一種Simulink圖形模型的形式驗證方法
【專利摘要】一種Simulink圖形模型的形式驗證方法，如下：對Simulink圖進行分析，構(gòu)建Simulink圖在Java中的對應(yīng)對象；以獲得的Java對象為基礎(chǔ)，將該Java對象表示的Simulink圖劃分得到一個子圖的集合，使對于子圖集合中的每個子圖僅包含連續(xù)模塊或離散模塊；對獲得的每個子圖進行轉(zhuǎn)化，構(gòu)建每個子圖對應(yīng)的混成通訊順序進程(HCSP)的語法樹；根據(jù)獲得的語法樹輸出符合混成霍爾邏輯(HHL)證明器語法的混成通訊順序進程。最后，這樣得到的混成通訊順序進程作為混成霍爾邏輯證明器的輸入，可以直接應(yīng)用該證明器進行形式化驗證，從而實現(xiàn)了原Simulink圖形模型的形式驗證。本發(fā)明確保了Simulink圖的安全性。
【專利說明】-種Simu I ink圖形模型的形式驗證方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Simulink圖形模型的形式驗證方法，特別涉及大規(guī)模Simulink 圖形模型的形式驗證。

【背景技術(shù)】
[0002] 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。該工具使用圖形化的建模方式對動態(tài)系統(tǒng)建模，因而無需大量書寫程序，而 只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作便可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和 流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點?；谝陨蟽?yōu)點，Simulink已被廣泛 應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng) 用于Simulink。Simulink因其本身強大的表達能力以及良好的仿真效果在工業(yè)界已經(jīng)得 到廣泛的使用。然而由于在語義等理論方面不能得到充足的支撐，使得它的使用暫時停步 在仿真階段，還沒有比較好的形式化驗證支持。
[0003] 混成系統(tǒng)的設(shè)計通常涉及各種復(fù)雜的內(nèi)容，其狀態(tài)空間通常為不可數(shù)無窮。由于 仿真分析具有其天生的不完備性，因而不能確保設(shè)計模型的安全性?；斐赏ㄓ嶍樞蜻M程 (HCSP)是一種用于描述大型混成系統(tǒng)的可組合的形式化建模語言，已經(jīng)有成熟的工具對 HCSP進程的形式化驗證進行支持。因此將Simulink圖形轉(zhuǎn)化為HCSP模型再進行形式化驗 證是一個有效的途徑。所以開發(fā)一個將Simulink圖形轉(zhuǎn)化到HCSP進程的工具有非常重要 的實際需要。
[0004] 國際上已經(jīng)有一些學(xué)者對Simulink的形式化進行了研究。部分工作提供 了 Simulink圖的形式化語義，以將Simulink圖形式化：2012年Bouissou等人提供了 Simulink的操作語義，Hamon等人分別于2004-2007年間提供了 Simulink及其Statef low 插件的操作和指稱語義。通過使用Simulink的形式語義，可以很精確的理解Simulink圖 的含義，然而我們還不能對其進行形式化驗證。另一方面，Tripakis等人于2003-2005年 間將離散的Simulink圖轉(zhuǎn)化為Lustre形式化語言進行驗證，Cavalcanti等人于2005年 將離散的Simulink圖轉(zhuǎn)化成Circus形式化語言進行驗證，Meenakshi等人于2006年將部 分離散的Simulink圖轉(zhuǎn)化為NuSMV模型檢測器進行形式化驗證。這些工作都只能應(yīng)用于 離散的Simulink圖而不能應(yīng)用于連續(xù)的Simulink圖。Dong等人于2009年將Simulink圖 轉(zhuǎn)化為帶時間的區(qū)間演算（Timed Interval Calculus)進行形式化分析，雖然該工作可以 應(yīng)用于連續(xù)Simulink圖，但是該方法只能應(yīng)用于當(dāng)連續(xù)模型的解可求的情況。因此，對于 Simulink圖進行形式化分析的普適方法具有迫切的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Simulink圖形模型的形式 驗證方法，以確保Simulink圖的安全性。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：首先提供將Simulink圖形轉(zhuǎn)化為HCSP進程，然后應(yīng)用已有 的混成霍爾邏輯（HHL)證明器對轉(zhuǎn)換后的進程進行形式化驗證，從而提供一種Simulink圖 模型的形式化驗證技術(shù)。實現(xiàn)步驟如圖1所示，如下：
