專利名稱：數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機數(shù)控領(lǐng)域，特別涉及面向數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代高性能數(shù)控系統(tǒng)朝著高速高精、智能化、多功能、多任務(wù)以及開放式體系結(jié)構(gòu)的趨勢發(fā)展，加上數(shù)控系統(tǒng)固有的強實時特性，使得傳統(tǒng)的設(shè)計方法不能滿足數(shù)控系統(tǒng)的性能需求。面向領(lǐng)域建模與領(lǐng)域邏輯直接相關(guān)，其模型構(gòu)成符合領(lǐng)域邏輯的思維習(xí)慣，方便領(lǐng)域?qū)＜液蛙浖_發(fā)人員的交流，具有直觀性、領(lǐng)域特定性以及平臺獨立性的特點?；陬I(lǐng)域模型的系統(tǒng)開發(fā)方法，可提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，實現(xiàn)系統(tǒng)的可重用性。但是，現(xiàn)有的數(shù)控建模方式缺乏形式化的表達規(guī)范，因此無法精確描述系統(tǒng)，更缺乏基于形式化的仿真驗證機制，從而導(dǎo)致系統(tǒng)語義不明確，無法從根本上解決系統(tǒng)的可靠性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中，模型的非形式化表征可能導(dǎo)致的系統(tǒng)語義不明確、正確性安全性得不到保證等問題，提供數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法。為實現(xiàn)上述目的，包含以下步驟
數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，該方法能實現(xiàn)計算機數(shù)控系統(tǒng)的形式化描述與模型自動轉(zhuǎn)換仿真驗證，包括以下步驟
1)通過分析數(shù)控系統(tǒng)的行為特征，構(gòu)建一組計算模型描述數(shù)控系統(tǒng)的不同方面，本系統(tǒng)中將該組計算機模型稱為語義模塊；
2)基于步驟I)的語義模塊，采用類UML語言構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的形式化元模型；根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)形式化元模型與一組數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域元模型，構(gòu)建系統(tǒng)的形式化語義轉(zhuǎn)換規(guī)則；
3)基于數(shù)控系統(tǒng)形式化元模型和相關(guān)仿真驗證工具，構(gòu)建系統(tǒng)形式化仿真驗證解釋器；基于數(shù)控系統(tǒng)的形式化應(yīng)用模型與仿真驗證解釋器，對數(shù)控系統(tǒng)進行形式化仿真驗證，在Matlab軟件中仿真其軌跡，在UPPAAL中驗證其實時性和狀態(tài)可達性。上述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法中，步驟I)所構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)形式化語義模塊能從不同方面描述系統(tǒng)的不同行為。上述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法中，步驟I)所述描述數(shù)控系統(tǒng)的不同方面包括采用有限狀態(tài)機語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中與狀態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)的語義行為；采用同歩數(shù)據(jù)流語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流動；采用同步數(shù)據(jù)流與有限狀態(tài)機兩種計算組合而成的語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中狀態(tài)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流動的混合行為；采用時間自動機與時間多任務(wù)兩種MOC組合而成的語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中與實時相關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和任務(wù)執(zhí)行方式。上述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法中，步驟2)所構(gòu)建的系統(tǒng)的形式化語義轉(zhuǎn)換規(guī)則是基于步驟I)所構(gòu)建的語義模塊，并通過分析其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與對應(yīng)關(guān)系而獲得的。
