处理系统设计模型中的领域知识——基于本体论的方法

为了获得的目的图卢兹大学博士学位发布人：图卢兹国立理工学院（INP Toulouse）学科或专业：软件安全和高性能提交人和支持人：Kahina Hacid2018年3月6日星期二标题：处理系统设计模型中的领域知识。基于本体论的方法。博士学校：图卢兹数学、计算机科学、电信（MITT）研究单位：图卢兹计算机科学研究所（I.R.I.T.）论文主任：M.亚明恋爱了报告员：M. ANTOINE BEUGNARD，布列塔尼电信营，布雷斯特，巴黎第12大学，评审团成员：M. Dominique Mery，洛林大学校长M. LAURENT ZIMMER，达索航空公司，成员M. YAMINE AIT AMOUR，INP TOULOUSE，成员i摘要复杂的系统模型是在异构域中设计的，在描述和验证过程时很少明确考虑这种异构性。此外，这些系统通常涉及多个领域专家和多个设计模型，它们对应于对同一系统的不同分析（观点）。然而，无论是域还是执行的系统分析，都没有给出关于特征的明确信息。在我们的论文中，我们提出了一个用于复杂系统模型强度优化和多视图分析的通用框架。首先，我们提供了使用本体对领域知识进行形式化的方法，其次，我们提供了通过对本体中形式化的领域知识进行显式引用来增强设计模型的能力。实际上，这个框架提供了资源，通过在合格的模型中将分析的特征形式化为"观点"，来使分析的特征变得明确。我们已经为我们的方法建立了两个部署：基于模型驱动工程（MDE）的部署和基于证明和再完善的正式方法。该通用框架已应用于工程领域的几个案例研究。已经开发并部署了与我们在MDE和形式化方法设置中的方法部署相对应的原型。基于MDE的技术的实验已经在特定的工程中进行航空电子系统领域。本论文中介绍的工作是AME Corac- Panda项目和ANR-IMPEX项目的一部分iii确认文件我想向所有帮助我并为完成这篇论文做出贡献的人表示感谢。首先，我要感谢我的博士主任亚明·艾特-阿穆尔为我提供了一个关于这样一个有趣研究问题的博士职位。他的指导帮助我在研究和写这篇论文的时候我还要感谢他的领导，并将我与ANR-IMPEX和AME-CORAC PANDA研究项目联系起来，这些项目处理的问题具有高度的科学意义，无疑丰富了我的工作和研究。我想真诚地感谢Regine Laleau和Antoine Beugnard，他们审查了这篇论文。感谢您仔细审查我的工作并提供宝贵的反馈和建设性建议。我也非常感谢多米尼克·梅里和洛朗·齐默同意成为我的辩护委员会的一部分。我想感谢那些我每天都很高兴与之一起成长和工作的同事。对博士生同事们，我想说，如果没有我们在一起的美好时光，工作就不会一样。我特别感谢Guillaume 在 我 攻 读 博 士 学 位 的 第 一 个 月 里 对 我 的 指 导 。 我 真 诚 地 感 谢Soukayna、Mathieu、Sarah和Alexandra的善良、支持和帮助。我非常感谢你们四个。非常感谢Sylvie Armengaud和Annabelle Sansus感 谢 他们高效和一丝不苟的工作，我能够享受我在ENSEEIHT的工作，而不必担心学术行政问 题 。我想对我的家人多年来对我的支持和不断的鼓励表示深切的感谢。特别是我的父母，他们一直非常支持我，在我的一生中，他们建造了无数的建筑物来帮助我走到这一步。谢谢你们对我的信任。毫无疑问，如果没有你，我不可能做到这一点，语言无法表达我对你的感激之情。iv.最后但并非最不重要的是，我想感谢阿德尔的坚定支持。在我攻读博士学位的整个过程中，他一直在我身边。我非常重视他的参与和他对我的信任。我非常感谢你不断的鼓励，耐心和所有宝贵的建议，帮助我度过了这么多的困难和压力的时间。v内容物I上下文1导言3问题陈述。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...4研究目标。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...4复杂系统设计方法。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...5模型驱动工程。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 5基于状态的形式化方法。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...6Event-B形式方法。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...6贡献。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ......8出版物。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ...8相关项目。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...91本体和领域知识111.1领域本体111.1.1一些基本特征121.1.2本体论示例131.2本体建模语言131.2.1主本体建模语言特征141.3工程中的本体161.4本体与 设计模型...............................................................................................17iv.1.5本体和注释171.6本体和多视图建模191.7论文大纲20II捐款232通用框架25内容vi2.1在设计和工程分析中处理领域知识全球办法252.2本体形式化262.3使用域模型增强设计模型：一种基于注释的方法2.4多视图建模292.5文凭案例研究312.5.1学生注册的其他要求312.5.2一般框架在文凭案例研究中的应用322.6结论333通用框架：MDE设置353.1本体形式化353.23.33.44一般框架：Event-B正式方法设置554.1本体形式化554.1.1浅模型564.1.2深度建模：语境中的本体语言形式化4.1.3我们的本体形式化：深度建模使用域模型增强设计模型：注释基于38的方法3.2.1步骤1. 领域知识形式化。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...383.2.1.1文凭案例研究的本体。 . . . . . ...383.2.2步骤2. 型号规格和设计。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...403.2.2.1文凭案例研究的设计模型。 . . . ...403.2.3步骤3. 模型注释。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...... ... ... ... ...413.2.3.1用于模型注释的核心类。 . . . . . . . . . ...423.2.3.2模型注释：确定了三个案例。 . . . . . ...433.2.3.3文凭案例研究注释。 . . . . . . . ...443.2.4第四步 属性验证。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...453.2.4.1文凭案例研究验证。... ... ... ... ... ... ... ...46多视图建模473.3.1核心模型元素473.3.1.1步骤1. 视点定义模型。... ... ... ... ... ...483.3.1.2步骤2. 系统设计模型定义。... ... ... ... ... ... ...503.3.1.3步骤3. 建造景观。... