书名：严密系统设计——方法、趋势与挑战  
定价：79.0  
ISBN：9787121467653  
作者：约瑟夫·希发基思  
版次：1  

内容提要：  

本书主要探讨面向计算系统的严密系统设计方法、发展趋势及其面临的挑战问题。本书首先从设计的概念、系统的演变过程等方面，介绍了计算系统设计领域的研究现状和传统系统设计方法的局限性；随后，阐述了系统设计正确性的内涵及其面临的挑战，主要包括不确定性挑战和复杂性挑战等。

本书提出了一种严密系统设计方法，该方法将系统设计定义为一种形式化模型驱动的开发过程，通过在系统全生命周期的设计流程中使用一种统一且具有严格形式语义的建模语言，确保各个设计流程中系统模型的语义一致性；通过采用语义连贯且可迭代的模型转换方法，实现从应用软件模型到系统抽象模型及系统可执行代码的自动化转换和生成；通过模型转换过程的“构造即正确”技术，确保系统设计以及可执行代码的正确性，从而克服形式化验证方法在确保系统正确性方面存在的高复杂度、弱拓展性问题。

严密系统设计方法已经在基于BIP(Behavior，Interaction，Priority)的系统设计框架中付诸实践。本书详细介绍了BIP系统设计框架的建模语言、形式语义及其工具链，并通过一个自主机器人决策控制系统案例，阐述了基于BIP的系统设计方法、流程。

本书讨论了系统设计的新趋势，特别是面向自主系统的系统设计方法的*新发展趋势。首先，本书阐述了自动化系统与自主系统两类计算系统的主要区别，以及自动化系统向自主系统的演化过程，给出了一种面向自主系统的混合设计方法，以实现模型驱动系统设计与AI驱动设计的有效集成。其次，针对自主系统的正确性验证，本书阐述了基于测试的经验验证方法的原理和基本过程。此外，本书还讨论了知识的生成与分类，以及知识在解决系统设计复杂性问题中的应用等。

本书探讨了自主系统的智能测试问题，即如何判定一个自主系统是否具有智能。本书提出了一种新的智能测试方法，称为替换测试。该方法通过为自主系统的智能水平定义一套严格的判定标准，并基于系统在完成不同类型任务等方面的行为，判定系统的智能水平。*后，本书讨论了替换测试方法与其他智能测试方法的关系，以及在不同类型自主系统的适用性方面的差异。

*后，本书从系统设计的角度，展望了计算机科学的未来发展，总结了AI技术的不断发展和广泛应用给系统设计带来的挑战，提出了一种以系统为中心的计算机科学的发展愿景，并阐述了系统设计在跨学科交叉关联中的重要性。

作者简介：  

约瑟夫·希发基思(Joseph Sifakis)

法国和希腊双重国籍，国际知名计算机科学家，2007 年“图灵奖”获得者，法国 Verimag 实验室创始人兼荣誉主任，南方科技大学杰出访问教授；曾任法国国家科学研究中心研究总监、法国约瑟夫傅里叶大学研究员、瑞士洛桑联邦理工学院教授；2001 年获得法国国家科学研究中心银质奖章，2008 年当选法国工程院院士和欧洲科学院院士，2010 年当选法国科学院院士，2015 年当选美国人文和科学院院士，2017 年当选美国工程院外籍院士，2019 年当选中国科学院外籍院士。

希发基思教授是模型检测以及嵌入式系统设计与验证等研究领域的先驱。他在国际上*次提出通过对时序逻辑公式的计值来验证并发系统性质的思想，得到一系列开创性理论成果，包括对含有“可能”和“必然”模态算子的分支时序逻辑的不动点刻画，以及*个面向带时间分支时序逻辑的符号模型检测算法和以该算法为基础的实时系统模型检测工具 Kronos。这些工作为模型检测研究领域的创立和发展奠定了理论基础。当前，模型检测已成为分析、验证并发系统性质的*重要的技术，成功应用于计算机硬件、软件、通信协议、安全认证协议等领域。由于对模型检测理论和技术的开创性贡献，他荣获 2007 年国际计算机届*高奖“图灵奖”。

