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文檔簡介

1、基于UML的列控系統(tǒng)建模策略及驗(yàn)證工具集成2基于UML機(jī)制的列控系統(tǒng)需求規(guī)范建模方法介紹規(guī)范是系統(tǒng)開發(fā)的起點(diǎn)和基礎(chǔ),系統(tǒng)規(guī)范的缺陷將給項(xiàng)目成功帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。對于列控系統(tǒng)這樣安全荀求系統(tǒng)而言,系統(tǒng)需求規(guī)范中的任何缺陷都有可能由潛在的風(fēng)險(xiǎn)演變成系統(tǒng)失效從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此,以列控系統(tǒng)需求規(guī)范為研究對象,本章將對其所體現(xiàn)的混成特性建模需求進(jìn)行分析,研究UML擴(kuò)展機(jī)制,充分挖掘UML的圖形功能,設(shè)計(jì)面向列控系統(tǒng)需求規(guī)范的混成UML概要文件,使之能夠包含更多的內(nèi)容與信息去準(zhǔn)確地刻畫列控系統(tǒng)的混成特性,最后介紹建模所選擇的工具。2.1列控系統(tǒng)需求規(guī)范建模的需求分析針對列控領(lǐng)域的建模需求擴(kuò)展UML

2、,首先要為其提供刻畫連續(xù)動(dòng)態(tài)行為的能力,擴(kuò)展后的UML類似于一種特定領(lǐng)域語言(Domain-Specific Language)。這種做法在其他領(lǐng)域有成功的先例,例如,對于實(shí)時(shí)和嵌入式系統(tǒng),OMG發(fā)布了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 UML 擴(kuò)展規(guī)范 MARTE41(UML Profile for Modeling and Analysis of Real-Timeand Embedded Systems)。其次,這種擴(kuò)展應(yīng)具有層次化和可組合的特性,基于混成自動(dòng)機(jī)的底層語義,使得在其上進(jìn)行形式推理和驗(yàn)證成為可能。針對列控系統(tǒng)混成特性的建模需通過帶有連續(xù)變量的微分表達(dá)式刻畫系統(tǒng)中連續(xù)的物理過程以及保持這些過程的微分

3、動(dòng)態(tài)約束條件;以及以不變集或信號事件等為條件的狀態(tài)遷移刻畫離散變化過程。面向列控領(lǐng)域UML建模的難點(diǎn)在于創(chuàng)建能夠刻畫列控領(lǐng)域混成特性的UML概要文件。具體對刻畫列控領(lǐng)域混成特性的所有元素(已存在的元類元素和擴(kuò)展元素)進(jìn)行分析,可根據(jù)元素間的擴(kuò)展與被擴(kuò)展關(guān)系、擴(kuò)展元素之間的應(yīng)用關(guān)系,按功能分為六個(gè)包(見圖2-1):基礎(chǔ)包(Basicspackage),數(shù)據(jù)類型包(Types package),數(shù)據(jù)包(Data package),表達(dá)式包(Expressionspackage),通信包(Communications package),擴(kuò)展類和擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)機(jī)包(Modes andAgents packa

4、ge)。2.2 UML擴(kuò)展機(jī)制UML概要文件主要由原型組成,一個(gè)原型定義了與其關(guān)聯(lián)的UML類(即元對象類)、這個(gè)類的屬性及這個(gè)原型元素與其它元素如何進(jìn)行關(guān)聯(lián)的約束條件。在概要文件中對原型進(jìn)行描述,主要依照三種擴(kuò)展機(jī)制:(1)標(biāo)稱值(TaggedValue)標(biāo)記值是對一個(gè)特性的顯式定義,是一種用于指定模型元素性質(zhì)的機(jī)制。它由一個(gè)標(biāo)記字符串和一個(gè)值字符串組成,可以連接到任何元素上,可以給一個(gè)元素增加一些新的語義。標(biāo)記值已成為一種用來提高模型質(zhì)量以提供附加信息的有效方法。(2)約束(Constrains)約束是指作用于一個(gè)或多個(gè)元素之上的語義條件或限制,即使用一個(gè)表達(dá)式把約束應(yīng)用于元素上。它是用大括

