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문제 정의
- 그리고 개발된 검증절차를 이용하여 현재 개발중인 전자식 헬리콥터 제어법칙 개발에 적용하면서 단계별로 발생하는 모델과 소스코드의 결함을 감지하고 최종적으로 모델을 업데이트하고 있다. 그리고 소스코드의 일치성과 무결성을 검증함으로써 자동생성코드의 기능검증만으로 배포 가능함을 목표로 하고 있다. 향후 개발완료 시까지 개발 및 검증절차의 성숙도를 높임으로써 다른 개발프로젝트에서도 중요한 개발요소로서 사용될 것으로 판단된다.
- 그러나 모델과 소스코드의 일치성에 대해서는 모델기반설계 도구 개발업체에 의존하는 실정으로 개발자의 자동생성코드의 대한 추가적인 검증절차가 필요하게 되었다. 본 논문에서는 자동생성코드의 궁극적인 목표를 위하여 자동생성코드의 정형화된 개발 및 검증절차를 제시하였다. 그리고 개발된 검증절차를 이용하여 현재 개발중인 전자식 헬리콥터 제어법칙 개발에 적용하면서 단계별로 발생하는 모델과 소스코드의 결함을 감지하고 최종적으로 모델을 업데이트하고 있다.
제안 방법
- 그리고 모델 시뮬레이션과 비선형 6-자유도 시뮬레이션과도 유사성이 있음을 검증해야 대상 시뮬레이터에서의 상사성을 유지할 수 있다. Fig. 2와 같이 전자식 헬리콥터 제어법칙 자동생성코드 검증을 위하여 자동생성코드에 대한 검증 절차를 개발하여 적용하였다.
- 상사성 검증 조건은 헬리콥터 선형모델을 기반으로 설계된 비행제어법칙이 CONDUIT 평가 환경에서 ADS-33E-PRF 규격을 만족하는 것을 확인하기 위해 사용되었던 테스트 조건 선정하였다.[9] 그리고 검증시 조종명령의 형태는 비행제어법칙에서 설계된 명령형태(response type)를 기준으로 선정하여 이를 검증할 수 있도록 하였다. Fig.
- 그리고 모델 커버리지 테스트에서는 발생되지 않았던 소스코드에 사용되는 지역변수로 인한 변경 조건/결정 커버리지(MC/DC) 저하가 발생하였으며, 이를 해결하기 위하여 모델을 수정하였다. 원인은 모델에 사용된 MATLAB에서 제공하는 복합블록과 대수루프(algebraic loop)에러의 복합요인이었으며, 복합블록은 사용자 개발블록으로 변경, 대수루프 에러는 딜레이 블록을 사용하여 커버리지를 만족시킬 수 있었다.
- 본 논문에서는 MATLAB/SIMULINK 기반으로 설계한 모델 형태로 제어법칙을 설계하고, 설계된 제어법칙 모델과 모델에서 생성된 소스코드에 대해서 검증이 필요한 테스트 항목에 대해서 식별하였다. 그리고 식별된 모델을 기반으로 모델 커버리지(model coverage), 일치성 검증, 소스 코드 상에서 코드 커버리지(code coverage), 무결성, 코딩규칙 그리고 상호 상사성(similarity) 검증 등의 항목을 활용하여 자동생성코드의 신뢰성을 검증하였다. 그리고 개발된 절차에 따라서 실제 전자식 헬리콥터 개발 과제에 적용하여 모델과 소스 코드에 잠재적 결함을 내포하고 있음을 확인하였고, 이를 정형화된 검증 절차에 따라 모델을 수정하여 요구도를 만족함을 확인하였다.
- 3과 같이 최상위 모델의 92개에 대하여 커버리지를 만족함을 보이고 있다. 기본적인 데드코드를 추출해낼 수 있었으며 코드로 변환후의 커버리지를 재확인하기 위해 소스코드 커버리지를 추가적으로 수행하였다.
