复杂软件系统UML建模及向Event-B模型转换的工具和方法与流程

本发明涉及计算机软件工程技术领域，特别是一种复杂软件系统uml建模及向event-b模型转换的工具和方法。

背景技术：

在早期进行软件建模与设计，能够降低复杂软件系统，如复杂军事信息系统、信息物理融合系统cps等的开发难度，提高系统开发效率。其中，统一建模语言(unifiedmodelinglanguage,uml)是最常用、最直观的软件建模工具，uml类图能够直观显式的刻画软件的结构特征，uml活动图能够直观显式的刻画软件的行为特性。然而，uml不能很好地刻画复杂系统的层次结构，且uml是一种半形式化的建模语言，缺乏精确的语义，不能直接进行形式化的分析与验证，系统的可靠性难以保证。

event-b模型是一种用于系统级建模和分析的形式化方法，其有严格的数学基础，而且event-b能够以“逐步精化”的方式建模复杂系统，建模人员可以从抽象的需求规格开始，逐步引入更多的实现细节，最终完成系统的建模。由于其逐步精化的特点，使用event-b建模复杂软件系统，能够显著降低系统的建模难度。同时，使用event-b进行形式化分析，能够提高复杂软件系统的可靠性。但event-b建立在数理逻辑基础之上，直观性差，较难被一般软件建模人员理解和掌握。

鉴于uml与event-b在复杂软件系统建模方面有很强的互补性，将两种模型相融合用于复杂软件系统的建模，势必能够汲取uml直观易理解、event-b逐步精化与构造即正确的优点，但是目前尚未有相关的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够降低复杂软件系统的建模难度、提高复杂软件系统的开发效率的复杂软件系统uml建模及向event-b模型转换的工具和方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种复杂软件系统uml建模及向event-b模型转换的工具，该转换工具是指建立的复杂软件系统uml模型到event-b模型的转换工具uml2eventb，具体包括复合类图和复合活动图元模型、event-b元模型、atl模型转换引擎和基于eclipse平台的模型转换配置模块：

所述复合类图和复合活动图元模型，用于定义和规范复合类图和复合活动图模型的元素构成和元素之间的关系，其定义符合ecore元模型规范；

所述event-b元模型，用于定义和规范event-b模型的元素构成和元素之间的关系，其定义符合ecore元模型规范；

所述atl模型转换引擎，用于进行复合类图和复合活动图元素到event-b元素的逐一转换，其符合atl语言的语法和语义规范，且基于复合类图和复合活动图元模型和event-b元模型而构建；

所述基于eclipse平台的模型转换配置模块，用于实现复合类图和复合活动图模型到event-b模型的转换，其以复合类图和复合活动图元模型、event-b元模型、atl模型转换引擎、xmi格式的复合类图和复合活动图作为输入，通过debug调试生成xmi格式的event-b模型。

进一步地，所述复合类图和复合活动图元模型包括复合类图元模型c-class.ecore和复合活动图元模型c-activity.ecore：

所述复合类图元模型c-class.ecore，由抽象类abstract-class、类class、关系relationship、属性attribute、方法method构成，其中抽象类abstract-class能够分解为类class；

所述复合活动图元模型c-activity.ecore，由分区partition、活动activity、动作action、控制节点controlnodes构成，其中活动activity能够分解为多个子活动activity或动作action，由同一个分区partition管理。

进一步地，所述event-b元模型包括context元模型context.ecore和machine元模型machine.ecore：

所述context元模型context.ecore，由集合set、常量constant、公理axiom构成，其中公理axiom用于描述集合set与常量constant之间的关系；

所述machine元模型machine.ecore，由变量variable、不变式invariant、变式variant、事件event构成，其中事件event由卫式guard和动作action构成。

进一步地，所述atl模型转换引擎包括九条基于atl语言的uml模型到event-b模型的转换规则：

abstractclass2set、class2constant、relationship2axiom、attribute2variable、method2event、partition2event、activity2event、action2event、controlnode2guard。

一种复杂软件系统uml建模及向event-b模型转换的方法，包括以下步骤：

步骤1，基于复合类图和复合活动图，建立复杂软件系统的可视化uml模型；

步骤2，uml模型预处理；

步骤3，利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的uml模型转换为event-b模型；

步骤4，转换后的event-b模型后处理；

步骤5，建立复杂软件系统的形式化event-b模型。

进一步地，步骤1所述的基于复合类图和复合活动图，建立复杂软件系统的可视化uml模型，具体如下：

步骤1.1、扩展uml类图，添加抽象类abstract-class，定义一个复合类图为一个五元组c-cd:＝<c,ca,r,a,m>：其中，c表示类class；ca表示抽象类abstract-class，能够分解为多个类class；r表示类class与类class之间的连接关系relationship；a表示类class的属性attribute；m表示类class的方法method；

