性包括：

如果仿真事件序列满足时序监控自动机表达的时序属性，则继续接收下一周期仿真事件序列进行验证；如果仿真事件序列不满足时序监控自动机表达的时序属性，则发送错误信号给分布交互式仿真系统，并生成错误日志。

本发明第二方面提供一种分布交互式仿真时序验证系统，包括：用户配置模块、仿真系统插桩配置模块、时序属性监控器构造模块、仿真系统时序属性验证模块。

进一步优选地，所述用户配置模块，用于编写用户配置文件；

所述仿真系统插桩配置模块，用于对分布交互式仿真系统进行插桩配置，生成带插桩的仿真系统程序；

所述时序属性监控器构造模块，用于构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机；

所述仿真系统时序属性验证模块，用于基于时序属性监控器验证带插桩的仿真系统程序生成的仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性。

本发明的有益效果如下：

本发明采用基于软件测试技术和模型检测技术的混成检验方法，对分布交互HLA/RTI仿真系统的时序属性进行在线验证，更好地保证分布交互式仿真系统的时序属性正确。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明提供的分布交互式仿真时序验证方法流程图。

图2示出本发明提供的分布交互式仿真时序验证系统框架图。

图3示出本发明提供的分布交互式仿真时序验证流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种分布交互式仿真时序验证方法和系统，下面结合附图1-3对本发明作详细的描述。

如图1-2所示，一种分布交互式仿真时序验证方法包括：

首先，编写用户配置文件，进行分布交互式仿真系统时序验证的服务端和客户端的通信配置；

在分布交互式仿真系统时序属性验证过程中，时序验证系统是服务端，被验证的分布交互式仿真系统是客户端。

然后，进行仿真系统插桩配置，插桩采用面向切面编程(AOP)思想，调用库文件，重新编译仿真系统代码生成带插桩的仿真系统程序。

同时，构造时序属性对应的时序属性监控器，生成监控器检测程序。其中，时序属性采用LTL逻辑编写，监控器检测程序采用类似Buchi自动机的形式表达。

最后，开展分布交互式仿真系统时序属性验证：

先启动时序属性监控器，后启动带插桩的仿真系统。

时序属性监控器将收到插桩后的仿真系统发送的仿真事件序列，采用自动机检查算法对仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性进行验证，如果满足，则继续接收下一周期仿真事件序列进行验证，不满足，则发送错误信号给仿真系统，并生成错误日志。

一种分布交互式仿真时序验证系统包括：用户配置模块、仿真系统插桩配置模块、时序属性监控器构造模块、仿真系统时序属性验证模块。

用户配置模块将用户需要验证的时序属性用时序逻辑表达式表示，并保存在xml配置文件中，HLA分布交互式仿真系统关注的属性分为仿真应用属性和仿真平台属性。

其中，仿真应用属性关注仿真应用系统的时序属性的正确性，需要保证例如“事件e5一定发生”、“事件e1发生后事件e2才能发生”、“事件e3和事件e4至少有一个发生”等时序性质的正确性，HLA仿真平台属性关注仿真运行平台RTI时间管理模块的时序属性的正确性，需要保证例如，推进过程中联邦成员将收到并处理所有时间戳在下一时间点前的所有事件，而且联邦成员在时间推进完成前不能发送新的消息。

仿真系统插桩配置模块对分布交互式仿真系统的仿真应用和仿真平台的源代码进行分析，定位产生事件的操作，进行插桩。

在仿真运行过程中，采用事件请求截取，识别并存储相应的仿真事件序列。

插桩要搜集的信息主要包括：事件的类型、事件之间(在同一数据收发上)的先验时序关系、事件发生的本地时间、事件发生的全局向量时间等。

其中，事件之间的先验时序关系需要在收发方的源代码中同时建立对数据的有效标注，建立对偶关系；而全局向量时间的获取则需要插桩实现向量时钟协。

分布交互仿真系统满足Happen-before关系,通过分析仿真系统多线程中的共享内存操作、线程的创建操作、远程调用的创建操作、事件的入队出队操作、同步服务的更新和通知操作，定义不同操作之间的Happen-before关系，得到仿真系统的全局向量时钟。

所述时序属性监控器构造模块基于自动机构造，将LTL时序性质取反后转化为时序监控自动机。

时序监控自动机是时序属性监控器的核心，而仿真系统时序属性验证模块是用时序监控自动机对仿真系统运行过程中生成的仿真序列进行分析验证的程序。

最后仿真系统时序属性验证模块检查仿真系统自动机的接受语言是否被包含在时序监控自动机的接受语言中，如果是，则说明仿真系统不满足时序属性要求，反之则满足要求。

具体的一个实施例：

进行用户配置文件编写，进行分布交互式仿真系统时序属性验证的服务端和客户端的通信配置、日志配置等工作。

首先进行服务端通信IP和端口配置，然后设置日志文件。在该系统中，日志文件分为仿真事件日志文件和仿真时序错误日志文件，仿真事件日志文件中记录仿真过程中通过插桩产生的仿真事件序列，是仿真过程中需要关注的仿真事件；仿真错误文件是在时序属性监控器发现错误后，用于记录仿真发生错误的仿真事件。

