Enhancing fault diagnosis in safety-critical cyber-physical systems

Abstract

Cyber-Physical Systems (CPSs) present increasingly complex challenges, particularly within safety-critical domains. Ensuring the correctness of safety-critical CPSs is crucial for maintaining their viability and full operational capacity, as undetected failures can be not only costly but also life-threatening. The timely detection and diagnosis of faults are essential in the CPS development cycle, given the prohibitively high costs of rectifying faults post-hardware integration. Consequently, thorough testing of CPSs becomes paramount, underscoring the necessity for advanced fault diagnosis procedures that can accurately detect, explain, and rectify faults. In this thesis, we develop innovative tools and methods tailored for CPSs, aimed at facilitating swift and accurate fault diagnosis. Our contributions encompass fault injection, global optimization, search-based testing for fault localization, mutation testing against formal properties, and signal feature coverage-based testing. This holistic approach offers significant advantages over existing methods, ensuring thorough testing across various scenarios. The proposed solutions have been evaluated using publicly available benchmarks from diverse domains, demonstrating the applicability and effectiveness of our research. The findings of this thesis advance the knowledge in CPS testing, paving the way for more reliable and safe CPSs in the future.

Cyber-Physical Systems (CPSs) stellen immer komplexere Herausforderungen dar, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen. Die Gewährleistung der Korrektheit sicherheitskritischer CPS ist von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung ihrer Funktionsfähigkeit und vollen Betriebskapazität, da unentdeckte Ausfälle nicht nur kostspielig, sondern auch lebensbedrohlich sein können. Angesichts der unerschwinglich hohen Kosten für die Behebung von Fehlern nach der Hardwareintegration ist die rechtzeitige Erkennung und Diagnose von Fehlern im CPS-Entwicklungszyklus von entscheidender Bedeutung. Daher ist eine gründliche Prüfung von CPS von größter Bedeutung, was die Notwendigkeit fortschrittlicher Fehlerdiagnoseverfahren unterstreicht, mit denen Fehler genau erkannt, erklärt und behoben werden können.In dieser Arbeit entwickeln wir innovative Werkzeuge und Methoden, die auf CPSs zugeschnitten sind und darauf abzielen, eine schnelle und genaue Fehlerdiagnose zu ermöglichen. Unsere Beiträge umfassen Fehlerinjektion, globale Optimierung, suchbasierte Tests zur Fehlerlokalisierung, Mutationstests anhand formaler Eigenschaften und auf der Abdeckung von Signalmerkmalen basierende Tests. Dieser ganzheitliche Ansatz bietet erhebliche Vorteile gegenüber bestehenden Methoden und gewährleistet gründliche Tests in verschiedenen Szenarien.Die vorgeschlagenen Lösungen wurden anhand öffentlich verfügbarer Benchmarks aus verschiedenen Bereichen bewertet, was die Anwendbarkeit und Wirksamkeit unserer Forschung belegt. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern das Wissen über CPS-Testsund ebnen den Weg für zuverlässigere und sicherere CPSs in der Zukunft