AADL模型到廣義隨機Petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)換工具

湯玥等

摘 要： 為了便于對體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析語言AADL可靠性模型進(jìn)行可靠性評估， 實現(xiàn)AADL模型到廣義隨機Petri網(wǎng)模型（GSPN）可靠性計算模型的自動轉(zhuǎn)換，依據(jù)AADL模型到GSPN模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則，設(shè)計并實現(xiàn)了集成在開源工具OSATE上的模型轉(zhuǎn)換工具。實驗表明：該文的轉(zhuǎn)換工具可以將AADL可靠性模型自動轉(zhuǎn)換為GSPN模型。

關(guān)鍵詞： 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析語言； 可靠性模型； 廣義隨機Petri網(wǎng)； 模型轉(zhuǎn)換工具

中圖分類號： TN911?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0062?04

0 引 言

近年來，嵌入式系統(tǒng)一直在不斷的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得越來越豐富和復(fù)雜，規(guī)模日益變大，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)周期、非功能性屬性（可靠性、可調(diào)度性、安全性）及開發(fā)成本的要求也是越來越高，之前的那些嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法早就已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在嵌入式軟件開發(fā)的需求。OMG（Object Management Group，國際對象集團）提出了模型驅(qū)動體系架構(gòu)（Model Driven Architecture，MDA）[1?2]。MDA整合了OMG在模型存儲、模型轉(zhuǎn)換和建模語言等方面的諸多標(biāo)準(zhǔn)。MDA的引進(jìn)將嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)提升到了模型級。此后，對新型的嵌入式系統(tǒng)的非功能屬性可以從更高的抽象層面上進(jìn)行分析。這樣不僅能很大程度地縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，而且節(jié)約開發(fā)成本[3]。

基于這個思想，美國自動化工程師協(xié)會（Society of Automotive Engineers，SAE）發(fā)布了航空標(biāo)準(zhǔn)AS5506——架構(gòu)分析與設(shè)計語言[4]（Architecture Analysis and Design Language，AADL）。AADL可以定義和實現(xiàn)支持MDA的工具并且已被標(biāo)準(zhǔn)化。

AADL提供標(biāo)準(zhǔn)化的文本和圖形符號來描述軟件和硬件系統(tǒng)架構(gòu)及其功能接口。AADL將系統(tǒng)的設(shè)計、分析、驗證和自動代碼生成等環(huán)節(jié)融合在一個框架之中[5]。在AADL中，系統(tǒng)被模型化成交互應(yīng)用構(gòu)件（數(shù)據(jù)、線程、進(jìn)程、子程序）的分層集合和一組執(zhí)行平臺的組件（總線、處理器、設(shè)備、存儲器）[6]。應(yīng)用構(gòu)件被綁定在執(zhí)行平臺，相關(guān)信息被分開描述，然后插入到架構(gòu)模型中。為了補充支持AADL核心語言對相關(guān)可靠性的信息（如故障、故障傳播、修改、容錯策略）的描述， SAE 發(fā)布了錯誤模型附件[7]（Error Model Annex，Annex E）并且將其標(biāo)準(zhǔn)化。錯誤附件的使用在原有的模型描述和驗證的基礎(chǔ)上增加了可靠性分析，進(jìn)一步完善了AADL語言。

為了支持基于AADL模型的各種分析目前已經(jīng)實現(xiàn)了一些工具。調(diào)度和內(nèi)存需求可以通過Cheddar來進(jìn)行模擬和可行性測試的分析。開源AADL工具環(huán)境（Open Source AADL Tool Environment，OSATE）[8]支持資源分配分析。目前無法對AADL模型直接進(jìn)行可靠性驗證，本文的轉(zhuǎn)換工具可以將AADL可靠性模型自動轉(zhuǎn)換為廣義隨機Petri網(wǎng)模型（General Stochastic Petri Net，GSPN）[9]，在此基礎(chǔ)上，可以通過對GSPN模型的驗證來進(jìn)行AADL模型的分析與驗證。

