一種信息物理融合系統(tǒng)時(shí)序邏輯魯棒性評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種時(shí)序邏輯魯棒性評(píng)估方法，綜合利用模型檢驗(yàn)解決信息物理融合 系統(tǒng)效率的提升問(wèn)題，屬于信息物理融合系統(tǒng)、算法設(shè)計(jì)、分布式系統(tǒng)交叉技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 信息物理融合系統(tǒng)是計(jì)算、通信和物理過(guò)程高度集成的系統(tǒng)，通過(guò)在物理設(shè)備中 嵌入感知、通信和計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的分布式感知、可靠數(shù)據(jù)傳輸、智能信息處理， 并通過(guò)反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)物理過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。信息物理融合系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程 相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)協(xié)作來(lái)增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效 和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或者控制一個(gè)物理實(shí)體。信息物理融合系統(tǒng)包含共存且相互作用的連續(xù) 物理系統(tǒng)和離散計(jì)算系統(tǒng)，其協(xié)作行為是指信息單元和物理對(duì)象之間的交互融合。信息物 理融合系統(tǒng)可以被認(rèn)為是計(jì)算單元和物理對(duì)象之間高度集成交互的新型智能復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng) 計(jì)算單元和物理對(duì)象進(jìn)行交互時(shí)，這些不同的單元之間通過(guò)彼此協(xié)作，使整個(gè)系統(tǒng)的性能 和效率得到提升。目前在信息物理融合系統(tǒng)建模方面，Lee等人在飛機(jī)車(chē)輛管理系統(tǒng)中利 用域特定本體論來(lái)提高模塊化，提出了功能性和實(shí)施的聯(lián)合建?？蚣?；Broy等人提出了一 種全面的集成建模框架規(guī)范，對(duì)信息物理融合系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；Feng和Zhang提 出了一種適合于信息物理融合系統(tǒng)、與AADL集成Modelica建模語(yǔ)言，該建模語(yǔ)言能夠幫助 驗(yàn)證信息物理融合系統(tǒng)性質(zhì)。目前具有很寬的應(yīng)用范圍包括汽車(chē)，航空航天，醫(yī)療，交通，基 礎(chǔ)設(shè)施，軍事等等。
[0003] 模型檢驗(yàn)是一種自動(dòng)的、基于模型的、性質(zhì)驗(yàn)證處理方法。這種方法適用于并發(fā) 的、反應(yīng)式系統(tǒng)。模型檢驗(yàn)其基本原理實(shí)現(xiàn)為系統(tǒng)建立形式化模型，闡述所要驗(yàn)證的性質(zhì)， 然后用算法去檢驗(yàn)該模型是否滿足所述性質(zhì)。模型檢驗(yàn)提供一個(gè)完整的系統(tǒng)屬性驗(yàn)證框 架，模型檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是模型檢驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到完全自動(dòng)化的程度，只需用有窮狀態(tài)模型和邏輯公 式分別將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和待驗(yàn)證的系統(tǒng)規(guī)范描述出來(lái)，之后的判斷過(guò)程則完全可以由模型檢驗(yàn) 工具自動(dòng)完成，不需要人的參與；模型檢驗(yàn)過(guò)程總會(huì)以"是"或"否"的結(jié)果中止，當(dāng)以"否" 的結(jié)果中止時(shí)，說(shuō)明設(shè)計(jì)或系統(tǒng)不滿足某個(gè)給定的性質(zhì)。此時(shí)一個(gè)違反性質(zhì)的行為反例將 會(huì)被給出，此反例將對(duì)理解錯(cuò)誤的真正原因和修正錯(cuò)誤提供線索。模型檢驗(yàn)已被應(yīng)用于計(jì) 算機(jī)硬件、通信協(xié)議、控制系統(tǒng)、安全認(rèn)證協(xié)議等方面的分析與驗(yàn)證中，取得了令人矚目的 成功，并從學(xué)術(shù)界輻射到了產(chǎn)業(yè)界。模型檢驗(yàn)基于時(shí)序邏輯。
