基于四变量模型的系统安全性建模与分析方法

发布时间：2017-09-28 01:04

  本文关键词：基于四变量模型的系统安全性建模与分析方法

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【摘要】：近年来,随着嵌入式系统复杂度迅速增加以及系统软件规模的逐渐增大,确保嵌入式系统及软件的安全可靠性成为安全关键系统工程领域(如核电站、航空航天、交通等)中的一个重要挑战。由此,对系统进行安全性分析及验证在安全关键系统工程领域中也显得极为重要;与此同时,基于模型的系统安全性分析与验证方法成为嵌入式安全关键系统工程领域中的一个主流方法。在基于模型的系统安全性分析验证的过程中,如何对系统进行有效的需求分析并根据需求结果进行模型设计成为当前对嵌入式安全关键系统进行分析研究的一个重要问题。本文的主要工作是分别在系统需求层面以及设计层面上对基于模型的系统安全性分析进行研究,提出了一种基于四变量模型的系统安全性建模与分析方法,在利用四变量模型对系统进行需求分析的基础上,采用AltaRica建模语言进行模型设计,并对如何从四变量需求模型到AltaRica设计模型进行转换这一问题展开了研究,具体工作如下所示:(1)针对系统需求分析层次以及系统设计层次的安全性建模问题,对四变量模型与AltaRica建模语言进行了分析研究。在系统需求分析层,我们分析了四变量模型中所包含的四类变量以及四类关系的结构,并结合SCR需求分析方法研究了四变量模型方法的形式化语义。在系统设计层,我们对AltaRica建模语言也进行了分析,包括AltaRica基本语法结构、语义特征以及用卫士转换系统定义的形式化语义。(2)针对系统需求与设计模型之间的转换问题,本文研究了四变量模型与AltaRica模型之间的语义映射规则。基于四变量模型与AltaRica模型的形式化语义构建了二者之间的语义映射,包括四类变量与AltaRica中的流变量和状态变量等之间的映射以及四类关系与AltaRica中的断言等结构之间的映射。基于该映射规则,可实现从四变量需求模型到AltaRica设计模型之间的转换。(3)设计了一种从系统需求分析到模型设计的安全性分析验证框架。首先,利用四变量模型从需求层面上对系统进行需求分析。然后,结合四变量模型与AltaRica模型之间的语义映射规则,利用AltaRica建模语言对系统进行模型设计,并基于AltaRica规则构建系统安全性属性,最后对设计出的模型展开安全性分析和验证。(4)给出了基于上述方法的民用飞机中机轮刹车系统的安全性实例分析。包括对其构建四变量模型、基于四变量模型与AltaRica模型间的语义映射规则进行AltaRica模型设计、基于AltaRica模型构建故障树、利用相关工具对系统安全性进行分析并对安全性属性进行验证等。
【关键词】：嵌入式系统设计 系统安全性分析 四变量模型 AltaRica SCR方法 故障树
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V227;TP368.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-18
• 1.1 课题研究背景及意义13-14
• 1.2 当前研究现状14-15
• 1.3 论文研究内容与论文结构15-18
• 第二章 基于模型的系统安全性分析概述18-29
• 2.1 模型驱动系统工程18-21
• 2.1.1 系统工程概述18-19
• 2.1.2 模型驱动工程19-21
• 2.2 传统的安全性分析方法21-24
• 2.2.1 故障树分析方法21-23
• 2.2.2 故障模式及影响分析方法23-24
• 2.3 基于模型的系统安全性分析24-27
• 2.3.1 面向需求的四变量模型25
• 2.3.2 面向设计的AltaRica模型25-27
• 2.4 从需求分析到模型设计的系统安全性分析验证框架27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 基于四变量模型的系统需求建模29-42
• 3.1 四变量模型概述29-32
• 3.1.1 关系REQ与关系NAT29-31
• 3.1.2 关系IN与关系OUT31-32
• 3.1.3 需求层面的软件行为定义32
• 3.2 SCR方法及形式化语义32-38
• 3.2.1 SCR基本结构33
• 3.2.2 基于SCR方法的实例分析33-34
• 3.2.3 SCR方法形式化语义34-38
• 3.3 四变量模型需求分析实例38-41
• 3.3.1 机轮刹车系统中的隔离阀建模39-40
• 3.3.2 机轮刹车系统中的选择阀建模40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 面向ALTARICA的模型转换与系统设计建模42-54
• 4.1 AltaRica模型的形式化定义42-44
• 4.2 四变量模型与AltaRica模型的语义映射44-50
• 4.2.1 MV和CV与AltaRica之间的映射44-46
• 4.2.2 IV和OV与AltaRica之间的映射46-48
• 4.2.3 关系NAT与AltaRica之间的映射48
• 4.2.4 关系REQ与AltaRica之间的映射48-49
• 4.2.5 关系IN和OUT与AltaRica之间的映射49-50
• 4.2.6 四变量模型与AltaRica模型之间的映射框架50
• 4.3 模型转换实例分析50-53
• 4.3.1 隔离阀的AltaRica模型设计51-52
• 4.3.2 选择阀的AltaRica模型设计52-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 机轮刹车系统实例建模与安全性分析验证54-71
• 5.1 机轮刹车系统(WBS)概述54-57
• 5.1.1 刹车系统控制单元(BSCU)55-56
• 5.1.2 WBS系统中的部件蓄压阀56
• 5.1.3 WBS系统中的部件限量阀56-57
• 5.2 WBS系统需求的四变量模型分析57-59
• 5.2.1 BSCU子系统的四变量模型57-58
• 5.2.2 蓄压阀的四变量模型58
• 5.2.3 限量阀的四变量模型58-59
• 5.2.4 WBS系统的四变量模型59
• 5.3 WBS系统的SCR表设计59-62
• 5.3.1 WBS系统的模式转换表构造59-60
• 5.3.2 WBS系统的事件表构造60-61
• 5.3.3 WBS系统的条件表构造61-62
• 5.4 WBS系统的AltaRica设计模型62-66
• 5.4.1 BSCU子系统的AltaRica模型63
• 5.4.2 蓄压阀的AltaRica模型63-64
• 5.4.3 限量阀的AltaRica模型64-65
• 5.4.4 WBS系统的AltaRica模型65-66
• 5.5 WBS系统安全性分析与验证66-69
• 5.5.1 构建故障树66-67
• 5.5.2 安全性属性总结及验证67-69
• 5.6 本章小节69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-78
• 致谢78-79
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文79

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本文编号：932906