Simulation-based testing of highly configurable cyber-physical systemsautomation, optimization and debugging

Abstract

Los sistemas cyber-físicos (CPSs) integran tecnologías digitales con procesos físicos. La variabilidad de estos sistemas está siendo aumentada para dar solución a la demandad de diferentes clientas. Como consecuencia de ello, los CPSs están convirtiéndose en configurable e incluso en líneas de productos, lo que significa que pueden ser configuradas entre miles y millones de configuraciones. El testeo de sistemas CPSs 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 CPSs 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 CPSs 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 co-simulación. La co-simulación, aunque es una ventaja en términos de flexibilidad para los ingenieros, el uso de diferentes simuladores hacen que el tiempo de simulación se más largo. Por último, al testear sistemas CPSs haciendo uso de simulación, existen diferentes niveles (i.e., Model, Software and 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 CPSs 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 (por ejemplo, haciendo uso de oráculos de test). Segundo, proponemos un enfoque para generación de casos de test basado en algoritmos de búsqueda multi-objectivo, los cuales generan test suites teniendo en cuenta el coste y la efectividad. 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 sistemas CPSs configurables en diferentes niveles de test. En cuanto a la depuración, adaptamos una técnica llamada “Localización de Faltas Basadas en Espectro” al contexto de líneas de productos y proponemos un método de aislamiento de faltas. Esto permite localizar bugs no solo en sistemas CPSs configurables pero en cualquier línea de producto donde se utilicen modelos de características para gestionar la variabilidad.