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...50vii内容4.1.3.1规范概念584.1.3.2非规范概念604.1.3.3本体论关系作文634.1.4本体的一个例子644.1.4.1的本体：Is_a和等价性644.1.4.2的本体：使用限制运算符654.1.5演绎规则和定理674.2使用域模型增强设计模型：一种基于注释的方法4.2.1步骤1. 领域知识形式化.........................................................................68文凭案例研究的本体694.2.2步骤2. 型号规格和设计........................................................................ 69Diplomas案例研究的设计模型4.2.3步骤3. 模型注释...................................................................................72文凭案例研究注释734.2.4第四步。 属性验证............................................................................... 74文凭案例研究验证744.3多视图建模744.3.1步骤1.视点模型..................................................................................... 74文凭案例研究75的观点4.3.2步骤2.系统设计模型............................................................................. 76文凭案例研究的设计模型774.3.3步骤3. 视图...........................................................................................77Diplomas工厂视图784.4全球事件B部署概述794.5结论805工具实施835.1MDE上下文835.1.1Eclipse建模框架835.1.2天狼星845.1.3基于MDE的工具创建工作流845.2基于MDE的实施855.2.1全球架构概述855.2.2实施详情855.2.3Ecore元模型86内容viii5.2.3.1模型注释工具87的实现5.2.3.2多视图分析工具90的实施5.3扩展1. 处理模型注释........................................................................................905.3.1创建注释项目905.3.2注释编辑器925.3.3由协会注释925.3.4案例注释935.4扩展2. 处理模型的多重分析............................................................................955.4.1查看编辑器955.4.2建筑景观965.5事件B上下文975.6第97章6嵌入式系统上的验证996.1航空电子实时案例研究996.2航空电子实时元模型100的注释6.2.1步骤1. 领域知识形式化..................................................................... 1006.2.2步骤2. 型号规格和设计..................................................................... 1026.2.3步骤3. 模型注释................................................................................ 1036.2.4航空电子实时丰富元模型1066.3多视图分析1096.3.1实时视点1096.3.2构建航空电子实时视图。.................................................................. 1106.3.3交换过程1126.4第112章第三章结论113结论115结论115观点116参考书目119ix图列表1基本定义：上下文、机器和证明义务。... . . . . .1.1......................................比萨本体论142.1工程模型设计和分析的通用框架。.......................................................................... 262.2处理模型中域知识的四步方法。282.3多视图建模的通用方法。...........................................................................................302.4学生信息系统的一般工作流程323.1本体建模语言元模型363.2等价关系：用OCL表示的传递性.................................................................... 373.3文凭本体论393.4工程学生模型。.................................................................................................403.5phdInscritpion约束的形式化.............................................................................413.6用于模型注释的核心类.....................................................................................423.7注释机制433.8学生模型的注释.................................................................................................453.9验证过程的算法463.10 OCL在注释后约束phdInscritpion.....................................................................473.11 学生信息系统模型实例。.................................................................................473.12 多视图建模的核心类483.13 从工厂的角度来看.............................................................................................493.14 迪普洛马斯工厂景观。.....................................................................................523.15 Diplomas工厂视图实例。................................................................................. 