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原文传递基于TAIO变异分析的新型列控系统安全功能测试评价研究

论文题名：	基于TAIO变异分析的新型列控系统安全功能测试评价研究
关键词：	列车运行控制系统;安全功能;输入输出时间自动机;变异测试
摘要：	列车运行控制系统是确保列车安全运行的核心设备。随着轨道交通的快速发展和人们日益增长的需求，列控系统向着高效、智能、低成本等方向发展。目前，国内外已有许多针对新型列控系统(New Train Control System，NTCS)的研究，其中研究热门最高的是基于车车通信的列控系统，即通过车-车无线通信方式实现列车之间的间隔控制。新型列控系统是典型的安全苛求系统，一旦系统发生错误，将会导致严重的人身伤亡和巨大的经济损失。因此，保证系统功能的安全和正确及其重要。　　测试是检验系统安全功能正确性的有效手段，需要对列控系统进行安全功能测试研究以确保列车安全运行，而产生故障覆盖度较高和查错能力较强的测试案例是研究的关键。变异测试是有目的地向系统注入错误，创造出系统故障集，从而模拟系统错误行为。论文引入了输入输出时间自动机(Timed Automata with Input and Output，TAIO)理论和变异测试技术，提出了一种基于TAIO变异分析的新型列控系统安全功能测试框架，针对该框架研发了具体的软件工具，并以新型列控系统车载作为被测对象进行了应用实例研究。　　论文的主要工作内容如下: 　　(1)分析了新型列控系统和列控系统安全功能测试的国内外研究现状，介绍了新型列控系统下的结构和运营场景。基于故障树原理，分析并产出了新型列控系统下的一系列安全功能特征。　　(2)提出了一种基于TAIO变异分析的新型列控系统安全功能测试框架。首先，基于TAIO理论建立了新型列控系统模型(TAIO A)。然后，设计了8种变异算子对TAIOA进行变异，形成变异体模型(TAIO M);将TAIOA与TAIO M之间的输入输出时间一致性关系转换为k-Bounded模型检验方程，以判定测试案例生成的条件。最后，根据测试案例生成算法实现测试案例的生成，一致性关系分数(Conformance Relation Score，CRS)、平均一致性关系分数(Average Conformance Relation Score，ACRS)和加权一致性关系分数(Weighted Conformance Relation Score，WCRS)来评价系统安全功能。　　(3)研发了新型列控系统测试案例生成软件。首先阐述了软件的需求和实现方案，然后设计变异体模型生成控制器和测试案例生成控制器以实现变异执行和测试案例生成的全局观测和控制。　　(4)实现了基于测试框架的新型列控系统车载应用实例研究。针对新型列控系统车载参考模型，论文总共得到14778个变异体模型和10515个测试案例。通过对测试案例CRS的分析，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”三种故障模式，而不能有效覆盖“约束取反”和“复位取反”两种故障模式。此外，测试案例的ACRS和WCRS达到了0.72和0.8，表明论文生成测试案例的整体故障覆盖度较高和查错能力较强，具有很强的应用价值。
作者：	魏柏全
专业：	控制工程
导师：	吕继东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文