步骤1.2、扩展uml活动图，添加分区partition，定义一个复合活动图为一个五元组c-ad:＝<a,t,c,p,o>：其中，a＝aaction∪aactivity∪ai∪af，aaction表示动作action的集合，是最基本的活动activity，不能够再分解；aactivity表示活动activity的集合，能够被分解为子活动sub-activitie或动作action；ai和af分别表示初始活动和最终活动；t表示活动迁移activitytransition的集合，ta＝{t1,t2…tn}，活动迁移activitytransition需要满足约束；c表示有限控制节点controlnode的集合，用于控制活动的迁移；p表示有限分区partition的集合，一个活动分解成的多个子活动sub-activitie或动作action能够用一个分区partition进行管理和表示；o是对象object的有限集合，对象o是对类c的实例化instance；

步骤1.3、基于定义的复合类图和复合活动图，从抽象到具体，以逐层分解的方式建立复杂软件系统的可视化uml模型。

进一步地，步骤2所述的uml模型预处理，具体如下：

将建立的复合类图和复合活动图分别进行预处理，存储为标准的xmi格式。

进一步地，步骤3所述的利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的uml模型转换为event-b模型，具体如下：

步骤3.1、利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的复合类图转换为event-b的context模型，得到xmi格式的context文件；

步骤3.2、利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的复合活动图转换为event-b的machine模型，得到xmi格式的machine文件。

进一步地，步骤4所述的转换后的event-b模型后处理，具体如下：

将转换得到的xmi格式的context文件和machine文件进行后处理，完善缺失的要素，并分别存储为buc文件和bum文件。

进一步地，步骤5所述的建立形式化的event-b模型，具体如下：

将buc文件和bum文件载入event-b支撑工具rodin中，建立复杂软件系统的event-b模型。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)兼容eclipse平台，融合了uml直观易理解与event-b严谨易验证的优点；(2)降低了复杂软件系统的建模难度，提高了复杂软件系统的开发效率。

附图说明

图1是本发明复杂软件系统uml建模及向event-b模型转换的工具和方法的结构示意图。

图2是本发明中通过扩展uml构造复合类图和复合活动图的流程示意图，其中(a)为某负载均衡自适应软件系统构造复合类图的流程图，(b)为该软件系统构造复合活动图的流程图。

图3是本发明中复杂软件系统uml模型到event-b模型转换的流程示意图，其中(a)为待转换的复合类图片段示意图，(b)为转换后的event-b中context模型片段示意图，(c)为待转换的复合活动图片段示意图，(d)为转换后的event-b中machine片段模型示意图。

图4是本发明中对转换得到的event-b模型进行后处理的流程示意图，其中(a)为后处理得到的context模型示意图，(b)为后处理得到的machine模型示意图。

图5是本发明中的复合类图和复合活动图元模型的结构示意图，其中(a)为复合类图元模型umlclass.ecore的示意图，(b)为复合活动图元模型umlactivity.ecore的示意图。

图6是本发明中的event-b元模型的结构示意图，其中(a)为context元模型context.ecore的结构示意图，(b)为machine元模型machine.ecore的结构示意图。

图7是本发明中的atl模型转换引擎的结构示意图，其中(a)为复合类图到context的转换规则引擎的结构示意图，图7(b)为复合活动图到machine的转换规则引擎的结构示意图。

图8是本发明中的模型转换配置模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明复杂软件系统uml建模及向event-b模型转换的工具，其特征在于，该转换工具是指建立的复杂软件系统uml模型到event-b模型的转换工具uml2eventb，具体包括复合类图和复合活动图元模型a、event-b元模型b、atl模型转换引擎c和基于eclipse平台的模型转换配置模块d：

所述复合类图和复合活动图元模型a，用于定义和规范复合类图和复合活动图模型的元素构成和元素之间的关系，其定义符合ecore元模型规范；

所述event-b元模型b，用于定义和规范event-b模型的元素构成和元素之间的关系，其定义符合ecore元模型规范；

所述atl模型转换引擎c，用于进行复合类图和复合活动图元素到event-b元素的逐一转换，其符合atl语言的语法和语义规范，且基于复合类图和复合活动图元模型a和event-b元模型b而构建；

所述基于eclipse平台的模型转换配置模块d，用于实现复合类图和复合活动图模型到event-b模型的转换，其以复合类图和复合活动图元模型a、event-b元模型b、atl模型转换引擎c、xmi格式的复合类图和复合活动图作为输入，通过debug调试生成xmi格式的event-b模型。