534.1全球事件B部署流程。.......................................................................................... 805.1创建基于EMF和Sirius的工具的工作流.......................................................... 845.2基于EMF和Sirius的解决方案的实施.............................................................. 855.3使用Eclipse EMF实施解决方案.......................................................................86内容x5.4Ecore元模型87x图列表5.5元模型注释885.6用于选择所需概念的视图元模型。.................................................................905.7创建注释项目。.................................................................................................915.8注释项目存储库。.............................................................................................915.9注释图。.............................................................................................................925.10 注释示例：关联。.............................................................................................925.11 关联注释：属性映射。.....................................................................................935.12 注释示例：Case_of。.......................................................................................945.13 Case_of属性编辑器。.......................................................................................945.14 视图编辑器概览.................................................................................................965.15 视图编辑器中必需的属性选择.........................................................................966.1实时分析的全球集成方法996.2航空电子平台本体1016.3航空电子实时元模型。...................................................................................1046.4Corac元模型注释的摘录................................................................................ 1056.5丰富的航空电子实时元模型。.......................................................................1076.6丰富的Corac元模型的示例。........................................................................ 1086.7实时视点。.......................................................................................................1096.8导入realTimePOS类。.....................................................................................1106.9使用从Corac导入的所需属性构建的视图模型元模型1116.10 已获取视图实例。...........................................................................................111xi第一部分背景3简介作为系统工程和复杂系统设计的一部分，由工程师设计的模型被置于被低估系统开发过程的中心工程师使用它们来描述、推理、分析、模拟、动画化、验证、验证等。系统在不同的环境、领域和上下文中运行。此外，这些模型对应于所研究系统的局部视图（例如功能性、实时性、能量、机械性、可靠性、架构等）。该工程开发过程导致针对同一系统的多个异构模型的产生。这些模型旨在处理特定分析。它们被称为"设计模型"。在这种情况下，除了建模语言之外，最重要的异质性因素是那些与所研究的子领域（所设计系统的实现和执行的环境和上下文）的信息、知识和假设相关的因素，这些因素被本工程开发过程隐含地考虑。然而，域知识信息通常不被显式地处理，因此不被显式地包括在与可能是关键系统的所设计的系统相关联的模型中。此外，建模语言没有配备可以支持域知识建模的运算符（或机制）。事实上，尽管这些模型是根据标准和良好实践开发的，但模型解释和验证需要大量知识，这是隐含的。因此，就初始要求而言，系统可能被认为是正确的，但是，如果与其应用程序域相关的信息未在设计模型中处理，则它可能会丢失其一些相关属性。将考虑允许执行两个整数变量X和Y（即X+Y）的加法的系统，如果来自其应用域状态的X以米为单位测量并且Y以英里为单位的信息是显式的，则该系统可以被无效。4最后，在大多数开发中，没有关于执行系统分析的特征的明确信息。实际上，系统开发人员通常仅将系统模型的一部分用于特定活动（要在模型上执行的分析），因此，设计模型的一些概念可能不用于给定的分析。例如，实时分析不需要被分析系统的所有功能概念给定模型分析所需的给定模型的概念没有明确的定义。此外，在执行模型分析时，系统开发人员没有明确描述他/她使用的分析。 为了做出设计决策，另一个系统开发人员需要与所实现的系统模型分析相关的完整信息和假设。 一个分析的结果可能会干扰另一个分析的输入和结果。可能需要有关分析所用方法、工具、属性的信息来更好地评估其相应的输出结果。例如，系统开发人员需要知道：什么是执行的模型分析（工具、方法、输入、输出等）？其他分析的假设是什么？已经分析了系统的哪些部分？问题陈述根据我们先前概述的观察，我们从工程设计过程中产生的一般研究问题可以表述为：如何在设计和系统设计模型的多视图分析中获得明确的领域知识？研究目标考虑到前面的讨论，我们的论文研究工作的目的是提出一个健全的和可操作的方法，设计模型的加强和多视图分析。将这一总体研究目标分解，我们在论文中提出了三个研究目标。1. 提供支持域知识边缘显式建模的正式框架。[RG1]2. 在领域知识模型和设计模型之间建立明确的链接或引用，从而表达[RG2]