[发明专利]一种基于控制器局域网的信息物理系统的验证方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于控制器局域网的信息物理系统的验证方法，主要利用模型检验形式化验证技术来解决基于控制器局域网的信息物理系统的验证问题，属于信息物理系统、计算机和软件验证的交叉技术应用领域。

背景技术

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。信息物理系统的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。信息物理系统在功能方面着重考虑性能优化，是集计算、通信与控制3C（Computation，Communication，Control）于一体的智能技术。现在，CPS技术已经得到了国际工商业界和许多大型国际公司的高度关注，发展速度极为迅速，已被应用于交通、医疗、能源等多个重要发展领域，具有广阔的应用前景。

控制器局域网（Controller Area Network，CAN）是一种现场总线（Field Bus），是由BOSCH公司开发的一种串行数据通信协议，它最初的目的是为了解决汽车中控制与测试仪器之间大量的数据交换问题。CAN是一种多主总线，它可以采用双绞线、同轴电缆或者是光导纤维作为其通信介质，具有通信速率高、连接方便快捷、可靠性强以及性价比高等多个特点。CAN总线可以有效地支持分布式和实时控制系统，现已被广泛应用于交通工具、控制设备、工业自动化、建筑和医疗仪器等领域。CAN总线极其适用于在汽车环境中使用。在现代汽车的设计和生产中，CAN总线已经成为了必不可少的设备，多种汽车的内部控制系统与各检测执行机构间的数据通信都是通过CAN总线来实现的。CAN总线在信息物理系统中也得到了使用，可形成车载信息物理系统等。

形式化验证方法是以严格的数学理论，如逻辑学、自动机、图论等为基础，使用数学的公式、定理和系统来精确描述和分析复杂计算机系统的方法。目前的形式化验证方法可以用于验证硬件系统、软件系统和其他系统，而且形式化验证的技术目前也已经发展到不但可以验证系统的功能正确性（有没有错误），而且可以验证系统的性能指标（功耗、散热、延迟等）。形式化验证方法主要分为定理证明和模型检验两类。

模型检验（Model Checking）是目前较为常用的形式化验证方法，其基本思想是将系统抽象成一个有穷状态模型，用有限状态机表示系统的状态迁移结构，用模态/时序逻辑公式表示系统的性质，通过遍历系统的有限状态机的所有可能路径，从而检验系统是否具有所要验证的性质。首先，用户需要输入系统模型（可能的行为）的描述和需求规范（期望的行为）的描述，然后模型检验工具会进行自动化验证。如果验证结果为性质不满足，工具会提供一个反例说明在何种环境下会产生该错误。这个反例包括了一个场景，在该场景中模型的行为与期望的方式不符。因此反例提供了模型是错误并需要改进的证据。这使得用户可以找出错误，并且在继续检验之前修订模型的规范。如果没有发现错误，用户可以优化模型的描述，并重新验证。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于控制器局域网的信息物理系统的验证方法，使用规范统一的形式化建模语言和规约语言对系统进行建模，并结合系统的功能和性能方面进行验证和分析，解决系统的验证问题，克服验证在规模、动态性和资源约束等方面的挑战，从而提高系统验证的效率，有助于研究人员在设计和实现系统过程中增强系统的可靠性。

技术方案：本发明所述的基于控制器局域网的信息物理系统的验证方法为：首先通过建立基于控制器局域网的信息物理系统的验证模型，然后通过将待验证性质以时序逻辑公式的形式进行表示，接着采用经典模型检验技术对运行于理想环境下的基于控制器局域网的信息物理系统进行正确性验证，最后采用统计模型检验技术对运行于复杂环境中的基于控制器局域网的信息物理系统进行验证和评估来对系统进行形式化验证和分析。

基于控制器局域网的信息物理系统的验证方法流程如下：

步骤1）构建基于控制器局域网的信息物理系统的形式化验证模型：

步骤11）为基于控制器局域网的信息物理系统划分功能模块，将基于控制器局域网的信息物理系统具体划分为以下五个功能模块：物理世界、传感器、控制器局域网总线、控制器以及执行器；