- 전자식 헬리콥터 자동생성코드의 구문 커버리지(statement coverage)는 259개, 분기 커버리지(branch coverage)는 111개, 변경 조건/결정 커버리지(MC/DC)는 28개이며, 이를 만족하도록 테스트케이스를 생성하였다. 기본적인 자동테스트케이스와 매뉴얼 테스트케이스를 사용하여 커버리지를 만족시켰다.
- 본 개발과제에서도 변수 초기화 과정 및 적분기에서 문제가 발생하여 초기화 함수추가, 적분기를 MATLAB에서 제공하는 모델이 아닌 이산적분기를 만들어서 사용하였다. 툴에서 제공하는 복합기능의 블록을 사용하기 보다는 기본 블록들을 사용하여 개발자가 구현한 블록을 사용해야 자동생성코드의 이상 현상에 대한 정비가 쉽고가독성을 높일 수 있다.
- 본 논문에서는 MATLAB/SIMULINK 기반으로 설계한 모델 형태로 제어법칙을 설계하고, 설계된 제어법칙 모델과 모델에서 생성된 소스코드에 대해서 검증이 필요한 테스트 항목에 대해서 식별하였다. 그리고 식별된 모델을 기반으로 모델 커버리지(model coverage), 일치성 검증, 소스 코드 상에서 코드 커버리지(code coverage), 무결성, 코딩규칙 그리고 상호 상사성(similarity) 검증 등의 항목을 활용하여 자동생성코드의 신뢰성을 검증하였다.
- 최적화된 템플릿 파일은 자동생성코드의 인터페이스를 위해 사용된다. 비선형 6-자유도 시뮬레이션, 조종성평가 시뮬레이션 그리고 탑재소프트웨어에 공통으로 자동생성코드가 적용될 수 있도록 템플릿 파일을 개발하였다.
- 상사성 검증 조건은 헬리콥터 선형모델을 기반으로 설계된 비행제어법칙이 CONDUIT 평가 환경에서 ADS-33E-PRF 규격을 만족하는 것을 확인하기 위해 사용되었던 테스트 조건 선정하였다.[9] 그리고 검증시 조종명령의 형태는 비행제어법칙에서 설계된 명령형태(response type)를 기준으로 선정하여 이를 검증할 수 있도록 하였다.
- 제어법칙 개발환경중 하나인 헬리콥터 비선형 6-자유도 시뮬레이션도구 (HETLAS : HElicopterTrim, Linearization and Simulation)에 제어법칙 자동생성코드를 탑재하여 모델의 시뮬레이션 결과와 상사성을 비교함으로써 MATLAB 환경이 아닌 대상 시뮬레이터 환경에서 자동생성코드의상사성을 검증할 수 있었다. 상사성 검증을 위한 조건은 Table 3과 같이 제자리 비행영역에서 각축에 대한 계단(Step) 명령 및 가진(Doublet) 명령을 가하여 나오는 응답특성을 비교하였다.
- 모델 초기 개발과정에서는 기본 구성뿐만 아니라 옵션 설정과 가이드라인을 통한 안정화를 필요로 한다. 설정된 옵션과 사용되는 블록에 따라 자동생성코드의 기능적 오류를 발생시키거나 가독성 및 효율성이 저하되기 때문에 개발자들 간에 공통적으로 사용할 수 있는 자동생성코드 도구를 개발하였다[5]
- 만족하지 못하는 구조의 모델에 대해서 모델 수정을 통하여 100% 모델 커버리지를 만족시켰다. 수정이 필요한 모델에 대해서는 가이드라인에 명시를 함으로 해서 추가적인 에러를 방지하도록 하였다. 총 48개의 조건 커버리지(condition coverage), 124개의 결정커버지리(decision coverage), 22개의 변경 조건/결정 커버리지(MC/DC)을 만족시켰으며, 모델분석을 통한 자동테스트케이스8개와 추가적인 수동테스트케이스4개를 생성하였다.