进一步地，所述复合类图和复合活动图元模型a包括复合类图元模型c-class.ecorea-1和复合活动图元模型c-activity.ecorea-2：

所述复合类图元模型c-class.ecorea-1，由抽象类abstract-class、类class、关系relationship、属性attribute、方法method构成，其中抽象类abstract-class能够分解为类class；

所述复合活动图元模型c-activity.ecorea-2，由分区partition、活动activity、动作action、控制节点controlnodes构成，其中活动activity能够分解为多个子活动activity或动作action，由同一个分区partition管理。

进一步地，所述event-b元模型b包括context元模型context.ecoreb-1和machine元模型machine.ecoreb-2：

所述context元模型context.ecoreb-1，由集合set、常量constant、公理axiom构成，其中公理axiom用于描述集合set与常量constant之间的关系；

所述machine元模型machine.ecoreb-2，由变量variable、不变式invariant、变式variant、事件event构成，其中事件event由卫式guard和动作action构成。

进一步地，所述atl模型转换引擎c包括九条基于atl语言的uml模型到event-b模型的转换规则：

abstractclass2set、class2constant、relationship2axiom、attribute2variable、method2event、partition2event、activity2event、action2event、controlnode2guard。

一种复杂软件系统uml建模及向event-b模型转换的方法，包括以下步骤：

步骤1，基于复合类图和复合活动图，建立复杂软件系统的可视化uml模型；

步骤2，uml模型预处理；

步骤3，利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的uml模型转换为event-b模型；

步骤4，转换后的event-b模型后处理；

步骤5，建立复杂软件系统的形式化event-b模型。

进一步地，步骤1所述的基于复合类图和复合活动图，建立复杂软件系统的可视化uml模型，具体如下：

步骤1.1、扩展uml类图，添加抽象类abstract-class，定义一个复合类图为一个五元组c-cd:＝<c,ca,r,a,m>：其中，c表示类class；ca表示抽象类abstract-class，能够分解为多个类class；r表示类class与类class之间的连接关系relationship；a表示类class的属性attribute；m表示类class的方法method；

步骤1.2、扩展uml活动图，添加分区partition，定义一个复合活动图为一个五元组c-ad:＝<a,t,c,p,o>：其中，a＝aaction∪aactivity∪ai∪af，aaction表示动作action的集合，是最基本的活动activity，不能够再分解；aactivity表示活动activity的集合，能够被分解为子活动sub-activitie或动作action；ai和af分别表示初始活动和最终活动；t表示活动迁移activitytransition的集合，ta＝{t1,t2…tn}，活动迁移activitytransition需要满足约束；c表示有限控制节点controlnode的集合，用于控制活动的迁移；p表示有限分区partition的集合，一个活动分解成的多个子活动sub-activitie或动作action能够用一个分区partition进行管理和表示；o是对象object的有限集合，对象o是对类c的实例化instance；

步骤1.3、基于定义的复合类图和复合活动图，从抽象到具体，以逐层分解的方式建立复杂软件系统的可视化uml模型。

进一步地，步骤2所述的uml模型预处理，具体如下：

将建立的复合类图和复合活动图分别进行预处理，存储为标准的xmi格式。

进一步地，步骤3所述的利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的uml模型转换为event-b模型，具体如下：

步骤3.1、利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的复合类图转换为event-b的context模型，得到xmi格式的context文件；

步骤3.2、利用模型转换工具uml2eventb，将预处理后的复合活动图转换为event-b的machine模型，得到xmi格式的machine文件。

进一步地，步骤4所述的转换后的event-b模型后处理，具体如下：

将转换得到的xmi格式的context文件和machine文件进行后处理，完善缺失的要素，并分别存储为buc文件和bum文件。

进一步地，步骤5所述的建立形式化的复杂软件系统event-b模型，具体如下：

将buc文件和bum文件载入event-b支撑工具rodin中，建立复杂软件系统的event-b模型。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

结合图1，一种复杂软件系统uml模型向event-b模型转换的工具，包括复合类图和复合活动图元模型a、event-b元模型b、atl模型转换引擎c和基于eclipse平台的模型转换配置模块d：

结合图5，所述复合类图和复合活动图元模型a，用于定义和规范复合类图和复合活动图的元素构成和元素之间的关系，包括复合类图元模型c-class.ecorea-1和复合活动图元模型c-activity.ecorea-2；图5(a)中umlclass.ecore定义了复合类图的元模型，图5(b)中umlactivity.ecore定义了复合活动图的元模型；