[0007] (1)對Simulink圖進行分析，構(gòu)建Simulink圖在Java中的對應(yīng)對象；
[0008] (2)以步驟（1)中獲得的Java對象為基礎(chǔ)，將該Java對象表示的Simulink圖劃 分得到一個子圖的集合，使對于子圖集合中的每個子圖僅包含連續(xù)模塊或離散模塊，分別 稱之為連續(xù)子圖或離散子圖；
[0009] (3)對步驟（2)中獲得的每個子圖進行轉(zhuǎn)化，構(gòu)建每個子圖對應(yīng)的HCSP進程。這 里子圖的轉(zhuǎn)化分為兩類：對連續(xù)子圖的轉(zhuǎn)化，以及對離散子圖的轉(zhuǎn)化；
[0010] (4)將步驟（3)中獲得的各個子圖轉(zhuǎn)化后的HCSP進程通過并發(fā)組合作為整個 Simulink圖對應(yīng)的HCSP進程，然后在給定待驗證安全性質(zhì)時，該進程可以直接應(yīng)用HHL證 明器進行形式化驗證，來驗證該進程是否滿足這個安全性質(zhì)，從而實現(xiàn)Simulink圖形模型 的形式驗證。
[0011] 所述步驟（2)圖分劃方法步驟如下：
[0012] (2 - 1)將Simulink圖中所有連接連續(xù)模塊與離散模塊得到的信號邊確定為通訊 信號邊，將其它邊確定為數(shù)據(jù)共享信號邊；
[0013] (2-2)先將通訊邊從Simulink圖中刪除，然后利用深度優(yōu)先算法找出Simulink圖 中所有的連通分量，由于連續(xù)模塊和離散模塊間的通訊邊已經(jīng)被刪除，所以每個聯(lián)通分量 只會僅包含連續(xù)模塊或離散模塊，確保獲得的各聯(lián)通分量對應(yīng)的子圖僅包含連續(xù)模塊或僅 包含離散模塊，這些子圖即作為步驟（2)的輸出。
[0014] 所述步驟（3)中對連續(xù)子圖的轉(zhuǎn)化方法步驟如下：
[0015] (3a_l)首先，考慮一個角標(biāo)為i的單個連續(xù)模塊，定義該模塊經(jīng)轉(zhuǎn)化后的對應(yīng) HCSP進程，假定該模塊擁有pi個輸出信號和Qi個功能模式；同時，該模塊的通訊中斷集合 為Ii，該角標(biāo)為i的單個連續(xù)模塊經(jīng)轉(zhuǎn)化后的HCSP進程PC如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種Simulink圖形模型的形式驗證方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下： (1) 對Simulink圖進行分析，構(gòu)建Simulink圖在Java中的對應(yīng)對象； (2) 以步驟⑴中獲得的Java對象為基礎(chǔ)，將該Java對象表示的Simulink圖劃分，得 到一個子圖的集合，使對于子圖集合中的每個子圖僅包含連續(xù)模塊或離散模塊，以下分別 稱之為連續(xù)子圖或離散子圖； (3) 對步驟（2)中獲得的每個子圖進行轉(zhuǎn)化，構(gòu)建每個子圖對應(yīng)的混成通訊順序進程 (HCSP)的進程；這里子圖的轉(zhuǎn)化分為兩類：對連續(xù)子圖的轉(zhuǎn)化以及對離散子圖的轉(zhuǎn)化； (4) 將步驟（3)中各個子圖轉(zhuǎn)化后獲得的HCSP進程通過并發(fā)組合作為整個Simulink 圖對應(yīng)的HCSP進程，然后在給定待驗證安全性質(zhì)時，該HCSP進程可以直接應(yīng)用混成霍 爾邏輯（HHL)證明器進行形式化驗證，來驗證該進程是否滿足這個安全性質(zhì)，從而實現(xiàn) Simulink圖形模型的形式驗證。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Simulink圖形模型的形式驗證方法，其特征在于：所述步驟 (2) 實現(xiàn)如下： (2 - 1)將Simulink圖中所有連接連續(xù)模塊與離散模塊得到的信號邊確定為通訊信號 邊，將其它邊確定為數(shù)據(jù)共享信號邊； (2-2)先將通訊邊從Simulink圖中刪除，然后利用深度優(yōu)先算法找出Simulink圖中所 有的連通分量，由于連續(xù)模塊和離散模塊間的通訊邊已經(jīng)被刪除，所以每個聯(lián)通分量只會 僅包含連續(xù)模塊或離散模塊；這里確保獲得的各聯(lián)通分量對應(yīng)的子圖僅包含連續(xù)模塊或僅 包含離散模塊，這些子圖即作為步驟（2)的輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Simulink圖形模型的形式驗證方法，其特征在于：所述步驟 (3) 中對連續(xù)子圖的轉(zhuǎn)化方法實現(xiàn)如下： (3a-l)首先，考慮一個角標(biāo)為i的單個連續(xù)模塊，定義該模塊經(jīng)轉(zhuǎn)化后的對應(yīng)HCSP進 程，假定該模塊擁有pi個輸出信號和Qi個功能模式；同時，該模塊的通訊中斷集合為Ii，該 角標(biāo)為i的單個連續(xù)模塊經(jīng)轉(zhuǎn)化后的HCSP進程PC如下：