- 그래서 같은 시뮬레이션 환경에서 자동생성코드를 MATLAB 내부함수인 S-Function을 이용하여 모델과 자동생성 코드가 기능적으로 일치함을 검증하였다. 시뮬레이션 상사성을 최종적으로 만족시키기 위한 테스트 케이스를 활용하여 검증하였으며 자세한 설명은 상사성 검증테스트에서 하도록 하겠다. Fig.
- 소스코드의 커버리지 테스트는 소프트웨어개발에서 널리 수행되는 테스트방법이다. 여러 과제에서 사용되어 검증된 상용툴을 이용하여 전자식 헬리콥터 자동생성코드의 코드 커버리지 검증하였다. 코드 커버리지 검증을 통하여 코드의 구조적 결함 및 데드코드를 제거하였다.
- 개발초기에 이러한 문제를 해결하는데 코드의 정적테스트는 필수적이라 할 수 있다. 위에서 수행된 커버리지 테스트, 코딩규칙 그리고 무결성 테스트에서 발생된 결함에 대해서는 결함이 발생된 내용을 자동생성코드 가이드라인에 반영하고, 가이드라인의 내용에 따라 제어법칙 모델을 수정 후에 다시 자동생성코드를 개발하는 절차로 개발을 수행한다.
- 자동생성코드 개발을 위해 요구도에 따라 제어법칙 모델을 생성하고, 시뮬레이션을 통해 개발된 알고리즘의 기능동작 확인 후 자동생성코드를 생성하게 된다. 이러한 이상적인 자동생성코드 개발과정은 개발초기에 적용하기에는 위험성이 크다.
- 정적테스트 도구를 이용하여 자동생성코드의 기본적으로 코딩규칙 확인과 런타임 오류, 오버플로 등의 잠재적 결함을 내포하고 있지 않음을 확인함으로 해서 자동생성코드의 무결성을 검증할 수 있다. 전자식 헬리콥터 자동코드에 적용된 코딩규칙은 유사과제에 적용된 MISRA-C(Motor Industry Software Reliability Association)를 수정을 하여 사용하였다. 총 141개의 규칙 중에 55개가 적용되었으며 54개를 만족하였다.
- 제어법칙 모델을 기반으로 모델 커버리지 테스트를 수행하여 모델의 구조적 결함여부를 판단하였다[3][8]. 판단 지표로는 DO-178 Level A에 준하는 변경 조건/결정(MC/DC: Modified Condition Decision Coverage)을 만족 여부를 검증하였다.
- 수정이 필요한 모델에 대해서는 가이드라인에 명시를 함으로 해서 추가적인 에러를 방지하도록 하였다. 총 48개의 조건 커버리지(condition coverage), 124개의 결정커버지리(decision coverage), 22개의 변경 조건/결정 커버리지(MC/DC)을 만족시켰으며, 모델분석을 통한 자동테스트케이스8개와 추가적인 수동테스트케이스4개를 생성하였다. Fig.
- 자동생성코드를 실행하지 않고 정적분석을 통해 소스코드의 특정 런타임 오류가 없을 증명하였다. 코드 실행경로를 분석하고 변수범위에 대한 동시 접속 경로를 미리 파악하여 수학적으로 에러가 없음을 증명하는 방법을 활용하였다. 분석을 통해 증명된 런타임 에러는 Table 2와 같다.
- 여러 과제에서 사용되어 검증된 상용툴을 이용하여 전자식 헬리콥터 자동생성코드의 코드 커버리지 검증하였다. 코드 커버리지 검증을 통하여 코드의 구조적 결함 및 데드코드를 제거하였다. 코드 커버리지의 지표는 DO-178 Level A를 만족하도록 Table 1을 참조로 하여 설정하였다.
