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轨旁系统的形式化建模精化与验证

轨旁系统的形式化建模精化与验证

作者：钱洁华东师范大学

学位级别：硕士

基于无线通信的列车自动控制系统（Communication based train control, CBTC）是新一代轨道信号系统。CBTC发车间隔短、轨道负荷大、运行平稳,大幅提高了城市公共交通的运载能力。为了应对日益严峻的城市交通问题,中国正加紧建设CBTC... 详细信息

基于无线通信的列车自动控制系统（Communication based train control, CBTC）是新一代轨道信号系统。CBTC发车间隔短、轨道负荷大、运行平稳,大幅提高了城市公共交通的运载能力。为了应对日益严峻的城市交通问题,中国正加紧建设CBTC轨道信号系统。其中,轨旁系统是CBTC系统中安全需求最高的子系统之一。在实际情况中,一旦轨旁系统出现问题,会导致列车脱轨、碰撞等极为恶劣的后果。因此,在轨旁系统的开发过程中,保障系统安全性是极为重要的一环。然而,由于轨旁系统中的物理环境和系统行为比起传统轨道系统更为复杂,在验证系统安全的过程中极易产生状态爆炸问题。这使得轨旁系统的建模与验证工作困难重重。传统的开发方法没有引入降低模型复杂度的方法,显然不能满足大型系统的建模与验证需求。因此,在对轨旁系统进行建模与验证研究之前,我们必须考虑：如何降低模型的复杂度;如何对模型中的状态迁移进行划分;如何对系统的状态空间进行约减等一系列问题。同时,我们必须保证划分、约减后的模型与原模型之间的一致性。除此之外,我们必须定义并证明模型划分方法中的一些定理,使得划分后的模型能够在形式化方法的演绎系统中进行推理证明。在轨道信号系统建模领域中,Event-B方法和安全关键软件开发环境（Safety critical application development environment, SCADE）是主流的形式化方法,具有广阔的工业应用前景。由于大型系统中往往涵盖着复杂的状态迁移,所以对大型系统建模不能够一蹴而就。基于Event-B方法,我们能够在系统级直观地描述一个大型系统的所有行为,并且保证这些行为满足安全需求。通过Event-B方法的精化方法（refinement）我们能够逐步地引入系统的状态变量并强化模型中的事件约束,使模型逐步逼近实际的系统行为。同时,通过Event-B证明义务我们能够保证在不同精化层下,模型之间的状态变量保持一致。在安全关键软件的软件级开发过程中,基于SCADE方法,我们可以实现从模型设计、仿真、证明到自动代码生成的完整软件开发生命周期。基于该方法开发的软件具有较高的系统安全性,同时具备较好的可维护性。本文在Event-B精化方法的基础上,提出了模型的划分精化范式。该方法能够有效地降低模型的复杂度,使得状态空间约减后的模型能够被自动证明。首先,我们提出该方法的语法定义,图形描述以及推理演算规则。然后,对划分精化的证明义务进行了推理和证明,从而保证数学模型在约减前后状态的一致性。基于该范式,我们还提出了对大型系统的精化、划分、分解的迭代开发范型。为了实现该开发范型的自动化迭代,我们基于Event-B的建模平台Rodin开发了模型划分精化的插件。基于SCADE方法,我们提出了SCADE模型的切片准则,从而分割模型的状态变量空间。首先,我们给出切片准则的LUSTRE语法定义、基于时钟的数据流（data flow）的表达式以及相应的数学方程。通过对模型的状态空间进行切分,我们能够有效地解决SCADE模型在安全性质验证过程中的空间爆炸问题。最后,我们提出了基于CBTC的轨旁系统的形式化建模精化与验证方法。通过划分精化范式及插件实现,我们能够将轨旁系统的Event-B模型分解为低耦合的子模型,并在Rodin平台中完成轨旁系统安全性质的证明。在轨旁系统的软件开发过程中,我们基于SCAD E方法实现了模型驱动开发。通过SCADE运算符,我们形式化地描述了轨旁系统的物理环境和移动授权运算模块中的主要行为。为了防止状态空间爆炸问题,我们应用本文提出的切片准则对模型中的状态空间进行分解。最后,在Design Verifier工具中我们证明了约减后的SCADE模型的安全性质。

