Migliorare i test per i sistemi cibernetico-fisici

I Sistemi Cyber-Fisici (CPS) sono sistemi che combinano hardware e software per interagire con il mondo fisico. Questi sistemi vengono utilizzati in molte applicazioni, da piccoli Sistemi Aerei senza Pilota (SUAS) a applicazioni robotiche avanzate. Tuttavia, i guasti in questi sistemi possono causare seri incidenti che potrebbero danneggiare persone o beni. Perciò, è fondamentale garantire che questi sistemi siano sicuri prima di essere messi in uso.

Per raggiungere questo obiettivo, servono test approfonditi, che spesso includono simulazioni e prove sul campo. Sfortunatamente, molte pratiche di test attuali non sono complete e mancano di struttura. Questo documento introduce un nuovo framework mirato a migliorare i processi di Testing per i CPS, concentrandosi in particolare sugli sUAS.

#Comprendere la Necessità di Migliorare il Testing

Il testing è una parte essenziale dello sviluppo di sistemi software e hardware sicuri. Aiuta a identificare bug e problemi di performance prima del rilascio. Per le applicazioni critiche per la sicurezza, i risultati dei test vengono spesso utilizzati come prova che il sistema è sicuro da usare. Tuttavia, molti CPS, specialmente gli sUAS, soffrono di una mancanza di processi di testing strutturati. Questo porta a scenari in cui:

1. I sistemi vengono testati in simulazioni che non riflettono le condizioni reali, ignorando fattori importanti come vento e meteo.
2. Non esiste un sistema di testing completo che assicuri che tutti gli scenari siano coperti.
3. L'analisi della sicurezza standard non viene condotta correttamente a causa di connessioni poco chiare tra i risultati delle simulazioni e le pratiche di sicurezza.

Queste lacune nel processo di testing possono portare a sistemi non sicuri messi in funzione.

#Creare un Framework per un Miglior Testing

Per affrontare queste sfide, abbiamo sviluppato un nuovo framework specificamente progettato per il testing dei CPS. Questo framework si concentra su sUAS e applicazioni robotiche e mira a fornire un approccio strutturato al testing.

Uno degli aspetti chiave di questo framework è che sottolinea la necessità di Requisiti dettagliati e processi di validazione. Prima di effettuare qualsiasi test, è necessario avere definizioni chiare di cosa il sistema dovrebbe essere in grado di fare. Questi requisiti guideranno l'intero processo di testing.

#L'Importanza dei Requisiti di Sicurezza

I requisiti di sicurezza sono cruciali nei CPS dato che questi sistemi spesso operano in ambienti dove la vita umana potrebbe essere a rischio. Pertanto, è importante specificare quali misure di sicurezza devono essere in atto e testare se i sistemi possono operare in sicurezza in varie condizioni.

Nel nostro framework, suggeriamo di utilizzare due tipi di modelli:

1. Modello dei Requisiti: Cattura sia i requisiti funzionali che quelli relativi alla sicurezza.
2. Modello di Verifica e Validazione (VV): Contiene proprietà importanti che devono essere verificate durante i test, inclusi fattori ambientali come condizioni di vento o illuminazione.

Avere modelli chiari assicura che tutte le condizioni necessarie per un'operazione sicura siano considerate durante il processo di testing.

#Panoramica del Processo di Testing

Il nostro framework di testing consiste in diverse fasi che guidano l'intero processo. Ogni fase è progettata per garantire che i sistemi siano testati in modo approfondito prima del rilascio.

#1. Progettazione e Gestione dei Test

Questo passo iniziale prevede la creazione di un piano per il testing. Specifica quali scenari devono essere testati e quali condizioni devono essere soddisfatte. L'obiettivo qui è delineare un approccio chiaro e strutturato al testing che sia indipendente dall'effettiva esecuzione dei test.

#2. Generazione delle Storie di Test

Una volta definiti gli scenari di testing, il passo successivo è creare storie di test dettagliate. Queste storie trasformano le specifiche di test generali in compiti concreti ed eseguibili che specificano come i test dovrebbero essere condotti in ambienti specifici.

#3. Esecuzione dei Test

Questa fase implica l'esecuzione dei test definiti in un ambiente controllato, sia in un ambiente simulato che in condizioni reali. Durante questi test vengono raccolti dati per valutare le performance rispetto ai requisiti definiti.

#4. Analisi e Reporting dei Test

Dopo aver eseguito i test, i dati raccolti devono essere analizzati. Questo implica controllare se i risultati corrispondono alle aspettative stabilite nei requisiti. Vengono generati rapporti per riassumere i risultati, inclusi eventuali fallimenti o osservazioni degne di nota.