[0004] 時(shí)序邏輯也叫時(shí)態(tài)邏輯，是計(jì)算機(jī)科學(xué)里一個(gè)很專(zhuān)業(yè)很重要的領(lǐng)域。時(shí)序邏輯被 用來(lái)描述為表現(xiàn)和推理關(guān)于時(shí)間限定的命題的規(guī)則和符號(hào)化的任何系統(tǒng)，主要用于形式驗(yàn) 證。時(shí)序邏輯借助于狀態(tài)寄存器記住它目前所處的狀態(tài)。在不同的狀態(tài)下，即使所有的輸 入都相同，其輸出也不一定相同。時(shí)序邏輯不僅與輸入信號(hào)有關(guān)還與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。時(shí)序 邏輯的基本思想是：在一個(gè)模型中，公式的真和假不是靜態(tài)的，取而代之的是，時(shí)序邏輯的 模型包含若干狀態(tài)，這些狀態(tài)優(yōu)勢(shì)成為計(jì)算路徑（軌跡），而一個(gè)公式就可以在某些狀態(tài)下 是真，在某些狀態(tài)下是假，公式可以隨系統(tǒng)的狀態(tài)演化而改變其真值。在模型檢驗(yàn)中，模型 Σ是迀移系統(tǒng)，性質(zhì)Φ是時(shí)態(tài)邏輯公式。為了驗(yàn)證一個(gè)系統(tǒng)滿足一個(gè)性質(zhì)，我們需要用模 型檢測(cè)器的描述語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，得到一個(gè)模型Σ ;按照模型檢測(cè)器的規(guī)范語(yǔ)言對(duì)其 性質(zhì)進(jìn)行編碼，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)態(tài)邏輯公式Φ ;然后以Σ和φ作為輸入進(jìn)行其它操作。模型 檢驗(yàn)器會(huì)根據(jù)系統(tǒng)判斷是否滿足公式來(lái)輸出"是"或者"否"，在后一種情況下還會(huì)輸出導(dǎo)致 失敗的系統(tǒng)行為軌跡。
[0005] LTL(Lineatemporal logical)是線性時(shí)序邏輯，用來(lái)推理信號(hào)的定性的屬性，它 帶有允許我們指示未來(lái)的連接詞，它將時(shí)間建模為狀態(tài)的序列，這個(gè)狀態(tài)序列稱為計(jì)算路 徑。MTL (Metric temporal logic)度量時(shí)序邏輯是用來(lái)推理信號(hào)的定量時(shí)間屬性，如：兩 個(gè)事件之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間。度量時(shí)序邏輯實(shí)際上是線性時(shí)序邏輯在運(yùn)算符上加上時(shí)間約束。 本專(zhuān)利中我們采用度量時(shí)序邏輯來(lái)捕獲系統(tǒng)的行為特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種信息物理融合系統(tǒng)時(shí)序邏輯魯棒性的評(píng)估方 法，旨在解決上述問(wèn)題，為減少系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和提高系統(tǒng)的工作效率是面向信息物理融 合系統(tǒng)的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)的重要部分，在信息物理融合系統(tǒng)中，如何抵抗噪聲干擾、容忍錯(cuò)誤 信號(hào)并捕獲穩(wěn)定的信號(hào)以及如何通過(guò)有限時(shí)間狀態(tài)序列和采樣點(diǎn)來(lái)評(píng)估時(shí)序邏輯魯棒性、 找出系統(tǒng)的魯棒性值來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是信息物理融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)和完善的重要問(wèn)題。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明提供一種信息物理融合系統(tǒng)時(shí)序邏輯魯棒性的評(píng)估方法為：首 先，采用一種時(shí)序邏輯捕獲和抽象信息物理融合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性（包括系統(tǒng)正確的或者預(yù) 期行為），將信息物理融合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成用戶定義的系統(tǒng)模型，采用時(shí)序邏輯公式來(lái)表示系 統(tǒng)的有限軌跡；第二，利用模型檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，保證了上述模型的正確 性，并將系統(tǒng)不滿足公式的反例即偽造軌跡反饋給用戶；最后，根據(jù)系統(tǒng)的軌跡和時(shí)序邏 輯規(guī)范采用優(yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行魯棒性評(píng)估，按照一定的方法流程，設(shè)定時(shí)間域區(qū)間，獲得在 不同狀態(tài)序列在不同采樣點(diǎn)的魯棒性值，將最終求出的代表整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性值反饋給用 戶。
[0008] 所述基于信息物理融合系統(tǒng)的時(shí)序邏輯魯棒性，首先系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，在沒(méi)有 干擾的理想狀態(tài)下，信號(hào)在不同采樣點(diǎn)下的值都是滿足系統(tǒng)要求的，且信號(hào)是健壯的，沒(méi)有 波動(dòng)或在系統(tǒng)值之上波動(dòng)較小，即在不同采樣點(diǎn)魯棒性值可以是大于等于系統(tǒng)值的恒定的 常量，也可以是在系統(tǒng)值之上進(jìn)行波動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；在有噪聲干擾的非理 想狀態(tài)下，信息物理融合系統(tǒng)在一定的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行處理，若篩選出最健壯的信號(hào)，能夠 抵抗干擾，則系統(tǒng)將繼續(xù)處于正常工作狀態(tài)；若沒(méi)有篩選出健壯的信號(hào)來(lái)抵抗干擾，則經(jīng)過(guò) 一定的時(shí)間系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回到初始狀態(tài)。