5、弧內(nèi)的字符串表達(dá)式來表示的,可以附加在依賴、注釋等元素上以表示約束和關(guān)系,因此可以用來對模型元素進(jìn)行語義上的限制。在定義一個(gè)約束時(shí),應(yīng)該給出該用戶自定義約束將應(yīng)用于哪一種元素以及對相關(guān)元素的語義影響力。在UML2.0中,對象約束語言(Object Constraint Language.簡稱OCL)提供了一種標(biāo)準(zhǔn)方法來明確表達(dá)UML2.0模型上的約束。(3)構(gòu)造型(Stereotype)構(gòu)造型是最復(fù)雜的擴(kuò)展機(jī)制,這種機(jī)制是基于一個(gè)己存在的模型元素定義一種新的模型元素,通過構(gòu)造型來標(biāo)識那些可以被重用而不需要由轉(zhuǎn)換生成的元素。一方面,新的模型元素只是已有模型元素的子類,通過泛化關(guān)系繼承了其元對象類

6、的形式和特征;另一方面,由于添加了額外的語義,新的模型元素實(shí)現(xiàn)了對其基類的擴(kuò)展。構(gòu)造型是原型的直觀表現(xiàn)形式,通常有兩種:普通構(gòu)造型(簡稱構(gòu)造型)和枚舉構(gòu)造型(簡稱枚舉)。對于表現(xiàn)形式為構(gòu)造型的原型,至少應(yīng)該具有1個(gè)(可有多個(gè))與它關(guān)聯(lián)的元對象類。本文主要通過向構(gòu)造型加入屬性的方式來對元類元素進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的擴(kuò)展,或通過加注釋的形式進(jìn)行靜態(tài)語義的擴(kuò)展,這種概要文件擴(kuò)展機(jī)制,使得擴(kuò)展的定義更容易被理解,擴(kuò)展元素之間的相互關(guān)系、以及擴(kuò)展元素與UML模型之間的應(yīng)用關(guān)系都更加清晰、準(zhǔn)確而完整。2基于UML擴(kuò)展機(jī)制的列控系統(tǒng).92.1列控系統(tǒng)需求規(guī)范建模的.92.2UML擴(kuò)展機(jī)制.102.3面向列控系統(tǒng)需求規(guī)

7、范的.112.4RSA建模工具.183列控系統(tǒng)需求規(guī)范模型的.213.1列控系統(tǒng)需求規(guī)范分析.213.2列控系統(tǒng)需求模型驗(yàn)證分析.223.3列控系統(tǒng)需求規(guī)范驗(yàn)證支持.233.4列控系統(tǒng)需求規(guī)范驗(yàn)證支持工具.253.5列控系統(tǒng)需求規(guī)范驗(yàn)證支持工具.375結(jié)論我國軌道交通正處于高速發(fā)展時(shí)期,干線列車提速、客運(yùn)專線、高速鐵路建設(shè)需要安裝使用列車運(yùn)行控制系統(tǒng)來確保列車運(yùn)行安全。對于列控系統(tǒng)而言,離散的計(jì)算過程和連續(xù)的物理過程在開放環(huán)境下持續(xù)交互并深度融合,為其建模和驗(yàn)證工作增添了不少難度。以列控系統(tǒng)需求規(guī)范為研宄對象,一方面,需要提出一種合理的框架結(jié)構(gòu)以對其混成特性進(jìn)行建模。統(tǒng)一建模語言(UML)作為

8、一種廣泛使用的面向?qū)ο蟮目梢暬y(tǒng)一建模語言,己被應(yīng)用到不同的領(lǐng)域,但混成特性的描述己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這種建模語言本身的能力范圍。另一方面,對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證的需求來看,形式化方法為規(guī)范驗(yàn)證提供了一條重要的解決途徑,供研宄人員使的形式化驗(yàn)證工具種類繁多,可集成幾種常用的形式化驗(yàn)證工具,支持列控系統(tǒng)規(guī)范的驗(yàn)證分析工作。因此,本文針對列控系統(tǒng)需求規(guī)范,著眼于運(yùn)用UML自身所提供的擴(kuò)展機(jī)制研宄一種有效的建模方法;并在Eclipse平臺上完成了一個(gè)驗(yàn)證支持工具的軟件原型開發(fā)。重點(diǎn)包括了如下的幾個(gè)方面:(1)準(zhǔn)備工作階段,闡述了工作的選題目的和立體意義,概述了CTCS-3級列控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),了解國內(nèi)外形式化建模驗(yàn)證方法的研究現(xiàn)狀,并借鑒國內(nèi)外已有的形式化驗(yàn)證工具集成平臺的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。(2)建模階段,從列控系統(tǒng)需求規(guī)范建模的需求著手進(jìn)行分析,針對列

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