希发基思教授曾担任欧盟“*越网络”ARTIST 嵌入式系统研究联盟的科学协调人，负责协调欧洲 35 个实时与混成系统领域研究小组的工作。在此期间，他极力推动欧盟与中国在该领域的合作。在他领导下，该研究联盟从 2006 年到 2011 年在中国举办了 6 届嵌入式系统设计讲习班，使用欧盟经费，邀请国际上嵌入式系统领域的知名专家为国内研究生和青年学者讲课，极大促进了中国在该领域的人才培养和学科发展。

王强博士

中国人民解放军军事科学院副研究员，本科及硕士毕业于国防科技大学，博士师从Joseph Sifakis 教授，毕业于瑞士洛桑联邦理工学院，承担国家及省部级项目多项，发表学术论文 20 余篇，主要从事安全关键系统形式化建模与验证、基于模型的系统设计方法等领域研究。

张继勇博士

杭州电子科技大学特聘教授，*家级人才专家，先后在清华大学获得计算机科学专业学士和硕士学位，博士毕业于瑞士洛桑联邦理工学院，长期从事云计算、机器学习、数据科学和推荐系统等领域研究。

目录：  

目    录

*1章  引言 1

1.1  系统设计的概念 2

1.2  系统的演变过程 6

1.3  传统的系统设计方法 12

1.3.1  “V-模型”方法的设计流程 13

1.3.2  “V-模型”方法的假设条件 17

1.4  本书组织结构 19

参考文献 21

*2章  系统设计的正确性和复杂性 23

2.1  正确性内涵 24

2.1.1  可信性 25

2.1.2  关键等级 31

2.2  复杂性挑战 36

2.2.1  设计复杂性 37

2.2.2  模型复杂性 39

参考文献 44

第3章  严密系统设计方法 46

3.1  基本思想 47

3.2  关注点分离 50

3.2.1  从需求到应用软件 52

3.2.2  从应用软件到软硬件融合系统 56

3.3  基于组件的设计 59

3.3.1  基本原则 59

3.3.2  组件框架 61

3.4  语义连贯的设计 65

3.5 “构造即正确”的设计 70

3.5.1  基本原理 70

3.5.2  水平正确性 73

3.5.3  垂直正确性 76

3.6  实践讨论 78

参考文献 81

第4章  基于 BIP 的系统设计框架 86

4.1  BIP框架介绍 87

4.2  BIP语言 92

4.2.1  原子组件 93

4.2.2  连接器 98

4.2.3  优先级 103

4.2.4  复合组件 104

4.3  BIP编译器与引擎 108

4.3.1  BIP操作语义 108

4.3.2  BIP编译器 111

4.3.3  BIP引擎 112

4.4  案例：Dala自主机器人 114

4.4.1  自主机器人功能需求建模 114

4.4.2  基于模型的代码生成 120

4.4.3  形式化验证 121

参考文献 123

第5章  自主系统的设计方法 126

5.1  自主系统的内涵 127

5.1.1  自主系统的功能架构 127

5.1.2  自主系统的目标管理 130

5.1.3  自主系统与自动化系统 133

5.1.4  自主系统的混合设计 137

5.2  自主系统的测试 139

5.2.1  测试的基本原理 141

5.2.2  基于仿真的测试 144

5.3  知识的生成与应用 147

5.3.1  知识的类型 148

5.3.2  知识的生成 150

5.4  自主系统的可信性评估 155

参考文献 160

第6章  自主系统的智能测试 164

6.1  智能的内涵 165

6.1.1  自主系统的视角 165

6.1.2  人类智能的视角 167

6.2  智能测试方法 170

6.2.1  替换测试的概念 171

6.2.2  通用测试框架 174

6.3  智能测试的适用性 179

参考文献 183

第7章  系统设计的挑战与展望 189

参考文献 195