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系统与软件杂志

第70卷,第1-2期,2004年2月,第189-208页
系统与软件杂志

SCTL/MUS-T的增量规范:一个案例研究

https://doi.org/10.1016/S0164-1212(03)00067-0获取权限和内容

摘要

过去十年见证了实时和安全关键系统的规范和分析的时间形式化方法领域的巨大进步。在这种情况下,时间自动机实时时序逻辑提供了一种简单但通用的方法来建模和指定这些系统的行为。与此同时,迭代和增量开发已在专业实践中大量采用。为了更接近当前的趋势,时间形式化方法应该适应这样的生命周期结构,克服其验证模型满足一组固定需求的传统作用。在追求这一最终目标的过程中,我们提出了SCTL/MUS-T,这是一种定时方法,在这种方法中,多值性可以处理迭代和增量过程中普遍存在且可取的不确定性和分歧。为了说明SCTL/MUS-T方法背后的主要思想,本文重点介绍了著名蒸汽锅炉案例研究的规范、合成和验证。

介绍

用于实时系统规范和分析的定时形式化方法已经存在很长时间了。如今,人们普遍认为(Alur,1991年;Gollu等人,1994年;Asarin等人,1998年),密集时间方法更具表现力,更适合合成和细化,因为时间量不需要预先确定。除了灵活性之外,密集时间的决策程序每天都越来越高效。

实时系统的密集形式化方法已经得到了广泛的研究,扩展了大量的未命名形式,这些形式在方法、目标和抽象层次上有所不同:时序逻辑、一阶逻辑、状态机、进程代数、同步语言等(调查见(Ostroff,1992))。在一般定时形式化方法的背景下,特别是根据定时过程代数和实时逻辑对实时系统进行规范时,定时自动机提供了一种简单但通用的方法来建模实时系统的行为。虽然时间自动机可以被视为标准的时间状态机,但就属性规范而言,情况似乎并不那么清楚:各种逻辑已应用于需求规范(Alur和Henzinger,1992)。

就分析而言,假设密集时间的形式技术早在年就有了起源(Alur等人,1993)。本文介绍了第一种具有实值时钟的时间自动机模型检测算法。该算法的主要思想是从时间自动机的稠密状态空间构造一个抽象的有限状态空间,称为区域图。自从尽可能获得系统的精确有限模型以来,许多工作都将此解扩展到了其他类型的分析中。理论结果出现后不久,主要在学术领域开发了验证工具:KRONOS1然后是UPPAAL。2这两种工具在很大程度上都是基于时间自动机的,尽管它们在属性规范语言上有所不同。实际案例研究,如UPPAAL和KRONOS所处理的案例,强调了时间模型和方法几乎可以供从业者使用。

然而,这些时间理论基础与业界不愿在软件过程中采用形式化方法的态度形成了鲜明对比;传统不定时系统中观察到的技术转让问题再次出现。为了更接近从业者,迫切需要将形式化方法纳入软件过程,在这方面,迭代和增量开发是一个重要的里程碑。在传统方法中,首先应实现一组功能并确定其需求;然后生成软件的规范和设计模型;最后对系统进行了正式的验证、实现和测试。在迭代和增量开发中,软件不是一次查看一组功能并为这些功能生成设计,而是逐个功能进行设计和实现。

尽管在软件工程中是一种常见的实践,而且它已被证明可以缩短上市时间,但迭代和增量开发与正式方法的集成仍然不成熟。作为知识表示的工具,我们假设多值推理适合增量和迭代规范过程:

  • 对于形式化方法,已知多值推理,特别是多值逻辑,通过允许二价原则之外的附加真值,支持不确定性和不一致性的显式建模(Chechik等人,2001)。在软件工程领域,有很多情况下我们需要在不确定性或不一致性下建模和推理。一方面,当软件系统的完整信息未知或无法获得时,或者当这些信息被抽象出来时,可能会出现不确定性(Bruns和Godefroid,1999)。另一方面,在软件系统的开发过程中可能会出现分歧(Nuseibeh等人,2001),例如,当合并不同利益相关者提供的冲突观点时(Menzies等人,1999),或者当合并系统的冲突观点或观点时(Liu等人,2002;Easterbrook和Chechik,2001)。

