Formal Modeling and Analysis of Timed Systems 时间系统的形式建模与分析/会议录 pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:第1版 (2006年1月1日)

作者:Paul Pettersson

出品人:

页数:303

译者:

出版时间:2006-1

价格:542.40元

装帧:平装

isbn号码:9783540309468

丛书系列:

图书标签:

形式化建模
时间系统
实时系统
并发系统
模型检测
验证
Petri网
时间逻辑
形式化方法
系统分析

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具体描述

《Formal Modeling and Analysis of Timed Systems》：he LCS series reprs sae-f-he-ar resuls i cmpuer sciece research, develpme, ad educai, a a high level ad i bh pried ad elecric frm. Ejyig igh cperai wih he RD cmmuiy,wih umerus idividuals, as well as wih presigius rgaizais ad scieies, LCS has grw i he ms cmprehesive cmpuer sciece research frum available.

he scpe f LCS, icludig is subseries LAI ad LBI, spas he whle rage f cmpuer sciece ad ifrmai echlgy icludig ierdiscipliary pics i a variey f applicai fields. he ype f maerial published radiially icludes.

-prceedigs (published i ime fr he respecive cferece)

-ps-prceedigs (csisig f hrughly revised fial full papers)

-research mgraphs (which may be based usadig PhD wrk,research prjecs, echical reprs, ec.)

