一种基于SHA的信物融合系统自动建模与验证方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于SHA的信物融合系统自动建模与验证方法及系统，包括：将物理环境建模成SHA元模型；根据元模型和设备位置信息表实例化环境模型；根据用户自定义的TAP规则生成控制器的SHA模型；生成可执行的系统模型并进行仿真；对仿真结果进行验证分析。本发明专利技术还开发了一个支持上述方法的系统。本发明专利技术的方法及系统，支持自动生成系统模型并进行仿真验证，直接向用户反馈规则验证结果，便于用户修改并制定安全的TAP规则。为信物融合系统验证中不确定环境的动态建模提供了一种有效的途径。径。径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SHA的信物融合系统自动建模与验证方法及系统


[0001]本专利技术属于信物融合系统领域，具体涉及一种基于SHA(随机混成自动机)的信物融合系统自动建模与验证方法及系统。

技术介绍

[0002]信息物理融合系统中存在各种智能的自动化设备，为用户提供便利的自动化或智能服务体验。以智能家居为例，具统计分析，到2020年，全球智能家居市场的收入为783亿美元，预计到2025年将达到1353亿美元。尽管用户使用TAP规则可以直观且容易地表达自己期望的自动化需求，但确保底层控制系统与用户真正需求的一致性实际上并不容易。由于这些用户通常不具备专业知识，他们在制定专属的TAP规则时，无法知道自己的规则的运行是否符合预期。
[0003]目前已有不少基于形式化方法，如模型检测或SMT求解器，对用户制定的个性化方法进行安全性验证的方法，但对于用户来说并不能直观地看到自己制定的规则的运行过程，虽然也有让用户自己拖拽组件或自己控制设备状态或自己设置环境属性以触发自己的规则的仿真方式，但这需要用户自定义场景的初始状态，也很难尽数覆盖所有规则。

