一种面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法技术

本发明专利技术公开了一种面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法。对于复杂的信息物理融合系统来说，验证难度十分艰巨。本发明专利技术采用一种运行时验证的方法，对信息物理融合系统实施监控。具体步骤如下：对需要验证的信息物理融合系统的组件充分了解后，收集其有限的时间信号轨迹；使用信号时序逻辑公式制定我们期望的规范；根据收集的信号轨迹行为数据和规范，设计一种运行时监控算法，来评估行为规范的满意程度；生成相对应的监视器，构建出监视框架嵌入到被监控的CPS中。本发明专利技术在原有的监控算法基础上，将监控范围扩展到二维信号时序逻辑规范，这样的监控结果更准确，表达能力更强。另外，对监控框架增加了标识，有利于监控后实施措施。措施。措施。

【技术实现步骤摘要】
一种面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法


[0001]本专利技术属于混成系统验证技术的领域，具体涉及到对CPS的复杂行为进行捕捉后设计一种监控算法，通过运行时验证技术来监测CPS。

技术介绍

[0002]信息物理融合系统(CPS)是一种网络计算嵌入式系统。它使用基于计算机的算法来自动化和控制网络中硬件和软件组件的功能。其行为是离散事件和物理系统的高度集成。随着CPS的不断发展，这种基于模型的设计方法已经在汽车，航空航天，医疗等领域不断被应用。因此，信息物理融合系统的安全运行问题变得至关重要，尤其是那种安全关键系统，一旦出现故障，所带来的后果十分严重。当前信息物理融合系统的一个巨大挑战就是验证问题。形式化验证是一种非常好的验证方法。常见的方法是将特定的信息物理融合系统建模成数学模型，如：混成自动机。然后，利用模型检测算法来验证该系统的正确性。然而，面对这样的复杂系统，模型检测存在着状态空间爆炸问题。尽管很多学者针对模型检测的算法提出了许多优化策略，但对这种复杂系统的一个关键所在是某些行为问题是不可判定的。如果这类行为问题的验证恰恰是特别重要的，那么传统的模型检测算法是不适用的。因此运行时验证技术可以为这一难题提供有效的解决办法，运行时验证是一种轻量级形式化验证，它不用对某个系统进行彻底的检测，只需针对我们需要的关键问题进行验证。
[0003]运行时验证通过监控目标系统的实际执行轨迹是否满足给定的监控性质，进而实现对系统行为的监测。其监控性质用形式化语言描述，保证了性质的正式性。本文使用信号时序逻辑(STL)作为系统规范性质的语言描述。STL一种表示连续实值信号的形式化语言，它是度量时序逻辑(MTL)的扩展。STL被广泛用于监测密集时间连续信号轨迹。而且，STL特有的鲁棒性满足程度能够定量的分析行为轨迹是否满足其规范。早期的运行时验证采用经典的布尔语义和三值语义(甚至四值语义)对CPS行为的信息描述依旧不够充分。比如要求飞机起飞后六分钟内到达2000米高度的要求，更有用的信息是飞机离满足要求还有多远。在低于2000米附近的时候，并没有特别令人担忧。这种将规范结果量化后，更有利于我们做出判断。且计算定量满足程度并不比计算布尔值复杂，因为两者都可以在信号大小的线性复杂度上实现。
[0004]本专利技术提出了一种基于STL规范的CPS运行时监控框架。通过STL的表示特性以及所特有的鲁棒性满意程度，能够对复杂系统产生的行为实施监控，用于分析并做出决策。生成的监视器可以和被监控系统共同运行，互不干扰。并且可以嵌入到被监测系统中，构建成整个系统框架。另外，大多数监控方法都是使用一维STL规范，本专利技术的监控方法还可以扩展到二维的STL规范。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种新的运行时验证监控方法，以解决现有技术中对信息物理融合系统验证困难问题。本专利技术通过信号时序逻辑提供规范和收集到的需要关注
的行为轨迹，利用提出的监控算法对其实施监控并分析。其评价函数为ρ：σ
×
φ
×
t
→
B，将给定的轨迹σ、一个STL规范公式φ和一个时间t映射到B域中的一个值ρ。如果ρ(σ
×
φ
×
t)的值大于0，则表示该特性满足，反之表示该特性被违反。另外，本专利技术不仅仅是定性的判断特性是否违反，还会定量的观察特性的违反程度。
[0006]本专利技术是一种面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法，主要包括以下步骤：
[0007]步骤1：对需要验证的信息物理融合系统充分了解后，收集相关的行为轨迹。
[0008]对于给定的一个信息物理融合系统，必须了解需要验证的是哪部分组件，运行该系统，收集需要的一些行为轨迹，这些行为轨迹是随着时间变化的有限序列。
[0009]步骤2：根据需要验证的组件，制定行为规范，这种规范用信号时序逻辑公式来表示。
