[论文解读] Towards Verification of Constituent Systems through Automated Proof

Luís Diogo Couto, Simon Foster+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Formal Methods in Verification参考文献 9被引用 7

一句话总结

本文提出了一种通过自动化证明（利用集成在Symphony工具平台中的定理证明器插件（TPP）和证明义务生成器（POG））来验证系统中系统（SoS）组成系统的框架。通过利用Isabelle/HOL自动处理从CML模型导出的证明义务（如先决条件、后置条件和不变量），该方法实现了合同合规性的形式化验证，从而通过机器可检查的证明支持可信赖SoS的构建。

ABSTRACT

This paper explores verification of constituent systems within the context of the Symphony tool platform for Systems of Systems (SoS). Our SoS modelling language, CML, supports various contractual specification elements, such as state invariants and operation preconditions, which can be used to specify contractual obligations on the constituent systems of a SoS. To support verification of these obligations we have developed a proof obligation generator and theorem prover plugin for Symphony. The latter uses the Isabelle/HOL theorem prover to automatically discharge the proof obligations arising from a CML model. Our hope is that the resulting proofs can then be used to formally verify the conformance of each constituent system, which is turn would result in a dependable SoS.

研究动机与目标

• 通过自动化证明实现对系统中系统（SoS）组成系统（CSs）的形式化验证。
• 解决在语义异构、独立控制的组成系统中确保合同合规性的挑战。
• 开发一个与CML形式化建模语言和Symphony工具平台集成的证明义务生成器（POG）和定理证明器插件（TPP）。
• 利用Isabelle/HOL支持组成系统模型的机械验证，确保先决条件、后置条件和不变量的正确性。
• 通过组合已验证的组成系统接口并利用规约与合同组合，为端到端的SoS属性验证奠定基础。

提出的方法

• 证明义务生成器（POG）从CML模型中提取形式化验证目标，包括先决条件、后置条件、类型不变量和状态不变量。
• 定理证明器插件（TPP）使用Isabelle/HOL自动处理POG生成的证明义务。
• 该框架基于统一的UTP（统一编程理论）语义基础构建，确保仿真、模型检测和形式化验证工具之间的一致性。
• 证明义务以基于霍尔演算和最弱前置条件语义的形式逻辑表达，支持对状态转换和系统行为的推理。
• 该方法支持基于规约的验证，其中组成系统被形式化规约，其合同义务通过自动化证明进行检查。
• 与Isabelle/HOL的集成使高级证明自动化工具（如sledgehammer和nitpick）得以应用，从而提高证明处理效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何自动地从CML模型中生成并处理证明义务，以验证组成系统正确性？
• RQ2 Isabelle/HOL在VDM家族工具链中多大程度上能有效集成，以支持SoS组成系统的自动化形式化验证？
• RQ3 如何组合单个组成系统的正式验证，以确保整体SoS的正确行为？
• RQ4 需要何种机制才能将验证从组成系统级别扩展到SoS级别，以确保全局系统属性的保留？
• RQ5 当证明义务无法被处理时，如何诊断证明失败并为用户提供指导？

主要发现

• POG和TPP插件成功地从CML模型中生成并处理了证明义务，实现了对先决条件、后置条件和不变量等合同属性的自动化验证。
• 将Isabelle/HOL集成到Symphony平台中，为VDM家族工具中的形式化验证提供了新颖且有效的途径。
• 采用基于UTP的语义确保了仿真、模型检测和形式证明之间的一致性，增强了对验证结果的信任。
• 该框架支持基于规约的开发，允许在系统演化和组件替换过程中进行形式化正确性证明。
• 该方法能够独立验证组成系统，为未来端到端的SoS验证奠定了基础。
• 目前正在扩展证明演算以包含霍尔逻辑和最弱前置条件语义，这将支持对系统行为和状态转换的更深层次推理。