技术实现思路

[0004]针对信物融合系统中对用户自定义TAP规则验证方法的不足，本专利技术的目的是提出一种基于SHA的信物融合系统自动建模与验证方法及系统，其基本思想是，根据环境参数化模型、设备位置信息表，以及用户自定义的TAP规则生成系统模型并进行仿真，最后对仿真结果进行验证分析，检测用户制定的规则是否会导致设备发生状态冲突。
[0005]本专利技术提出的一种基于SHA的信物融合系统自动建模与验证方法及系统的具体实现步骤如下：
[0006]一种基于SHA的信物融合系统自动建模与验证方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：将被监视实体预建模成SHA参数化模型，包括：
[0008]1)预建人的参数化SHA模型，包括建模状态和变迁；
[0009]2)预建不确定行为的被监视实体的SHA模型，包括建模状态和变迁，以及随机性；
[0010]3)预建包含各种环境属性的空气实体的SHA模型；
[0011]具体为：
[0012]所述被监视实体包括人、具有不确定行为的实体、具有各环境属性的空气实体；
[0013]所述预建人的参数化SHA模型：将人所处的空间位置作为状态，将人的空间转移作为状态的变迁，使用状态标识符标记人的状态变化，并用SHA中的不变式形式的时间约束作为参数确定人状态变迁的时机，从而将人建模为SHA参数化模型；
[0014]所述不确定行为的被监视实体，包括是否下雨这类具有不确定性的实体，通过经验和分析获得不确定行为实体的可能状态，作为SHA模型中的状态，状态能变迁到自己也能变迁到其他状态，并使用SHA的随机性建模，经过统计分析获得不同状态发生的概率，作为
状态变迁时的概率；
[0015]会受设备影响的各环境属性，具有随时间的变化率，即具有连续性，将其作为空气实体的属性，用SHA中的不变式表示属性的连续性，将空气实体建模为只具有一个状态的SHA模型，在该状态上添加各属性的不变式，用来表示属性随时间的总的变化率，以约束属性的变化。
[0016]步骤2：将被控制实体预建模成SHA参数化模型，包括：
[0017]1)预建可控设备的参数化SHA模型，包括建模状态和变迁；
[0018]2)预建传感器SHA模型，包括建模状态和变迁；
[0019]具体为：
[0020]所述被控制实体包括各类可控设备以及各类传感器，可控设备通常具有固定的状态信息，而传感器每经过一段时间检测环境属性；
[0021]建模可控设备首先确定可控设备具有的状态，并根据这些状态之间的转换关系建模变迁；由于可控设备是事件驱动的，使用SHA中的同步接收信号synchronization作为状态变迁条件；部分可控设备会对环境属性产生影响，确定该类可控设备不同状态下对某些环境属性的影响值，通过在状态变迁时更新环境属性的总变化率的值达到影响环境属性的目的；此外使用状态标识符来标记设备的当前状态；通过添加[i]参数实现参数化模型；
[0022]所述传感器SHA模型只有一个状态，状态的变迁为从该状态到该状态的变迁，同时返回监测的环境属性的数据，通过在变迁时更新被监测环境属性的取值监测数据，通过给该状态添加不变式形式的时间约束以确定变迁的时机，即监测数据的时机。
[0023]步骤3：根据参数化模型和设备位置信息表自动实例化环境模型；包括：
[0024]1)设备位置信息表的内容格式；
[0025]2)根据设备位置信息表实例化环境模型；
[0026]具体为：
[0027]根据用户提供的设备位置信息表和建模后的环境模型实例化环境实体；设备位置信息表告知各个空间中存在的所有设备实例信息；根据设备位置信息表提供的设备实例信息实现对各类可控设备参数化模型的实例化；
[0028]设备位置信息表为多行“device
i
＝{deviceName:name,deviceType:Device,location:L}”组合的格式，每行表示一个设备实例；其中“device
i”为唯一标识符，表示第i个实例设备，“name”也是唯一的，对应实例设备名，“Device”对应参数化模型中的某类设备，“L”对应人的行为模型中的某个空间，表示该实例设备所处的空间；
[0029]根据不同类型的设备的实例个数以及在设备位置信息表中列出的顺序确定所属设备类型的实例序号，从而得到实例模型，包括设备名、设备所属类型以及设备类型的实例序号的结果。
[0030]步骤4：根据实例化环境模型和用户自定义的TAP规则生成控制器的SHA模型，包括：
[0031]1)根据TAP规则的trigger生成控制器SHA中的节点和变迁；
[0032]2)根据TAP规则的action生成控制器SHA中的节点和变迁；
[0033]具体为：
[0034]用户的需求为一组遵循“IF trigger THEN action”格式的TAP规则集合，用以表
示在什么情况下希望哪个设备执行什么动作；在实例化环境模型的基础上，根据用户的TAP规则自动生成控制器的SHA，用以判断规则的条件，并发送信号，每条TAP规则对应生成一个控制器的SHA；将TAP规则中的trigger和action解析出来，然后分别对trigger和action进行处理生成该TAP规则对应的控制器SHA；其中针对每条TAP规则首先对应生成一个初始节点；控制器SHA为时间驱动模型，因此在该节点上有以SHA的不变式表示的时间约束，表示控制器SHA每经过一段时间执行；
