时间约束规约语言自动化综合研究

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时间约束规约语言(Clock Constraint Specification Language,CCSL)被越来越多的应用于嵌入式实时系统的建模和时间行为的分析。在系统设计过程中,需求工程师往往需要从自然语言撰写的需求文档中总结求解CCSL规约。然而随着系统复杂性的日益增高,需求工程师难以完整且准确的求解CCSL规约,这是因为需要工程师往往缺乏专业的形式化建模知识与经验。由于目前缺乏相关的自动化工具帮助需求工程师求解CCSL规约,复杂系统的CCSL建模只能够手动进行。与此同时,为了保证系统设计的安全性还需要耗费大量的时间对设计进行验证。因此如何辅助需求工程师自动化的高效准确地求解CCSL规约是提高系统建模效率的关键。针对上述问题,本论文以时间约束规约语言的自动化综合为目标,设计了时间约束规约语言的自动化综合框架。具体来说,本论文的主要研究内容和贡献如下:(1)基于程序综合方法Sketching,提出了样例引导的时间约束规约语言自动化综合方法。本文将CCSL的综合问题编码成为程序综合问题中的Sketching问题,并使用程序综合工具SKETCH对编码后的程序进行求解。方法使用预期时间行为样例来引导综合器选取候选约束,旨在得到能够承认预期时间行为样例的综合结果。本文针对不同的CCSL约束设计了编码规则,并根据约束类型设计了一套优先级机制保证综合器选取更优的解。(2)基于演绎和强化学习,提出了高效的时间约束规约语言自动化综合方法。通过结合演绎推理和强化学习,本文实现了一种高效的时间束规约语言自动化综合方法。该方法将不完整的CCSL约束转化成为强化学习模型,并使用演绎推理对模型进行剪枝。本文针对CCSL约束的类型提出了奖励机制对模型进行训练,从而引导强化学习搜索出最优的解。相比于基于SKETCH的方法,该方法能够更加快速的求解出最优解。此外方法包含了一个好奇心和贪心结合的搜索机制来提升算法搜索的效率。(3)基于安全线性时态逻辑(SafelyLTL),提出了可信时间约束规约语言自动化综合框架。为了保证生成的CCSL规约能够满足系统的安全性和准确性,本文提出了支持SafelyLTL和可调度性验证的CCSL规约自动化综合框架。该框架能够高效地将SafelyLTL公式转化成为与之逻辑等价的CCSL约束,从而保证生成规约满足给定的安全性属性。为了保证生成规约的简洁高效,框架包含了一套基于模式的转化规则,减少冗余规约,从而降低了后续可调度验证的时间开销。为了保证生成CCSL规约是可调度的,框架融合了可调度验证方法来验证生成规约的可调度性。本文选取了多个CCSL规约的基准作为实验对象,并根据基准随机生成若干不完整的CCSL约束。通过对多个不完整的CCSL约束的综合实验表明了本文的综合方法能够准确且快速的求解出预期的CCSL约束。此外,本文选取了多个复杂的SafelyLTL公式作为实验对象,验证了 SafelyLTL转化方法的效率。实验表明本文提出的转化方法能够生成更精简的约束,并且能够明显降低可调度性验证的时间开销。
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