  • 对于与软件过程有关的内容,在迭代和增量方法中,随着对问题的了解越来越多,系统逐渐形成,也就是说,在这个过程中,不确定性和不一致性是普遍存在的,也是可取的。一方面,过程的迭代性质要求对迭代之间的分歧进行推理,作为一致性检查的一种形式。另一方面,由于系统规范在过程中是不完整的,因此增量性质要求对不确定性进行推理。


SCTL/MUS方法论(Pazos Arias和García Duque,2001)研究了多值推理,以支持规范过程中迭代和增量的形式生命周期。在此基础上,最近引入了定时SCTL/MUS(SCTL/MUS-T)(Fernández Vilas等人,2002a,Ferná),将定时自动机和实时时序逻辑扩展为多值推理,作为一种形式化适用于实时和安全关键系统的增量过程的手段。本文重点通过一个案例研究来说明SCTL/MUS-T方法。首先,我们简要介绍了实时形式化方法SCTL/MUS-T(2 SCTL/MUS-T方法概述,3面向模型的规范:MUS-T,4面向属性的规范:SCTL-T)。然后,通过规范(5案例研究,6启动过程,7应用SCTL/MUS-T方法,8需求和场景(非故障锅炉))、综合和验证(9过程中的迭代(非故障炉),10适应故障锅炉)的著名蒸汽锅炉案例研究(Abrial等人,1996),我们方法的新颖之处在于逐步指定蒸汽锅炉的控制器。最后,我们总结了我们正在研究的主要结论和主题(第11节)。

节代码段

SCTL/MUS-T方法概述

实时和安全关键系统固有的复杂性和关键性要求增量和迭代生命周期,因为在这些系统中,检查设计备选方案、接收即时反馈和提供生产过程早期阶段的原型是特别可取的。此外,定义一个合理的方法可以使设计尽可能自动化,使设计者能够专注于高价值的活动。除了生命周期结构之外,

面向模型的规范:MUS-T

对于实时系统建模,我们定义了MUS-T(未指定状态的时间模型),这是在(Pazos Arias和Garcáa Duque,2001)中提出的MUS模型的时间扩展。此扩展定义了一个密集时间模型,类似于中的定时自动化(Alur等人,1993),但是事件驱动的。然而,虽然时间自动机位置上的原子命题是真或假的断言,但在我们的增量方法中,事情最终会是真或假的(在最终开发中),但在

面向物业的规范:SCTL-T

我们将使用时序逻辑SCTL-T(定时简单因果时序逻辑)来指定实时系统的需求和场景,SCTL是因果和多值时序逻辑SCTL的实时扩展(Pazos Arias和Garcáa Duque,2001)。将因果逻辑引入规范过程的主要动机是填补用户表达自己的自然语言与正式规范之间的空白。SCTL-T是一个具有密集时间的分支实时逻辑

案例研究

蒸汽锅炉案例研究于(Abrial等人,1996年)提出,旨在比较正式方法。简言之,蒸汽锅炉6有一个水锅炉水箱、一个泵和多个传感器,其中一个传感器测量水位。整个物理系统在控制器的指导下运行。控制器

启动流程

从蒸汽锅炉系统的运行概念来看,不仅要考虑要设计的控制器,还应考虑实施时将投入运行的环境。系统的封闭规范M(M)E类|[答:]S公司]|M(M)C类n个,英寸正常的模式,由MUS-T组件组成M(M)E类(环境模型)和MUS-T组件M(M)C类n个(正常模式下运行的控制器的设计),通过同步事件进行交互。同步事件,A类S公司,是传感器

应用SCTL/MUS-T方法

以蒸汽锅炉案例研究为例,我们将该方法作为后续迭代进行了演示,包括:将捕获控制器需求的规范形式化,通过将典型行为形式化为场景,对控制器进行增量设计;以及验证和确认符合需求规范的设计决策。多值推理的优点来自任务中获得的多值结果

要求和场景(非故障锅炉)