如上面進程定義中所不，參數(shù)丨叫表不輸入信號，〇111^表不輸出信號，化^^表不輸出 信號的初始化值，pSi表示模塊的用戶配置參數(shù)；進程定義首先是一系列對Pi個輸出信號 的初始化賦值語句的順序組合（PinitJ，然后是Qi個功能模塊對應(yīng)的微分方程的順序組合 (Pi)的重復(fù)組合（如*所示），其中對所有的1 < k < Qi，每個微分方程Fik定義第k個功 能模式所對應(yīng)的連續(xù)演化過程，其中Bik表示該連續(xù)過程連續(xù)變量的定義域；F ik具有來自于 Ii的通訊中斷，即當(dāng)Ii中的某個通訊i〇j發(fā)生時，該連續(xù)過程被打斷，執(zhí)行進程skip ; (3a-2)假設(shè)子圖中含有η個連續(xù)模塊，對于每個模塊1 < i < n，按照（3a-l)步驟所 示的轉(zhuǎn)換，得到一個HCSP進程；然后，將子圖中所有連續(xù)模塊1到η進行（3a-l)所示轉(zhuǎn)換 得到的η個HCSP進程按照以下方式組合，獲得該子圖對應(yīng)的HCSP進程，其中，SEQ算子將 所有進程順序組合起來； 如上面進程定義中所不，參數(shù)in表不輸入信號集合，out表不輸出信號集合，init表 示輸出信號的初始化值的集合，ps表示模塊的用戶配置參數(shù)集合；對于每個i，in[i]表示 第i個模塊的輸入信號，out [i]表示第i個模塊的輸出信號，init[i]表示第i個模塊的 輸出信號的初始化值，ps[i]表示第i個模塊的用戶配置參數(shù)集合，Qp Pinih和Ffi對應(yīng)于 (3a - 1)中定義的對應(yīng)項。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Simulink圖形模型的形式驗證方法，其特征在于：所述步驟 (3)中對離散子圖的轉(zhuǎn)化方法如下： (3b-l)首先，考慮一個角標(biāo)為i的單個離散模塊，定義該模塊經(jīng)轉(zhuǎn)化后的對應(yīng)HCSP進 程，假定該模塊擁有ri個輸入信號、Pi個輸出信號和Qi個離散模塊，該角標(biāo)為i的單個離 散模塊經(jīng)轉(zhuǎn)化后的HCSP進程ro如下：
參數(shù)irii表不輸入信號，outi表不輸出信號，inih表不輸出信號的初始化值，pSi表 不模塊的用戶配置參數(shù)，sh表不模塊的樣本時間，cirii和couti分別表不對應(yīng)輸入輸出 信號的通訊通道；進程定義首先是一系列對pi個輸出信號的初始化賦值語句的順序組合 (Piniti)，然后是一個順序進程Pi的重復(fù)組合.該順序進程Pi的一次執(zhí)行方式如下：首先 是ri個輸入數(shù)據(jù)采集通訊語句Pirii,然后是Qi個條件語句構(gòu)成的計算進程PcomPi，pi個 控制輸出通訊語句Poutp最后等待樣本時間sti ; (3b-2)假設(shè)子圖中含有η個離散模塊，對于每個模塊1 < i < n，按照（3b-l)步驟所 示的轉(zhuǎn)換，得到一個HCSP進程；然后，將子圖中所有離散模塊1到η進行（3b-l)所示轉(zhuǎn)換 得到的η個HCSP進程按照以下方式組合，獲得該子圖對應(yīng)的HCSP進程；其中，0SEQ算子將 所有依據(jù)離散模塊間的依賴關(guān)系將對應(yīng)的Pcomp進程順序組合起來，由于Simulink圖不容 許離散模塊產(chǎn)生循環(huán)依賴，所以該順序總能找到；
如上面進程定義中所示，參數(shù)in表示輸入信號集合，out表示輸出信號集合，init表示 輸出信號的初始化值的集合，ps表示模塊的用戶配置參數(shù)集合，st表示模塊的樣本時間集 合。對于每個i，in[i]表不第i個模塊的輸入信號，out[i]表不第i個模塊的輸出信號， init [i]表示第i個模塊的輸出信號的初始化值，ps[i]表示第i個模塊的用戶配置參數(shù)集 合，st[i]表示第i個模塊的樣本時間，PinitpPirii和Pouti對應(yīng)于（3b -1)中定義的對應(yīng) 項，t表示該子圖的局部時鐘，temp記錄上一次計算過程的執(zhí)行時間。
【文檔編號】G06F17/50GK104091013SQ201410313539
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】鄒亮, 詹乃軍, 王淑靈 申請人:中國科學(xué)院軟件研究所