一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法
【專利摘要】一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，首先通過建立基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證模型，然后將待驗證性質(zhì)以時序邏輯公式的形式進(jìn)行規(guī)范表示，進(jìn)而對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行驗證。對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行形式化驗證和分析時，采用經(jīng)典模型檢驗技術(shù)對運行于理想環(huán)境下的系統(tǒng)進(jìn)行功能上的正確性驗證，同時采用統(tǒng)計模型檢驗技術(shù)對運行于復(fù)雜環(huán)境中的系統(tǒng)在不同系統(tǒng)規(guī)模、不同報文發(fā)送/接收失敗概率、不同節(jié)點失效概率參數(shù)下的性能進(jìn)行分析。本發(fā)明能夠有效解決基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)驗證的規(guī)模和實時性問題，有助于在設(shè)計和實現(xiàn)基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)過程中增強系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，主要利用模型檢驗形式化驗證技術(shù)來解決基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證問題，屬于信息物理系統(tǒng)、計算機(jī)和軟件驗證的交叉技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems, CPS)是一個在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上,深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制一個物理實體。信息物理系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。信息物理系統(tǒng)在功能方面著重考慮性能優(yōu)化，是集計算、通信與控制3C (Computation, Communication, Control)于一體的智能技術(shù)?，F(xiàn)在，CPS技術(shù)已經(jīng)得到了國際工商業(yè)界和許多大型國際公司的高度關(guān)注，發(fā)展速度極為迅速，已被應(yīng)用于交通、醫(yī)療、能源等多個重要發(fā)展領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]控制器局域網(wǎng)(ControllerArea Network, CAN)是一種現(xiàn)場總線(Field Bus),是由BOSCH公司開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它最初的目的是為了解決汽車中控制與測試儀器之間大量的數(shù)據(jù)交換問題。CAN是一種多主總線，它可以采用雙絞線、同軸電纜或者是光導(dǎo)纖維作為其通信介質(zhì)，具有通信速率高、連接方便快捷、可靠性強以及性價比高等多個特點。CAN總線可以有效地支持分布式和實時控制系統(tǒng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于交通工具、控制設(shè)備、工業(yè)自動化、建筑和醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。CAN總線極其適用于在汽車環(huán)境中使用。在現(xiàn)代汽車的設(shè)計和生產(chǎn)中，CAN總線已經(jīng)成為了必不可少的設(shè)備，多種汽車的內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信都是通過CAN總線來實現(xiàn)的。CAN總線在信息物理系統(tǒng)中也得到了使用，可形成車載信息物理系統(tǒng)等。
[0004]形式化驗證方法是以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，如邏輯學(xué)、自動機(jī)、圖論等為基礎(chǔ)，使用數(shù)學(xué)的公式、定理和系統(tǒng)來精確描述和分析復(fù)雜計算機(jī)系統(tǒng)的方法。目前的形式化驗證方法可以用于驗證硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，而且形式化驗證的技術(shù)目前也已經(jīng)發(fā)展到不但可以驗證系統(tǒng)的功能正確性(有沒有錯誤)，而且可以驗證系統(tǒng)的性能指標(biāo)(功耗、散熱、延遲等)。形式化驗證方法主要分為定理證明和模型檢驗兩類。
