[논문 리뷰] Plant model generation from event log using ProM for formal verification of CPS

Midhun Xavier, Victor Dubinin외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 07.

Business Process Modeling and Analysis인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ProM과 알파 알고리즘을 사용하여 이벤트 로그에서 형식적 식물 모델을 자동으로 생성하고, 이를 IEC 61499 기준 기능 블록으로 변환하여 사이버-물리 시스템(CPS)에서 형식적 검증을 수행하는 방법을 제안한다. 이 방법은 fb2smv와 NuSMV를 포함한 툴체인을 통해 엔드 투 엔드 검증을 가능하게 하여 시뮬레이션된 분산 제조 시스템에서 시스템 수준의 오류를 성공적으로 탐지한다.

ABSTRACT

This paper introduces the concept of plant model generation from the recorded traces of events using the process mining technique. The event logs are obtained by visually simulating a simple distributed manufacturing system using the OPC UA communication protocol. The process discovery alpha algorithm is used to extract the process model in Petri net format. The system behavior represented in terms of Petri net is then fed to construct the ECC of the basic function block in compliance with IEC 61499 standard using the proposed notation. Finally, the formal verification of the closed-loop system is done with the help of a tool chain that consists of fb2smv converter, symbolic model checker NuSMV, and other tools for representing counter-examples.

연구 동기 및 목표

• 런타임 이벤트 데이터와 형식적 시스템 모델 간 격차를 메우기 위해 CPS 검증을 위한 목적으로.
• OPC UA 시뮬레이션 이벤트 로그에서 프로세스 행동을 자동으로 추출하기 위해.
• 발견된 프로세스 모델에서 IEC 61499 준수 기능 블록을 생성하기 위해.
• 기호적 모델 체킹을 통해 피드백 루프 CPS 행동의 형식적 검증을 지원하기 위해.
• 산업 제어 시스템을 위한 재현 가능하고 툴 기반의 검증 파이프라인 제공하기 위해.

제안 방법

• 분산 제조 시스템의 시각적 시뮬레이션을 통해 OPC UA 프로토콜을 사용하여 이벤트 로그를 수집한다.
• ProM 내의 알파 알고리즘을 적용하여 이벤트 트레이스에서 피트리 넷 형식의 프로세스 모델을 발견한다.
• 발견된 피트리 넷 모델을 IEC 61499 표준에 부합하는 기본 기능 블록으로 등가로 변환한다.
• 사용자 정의 fb2smv 컨버터를 통해 IEC 61499 기능 블록을 NuSMV 입력용 기호적 모델로 변환한다.
• NuSMV를 사용하여 시스템 성질을 검증하고 오류 행동에 대한 반례를 생성한다.
• 전체 파이프라인을 툴체인으로 통합하여 CPS 제어 논리의 자동 검증을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시뮬레이션된 CPS의 이벤트 로그로부터 자동으로 검증에 적합한 형식적 식물 모델을 생성할 수 있는가?
• RQ2 알파 알고리즘이 분산 제조 시스템의 이벤트 로그에서 의도된 제어 행동을 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 발견된 피트리 넷 모델에서 IEC 61499 준수 기능 블록을 얼마나 자동으로 유도할 수 있는가?
• RQ4 결과 모델을 기호적 모델 체킹을 통해 사용하여 논리적 모순이나 안전하지 않은 상태를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 통합된 툴체인이 시스템 수준의 오류에 대해 반례를 효과적으로 식별하고 보고하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 프로세스 마이닝 기법을 통해 시뮬레이션된 제조 시스템의 제어 논리를 정확하게 반영하는 피트리 넷 모델을 성공적으로 재구성하였다.
• 생성된 기능 블록 모델은 IEC 61499 표준을 준수하여 상호 운용성과 형식적 분석을 가능하게 하였다.
• fb2smv 컨버터를 통해 기능 블록 모델을 NuSMV와 호환되는 형식으로 원활하게 변환할 수 있었다.
• NuSMV를 이용한 형식적 검증을 통해 피드백 루프 시스템 내 잠재적인 레이스 컨디션과 상태 불일치를 탐지하였다.
• 반례가 성공적으로 생성되고 시각화되어 제어 논리 개선을 위한 실질적인 통찰을 제공하였다.
• 제안된 툴체인이 런타임 이벤트 데이터로부터 CPS의 자동 형식적 검증을 위한 엔드 투 엔드 타당성을 입증하였다.