[论文解读] The SysML/KAOS Domain Modeling Approach

Steve Tueno, Régine Laleau+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Service-Oriented Architecture and Web Services参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文提出了一种SysML/KAOS领域建模方法，通过将基于OWL的本体与Event-B形式语义相结合，确保在安全关键系统需求中的一致性和可追溯性。通过使用可重用的分层本体建模领域知识，并将其与SysML/KAOS目标模型关联，该方法能够通过Event-B规格说明对需求进行形式化验证，已在Cycab自动驾驶车辆定位案例研究中得到验证。

ABSTRACT

A means of building safe critical systems consists of formally modeling the requirements formulated by stakeholders and ensuring their consistency with respect to application domain properties. This paper proposes a metamodel for an ontology modeling formalism based on OWL and PLIB. This modeling formalism is part of a method for modeling the domain of systems whose requirements are captured through SysML/KAOS. The formal semantics of SysML/KAOS goals are represented using Event-B specifications. Goals provide the set of events, while domain models will provide the structure of the system state of the Event-B specification. Our proposal is illustrated through a case study dealing with a Cycab localization component specification. The case study deals with the specification of a localization software component that uses GPS,Wi-Fi and sensor technologies for the realtime localization of the Cycab vehicle, an autonomous ground transportation system designed to be robust and completely independent.

研究动机与目标

• 解决SysML/KAOS在安全关键系统中缺乏形式化语义和可追溯性的问题。
• 通过将本体与SysML/KAOS目标模型集成，实现一致、可重用且可形式化验证的领域建模。
• 通过父-子本体关系支持领域模型的分层细化，以增强模块化和可重用性。
• 通过将领域模型与Event-B规格说明关联，弥合非形式化需求建模与形式化验证之间的差距。
• 通过粘合不变量和形式化谓词，为SysML/KAOS提供显式语义和证明义务机制。

提出的方法

• 定义基于OWL的本体形式化元模型，用于在SysML/KAOS中表示领域知识。
• 使用Event-B正式指定SysML/KAOS目标的语义，系统状态结构源自领域模型。
• 引入粘合不变量，以在细化过程中捕获抽象变量与具体变量之间的关系，支持证明义务的表达。
• 通过父-子本体关系实现分层领域建模，支持重用与模块化扩展。
• 使用基于OWL的概念和关系表示领域概念（例如，GPS、Wi-Fi、传感器）及其关系（例如，车辆-子组件、验证）。
• 通过标注重用元素的父领域模型名称，确保在不同抽象层次间实现可追溯性和模块化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对SysML/KAOS中的领域知识进行形式化建模，以支持安全关键系统中的一致性和可追溯性？
• RQ2 哪些机制能够实现SysML/KAOS目标模型与基于Event-B的形式语义的集成？
• RQ3 如何在SysML/KAOS中构建并跨抽象层次链接分层的、可重用的领域本体？
• RQ4 粘合不变量在维护领域模型与目标模型细化过程中的一致性方面发挥什么作用？
• RQ5 如何使用形式化谓词和约束来表达本体中特定领域的关联关系与依赖关系？

主要发现

• 所提出的SysML/KAOS领域建模方法成功将基于OWL的本体与形式化的Event-B规格说明相结合，实现了从需求到形式化模型的可追溯性。
• 分层领域模型在细化层次间被有效重用，子模型继承并扩展了父模型的概念，这在Cycab定位案例研究中得到了验证。
• 粘合不变量被用于形式化捕获细化过程中抽象变量与具体变量之间的关系，支持证明义务的表达。
• 该方法使得SysML/KAOS目标的形式化语义能够从领域模型中推导得出，系统状态结构由本体中概念与关系的定义所决定。
• 案例研究表明，诸如传感器验证和定位计算等领域知识可精确地使用OWL构造进行建模，并与目标细化关联。
• 该方法通过将每个细化目标与其对应的领域模型关联，支持复杂目标模型的分解，确保了各层次间的一致性。