[0005]模型檢驗(Model Checking)是目前較為常用的形式化驗證方法,其基本思想是將系統(tǒng)抽象成一個有窮狀態(tài)模型，用有限狀態(tài)機(jī)表示系統(tǒng)的狀態(tài)遷移結(jié)構(gòu)，用模態(tài)/時序邏輯公式表示系統(tǒng)的性質(zhì)，通過遍歷系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)的所有可能路徑，從而檢驗系統(tǒng)是否具有所要驗證的性質(zhì)。首先，用戶需要輸入系統(tǒng)模型(可能的行為)的描述和需求規(guī)范(期望的行為)的描述，然后模型檢驗工具會進(jìn)行自動化驗證。如果驗證結(jié)果為性質(zhì)不滿足，工具會提供一個反例說明在何種環(huán)境下會產(chǎn)生該錯誤。這個反例包括了一個場景，在該場景中模型的行為與期望的方式不符。因此反例提供了模型是錯誤并需要改進(jìn)的證據(jù)。這使得用戶可以找出錯誤，并且在繼續(xù)檢驗之前修訂模型的規(guī)范。如果沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，用戶可以優(yōu)化模型的描述，并重新驗證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，使用規(guī)范統(tǒng)一的形式化建模語言和規(guī)約語言對系統(tǒng)進(jìn)行建模，并結(jié)合系統(tǒng)的功能和性能方面進(jìn)行驗證和分析，解決系統(tǒng)的驗證問題，克服驗證在規(guī)模、動態(tài)性和資源約束等方面的挑戰(zhàn)，從而提高系統(tǒng)驗證的效率，有助于研究人員在設(shè)計和實現(xiàn)系統(tǒng)過程中增強系統(tǒng)的
可靠性。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法為:首先通過建立基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證模型，然后通過將待驗證性質(zhì)以時序邏輯公式的形式進(jìn)行表示，接著采用經(jīng)典模型檢驗技術(shù)對運行于理想環(huán)境下的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行正確性驗證，最后采用統(tǒng)計模型檢驗技術(shù)對運行于復(fù)雜環(huán)境中的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行驗證和評估來對系統(tǒng)進(jìn)行形式化驗證和分析。
[0008]基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法流程如下:
[0009]步驟I)構(gòu)建基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的形式化驗證模型:
[0010]步驟11)為基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)劃分功能模塊，將基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)具體劃分為以下五個功能模塊:物理世界、傳感器、控制器局域網(wǎng)總線、控制器以及執(zhí)行器；
[0011]步驟12)定義各功能模塊之間的交互關(guān)系，為基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的各功能模塊定義以下相互之間的交互關(guān)系:傳感器通過對物理世界的感知，采集物理信息，對信息進(jìn)行處理，再將經(jīng)過處理的信息通過控制器局域網(wǎng)總線發(fā)送到控制器；控制器在接收到由傳感器采集并傳輸過來的信息后，針對物理環(huán)境和系統(tǒng)中用戶需求的改變，產(chǎn)生指令并將該指令發(fā)送給執(zhí)行器；執(zhí)行器接收控制器發(fā)送過來的執(zhí)行指令，并通過實體間的自主協(xié)調(diào)來執(zhí)行系統(tǒng)所要求的相應(yīng)操作，對物理世界組件的狀態(tài)和行為進(jìn)行調(diào)整，使其適應(yīng)物理世界的動態(tài)變化；
[0012]步驟13)根據(jù)基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的特點，分析每個模塊的邏輯功能，為每個模塊劃分其所可能處于的各種狀態(tài)；
[0013]步驟14)結(jié)合系統(tǒng)中每個模塊的功能以及執(zhí)行過程，為每個模塊中的狀態(tài)建立狀態(tài)遷移規(guī)則，包括常量約束、變量約束、時鐘約束以及同步約束；
[0014]步驟15)結(jié)合控制器局域網(wǎng)協(xié)議中對總線上所連接節(jié)點的故障狀態(tài)的判定，為相應(yīng)模塊添加故障界定；
[0015]步驟16)根據(jù)經(jīng)過上述步驟分析出來的狀態(tài)及其遷移條件，建立每個功能模塊的時間自動機(jī)，所述的時間自動機(jī)是添加了時間方面約束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；
[0016]步驟17)在步驟16)所建立的每個功能模塊的時間自動機(jī)中，針對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)運行環(huán)境中的不確定因素，包括報文發(fā)送和接收失敗和傳感器節(jié)點失效，將相應(yīng)模塊的時間自動機(jī)擴(kuò)展成隨機(jī)時間自動機(jī)；
[0017]步驟18)根據(jù)系統(tǒng)各功能模塊之間的交互關(guān)系，整合所有模塊從而構(gòu)建系統(tǒng)的形式化驗證模型，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的整體工作流程進(jìn)行描述；[0018]步驟2 )根據(jù)驗證需求以及所采用的形式化驗證工具，使用時序邏輯語言將待驗證性質(zhì)進(jìn)行規(guī)范的形式化表示，使其能正確地被驗證工具所接受；
