国际Petri网理论与应用最新研究进展

第29届Petri网应用与理论及其他并发模型国际会议(简称PETRI NETS 2008)于2008年6月在西安召开。对会议论文集收录的全部23篇论文进行了研究和综述,从模型检测理论与应用、Petri网的步语义问题、Petri网合成、Petri网展开、Petri网建模与验证、Petri网工具等方面归纳介绍了当前国际Petri网理论与应用研究的最新进展与发展趋势。

PPTL模型检测器实现的一个关键技术

针对命题线性时序逻辑表达能力有限的问题,设计并开发了基于SPIN(Simple Promela interpreter)验证系统的命题投影时序逻辑(PPTL)模型检测器.将协议元语言(ProMeLa)描述的系统转换为系统自动机,将PPTL公式表达的性质转换为性质自动机,通过判定系统与性质自动机的积自动机接受的语言是否为空来判断系统是否满足性质.PPTL模型检测器修改了SPIN的匹配机制,从而改进了验证算法,使得PPTL模型检测器支持有穷和无穷模型的验证.实验结果表明,该模型检测器可以减少无效验证产生的无效迹数目,有效地实现PPTL模型检测.

Streett自动机确定化工具

自动机的确定化是将非确定性自动机转换为接收相同语言的确定性自动机,是自动机理论的基本问题之一.ω自动机的确定化是诸多逻辑,如SnS,CTL*,μ演算等,判定过程的基础,同时也是解决无限博弈求解问题的关键,因此对ω自动机确定化的研究具有重要意义.主要关注一类ω自动机——Streett自动机的确定化.非确定性Streett自动机可以转换为等价的确定性Rabin或Parity自动机,在前期工作中已经分别得到了状态复杂度最优以及渐进最优算法,为了验证提出的算法的实际效果,也为了形象地展示确定化过程,开发一款支持Streett自动机确定化的工具是必要的.首先介绍4种不同的Streett确定化结构:μ-Safra tree和H-Safra tree(最优)将Streett确定化为Rabin自动机,compact Streett Safra tree和LIR-H-Safra tree(渐进最优)将Streett确定化为Parity自动机;然后,根据Streett确定化算法,基于开源工具GOAL(graphical tool for omega-automata and logics),实现了Streett确定化工具NS2DR&PT,以支持上述4种结构;最后,通过随机生成100个Streett自动机,构造相应的测试集,进行对比实验,结果表明各结构状态复杂度的实际效果与理论论证一致,此外,对运行效率也进行了比较分析.

分布式软件系统交互行为建模、验证与测试

为了确保分析与设计阶段分布式软件系统中模块之间交互行为的正确性,提出了一种分布式软件系统模块交互的抽象方法,分别通过系统状态机图和对象状态机图对各模块状态变迁进行建模,使用UML2.0序列图对模块之间交互行为进行描述.采用基于命题投影时序逻辑的模型检测技术,将对象状态机图转换为Promela模型,系统交互性质转换为命题投影时序逻辑公式,通过模型检测器验证交互模型是否满足于系统的性质,若不满足于该性质,则能够获得反例执行的路径.给出了一个分布式软件系统测试框架,在验证后的序列图模型基础上,使用基于模型的测试用例自动生成方法得到测试用例集合,该集合能够实现对交互行为的有效测试.实例结果表明,该方法可以提高分布式软件系统中模块交互行为的有效性和可靠性.

基于事件确定有限自动机的UML2.0序列图描述与验证

为了确保软件分析与设计阶段UML2.0序列图模型的可靠性,采用命题投影时序逻辑(propositional projection temporal logic,简称PPTL)模型检测方法对该模型进行分析和验证.提出了事件确定有限自动机(event deterministic finite automata,简称ETDFA),并使用该自动机为序列图建立形式化模型,通过给出的基于ETDFA的PPTL模型检测算法得到验证结果.该方法可以在基于Spin的PPTL模型检测器的支持下实现.实例结果表明,该方法可以验证序列图的性质并保证其可靠性.

一种基于扩展有限自动机验证组合Web服务的方法

为简化并自动化组合Web服务验证提出一种基于扩展有限自动机(extended deterministic finite automata,简称EDFA)验证组合Web服务的方法.使用EDFA可以准确地描述Web服务:EDFA的状态表达Web服务在与用户交互的过程中维护的状态;EDFA的状态转移及其标注描述Web服务与用户间的消息交换.EDFA给出Web服务交互过程的所有消息交换序列,刻画出Web服务的动态行为.使用基于EDFA的组合Web服务验证方法不但可以验证组合Web服务是否满足系统需求,还可以验证组合Web服务运行过程是否有逻辑错误与其他方法相比,该方法更适于验证开放式环境下的组合Web服务.