1 OSATE插件開發(fā)流程

開源AADL工具環(huán)境是基于Eclipse平臺[10]的AADL模型開發(fā)工具。Eclipse平臺是一個基于Java的集成開發(fā)環(huán)境，它可以擴展并且開放源碼。就Eclipse的本身而言，是利用其插件（Plug?in）機制來實現(xiàn)其所有功能的。在OSATE平臺上，可以進(jìn)行AADL的建模、模型實例化以及語法檢查。因此，本文在OSATE和錯誤模型附錄庫插件開發(fā)的基礎(chǔ)上設(shè)計了AADL架構(gòu)模型和AADL錯誤模型，直接利用OSATE對AADL架構(gòu)模型和AADL錯誤模型進(jìn)行解析，生成一個實例文件（AAXL文件）。利用XML解析器SAX對得到的AAXL模型文件進(jìn)行解析，通過AADL錯誤模型向GSPN模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，轉(zhuǎn)換生成一個廣義隨機Petri網(wǎng)的XML文件。之后，就可以利用馬爾可夫分析法、故障樹分析法或者用PIPE2對轉(zhuǎn)換后的GSPN模型進(jìn)行可靠性的評估可驗證。插件的開發(fā)流程如圖1所示。

2 AADL模型到GSPN模型轉(zhuǎn)換規(guī)則

設(shè)計實現(xiàn)AADL模型到GSPN模型的轉(zhuǎn)換工具，關(guān)鍵是要確定AADL模型到相應(yīng)GSPN模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系。下面給出AADL錯誤模型基本元素轉(zhuǎn)換為GSPN的規(guī)則。

規(guī)則1：將AADL錯誤模型中的錯誤狀態(tài)轉(zhuǎn)換為GSPN中的庫所。

規(guī)則2：將AADL錯誤模型中的錯誤事件轉(zhuǎn)換為GSPN中的變遷，滿足泊松分布的事件轉(zhuǎn)換為時間變遷，服從固定概率的事件轉(zhuǎn)換為瞬時變遷。

規(guī)則3：將AADL中錯誤狀態(tài)之間的變遷轉(zhuǎn)換為變遷到庫所的弧和庫所到變遷的弧。

規(guī)則4：將初始錯誤狀態(tài)轉(zhuǎn)換為包含一個托肯的庫所。

規(guī)則5：對于符合泊松分布的錯誤傳出，把狀態(tài)和錯誤傳出轉(zhuǎn)換庫所，增加一個時間變遷，其符合泊松分布，增加錯誤傳出庫所和變遷的禁止弧，把相應(yīng)的弧加上。

規(guī)則6：對于服從固定概率的錯誤傳出，把狀態(tài)和錯誤傳出轉(zhuǎn)換為庫所，增加一個庫所表示無錯誤傳出狀態(tài)。增加兩個變遷，分別表示錯誤傳出和錯誤未傳出。把相應(yīng)的弧加上。

規(guī)則7：將狀態(tài)轉(zhuǎn)換為庫所，把錯誤傳入轉(zhuǎn)換為瞬時變遷，且概率為1，增加相應(yīng)的弧。

規(guī)則8：把在錯誤傳播過濾規(guī)則中所定義的每個連接轉(zhuǎn)換為一個瞬時變遷，狀態(tài)和傳播轉(zhuǎn)換為庫所，在相應(yīng)的庫所上加上禁止弧。

規(guī)則9：把在guard_out中定義錯誤傳播屏蔽規(guī)則轉(zhuǎn)換為庫所，一一對應(yīng)，把每一個規(guī)則中每一連接轉(zhuǎn)換為變遷。

可以在這些模型轉(zhuǎn)換規(guī)則的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)從AADL 可靠性模型到GSPN 計算模型的模型轉(zhuǎn)換的工具，為可靠性評估提供條件。單獨組件的錯誤模型到GSPN的轉(zhuǎn)換如圖2所示。

3 轉(zhuǎn)換工具的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 轉(zhuǎn)換工具的整體架構(gòu)設(shè)計

模型轉(zhuǎn)換工具的架構(gòu)如圖3所示，OSATE和Error Model Annex是基于Eclipse平臺開發(fā)的。OSATE為AADL可靠性模型提供了設(shè)計環(huán)境，Error Model Annex給出了錯誤模型的定義。轉(zhuǎn)換工具是基于OSATE和Error Model Annex開發(fā)的，實現(xiàn)了AADL可靠性模型到GSPN模型的自動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換工具的輸入文件是的AAXL文件，AAXL文件是XML格式的。AAXL文件是開源工具OSATE提供的文件接口，而模型轉(zhuǎn)換工具的輸出文件是廣義隨機Petri網(wǎng)模型的XML文件，可以供其他工具分析GSPN模型的基本屬性以及可靠性。