[0019]步驟3)采用經(jīng)典模型檢驗技術(shù)對運行于理想環(huán)境下的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行正確性驗證；所述經(jīng)典模型檢驗技術(shù)是一種形式化驗證方法，該方法將要驗證的系統(tǒng)抽象成一個有窮狀態(tài)模型，用有限狀態(tài)機(jī)表示系統(tǒng)的狀態(tài)遷移結(jié)構(gòu)，用模態(tài)邏輯公式或時序邏輯公式表示系統(tǒng)的性質(zhì)，通過遍歷系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)的所有可能路徑，以檢驗上述要驗證的系統(tǒng)是否具有所要驗證的性質(zhì)；所述模態(tài)邏輯是計算機(jī)科學(xué)中非經(jīng)典邏輯的一個分支，研究必然、可能及其相關(guān)概念的邏輯性質(zhì)；模態(tài)邏輯公式是描述模態(tài)邏輯的表達(dá)式。所述時序邏輯也叫時態(tài)邏輯，是計算機(jī)科學(xué)中非經(jīng)典邏輯的一個分支學(xué)科，時序邏輯把含有時態(tài)動詞的語句形式化，并且把含有這種語句的推理系統(tǒng)化；時序邏輯公式是描述時態(tài)邏輯的表達(dá)式；
[0020]步驟31)驗證系統(tǒng)不存在死鎖，如果驗證結(jié)果為性質(zhì)滿足，則死鎖性質(zhì)驗證成功；如果驗證結(jié)果為性質(zhì)不滿足，則查看和分析模型檢驗工具提供的反例運行軌跡，記錄產(chǎn)生死鎖的系統(tǒng)運行路徑；
[0021]步驟32)驗證系統(tǒng)中所有狀態(tài)之間的可達(dá)關(guān)系，如果對于一個狀態(tài)，其可達(dá)性性質(zhì)驗證結(jié)果為性質(zhì)滿足，則可達(dá)性性質(zhì)驗證成功；如果驗證結(jié)果為性質(zhì)不滿足，則查看和分析模型檢驗工具提供的反例運行軌跡，記錄引起狀態(tài)不可達(dá)的系統(tǒng)運行路徑；
[0022]步驟4)采用統(tǒng)計模型檢驗技術(shù)對運行于復(fù)雜環(huán)境中的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行驗證和評估，對系統(tǒng)在不同系統(tǒng)規(guī)模、不同報文發(fā)送/接收失敗概率、不同節(jié)點失效概率參數(shù)下的性能進(jìn)行分析；
[0023]步驟41)分別設(shè)置不同的系統(tǒng)規(guī)模參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著系統(tǒng)規(guī)模發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的系統(tǒng)規(guī)模參數(shù)；
[0024]步驟42)分別設(shè)置不同的報文發(fā)送/接收失敗概率參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著報文發(fā)送/接收失敗概率發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的報文發(fā)送/接收失敗概率參數(shù)；
[0025]步驟43)分別設(shè)置不同的節(jié)點失效概率參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著節(jié)點失效概率發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的節(jié)點失效概率參數(shù)。
[0026]有益效果:本發(fā)明提出了一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法。通過使用本發(fā)明所提出的驗證方法對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行形式化驗證，可以提高系統(tǒng)驗證的效率，克服驗證在系統(tǒng)規(guī)模、實時性等方面的挑戰(zhàn)，從而很好地解決系統(tǒng)的驗證問題，有助于研究人員在設(shè)計和實現(xiàn)基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)過程中增強系統(tǒng)的可靠性。具體來說，本發(fā)明所述的方法具有如下的有益效果:
[0027](I)本發(fā)明所述的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，對物理世界、傳感器、控制器局域網(wǎng)總線、控制器以及執(zhí)行器建立基于時間自動機(jī)的驗證模型，實現(xiàn)了建模語言的統(tǒng)一以及正確、無二義性的建模，為基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證工作提供了規(guī)范的模型。
[0028](2)本發(fā)明所述的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，采用經(jīng)典模型檢驗技術(shù)對系統(tǒng)功能上的相關(guān)正確性性質(zhì)進(jìn)行驗證，可以縮小驗證范圍，并通過在小規(guī)模系統(tǒng)上的驗證結(jié)果來指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計，有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可信度。