非故障锅炉控制器中的事件被识别为同步事件(在非故障环境中,A类S公司)和内部事件(控制器任务)。内部事件确定为英国,(开始和完成传感器调节);巴西,急诊室(开始和完成报告计算)和行为(进入启动任务)。确定的控制器要求(表2中)符合以下非正式规范:

  • 任务完成情况(R(右)1, R(右)2):监管完成–一次监管

过程中的迭代(无故障锅炉)

根据指定的要求和场景,以下段落8概述图1中形式化生命周期后的SCTL/MUS-T过程。

开始时,init(S公司INI公司)和监管规则(S公司注册)应用,

适应故障锅炉

在这一点上,我们解决了如何调整控制器,使其在故障环境中运行。根据故障情况下行为的非正式规范(第5节),确定了控制器中的新事件和场景。新事件包括故障集中的其他同步事件A类S公司F类以及模式事件{,物件},代表进入降级营救模式。新的场景(表7)将出现故障时的行为形式化:

  • 故障模式(S公司FM公司):

结论

本文应用SCTL/MUS-T方法逐步构建蒸汽锅炉案例研究。相对于文献中提出的其他形式化方法,我们的生命周期模型基于迭代和增量结构,其中从过程的开始就考虑了实时特性。这种方法的一个优点是及早检测定时故障(例如,防止未检测到的泵故障);考虑时间

Ana Fern博士́ndez维拉斯现任维戈大学远程通信工程系副教授。主要研究兴趣包括将形式化方法应用于实时系统。她正在由J.J.Pazos Arias领导的软件工程小组中进行研究工作。在软件工程领域,该集团从事应用正式方法研究已有10年,获得了公共机构和行业的资金。混凝土

工具书类(31)

  • H。巴林格等。

    METATEM:简介

    计算的形式方面

    (1995)
  • L。博尔克等。

    多值逻辑

    (1992)
  • G.公司。布伦斯等。

    用三值时序逻辑对部分状态空间进行模型检验

  • 英国。Cerans公司等。

    定时模态规范——理论和工具

  • M。切奇克等。

    基于格表示的高效多值模型选择

  • 引用人(8)

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    Ana Fern博士́ndez维拉斯现任维戈大学远程通信工程系副教授。主要研究兴趣包括将形式化方法应用于实时系统。她正在由J.J.Pazos Arias领导的软件工程小组中进行研究工作。在软件工程领域,该集团从事应用正式方法研究已有10年,获得了公共机构和行业的资金。一个具体的结果是开发了SCTL/MUS环境,用于设计实时和分布式系统。

    Jos博士e(电子)́ J.帕佐斯·阿里亚斯是维戈大学远程通信工程系的副教授。他的主要研究兴趣是软件工程过程中形式化方法的集成。他于1995年获得马德里理工大学(UPM)计算机科学博士学位。在加入维戈大学之前,他在马德里阿尔卡特实验室工作。如今,他是软件工程小组(维戈大学)的负责人,在过去10年里,他作为项目负责人参与了几个大型项目。

    阿尔贝托·吉尔·索拉博士是维戈大学远程通信工程系的副教授,也是软件工程研究小组的成员。2000年,他获得了维戈大学计算机科学博士学位。他的主要研究兴趣包括软件工程过程中形式化方法的集成。

    Rebeca P.D博士ı́阿兹·雷东多是维戈大学远程通信工程系的副教授,也是软件工程研究小组的成员。她于2002年获得维戈大学计算机科学博士学位。她的主要研究兴趣在于正式组件的软件重用,特别是软件过程早期阶段的组件,如不完整的需求规范。

    Jorge Garc博士ı́杜克是维戈大学远程通信工程系的副教授,也是软件工程研究小组的成员。2000年,他获得了维戈大学计算机科学博士学位。他的研究兴趣包括形式化方法在需求工程领域的应用。

    A.贝尔e(电子)́n巴拉格́ns商场ı́内兹1999年获得维戈大学电信工程学位。她目前是同一所大学远程通信工程系的博士生,也是软件工程研究小组的学生成员。

    这项工作得到了Xunta de Galicia基础研究项目PGIDT01PXI32203PR的部分支持。

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