关键词：形式化方法 CBTC 轨旁系统 Event-B SCADE 建模与验证精化切片准则 Rodin平台

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基于UML图和程序切片的回归测试研究

基于UML图和程序切片的回归测试研究

作者：宋建生江南大学

学位级别：硕士

随着OMG组织接纳UML作为基于面向对象技术的标准建模语言,许多软件系统在进行分析和设计时都将其作为需求描述语言。同时,UML的各种模型图也成为了软件测试的基础。UML类图描述面向对象系统中类及其相互间的各种关系;UML状态图描述系统... 详细信息

随着OMG组织接纳UML作为基于面向对象技术的标准建模语言,许多软件系统在进行分析和设计时都将其作为需求描述语言。同时,UML的各种模型图也成为了软件测试的基础。UML类图描述面向对象系统中类及其相互间的各种关系;UML状态图描述系统中的对象在其生命周期中的行为和状态变迁;UML时序图用来描述对象之间的动态交互,着重体现对象间消息传递的时间顺序;UML活动图显示动作流程及其结果,可以用来描述操作的行为和对象内部的工作过程。程序切片是通过对源程序中每个兴趣点计算切片来分析和理解程序的。本文对程序切片进行扩展,将UML图作为切片的对象。如,UML类图的切片准则为＜D,C＞,其中D为UML图的某一子图,C为对应的类。回归测试是对软件修改后引入新的错误进行测试。通过对UML图的切片,很容易得到与修改的UML图有依赖关系的UML图,从而找到回归测试的测试集和测试序列。本文主要将UML图和切片技术相结合,应用于回归测试中。首先提出将UML状态图的状态信息加入UML时序图,形成时序状态图,有效的解决了测试场景生成中的条件和循环问题。然后对时序状态图和改进的UML活动图形式化定义,并根据测试覆盖标准和场景生成算法,生成测试场景。通过网上购物系统和自动饮料销售机实例说明时序状态图和活动图可以提高测试效率。接着,文章提出将UML类图和UML状态图不同粒度的切片,并应用于回归测试,其中类间测试提出一种基于UML类图的粗粒度切片工具;类内测试提出一种基于UML状态图细粒度切片的方法,最后通过销售订单系统说明上述方法可以有效地提高回归测试的效率。

关键词：软件测试 UML类图 UML状态图 UML时序图 UML活动图程序切片切片准则回归测试

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特定领域环境下软件切片技术的研究

特定领域环境下软件切片技术的研究

作者：苏永辉兰州理工大学

学位级别：硕士

随着软件系统的规模越来越大,结构越来越复杂,为了更好的理解程序,为了更合理的开发软件,软件切片技术逐渐成为软件工程学中的一个研究热点。切片技术虽然得到了迅速发展,但是各种切片技术大多数只是对源程序中的某个变量计算程... 详细信息

随着软件系统的规模越来越大,结构越来越复杂,为了更好的理解程序,为了更合理的开发软件,软件切片技术逐渐成为软件工程学中的一个研究热点。切片技术虽然得到了迅速发展,但是各种切片技术大多数只是对源程序中的某个变量计算程序切片,这些切片方法虽然提高了理解系统中某个具体细节的效率,但是在理解整个系统架构方面则略显不足。针对这个问题,通过对目前主流的各种切片技术进行深入研究之后,在分析软件系统体系结构的基础上,本文提出了一种选择切片准则的方法,并且把这种方法的定义,推导过程等进行了详细地阐述。使用这种方法计算的程序切片可以帮助程序理解人员更加方便、快捷、高效的理解系统架构,从而缩短软件系统理解的周期,降低了理解系统架构的复杂度,也在一定程度上促进了软件维护、软件逆向工程和再工程的进一步发展。各位专家学家对软件切片技术的研究大多数只是针对某个虚构问题,把软件切片技术和实际问题相结合的研究和应用少之又少。本文把某市民政信息管理系统的需求和设计作为研究背景,但由于其规模庞大,结构复杂,不能一一详述,所以只选取了其中具有代表性的系统信息管理子系统和老龄人口子系统作为特定领域。首先用z语言对其需求进行了精确描述,其次设计系统的架构,编写程序的源代码,然后使用切片技术提取系统的架构,最后把两种系统架构进行对比分析,实验结果证明了本文提出的方法切实有效。

关键词：程序理解软件切片技术切片准则形式化方法 Z语言特定领域

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一种简化依赖关系的动态程序切片算法

郑州大学学报（工学版） 2009年第2期30卷 84-87页

作者：贾利敏张忠林兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070

动态程序切片是由影响程序中某个兴趣点处变量值的所有语句和控制谓词组成的一个程序子集.笔者提出了一种简化依赖关系的动态程序切片算法,主要目的是解决H.Agrawal的动态切片算法计算切片不太精确的问题,该算法通过程序执行轨迹,确定... 详细信息

