[发明专利]基于HybridUML向微分代数程序转换的CPS建模与验证方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于由HybridUML向微分代数程序转换的CPS建模与验证方法，该方法可以很方便的利用HybridUML对CPS进行建模，依据转换规则将HybridUML模型转换为微分代数程序，并且利用微分代数动态逻辑对系统属性进行描述和推理验证。

背景技术

通常情况下，由于CPS表现为对系统离散的控制和物理系统的连续变化，导致对于CPS的建模和验证及其的困难。混合自动机作为具有同时刻画离散变迁和连续变化特性的建模语言，可以用来对CPS系统进行建模，并且依据现有的状态自动机验证技术，可以用来对CPS进行验证。但是由于CPS是一种结合了软硬件以及物理环境的复杂系统，采用混合自动机在CPS验证过程中通常会出现状态爆炸问题。带标签的混合petri网可以用来对CPS系统建模和验证，并且对于验证过程中的状态爆炸问题，存在自动提取技术来提取模型中自己感兴趣的部分以简化模型。

HybridUML是由UML扩展而来的，具有同时描述离散变迁和连续变化特性的能力，并且提供图形化元素用于系统建模，可以很方便直观的对系统进行建模。但是它不利于进行形式化验证。微分代数动态逻辑可以同时刻画离散变迁和连续变化的能力，具有很强的逻辑推理能力，由于验证的过程是由逻辑推理得来的，因而避免了验证过程中状态爆炸的问题。但是微分代数动态逻辑的操作模型微分代数程序太过于抽象，给建模带来了很大的困难。

本方法提供了由HybridUML模型向微分代数程序转换的规则，通过本方法可以使用HybridUML对CPS系统进行建模，然后能很方便的将HybridUML模型转换成微分代数程序，从来可以通过微分代数动态逻辑对系统属性进行描述以及推理验证。

发明内容

本发明对HybridUML形式化描述进行了扩展，并制定了由HybridUML模型向微分代数程序DAP转换的规则，使用HybridUML对系统进行建模进而转换为微分代数程序，利用微分代数动态逻辑对系统属性进行描述和推理验证。

技术问题：本发明提出了一种由HybridUML模型向微分代数程序(Differential-Algebraic Program，DAP)转换的方法，实现了由HybridUML模型向DAP的转换，并依据微分代数动态逻辑(Differential-Algebraic Dynamic Logic，DAL)推理规则对CPS实例进行验证。

技术方案：本发明通过制定HybridUML模型向微分代数程序转换的规则，使得可以利用HybridUML图形化元素可以很方便直观的对CPS进行建模，并且依据转换规则将HybridUML模型转换为微分代数程序，进而可以利用微分代数动态逻辑对系统属性进行描述和推理验证。

一种基于HybridUML向微分代数程序转换的CPS建模与验证方法，包括如下步骤：

步骤1)根据已有的HybridUML形式化描述定义，对HybridUML形式化描述进行扩充，给出agent和mode的形式化描述多元组；

步骤2)利用HybridUML提供的图形化元素对CPS系统进行建模；HybridUML通过agent描述系统的结构，通过mode来刻画系统的行为；

步骤3)依据提出的agent和mode的形式化描述多元组的定义，给出所建的图形化模型中每个agent和mode的多元组的形式化描述；

步骤4)制定HybridUML中离散变迁语义向微分代数程序中离散变迁语义的转换规则，制定HybridUML中连续变化语义向微分代数程序中连续变化语义的转换规则：

①离散变迁语义的转换：

HybridUML中的变迁由五元组组成t＝(src，tar，trigger，guard，action)

src和tar分别是变迁的源mode和目标mode的控制点；

trigger是变迁的触发器；

guard是变迁迁移的条件；

action是变迁产生的动作(变量的离散赋值或产生信号)。

微分代数程序中的变迁表示为？state＝m_src∧guard；action；state：＝m_tar。

HybridUML中的离散变迁可以通过如下规则转换成微分代数程序中的离散变迁：