将仿真系统进行插桩配置，插桩采用面向切面编程(AOP)思想。

其中，因为仿真系统采用C++语言，所以采用AspectC++库进行仿真事件日志生成。需要调用aspect.hh文件，编写.ah插桩文件。

仿真系统插桩配置，步骤如下：

首先，调用aspect.hh文件，将aspect.hh文件放入仿真系统；

然后，在.ah文件中编写插桩语句。设置插桩点，同时编写插桩函数。在插桩函数中设置生成仿真事件日志格式；

接着，在插桩函数中编写调用通信库，编写通信语句，将生成的格式化仿真日志发送给监控器进行检测；

最后，重新编译仿真系统代码、aspect.hh文件和.ah文件，生成带插桩的仿真系统程序。构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机，步骤如下：

首先，时序属性采用LTL逻辑编写，在配置文件中把输入公式的开关打开，输入LTL公式；

然后，调用自动机生成库，生成时序属性监控器；

其中，时序属性监控器采用类似Buchi自动机的形式表达，采用HOA格式表示自动机的状态、变迁等，同时，可以生成自动机图像文件；

基于自动机构造时序属性对应的时序属性监控器，将LTL时序性质取反后转化为时序监控自动机。

验证仿真系统时序属性，如图3所示，步骤如下：

先启动时序属性监控器，后启动带插桩的仿真系统程序。

其中，仿真系统运行过程中，监控器检测程序将收到插桩后的仿真系统发送的仿真事件序列；

监控检测程序采用自动机检查算法对仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性进行验证。

如果满足时序监控自动机表达的时序属性，则继续接收下一周期仿真事件序列进行验证，并会显示“Accept！”的字样。

如果不满足时序监控自动机表达的时序属性，监控检测程序将会在在终端上显示错误信息，同时生成单独的仿真错误日志文件，并且将检测到的仿真错误通过消息反馈给仿真系统，仿真系统由此做出反应。

特别地，根据本实施例，上文流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在计算机可读介质上的计算机程序，上述计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。

附图中的流程图和示意图，图示了本实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或示意图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，示意图和/或流程图中的每个方框、以及示意和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。描述于本实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。

作为另一方面，本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，该非易失性计算机存储介质可以是上述实施例中上述装置中所包含的非易失性计算机存储介质，也可以是单独存在，未装配入终端中的非易失性计算机存储介质。

上述非易失性计算机存储介质存储有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个设备执行时，使得上述设备实现根据本申请上述实施例的分析方法。

需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，包括如下步骤：

编写用户配置文件，进行服务端和客户端的通信配置、日志配置；

对分布交互式仿真系统进行插桩配置，生成带插桩的仿真系统程序；

构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机；

时序属性监控器验证带插桩的仿真系统程序生成的仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性。

2.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，所述服务端为时序验证系统，客户端为被验证的分布交互式仿真系统。

3.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，所述日志配置包括：配置仿真事件日志文件和仿真时序错误日志文件。

4.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，所述编写用户配置文件包括：将用户需要验证的时序属性用时序逻辑表达式表示，并保存在XML配置文件中。

5.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，所述插桩配置包括：采用面向切面编程思想对分布交互式仿真系统进行插桩。

6.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，所述插桩配置包括：对分布交互式仿真仿真应用和仿真平台的源代码分别进行分析，定位产生事件的操作，进行插桩。

7.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证时方法，其特征在于，所述插桩配置搜集的信息包括：仿真事件的类型、仿真事件之间的先验时序关系、仿真事件发生的本地时间和仿真事件发生的全局向量时间。

8.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，所述构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机包括：基于自动机构造时序属性对应的时序属性监控器，将LTL时序性质取反后转化为时序监控自动机。

9.根据权利要求1所述的分布交互式仿真时序验证方法，其特征在于，所述验证带插桩的仿真系统程序生成的仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性包括：

如果仿真事件序列满足时序监控自动机表达的时序属性，则继续接收下一周期仿真事件序列进行验证；如果仿真事件序列不满足时序监控自动机表达的时序属性，则发送错误信号给分布交互式仿真系统，并生成错误日志。

10.一种分布交互式仿真时序验证系统，其特征在于，包括：用户配置模块、仿真系统插桩配置模块、时序属性监控器构造模块和仿真系统时序属性验证模块；

所述用户配置模块，用于编写用户配置文件；

所述仿真系统插桩配置模块，用于对分布交互式仿真系统进行插桩配置，生成带插桩的仿真系统程序；

所述时序属性监控器构造模块，用于构造时序属性对应的时序属性监控器，生成时序监控自动机；

所述仿真系统时序属性验证模块，用于基于时序属性监控器验证带插桩的仿真系统程序生成的仿真事件序列是否满足时序监控自动机表达的时序属性。

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