本文關(guān)鍵詞：CPS系統(tǒng)的時空UML模型建模方法研究　出處：《華東師范大學》2012年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System, CPS)是繼20世紀IT革命后,對國內(nèi)外信息技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響的一類重要系統(tǒng)。如何對CPS系統(tǒng)進行建模以及如何捕捉并描述系統(tǒng)的CPS特性是目前國內(nèi)外研究的熱點和難點。在對CPS系統(tǒng)進行設(shè)計時,首要要求是要保證系統(tǒng)內(nèi)各物理實體之間通訊的實時性,并且要求對物理實體的空間信息做記錄處理以分析其空間特性。實時性的要求也反映了當前計算機科學和控制論結(jié)合研究中出現(xiàn)的一大難題：計算機科學的需求模型是用離散數(shù)學描述的,而控制論的模型是用微分方程和系統(tǒng)行為來描述的；控制對時間和空間的要求都十分敏感,而計算機則只關(guān)心具體功能的實現(xiàn)。這反映了控制論和計算機理論本質(zhì)上的差異,如何將二者統(tǒng)一起來,亦即將連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)結(jié)合在一起也是CPS系統(tǒng)設(shè)計所面臨的巨大挑戰(zhàn)。這些要求決定了大多數(shù)現(xiàn)有研究都不能完全滿足CPS系統(tǒng)的要求,因此需要提出一個全新的理論模型以解決這些重點難點問題。 統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language, UML)是一種面向?qū)ο蟮墓I(yè)化建模語言。為增強UML語言的建模能力,UML在許多其他特定的專業(yè)領(lǐng)域又有不同的擴展概要文件(Profile),如針對實時嵌入式系統(tǒng)進行建模的MARTE概要文件(The UML Profile for Modeling and Analysis of Real-time and Embedded systems, MARTE)。MARTE作為UML的擴展概要文件,增強了UML針對實時嵌入式系統(tǒng)進行建模的能力。因此,對象管理組織(Object Management Group, OMG)采用了MARTE概要文件來取代原有的關(guān)于調(diào)度、性能和時間性質(zhì)方面的UML概要文件。MARTE提出了一個詳盡的、統(tǒng)一的時間結(jié)構(gòu)模型,在該模型之中可以對連續(xù)時間和離散時間進行統(tǒng)一的建模。然而,MARTE缺少嚴格的形式化語法和語義說明,并且也沒有提出將連續(xù)時間和離散時間統(tǒng)一的具體做法。這顯然不能滿足對實時性屬性要求嚴格的CPS系統(tǒng)的設(shè)計需要。 因此,本文在MARTE概要文件的基礎(chǔ)上,結(jié)合混成自動機理論,提出一種新的UML狀態(tài)圖模型—時空UML狀態(tài)圖模型(Spatio-Temporal UML statechart, STUML statechart)。STUML狀態(tài)圖使用類型變量和類型表達式,其基本變量類型包括連續(xù)變量、離散變量和時鐘變量,基本表達式類型有布爾表達式、微分表達式、時鐘約束表達式和動作表達式。本文擴展了UML狀態(tài)圖中關(guān)于事件的定義。在STUML狀態(tài)圖中,我們將傳統(tǒng)的事件定義擴展為CPS事件,擴展后的CPS事件增加了對事件發(fā)生點的地理位置信息的記錄,以此來記錄系統(tǒng)的空間信息。在此基礎(chǔ)之上,本文給出了STUML狀態(tài)圖模型的形式化的語法和語義。該模型的形式化語法定義為一個十一元組,其中對警備條件、CPS事件、動作、活動、不變式等都給出了詳細的形式化定義。STUML狀態(tài)圖模型的形式化語義包括安全語義和活性語義。STUML狀態(tài)圖的安全語義的定義基于標記遷移系統(tǒng),而其活性語義則基于活性遷移系統(tǒng)給出。最后,在上述工作的基礎(chǔ)上,以一個列車自動防護系統(tǒng)為例,對其進行建模和語義描述,具體說明了STUML狀態(tài)圖的用法和作用。
[Abstract]:The physical information system (Cyber-Physical System, CPS IT) following the twentieth Century revolution, one of the most important systems have a profound impact on the field of information technology at home and abroad. How to CPS system modeling and how to capture and describe the characteristics of CPS system is the hot point of research at home and abroad. And the difficulty in the design of the CPS system first, requirement is to ensure real-time communication between the system of the physical entities, and the requirements of spatial information on physical record processing to analyze its spatial characteristics. The real-time requirement also reflects the current computer science and control theory is a major problem in the study of computer Science: demand model is used to describe discrete mathematics and control theory, the model is used to describe the differential equations and the behavior of the system; control of time and space requirements are very sensitive, but the computer is only concerned with The realization of the specific function. This reflects the essential differences between control theory and computer theory, how to unify the two is discrete and continuous systems with huge challenges together in the design of CPS system. These require most of the existing research can not fully meet the requirements of CPS system, so we need to put forward a new theoretical model to solve these problems.
The unified modeling language (Unified Modeling, Language, UML) is an object-oriented modeling language. In order to enhance the industrial modeling ability of UML language, UML has extended profile different in many other specific fields, such as MARTE (Profile) profile modeling for real-time embedded system (The UML Profile for Modeling and Analysis of Real-time and Embedded systems, MARTE.MARTE) as an extension of the profile of UML, enhances the capability of UML for real-time embedded system modeling. Therefore, the object management group (Object Management, Group, OMG) using the MARTE profile to replace the original on schedule, performance and time properties of the UML profile.MARTE proposed a detailed, time structure model, the model can be unified modeling of discrete and continuous time. However, MARTE lacks strict formal syntax and semantic description, and there is no specific practice to integrate continuous time and discrete time. This obviously can not meet the design requirements of real-time CPS system.
Therefore, based on the MARTE profile, combined with the hybrid automaton theory, this paper proposes a new UML state diagram model - space-time UML state diagram model (Spatio-Temporal UML statechart, STUML statechart).STUML state diagram using type variables and type expressions, the basic types of variables include continuous variables, discrete variables and clock variables, basic the expression types are Boolean expressions, differential expression, clock constraint expressions and action expression. This paper extends the definition of events in a UML state diagram. In the STUML diagram, we will define the traditional event extension for the CPS event, the extended CPS event increases the likelihood of geographic information on the record of events, space in order to record information system. On this basis, this paper gives the syntax and semantics of STUML state model. The model of the formal formal The grammar is defined as a eleven tuple, the guard condition, CPS events, actions, activities, etc. are given a definition of security. The formal semantics of.STUML state diagram detailed formal definition of semantic security model including semantic and semantic activity of.STUML state diagram marking system based on migration, and its activity is based on Semantic activity the transport system is given. Finally, based on the above work, with an automatic train protection system as an example, the modeling and semantic description of the detailed description of the usage and function of STUML state diagram.

【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TP368.1

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本文編號：1413341