- 제어법칙 모델을 기반으로 모델 커버리지 테스트를 수행하여 모델의 구조적 결함여부를 판단하였다[3][8]. 판단 지표로는 DO-178 Level A에 준하는 변경 조건/결정(MC/DC: Modified Condition Decision Coverage)을 만족 여부를 검증하였다. 만족하지 못하는 구조의 모델에 대해서 모델 수정을 통하여 100% 모델 커버리지를 만족시켰다.
대상 데이터
- 전자식 헬리콥터 자동생성코드의 구문 커버리지(statement coverage)는 259개, 분기 커버리지(branch coverage)는 111개, 변경 조건/결정 커버리지(MC/DC)는 28개이며, 이를 만족하도록 테스트케이스를 생성하였다. 기본적인 자동테스트케이스와 매뉴얼 테스트케이스를 사용하여 커버리지를 만족시켰다.
- 전자식 헬리콥터 자동코드에 적용된 코딩규칙은 유사과제에 적용된 MISRA-C(Motor Industry Software Reliability Association)를 수정을 하여 사용하였다. 총 141개의 규칙 중에 55개가 적용되었으며 54개를 만족하였다. 1개의 불만족 룰(Rule 12.
성능/효과
- 이러한 경우는 개발자의 의도와 다르게 SIMULINK에서 시뮬레이션을 수행하기 위한 내부설정 부분에 대해서 자동생성코드에 반영이 되어 있지 않은 경우가 많다. 그래서 같은 시뮬레이션 환경에서 자동생성코드를 MATLAB 내부함수인 S-Function을 이용하여 모델과 자동생성 코드가 기능적으로 일치함을 검증하였다. 시뮬레이션 상사성을 최종적으로 만족시키기 위한 테스트 케이스를 활용하여 검증하였으며 자세한 설명은 상사성 검증테스트에서 하도록 하겠다.
- 그리고 식별된 모델을 기반으로 모델 커버리지(model coverage), 일치성 검증, 소스 코드 상에서 코드 커버리지(code coverage), 무결성, 코딩규칙 그리고 상호 상사성(similarity) 검증 등의 항목을 활용하여 자동생성코드의 신뢰성을 검증하였다. 그리고 개발된 절차에 따라서 실제 전자식 헬리콥터 개발 과제에 적용하여 모델과 소스 코드에 잠재적 결함을 내포하고 있음을 확인하였고, 이를 정형화된 검증 절차에 따라 모델을 수정하여 요구도를 만족함을 확인하였다.
- 그리고 소스코드의 검증을 위해서 자동 생성된 코드의 요구하는 수준의 커버리지, 코딩규칙 및 잠재적 결함이나 런타임 오류가 포함되어 있는지에 대한 무결성을 검증해야 한다. 그리고 모델 시뮬레이션과 비선형 6-자유도 시뮬레이션과도 유사성이 있음을 검증해야 대상 시뮬레이터에서의 상사성을 유지할 수 있다. Fig.
- 판단 지표로는 DO-178 Level A에 준하는 변경 조건/결정(MC/DC: Modified Condition Decision Coverage)을 만족 여부를 검증하였다. 만족하지 못하는 구조의 모델에 대해서 모델 수정을 통하여 100% 모델 커버리지를 만족시켰다. 수정이 필요한 모델에 대해서는 가이드라인에 명시를 함으로 해서 추가적인 에러를 방지하도록 하였다.
- 모델 검증을 위해서 모델 스타일 가이드 준수, 모델의 커버리지 그리고 모델의 시뮬레이션 결과와 자동생성코드의 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 모델과 코드의 일치성을 검증할 수 있다. 그리고 소스코드의 검증을 위해서 자동 생성된 코드의 요구하는 수준의 커버리지, 코딩규칙 및 잠재적 결함이나 런타임 오류가 포함되어 있는지에 대한 무결성을 검증해야 한다.