[0029](3)本發(fā)明所述的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，采用統(tǒng)計模型檢驗技術(shù)對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)在不同系統(tǒng)規(guī)模、不同報文發(fā)送/接收失敗概率、不同節(jié)點失效概率參數(shù)下的性能進(jìn)行分析，有助于對系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的運行性能進(jìn)行量化分析，從而幫助系統(tǒng)設(shè)計人員優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，改善系統(tǒng)性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法流程示意圖。
[0031]圖2是基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)各功能模塊交互關(guān)系的序列圖。
[0032]圖3是報文發(fā)送和接收隨機(jī)時間自動機(jī)示意圖。
[0033]圖4是傳感器節(jié)點失效隨機(jī)時間自動機(jī)示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。
[0035]本發(fā)明提出一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，該方法的流程如圖1所示。本發(fā)明的【具體實施方式】為:
[0036]第一階段:構(gòu)建基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的形式化驗證模型
[0037]步驟I)為基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)劃分功能模塊
[0038]將基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)具體劃分為以下五個功能模塊:物理世界、傳感器、控制器局域網(wǎng)總線、控制器以及執(zhí)行器。本實施例中，物理世界模塊表示物理世界的狀態(tài)變化，傳感器模塊表示控制器局域網(wǎng)總線上所連接的節(jié)點所處的狀態(tài)，控制器局域網(wǎng)總線模塊表示控制器局域網(wǎng)總線所處的狀態(tài)，控制器模塊表示總線上節(jié)點發(fā)送報文時的位仲裁過程，執(zhí)行器模塊表示執(zhí)行器接收系統(tǒng)控制器的指令并對物理世界的狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)整的狀態(tài)。
[0039]步驟2)定義各功能模塊之間的交互關(guān)系
[0040]為基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的各功能模塊定義以下相互之間的交互關(guān)系:傳感器通過對物理世界的感知，采集物理信息，對信息進(jìn)行一定的處理，再將經(jīng)過處理的信息通過控制器局域網(wǎng)總線發(fā)送到控制器；控制器在接收到由傳感器采集并傳輸過來的信息后，針對物理環(huán)境和系統(tǒng)中用戶需求的改變，產(chǎn)生指令并將該指令發(fā)送給執(zhí)行器；執(zhí)行器接收控制器發(fā)送過來的執(zhí)行指令,并通過實體間的自主協(xié)調(diào)來執(zhí)行系統(tǒng)所要求的相應(yīng)操作，對物理世界組件的狀態(tài)和行為進(jìn)行調(diào)整，使其適應(yīng)物理世界的動態(tài)變化。本實施例中，所建立的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)各功能模塊交互關(guān)系的序列圖如圖2所示。
[0041]步驟3)根據(jù)基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的特點，分析每個模塊的邏輯功能，為每個模塊劃分其所可能處于的各種狀態(tài)。
[0042]步驟4)結(jié)合系統(tǒng)中每個模塊的功能以及執(zhí)行過程，為每個模塊中的狀態(tài)建立狀態(tài)遷移規(guī)則，包括常量約束、變量約束、時鐘約束以及同步約束等。
[0043]步驟5)結(jié)合控制器局域網(wǎng)協(xié)議中對總線上所連接節(jié)點的故障狀態(tài)的判定，為相應(yīng)模塊添加故障界定。本實施例中，故障狀態(tài)可以分為三種:主動錯誤、被動錯誤和總線關(guān)閉。其中，主動錯誤狀態(tài)是可以正常參與系統(tǒng)中節(jié)點通信的狀態(tài)，被動錯誤狀態(tài)是易引起錯誤的狀態(tài)，總線關(guān)閉狀態(tài)是不能參加系統(tǒng)內(nèi)通信的狀態(tài)。
[0044]步驟6)根據(jù)經(jīng)過上述步驟分析出來的狀態(tài)及其遷移條件，建立每個功能模塊的時間自動機(jī)。所述的時間自動機(jī)是添加了時間方面約束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