《时间系统的形式建模与分析》：探寻精确性与可靠性的基石在快速发展的现代科技领域，尤其是在那些对实时性、同步性和可靠性有着严苛要求的关键系统中，如何精确地描述、验证和优化其行为至关重要。从航空航航天、自动驾驶到工业控制、医疗设备，乃至物联网和分布式计算，系统的时间特性不仅影响着其功能正确性，更直接关系到安全性和效率。面对日益复杂的系统设计，传统的测试和调试方法已显得力不从心。正是在这样的背景下，《时间系统的形式建模与分析》应运而生，它提供了一套强大而严谨的理论框架和工具，用以应对时间驱动系统的挑战。本书汇聚了在该领域具有深厚造诣的专家学者们的最新研究成果，深入探讨了时间系统的形式化方法。它不仅仅是一本介绍理论的教材，更是一份凝聚了研究前沿思想的会议录，旨在促进学术交流，推动该领域的技术进步。本书的读者群体广泛，包括但不限于计算机科学、软件工程、电气工程、控制理论等专业的研究人员、研究生以及对高可靠性系统设计感兴趣的工程师。第一部分：核心概念与建模范式本书的开篇，旨在为读者奠定坚实的基础，深入剖析时间系统形式建模的基石。 1. 时间的本质与离散/连续时间模型：在形式化建模中，对“时间”的理解至关重要。我们首先需要区分两种基本的时间概念：离散时间与连续时间。离散时间模型通常将系统状态的变化限定在特定的时间点，例如在时钟周期发生的事件，或者通过计数器累积的事件。这适用于数字电路、离散事件仿真等场景。而连续时间模型则认为时间是流动的、不可分割的，系统状态可以在任意时刻发生变化，这更贴近物理世界的真实动态，常用于建模模拟电路、物理过程等。离散时间：时钟周期与事件驱动：探讨如何在固定时间步长下对系统行为进行建模，以及事件触发状态转移的机制。定时器与延时：关注如何精确描述操作的持续时间和事件之间的延迟，这对于保证系统的实时响应至关重要。离散事件系统（DES）：介绍一种重要的建模范式，其状态仅在离散的、不确定的时间点发生变化，时间的流逝由事件调度器管理。连续时间：微分方程与代数方程：介绍如何使用数学方程来描述系统状态随时间连续变化的规律，这是分析连续动态系统的标准方法。混合系统：很多实际系统兼具离散和连续的特性，例如，一个机器人（连续运动）在接收到指令（离散事件）后改变其运动模式。本书将探讨如何将这两种模型相结合，形成混合动力系统（Hybrid Dynamical Systems）的建模方法。 2. automata 及其在时间系统中的扩展：状态机（Finite Automata）是描述系统行为的经典工具，它通过状态和转移来表示系统的演化。在时间系统的分析中，标准的有限状态机需要进行扩展，以有效地捕捉时间信息。定时自动机 (Timed Automata - TA)：这是时间系统形式化建模中最具代表性的模型之一。定时自动机在标准有限状态机的基础上引入了“时钟”变量。时钟可以测量从某个事件发生后经过的时间。状态转移的发生不仅取决于当前状态，还取决于时钟变量满足的特定时间约束（例如，“当x > 5秒时，可以从状态A转移到状态B”）。时钟约束：详细介绍如何定义时钟的初始值、时钟的增长以及在状态转移时对时钟变量施加的逻辑约束。区域（Regions）和抽象：由于时钟变量是连续的，直接分析可能非常复杂。本书将介绍将连续时钟区域离散化为有限数量的“区域”，从而可以使用有限状态自动机的方法进行分析，尽管这可能引入一定的抽象。具名时钟 (Named Clocks)：探讨如何使用具名时钟来增强模型的表达能力，使其能够更好地映射到实际系统的并发组件。更丰富的定时模型：除了标准的定时自动机，本书还会介绍其他一些更具表现力的定时模型，以应对更复杂的系统特性，例如：具有优先级的定时自动机：允许某些事件或转移比其他事件具有更高的优先级，从而在并发执行中解决冲突。时态逻辑 (Temporal Logic)：介绍如何使用时态逻辑来表达关于系统执行路径上的时间属性，例如“系统最终会到达某个状态”或“系统在任何时候都不会超过某个阈值”。 3. 并发与同步：现代时间系统通常由多个相互作用的组件构成，它们以并发的方式运行，并通过某种机制进行同步。并发模型：组合 (Composition)：探讨如何将多个独立的定时系统模型组合起来，形成一个描述整体系统行为的联合模型。这通常涉及到并行组合和同步组合。过程代数 (Process Algebra)：介绍像CCS（Calculus of Communicating Systems）或CSP（Communicating Sequential Processes）这样的代数方法，它们提供了强大的工具来描述和分析并发进程之间的交互和通信。同步机制：消息传递 (Message Passing)：描述系统组件之间如何通过发送和接收消息来进行通信和协调，尤其是在异步或同步的网络环境中。共享变量 (Shared Variables)：分析多个组件通过访问和修改共享变量来同步和交互的场景，需要注意锁、信号量等同步原语的使用。事件同步 (Event Synchronization)：探讨如何基于共同的事件来协调并发组件的行为，确保它们按照预期的顺序执行。第二部分：分析技术与工具在建立了时间系统的形式化模型之后，接下来的关键是如何对这些模型进行有效的分析，以验证其正确性和可靠性。 1. 模型检查 (Model Checking) 技术：模型检查是一种自动化的验证技术，它通过系统地探索所有可能的系统执行来检查系统是否满足给定的属性。