電子信息工程論文開題報(bào)告范文

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　　論文題目：基于列控系統(tǒng)的擴(kuò)展UML模型設(shè)計(jì)及故障樹求解算法

　　一、選題背景

　　安全荀求系統(tǒng)(Safety-CriticalSystem)是指對(duì)組成系統(tǒng)的軟件和硬件安全級(jí)別要求很高的計(jì)算機(jī)、電子或電氣系統(tǒng)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后可能會(huì)導(dǎo)致重大的生命、財(cái)產(chǎn)損失⑴。安全荀求系統(tǒng)通常釆用冗余配置來增加系統(tǒng)的可靠性，但是冗佘結(jié)構(gòu)同時(shí)也使安全荀求系統(tǒng)的復(fù)雜度增大，為安全茍求系統(tǒng)的安全分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了避免人員傷亡、降低經(jīng)濟(jì)損失，安全荀求系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中必須慎之又慎，但是即使如此，由于設(shè)計(jì)工程師對(duì)于系統(tǒng)特性、行為等認(rèn)識(shí)理解的局限性以及系統(tǒng)復(fù)雜、頻繁的交互和協(xié)作，系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)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(duì)于其它類型的故障，這些故障對(duì)系統(tǒng)安全危害更大，隱藏的更深，對(duì)其檢測(cè)和消除的難度也更高，我們將其稱為設(shè)計(jì)型故障，設(shè)計(jì)型故障成為安全茍求系統(tǒng)不安全的一個(gè)主要原因。系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)功能的復(fù)雜性而更難以進(jìn)行且更容易出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，同樣的道理也適用于系統(tǒng)測(cè)試，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性所以更可能檢測(cè)不到某些故障[2]。研究表明有60%的故障是在設(shè)計(jì)時(shí)引入的，而在此階段僅僅能發(fā)現(xiàn)其中8%的錯(cuò)誤。大部分錯(cuò)誤只有在系統(tǒng)研發(fā)后期才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，而當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生之后用來糾正這些錯(cuò)誤的花費(fèi)是相當(dāng)耗費(fèi)成本的。這些都為安全工程師們對(duì)安全荀求系統(tǒng)進(jìn)行安全分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)。雖然安全分析技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟并廣泛應(yīng)用于安全茍求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，但是大多數(shù)技術(shù)都是高度主觀并且依賴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(tǒng)模型，很難做到完整一致且不出錯(cuò)。

　　事實(shí)上，由于缺乏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的精確模型和失效模式經(jīng)常迫使安全分析人員花費(fèi)很多的精力從多個(gè)資源處收集系統(tǒng)行為的細(xì)節(jié)并將這些信息嵌入如故障樹等安全分析方法中。