[0010]对CPS需要验证的STL规范，其获取方式可以利用优化算法来挖掘其规范，或者根据有经验的工程师人为的制定规范。本专利技术的重点是后续的运行时监控。因此，只需要使用直接提供的STL规范即可。
[0011]步骤3：设计一种基于二维的信号时序逻辑规范的监控算法。
[0012]对收集的有限行为轨迹信息(S，t)以及给定的信号时序逻辑规范φ，我们需要设计一种监控算法来验证若满足此公式，则说明系统的行为符合我们的期望。若不满足，则需要对系统采取相关措施。
[0013]步骤4：生成相关的监视器，将监视器嵌入到被监控的CPS中。
[0014]由步骤3得出的监控算法集成为一个监视器，将监视器与CPS系统连接，形成完整的运行时监控框架。该监控框架将监视器获取得到的数据反馈给被监控的CPS中，CPS根据这些数据进行下一步操作。监视器被嵌入到CPS当中，但只有数据之间的交互，因此监视器和CPS是并行独立运行的。
[0015]本专利技术根据信息物理融合系统与运行时验证结合，对行为轨迹和规范的监控算法进行了修改和完善，为后续进一步的验证和分析工作奠定基础。
附图说明
[0016]图1为待验证的变速传送带CPS系统模型
[0017]图2为表示变速传送带中人数随时间的变化图
[0018]图3为表示功率随时间的变化图
[0019]图4为表示速度随时间的变化图
[0020]图5为监控算法中所有轨迹与信号时序逻辑规范的鲁棒性满意度值变化图
[0021]图6为生成的监视器与被监控系统的整体框架流程图
具体实施方式
[0022]本专利技术的实施提供了一种面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法，为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。
[0023]本专利技术通过一个变速传输带负载问题来具体说明实施方式，变速传输带模型如附图1所示，具体实施方法如下：
[0024]1.对需要验证的信息物理融合系统充分了解后，收集相关的行为轨迹。
[0025]信息物理融合系统一种高度复杂的嵌入式混合系统。其行为是由物理和离散两者的结合
[0026]演变来表征。CPS的应用也越来越广泛，我们周围时时刻刻被信息物理融合系统的技术
[0027]所影响。因此，对这类复杂系统，我们必须充分了解它，才能够很好的使用。
[0028]变速传输带是一个典型的CPS系统实例，它将连续时间、离散事件和有限状态模型结合起来模拟其行为。此模型实时模拟了乘客在传输带时，传输带上的人数随着时间变化的情况、功率随着时间的变化情况以及速度随着时间的变化的情况。如附图2、3、4所示，这里我们模拟了在正常的运行模式下，旅客在传送带上的吞吐量、功率以及速度的变化。其中Count表示人数；Power表示传送带的功率(Power＝1表示满功率)；Velocity表示传送带的速度；ti本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)对需要验证的信息物理融合系统进行充分了解，观察需要验证的组件行为，并收集其相关的行为轨迹数据；(2)使用信号时序逻辑公式对需要验证的组件行为制定规范；(3)设计一种基于二维信号时序逻辑的运行时监控算法；(4)生成相关的监视器，并完善监控框架将其嵌入到被监控的CPS中。2.根据权利要求1所描述的面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法，其特征在于：所描述步骤(1)对需要验证的信息物理融合充分了解后，收集相关行为轨迹数据，具体包括：对需要验证的CPS组件进行充分了解，然后运行该系统，收集我们需要的行为轨迹，这些轨迹是随着时间变化的有限信号序列，通过变速传输带这样的一个典型的CPS实例，收集了900秒内旅客人数、传输带功率和速度的时间变化轨迹。3.根据权利要求1所描述的面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法，其特征在于：所描述步骤(2)对需要验证的CPS组件使用信号时序逻辑公式来制定规范，具体包括：使用规范挖掘技术或者人工给定信号时序逻辑规范，因为信号时序逻辑规范可以用于实值信号上的形式语言描述，且具有强大的可解释性，所以非常适合用于运行时监控技术；信号时序逻辑还拥有特有的鲁棒性满意度，这样可以定量的分析规范与行为之间的关系；使用二维信号上信号时序逻辑公式，比较以前的一维信号时序逻辑只能观察单一的阈值，明显二维信号时序逻辑更加丰富，且表达能力更强，规范更精确，对步骤(1)中所述的变速传输带，制定了这样一个规范：4.根据权利要求1所描述的面向CPS的二维信号时序逻辑规范运行时监控方法，其特征在于：所描述步骤(3)对需要验证的CPS设计一种基于二维信号时序逻辑...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰，曹子宁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：