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電子信息工程論文開(kāi)題報告范文
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論文題目：基于列控系統的擴展UML模型設計及故障樹(shù)求解算法
一、選題背景
安全荀求系統(Safety-CriticalSystem)是指對組成系統的軟件和硬件安全級別要求很高的計算機、電子或電氣系統，系統出現故障后可能會(huì )導致重大的生命、財產(chǎn)損失⑴。安全荀求系統通常釆用冗余配置來(lái)增加系統的可靠性，但是冗佘結構同時(shí)也使安全荀求系統的復雜度增大，為安全茍求系統的安全分析帶來(lái)了巨大的挑戰。為了避免人員傷亡、降低經(jīng)濟損失，安全荀求系統在設計和研發(fā)過(guò)程中必須慎之又慎，但是即使如此，由于設計工程師對于系統特性、行為等認識理解的局限性以及系統復雜、頻繁的交互和協(xié)作，系統內及系統與環(huán)境間不可避免的會(huì )產(chǎn)生一系列的缺陷或故障。相對于其它類(lèi)型的故障，這些故障對系統安全危害更大，隱藏的更深，對其檢測和消除的難度也更高，我們將其稱(chēng)為設計型故障，設計型故障成為安全茍求系統不安全的一個(gè)主要原因。系統設計由于系統功能的復雜性而更難以進(jìn)行且更容易出現一些錯誤，同樣的道理也適用于系統測試，由于系統的復雜性所以更可能檢測不到某些故障[2]。研究表明有60%的故障是在設計時(shí)引入的，而在此階段僅僅能發(fā)現其中8%的錯誤。大部分錯誤只有在系統研發(fā)后期才會(huì )被發(fā)現，而當錯誤發(fā)生之后用來(lái)糾正這些錯誤的花費是相當耗費成本的。這些都為安全工程師們對安全荀求系統進(jìn)行安全分析帶來(lái)了巨大的挑戰。雖然安全分析技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟并廣泛應用于安全茍求系統的設計過(guò)程中，但是大多數技術(shù)都是高度主觀(guān)并且依賴(lài)于安全分析人員的從業(yè)技能。這些分析通常都是基于一個(gè)非正式的系統模型，很難做到完整一致且不出錯。
事實(shí)上，由于缺乏系統結構的精確模型和失效模式經(jīng)常迫使安全分析人員花費很多的精力從多個(gè)資源處收集系統行為的細節并將這些信息嵌入如故障樹(shù)等安全分析方法中。
二、研究目的和意義
為了使系統設計更加有效、準確，設計者和安全分析人員希望進(jìn)行一個(gè)完全的設計分析過(guò)程。在系統設計階段，安全分析能夠與系統設計并行從而確定所有可能的危害。如果在系統設計階段能夠馬上分析出威脅系統安全的各種設計故障，那么就能檢驗系統能不能按照設計要求運行，進(jìn)而設計者就可以決定是否需要重新設計以及需要改進(jìn)原有的哪些不合理設計，這樣設計時(shí)間和資源就會(huì )大大縮短。這些對于確定系統安全等級也是非常有必要的。盡管現在已經(jīng)有了能夠實(shí)現對設計模型進(jìn)行自動(dòng)安全分析的工具，但是現有的安全分析工具卻是與設計過(guò)程分離的，并且在工程周期中安全分析的結果是明顯滯后的。如果能把安全分析和系統設計同時(shí)進(jìn)行的話(huà)，那么就能解決以上問(wèn)題，并能盡早的認可設計模型。所以目前基于模型的安全分析方法(ModelBasedSafetyAnalysis,MBSA)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，已經(jīng)在國外航空與軍工領(lǐng)域得到廣泛的應用。系統和安全工程師可以通過(guò)采用一個(gè)基于模型的系統研發(fā)過(guò)程來(lái)共享相同的系統模型，通過(guò)加入故障模型以及一定比例可控的物理系統，對安全分析進(jìn)行自動(dòng)化處理，從而減少幵支并提高安全分析的質(zhì)量[3]。與傳統安全分析方法相比，MBSA技術(shù)的應用能夠使安全分析更好地契合系統設計，有力保證了安全分析的準確性。MBSA技術(shù)還為安全分析自動(dòng)化提供了實(shí)現基礎，可以顯著(zhù)提髙分析效率，有效地縮短工程工期，節省成本。
三、本文研究涉及的主要理論
