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研究作者与机构：

本文的主要作者是汪澔，他是1994年出生的工程师、硕士，隶属于中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心。其他两位作者分别是武仲芝和唐剑。该研究发表于Journal of Graphics期刊（第45卷第2期），具体时间为2024年4月。文稿的收稿日期是2024年1月22日，定稿日期为2024年3月1日。

研究背景：

本文研究的主题是面向民用飞机需求验证的自动化测试技术研究。研究主要涉及民用飞机研制过程中需求验证的领域，属于系统工程与测试技术的交叉领域。民用飞机的全生命周期开发中，从需求与概念论证环节开始，功能需求作为飞机核心竞争力的决定性因素，直接关系到整个商用飞机的成本效益与性能。特别是在早期研制阶段，功能性需求通过功能仿真等手段进行验证，以评估设计方案的合理性。然而，传统需求验证方法在测试用例编写和测试规模方面效率较低，且易受环境条件多变影响，导致测试用例呈现“组合爆炸式”增长，使测试成本和复杂度显著增加。

基于此问题，研究提出了基于模型的测试方法（Model-Based Testing，MBT），以改善测试效率，提高需求验证的准确性和追溯性。研究目标是结合系统建模语言（System Modeling Language，SysML）和自动化技术，开发适用于民用飞机需求验证的自动化测试流程框架及技术，为飞机全生命周期的数字化验证提供支持。

研究方法与流程：

方法概述

研究分为多个阶段展开，重点开发基于SysML的测试模型，使用状态机语言及线性时态逻辑（Linear Temporal Logic，LTL）实现功能性需求的形式化表达，并生成自动化的测试用例。研究还结合实际民用飞机“地面减速”场景进行验证，系统开发了一整套的测试建模、测试用例生成和仿真验证的方法框架。

研究流程分阶段：

1. 基于SysML的测试模型构建

在建模阶段，研究采用SysML语言对被测系统和相关外部环境进行建模。通过SysML架构图及有限状态机图，定义飞机关键系统（如刹车系统、扰流板系统和发动机系统）的运行状态及其行为逻辑。顶层模型的表达方式包括描述被测系统与测试环境的交互关系，以及其内部状态如何随着特定场景的条件变化。

2. 功能性需求形式化表达与链接

需求形式化表达以状态机的方式实现，通过LTL语言将自然语言描述的需求转换为数学逻辑表达式。例如： - 需求被分解为离散状态机中的时序逻辑状态转移。 - 每个功能性需求与状态机模型中的元素（如状态、状态转移）建立映射关系。 具体的LTL化表达过程包括：抽象物理过程为有限状态系统、需求的离散表示，以及需求与离散状态的联合表征。

3. 测试目标制定及测试用例自动生成

研究将测试目标定义为特定的状态或状态转换组合。例如： - 基本控制状态覆盖； - 转换覆盖； - 修正条件判定覆盖（Modified Condition/Decision Coverage，MC/DC）。 生成的测试用例基于状态机模型，使用MBT工具进行逻辑组合和自动生成。结合设定的测试目标，研究通过模型形式化描述明确了测试用例的范围和针对系统的追溯关系。

4. 测试适配与仿真运行

测试模型需要适配真实的被测系统（可以是软件、硬件或混合）。研究设计了适配器，用以对接测试模型与真实系统的接口。适配器通过代码生成工具（如基于RTTL语言编写并转换为C语言代码），实现测试场景下的输入激励和输出结果配置。

5. 测试覆盖率分析

MBT工具可以自动分析测试覆盖率，显性化显示需求、测试用例及覆盖结果之间的追溯关系。未覆盖的需求将通过调整测试模型和过程重新设计，最终实现需求验证的全面覆盖。

研究的实际案例是“地面减速”场景，具体覆盖范围包括：扰流板系统、刹车系统、发动机系统的状态机模型，以及各系统状态参数在测试场景中的输出预期值。

研究结果：

研究在“地面减速”场景下应用并验证了提出的方法，取得了显著成果。

1. 模型构建与需求覆盖：

   • 利用SysML搭建了“地面减速”顶层测试架构，涵盖刹车、扰流板及发动机3大系统的状态变化描述。
   • 通过MBT工具，自动生成了46个针对状态转变和行为逻辑的测试用例，覆盖了2类关键测试目标。

2. 需求满足：

   • 基于预定义的需求，将形成的测试用例与仿真模型相结合，并生成测试过程。
   • 测试验证了6条功能性需求，其中包括：“飞机应能在着陆接地后自动打开扰流板，用以增加刹车效率”“飞机应能在双发失效时具备地面减速能力”等。

3. 测试覆盖率与结果逻辑：

   • 分析了需求与测试用例的双向追溯关系，表明所有需求均获得了测试覆盖。
   • 测试结果显示“地面减速”场景设计完全满足功能性需求。

4. 适配与扩展：

   • 适配器设计支持“模型-真件”测试。
   • 生成的测试代码在反射内存网络中成功运行，验证了测试方法在虚实结合环境下的适配性。

研究结论与意义：

本文提出的基于模型的自动化测试方法（MBT）在民用飞机需求验证中展现了显著的优势： 1. 显著提高了测试效率，解决了传统测试用例编写复杂、效率低的问题； 2. 实现了对于需求验证的全面覆盖； 3. 提升了模型与测试的追溯性和一致性； 4. 支持虚拟场景测试向物理测试的扩展，实现了“模型-真件”桥接。

研究结果重要且具有实践意义，为民用飞机全生命周期的数字化验证提供了新范式，能够直接应用于航空产业的需求验证任务。此外，该方法还为其他复杂系统的自动化测试和数字化验证提供了技术参考。

研究亮点与创新：

1. 模型驱动： 研究首次在民用飞机需求验证领域，将基于模型的测试（MBT）方法与SysML语言结合，通过状态机模型和逻辑表达实现非自然语言化的需求形式。

2. 自动化测试用例： 提出了基于LTL语言的自动生成测试用例方法，并显著降低了人工编写测试用例的成本。

3. 创新型适配器： 针对不同系统设计了接口适配机制，支持测试场景的灵活扩展和结果追溯。

4. 以实际案例验证方法： 以“地面减速”场景为案例，从模型搭建到需求验证完成全流程开发，为今后更复杂应用场景的扩展提供了成功模板。

后续研究：

研究提及，未来将进一步改进MBT方法，着重解决以下问题： 1. 针对连续量需求（难以通过状态机描述的需求），研究对其状态离散化和测试用例精度改进； 2. 制定“模型-真件”适配器的基础框架和数据集成传输规则； 3. 开展多飞机系统场景需求验证的应用。

总结来看，本文通过创新的基于模型的自动化测试技术为民用飞机需求验证开拓了高效、精准的新路径，在业界和学术界均具有广泛的借鉴意义。