[论文解读] Modeling Physical/Digital Systems: Formal Event-B vs. Diagrammatic Thinging Machine

Sabah Al‐Fedaghi|arXiv (Cornell University)|May 20, 2020

Model-Driven Software Engineering Techniques参考文献 15被引用 8

一句话总结

本文对比了形式化 Event-B 与图示化投掷机（Throwing Machine, TM）在物理/数字系统建模中的应用，以桥梁交通为案例研究。结果表明，尽管 Event-B 通过集合论与一阶逻辑提供严谨的形式化验证，TM 则通过五种核心操作与事件实现直观、分层的可视化，表明两者在软件工程系统建模中具有互补优势。

ABSTRACT

Models are centrally important in many scientific fields. A model is a representation of a selected part of the world, which is the model s target system. Here, a system consists of a software portion as a component among many others. Event-B is a modeling method for formalizing and developing systems whose components can be modeled based on set theory and first-order logic. The thinging machine (TM) is a diagram-based model establishes three levels of representation: (1) a static structural description, which is constructed upon the flow of things in five generic operations (activities; i.e., create, process, release, transfer, and receive); (2) a dynamic representation, which identifies hierarchies of events based on five generic events; and (3) a behavioral representation according to the chronology of events. This paper is an exercise in contrasting the formal Event-B to the diagrammatic TM. The purpose is to further understand modeling in computer science. This is motivated by the claim that computer scientists should not invent specific languages to do the modeling. Important notions such as events and behavior are contrasted, and a case study system of traffic on a bridge is modeled in Event-B and TM. The results seem to indicate the need for both modeling approaches.

研究动机与目标

• 对比形式化 Event-B 与图示化投掷机（Throwing Machine, TM）作为物理/数字系统建模方法的适用性。
• 评估每种方法在表达事件、行为与系统结构方面的适用性。
• 探究形式化与图示化方法是否在复杂物理/数字系统建模中均为必要。
• 通过 Event-B 与 TM 对桥梁交通进行建模的案例研究，提供对比分析。

提出的方法

• 基于集合论与一阶逻辑，使用 Event-B 对桥梁交通系统进行形式化规格说明。
• 在 TM 中使用五种通用操作（创建、处理、释放、转移、接收）构建静态结构描述。
• 通过五种通用事件的分层结构，构建 TM 的动态表示。
• 基于事件的时间顺序，构建 TM 的行为表示。
• 将两种方法应用于同一案例研究，以实现直接对比。
• 使用 18 幅图示，展示两种建模方法在结构、动态与行为方面的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 Event-B 与投掷机（Throwing Machine）在表示系统组件与交互方面有何不同？
• RQ2 形式化建模（Event-B）与图示化建模（TM）在捕捉系统行为方面各有哪些优势与局限？
• RQ3 形式化与图示化建模方法能否在复杂物理/数字系统建模中有效共存？
• RQ4 TM 中的五种通用操作与事件如何促进对系统的理解，相较于 Event-B 的形式化逻辑有何优势？
• RQ5 桥梁交通的案例研究为形式化与图示化方法的实际应用提供了哪些启示？

主要发现

• Event-B 通过集合论与一阶逻辑，为系统规格说明提供了数学上严谨的基础。
• TM 通过五种核心操作与事件，提供了系统结构、动态与行为的可视化、分层表示。
• 案例研究显示，两种方法提供了互补的洞察：Event-B 通过形式化验证确保正确性，而 TM 则增强了直观理解。
• 结果表明，形式化与图示化建模方法在系统开发中具有不同但宝贵的作用。
• 两种方法的整合可能在软件工程中产生更稳健且更易理解的系统模型。