UPPAAL使用方法

UPPAAL使用方法

由于刚开始学习时间自动机及其使用方法,对UPPAAL使用不太熟悉,网上能找到的教程很少,摸索了很久终于成功实现一个小例子,所以记录一下详细教程。

这里用到的例子参考【UPPAAL学习笔记】1:基本使用示例,详细信息可自行有链接查看,本文重点手把手教学UPPAAL方法,本人也是刚开始学习,有不足或理解有误的情况欢迎指出。

下面使用几个小例子展示使用 UPPAAL建模,验证的方法。

简单迁移

建模

首先,打开UPPAAL 后,【文件】→【新建模型】

新建模型如下所示:

需要建的模型如下图,为一个简单的TS模型

在【编辑器】的模板(【Template】)中,右侧通过添加位置、顶点(钉子)和边进行建模。

位置用名称和不变量标记。通过下面红框修改位置类型

通过【编辑location】,在【名字】处为位置命名,在【Invariant】处编辑不变量

通过下图添加位置

以相同的方法,将其命名为end,通过下图添加边,边用守卫条件(Guard)(例如,e == id)、同步(Sync)(例如,go?)和赋值(Update)(例如,x:=0)标记。

创建模型如下,可以在红框处修改模板名字,添加参数

在【模型声明】处将模型实例化,得到Process,此处实例化Template(),名称与模板名称相同,由于此处模板没有参数,故()内为空

cpp 复制代码
// Place template instantiations here.
Process = Template();
// List one or more processes to be composed into a system.
system Process;

建模完成后,对模板进行语法检查,点击【工具】→【检查语法】,若右下角没有消息,则语法无误,可继续进行模拟或验证。

模拟

在【模拟器】中可以看到这个模型

选中例化对象Process,点击【下一步】,就可以往下走

当TS走到end状态后就无路可走了,故【使能迁移】里也没有选项了

验证

在【验证器】中,点击【添加】,在【待验证性质】中输入待验证性质

性质描述意义如下:

  • E<> p:存在一条路径,其中最终成立p,可达属性()。
  • A[] p:对于所有路径,始终成立p,安全属性(安全属性的形式是:某些坏事永远不会发生)。
  • E[] p:存在一条路径,其中始终成立p,安全属性。
  • A<> p:对于所有路径,最终将成立p,活性属性(活性属性的形式是:某些事最终会发生)。
  • p --> q:每当成立p时,最终将成立q,活性属性。

    此处验证两条性质:
    E<> Process.end
    A<> Process.end

依次对性质进行验证,选中需验证的性质,点击【开始验证】即可。验证结果在下方【验证进度与结果】中。

此处,E<> Process.end表示存在一条路径,未来能让实例Process到达end状态,显然,验证结果通过;
A<> Process.end表示对所有路径,都能在未来让实例Process达到end状态,验证结果不通过。因为一个TS的Guard条件通过,只表示"这条迁移可以发生",但不代表一定会发生,可能存在一直停留在start状态的情况,而不发生这条唯一的迁移,因此不满足这条性质。

若想让迁移在一定条件下一定发生,可以为状态设置不变性,一旦不变性不满足,就无法停留在这个状态,迫使其进行迁移。

互斥进入临界区

新增内容为:

  1. 边的标记方法
  2. 模板参数设置及实例化

建模

模型如下图

同步通道和时钟控制

新增内容:

  1. 模板参数设置及实例化
  2. 一个项目中使用两个进程模板
  3. 为状态添加不变性条件

建模

模型如下图所示

需建立两个模板,新建模板方法为:【编辑】【添加模板】

建模方法同上,对边的标记方法为:右键需标记的边,选择【编辑edge】

依次填写,Guard(守卫条件,如,x>=2e == id),同步通信(Sync,如,go?reset?),赋值(Update,如,x:=0e:=id

建立模型如下图。

模板P1是一个自循环,Guard条件x>=2时进行Sync(同步通信),往通道reset上发送重置信号(!表示发送,?表示接收)

模板Obs(意为Observer,观察者),行为就是接收到通道reset上的信号之后,就将全局变量x设置为0(其实是表示时钟重置,要从后面声明的地方看出这一点):

这里要注意taken上有个C,因为它勾选了Commited,被标记Commited的状态会冻结时间流逝,而且下一次转移一定从某个Commited状态开始(要把所有冻结时间的状态走出去,才能考虑普通的状态),如果多个状态被标Commited,它们就按Interleaving算。

模型声明部分,这里可以不去显式做例化(为啥?),直接两个模板拿来用:

cpp 复制代码
// Place template instantiations here.
// Process = Template();
// List one or more processes to be composed into a system.
system P1, Obs;

设置全局变量(全局的【声明】),其中,x是时钟(clock),reset是通道(chan):

cpp 复制代码
// Place global declarations here.
clock x;
chan reset;

模拟

语法检查通过就可以去模拟,就是P1发信号然后Obs重置然后再回来,因为taken状态被标Commited,所以到必须使Obs走出这个状态才能桀纣往下走,即图中红框部分:总是先让Obs回到idle状态。

验证

此处验证两条性质:
A[] Obs.taken imply x>=2,即对所有路径的所有状态都有,如果Obs到达了taken状态,一定有时钟x满足x>=2,验证是通过的,因为x>=2才能发信号到reset通道上,让Obs同步接收之后进到taken状态。
E<> Obs.idle and x>3,即存在某个路径上某个状态,Obsidle状态闲置时就有x>3了,验证也是通过的。这条性质直观上可能让人感觉不能通过(因为x>=2P1迁移的条件),但是回想最开始学的,这些Guard条件满足时只表示"迁移可以发生",而不是一定会发生,所以P1完全可以x超过3了还不发生迁移,也就不会往reset发信号,所以Obs也就处在最开始的idle状态了。

为状态添加不变性条件

对上述E<> Obs.idle and x>3性质的验证通过,是因为可以一直停留在某个状态,要解决这个问题,可以为状态添加一个有关时钟的不变性条件 ,当时间流逝使得这个条件不满足时,就不得不离开这个状态,发生迁移。

在模板P1中编辑位置loop(双击或右键编辑),在【Invariant】里添加x<=3,为P1loop状态添加了x<=3的限制,也就是说它最多可以在这里停留到时钟流到3,就必须执行迁移到别的状态去了.

验证性质A[] Obs.taken imply (x>=2 and x<=3),即只要Obs到了taken状态,时钟x一定在23之间,验证通过。

验证性质E<> Obs.idle and x>2,即可能Obsidle状态时,时钟x是大于2的,验证通过。因为这个也是满足loopx不超过3的不变性的,完全可以等到2.999...

但是它对性质E<> Obs.idle and x>3就是不满足的了,因为一旦x>3P1就必须从loop迁移走,发出的信号让Obs也同步离开idle

参考文献

【1】【UPPAAL学习笔记】1:基本使用示例

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