[論文レビュー] Plant model generation from event log using ProM for formal verification of CPS

Midhun Xavier, Victor Dubinin+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Business Process Modeling and Analysis被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ProMとアルファアルゴリズムを用いて、イベントログから形式的プラントモデルを自動生成し、IEC 61499準拠の関数ブロックに変換する手法を提案する。これにより、サイバーフィジカルシステム（CPS）における形式的検証が可能となり、fb2smvとNuSMVを含むツールチェーンを通じてエンドツーエンドの検証が実現され、シミュレートされた分散型製造システムにおいてシステムレベルの誤りを効果的に検出できた。

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.

研究の動機と目的

• ランタイムのイベントデータと形式的システムモデルの間のギャップを埋めること。
• OPC UAでシミュレートされたイベントログからプロセス動作を自動抽出できること。
• 発見されたプロセスモデルからIEC 61499準拠の関数ブロックを生成すること。
• 記号的モデルチェックを用いて閉ループCPS動作の形式的検証を支援すること。
• 産業制御システム向けに再現可能でツールベースの検証パイプラインを提供すること。

提案手法

• OPC UAプロトコルを用いて、分散型製造システムのビジュアルシミュレーションからイベントログを収集する。
• ProMにおけるアルファアルゴリズムを用いて、イベントトレースからペトリネット形式のプロセスモデルを発見する。
• 発見されたペトリネットモデルを、IEC 61499基準に準拠した基本関数ブロックに同等に変換する。
• 独自開発のfb2smvコンバータを用いて、IEC 61499関数ブロックをNuSMVへの入力に適した記号的モデルに変換する。
• NuSMVを用いて形式的検証を実施し、システムプロパティを検査し、誤った動作の反例を生成する。
• 全パイプラインをツールチェーンに統合し、CPS制御論理の自動検証を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シミュレートされたCPSのイベントログから、検証に適した形式的プラントモデルを自動生成できるか？
• RQ2 アルファアルゴリズムは、分散型製造システムにおけるイベントログから、意図した制御動作をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 発見されたペトリネットモデルから、IEC 61499準拠の関数ブロックをどの程度自動で導出できるか？
• RQ4 得られたモデルは記号的モデルチェックを用いて形式的検証可能であり、論理的矛盾や安全でない状態を検出できるか？
• RQ5 統合されたツールチェーンは、システムレベルの誤りを特定・報告するためにどの程度効果的か？

主な発見

• プロセスマイニング技術により、シミュレートされた製造システムの制御論理を正確に反映するペトリネットモデルが成功裏に再構築された。
• 生成された関数ブロックモデルはIEC 61499基準に準拠しており、相互運用性と形式的解析が可能となった。
• fb2smvコンバータにより、関数ブロックモデルをNuSMVと互換性のある形式にシームレスに変換できた。
• NuSMVによる形式的検証で、閉ループシステムにおける潜在的なレースコンディションや状態の不整合が検出された。
• 反例が正常に生成され、可視化され、制御論理の最適化に役立つ具体的なインサイトが得られた。
• 提案されたツールチェーンは、ランタイムのイベントデータからCPSの形式的検証を自動で実行するエンドツーエンドの実現可能性を示した。