一种基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试方法及系统与流程

本发明专利属于工业通信协议测试，具体涉及一种基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试方法、系统装置及平台，适用于各类工业控制设备通信协议（如profinet、ethercat、modbus tcp、opc ua等）的一致性、互操作性、性能与坚固性测试，可拓展应用于通信芯片、通信模组、工业网络、智能制造、物联网系统的协议检测与故障诊断场景。通过将复杂的通信协议分解为多个子状态机，并利用状态间的转换条件与规则实现对协议行为的精确建模，显著提升通信协议测试的效率和可靠性。

背景技术：

1、工业通信协议是工业智能控制系统设备数据交互、指令传输、协同运行的核心基础，协议的合规性、稳定性、兼容性与性能优劣直接影响控制系统的可靠性与安全性。随着智能制造、工业互联网、5g工业赋能技术等的快速发展，工业控制设备类型日趋多元，工业通信协议迭代更新加快，多设备、多协议异构交互场景日益复杂，对工业通信协议测试的全面性、精准性、自动化与智能化水平提出了更高要求。当前工业通信协议测试多为单一有限状态机模型，仅能覆盖协议基础交互状态，无法适配工业通信总线物理层、链路层、应用层多层级耦合的运行特征，难以模拟复杂工况下的异常状态与故障场景；此外，当前工业通信协议测试多采用固定序列遍历测试，未结合不同工控系统的状态可达性特征，未对转移周游法、特征序列法等主流测试序列算法进行融合优化，存在测试冗余、重点不突出、隐性故障漏检的问题；再者，当前工业通信协议测试多聚焦协议一致性基础检测，忽略互操作性、极端工况坚固性、动态性能指标的综合测试，无法全面评价协议综合性能，缺乏智能分析能力难以自动归集故障特征、迭代优化测试策略，测试自动化与智能化程度低。

2、针对适配复杂工业场景的动态测试需求，急需一种支持多场景、覆盖多维度、融合多算法的工业控制设备通信协议测试方法及系统。

技术实现思路

1、发明目的

2、针对工业控制设备及控制系统，引入复合有限状态机模型，优化测试流程，提升测试效率，提供一种准确高效的工业控制设备通信协议测试方法及系统，克服现有协议测试技术中测试模型单一、测试序列不合理、测试维度不全、智能化程度低、无标准化对标体系、场景适配性差的缺陷，实现工业总线通信协议全维度、高精度、智能化、可迭代的自动化测试，完成同类产品性能对标，精准挖掘协议缺陷与性能短板，支撑工控产品质量优化升级，同时拓展多领域协议测试与故障诊断应用场景。

3、技术方案

4、本发明提供一种基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试方法（以下简称协议测试方法），和一种基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试系统（以下简称协议测试系统）。

5、协议测试方法，主要包括以下流程。

6、s1 复合有限状态机模型构建：基于工业总线通信协议分层架构，整合物理层电气传输特征、链路层帧交互规则、应用层指令交互逻辑，划分协议正常交互、异常干扰、故障失效三类状态，构建多状态耦合、多层级适配的复合有限状态机模型，突破传统单一状态机模型覆盖场景有限的弊端。

7、s2 算法可达性对比分析：针对不同组织架构的工业智能控制系统，分别采用全局搜索算法、局部搜索算法、随机仿真算法开展协议状态可达性分析，统计各算法的状态覆盖率、测试耗时、故障识别准确率，依据测试场景复杂度、工况扰动强度、设备类型等完成算法自适应筛选匹配配置。

8、s3 加权复合测试序列构造：结合转移周游法、特征序列法、区分序列法、唯一输入输出法的各自技术优势，针对一致性、互操作性、性能、坚固性四类测试需求差异化分配权重，融合多算法生成的测试路径与校验序列，去除冗余测试项，构造全覆盖、高精准、高效率的加权复合测试序列。