[0045]步驟7)在步驟6)所建立的每個模塊的時間自動機(jī)中，針對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)運行環(huán)境中的不確定因素，如報文發(fā)送和接收失敗、傳感器節(jié)點失效，將相應(yīng)模塊的時間自動機(jī)擴(kuò)展成隨機(jī)時間自動機(jī)。本實施例中，報文發(fā)送和接收隨機(jī)時間自動機(jī)如圖3所示，其中，狀態(tài)Stl表示節(jié)點正處于發(fā)送/接收狀態(tài)，狀態(tài)S1表示報文發(fā)送/接收成功，狀態(tài)S2表示報文發(fā)送/接收失??；傳感器節(jié)點失效隨機(jī)時間自動機(jī)如圖4所示，其中，狀態(tài)Sci表示節(jié)點處于正常工作狀態(tài),狀態(tài)S1表示節(jié)點處于失效狀態(tài)。
[0046]步驟8)根據(jù)系統(tǒng)各功能模塊之間的交互關(guān)系，整合所有模塊從而構(gòu)建系統(tǒng)的形式化驗證模型，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的整體工作流程進(jìn)行描述。
[0047]第二階段:根據(jù)驗證需求以及所采用的形式化驗證工具，使用時序邏輯語言將待驗證性質(zhì)進(jìn)行規(guī)范的形式化表示，使其能正確地被驗證工具所接受。本實施例中，系統(tǒng)不存在死鎖的性質(zhì)使用時序邏輯語言公式表示如下:ADnotdeadlock ;可達(dá)性性質(zhì)使用時序邏輯語言公式表示如下:E ο ψ。
[0048]第三階段:采用經(jīng)典模型檢驗技術(shù)對運行于理想環(huán)境下的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行正確性驗證。所述經(jīng)典模型檢驗技術(shù)是一種形式化驗證方法，該方法將要驗證的系統(tǒng)抽象成一個有窮狀態(tài)模型，用有限狀態(tài)機(jī)表示系統(tǒng)的狀態(tài)遷移結(jié)構(gòu)，用模態(tài)/時序邏輯公式表示系統(tǒng)的性質(zhì)，通過遍歷系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)的所有可能路徑，以檢驗上述要驗證的系統(tǒng)是否具有所要驗證的性質(zhì)。
[0049]步驟I)驗證系統(tǒng)不存在死鎖。如果驗證結(jié)果為性質(zhì)滿足，則死鎖性質(zhì)驗證成功；如果驗證結(jié)果為性質(zhì)不滿足，則查看和分析模型檢驗工具提供的反例運行軌跡，記錄產(chǎn)生死鎖的系統(tǒng)運行路徑。
[0050]步驟2)驗證系統(tǒng)中所有狀態(tài)之間的可達(dá)關(guān)系。如果對于一個狀態(tài)，其可達(dá)性性質(zhì)驗證結(jié)果為性質(zhì)滿足，則可達(dá)性性質(zhì)驗證成功；如果驗證結(jié)果為性質(zhì)不滿足，則查看和分析模型檢驗工具提供的反例運行軌跡，記錄引起狀態(tài)不可達(dá)的系統(tǒng)運行路徑。
[0051]第四階段:采用統(tǒng)計模型檢驗技術(shù)對運行于復(fù)雜環(huán)境中的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行驗證和評估，對系統(tǒng)在不同系統(tǒng)規(guī)模、不同報文發(fā)送/接收失敗概率、不同節(jié)點失效概率參數(shù)下的性能進(jìn)行分析。
[0052]步驟I)分別設(shè)置不同的系統(tǒng)規(guī)模參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著系統(tǒng)規(guī)模發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的系統(tǒng)規(guī)模參數(shù)。
[0053]步驟2)分別設(shè)置不同的報文發(fā)送/接收失敗概率參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著報文發(fā)送/接收失敗概率發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的報文發(fā)送/接收失敗概率參數(shù)。
[0054]步驟3)分別設(shè)置不同的節(jié)點失效概率參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著節(jié)點失效概率發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的節(jié)點失效概率參數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的驗證方法，其特征在于該方法所包含的步驟為: 步驟I)構(gòu)建基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的形式化驗證模型: 步驟11)為基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)劃分功能模塊，將基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)具體劃分為以下五個功能模塊:物理世界、傳感器、控制器局域網(wǎng)總線、控制器以及執(zhí)行器； 步驟12)定義各功能模塊之間的交互關(guān)系，為基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的各功能模塊定義以下相互之間的交互關(guān)系:傳感器通過對物理世界的感知，采集物理信息，對信息進(jìn)行處理，再將經(jīng)過處理的信息通過控制器局域網(wǎng)總線發(fā)送到控制器；控制器在接收到由傳感器采集并傳輸過來的信息后，針對物理環(huán)境和系統(tǒng)中用戶需求的改變，產(chǎn)生指令并將該指令發(fā)送給執(zhí)行器；執(zhí)行器接收控制器發(fā)送過來的執(zhí)行指令，并通過實體間的自主協(xié)調(diào)來執(zhí)行系統(tǒng)所要求的相應(yīng)操作，對物理世界組件的狀態(tài)和行為進(jìn)行調(diào)整，使其適應(yīng)物理世界的動態(tài)變化； 