Simulation-based testing of highly configurable cyber-physical systems: automation, optimization and debugging

Abstract

Sistema Ziber-Fisikoek sistema ziber digitalak sistema fisikoekin uztartzen dituzte. Sistema hauen aldakortasuna handitzen ari da erabiltzaileen hainbat behar betetzeko. Ondorioz, sistema ziber-fisikoa aldakorrak edota produktu lerroak ari dira garatzen eta sistema hauek milaka edo milioika konfiguraziotan konfiguratu daitezke. Sistema ziber-fisiko aldakorren test eta balidazioa prozesua garestia da, batez ere probatu beharreko konfigurazio kopuruaren ondorioz. Konfigurazio kopuru altuak sistemaren prototipo bat erabiltzea ezinezkoa egiten du. Horregatik, sistema ziber-fisiko aldagarriak simulazio modeloak erabilita probatzen dira. Hala ere, simulazio bidez sistema ziber-fisikoak probatzea erronka izaten jarraitzen du. Hasteko, simulazio denbora altua izaten da normalki, software-az aparte, sistema fisikoa simulatu behar delako. Sistema fisiko hau normalean modelo matematiko konplexuen bitartez modelatzen da, konputazionalki garestia delarik. Jarraitzeko, sistema ziber-fisikoek ingeniaritzaren domeinu ezberdinak dituzte tartean, adibidez mekanika edo elektronika. Domeinu bakoitzak bere simulazio erremienta erabiltzen du, eta erremienta guzti hauek interkonektatzeko ko-simulazioa erabiltzen da. Nahiz eta ko-simulazioa abantaila bat izan ematen duen flexibilitateagatik, simulagailu ezberdinen erabilerak simulazio denbora handiagotzen du. Azkenik, sistema ziber-fisikoak simulaziopean probatzean, probak maila ezberdinetan egin behar dira (adb., Model, Software eta Hardware-in-the-Loop mailak), eta honek, proba-kasuak exekutatzeko denbora handitzen du. Tesi honen helburua sistema ziber-fisiko aldakorren test jardunbideak hobetzea da, horretarako automatizazio, optimizazio eta arazketa metodoak proposatzen ditu. Automatizazioari dagokionez, lehenengo, erremienta-bidezko metodologia bat proposatzen da. Metodologia hau test sistema instantziak automatikoki sortzeko gai da, test sistema hauek sistema ziber-fisiko aldagarrien konfigurazioak automatikoki probatzeko gai dira (adb., test orakuluen bitartez). Bigarren, test frogak automatikoki sortzeko planteamendu bat proposatzen da helburu anitzeko bilaketa algoritmoak erabilita. Optimizazioari dagokionez, test frogen aukeraketarako planteamendu bat eta test frogen priorizaziorako beste planteamendu bat proposatzen dira, biak bilaketa alix goritmoak erabiliz, sistema ziber-fisiko aldakorrak test maila ezberdinetan probatzeko helburuarekin. Arazketari dagokionez, “espektroan oinarritutako falten lokalizazioa” izeneko teknika bat produktu lerroen testuingurura adaptatu da, eta faltak isolatzeko metodo bat proposatzen da. Honek, falta ezberdinak lokalizatzea errezten du ez bakarrik sistema ziber-fisiko aldakorretan, baizik eta edozein produktu lerrotan non “feature model” delako modeloak erabiltzen diren aldakortasuna kudeatzeko.

