[发明专利]一种自适应软件UML建模及其形式化验证方法

说明书

本发明公开了一种自适应软件UML建模及其形式化验证方法，主要用于处理自适应软件的建模与验证问题，具体步骤包括：(1)建立自适应软件概念模型；(2)通过扩展UML引入新的构造型、标记值和约束条件，建立自适应软件的可视化模型，包括自适应软件的结构模型自适应类图和行为模型自适应序列图；(3)设计模型转换算法将自适应软件的行为模型转换为时间自动机网络，建立自适应软件的形式化模型；(4)给出描述自适应软件性质的TCTL时序逻辑规范，并利用模型检测工具UPPAAL验证自适应软件模型的可靠性，并根据反馈结果进一步优化自适应软件的UML模型。本发明可有效降低软件自适应建模和验证的复杂度，提高软件自适应的建模效率和模型可靠性。

技术领域

本发明属于软件新方法和软件建模与验证技术领域，特别是自适应软件UML建模及其形式化验证方法。

背景技术

自适应软件/软件自适应技术是一种新的软件设计范型，该类软件能够有效降低软件维护压力、增强自身容错和应对变化的能力，其赋予软件一种应对环境和用户需求变化的自适应能力，使软件能够在运行过程中，实时收集软件上下文信息，并根据预先设定好的策略，在必要时对自身进行参数、结构或行为的调整，以能及时消除或减轻变化所带来的不利影响，确保软件持续而不间断地提供服务。由于自适应软件应用场景动态多变、软件规模复杂庞大、应用领域安全可靠性要求高，其需求分析、设计等阶段均面临着新的困难和挑战。因此，研究在设计阶段对自适应软件建模与验证的方法具有重要的理论意义和应用价值，可有效降低自适应软件建模和验证的复杂度，提高自适应软件的建模效率和模型可靠性。

针对自适应软件建模及其形式化验证的研究主要围绕两个问题：自适应软件可视化建模方法和自适应软件形式化验证方法。现有软件需求分析与建模方法(如UML)缺少自适应软件领域设施，不能直接用于自适应软件的建模，且其缺少模型的形式化分析与验证机制，直接对其进行形式化验证非常困难；现有形式化的方法(如时间自动机模型)过于抽象，难以理解和掌握，很难直接应用到工业实践中。因此，目前大部分研究工作中，自适应软件的可视化建模与形式化建模之间存在“鸿沟”，导致可视化的方法形象直观、但缺乏严格的分析机制，难以让人信服；形式化的方法定义严格、但可读性差，难以被软件工程师理解和掌握。尽管少数学者(如密歇根州立大学的Andres J.Ramirez和Betty H.C.Cheng)已经尝试将可视化的建模方法和形式化建模方法相结合用于自适应软件的建模和形式化验证，但该方面研究尚未成熟，缺乏对模型转换算法、自适应特性等因素的考虑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应软件UML建模及其形式化验证方法，主要用于需求设计阶段自适应软件的可视化建模、形式化建模及形式化验证，能够有效降低自适应软件建模和形式化验证的复杂度，提高自适应软件的建模效率和模型的可靠性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种自适应软件UML建模及其形式化验证方法，将可视化的UML与严格化的时间自动机相结合用于自适应软件的建模和形式化验证，具体步骤如下：

步骤1，建立自适应软件概念模型，具体是改进现有自治计算MAPE-K模型，添加刻画环境变化的Environment要素和刻画用户需求变化的User要素，建立自适应软件概念模型；

步骤2，建立自适应软件可视化模型，具体是通过扩展UML引入新的构造型、标记值和约束条件，建立自适应软件的结构模型和行为模型，包括如下子步骤：

步骤2-1，对UML的类图进行扩展构造结构模型自适应类图，具体是扩展类构造自适应类的集合C_A、扩展关系构造自适应关系集合R_A、扩展属构造自适应属性集合A_A，同时添加约束条件集合S_A，将自适应类图形式化描述为一个四元组ACD:＝(C_A，R_A，A_A，S_A)，其中：