Behavioral Verefication of Internet of Things Systems by Petri Nets

Abstract

The rapid development, implementation in all spheres of human activity and the growing responsibility of the functions of the Internet of things systems tighten and complicate the requirements for the reliability of their design decisions at the development stages and operability during their implementations. Well-known methods for verifying projects and implementations rely on the means of system, structural, functional, design and technological analysis and synthesis of Internet of things systems. However, their capabilities do not underestimate the feasibility of developing formalized models and verification methods, in particular, their integration at the early system-functional stages, where “manual” design is inevitable and essential. This paper presents elements of a comprehensive behavioral verification of projects at the system-functional level for Internet of Things systems represented using input UML diagrams and designed Petri nets. Verification includes at the first stage a “manual” system analysis of the correctness of entities and relationships for input UML diagrams and simple Petri nets, performed as their cover when activated in visual modeling. For this stage, general estimates of the costs of redesigning in case of errors are given. At the second stage in the verification of the system-functional level, an automated analysis of the correctness of more complex Petri nets corresponding to real objects is performed in the CPN Tools environment with modeling of their behavior and construction of a graph of reachable states (markups). In this case, the result allows the dynamics of the Petri net to evaluate the presence of dead ends, hanging peaks, endless cycles, safety and liveliness properties, and, if necessary, redesign. The combined integrated use of system “manual” and functional automated verification for input UML models and projected models of Petri nets allows reducing the time of designing Internet of things systems by eliminating or timely eliminating design errors

Швидкий розвиток, впровадження в усі сфери діяльності людини і зростання відповідальності виконуваних функцій систем Інтернет речей посилюють і ускладнюють вимоги до достовірності їх проектних рішень на етапах розробки і працездатності в ході експлуатації реалізацій. Відомі методи верифікації проектів і реалізацій спираються на засоби системного, структурного, функціонального, конструкторсько-технологічного аналізу і синтезу систем Інтернет речей. Однак їхній ресурс не применшує доцільність розвитку формальних моделей і методів верифікації, зокрема, їх комплексування на ранніх системно-функціональних етапах, де неминуче і істотно «ручне» проектування. У даній роботі наведені елементи комплексної поведінкової верифікації проектів системно-функціонального рівня для систем Інтернет речей, які подаються за допомогою вхідних UML-діаграм і проектованих мереж Петрі. Верифікація включає на першому етапі «ручний» етап системного аналізу коректності сутностей і відносин вхідних UML-діаграм і простих мереж Петрі, що виконується як їх покриття при активізації в візуальному моделюванні. Для цього етапу наведено загальні оцінки витрат на перепроектування в разі появи помилок. На другому етапі в верифікації системнофункціонального рівня виконується автоматизований аналіз коректності більш складних мереж Петрі, що відповідають реальним об'єктам, в середовищі CPN Tools з моделюванням їх поведінки і побудовою графа досяжних станів (розміток). В цьому випадку результат дозволяє динаміку роботи мережі Петрі, оцінити наявність тупиків, висячих вершин, нескінченних циклів, властивості безпеки і жвавості і при необхідності виконати перепроектування. Спільне комплексне застосування системної «ручний» і функціональної автоматизованої верифікації для вхідних UML-моделей і проектованих моделей мереж Петрі дозволяє скоротити час проектування систем Інтернет речей за рахунок виключення або своєчасного усунення проектних помилок.

Быстрое развитие, внедрение во все сферы деятельности человека и рост ответственности выполняемых функций систем Интернет вещей ужесточают и усложняют требования к достоверности их проектных решений на этапах разработки и работоспособности в ходе эксплуатации реализаций. Известные методы верификации проектов и реализаций опираются на средства системного, структурного, функционального, конструкторско-технологического анализа и синтеза систем Интернет вещей. Однако их возможности не преуменьшают целесообразность развития формализованных моделей и методов верификации, в частности, их комплексирования на ранних системно-функциональных этапах, где неизбежно и существенно «ручное» проектирование. В настоящей работе приведены элементы комплексной поведенческой верификации проектов системно-функционального уровня для систем Интернет вещей, представляемых с помощью входных UML-диаграмм и проектируемых сетей Петри. Верификация включает на первом этапе «ручной» этап системного анализа корректности сущностей и отношений входных UML-диаграмм и простых сетей Петри, выполняемого как их покрытия при активизации в визуальном моделировании. Для этого этапа приведены общие оценки затрат на перепроектирование в случае появления ошибок. На втором этапе в верификации системно-функционального уровня выполняется автоматизированный анализ корректности более сложных сетей Петри, соответствующих реальным объектам, в среде CPN Tools с моделированием их поведения и построением графа достижимых состояний (разметок). В этом случае результат позволяет динамику работы сети Петри, оценить наличие тупиков, висячих вершин, бесконечных циклов, свойства безопасности и живости и при необходимости выполнить перепроектирование. Совместное комплексное применение системной «ручной» и функциональной автоматизированной верификации для входных UML-моделей и проектируемых моделей сетей Петри позволяет сократить время проектирования систем Интернет вещей за счет исключения или своевременного устранения проектных ошибок.