量子遗传算法在Web服务选择中的应用

为了提高Web服务选择效率,首先提出了一种树形结构组合服务服务质量计算模型,采用二叉树表示组合服务中的任务(抽象服务)及依赖关系,自底向上逐层汇聚服务质量属性,通过树形结构避免了大量的重复计算,减少了组合服务服务质量的计算时间.然后提出了一种基于量子遗传算法的服务选择方法,采用二维多量子比特编码染色体,并附加标志位表示多路径信息,用量子旋转门实现个体的进化.对比实验结果表明,相对于传统遗传算法,基于量子遗传算法的服务选择方法能在更短的时间内得到更好的解.

BPEL流程建模中的交叠模式分析与转换

由图形化流程建模语言生成可执行的业务流程语言(business process execution language,简称BPEL)时,对于源模型中顺序与并发结构交织的情况(称为交叠模式),传统的复制相关活动方法缺少系统分析及形式化描述.针对这一现状,提出基于工作流网的UML活动图生成BPEL方法,以自由选择工作流网作为活动图的理论基础,利用活的、有界的自由选择网系统的合成规则,定义合理的自由选择工作流网中的两种交叠模式,针对其中一种给出复制相关活动的形式化转换方法,并借助Petri网的并发正则表达式证明转换等价性,说明另一种交叠模式中复制相关活动方法的适用范围.针对BPEL流程建模及图形化流程语言生成块状语言过程中的交叠模式转换问题,给出形式化的描述与解决方法.

着色Petri网模型检测工具的扩展及其在Web服务组合中的应用

Web服务组合的形式化描述和验证是一个重要的研究问题.为了更好地完成验证工作,提出了扩展着色Petri网的模型检测方法.首先,在着色Petri网原有的基于CTL的局部模型检测算法基础上,给出了获取模型检测证据/反例的算法,并在着色Petri网模型检测工具——CPNTools——中使用ML(metalanguage)语言实现了这些算法,然后将扩展后的CPN模型检测工具应用在Web服务组合的验证问题中.该方法不仅可以验证Web服务组合是否存在逻辑错误,还能告诉用户发生错误的原因,为Web服务组合的验证提供了技术上的保障.实验表明对着色Petri网的模型检测工具的扩展是正确、有效的.

Einstein谜的SAT求解

Einstein谜,亦称Zebra谜,是爱因斯坦在20世纪初提出的,他说世界上有98%的人答不出来。该问题是一个典型的逻辑推理题,可以通过SAT求解给出问题的答案。现将Einstein谜转换成SAT求解问题,并使用当前流行的SAT求解器,如MinSat,对Einstein谜进行自动求解。

使用扩展区间时序逻辑为并发工作流建模

针对集中式体系结构并发工作流的两种运行方式(活动并发执行和活动以任意顺序执行),对区间时序逻辑进行扩展,提出两个新操作符"交错"和"限制性交错".根据工作流状态的偏序关系以及逻辑公式连接前后其模型的长度关系,证明用新操作符连接的区间时序逻辑公式适于表示并发工作流.结合一个并发工作流实例,说明如何用扩展区间时序逻辑表示活动及由活动组建的并发工作流,从而得到并发工作流的区间时序逻辑模型.利用并发工作流的区间时序逻辑模型验证并发工作流的活性和安全性,可大大提高并发工作流设计的可靠性.

应用UML2.0模型的测试用例生成方法

针对软件开发过程中测试自动化程度低的问题,在研究基于模型的测试用例生成技术的基础上,提出了一种基于UML2.0序列图与用例描述的测试用例生成方法.采用事件确定有限自动机来描述系统序列图,通过命题投影时序逻辑的模型检测技术,验证了自动机模型的正确性.使用自动机模型与用例描述来生成测试用例,该用例满足事件与全路径覆盖准则.通过对图书管理系统的分析表明,该方法不仅能够提高软件的测试效率,而且还确保了针对管理员的执行动作所产生的测试用例的正确性.

自由选择工作流网的可靠完备化简规则集

流程化简技术是一种重要的商业流程模型分析方法.已有的非形式化化简方法因缺乏理论基础而无法保证完备性.基于Petri网的化简方法应用范围不针对流程模型因而不能保证可靠性.提出了针对自由选择工作流网的一个可靠完备化简规则集,可靠性保证化简过程中这类模型的行为正确性被保持,完备性保证任意一个正确的此类工作流网最终都能被化简为最简形式.基于化简规则集给出可靠完备的合成规则集,用于流程模型的设计与精化.

