摘要：模型驱动开发方法逐渐成为安全关键信息物理融合系统(safety-critical cyber-physical system,SC-CPS)设计与开发的重要手段.然而,安全关键信息物理融合系统需求往往是通过自然语言描述的,如何自动化或半自动化链接自然语言需求和基于模型驱动的系统设计与开发过程是目前面临的重要挑战.面向安全关键信息物理融合系统,提出基于限定中文自然语言需求的SysML模型自动生成方法RNL2SysML.首先,为了降低自然语言需求表达的二义性,提出一种结构化的限定自然语言需求模板进行需求规约,并通过基于人工智能的(AI)安全关键信息物理融合系统术语提取和推荐方法,对系统需求中的领域术语和数据字典加以自动提取,提高限定自然语言需求规约工作的自动化程度.然后,给出限定自然语言需求规约到SysML系统设计模型的转换方法.最后,基于开源工具Papyrus对所提方法进行了原型工具实现,并通过航空领域的飞机空气增压系统(airplane air compressor system)案例验证了方法的有效性和实用性.

摘要：随着系统复杂性的急剧增加,未来安全关键软件越来越多地采用异构构件组合架构,各种构件可能使用不同的计算模型或实现语言,使得整个软件系统呈现异构性.因此,设计此类系统需要使用复杂的建模方法.AADL(architecture analysis and design language)是一种安全关键系统体系结构多范式建模语言,丰富的可表达方式和可扩展性使其成为安全关键异构软件设计的重要选择.提出一种AADL和SDL(specification and description language)混合建模方法,支持以自底向上的方式对安全关键软件系统进行混合建模,并给出面向多核处理器平台的代码自动生成方法.首先,通过扩展AADL属性集,以支持使用SDL建模语言表达软件构件的功能行为.其次,以Ada作为目标语言,给出AADL-SDL混合模型的多任务代码生成方法.最后,实现了原型工具支持AADL和SDL混合建模及多任务Ada代码生成,并基于导航、制导与控制系统案例对所提方法的有效性进行分析.

摘要：架构分析与设计语言(AADL)是一种用于描述复杂嵌入式系统体系架构的建模语言,被广泛用于安全关键系统建模与验证。AADL通过行为附件以状态机的形式对组件的内部行为建模。工业界中的复杂系统常使用层次自动机描述组件的功能行为,而行为附件中没有表达层次自动机的机制。针对这一问题,提出了AADL行为附件的层次化扩展——HBA。首先给出了HBA的形式语法,然后定义了HBA的操作语义。提出了HBA的元模型,并在OSATE环境中实现其文本和图形化编辑器。为了便于形式化验证,给出了HBA到时间自动机(TA)的转换规则,并基于模型检测工具UPPAAL进行形式化验证。最后,给出一个案例研究来验证所提方法的有效性。

摘要：安全关键软件变得越来越复杂,这类软件的形式化验证是一个具有挑战性的问题.本文针对火箭发射控制子系统实例,提出一种组合验证方法,该方法采用组合验证与模型转换相结合的方法完成对该系统的验证与分析.首先,使用体系结构分析与设计语言AADL对火箭发射控制子系统进行层次化构造系统的体系结构模型,将系统各个层次的组件需求形式化为组件契约,然后通过组合验证确保系统体系结构的正确性;其次,提出了AADL2UPPAAL的模型转换方法,然后基于UPPAAL对该模型中组件的功能行为进行验证与分析,确保组件的功能行为的正确性;最后,实现了AADL模型验证原型工具,支持基于AGREE的体系结构模型的组合验证和支持基于UPPAAL的组件功能行为验证,通过对火箭发射控制子系统案例的验证和分析表明本文所提方法的有效性与局限性.

摘要：近年来,随着软件规模和复杂度的不断提升,软件系统在开发过程中产生了大量的需求文档、设计图、代码类、测试文档等中间产物,即软件制品,这些软件制品中蕴含着海量的数据信息.需求工程影响软件开发的整个生命周期,当软件需求不断变更时,软件制品呈现碎片分散化的形态,缺乏全局、统一的组织整理,软件制品间缺乏关联.因此,建立需求追踪关系可以显著提高软件开发与维护效率,这已经成为软件工程领域的研究热点.当前综述工作主要集中在需求追踪关系构建方法的描述,缺乏对软件生命周期过程中需求与不同软件制品间追踪关系建立的分析,导致了需求追踪关系类型的单一性.针对该问题,本文采用系统性文献综述的方法,以需求追踪研究为核心,选取近10年来的135篇研究文献,从软件生命周期与制品类型角度,分析需求与不同软件制品间追踪关系的构建方法、应用现状与发展趋势,并将需求追踪技术在真实软件开发项目中进行应用,提高智能化软件开发效率.首先,依据软件全生命周期的各个阶段,本文对软件制品按文本内容分为文档级软件制品、代码级软件制品以及产品级软件制品,重点分析需求与文档级软件制品、需求与代码、需求与非特定软件制品间追踪关系建立技术的研究进展及研究效果;其次,总结相关文献中的实验数据集、工具研发情况以及需求追踪技术的应用场景;接着,通过智能化软件开发项目中真实的案例分析,讨论了需求追踪技术在提高软件开发效率方面的有效性.最后,本文对未来值得关注的研究方向进行展望,包括追踪链接类型、追踪方法以及自动化工具,便于研究人员进一步研究.