　　二、研究目的和意義

　　為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加有效、準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)者和安全分析人員希望進(jìn)行一個(gè)完全的設(shè)計(jì)分析過程。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，安全分析能夠與系統(tǒng)設(shè)計(jì)并行從而確定所有可能的危害。如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段能夠馬上分析出威脅系統(tǒng)安全的各種設(shè)計(jì)故障，那么就能檢驗(yàn)系統(tǒng)能不能按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)行，進(jìn)而設(shè)計(jì)者就可以決定是否需要重新設(shè)計(jì)以及需要改進(jìn)原有的哪些不合理設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)時(shí)間和資源就會(huì)大大縮短。這些對(duì)于確定系統(tǒng)安全等級(jí)也是非常有必要的。盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行自動(dòng)安全分析的工具，但是現(xiàn)有的安全分析工具卻是與設(shè)計(jì)過程分離的，并且在工程周期中安全分析的結(jié)果是明顯滯后的。如果能把安全分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行的話，那么就能解決以上問題，并能盡早的認(rèn)可設(shè)計(jì)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(yīng)用。系統(tǒng)和安全工程師可以通過采用一個(gè)基于模型的系統(tǒng)研發(fā)過程來共享相同的系統(tǒng)模型，通過加入故障模型以及一定比例可控的物理系統(tǒng)，對(duì)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(tǒng)安全分析方法相比，MBSA技術(shù)的應(yīng)用能夠使安全分析更好地契合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有力保證了安全分析的準(zhǔn)確性。MBSA技術(shù)還為安全分析自動(dòng)化提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，可以顯著提髙分析效率，有效地縮短工程工期，節(jié)省成本。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　FSAP/NuSMV-SA平臺(tái)提供了一個(gè)在設(shè)計(jì)階段和安全評(píng)估階段都可以使用的統(tǒng)一環(huán)境，自動(dòng)將失效模式擴(kuò)充到系統(tǒng)模型中去，在系統(tǒng)正常和故障的情況下都可以進(jìn)行安全評(píng)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(fù)雜系統(tǒng)的建模和安全評(píng)估更簡(jiǎn)單，也縮短了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(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(tái)，它通過安全分析任務(wù)(SafetyAnalysisTask,SAT)管理器提供了一個(gè)圖形用戶界面。而NuSMV-SA支持系統(tǒng)仿真和標(biāo)準(zhǔn)模型檢測(cè)，如屬性檢查和反例生成[7]。另外，系統(tǒng)中的算法可以自動(dòng)進(jìn)行可靠性分析，如故障樹生成，該平臺(tái)可以從系統(tǒng)模型和失效模式定義自動(dòng)推導(dǎo)出故障樹。FSAP/NuSMV-SA提供了一些預(yù)定義的失效模式，用戶可以從下拉菜單中為某個(gè)輸入或輸出選定一個(gè)預(yù)定義的失效模式。選定了失效模式之后，用戶就對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行故障注入來生成一個(gè)新的擴(kuò)展模型。擴(kuò)展模型被用于后面的系統(tǒng)安全評(píng)估。FSAP采用詳盡的狀態(tài)空間分析來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(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有最小割集。相比起人工故障樹分析來說，這個(gè)能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確更完全的分析。但是盡管FSAP具有如此強(qiáng)大的功能，它生成的故障樹卻并不直觀，故障樹可能很寬但只有兩層深，并不像用傳統(tǒng)方法生成的故障樹一樣與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。所以可能會(huì)影響安全工程師對(duì)故障樹的理解進(jìn)而拒絕接受整個(gè)工具。

　　Galileo是美國弗吉尼亞大學(xué)開發(fā)的一款釆用DIFTree(DynamicInnovativeFaultTree)分析方法的動(dòng)態(tài)故障樹繪制和分析工具[8]。由于容錯(cuò)系統(tǒng)的故障模式取決于組件和子系統(tǒng)的故障順序另外還存在著共因故障，所以動(dòng)態(tài)故障樹就在傳統(tǒng)的靜態(tài)故障樹的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展來適應(yīng)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)故障樹分析技術(shù)結(jié)合起來。Galileo中具有目前被廣泛應(yīng)用的商業(yè)化組件，使工程師能夠編輯和顯示故障樹的文本和圖形形式，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)故障樹分析工具，并不是故障樹生成工具，它可以與故障樹自動(dòng)生成工具結(jié)合起來使用，例如文中前面提到的FSAP。FSAP生成的故障樹就可以輸入到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(tǒng)研究組開發(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(fù)雜系統(tǒng)的綜合評(píng)估[9]。采用經(jīng)典FMEA方法的變形方法IF-FMEA(InterfaceFocused-FMEA)來分析系統(tǒng)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(duì)其他組件產(chǎn)生的失效做出反應(yīng)，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(tǒng)功能失效如何從底層組件失效模式開始傳播，分析結(jié)果以故障樹形式記錄，并能進(jìn)行最小割集和故障樹定量計(jì)算。但是Hip-HOPS的故障樹生成完全依賴于IF-FMEA表格，用戶需要先精確構(gòu)建IF-FMEA表格，生成的故障樹也似乎只是用戶定義在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)研究與開發(fā)的戰(zhàn)略計(jì)劃)的一個(gè)重要組成部分，由來自歐洲三個(gè)國家的五大研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合參與，旨在增加歐洲髙技術(shù)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力，在國際上具有重要影響。HIDE的設(shè)計(jì)者們同樣認(rèn)為有效的設(shè)計(jì)過程需要進(jìn)行早期概念驗(yàn)證和架構(gòu)選擇，這樣可以避免在后期還需進(jìn)行系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的驗(yàn)證過程而浪費(fèi)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(shè)計(jì)工具集可以與建模和分析工具結(jié)合使用，來及時(shí)評(píng)估幵發(fā)的系統(tǒng)是否滿足既定目標(biāo)HIDE體系與本文所做的工作比較類似，同樣是對(duì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UML模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但是HIDE的目標(biāo)是將UML模型轉(zhuǎn)化成時(shí)間petri網(wǎng)(TPNs)，而本文的目標(biāo)是將其轉(zhuǎn)化成為動(dòng)態(tài)故障樹(DynamicFaultTree)。

