ESBMC-PLC+: A Unified IEC~61131-3 Formal Verification Framework as a PLCverif Successor
本文介绍了 ESBMC-PLC+，这是一个统一的开源框架，它扩展了 ESBMC 后端以支持所有主要的 IEC 61131-3 语言（包括梯形图和结构化文本）以及无界验证，从而克服了其前身 PLCverif 在输入格式上的限制和有界证明的约束，并显著优于 nuXmv 在验证重定时器程序方面的表现。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，可编程逻辑控制器 (PLC) 是工厂机器的大脑。它是一种坚固的工业计算机，负责指挥机器人、阀门和指示灯何时移动、停止或改变颜色。这些机器运行在一个严格的、循环往复的“扫描周期”之上，每秒钟都会检查传感器并做出决策数千次。由于这些机器控制着诸如核电站或火车信号之类的关键设施，代码中的哪怕一个微小错误都可能导致灾难性的后果。
形式化验证 (Formal verification) 就像是一个超级聪明的数学校对员，它会检查机器可能遇到的每一种可能的场景，以确保它永远不会崩溃或发生危险行为。
多年来，这项工作的最佳开源工具被称为 PLCverif。你可以把 PLCverif 想象成一名技术精湛的机械师，他非常擅长修理汽车（基于文本的代码），但拒绝查看摩托车（梯形图）的引擎内部，或者没有合适的工具来证明引擎能永远运行而不至于过热（无界证明）。
这篇论文介绍了一个全新的、升级版的“超级机械师”——ESBMC-PLC+，旨在取代并改进 PLCverif。以下是它的功能说明，通过简单的语言进行解释：
1. 精通所有语言（统一框架）
PLC 程序员主要使用三种语言：
- 梯形图 (Ladder Diagram, LD)： 看起来像带有横梁和导轨的电气电路图。这是工厂中最流行的语言（类似于工业界的“英语”）。
- 结构化文本 (Structured Text, ST)： 看起来像标准的计算机代码（类似于 Pascal 或 C）。
- 图形化梯形图 (Graphical LD)： 梯形图的可视化版本。
问题所在： 旧工具（PLCverif）只能读取“结构化文本”语言。如果工程师使用的是梯形图，他们必须手动将其重写为文本，这既缓慢又容易出错。此外，如果梯形图中包含复杂的“功能块”（如定时器或计数器），旧工具完全无法处理它们。
解决方案： ESBSP-PLC+ 是一个通用翻译官。它能够原生读取所有三种语言。
- 对于结构化文本 (ST)，它使用一个受信任的开源编译器 (MATIEC) 将代码转换为验证引擎可以理解的格式。
- 对于梯形图 (LD)，它拥有一个新的“解码器”，现在可以理解以前被忽略的复杂定时器和计数器。
2. “永远”的保证（无界证明）
想象你在测试一座桥梁。
- 有界检查（旧方法）： 你让一辆卡车在桥上行驶 100 次。如果它撑住了，你就说：“它大概是安全的。” 但你不知道第 101 次会发生什么，或者在 1,000 年后桥是否会坍塌。这就是旧工具的主要引擎 (CBMC) 所做的事情。
- 无界证明（新方法）： ESBMC-PLC+ 使用了一种称为 k-归纳法 (k-induction) 的技术。它不再仅仅检查 100 次，而是利用数学手段来证明：如果 桥梁在前几秒内能够承受住，那么它将永远保持稳固。它保证了无论机器运行多久，都不会发生故障。
3. 速度之王（SMT 与 BDD）
论文将 ESBMC-PLC+ 与旧工具的“无界”引擎 (nuXmv) 进行了对比，后者使用的是一种称为 BDD（二元决策图）的方法。
- 类比： 想象你有一个巨大的图书馆（代表机器的所有可能状态）。
- 旧工具 (BDD) 试图逐一阅读书架上的每一本书。如果图书馆非常庞大（因为机器有很多定时器或计数器），它就会不堪重负并停止工作（超时）。
- ESBMC-PLC+ (SMT) 使用了一个神奇的索引。它不再逐本阅读，而是请求一位超级智能的图书管理员（SMT 求解器）来一次性检查整个图书馆的逻辑。
- 结果： 在处理带有定时器的程序时，ESBMC-PLC+ 比旧工具快了 400 到 2,000 倍。在某些情况下，旧工具在 2 分钟后就放弃了，而 ESBMC-PLC+ 在不到一秒钟内就完成了证明。
4. 它究竟修复了什么
论文强调了它填补的两个具体“空白”：
- 缺失的文本： 它增加了对结构化文本 (ST) 程序的支持，而旧工具对标准 IEC 代码的处理能力很差甚至完全不支持。
- “幽灵”定时器： 在可视化的梯形图中，存在一些“功能块”（例如等待 5 秒后才开启灯光的定时器）。旧工具忽略了这些功能块，相当于假装它们不存在。这导致了“空虚 (vacuous)”的结果——即工具之所以说“安全！”，仅仅是因为它根本没有观察到那些危险的部分。ESBMC-PLC+ 现在可以正确地对这些定时器进行建模，确保安全检查是真实的，而不是一种“假象”。
总结
ESBMC-PLC+ 是一个全新的开源工具，它充当了工业机器代码的通用翻译官。它能听懂工程师使用的所有主要语言，能够处理带有定时器和计数器的复杂可视化图表，并使用更快速、更智能的数学引擎来证明机器将永远安全，而不仅仅是经过短期测试。它是旨在成为前任行业标准 PLCverif 的直接且更优越的继任者。
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