Los sistemas cyber-físicos (CPSs) integran tecnologías digitales con procesos físicos. La variabilidad de estos sistemas está creciendo para responder a la demanda de diferentes clientes. Como consecuencia de ello, los CPSs están volviéndose configurables e incluso líneas de producto, lo que significa que pueden ser configurados en miles y millones de configuraciones. El testeo de sistemas cyber-físicos configurables es un proceso costoso, en general debido a la cantidad de configuraciones que han de ser testeadas. El número de configuraciones a testear hace imposible el uso de un prototipo del sistema. Por ello, los sistemas CPSs configurables están siendo testeadas utilizando modelos de simulación. Sin embargo, el testeo de sistemas cyber-físicos bajo simulación sigue siendo un reto. Primero, el tiempo de simulación es normalmente largo, ya que, además del software, la capa física del CPS ha de ser testeada. Esta capa física es típicamente modelada con modelos matemáticos complejos, lo cual es computacionalmente caro. Segundo, los sistemas cyber-físicos implican el uso de diferentes dominios de la ingeniería, como por ejemplo la mecánica o la electrónica. Por ello, para interconectar diferentes herramientas de modelado y simulación hace falta el uso de la co-simulación. A pesar de que la co-simulación es una ventaja en términos de flexibilidad para los ingenieros, el uso de diferentes simuladores hace que el tiempo de simulación sea más largo. Por último, al testear sistemas cyberfísicos haciendo uso de simulación, existen diferentes niveles (p.ej., Model, Software y Hardware-in-the-Loop), lo cual incrementa el tiempo para ejecutar casos de test. Esta tesis tiene como objetivo avanzar en la práctica actual del testeo de sistemas cyber-físicos configurables, proponiendo métodos para la automatización, optimización y depuración. En cuanto a la automatización, primero, se propone una metodología soportada por una herramienta para generar automáticamente instancias de sistemas de test que permiten testear automáticamente configuraciones del sistema CPS configurable (p.ej., haciendo uso de oráculos de test). Segundo, se propone un enfoque para generación de casos de test basado en algoritmos de búsqueda multiobjetivo, los cuales generan un conjunto de casos de test. En cuanto a la optimización, se propone un enfoque para selección y otro para priorización de casos de test, ambos basados en algoritmos de búsqueda, de cara a testear eficientemente sistemas cyberfísicos configurables en diferentes niveles de test. En cuanto a la depuración, se adapta una técnica llamada “Localización de Fallos Basada en Espectro” al contexto de líneas de productos y proponemos un método de aislamiento de fallos. Esto permite localizar bugs no solo en sistemas cyber-físicos configurables sino también en cualquier línea de producto donde se utilicen modelos de características para gestionar la variabilidad.

Cyber-Physical Systems (CPSs) integrate digital cyber technologies with physical processes. The variability of these systems is increasing in order to give solution to the different customers demands. As a result, CPSs are becoming configurable or even product lines, which means that they can be set into thousands or millions of configurations. Testing configurable CPSs is a time consuming process, mainly due to the large amount of configurations that need to be tested. The large amount of configurations that need to be tested makes it infeasible to use a prototype of the system. As a result, configurable CPSs are being tested using simulation. However, testing CPSs under simulation is still challenging. First, the simulation time is usually long, since apart of the software, the physical layer needs to be simulated. This physical layer is typically modeled with complex mathematical models, which is computationally very costly. Second, CPSs involve different domains, such as, mechanical and electrical. Engineers of different domains typically employ different tools for modeling their subsystems. As a result, co-simulation is being employed to interconnect different modeling and simulation tools. Despite co-simulation being an advantage in terms of engineers flexibility, the use of different simulation tools makes the simulation time longer. Lastly, when testing CPSs employing simulation, different test levels exist (i.e., Model, Software and Hardware-in-the-Loop), what increases the time for executing test cases. This thesis aims at advancing the current practice on testing configurable CPSs by proposing methods for automation, optimization and debugging. Regarding automation, first, we propose a tool supported methodology to automatically generate test system instances that permit automatically testing configurations of the configurable CPS (e.g., by employing test oracles). Second, we propose a test case generation approach based on multi-objective search algorithms that generate cost-effective test suites. As for optimization, we propose a test case selection and a test case prioritization approach, both of them based on search algorithms, to cost-effectively test configurable CPSs at different test levels. Regarding debugging, we adapt a technique named Spectrum-Based Fault Localization to the product line engineering context and propose a fault isolation method. This permits localizing bugs not only in configurable CPSs but also in any product line where feature models are employed to model variability.