9、s4 柔性仿真测试系统搭建与全维度测试：搭建工业总线通信协议实体测试平台与柔性场景仿真验证系统，自定义配置电磁干扰、网络波动、数据丢包、设备异构对接等柔性测试场景，对工业控制设备总线通信协议开展一致性合规性测试、多设备互操作性兼容测试、动态性能指标测试、极端工况坚固性稳定性测试。

10、s5 多维度指标对标评价：同步采集测试过程中物理层、链路层、应用层的全维度性能指标，与同类型工控产品总线协议指标进行横向对比，建立标准化性能评比评价体系，精准定位国内产品协议设计、传输性能、兼容适配、抗干扰能力的短板与缺陷。

11、s6 智能数据处理与测试序列迭代优化：采用大数据分析算法对测试全量数据进行实时归集、清洗、筛选、分类，通过深度学习算法挖掘测试数据与协议故障的隐性关联，迭代更新总线故障集；基于故障类型、测试指标偏差动态调整测试序列权重，自适应优化自动化测试序列，实现测试过程闭环迭代升级。

12、基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试方法，本发明专利提供一种基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试系统，包括测试柜和上位机。上位机可通过互联网与云服务器等连接获取/存储信息。测试柜中包含被测工业设备的安装夹具、测试接口、电源、信号发生器、任意波发生器、矢量网络分析仪、协议分析测试设备、示波器、计算机及控制分析软件。其中控制分析软件包含模型构建模块、可达性分析模块、测试序列生成模块、仿真测试模块、数据采集对标模块、智能优化模块。各模块协同工作，完成模型构建、算法分析、序列生成、场景测试、指标对标、智能优化全流程自动化处理，支撑全维度协议测试工作。

13、有益效果

14、本发明具有如下显著有益效果。

15、1、提升场景覆盖度与模拟真实性：构建复合有限状态机模型，突破传统单一状态机仅能覆盖基础协议交互的局限，融合工业总线三层协议特征与多类工况状态，精准刻画复杂场景下的协议运行与故障逻辑，大幅提升测试场景覆盖度与状态模拟真实性。

16、2、提升隐性故障识别能力：通过多类可达性算法与四类测试序列算法的融合对比，自适应加权生成复合测试序列，有效规避传统固定测试序列的冗余测试、漏检问题，兼顾测试全覆盖与测试高效率，大幅提升隐性故障识别能力。

17、3、完善测试维度及体系：实现协议一致性、互操作性、性能、坚固性四大维度一体化测试，覆盖物理层、链路层、应用层全层级指标。模拟工业现场各类复杂扰动工况，全面还原真实运行场景，实现故障特征自动归集、测试序列动态优化，构建闭环迭代的智能测试体系，摆脱传统人工测试、固定测试的局限，大幅提升测试自动化智能化水平。

18、4、支撑工控产品质量提升：建立同类产品总线协议标准化对标评价体系，精准定位国内产品技术短板，为国内工控设备生产厂家提供精准的优化方向，有效提升国产工控产品质量与市场竞争力。

19、5、通用性扩展性强，应用前景广阔：系统覆盖常见工业通信协议，可便捷拓展至通信芯片/模组通信协议检测、工业通信网络故障诊断、智能制造系统校验、物联网及工业网络协议测试等多领域，通用性与应用前景广阔。