状态空间爆炸问题：解释为什么在分析大型或复杂的系统时，状态空间的规模会呈指数级增长，导致模型检查难以进行。规约 (Abstraction) 与归约 (Reduction)：抽象：介绍如何通过移除不相关的细节来创建系统的简化模型，从而减小状态空间。有界模型检查 (Bounded Model Checking - BMC)：探讨一种将模型检查限制在有限步数内的技术，适用于查找特定类型的错误。符号模型检查 (Symbolic Model Checking)：介绍使用二元决策图（BDDs）等符号数据结构来表示状态集合，从而避免显式地生成和存储所有状态。时态逻辑性质的验证：安全性属性 (Safety Properties)：验证“不好的事情永远不会发生”，例如，“系统永远不会进入死锁状态”或“传感器读数永远不会超出安全范围”。活性属性 (Liveness Properties)：验证“好的事情最终会发生”，例如，“系统最终会响应用户的请求”或“某个任务最终会被完成”。时态逻辑公式 (Temporal Logic Formulas)：介绍如LTL（Linear Temporal Logic）和CTL（Computation Tree Logic）等时态逻辑语言，以及如何将系统属性转化为这些逻辑公式，然后由模型检查器进行验证。 2. 定时分析技术：与一般的模型检查不同，定时分析特别关注系统的时间性能和调度。响应时间分析 (Response Time Analysis - RTA)：关注从某个事件发生到系统做出响应之间的最大可能延迟。这对于实时系统至关重要，例如，在截止时间内完成任务。死锁与活锁检测：死锁 (Deadlock)：系统中两个或多个进程相互等待，导致所有进程都无法继续执行的状态。活锁 (Livelock)：系统在持续活动但没有任何进程取得进展的状态。周期性调度分析：在周期性系统中，需要分析任务的执行是否能够按照预定的周期完成，以及是否存在资源争用导致错过截止时间。最坏情况执行时间 (Worst-Case Execution Time - WCET) 分析：估算程序或任务在最坏情况下所需的执行时间，这对于资源受限的实时系统尤为重要。 3. 验证工具与实践：本书将介绍一些在学术界和工业界广泛使用的形式化验证工具，并结合实际案例进行演示。 UPPAAL：一个广泛使用的模型检查工具，专门用于验证基于定时自动机的并发系统。它支持LTL和CTL性质的验证，并提供了直观的图形化建模界面。 NuSMV：一个通用的、强大的模型检查器，支持多种建模语言和验证算法。 InstaCheck：另一个用于验证定时系统的工具，可以处理更复杂的定时属性。实际案例分析：通过分析一些真实的系统，例如，飞机控制系统、列车调度系统、分布式传感器网络等，展示如何应用这些形式化方法和工具来发现潜在的设计缺陷，并提高系统的可靠性和安全性。第三部分：前沿研究与未来方向本书的另一重要组成部分，是呈现该领域最新的研究进展，并展望未来的发展趋势。 1. 概率性与随机性时间系统：现实世界中许多系统并非完全确定，而是包含随机因素。随机定时自动机 (Stochastic Timed Automata - STA)：探讨如何将概率分布引入定时自动机，以建模具有随机延迟或故障发生率的系统。随机模型检查：介绍如何对这些包含随机性的模型进行分析，例如，计算某个属性在特定概率下发生的可能性。 2. 组合与大型系统验证：随着系统规模的不断增大，如何有效地验证大型、复杂的系统成为一个挑战。分层验证 (Hierarchical Verification)：将大型系统分解为更小的、可管理的模块，并分别进行验证，然后组合验证结果。参数化模型检查 (Parameterized Model Checking)：允许在模型中包含参数（例如，进程的数量），并对参数化的系统进行验证，无需实例化所有参数。 3. 特定领域应用与集成：形式化方法在不同领域的应用不断深化，并与其他技术相结合。网络化控制系统 (Networked Control Systems - NCS)：分析控制信号通过网络传输时引入的延迟、丢包等问题，并使用形式化方法来保证其稳定性与安全性。安全关键系统 (Safety-Critical Systems)：重点关注在航空、医疗等领域的应用，强调形式化方法在保障系统绝对安全方面的作用。硬件/软件协同验证：探讨如何将硬件和软件组件的形式化模型进行有效集成，实现整体系统的验证。机器学习与形式化方法的结合：探索如何利用机器学习技术来辅助形式化验证过程，例如，自动生成模型或者预测潜在的错误。 4. 形式化方法在软件开发生命周期中的应用：将形式化方法从理论研究推向实际工程应用，贯穿于整个软件开发过程。需求规格说明的形式化：将模糊的需求转化为精确的形式化描述，以便进行验证。设计与实现的形式化验证：在设计和实现阶段就引入形式化方法，尽早发现和修复错误。测试用例的自动生成：利用形式化方法来生成具有更高覆盖率的测试用例。《时间系统的形式建模与分析》不仅是一份学术文献的集合，更是对如何构建更可靠、更安全、更高效的时间驱动系统的深度思考。它为读者提供了一个强大的思维工具箱，赋能他们在复杂系统中追求精确性与可靠性的终极目标。本书的每一章节都力求深入浅出，既能让初学者快速入门，也能让资深研究者从中获得启发，共同推动时间系统领域不断向前发展。