#5. Tracciabilità e Chiusura del Ciclo

Questa fase finale sottolinea l'importanza di collegare i risultati dei test ai requisiti iniziali. Questa tracciabilità aiuta a identificare aree di miglioramento e informa le modifiche necessarie ai design e modelli originali.

#Affrontare le Sfide nel Testing degli sUAS

Gli sUAS affrontano sfide uniche a causa dei loro ambienti operativi. Problemi come condizioni di vento imprevedibili possono influenzare notevolmente le loro performance.

#Limitazioni degli Strumenti di Simulazione Attuali

Attualmente, molti strumenti di simulazione usati per il testing degli sUAS non replicano adeguatamente le condizioni reali. Ad esempio, potrebbero solo simulare condizioni di vento base, trascurando le complessità dell'ambiente reale.

#Necessità di Approcci di Testing Completi

Molti metodi di testing esistenti si concentrano su aspetti isolati del sistema piuttosto che sull'intero sistema. Questo significa che interazioni importanti tra i vari componenti degli sUAS potrebbero essere trascurate.

Il nostro framework mira a colmare queste lacune fornendo indicazioni su come integrare vari approcci di testing per garantire una valutazione completa.

#Applicare il Framework: Un Esempio Pratico

Per valutare il nostro framework, lo abbiamo applicato a un esempio pratico riguardante un sistema sUAS che è stato in fase di sviluppo. Abbiamo mirato a testare requisiti specifici relativi all'operazione in condizioni meteorologiche sfavorevoli e all'evitamento delle collisioni.

#Requisiti per il Testing

1. R1: Lo sUAS deve completare un volo con più waypoint gestendo raffiche di vento.
2. R2: Lo sUAS deve evitare di collidere con oggetti statici, terreni o altri aerei durante il volo.

Stabilendo questi requisiti, abbiamo potuto creare condizioni specifiche che dovevano essere simulate, come velocità del vento e densità degli ostacoli.

#Utilizzare Ambienti di Simulazione

Abbiamo utilizzato ambienti di simulazione per testare questi requisiti. Ad esempio, un ambiente permette di simulare varie condizioni meteorologiche, inclusi vento e pioggia. Questa funzionalità era essenziale per testare efficacemente R1 e R2.

#Esecuzione dei Test e Raccolta Dati

Durante i test, tutti i dati rilevanti sono stati raccolti per valutare le performance dello sUAS rispetto ai requisiti specificati. Questa fase ha anche coinvolto il monitoraggio di fattori ambientali e di come questi influenzassero l'operazione dello sUAS.

#Generalizzare il Framework

Sebbene il nostro framework sia stato inizialmente progettato per gli sUAS, crediamo possa essere adattato anche per altri tipi di applicazioni robotiche. Ad esempio, processi di testing simili potrebbero essere applicati a robot autonomi in ambienti come magazzini intelligenti.

#Attività di Valutazione Future

Abbiamo in programma di valutare ulteriormente il nostro framework applicandolo a ulteriori scenari, sia nel dominio degli sUAS che nella robotica. Inoltre, studi sugli utenti aiuteranno a valutare l'efficacia del framework dal punto di vista di sviluppatori e tester.

#Direzioni di Ricerca

Proseguendo il nostro lavoro, abbiamo delineato diverse aree per future ricerche:

1. Migliorare la Tracciabilità: Stabilire metodi efficaci per tracciare i requisiti ai risultati dei test migliorerà le valutazioni di sicurezza.
2. Garantire la Coerenza dei Modelli: Sviluppare strategie per mantenere diversi modelli collegati aiuterà a prevenire incoerenze nel processo di testing.
3. Creare Rappresentazioni di Test Strutturate: Abbiamo intenzione di esplorare modi per esprimere chiaramente le storie di test consentendo vari ambienti di esecuzione.
4. Mappare le Caratteristiche dei Simulatori: Documentare le capacità dei diversi strumenti di simulazione aiuterà a identificare quali sono adatti per test specifici.
5. Affrontare il divario Simulatori-Realtà: Siamo interessati a trovare modi per valutare quanto bene le simulazioni corrispondano alle performance nel mondo reale.

#Conclusione

In sintesi, questo framework mira a migliorare il testing dei CPS, con un chiaro focus sulla sicurezza e sull'efficacia. Affrontando le lacune esistenti nelle pratiche di testing, fornisce un approccio strutturato per garantire che i sistemi siano completamente validati prima di essere messi in funzione nel mondo reale. Man mano che continuiamo la nostra ricerca, speriamo di perfezionare ulteriormente questo framework ed esplorarne l'applicazione in diversi domini.