[发明专利]一种自适应软件UML建模及其形式化验证方法

摘要

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。

主权项

一种自适应软件UML建模及其形式化验证方法，其特征在于，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、扩展属性构造自适应属性集合A_A，同时添加约束条件集合S_CA，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_CA)，其中：a.C_A代表自适应类的有限集合C_A＝{Monitor，Analyzer，Planner，Executer，Knowledgebase，User，Environment，Soft‑self}，C_A基于UML的Class构造，用符号<<stereotype>>表示，Monitor表示监测类，Analyzer表示分析类，Planner表示规划类，Executer表示执行类，Knowledgebase表示知识库类，User表示用户类，Environment表示环境类，Soft‑self表示软件自身类；b.R_A代表自适应关系的有限集合，R_A＝{select，precede，trigger，monitor，invoke，adjust}，R_A基于UML的Relationship构造，表示自适应软件各功能单元之间的连接关系，select表示选择关系，precede表示优先关系，trigger表示触发关系，monitor表示监测关系，invoke表示调用关系，adjust表示调整关系；c.A_A代表自适应属性的集合，部分属性以标记值的形式附加在C_A的构造型中，即A_A＝A∪Tag，其中，A是Class的属性Attribute的集合，Tag是所添加标记值Tag的集合，其形式为[Tag]＝[Value]，Tag用于显示化刻画各功能单元的类型和属性；d.S_CA代表约束条件的集合，S_CA＝TimeCons∪EventCons，TimeCons为时间约束、EventCons为事件约束，采用对象约束语言OCL描述和定义约束条件；步骤2‑2，对UML的序列图进行扩展构造行为模型自适应序列图，具体是扩展UML的对象构造自适应对象、扩展片段构造自适应片段，引入状态的概念，同时添加约束条件集合，将自适应序列图形式化描述为一个五元组ASD:＝(O_A,ST_A,M_A,FG,Ss_A)，其中，O_A表示自适应对象的集合，ST_A表示对象生命线上状态的有限集合，M_A是有穷消息的集合，FG是组合片段的集合，Ss_A是自适应序列图约束条件集合；其中：a.O_A表示参与软件自适应过程的对象的有限集合，O_A＝{monitor,analyzer,planner,executer,knowledgebase,user,environment,soft‑self}，分别是自适应类C_A的实例化；b.ST_A表示对象生命线上状态的有限集合，ST*_A表示不包括空事件在内的所有不复状态的集合，即ST_A＝ε∪ST*_A，ε表示空事件，自适应序列图中的状态用对象生命线上的圆角矩形表示；c.M_A是有穷消息的集合，对每个消息m∈M_A，m！表示消息的发送事件,m？表示消息的接收事件；d.FG是组合片段的集合，自适应序列图在UML序列图基础上定义了sim,alt,loop三种片段，即FG＝{sim,alt,loop}，每个片段由片段名和执行条件组成即[Name]:[Condition]；sim为简单片段，执行条件为空；alt为分支选择片段，执行条件决定对象下一个状态的流向；loop为循环片段，条件为真时所包含对象转为激活状态；e.Ss_A代表约束的有限集合，Ss_A＝S_intra∪S_inter，S_intra表示状态内部、S_inter表示状态之间的约束集合；步骤3，建立自适应软件形式化模型，具体是在自适应软件行为模型和时间自动机模型之间‑建立映射关系，设计模型转换算法将自适应软件的行为模型自适应序列图转换为时间自动机网络TAN；步骤4，自适应软件形式化验证，具体是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。