[0009] 基于信息物理融合系統(tǒng)時(shí)序邏輯魯棒性評(píng)估方法包括以下步驟：
[0010] 步驟1)建立信息物理融合系統(tǒng)的系統(tǒng)模型
[0011] 采用度量時(shí)序邏輯來(lái)描述用戶指定的信息物理融合系統(tǒng)正確的或者預(yù)期的行為， 將信息物理融合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為滿足度量時(shí)序邏輯規(guī)范的系統(tǒng)模型Σ，用度量時(shí)序邏輯公式P 來(lái)表示系統(tǒng)事件的有限時(shí)間狀態(tài)序列，所述度量時(shí)序邏輯可以用于描述實(shí)時(shí)系統(tǒng)，設(shè)定有 限的原子命題集合AP，定義度量時(shí)序邏輯的公式p的形式為：# 7? PlP Λ H11柯P，其中 P是原子命題，P e AP，T是True 為時(shí)序邏輯操作符，在U :中的下標(biāo)I是在時(shí)序邏輯操 作符上的時(shí)間域區(qū)間，該區(qū)間是開(kāi)區(qū)間、閉區(qū)間或者半開(kāi)半閉區(qū)間，它的左右端點(diǎn)是正有理 數(shù)或者是;所述度量時(shí)序邏輯公式所支持的標(biāo)準(zhǔn)化命題的常量和操作為：True、False、 爐!八約、奶v約、奶4爐2、G·^?、尸爐、奶C/屬，其中True表示邏輯"真"；False表示邏輯 "假"；奶表示公式仍和公式約邏輯與操作；約V約表示公式約和公式％邏輯或操作； 奶-％表示公式約蘊(yùn)含公式％的操作；表示在所有將來(lái)時(shí)間，公式供都為真；F供示 在將來(lái)某個(gè)時(shí)間，公式供為真；表示該操作在時(shí)間點(diǎn)k成立當(dāng)且僅當(dāng)存在某個(gè)時(shí)間點(diǎn) k' e (k，k+I]，使得％在時(shí)間點(diǎn)k'成立，并且0在整個(gè)區(qū)間[k，k'）均成立；
[0012] 用集合O(P)表示原子命題P的集合，其中0 (P)d X為實(shí)數(shù)集；設(shè)置I = [a，b]、集合0(p)的取值范圍、采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)m，其中a和b為用戶指定的時(shí)間，a < b ;
[0013] 步驟2)驗(yàn)證模型
[0014] 步驟21)利用模型檢驗(yàn)來(lái)對(duì)步驟1)中所提出的模型進(jìn)行驗(yàn)證，用戶根據(jù)信息物理 融合系統(tǒng)的特性設(shè)定要驗(yàn)證的性質(zhì)，利用模型檢驗(yàn)工具去驗(yàn)證該模型是否滿足用戶所設(shè)定 的性質(zhì)；
[0015] 步驟22)若模型滿足用戶所設(shè)定的性質(zhì)，則模型檢驗(yàn)結(jié)果為"是"并返回給用戶， 轉(zhuǎn)到步驟3);
[0016] 步驟23)若模型不滿足用戶所設(shè)定的性質(zhì)，則模型檢驗(yàn)結(jié)果為"否"并返回給用 戶，給出違反性質(zhì)的行為反例，此時(shí)，轉(zhuǎn)到步驟1)通過(guò)調(diào)整時(shí)間范圍、集合O(P)的取值范 圍或時(shí)序邏輯操作符，再轉(zhuǎn)到步驟2)進(jìn)行模型驗(yàn)證，直到模型檢驗(yàn)結(jié)果返回"是"為止；
[0017] 所述模型檢驗(yàn)是對(duì)有窮狀態(tài)系統(tǒng)的一種形式化確認(rèn)方法，主要通過(guò)顯式狀態(tài)搜索 或隱式不動(dòng)點(diǎn)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證有窮狀態(tài)并發(fā)系統(tǒng)的模態(tài)/命題性質(zhì)，該方法基本思想是用狀態(tài) 迀移系統(tǒng)S表示系統(tǒng)的行為，用模態(tài)/時(shí)序邏輯公式F描述系統(tǒng)的性質(zhì)，這樣"系統(tǒng)是否滿 足所期望的性質(zhì)"就轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題"狀態(tài)迀移系統(tǒng)S是否公式F的一個(gè)模型"，用公式表 示為.Si廠？。
[0018] 步驟3)分配子公式
[0019] 對(duì)上述步驟1)中建立的度量時(shí)序邏輯公式P從左到右進(jìn)行描述，分解產(chǎn)生子公式 i是子公式的編號(hào)，I < i <η，η是分配出的子公式個(gè)數(shù)，所述子公式L是度量時(shí)序 邏輯公式，只包含其他子公式和步驟1)中的度量時(shí)序邏輯公式所支持的標(biāo)準(zhǔn)化命題的常 量和操作，公式P不斷進(jìn)行分配，直到分解到最簡(jiǎn)單的子公式為止，最簡(jiǎn)單的子公式是指只 包含一個(gè)原子命題P的度量時(shí)序邏輯公式；
[0020] 步驟4)評(píng)估魯棒性值
[0021] 用戶設(shè)定評(píng)估魯棒性值的限定時(shí)間Τ，在該限定時(shí)間內(nèi)利用步驟2)中的子公式 ^和系統(tǒng)的時(shí)序邏輯規(guī)范來(lái)評(píng)估各個(gè)子公式Φ i的魯棒性值；所述魯棒性值是指度量時(shí)序 邏輯公式口解析樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)的子公式Φ i在軌