面向对象的时序逻辑语言

针对时序逻辑语言缺少面向对象概念的现状,对投影时序逻辑进行了扩展,介绍了新的语法和语义。在扩展投影时序逻辑中,基于变量集合的层次化和谓词的分组,给出了对象、类和继承等概念的形式化定义。扩展投影时序逻辑的一个可执行子集被定义为面向对象的时序逻辑语言FramedTempura++,它能够用于面向对象的程序设计,可以模拟组合Web服务的执行。所给出的实例表明,该语言与FramedTempura相比,能有效地重用代码,提高了代码的可读性和可维护性。

移动环境中的位置依赖连续轮廓查询

针对移动环境中查询点快速移动时连续、高效输出给定搜索区域数据轮廓的问题,提出一种位置依赖连续轮廓查询算法(LDCS).该算法结合数据流技术,首先使用R树快速更新查询数据,然后利用两次连续计算时搜索区域的重叠性构造被动数据流,并对新增和失效数据分别进行处理,从而连续输出轮廓.由于充分利用了已有结果,LDCS的计算量较传统算法有大幅下降.实验结果表明,LDCS特别适合计算频度要求较高的场合,与基于网格索引的算法相比,时间效率随着数据集规模的增大显著提升.

面向投影时序逻辑的Web服务模型检测

为了满足Web服务的可靠性,利用投影时序逻辑的模型检测方法来验证Web服务.利用投影时序逻辑的一个可执行子集对OWL-S进行建模,用命题投影时序逻辑来描述期望的性质.模型M和性质P统一以投影时序逻辑来表示,通过判定M蕴含P的有效性,即判定M和非P的合取的不可满足性,亦利用M和非P的正则形可构造合取式的正则图,判定合取的不可满足性,从而达到模型检测的目的.通过运行实例表明,所提模型检测器可验证Web服务系统性质,保证Web服务的可靠性.

一种基于Petri网的自动Web服务组合算法

为了自动获得性能最优的Web服务组合方案,提出一种自动Web服务组合算法.该方法根据用户的组合需求和已有的Web服务,自动生成服务组合的数据流模型,并用Petri网描述;通过抽取Petri网中变迁之间以及变迁序列之间的各种并发关系,得到性能最佳的Web服务组合方案,并将最佳方案转换为业务过程执行语言的抽象模板.与已有方法相比,该方法能有效地获得性能最佳的具有控制流结构的组合方案.

框架投影时序逻辑程序设计语言中的指针

针对框架投影时序逻辑程序设计语言Framed Tempura,提出了一种形式化指针及其实现的新方法.该方法扩展了投影时序逻辑,基于名字常量给出了指针引用和反引用的形式化定义,再使用框架操作符和极小模型,给出了指针在投影时序逻辑的可执行子集Framed Tempura中的实现方法.原地逆置单链表的实例说明该方法是切实可行的.

基于扩展投影时序逻辑的组合Web服务描述与验证

针对编制方式生成的组合Web服务需要用一个工作流引擎执行这个特征,对投影时序逻辑进行了扩展,并用扩展投影时序逻辑描述和验证组合Web服务.将组合Web服务视为一个基于过程的工作流,将工作流引擎与组合Web服务组成部分的一次不可分割的消息交互抽象为一个原子过程.用扩展投影时序逻辑公式描述原子过程,用扩展投影时序逻辑操作符定义过程组合规则、连接过程描述公式,得到组合Web服务描述公式.通过模拟组合Web执行,可验证组合Web服务满足系统的需求和性质,为提高组合Web服务设计的可靠性提供了依据.

有穷时间投影时序逻辑的完备公理系统

为采用定理证明的方法对并发及交互式系统进行验证,研究了有穷论域下有穷时间一阶投影时序逻辑(projection temporal logic,简称PTL)的一个完备公理系统.在介绍PTL的语法、语义并给出公理系统后,提出了PTL公式的正则形(normal form,简称NF)和正则图(normal form graph,简称NFG).基于NF给出了NFG的构造算法,并利用NFG可描述公式模型的性质证明PTL公式的可满足性判定定理和公理系统的完备性.最后,结合实例展示了PTL及其公理系统在系统验证中的应用.结果表明,基于PTL的定理证明方法可方便用于并发系统的建模与验证.