FSAP/NuSMV-SA平臺提供了一個(gè)在設計階段和安全評估階段都可以使用的統一環(huán)境，自動(dòng)將失效模式擴充到系統模型中去，在系統正常和故障的情況下都可以進(jìn)行安全評估，并且提供了時(shí)序邏輯的定義簡(jiǎn)化了安全需求，使得復雜系統的建模和安全評估更簡(jiǎn)單，也縮短了復雜系統的開(kāi)發(fā)周期。FSAP/NuSMV-SA包含兩個(gè)部分，其中FSAP是一個(gè)正式的安全分析平臺，它通過(guò)安全分析任務(wù)(SafetyAnalysisTask,SAT)管理器提供了一個(gè)圖形用戶(hù)界面。而NuSMV-SA支持系統仿真和標準模型檢測，如屬性檢查和反例生成[7]。另外，系統中的算法可以自動(dòng)進(jìn)行可靠性分析，如故障樹(shù)生成，該平臺可以從系統模型和失效模式定義自動(dòng)推導出故障樹(shù)。FSAP/NuSMV-SA提供了一些預定義的失效模式，用戶(hù)可以從下拉菜單中為某個(gè)輸入或輸出選定一個(gè)預定義的失效模式。選定了失效模式之后，用戶(hù)就對系統模型進(jìn)行故障注入來(lái)生成一個(gè)新的擴展模型。擴展模型被用于后面的系統安全評估。FSAP采用詳盡的狀態(tài)空間分析來(lái)確定基本事件的所有集合，所以它能自動(dòng)提取基本事件的所有集合，如導致頂事件發(fā)生的所有最小割集。相比起人工故障樹(shù)分析來(lái)說(shuō)，這個(gè)能夠進(jìn)行更準確更完全的分析。但是盡管FSAP具有如此強大的功能，它生成的故障樹(shù)卻并不直觀(guān)，故障樹(shù)可能很寬但只有兩層深，并不像用傳統方法生成的故障樹(shù)一樣與系統結構相關(guān)聯(lián)。所以可能會(huì )影響安全工程師對故障樹(shù)的理解進(jìn)而拒絕接受整個(gè)工具。
Galileo是美國弗吉尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的一款釆用DIFTree(DynamicInnovativeFaultTree)分析方法的動(dòng)態(tài)故障樹(shù)繪制和分析工具[8]。由于容錯系統的故障模式取決于組件和子系統的故障順序另外還存在著(zhù)共因故障，所以動(dòng)態(tài)故障樹(shù)就在傳統的靜態(tài)故障樹(shù)的基礎上進(jìn)行了擴展來(lái)適應這些特點(diǎn)。DIFTree分析法釆用了模塊化的方式將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析技術(shù)結合起來(lái)。Galileo中具有目前被廣泛應用的商業(yè)化組件，使工程師能夠編輯和顯示故障樹(shù)的文本和圖形形式，并且很容易集成到實(shí)際的工程實(shí)踐。但是Galileo只是一個(gè)故障樹(shù)分析工具，并不是故障樹(shù)生成工具，它可以與故障樹(shù)自動(dòng)生成工具結合起來(lái)使用，例如文中前面提到的FSAP。FSAP生成的故障樹(shù)就可以輸入到Galileo，再加入失效率、維修率等概率就可以進(jìn)行定量分析。英國赫爾大學(xué)的可靠系統研究組開(kāi)發(fā)了半自動(dòng)化安全分析工具Hip-HOPS,這種方法起源于FFA、FMEA、FTA等經(jīng)典安全分析技術(shù)，可以從功能水平到組件故障模式的高度進(jìn)行復雜系統的綜合評估[9]。采用經(jīng)典FMEA方法的變形方法IF-FMEA(InterfaceFocused-FMEA)來(lái)分析系統組件的失效行為，用IF-FMEA表格的方式記錄硬件或軟件組件如何對其他組件產(chǎn)生的失效做出反應，也可以表示組件自己產(chǎn)生或傳遞給其他組件的失效模式。確定了所有的失效行為之后，即可判斷系統功能失效如何從底層組件失效模式開(kāi)始傳播，分析結果以故障樹(shù)形式記錄，并能進(jìn)行最小割集和故障樹(shù)定量計算。但是Hip-HOPS的故障樹(shù)生成完全依賴(lài)于IF-FMEA表格，用戶(hù)需要先精確構建IF-FMEA表格，生成的故障樹(shù)也似乎只是用戶(hù)定義在IF-FMEA表格中故障模式的一個(gè)分層表示。HIDE(High-levelintegrateddesignenvironmentfordependability)體系是歐洲ESPRIT(歐洲信息技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的戰略計劃)的一個(gè)重要組成部分，由來(lái)自歐洲三個(gè)國家的五大研究機構聯(lián)合參與，旨在增加歐洲髙技術(shù)產(chǎn)品競爭能力，在國際上具有重要影響。HIDE的設計者們同樣認為有效的設計過(guò)程需要進(jìn)行早期概念驗證和架構選擇，這樣可以避免在后期還需進(jìn)行系統是否滿(mǎn)足設計目標的驗證過(guò)程而浪費時(shí)間和資源。在HIDE體系中創(chuàng )造了一個(gè)集成環(huán)境，基于UML的設計工具集可以與建模和分析工具結合使用，來(lái)及時(shí)評估幵發(fā)的系統是否滿(mǎn)足既定目標HIDE體系與本文所做的工作比較類(lèi)似，同樣是對與系統設計的UML模型進(jìn)行轉化，但是HIDE的目標是將UML模型轉化成時(shí)間petri網(wǎng)(TPNs)，而本文的目標是將其轉化成為動(dòng)態(tài)故障樹(shù)(DynamicFaultTree)。