动态程序切片是由影响程序中某个兴趣点处变量值的所有语句和控制谓词组成的一个程序子集.笔者提出了一种简化依赖关系的动态程序切片算法,主要目的是解决H.Agrawal的动态切片算法计算切片不太精确的问题,该算法通过程序执行轨迹,确定数据依赖结点、控制依赖结点和结点可到达语句来计算变量切片.实例证明,该算法提高了动态切片的精确度,减少了计算动态程序切片的复杂度.

关键词：动态程序切片切片准则动态程序切片算法依赖关系程序依赖图

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动态程序切片研究及其应用

东北农业大学学报 2005年第3期36卷 397-400页

作者：李英梅伦立军丁雪梅哈尔滨师范大学计算机科学系黑龙江哈尔滨150080

动态程序切片根据程序的输入,从源程序删除零条或多条语句,得到对最终结果有潜在影响的源程序子集,可用于程序调试、程序理解、软件测试和软件维护等方面。文章讨论了动态切片基本概念,提出了一种基于动态流的动态切片方法,并讨论了其... 详细信息

动态程序切片根据程序的输入,从源程序删除零条或多条语句,得到对最终结果有潜在影响的源程序子集,可用于程序调试、程序理解、软件测试和软件维护等方面。文章讨论了动态切片基本概念,提出了一种基于动态流的动态切片方法,并讨论了其在软件测试和程序调试中的应用。

关键词：程序切片动态切片切片准则

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程序切片技术及其应用的研究

软件导刊 2010年第11期9卷 44-46页

作者：蔡素梅华南师范大学增城学院计算机系广东广州511363

程序切片技术是一种在程序调试、测试、代码理解和软件维护等领域用来分析和理解程序的技术,它具有简化问题、缩小目标范围的特性。首先从程序切片的基本概念演化、切片的分类以及基本应用等方面比较系统地研究了现在已经存在的一些程... 详细信息

程序切片技术是一种在程序调试、测试、代码理解和软件维护等领域用来分析和理解程序的技术,它具有简化问题、缩小目标范围的特性。首先从程序切片的基本概念演化、切片的分类以及基本应用等方面比较系统地研究了现在已经存在的一些程序切片技术成果,最后总结了程序切片技术存在的一些问题并对其作出展望。

关键词：程序切片静态程序切片动态程序切片切片准则

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程序切片技术在并发程序模型检查中的应用

计算机技术与发展 2008年第11期18卷 163-167,171页

作者：高鹏飞沈云付上海大学计算机工程与科学学院上海200072

模型检查技术在硬件和协议设计方面已经取得很大成功,但在软件验证方面仍存在很多困难。其主要问题是如何从源代码中自动抽取验证所要模型并精简其状态空间。文中通过对程序切片技术的研究,来解决并发程序验证的建模问题,包括把验证公... 详细信息

模型检查技术在硬件和协议设计方面已经取得很大成功,但在软件验证方面仍存在很多困难。其主要问题是如何从源代码中自动抽取验证所要模型并精简其状态空间。文中通过对程序切片技术的研究,来解决并发程序验证的建模问题,包括把验证公式映射到切片准则,并把得到的程序切片转化为验证所需的模型。经程序切片处理后,软件模型检查效率得到提高。

关键词：并发程序模型检查程序切片状态空间切片准则

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PDG算法在动态切片技术中的应用研究

兰州交通大学学报 2008年第1期27卷 141-143,152页

作者：贾利敏张忠林兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070

动态程序切片是由影响程序中某个兴趣点处变量值的所有语句和控制谓词组成的一个程序子集,在程序理解、测试、调试、集成和软件维护等方面具有广泛的应用.介绍了动态切片的基本概念,并将程序依赖图算法应用于动态切片,从而达到缩小程序... 详细信息

动态程序切片是由影响程序中某个兴趣点处变量值的所有语句和控制谓词组成的一个程序子集,在程序理解、测试、调试、集成和软件维护等方面具有广泛的应用.介绍了动态切片的基本概念,并将程序依赖图算法应用于动态切片,从而达到缩小程序分析范围的目的,讨论了动态切片在程序调试和软件测试中的应用.

关键词：静态切片动态切片切片准则程序依赖图算法