Fakulta informačních technologií VUT v Brně

Detail předmětu

Analýza systémů založená na modelech

MBA Ak. rok 2019/2020 letní semestr 5 kreditů

Představení model-based designu, testování, analýzy a model checkingu. Petriho sítě jako model pro popis paralelních systémů. Možnosti analýzy Petriho sítí. Markovovy řetězce jako model pravděpodobnostních systémů. Možnosti analýzy Markovových řetězců. Časované automaty jako model systémů pracujících s reálným časem. Možnosti analýzy časovaných automatů. UML a SysML diagramy v rámci model based designu a možnosti jejich analýzy. Představení nástrojů pro analýzu zmíněných modelů.

Garant předmětu

Zástupce garanta předmětu

Jazyk výuky

český

Zakončení

zkouška (kombinovaná)

Rozsah

39 hod. přednášky, 6 hod. pc laboratoře, 7 hod. projekty

Bodové hodnocení

70 zkouška, 30 projekty

Zajišťuje ústav

Přednášející

Cíle předmětu

Seznámit studenty s možností zajištění kvality software (event. hardware) formou vytvoření modelu, ověření správnosti na úrovni modelu a následné (někdy i automatizovaná) konverze modelu do cílového programovacího jazyka. Tyto principy budou představeny na čtyřech modelovacích technikách: Petriho sítích, Markovových řetězcích, časovaných automatech a UML/SysML diagramech.

Proč je předmět vyučován

Klasickým přístupem k vývoji software je jeho implementace ve vybraném programovacím jazyce a následné testování, eventuálně verifikace. V rámci zajištění kvality embeded a safety-critical systémů se ale často využívá přístup, kdy nejprve vytvoříme model (části) systému ve vhodném modelovacím jazyce a následně provedeme ověření kvality na úrovni modelu. Teprve poté provedeme (často automatizovanou) konverzi modelu do cílového programovacího jazyka. Ověření vlastností na úrovni modelu je často mnohem jednodušší než ověření stejných vlastností na úrovni zdrojových kódů.

Prerekvizity

Požadované prerekvizitní znalosti a dovednosti

Základní znalosti z teorie grafů, formálních jazyků a automatů. Základní znalost pojmů statistiky a pravděpodobnosti. Základní znalosti softwarového inženýrství.

Literatura studijní

  • Reisig, W.: Petri Nets, An Introduction, Springer Verlag, 1985. ISBN: 0-387-13723-8
  • Češka, M.: Petriho sítě, Akad.nakl. CERM, Brno, 1994. ISBN: 8-085-86735-4
  • Jensen, K.: Coloured Petri Nets, Basic Concepts, Analysis Methods and Practical Use, Springer Verlag, 1993. ISBN: 3-540-60943-1
  • Kaynar, D.,  Lynch, N., Segala, R., Vaandrager, F. :The Theory of Timed I/O Automata, Morgan & Claypool, 2010.  ISBN-13: 978-1608450022 Dostupné online.
  • Boucherie, R. J.(editor), van Dijk, N. M. (editor): Markov Decision Processes in Practice, Springer,  2017.  ISBN-13: 978-3319477640  Dostupné online ze sítě VUT.

Literatura referenční

  • Reisig, W.: Petri Nets, An Introduction, Springer Verlag, 1985. ISBN: 0-387-13723-8
  • Češka, M.: Petriho sítě, Akad.nakl. CERM, Brno, 1994. ISBN: 8-085-86735-4
  • Kaynar, D.,  Lynch, N., Segala, R., Vaandrager, F. :The Theory of Timed I/O Automata, Morgan & Claypool, 2010.  ISBN-13: 978-1608450022
  • Boucherie, R. J.(editor), van Dijk, N. M. (editor): Markov Decision Processes in Practice, Springer,  2017.  ISBN-13: 978-3319477640

Osnova přednášek

  1. Úvod do problematiky model-based designu, testování a analýzy. Pojem model-checking.
  2. Petriho sítě. Základní pojmy, historie a aplikace.
  3. P/T Petriho sítě, definice, evoluční pravidla, stavový prostor, základní problémy analýzy (bezpečnost, omezenost, konzervativnost, živost).
  4. Analýza P/T Petriho sítí, strom dosažitelných značení, P- a T- invarianty.
  5. Rozšíření P/T Petriho sítí a Barvené sítě. Rozhodnutelnost a vztah k Turingovým strojům. Ukázka nástrojů NetLab a PIPE.
  6. Využití Markovových řetězců k modelování pravděpodobnostních systémů, Markovovy řetězce v diskrétním a spojitém čase. Temporální logika pro specifikaci chování Markovových řetězců
  7. Analýza Markovových řetězců (model checking), Ukázka nástroje PRISM.
  8. Rozšíření Markovových řetězců o nedeterminismus - Markovovy rozhodovací procesy. Využití Markovových rozhodovací procesů v teorii řízení. Syntéza řízení pro Markovovy rozhodovací procesy.
  9. Časované automaty a jejich využití pro modelování systémů s reálným časem.
  10. Analýza časovaných automatů, abstrakce založená na regionech, rozhodnutelné problémy. Ukázka nástroje UPPAAL.
  11. Časovaná temporální logika TCTL a její vztah k časovaným automatům
  12. UML/SysML diagramy a jejich využití v rámci model-based designu a analýzy.
  13. Model checking systémů popsaných pomocí UML (stavových) diagramů.

Osnova počítačových cvičení

Pokud budou cvičení, tak osnova bude následující:
  1. Analýza P/T Petriho sítí, ukázka nástrojů NetLab a PIPE.
  2. Analýza Markovových řetězců, ukázka nástroje PRISM
  3. Analýza časovaných automatů, ukázka nástroje UPPAAL.

Osnova ostatní - projekty, práce

    1. Aplikace Petriho sítí.
    2. Aplikace Markovových řetězců.
    3. Aplikace časovaných automatů.

Kontrolovaná výuka

3 projekty po 10 bodech.

Rozvrh

DenTypTýdnyMístn.OdDoPSKSkupInfo
Útpřednáškavýuky E112 17:0019:50 1MIT 2MIT MIN MMM xx

Zařazení předmětu ve studijních plánech

Nahoru