• ISSN 0258-2724
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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

魏柏全, 吕继东, 陈柯行, 唐涛, 王唯. 基于TAIO变异的CTCS-3列控系统测试案例生成方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(5): 937-945, 962. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180078
引用本文: 魏柏全, 吕继东, 陈柯行, 唐涛, 王唯. 基于TAIO变异的CTCS-3列控系统测试案例生成方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(5): 937-945, 962. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180078
WEI Baiquan, LÜ Jidong, CHEN Kexing, TANG Tao, WANG Wei. Mutation Timed Automata with Input and Output-Based Method of Generating Test Suites for Chinese Train Control System Level 3[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(5): 937-945, 962. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180078
Citation: WEI Baiquan, LÜ Jidong, CHEN Kexing, TANG Tao, WANG Wei. Mutation Timed Automata with Input and Output-Based Method of Generating Test Suites for Chinese Train Control System Level 3[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(5): 937-945, 962. 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
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

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

  • 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.

     

  • 图 1  TAIO A1和TAIO M1~M8

    Figure 1.  TAIO A1 and TAIO M1—M8

    图 2  TAIO A1测试执行

    Figure 2.  Test execution of TAIO A1

    图 3  CTCS-3级列控系统结构

    Figure 3.  Train control system structure of CTCS-3

    图 4  CTCS-3级列控系统测试环境

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

    图 5  模式转换(O-E模型)

    Figure 5.  Mode conversion (O-E model)

    图 6  车载模式转换环境模型

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

    图 7  车载模式转换参考模型

    Figure 7.  Reference model of on-board mode conversion

    图 8  TAIO A2、M20、M21、M22和M23

    Figure 8.  TAIO A2,M20,M21,M22 and M23

    图 9  TAIO A2测试执行

    Figure 9.  Test execution of TAIO A2

    图 10  TAIO A2测试案例

    Figure 10.  Test suites of TAIO A2

    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)13881.9526.88138836.423.16
    2改变目标位置(CT)65499.92153.006050184.5113.24
    3改变源位置(CS)65499.68153.003243129.337.18
    4改变约束(CG)520.151.21202.550.04
    5约束取反(NG)1110.222.74104.110.02
    6改变不变量(CI)130.070.31131.280.02
    7增加sink位置(SL)1110.282.891114.512.07
    8复位取反(IR)3330.568.15811.060.02
    9总计1510622.83348.1810843373.7725.75
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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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  • 唐涛. 列车运行控制系统[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2012: 234-251.
    袁磊,吕继东,刘雨,等. 一种全覆盖的列控车载系统测试案例自动生成算法研究[J]. 铁道学报,2014,36(8): 55-62. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2014.08.010

    YUAN Lei, LÜ Jidong, LIU Yu, et al. Reserach on model-based test case generation method of onboard subsystem in CTCS-3[J]. Journal of the China Railway Society, 2014, 36(8): 55-62. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2014.08.010
    BEIZER B. Black-box testing: techniques for functional testing of software and systems[M]. New York: John Wiley & Sons, Inc. ,1995: 1192-1 198.
    KRICHEN M, TRIPAKIS S. Black-box conformance testing for real-time systems[M]. [S.l.]: Springer, 2004: 4-10.
    吕继东,朱晓琳,李开成,等. 基于模型的CTCS-3级列控系统测试案例自动生成方法[J]. 西南交通大学学报,2015,50(5): 917-927. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2015.05.023

    LÜ Jidong, ZHU Xiaolin, LI Kaicheng, et al. Model-based test case automatic generation of CTCS-3 train control system[J]. Journal of SouthWest Jiaotong University, 2015, 50(5): 917-927. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2015.05.023
    梁茨,郑伟,李开成,等. 基于路径优化算法的测试序列自动生成及验证[J]. 铁道学报,2013,35(6): 53-58. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2013.06.009

    LIANG Ci, ZHENG Wei, LI Kaicheng, et al. Automated generation of test case and sequences based on path optimization algorithm[J]. Journal of the China Railway Society, 2013, 35(6): 53-58. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2013.06.009
    陈鑫,姜鹏,张一帆,等. 一种面向列车控制系统中安全攸关场景的测试案例自动生成方法[J]. 软件学报,2015,26(2): 269-278.

    CHEN Xin, JIANG Peng, ZHANG Yifang, et al. Method of automatic test case generation for safety-critical scenarios in train control systems[J]. Journal of Software, 2015, 26(2): 269-278.
    TRETMANS J. Model based testing with labelled transition systems[C]//Formal Methods and Testing. [S.l.]: Springer, 2008: 1-38.
    AICHEMIG B K, LORBER F, NICKOVIC D. Time for mutants: model-based mutation testing with timed automata[M]. [S.l.]: Springer, 2013: 23-26.
    BERTRAND N, JERON T, STAMER A, et al. Off-line test selection with test purposes for non-deterministic timed automata[J]. Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems, 2011: 392-402.
    ABOUTRAB M S, COUNSELL S, HIERONS R M. Specification mutation analysis for validating timed testing approaches based on timed automata[C]//Computer Software and Applications Conference. [S.l.]: IEEE, 2012: 660-669.
    BAHAREH B, MARTIN L. Exact incremental analysis of timed automata with an SMT-solver[C]//Formal Modeling & Analysis of Timed Systems-international Conference. [S.l.]: Springer, 2011: 177-192.
    JIA Y, HARMAN M. An analysis and survey of the development of mutation testing[J]. IEEE Transactions on Software Engineering, 2011, 37(5): 649-678. doi: 10.1109/TSE.2010.62
    KRICHEN M, TRIPAKIS S. Conformance testing for real-time systems[M]. [S.l.]: Kluwer Academic Publishers, 2009: 238-304.
    铁道部科技司. CTCS-3级列控系统标准规范-CTCS-3级列控系统系统需求规范(SRS)(第一册)[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2009: 5-10.
    徐伟,王林章,李宣东. 基于分类树的随机测试用例生成[J]. 计算机科学,2009,36(1): 263-266. doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2009.01.067

    XU Wei, WANG Linzhang, LI Xuandong. Classification tree-based random test case generation[J]. Computer Science, 2009, 36(1): 263-266. doi: 10.3969/j.issn.1002-137X.2009.01.067
    HUANG W L, PELESKA J. Complete model-based equivalence class testing[J]. International Journal on Software Tools for Technology Transfer, 2014, 18(3): 1-19.
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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

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