结合图6，所述event-b元模型b，用于定义和规范event-b模型的元素构成和元素之间的关系，包括context元模型context.ecoreb-1和machine元模型machine.ecoreb-2；图6(a)中context.ecore定义了context的元模型，图6(b)中machine.ecore定义了machine的元模型；

结合图7，所述atl模型转换引擎c，用于进行复合类图和复合活动图元素到event-b元素的逐一转换，其符合atl语言的语法和语义规范，且基于复合类图和复合活动图元模型a和event-b元模型b而构建；图7(a)定义了复合类图到context的转换规则，图7(b)定义了复合活动图到machine的转换规则；

结合图8，所述基于eclipse平台的模型转换配置模块d，用于实现复合类图和复合活动图模型到event-b模型的转换，其以复合类图和复合活动图元模型a、event-b元模型b、atl模型转换引擎c和xmi格式的复合类图和复合活动图作为输入，通过debug调试生成xmi格式的event-b模型。

结合图1，一种复杂软件系统uml建模及向event-b模型的转换方法，包括以下步骤：

步骤1，结合图2，基于复合类图和复合活动图，建立可视化的uml模型，具体如下：

步骤1.1、扩展uml类图，添加抽象类(abstract-class)，构造复合类图。图2(a)是某负载均衡自适应软件系统复合类图示例。其中，monitor、analyzer、planner、executor、applicationlogic都是抽象类composite-class，均可进一步分解为类class，如monitor可分解为timesensor和loadsensor。复合类图利用抽象类的概念以层次分解的方式，从抽象到具体逐步建立复杂软件系统的结构模型，能够降低复杂软件系统的建模难度；

步骤1.2、扩展uml活动图，添加分区partition，构造复合活动图。图2(b)是某负载均衡自适应软件系统复合活动图示例。其中，monitor、analyze、plan、execute等都是分区partition，其将系统活动划分为四个基本活动，每个活动又可分为多个子活动或动作。如活动analyze可进一步分解为四个子活动：comparetime、compareload、judgeresptime、judgeload。复合活动图利用分区和活动分解的概念，从抽象到具体、逐步分解建立复杂软件系统的行为模型，能够显式刻画复杂软件系统的行为特性；

步骤1.3、将步骤1.1和步骤1.2定义的复合类图和复合活动图建模设施，作为插件嵌入到现有uml建模工具中，建模人员可方便调用，降低了复杂软件系统的建模难度。

步骤2，uml模型预处理，具体如下：

步骤1建立的复合类图和复合活动图为非xmi格式，在模型转换前需进行预处理，将复合类图和复合活动图进行格式转换，然后存储为标准的xmi格式。

步骤3，结合图3，将预处理后的uml模型转换为event-b模型，具体如下：

步骤3.1、利用模型转换工具，将预处理后的复合类图转换为event-b的context模型，得到xmi格式的context文件；以图3(a)复合类图为例，其中将抽象类monior和analyzer转换为context模型中的集合monior和analyzer，类timesensor和loadsensor转换为context中的常量timesensor和loadsensor，将关系generalization和trigger转换为context中的公理axioms，转换后的context模型如图3(b)所示；

步骤3.2、利用模型转换工具，将预处理后的复合活动图转换为event-b的machine模型，得到xmi格式的machine文件；如图3(c)和(d)所示，其中复合活动图中的两个分区monitor和analyze转换为machine中的抽象事件monitor和analyze，活动act1、act2、act3和act4转换为machine中的具体事件act1、act2、act3和act4。

步骤4，结合图4，转换后的event-b模型后处理，具体如下：

将转换得到的xmi格式的context文件和machine文件进行后处理，完善缺失的要素，并分别存储为buc文件和bum文件。对context文件进行后处理，如图4(a)所示，模型转换后得到context文件samplecontext.xmi，该文件需经过进一步优化完善才能被event-b工具rodin识别读取，首先在每个属性，如name、label、identifier前添加前缀org.eventb.core；然后将“belongto”、“relation”等关键字分别替换为相应的数学符号“∈”和最后将优化完善后的context文件更改为.buc格式，得到的samplecontext.buc文件能够被rodin读取识别。对machine文件进行后处理，如图4(b)所示，通过完善相关属性，得到event-b的machine文件samplemachine.bum。

步骤5，建立形式化的event-b模型，具体如下：

将buc文件和bum文件载入event-b支撑工具rodin中，建立复杂软件系统的event-b模型。

综上所述，本发明兼容eclipse平台，融合了uml直观易理解与event-b严谨易验证的优点；降低了复杂软件系统的建模难度，提高了复杂软件系统的开发效率。