四、本文研究的主要內容
為了提高安全荀求系統的可靠性和安全性，降低開(kāi)發(fā)和設計成本，應將安全分析過(guò)程同步于軟件設計開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程中。本文使用了工程實(shí)踐中設計人員更方便使用的統一建模語(yǔ)言UML來(lái)描述系統設計模型，并引入了構造型的方法來(lái)擴展UML模型使其能更好的描述安全茍求系統的特征。采用國際公認的故障樹(shù)分析法對其進(jìn)行安全分析，并在原有故障樹(shù)分析法基礎上加入了冷備門(mén)和熱備門(mén)兩種動(dòng)態(tài)邏輯門(mén)形成動(dòng)態(tài)故障樹(shù)模型，以解決傳統分析方法不能很好的描述安全茍求系統冗余特點(diǎn)的問(wèn)題。不僅如此，本文還提出了一種UML模型到動(dòng)態(tài)故障樹(shù)DFT的轉換方法，這是本文最主要的貢獻。首先定義了UML模型的形式化語(yǔ)法并使用構造型對其進(jìn)行擴展，設計了擴展語(yǔ)義與故障樹(shù)的映射關(guān)系，對UML建模軟件生成的EMX文件進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了一個(gè)將UML模型轉換為動(dòng)態(tài)故障樹(shù)的自動(dòng)轉換算法，并將本文幵發(fā)的算法應用到列車(chē)超速防護ATP系統的模型轉換和分析中，分析和驗證所建UML模型的正確性。此研究為UML模型進(jìn)行自動(dòng)化分析奠定了良好的基礎，設計師們可以在設計模型中加入自己的安全標準，而安全工程師們也能很好的了解設計師所要表達的安全理念。
五、寫(xiě)作提綱
致謝5-6
摘要6-7
ABSTRACT7-8
1緒論12-18
1.1研究背景及意義12-13
1.2國內外研究現狀13-16
1.2.1軌道交通領(lǐng)域的研究情況13
1.2.2航空航天領(lǐng)域的研究情況13-14
1.2.3其他領(lǐng)域的相關(guān)安全研究情況14-16
1.3研究?jì)热?6
1.4論文結構16-18
2基于模型的安全分析方法18-29
2.1統一建模語(yǔ)言UML19-22
2.1.1UML基礎知識20-21
2.1.2IBMRationalSoftwareArchitect建模工具21
2.1.3UML模型的擴展機制21-22
2.2傳統的安全分析方法22-25
2.2.1危險與可操作性分析22-23
2.2.2故障模式和后果分析法23-24
2.2.3故障樹(shù)分析法24-25
2.3動(dòng)態(tài)故障樹(shù)分析法25-28
2.3.1動(dòng)態(tài)邏輯門(mén)26-27
2.3.2故障樹(shù)構建方法27-28
2.4本章小結28-29
3模型擴展設計及故障樹(shù)生成方法29-42
3.1UML建模與擴展方法30-35
3.1.1類(lèi)及其屬性和操作的擴展方法30-31
3.1.2類(lèi)的基數的擴展方法31
3.1.3類(lèi)的關(guān)系的擴展方法31-32
3.1.4使用構造型擴展故障描述語(yǔ)義32-35
3.2模型信息提取算法35-41
3.2.1XML定義及構成35-36
3.2.2LINQ與XML36-37
3.2.3根據提出的方法所建模型的XML描述37-38
3.2.4UML模型信息提取算法設計38-41
3.3本章小結41-42
4故障樹(shù)生成算法設計與實(shí)現42-57
4.1動(dòng)態(tài)故障樹(shù)生成算法步驟43-50
4.2UML模型到故障樹(shù)自動(dòng)生成軟件設計與實(shí)現50-52
4.3提出的方法與HIP-HOPS對比52-56
4.4本章小結56-57
5列控車(chē)載ATP系統的模型設計及求解57-67
5.1列控車(chē)載ATP系統組成57-59
5.2車(chē)載ATP系統建模及擴展59-61
5.3故障樹(shù)自動(dòng)生成61-64
5.4本章小結64-67
6結論與展望67-69
6.1主要工作與結論67
6.2工作展望67-69
參考文獻69-72
六、目前已經(jīng)閱讀的主要文獻
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