[논문 리뷰] Modelling and Verification of Multiple UAV Mission Using SMV

Gopinadh Sirigineedi, Antonios Tsourdos외 2명|CERES (Cranfield University)|2010. 03. 01.

Formal Methods in Verification참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Kripke 모델과 SMV 모델 체커를 사용한 CTL 성질을 활용해 다중 무인항공기(UAV) 협동 탐색 임무를 위한 형식적 검증 프레임워크를 제안한다. UAV 행동, 환경적 위협, 상호 UAV 조율을 모델링하여 안전성 및 생존성 성질을 검증하였으며, 성공적으로 교착 상태를 탐지하고 모든 지정된 시간 논리 성질이 참임을 확인하였다.

ABSTRACT

Model checking has been used to verify the correctness of digital circuits, security protocols, communication protocols, as they can be modelled by means of finite state transition model. However, modelling the behaviour of hybrid systems like UAVs in a Kripke model is challenging. This work is aimed at capturing the behaviour of an UAV performing cooperative search mission into a Kripke model, so as to verify it against the temporal properties expressed in Computation Tree Logic (CTL). SMV model checker is used for the purpose of model checking.

연구 동기 및 목표

• 다중 UAV가 협동 탐색 임무를 수행하는 행동을 Kripke 구조를 사용해 형식적으로 모델링하는 것.
• 계산 트리 논리(CTL)를 사용해 임무 핵심 안전성 및 생존성 성질을 검증하는 것.
• 자동 모델 체킹을 통해 잠재적 교착 상태 및 시스템 장애를 탐지하는 것.
• 복잡한 동시성 UAV 운영을 검증하는 데 SMV를 사용하는 것이 가능함을 보여주는 것.
• 임무 핵심 UAV 시스템의 정확성을 보장하기 위한 형식적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• UAV 임무는 상태, 전이 및 환경 상호작용을 포괄하는 Kripke 구조로 모델링된다.
• 상태 변수는 UAV 위치, 헤딩, 위협 존재 여부 및 다른 UAV의 이동 선택을 나타낸다.
• 비결정적 변수는 외부 위협과 다른 UAV의 결정을 모델링하여 불확실성을 반영한다.
• SMV 모델 체커를 사용해 안전성, 운동 규칙, 교착 방지와 같은 CTL 성질을 검증한다.
• 시간 논리 공식을 사용해 성질을 인코딩하며, 조건부 행동을 위해 AG(항상) 및 함의를 포함한다.
• 교착 상태 시나리오는 '최소한 하나의 자유 셀이 존재' 조건을 위반함으로써 시뮬레이션되며, 실패 케이스를 검증하기 위해 트레이스가 생성된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Kripke 모델은 탐색 임무 중 다수의 협동 UAV 행동을 정확하게 표현할 수 있는가?
• RQ2 SMV 모델 체커는 CTL로 표현된 핵심 안전성 및 운동 제어 성질을 검증할 수 있는가?
• RQ3 위협이나 혼잡으로 인해 UAV가 진행할 수 없는 잠재적 교착 상태 시나리오를 모델이 탐지할 수 있는가?
• RQ4 예를 들어 정확한 헤딩 행동 및 위협 회피와 같은 지정된 시간 논리 성질이 참으로 검증되었는가?
• RQ5 형식적 방법, 예를 들어 모델 체킹은 UAV 임무 소프트웨어의 전통적 테스트를 대체하거나 보완하는 데 효과적으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• SMV에 의해 지정된 모든 CTL 성질, 운동 규칙 및 위협 회피를 포함해 참으로 검증되었다.
• 모든 인접 셀에 위협이 존재할 경우 교착 상태 시나리오가 성공적으로 탐지되었으며, 이는 시스템이 진행할 수 없음을 확인했다.
• Intel 2.2 GHz 프로세서에서 사용자 시간 0.046875초, 시스템 시간 0.015625초 내에 검증이 완료되었다.
• 모든 시스템 경로에서 UAV가 항상 90° 또는 270°의 헤딩을 유지한다는 성질이 참으로 확인되었다.
• 안전성 성질인 'UAV는 위협이 있거나 다른 UAV에 의해 점령된 셀에 진입하지 않는다'는 성질이 정확하게 검증되었다.
• SMV는 교착 상태 사례의 트레이스를 생성하였으며, 그림 11에서 시각적으로 확인되었으며, 이는 모델이 시스템 장애를 폭 드러낼 수 있음을 보여주었다.