上述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法中，所構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)形式化元模型是基于數(shù)控系統(tǒng)的多方面形式化語義，并將不同方面的形式化元模型集成為數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)ー的語義域；在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域建模環(huán)境下構(gòu)建ー組領(lǐng)域應(yīng)用模型，利用系統(tǒng)形式化轉(zhuǎn)換規(guī)則與形式化元模型，通過模型轉(zhuǎn)換，自動生成系統(tǒng)的形式化應(yīng)用模型。上述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法中，所構(gòu)造的形式化仿真驗證解釋器最終實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的形式化模型的自動驗證仿真，保證系統(tǒng)的功能與性倉^:。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果現(xiàn)有的數(shù)控建模方式缺乏形式化的表達規(guī)范，因此無法精確描述系統(tǒng)，更缺乏基于形式化的仿真驗證機制，從而導(dǎo)致系統(tǒng)語義不明確，無法從根本上解決系統(tǒng)的可靠性問題。本發(fā)明構(gòu)建了數(shù)控系統(tǒng)形式化語義集成框架，領(lǐng)域元模型實例化得到的領(lǐng)域應(yīng)用模型可通過該集成框架自動轉(zhuǎn)換為形式化應(yīng)用模型，進而可通過工具解釋器，導(dǎo)入第三方仿真驗證工具中進行形式化驗證，或者通過代碼自動生成解釋器，生成特定目標平臺的可執(zhí)行代碼。本發(fā)明為數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)提供嚴格定義的形式化規(guī)范以精確描述系統(tǒng)相應(yīng)的操作語義，使得數(shù)控系統(tǒng)模型可以通過計算機工具進行精確化驗證，大大提高系統(tǒng)可靠性、安全性等性能。


圖I為數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進ー步說明。數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架為數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)提供嚴格定義的形式化規(guī)范以精確描述系統(tǒng)相應(yīng)的操作語義，使得數(shù)控系統(tǒng)模型可以通過計算機工具進行精確化驗證。形式化語義集成框架包括基于平臺的定義和基于應(yīng)用的實現(xiàn)兩個方面。在平臺層，定義領(lǐng)域元模型、形式化元模型和元模型層的模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，通過該轉(zhuǎn)換規(guī)則，將領(lǐng)域元模型和形式化元模型進行匹配，使得在應(yīng)用層，由領(lǐng)域元模型實例化得到的領(lǐng)域應(yīng)用模型可通過模型轉(zhuǎn)換器自動轉(zhuǎn)換為形式化元模型實例化得到的形式化應(yīng)用模型，進而可通過工具解釋器，導(dǎo)入第三方仿真驗證工具中進行形式化驗證，或者通過代碼自動生成解釋器，生成特定目標平臺的可執(zhí)行代碼。數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)包括
I)形式化語義模塊構(gòu)建
通過分析數(shù)控系統(tǒng)的行為特征，采用一組計算模型描述數(shù)控系統(tǒng)的不同方面，本系統(tǒng)中將其稱為語義模塊，如采用有限狀態(tài)機語義單元，描述數(shù)控系統(tǒng)中與狀態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)的語義行為；采用同歩數(shù)據(jù)流語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流動；采用同步數(shù)據(jù)流與有限狀態(tài)機兩種計算組合而成的語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中狀態(tài)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流動的混合行為；采用時間自動機與時間多任務(wù)兩種MOC組合而成的語義單元，描述數(shù)控系統(tǒng)中與實時相關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和任務(wù)執(zhí)行方式。2)形式化元模型構(gòu)建
形式化元建?；跀?shù)控系統(tǒng)形式化語義模塊的特征，通過類UML語言，以及約束描述語言O(shè)CL，構(gòu)建系統(tǒng)的建模形式、抽象語法以及它們之間的關(guān)系和組織方式。3)形式化轉(zhuǎn)換規(guī)則構(gòu)建
領(lǐng)域描述和形式化描述的抽象語法均采用UML和OCL定義，因此，定義兩種抽象語法之間的轉(zhuǎn)換需要使用同樣的語言。采用圖形重寫與轉(zhuǎn)換的方式，通過將源語言的抽象語法與目標語言的抽象語法對應(yīng)，以圖形化的方式實現(xiàn)模型之間的轉(zhuǎn)換，形成一組層次化的模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，該規(guī)則包含目標圖形生成、生成條件以及屬性映射。通過執(zhí)行該規(guī)則，實現(xiàn)由領(lǐng)域元模型實例化的領(lǐng)域模型自動轉(zhuǎn)化為由形式化元模型實例化的形式化模型，進而實現(xiàn)形式化語義映射。4)形式化應(yīng)用模型自動生成