摘要：同步语言具有确定性并行和精确时间语义等特性,因此被广泛用于设计和验证安全关键软件.随着安全关键领域应用多核处理器逐渐成为趋势,同步语言的多线程代码生成及其语义保持证明研究成为研究热点.目前,已有同步语言代码生成方法还较少考虑多线程代码生成的语义保持证明.因此,本文提出一种同步语言SIGNAL多线程代码生成的语义保持证明方法:首先形式化定义编译过程中源、目标、中间语言的结构化操作语义;其次形式化定义多线程代码生成过程;最后基于互模拟等价思想证明编译前后的语义一致性.

摘要：无人驾驶系统综合了软件和硬件复杂的交互过程,在系统设计阶段,形式化方法可以保证系统满足逻辑规约和安全需求;在系统运行阶段,深度强化学习被广泛应用于无人驾驶系统决策中.然而,在面对没有经验的场景和复杂决策任务时,基于黑盒的深度强化学习系统并不能保证系统的安全性和复杂任务奖励函数设置的可解释性.为此提出了一种形式化时空同步约束制导的安全强化学习方法.首先,提出了一种形式化时空同步约束规约语言,接近自然语言的安全需求规约使奖励函数的设置更具有解释性.其次,展示了时空同步自动机和状态动作空间迁移系统,保证强化学习的状态行为策略更加安全.然后,提出了结合形式化时空约束制导的安全强化学习方法.最后,通过无人驾驶汽车在高速场景变道超车的案例,验证所提方法的有效性.

摘要：为了满足不断复杂化的机载任务需求,分布式综合化航空电子系统(DIMA)中任务交互行为随之激增,使其任务调度系统的设计与分析难度进一步增加.针对这一问题,提出基于UPPAAL的DIMA组合可调度分析方法.首先,给出基于UPPAAL的DIMA建模方法,包括分区调度、任务、分区间通信、FC网络延迟、多核处理器资源共享等行为建模;其次,给出基于契约的组合可调度分析方法;最后,基于工业界DIMA系统案例验证所提方法的有效性.

摘要：随着综合模块化航空电子系统(Integrated Modular Avionics,IMA)对计算性能要求的日趋提高,既能提供更强计算能力又能减少电子设备的体积、重量和功耗的多核处理器将在航空电子系统领域得到广泛应用.目前航空电子系统的任务分配和调度主要基于手工方式,较少考虑多核环境下共享资源竞争带来的时间延迟,并且当系统更新时需要重新编排,十分耗时耗力.本文提出一种基于约束规划(Constraint Programming,CP)的航空电子系统任务自动化分配与调度方法.首先,给出了多核环境下任务最坏执行时间(WCET)的分析方法;其次,给出了基于CP的任务分配和调度方法;最后,设计与实现了原型工具CP4IMA,并基于ARINC653操作系统平台进行案例分析,验证了本文所提方法的有效性.

摘要：综合化航空电子系统(Integrated Modular Avionics, IMA)是一类典型的安全关键系统,具有分布式、异构、计算资源和物理资源强耦合等特征。随着IMA系统趋于复杂化和智能化,系统的功能越来越多地采用软件来实现,如何对这类复杂软件进行建模并自动生成代码成为一个重要挑战。文中提出了一种基于AADL(Architecture Analysis and Design Language)的综合化航空电子系统代码生成方法。首先,提出HMC4ARINC653(Heterogeneous Model Container for ARINC653)属性集扩展,使其具备描述IMA软件架构、异构功能行为和非功能属性的能力;其次,提出IMA模型到C代码及ARINC653系统配置文件的映射规则,并遵守MISRA C安全编码规范,生成的代码能够在ARINC653操作系统上部署并仿真执行;最后,设计并实现了相应的原型工具,以ARINC653操作系统和工业界实际案例,验证了所提方法和工具的有效性。