基于TAIO变异的CTCS-3列控系统测试案例生成方法

魏柏全; 吕继东; 陈柯行; 唐涛; 王唯

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20180078

基于TAIO变异的CTCS-3列控系统测试案例生成方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180078

魏柏全^1,,
吕继东^1, ,,
陈柯行¹,
唐涛²,
王唯¹

基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助（2019JBM009）

详细信息

作者简介:
魏柏全（1995—），男，工程师，研究方向为高速铁路运行控制，E-mail：wbaiquan101@126.com

通讯作者:
吕继东（1981—），男，副教授，研究方向为高速铁路运行控制，E-mail：jdlv@bjtu.com

中图分类号: U284
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出版历程
- 收稿日期: 2018-02-03
- 修回日期: 2018-08-01
- 网络出版日期: 2020-07-13
- 刊出日期: 2020-10-01

Mutation Timed Automata with Input and Output-Based Method of Generating Test Suites for Chinese Train Control System Level 3

摘要

摘要: 为了研究高覆盖已知故障集的中国列车运行控制系统三级（CTCS-3）测试案例生成方法，提出了一种基于输入输出时间自动机（TAIO）变异分析的测试案例生成方法. 结合列控系统模式转换的故障特点，设计了包含模式转换已知故障的8种变异算子（改变行为、改变目标位置、改变源位置等），形成了15 106个变异体；利用输入输出一致性关系（tioco）和k-Bounded模型检验方法生成了10 843个测试案例；应用一致性关系分数（CRS）、平均一致性关系分数（ACRS）和加权一致性关系分数（WCRS）进行了故障覆盖度的分析. 研究结果表明：该方法设计和生成的测试案例能够有效覆盖改变行为、改变不变量和增加sink位置3种故障模式，而对于约束取反和复位取反的故障模式覆盖度不高，需通过额外的观测信息来检测故障.
- CTCS-3级列控系统 /
- 输入输出时间自动机（TAIO） /
- 变异分析 /
- 模式转换 /
- 测试案例
Abstract: In order to design and select the proper set of test cases so that all the known faults can be covered, an automatic test suite generation method was proposed for the Chinese train control system level 3 (CTCS-3) based on timed automata with input and output (TAIO) and mutation analysis. Firstly, according to the characteristics of the fault modes of the system mode transition, kinds of mutation operators (change action, change target, change source, etc.) had been designed, and 15106 mutants were generated. Secondly, based on the timed input and output conformance relation (tioco) and the k-Bounded model checking technique, 10 843 test cases were generated. Finally, the conformance relation score (CRS), average conformance relation score (ACRS) and weighted conformance relation score (WCRS) had been introduced to analyze the coverage of faults domain. The results show that the test cases generated can effectively cover the fault modes of change action, change invariant and sink location, however, the negate guard and invert reset fault modes cannot be effectively covered, which may require additional information of observation for the fault detection.
- CTCS-3 train control system /
- timed automata with input and output（TAIO） /
- mutation analysis /
- mode conversion /
- test suite

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图 1 TAIO A₁和TAIO M₁～M₈

Figure 1. TAIO A₁ and TAIO M₁—M₈

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图 2 TAIO A₁测试执行

Figure 2. Test execution of TAIO A₁

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图 3 CTCS-3级列控系统结构

Figure 3. Train control system structure of CTCS-3

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图 4 CTCS-3级列控系统测试环境

Figure 4. Testing environment of CTCS-3 train control system

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图 5 模式转换（O-E模型）

Figure 5. Mode conversion (O-E model)

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图 6 车载模式转换环境模型

Figure 6. Mode conversion (from on-board to environment model)

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图 7 车载模式转换参考模型

Figure 7. Reference model of on-board mode conversion

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图 8 TAIO A₂、M₂₀、M₂₁、M₂₂和M₂₃

Figure 8. TAIO A₂，M₂₀，M₂₁，M₂₂ and M₂₃

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图 9 TAIO A₂测试执行

Figure 9. Test execution of TAIO A₂

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图 10 TAIO A₂测试案例

Figure 10. Test suites of TAIO A₂

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表 1 CTCS-3级列控系统模式转换

Table 1. Mode conversion of CTCS-3 train control system

模式	模式转换
SB	SB->SH，SB->FS、SB->OS，SB->CO， SB->SL，SB->TR，SB->IS
SH	SH->SB，SH->TR，SH->IS
FS	FS->SB，FS->SH，FS->OS，FS->CO，FS->TR，FS->IS
OS	OS->SB，OS->SH，OS->FS， OS->CO，OS->TR，OS->IS
CO	CO->SB，CO->SH，CO->FS， CO->OS，CO->TR，CO->IS
SL	SL->SB，SL->IS
TR	TR->PT，TR->IS
PT	PT->SB，PT->SH，PT->FS， PT->OS，PT->CO，PT->IS
IS	IS->SB

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表 2 车载设备与外部环境的交互

Table 2. Interaction between onboard and ground

设置对象	交互对象	具体交互
ActionInfor_D2O	Driver<-> On-board	Isolate，TurnOn，TurnOff，ComfirmRashTrip，RequestSH，PromptCO，Override，ComfirmInfo，SendSleep，ChooseNotSH，RecoverBrake，PowerOn
ActionInfor_R2O	RBC<->On-board	SendMSS，PermitSH，SendCOMA，UnconStop，ComBrakeInfo
ActionInfor_B2O	Train<->On-board	Stop，LoseSleep，Store，NotOverride，MaxIntoCO，MinIntoEOA，RashTrip，StopInOS，StopInSH，COMode
ActionInfor_T2O	Balise<->On-board	NotSpecMode，NotInOS，NotInSH，NotLink，NotVersion

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表 3 TAIO A变异体模型和测试案例生成时间和内存消耗统计

Table 3. Statistics of TAIO A execution time and memory consumption for mutants and test suites

序号	变异算子	变异体模型/个	生成时间/s	内存消耗/MB	测试案例/个	生成时间/s	内存消耗/MB
1	改变行为（CA）	1388	1.95	26.88	1388	36.42	3.16
2	改变目标位置（CT）	6549	9.92	153.00	6050	184.51	13.24
3	改变源位置（CS）	6549	9.68	153.00	3243	129.33	7.18
4	改变约束（CG）	52	0.15	1.21	20	2.55	0.04
5	约束取反（NG）	111	0.22	2.74	10	4.11	0.02
6	改变不变量（CI）	13	0.07	0.31	13	1.28	0.02
7	增加sink位置（SL）	111	0.28	2.89	111	4.51	2.07
8	复位取反（IR）	333	0.56	8.15	8	11.06	0.02
9	总计	15106	22.83	348.18	10843	373.77	25.75

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表 4 测试案例生成方法分析比较统计

Table 4. Statistics of TAIO mutation-based test suite generation and the others

测试案例生成方法	测试案例/个	生成时间/s	消耗内存/MB	完备性
基于TAIO变异分析	10843	373.77	25.75	较好
基于时间自动机模型	7982	486.52	5688.04	一般
基于随机测试	5602	4296.63	1029.22	一般
基于等价类划分	12803	6750.00	864.88	较好

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表 5 模式转换测试案例一致性关系分数

Table 5. Conformance relation score of test suites

项目	一致性关系分数	平均一致性关系分数	加权一致性关系分数
改变行为	1.00	0.72	0.80
改变目标位置	0.92
改变源位置	0.50
改变约束	0.38
约束取反	0.09
改变不变量	1.00
增加sink位置	1.00
复位取反	0.03

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