کتاب بررسی تصویری نمودارهای Simulink/Stateflow ( رویکردی قیاسی )

توضیحات

مقدمه

زندگی مدرن ما تا حد زیادی به سیستم های نهفته وابسته است. چگونگی ساخت سیستم های نهفته ی پیچیده به درستی چالشی بزرگ برای علم کتامپیوتر و نظریه ی کنترل محسوب می شود. اینطور تصور می شود که روش مدل-محور رویکرد مناسبی برای طراحی سیستم های نهفته ی پیچیده باشد. با استفاده از این مدل در ابتدا  مدلی انتزاعی از سیستمی که قرار است ایجاد گردد تعریف می شود. بررسی گسترده و تایید بر روی مدل انتزاعی صورت میگیرند تا خطاها در مراحل اولیه شناسایی و تصحیح شوند. سپس، مدل انتزاعی سطح بالاتر به مدل انتزاعی سطح پایین تر حتی به یک کد منبع و با استفاده از تکنیک های تحول مدل تصویه و تبدیل می شود.

 طراحی مدل-محور با Simulink/Stateflow همخوانی دارد و در صنعت به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته اند. در واقع Simulink محیطی برای بررسی و طراحی مدل-محور سیستم های نهفته ی کنترل می باشد که زبان مدل سازی گرافیکی بصری را ارائه می دهد که یادآور نمودارهای مداری است و به همین دلیل برای مهندس درحال تمرین جذاب به نظر می رسد. همچنین، StateFlow جعبه ابزاری است که ابزارهای لازم برای مدل سازی و شبیه سازی سیستم های واکنشگر را از طریق نمودار سلسله مراتبی حالت ارائه می دهد و با این کار دامنه ی Simulink را به شکل های ترکیبی و حالت-محور کنترل نهفته اراقاء می دهد. مدل سازی، بررسی و طراحی با استفاده از Stateflow Simulink/ به استانداردی عملی در صنعت سیستم های نهفته مبدل شده است.

بعلاوه، Simulink/Stateflow و استیت فلو به شبیه سازی گسترده طبق محاسبات عددی تایید نشده وابسته هستند تا نیازمندی هخای سیستم را تایید کنند. این امر مستعد پوشش غیرکامل سیستم های باز و عدم صحت بررسی نتایج می باشد که در نتیجه ی خطاهای عددی ایجاد می شود. در نتیجه ی این امر، ممکن است خطاهای مدل طی شبیه سازی سناسایی نشوند. به محض اینکه چنین سیستم نادرستی ایجاد شود، خطای سیستم باعث ایجاد بحران به خصوص در زمینه های حساس به امنیت می شود.

تکنیک های تایید صوری به اصلاح خطاها و مشکلات شبیه سازی کمک می کنند. به طور نمونه، استاندارهای صنعتی از جمله DO-178C, IEC 61508, EN 50128, ISO 26262 از بکارگیری روش های صوری یا نیمه صوری به عنوان مکمل روش های رایج حمایت می کنند تا سیستم های نهفته ای با سطوح امنیت بالا ایجاد شوند.

در واقع، Simulink از آنالیز صوری مدل های S/S حمایت می کند. این مهم از طریق استفاده از ابزار تایید کننده ی طراحی Simulink (Simulink Design Verifier) انجام می گیرد که با اقتباس روش های صوری خطاهای نهفته در طراحی را بدون حرکت های شبیه شازی گسترده شناسایی می کند. با این حال، در حال حاضر این ابزار قادر است تا بلوک های مدل که در نتیجه ی خطاهای سطح پایین مانند سرریز عدد صحیح، منطق مرده، نقض دسترسی آرایه، تقسیم بر صفر  ایجاد شده اند را شناسایی کند. این مدل ویژگی های سطح مدل کامل با جنبه های فیزیکی و محیطی را در نظر نمی گیرد. از سوی دیگر، روش های صوری موجود در پیشینه که به مدل های S/S با پیوستگی زمانی می پردازند فاقد بیان و یا مقیاس پذیری هستند. نیازمندی های قوی ایمنی و سیستم های نهفته برای S/S تکنیک های تایید صوری موثرتری راملزم میدارد.

این کتاب رویکرد صوری جدید و به روزی به نمودارهای پیوستگی زمانی S/S را ارائه می کند. این رویکرد از آنجا قیاسی نامگذاری شده است که به زبان مدل سازی شبیه فرایند و سیستم تایید قیاسی ایجاد شده بر اساس زبان  وابسته است. تایید صوری مدل های S/S با ایجاد یه رابط به نام برگردان های دوسوئه، بین مدل های S/S و مدل های صوری در CSP ترکیبی ایجاد می شود که زبان مدل سازی صوری برای سیستم های ترکیبی گسسته-پیوسته است. از طریق چنین رابطی،  مدل های S/S در ابتدا به HCSP تبدیل شده و صحت چنین تحولی از طریق تاییدیه های صوری یا برگردان معکوس از HCSP به S/S و هم-شبیه ساز تایید می شود. این مسیری به سمت تایید مکانیکی مدل S/S را ایجاد می کند چراکه آنالیز صوری مدل های HCSP توسط سیستم قیاسی تاییدی به نام Hybrid Hoare Logic حمایت می شود که با استفاده از کمک تایید تعاملی به نام Isabelle/HOL اجرا می شود.

رویکرد ارائه شده دارای ویژگی های بارز زیر می باشد: اول اینکه زبان HCSP دارای مجموعه ای غنی از شکلهای هندسی با ترکیب اولیه هستند که مدل سازی همزمانی ها و ارتباطات متعدد نمدار S/S را تسهیل می کند، دوم اینکه استدلال قیاسی مبتنی بر HHL مدل های HCSP ترکیبی بوده و تکنیک های نسل ثابت قدرتمندی اجرا می شوند تا به دینامیک پیوسته  بپردازد و از اکتشاف جامع فضای حالتی جلوگیری کند و مقیاس پذیرتر است. سوم اینکه موثر و مفید بودن روش از طریق مطالعات موردی واقعی که از صنایع ریلی و هوایی نشئت می گیرند نشان داده می شود.

این کتاب محققان، فارغ التحصیلان، و مهندسان در حوزه های روش های صوری و سیستم های نهفته مخاطب قرار می دهد. این کتاب به خواننده روش قیاسی مبتنی بر HCSP/HHL و بکارگیری ابزارهای موجود برای تایید صوری نمودار S/S را می آموزد. بعلاوه، برای کسانی که با روش های صوری آشنایی ندارند، کتاب دانشی کلی پیرامون عناصر اساسی و تکنیک های رایج در ایجاد رویکرد قیاسی تایید صوری به خصوص برای سیستم های نهفته ارائه می دهد. در نهایت، بررسی مطالعات موردی موفق خواانده را قادر می سازد تا درک کند که چطور روش های صوری می توانند به صنعت واقعی کمک کنند، و ترغیب می شوند تا رویکرد پیشنهادی را استفاده یا حتی روش های صوری خودشان را در کارهای آتی ایجاد کنند.