[0035]每个trigger对应生成一个节点，该节点为不做停留的committed节点；根据trigger内容获得状态变迁的条件，trigger满足则变迁到下一个节点，即在到下一个节点的变迁上添加trigger满足对应的guard卫式，否则变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SHA的信物融合系统自动建模与验证方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将被监视实体预建模成SHA参数化模型，包括：1）预建人的参数化SHA模型，包括建模状态和变迁；2）预建不确定行为的被监视实体的SHA模型，包括建模状态和变迁，以及随机性；3）预建包含各种环境属性的空气实体的SHA模型；步骤2：将被控制实体预建模成SHA参数化模型，包括：1）预建可控设备的参数化SHA模型，包括建模状态和变迁；2）预建传感器SHA模型，包括建模状态和变迁；步骤3：根据参数化模型和设备位置信息表自动实例化环境模型；包括：1）设备位置信息表的内容格式；2）根据设备位置信息表实例化环境模型；步骤4：根据实例化环境模型和用户自定义的TAP规则生成控制器的SHA模型，包括：1）根据TAP规则的trigger生成控制器SHA中的节点和变迁；2）根据TAP 规则的action生成控制器SHA中的节点和变迁；步骤5：根据实例化环境模型和控制器模型自动生成系统的随机混成自动机网络模型，即系统模型，并使用UPPAAL
‑
SMC工具进行系统仿真，获得仿真结果，包括：1）生成模型声明；2）生成通道声明；3）生成全局变量声明；4）生成仿真查询语句，并使用UPPAAL
‑
SMC工具执行仿真；步骤6：对仿真结果进行状态冲突的验证分析，包括：1）解析出设备的仿真结果；2）定义状态冲突并验证。2.如权利要求1所述的信物融合系统自动建模与验证方法，其特征在于，所述步骤1具体为：所述被监视实体包括人、具有不确定行为的实体、具有各环境属性的空气实体；所述预建人的参数化SHA模型：将人所处的空间位置作为状态，将人的空间转移作为状态的变迁，使用状态标识符标记人的状态变化，并用SHA中的不变式形式的时间约束作为参数确定人状态变迁的时机，从而将人建模为SHA参数化模型；所述不确定行为的被监视实体，包括是否下雨这类具有不确定性的实体，通过经验和分析获得不确定行为实体的可能状态，作为SHA模型中的状态，状态能变迁到自己也能变迁到其他状态，并使用SHA的随机性建模，经过统计分析获得不同状态发生的概率，作为状态变迁时的概率；会受设备影响的各环境属性，具有随时间的变化率，即具有连续性，将其作为空气实体的属性，用SHA中的不变式表示属性的连续性，将空气实体建模为只具有一个状态的SHA模型，在该状态上添加各属性的不变式，用来表示属性随时间的总的变化率，以约束属性的变化。3.如权利要求1所述的信物融合系统自动建模与验证方法，其特征在于，所述步骤2具体为：所述被控制实体包括各类可控设备以及各类传感器，可控设备通常具有固定的状态信息，而传感器每经过一段时间检测环境属性；
建模可控设备首先确定可控设备具有的状态，并根据这些状态之间的转换关系建模变迁；由于可控设备是事件驱动的，使用SHA中的同步接收信号synchronization作为状态变迁条件；部分可控设备会对环境属性产生影响，确定该类可控设备不同状态下对某些环境属性的影响值，通过在状态变迁时更新环境属性的总变化率的值达到影响环境属性的目的；此外使用状态标识符来标记设备的当前状态；通过添加[i]参数实现参数化模型；所述传感器SHA模型只有一个状态，状态的变迁为从该状态到该状态的变迁，同时返回监测的环境属性的数据，通过在变迁时更新被监测环境属性的取值监测数据，通过给该状态添加不变式形式的时间约束以确定变迁的时机，即监测数据的时机。4.如权利要求1所述的信物融合系统自动建模与验证方法，其特征在于，所述步骤3具体为：根据用户提供的设备位置信息表和建模后的环境模型实例化环境实体；设备位置信息表告知各个空间中存在所有设备实例信息；根据设备位置信息表提供的设备实例信息实现对各类可控设备参数化模型的实例化；设备位置信息表为多行
ꢀ“
device
i
={deviceName:name, deviceType:Device, location:L}”组合的格式，每行表示一个设备实例；其中“device
i”为唯一标识符，表示第i个实例设备，“name”也是唯一的，对应实例设备名，“Device”对应参数化模型中的某类设备，“L”对应人的行为模型中的某...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小红，杨佳佳，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：