　　四、本文研究的主要內(nèi)容

　　為了提高安全荀求系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低開發(fā)和設(shè)計(jì)成本，應(yīng)將安全分析過程同步于軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的整個(gè)過程中。本文使用了工程實(shí)踐中設(shè)計(jì)人員更方便使用的統(tǒng)一建模語言UML來描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，并引入了構(gòu)造型的方法來擴(kuò)展UML模型使其能更好的描述安全茍求系統(tǒng)的特征。采用國際公認(rèn)的故障樹分析法對(duì)其進(jìn)行安全分析，并在原有故障樹分析法基礎(chǔ)上加入了冷備門和熱備門兩種動(dòng)態(tài)邏輯門形成動(dòng)態(tài)故障樹模型，以解決傳統(tǒng)分析方法不能很好的描述安全茍求系統(tǒng)冗余特點(diǎn)的問題。不僅如此，本文還提出了一種UML模型到動(dòng)態(tài)故障樹DFT的轉(zhuǎn)換方法，這是本文最主要的貢獻(xiàn)。首先定義了UML模型的形式化語法并使用構(gòu)造型對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了擴(kuò)展語義與故障樹的映射關(guān)系，對(duì)UML建模軟件生成的EMX文件進(jìn)行了研究，開發(fā)了一個(gè)將UML模型轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)故障樹的自動(dòng)轉(zhuǎn)換算法，并將本文幵發(fā)的算法應(yīng)用到列車超速防護(hù)ATP系統(tǒng)的模型轉(zhuǎn)換和分析中，分析和驗(yàn)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(chǔ)，設(shè)計(jì)師們可以在設(shè)計(jì)模型中加入自己的安全標(biāo)準(zhǔn)，而安全工程師們也能很好的了解設(shè)計(jì)師所要表達(dá)的安全理念。

　　五、寫作提綱

　　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(nèi)外研究現(xiàn)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?jī)?nèi)容16

　　1.4論文結(jié)構(gòu)16-18

　　2基于模型的安全分析方法18-29

　　2.1統(tǒng)一建模語言UML19-22

　　2.1.1UML基礎(chǔ)知識(shí)20-21

　　2.1.2IBMRationalSoftwareArchitect建模工具21

　　2.1.3UML模型的擴(kuò)展機(jī)制21-22

　　2.2傳統(tǒng)的安全分析方法22-25

　　2.2.1危險(xiǎn)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故障樹分析法24-25

　　2.3動(dòng)態(tài)故障樹分析法25-28

　　2.3.1動(dòng)態(tài)邏輯門26-27

　　2.3.2故障樹構(gòu)建方法27-28

　　2.4本章小結(jié)28-29

　　3模型擴(kuò)展設(shè)計(jì)及故障樹生成方法29-42

　　3.1UML建模與擴(kuò)展方法30-35

　　3.1.1類及其屬性和操作的擴(kuò)展方法30-31

　　3.1.2類的基數(shù)的擴(kuò)展方法31

　　3.1.3類的關(guān)系的擴(kuò)展方法31-32

　　3.1.4使用構(gòu)造型擴(kuò)展故障描述語義32-35

　　3.2模型信息提取算法35-41

　　3.2.1XML定義及構(gòu)成35-36

　　3.2.2LINQ與XML36-37

　　3.2.3根據(jù)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(shè)計(jì)38-41

　　3.3本章小結(jié)41-42

　　4故障樹生成算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)42-57

　　4.1動(dòng)態(tài)故障樹生成算法步驟43-50

　　4.2UML模型到故障樹自動(dòng)生成軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)50-52

　　4.3提出的方法與HIP-HOPS對(duì)比52-56

　　4.4本章小結(jié)56-57

　　5列控車載ATP系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)及求解57-67

　　5.1列控車載ATP系統(tǒng)組成57-59

　　5.2車載ATP系統(tǒng)建模及擴(kuò)展59-61

　　5.3故障樹自動(dòng)生成61-64

　　5.4本章小結(jié)64-67

　　6結(jié)論與展望67-69

　　6.1主要工作與結(jié)論67

　　6.2工作展望67-69

　　參考文獻(xiàn)69-72

　　六、目前已經(jīng)閱讀的主要文獻(xiàn)

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