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CPS系统动态行为在线建模与验证研究的开题报告
一、首要问题
1.1研究背景及意义
随着计算机技术和网络技术的不断发展，人们生活和工作中越来越多地涉及到复杂的计算机控制和信息交互系统。其中，具有重要意义的是控制、保障人类生命和财产安全的关键安全监测系统，如核电站和空中交通控制系统等。在保障安全的同时，这些系统往往需要满足实时性、可靠性、安全性等苛刻要求，且复杂程度十分高。
针对这些要求，不断有新的软件工程方法及工具被提出，其中模型检测和形式化验证是其中一种有效手段。它可以通过模拟系统行为并利用形式化语言描述并验证系统的性质，从而找到系统中隐藏的缺陷和bug，并帮助改进和优化系统。
然而，大多数模型检测和形式化验证研究工作都是基于系统的静态特性进行建模，难以有效发现系统的动态行为中存在的问题。因此，如何对复杂的控制、监测系统的动态行为进行在线建模和验证，成为了一个迫切需要解决的问题。
1.2研究目标
本研究的目标是探索一种针对复杂控制、监测系统动态行为在线建模和验证的方法。具体任务包括：
1）基于系统的实时数据，实时生成系统的行为模型，以便后续基于形式化语言对其进行描述和建模。
2）通过实时、动态地检测、记录、分析、描述系统的行为，探索一种适合于动态行为建模的数据结构。
3）针对这种数据结构，基于现有的形式化语言（如时序逻辑、Petri网络等）进行建模和验证。
4）应用所建立的模型与验证工具针对具体实际系统进行实践，并与现有工具进行比较，验证其可行性和优越性。
1.3研究内容
为达成上述目标，本研究将结合以下关键内容：
1）动态行为建模方法研究：本研究将分析和总结现有的动态行为建模方法，包括但不限于基于数据挖掘（如神经网络、决策树、序列模式、关联规则等）和基于模型检测（如动态符号执行、动态抽象等）的建模方法，并结合实际情况选择最合适的方法进行仿真与实验分析。
2）动态行为数据结构研究：本研究需要通过实验和数据分析，探索一种适用于复杂控制、监测系统动态行为的数据结构。该结构需要能够支持动态行为的高速、准确记录，且在建模和验证时具有高效和易用性。
3）形式化建模与验证方法研究：本研究将基于已有的形式化语言（如时序逻辑、Petri网络等）进行动态行为的建模和验证。特别地，本研究将关注于这些方法在动态行为建模中的适用性和效率。
4）案例分析与模型检测：本研究将利用所创建的动态行为模型实际应用于实际控制、监测系统，进行实践分析，并基于所创建的模型结合现有的模型检测工具进行检测和验证。
二、预期成果
预期本研究将取得以下科学贡献：
1）构建一种基于实时、动态行为检测的在线建模方法，使得所建模型更准确、更符合实际情况。
2）构建一种可用于动态行为建模的数据结构，使得所建模型更具弹性和鲁棒性。
3）探索和分析不同的形式化语言在动态行为建模中的适用性和限制。
4）基于所创建的模型进行实践分析，并与现有工具相比较，验证所提出方法的可行性。
三、研究计划及预算
1.4研究计划
本研究的计划如下：
第一年：调研和研究动态行为检测技术和数据结构，并建立简单的动态行为建模方法。
第二年：研究和实现控制、监测系统的动态建模方法，并设计动态行为数据结构。
第三年：研究和实现动态行为建模与验证方法，并将其应用到实际案例中。
第四年：实践和评估动态行为建模方法，对比各种方法的优缺点。
1.5预算
本研究预计所需经费：100万人民币。其中包括：设备费、人员工资、差旅费、出版费等。
四、预期的研究结果和目标的实现进展
我们预期这项研究将为控制、监测系统的动态行为在线建模和验证提供一种全新的解决方案，能够极大地提高系统的安全性和可靠性，为相关领域的工程师和科学家提供帮助。同时，本研究也将展示一种针对复杂系统动态行为的建模与验证思路，对计算机科学领域中重要问题提供新的思路。