數(shù)控系統(tǒng)的領(lǐng)域元模型可自動生成數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，并在該環(huán)境下構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用模型。形式化模型轉(zhuǎn)換工具則集成在系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，基于該環(huán)境，可通過模型轉(zhuǎn)換，將數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)形式化應(yīng)用模型。 5)形式化仿真驗證解釋器構(gòu)建
通過構(gòu)建從形式化模型到相關(guān)仿真驗證工具模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則，實現(xiàn)形式化仿真驗證解釋器的構(gòu)建。6)基于形式化應(yīng)用模型的仿真驗證與實現(xiàn)
基于生成的解釋器，可將形式化應(yīng)用模型自動轉(zhuǎn)化為相關(guān)第三方仿真驗證工具中，如Matlab (Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境)、UPPAAL等環(huán)境下的相關(guān)模型，對其進行實時性驗證。實例以構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)時間自動機與時間多任務(wù)兩種MOC組成的語義模塊為例，說明數(shù)控系統(tǒng)的形式化語義集成框架的實現(xiàn)過程。I)采用時間自動機和時間多任務(wù)兩種M0C，描述系統(tǒng)與時間相關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和實時任務(wù)的執(zhí)行行為。數(shù)控系統(tǒng)是典型的實時多任務(wù)系統(tǒng)，因此，該語義模塊適用于描述數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)實施行為，以通過實時性驗證，保證數(shù)控系統(tǒng)實時性能。時間自動機通過使用有限個真值時鐘變量表示有時間約束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，用來表示實時系統(tǒng)中具有時間約束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。時間多任務(wù)描述數(shù)控系統(tǒng)的時間多任務(wù)語義行為，通過定義任務(wù)執(zhí)行方式刻畫實時系統(tǒng)的實施行為，采用固定優(yōu)先級的可搶占調(diào)度方式，任務(wù)通過周期性或非周期性的事件觸發(fā)，根據(jù)其優(yōu)先級高低可搶占式執(zhí)行。采用時間自動機描述任務(wù)內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)換行為規(guī)則，采用時間多任務(wù)描述任務(wù)之間進行調(diào)度的行為規(guī)則，從而保證其實施模型具有完備的形式化執(zhí)行語義。2)基于時間自動機和時間多任務(wù)兩種MOC所描述的語義規(guī)則，構(gòu)建該MOC的形式化元模型。3)在GME中構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域元模型，進而生成數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域模型開發(fā)環(huán)境，用戶可在該環(huán)境下構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的領(lǐng)域應(yīng)用模型。基于數(shù)控領(lǐng)域元模型和形式化元模型，采用圖形化轉(zhuǎn)換方式，實現(xiàn)領(lǐng)域規(guī)則到形式化規(guī)則的映射，即實現(xiàn)時間自動機和時間多任務(wù)的語義集成。采用層次化結(jié)構(gòu)描述模型轉(zhuǎn)換規(guī)則定義從領(lǐng)域語言構(gòu)建的任務(wù)模型到形式化中的時間自動機模型之間的映射。這些規(guī)則將領(lǐng)域模型中的對象分別對應(yīng)于形式化語義單元中的對象上，并通過屬性映射定義所構(gòu)建的新的對象的屬性信息。采用該轉(zhuǎn)換規(guī)則，數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)模型可自動轉(zhuǎn)換成由該形式化語義模塊所定義的形式化模型，如圖所示，調(diào)度器(Scheduler),時鐘(Timer)和任務(wù)(Task)被轉(zhuǎn)換為時間自動機模型，并定義了其內(nèi)部所包含的帶時間參數(shù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，
任務(wù)模型定義了四個數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)和任務(wù)調(diào)度模塊，并通過右邊的窗口設(shè)定了任務(wù)的實時性能參數(shù)屬性，包括系統(tǒng)的最壞執(zhí)行時間(WCET )、周期(Per i ο d )、截止時間(Deadine)、優(yōu)先級(Priority)等屬性。通過轉(zhuǎn)換規(guī)則，可轉(zhuǎn)換為形式化TA模型。4)在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域建模環(huán)境下，構(gòu)建系統(tǒng)應(yīng)用模型，則可基于之前的形式化映射 規(guī)則，通過模型自動轉(zhuǎn)換，自動生成時間自動機和時間多任務(wù)語義模塊的形式化應(yīng)用模型。5)基于生成的解釋器，可將形式化應(yīng)用模型自動轉(zhuǎn)化為UPPAAL環(huán)境下的相關(guān)模型，對其進行實時性驗證。
權(quán)利要求