3.2 轉(zhuǎn)換工具的模塊設(shè)計與實現(xiàn)

AADL可靠性模型到GSPN可靠性計算模型的轉(zhuǎn)換工具是基于OSATE和Error Model Annex開發(fā)的。該工具包含4個功能模塊：建立AADL可靠性模型模塊、AAXL文件提取解析模塊、AADL錯誤模型轉(zhuǎn)換為GSPN模塊、GSPN模型輸出模塊，如圖4所示。

（1） 建立AADL可靠性模型模塊。AADL錯誤模型是對構(gòu)件的各種可靠性信息包括故障行為、故障傳播等進(jìn)行描述。將AADL錯誤模型添加到AADL架構(gòu)模型中，與嵌入式軟件中的各種構(gòu)件相結(jié)合，即錯誤模型與相應(yīng)的構(gòu)件綁定，最終形成完整的嵌入式軟件可靠性模型。

（2） AAXL文件提取解析模塊。對錯誤模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，首先要對錯誤模型所在的AAXL文件的錯誤附件進(jìn)行提取，因為錯誤模型要XML、文本、圖形3種存儲方式，而SAX可以很好的處理XML文件，所以本工具采用SAX對錯誤模型中的狀態(tài)、事件、錯誤傳出、錯誤傳入等元素進(jìn)行識別和提取，并將其以對象的形式存儲在鏈表中，待所有元素提取完成后，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。方法Clickleft（IAction Action）通過點擊鼠標(biāo)左鍵獲取文件，方法Judge（Resultpath）判斷該文件是否為AAXL文件，若為AAXL文件，SaxRead.readaaxl（Resultpath）對AAXL文件進(jìn)行解析提取信息。

（3） AADL錯誤模型到GSPN轉(zhuǎn)換模塊。狀態(tài)轉(zhuǎn)換為庫所，初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為帶有托肯的庫所，事件根據(jù)其滿足泊松分布還是固定概率分別轉(zhuǎn)換為時間變遷或瞬間變遷，錯誤傳出和傳入對應(yīng)的轉(zhuǎn)換為弧。將轉(zhuǎn)換后的元素以對象的形式存儲起來，以待存儲為XML文件。下面給出模型轉(zhuǎn)換的偽代碼：

Begin

Do

If（WrongEle is ErrorState） //元素是故障狀態(tài)

TransformPlace（）； //轉(zhuǎn)換為GSPN庫所

else if（WrongEle is ErrorEvent） //元素是故障傳播

TransformTransition（）； //轉(zhuǎn)換為GSPN變遷

else if（WrongEle is ErrorTransition） //元素是狀態(tài)遷移

TransformArc（）； //生成庫所和變遷之間的連接弧

else if（WrongEle is OutProp） //元素是故障傳出

RecordSourceID（）； //記錄源組件的標(biāo)識

RecordSourceEvent（）； //記錄傳出的故障事件

else if（WrongEle is InProp） //元素是故障傳入

if（matched（）） //查詢同標(biāo)識故障傳出事件

RecordTargetID（）； //記錄目標(biāo)組件的標(biāo)識

RecordTransition（）； //記錄目標(biāo)組件的狀態(tài)遷移

End

（4） GSPN模型輸出模塊。最后，從已經(jīng)記錄下來的元素集合中讀取元素，調(diào)用相應(yīng)元素的輸出方法，建立目標(biāo)目錄和文件，利用Dom工具將輸出的信息集中輸出到目標(biāo)文件中。最后得到的文件可作為pipe2工具驗證的輸入文件。