步驟13)根據(jù)基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的特點，分析每個模塊的邏輯功能，為每個模塊劃分其所可能處于的各種狀態(tài)； 步驟14)結(jié)合系統(tǒng)中每個模塊的功能以及執(zhí)行過程，為每個模塊中的狀態(tài)建立狀態(tài)遷移規(guī)則，包括常量約束、變量約束、時鐘約束以及同步約束； 步驟15)結(jié)合控制器局域網(wǎng)協(xié)議中對總線上所連接節(jié)點的故障狀態(tài)的判定，為相應(yīng)模塊添加故障界定； 步驟16)根據(jù)經(jīng)過上述步 驟分析出來的狀態(tài)及其遷移條件，建立每個功能模塊的時間自動機(jī)，所述的時間自動機(jī)是添加了時間方面約束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)； 步驟17)在步驟16)所建立的每個功能模塊的時間自動機(jī)中，針對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)運行環(huán)境中的不確定因素，包括報文發(fā)送和接收失敗和傳感器節(jié)點失效，將相應(yīng)模塊的時間自動機(jī)擴(kuò)展成隨機(jī)時間自動機(jī)； 步驟18)根據(jù)系統(tǒng)各功能模塊之間的交互關(guān)系，整合所有模塊從而構(gòu)建系統(tǒng)的形式化驗證模型，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)的整體工作流程進(jìn)行描述； 步驟2)根據(jù)驗證需求以及所采用的形式化驗證工具，使用時序邏輯語言將待驗證性質(zhì)進(jìn)行規(guī)范的形式化表示，使其能正確地被驗證工具所接受； 步驟3)采用經(jīng)典模型檢驗技術(shù)對運行于理想環(huán)境下的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行正確性驗證；所述經(jīng)典模型檢驗技術(shù)是一種形式化驗證方法，該方法將要驗證的系統(tǒng)抽象成一個有窮狀態(tài)模型，用有限狀態(tài)機(jī)表示系統(tǒng)的狀態(tài)遷移結(jié)構(gòu)，用模態(tài)邏輯公式或時序邏輯公式表示系統(tǒng)的性質(zhì)，通過遍歷系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)的所有可能路徑，以檢驗上述要驗證的系統(tǒng)是否具有所要驗證的性質(zhì)； 步驟31)驗證系統(tǒng)不存在死鎖，如果驗證結(jié)果為性質(zhì)滿足，則死鎖性質(zhì)驗證成功；如果驗證結(jié)果為性質(zhì)不滿足，則查看和分析模型檢驗工具提供的反例運行軌跡，記錄產(chǎn)生死鎖的系統(tǒng)運彳丁路徑； 步驟32)驗證系統(tǒng)中所有狀態(tài)之間的可達(dá)關(guān)系，如果對于一個狀態(tài)，其可達(dá)性性質(zhì)驗證結(jié)果為性質(zhì)滿足，則可達(dá)性性質(zhì)驗證成功；如果驗證結(jié)果為性質(zhì)不滿足，則查看和分析模型檢驗工具提供的反例運行軌跡，記錄引起狀態(tài)不可達(dá)的系統(tǒng)運行路徑；步驟4)采用統(tǒng)計模型檢驗技術(shù)對運行于復(fù)雜環(huán)境中的基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行驗證和評估，對系統(tǒng)在不同系統(tǒng)規(guī)模、不同報文發(fā)送/接收失敗概率、不同節(jié)點失效概率參數(shù)下的性能進(jìn)行分析； 步驟41)分別設(shè)置不同的系統(tǒng)規(guī)模參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著系統(tǒng)規(guī)模發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的系統(tǒng)規(guī)模參數(shù)； 步驟42)分別設(shè)置不同的報文發(fā)送/接收失敗概率參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著報文發(fā)送/接收失敗概率發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的報文發(fā)送/接收失敗概率參數(shù)； 步驟43)分別設(shè)置不同的節(jié)點失效概率參數(shù)，對基于控制器局域網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)進(jìn)行性能評估，采集性能信息，獲得系統(tǒng)性能隨著節(jié)點失效概率發(fā)生改變而變化的情況，記錄造成系統(tǒng)性能降低的節(jié)點失效概率 參數(shù)。
【文檔編號】G06F11/22GK103885864SQ201410077878
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】陳志 , 曾雅蕓, 岳文靜 申請人:南京郵電大學(xué)