[发明专利]基于SysML-Modelica的混成系统建模及其转换为混成接口自动机的方法

说明书

本发明公开了基于SysML‑Modelica的混成系统建模及其转换为混成接口自动机的方法。使用SysML状态机图和Modelica分别对混成系统的信息部分和物理部分建模，并利用SysML的端口实现二者的交互，最终使用SysML的BDD图、IBD图呈现出一个完整的系统的半形式化模型。由于无法直接对半形式化模型进行验证工作，本发明通过提出模型转换规则分别将半形式化模型SysML模型和Modelica模型转换为与之等价的自动机模型。针对混成系统之间存在的接口性质以及其本身具有的离散、连续特性，采用混成接口自动机作为形式化模型。

技术领域

本发明公开了一种基于SysML-Modelica的混成系统建模及其转换为混成接口自动机的方法，在使用半形式化建模语言SysML和Modelica对混成系统建模的基础上，将上述半形式化模型转换为形式化模型。本发明是一种混成系统的半形式化模型转换为形式化模型的间接形式化建模方法。

背景技术

混成系统是一种其离散组件和连续组件相互作用的动态系统，并逐渐应用到各种安全关键领域，例如交通调度、航空航天等。为了保障安全关键系统的可靠性，需要对其进行形式化建模和验证。但是，由于混成系统的动态行为由离散行为和连续行为的相互交织构成，目前并没有现成的统一建模语言可以对其离散和连续部分同时建模。由于完全形式化的建模语言对使用人员有一定的理论要求，所以采用非完全形式化建模语言SysML和Modelica对混成系统进行组合建模，以得到系统的半形式化模型。

SysML是一种常见的图形化建模语言，可以从系统的结构、行为、需求三个不同的角度对其建模。其中，行为图中的状态机图STM可以描述系统因事件发生而产生的状态转换。Modelica是一种基于方程的多领域物理系统建模语言，可以通过微分方程来描述系统变量随时间发生的连续变化。

但是，由于SysML和Modelica是非完全形式化建模语言，无法直接对其进行形式化验证。因此，本发明提出一种从半形式化模型转换为形式化模型的转换算法。而为了描述混成系统的连续、离散行为以及子系统组件之间的接口性质，选取混合接口自动机(HIA)作为上述转换算法中的形式化模型。在此基础上，可以在系统的形式化模型上进行系统后续的形式化验证工作。

发明内容

混成系统同时存在连续组件和离散组件，而多个子系统之间可能存在利用接口进行交互的情况。为了使用形式化方法验证系统，需要将半形式化的系统模型转换成形式化模型。为了获得能够同时刻画混成系统离散、连续和接口属性的形式化模型，本发明提出一种基于SysML-Modelica的混成系统建模及其转换为混成接口自动机的方法。

本发明是一种基于SysML-Modelica的混成系统建模及其转换为混成接口自动机的方法，主要包括以下步骤：

步骤1：选取混成接口自动机作为系统的形式化模型

混成接口自动机是一个十元组(X，X_init，L，L_init，A^I，A^O，A^H，T，Ф，Ψ)，即实数值变量集、初始变量赋值、位置集、初始位置集、输入动作集、输出动作集、内部动作集、变迁关系集、状态不变式集、状态流函数集。

步骤2：使用SysML的状态机图STM对混成系统信息系统建模；使用Modelica对混成系统的物理系统进行建模；根据端口和SysML的结构图，提出一个SysML模型和Modelica进行通信的接口