4 轉(zhuǎn)換工具的應(yīng)用

本節(jié)將對航電系統(tǒng)的飛行規(guī)劃子系統(tǒng)進(jìn)行AADL可靠性建模，利用轉(zhuǎn)換工具把飛行規(guī)劃子系統(tǒng)的錯誤模型轉(zhuǎn)換到廣義隨機Petri網(wǎng)。航電系統(tǒng)的飛行規(guī)劃子系統(tǒng)有6個進(jìn)程構(gòu)成：傳感器處理進(jìn)程（Navigation Process）、綜合導(dǎo)航進(jìn)程（IntegrateNavigation Process）、飛行優(yōu)化進(jìn)程（FlightPerfor Process）、導(dǎo)航處理進(jìn)程（Guidance Process）、飛行規(guī)劃進(jìn)程（FlightPlane Process）、數(shù)據(jù)顯示（DataDisplay Process）。其中硬件組件包括：傳感器（Device）、處理器（FMProcessor）、內(nèi)存（MeM）和總線（Processor_Mem_Bus）。根據(jù)飛行規(guī)劃子系統(tǒng)的AADL架構(gòu)模型和每一個組件的動態(tài)運行以及它們之間的交互情況，給每一個組件增加相應(yīng)的錯誤模型，并且根據(jù)它們之間的交互情況，確定它們之間的錯誤傳播。飛行規(guī)劃子系統(tǒng)的錯誤模型，在這里本文使用文本表示，描述了傳感器處理進(jìn)程（Navigation Process）和綜合導(dǎo)航進(jìn)程（Integrate Navigation Process）的錯誤模型。

綜合導(dǎo)航進(jìn)程（Integrate Navigation Process）的錯誤模型如下：

error model Navigation_Process

features

NaP_ErrorFree：initial error state；

Nap_Faile：error state；

NaP_Failed，NaP_Repair：error event；

NaP_InteP_Faile：out error propagation；

end Navigation_Process；

error model implementation Navigation_Process.Impl

transitions

NaP_ErrorFree?[NaP_Faile]?>NaP_Failed；

NaP_Failed?[out NaP_InteP_Faile]?>NaP_Failed；

NaP_Failed?[NaP_Repair]?>NaP_ErrorFree；

properties

Occurrece=>possion 5.0e?4 applies to NaP_Faile；

Occurrece=>possion 1.0e?1 applies to NaP_Repair；

Occurrece=>fix 0.8 applies to NaP_InteP_Faile；

end Navigation_Process.Impl

error mode2 IntegrateNavigation_Process

features

InteP_ErrorFree：initial error state；

InteP_Failed：error state；

InteP_Faile，InteP_Pepair：error event；

NaP_InteP_Out_Faile：out error propagation；

Intep_Out_Faile：out error propagation；

end IntegrateNavigation_Process；

error mode2 implementation IntegrateNavigation_Process.Impl

transitions

InteP_ErrorFree?[InteP_Faile]?>InteP_Failed；

InteP_ErrorFree?[in NaP_InteP_Faile]?>InteP_Failed；

InteP_Failed?[InteP_Repair]?>InteP_ErrorFree；

InteP_Failed?[Intep_out_Faile]?>InteP_Failed；

properties

Occurrece=>possion 1.0e?3 applies to InteP_Failed；

Occurrece=>possion 1.0e?1 applies to InteP_Repair；

Occurrece=>fix 0.75 applies to InteP_Out_Failed；

end IntegrateNavigation_Process.Impl

利用AADL模型到GSPN的轉(zhuǎn)換工具將上述錯誤模型轉(zhuǎn)換并生成了一個XML文件。飛行規(guī)劃子系統(tǒng)的傳感器處理進(jìn)程（Navigation Process）和綜合導(dǎo)航進(jìn)程（Integrate Navigation Process）的GSPN模型如圖5所示。

5 結(jié) 語

本文介紹了OSATE插件開發(fā)流程和AADL可靠性模型到廣義隨機Petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，設(shè)計并實現(xiàn)了AADL可靠性模型到廣義隨機Petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)換工具，為AADL模型可靠性評估提供了條件。本文還給出了運用轉(zhuǎn)換工具將航電系統(tǒng)的飛行規(guī)劃子系統(tǒng)的錯誤模型轉(zhuǎn)換到GSPN的實例。后期將進(jìn)一步完善AADL可靠性模型到GSPN的轉(zhuǎn)換工具，并研究評估AADL模型可靠性的方法。

圖5 傳感器處理進(jìn)程和綜合導(dǎo)航進(jìn)程的GSPN模型

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