- 본 검증에 사용된 상용 검증도구는 제어법칙 모델과 소스코드와 링크기능을 제공하여 발생된 런타임 에러를 바로 수정 가능한 기능을 제공하고 있다. 자동생성코드의 특성상 기계가 만들어내는 소스코드이며 모델이 복잡해질수록 코드의 양이 늘어난다.
- 7 과 8의 결과와 같이 상사성을 갖는 것을 확인하였다. 시뮬레이션 결과는 종축과 횡측으로 가진(Doublet) 명령을 주어 On-Axis의 결과이며 종축명령을 주었을 때 피치자세, 자세각속도, 속도, 위치가 유사한 형태로 시뮬레이션이 진행됨을 확인 할 수 있었다.
- 그리고 모델 커버리지 테스트에서는 발생되지 않았던 소스코드에 사용되는 지역변수로 인한 변경 조건/결정 커버리지(MC/DC) 저하가 발생하였으며, 이를 해결하기 위하여 모델을 수정하였다. 원인은 모델에 사용된 MATLAB에서 제공하는 복합블록과 대수루프(algebraic loop)에러의 복합요인이었으며, 복합블록은 사용자 개발블록으로 변경, 대수루프 에러는 딜레이 블록을 사용하여 커버리지를 만족시킬 수 있었다. 모델 커버리지와 소스 커버리지의 테스트 목적이 다름을 이해하고, 그 목적에 따라 적절한 비중의 테스트 수행이 필요하다.
- 정적테스트 도구를 이용하여 자동생성코드의 기본적으로 코딩규칙 확인과 런타임 오류, 오버플로 등의 잠재적 결함을 내포하고 있지 않음을 확인함으로 해서 자동생성코드의 무결성을 검증할 수 있다. 전자식 헬리콥터 자동코드에 적용된 코딩규칙은 유사과제에 적용된 MISRA-C(Motor Industry Software Reliability Association)를 수정을 하여 사용하였다.
- 제어법칙 개발환경중 하나인 헬리콥터 비선형 6-자유도 시뮬레이션도구 (HETLAS : HElicopterTrim, Linearization and Simulation)에 제어법칙 자동생성코드를 탑재하여 모델의 시뮬레이션 결과와 상사성을 비교함으로써 MATLAB 환경이 아닌 대상 시뮬레이터 환경에서 자동생성코드의상사성을 검증할 수 있었다. 상사성 검증을 위한 조건은 Table 3과 같이 제자리 비행영역에서 각축에 대한 계단(Step) 명령 및 가진(Doublet) 명령을 가하여 나오는 응답특성을 비교하였다.
- 본 개발과제에서도 변수 초기화 과정 및 적분기에서 문제가 발생하여 초기화 함수추가, 적분기를 MATLAB에서 제공하는 모델이 아닌 이산적분기를 만들어서 사용하였다. 툴에서 제공하는 복합기능의 블록을 사용하기 보다는 기본 블록들을 사용하여 개발자가 구현한 블록을 사용해야 자동생성코드의 이상 현상에 대한 정비가 쉽고가독성을 높일 수 있다.
후속연구
- 분석을 통해 증명된 런타임 에러는 Table 2와 같다. Fig. 6과 같이 전자식 헬리콥터 자동생성코드는 17가지의 런타임 에러에 대하여 99% 무결함을 검증하였으며, 나머지 1%에 대해서는 MATLAB에서 제공되는 Look-Up Table 함수에 대한 오버플로 에러로서 향후 제어법칙 형상 확정시까지 배포되는 형상에 대해서 검증을 수행할 예정이다.
- 그리고 소스코드의 일치성과 무결성을 검증함으로써 자동생성코드의 기능검증만으로 배포 가능함을 목표로 하고 있다. 향후 개발완료 시까지 개발 및 검증절차의 성숙도를 높임으로써 다른 개발프로젝트에서도 중요한 개발요소로서 사용될 것으로 판단된다.
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