1.數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，其特征是實現(xiàn)計算機數(shù)控系統(tǒng)的形式化描述與模型自動轉(zhuǎn)換仿真驗證，包括以下步驟 1)通過分析數(shù)控系統(tǒng)的行為特征，構(gòu)建一組計算模型描述數(shù)控系統(tǒng)的不同方面，本系統(tǒng)中將該組計算機模型稱為語義模塊； 2)基于步驟I)的語義模塊，采用類UML語言構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的形式化元模型；根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)形式化元模型與一組數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域元模型，構(gòu)建系統(tǒng)的形式化語義轉(zhuǎn)換規(guī)則； 3)基于數(shù)控系統(tǒng)形式化元模型和相關(guān)仿真驗證工具，構(gòu)建系統(tǒng)形式化仿真驗證解釋器；基于數(shù)控系統(tǒng)的形式化應(yīng)用模型與仿真驗證解釋器，對數(shù)控系統(tǒng)進行形式化仿真驗證，在Matlab軟件中仿真其軌跡，在UPPAAL中驗證其實時性和狀態(tài)可達性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，其特征是步驟I)所構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)形式化語義模塊能從不同方面描述系統(tǒng)的不同行為。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，其特征是步驟I)所述描述數(shù)控系統(tǒng)的不同方面包括采用有限狀態(tài)機語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中與狀態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)的語義行為；采用同歩數(shù)據(jù)流語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流動；采用同步數(shù)據(jù)流與有限狀態(tài)機兩種計算組合而成的語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中狀態(tài)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流動的混合行為；采用時間自動機與時間多任務(wù)兩種MOC組合而成的語義模塊，描述數(shù)控系統(tǒng)中與實時相關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和任務(wù)執(zhí)行方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，其特征是步驟2)所構(gòu)建的系統(tǒng)的形式化語義轉(zhuǎn)換規(guī)則是基于步驟I)所構(gòu)建的語義模塊，并通過分析其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與對應(yīng)關(guān)系而獲得的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，其特征是所構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)形式化元模型是基于數(shù)控系統(tǒng)的多方面形式化語義，并將不同方面的形式化元模型集成為數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)ー的語義域；在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域建模環(huán)境下構(gòu)建ー組領(lǐng)域應(yīng)用模型，利用系統(tǒng)形式化轉(zhuǎn)換規(guī)則與形式化元模型，通過模型轉(zhuǎn)換，自動生成系統(tǒng)的形式化應(yīng)用模型。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，其特征是所構(gòu)造的形式化仿真驗證解釋器最終實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的形式化模型的自動驗證仿真，保證系統(tǒng)的功能與性能。
全文摘要
本發(fā)明提供了數(shù)控系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換形式化語義集成框架的實現(xiàn)方法，其構(gòu)建了數(shù)控系統(tǒng)形式化語義集成框架，領(lǐng)域元模型實例化得到的領(lǐng)域應(yīng)用模型可通過該集成框架自動轉(zhuǎn)換為形式化應(yīng)用模型，進而可通過工具解釋器，導(dǎo)入第三方仿真驗證工具中進行形式化驗證，或者通過代碼自動生成解釋器，生成特定目標平臺的可執(zhí)行代碼。本發(fā)明為數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)提供嚴格定義的形式化規(guī)范以精確描述系統(tǒng)相應(yīng)的操作語義，使得數(shù)控系統(tǒng)模型可以通過計算機工具進行精確化驗證，大大提高系統(tǒng)可靠性、安全性等性能。
文檔編號G06F17/50GK102722601SQ20121013529
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者李方, 李迪 申請人:華南理工大學(xué)