1.一种基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试方法，其特征在于，包括以下步骤：s1 搭建复合有限状态机测试模型；s2分别采用全局搜索算法、控制下部分搜索算法、随机仿真算法对不同智能控制系统的协议状态可达性进行对比分析；s3 融合多类测试序列生成算法，基于可达性分析结果，依据协议测试指标权重自适应分配权重，构造加权复合测试序列；s4 搭建工业总线协议实体测试系统与柔性场景仿真验证系统，构建多工况、多干扰、多设备兼容的柔性测试场景，开展一致性、互操作性、性能、坚固性全维度测试；s5 开展对标测试与数据采集，完成产品性能横向评比评价；s6 智能优化测试序列，结合深度学习算法迭代归集总线故障集，动态匹配测试序列权重，自适应优化自动化测试序列，实现测试过程闭环迭代优化。基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试系统，包括测试柜和上位机。上位机可通过互联网与云服务器等连接获取/存储信息。测试柜中包含被测工业设备的安装夹具、测试接口、电源、信号发生器、任意波发生器、矢量网络分析仪、协议分析测试设备、示波器、计算机及控制分析软件。其中控制分析软件包含模型构建模块、可达性分析模块、测试序列生成模块、仿真测试模块、数据采集对标模块、智能优化模块。各模块协同工作，完成模型构建、算法分析、序列生成、场景测试、指标对标、智能优化全流程自动化处理，支撑全维度协议测试工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中所述复合有限状态机模型，为融合分层协议特征的多状态耦合模型，将工业总线协议的正常交互状态、异常干扰状态、故障失效状态进行分类建模，关联物理层电气特性、链路层传输规则、应用层数据交互逻辑，实现多层级协议行为的精准刻画。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中可达性分析具体包括：针对简单稳定测试场景采用全局搜索算法实现全状态遍历覆盖，针对复杂工控系统采用控制下部分搜索算法缩减无效搜索维度，针对随机干扰工况采用随机仿真算法模拟真实工业现场扰动，通过三类算法的覆盖率、耗时、准确率指标对比，实现场景化算法适配。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中加权复合测试序列的构造方法包括：依据一致性测试、互操作性测试、性能测试、坚固性测试的优先级分配基础权重，结合四类测试序列生成算法的适配场景，对状态转移路径、特征校验序列、区分校验逻辑、输入输出匹配规则进行融合加权，生成兼顾全覆盖、高效率、高精准度的复合测试序列。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中柔性场景仿真验证系统支持工况参数自定义配置，可模拟工业现场网络波动、设备热插拔、数据丢包、异常指令输入等柔性场景，适配不同品牌、不同型号工业智能控制设备的协议测试需求。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s6中深度学习算法用于挖掘测试数据与协议故障的关联特征，自动归集总线典型故障、隐性故障、偶发故障数据集，基于故障类型动态调整测试序列中对应测试项的权重与测试频次，实现自动化测试的智能迭代优化。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一种基于复合有限状态机模型的工业控制设备通信协议测试系统，包括测试柜和上位机。上位机可通过互联网与云服务器等连接获取/存储信息。测试柜中包含被测工业设备的安装夹具、测试接口、电源、信号发生器、任意波发生器、矢量网络分析仪、协议分析测试设备、示波器、计算机及控制分析软件。其中控制分析软件包含模型构建模块、可达性分析模块、测试序列生成模块、仿真测试模块、数据采集对标模块、智能优化模块。所述模型构建模块，用于构建适配工业总线多协议层级的复合有限状态机模型，刻画协议全状态交互逻辑；所述可达性分析模块，用于运行全局搜索、控制下部分搜索、随机仿真三类算法，完成工控系统协议状态可达性对比分析；所述测试序列生成模块，用于融合四类测试序列算法，自适应加权生成复合测试序列；所述仿真测试模块，用于搭建柔性仿真场景，开展协议一致性、互操作性、性能、坚固性全维度测试；所述数据采集对标模块，用于采集国内外同类产品总线测试指标，完成横向性能评比与数据存储；所述智能优化模块，用于通过大数据与深度学习算法处理测试数据，归集故障集并动态优化测试序列。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述仿真测试模块支持实体设备对接测试与虚拟场景仿真测试双模式，可实现实验室仿真验证与工业现场实测数据互通。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统可拓展适配通信芯片协议测试、工业通信网络故障诊断、智能制造系统协议校验、物联网及网络通信协议合规性测试场景。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统可测试指标包括物理层的传输速率、抗干扰能力、电气性能指标，链路层的帧传输成功率、丢包率、重传效率指标，应用层的指令响应精度、数据交互一致性、多设备兼容交互指标，以及极端工况下协议坚固性、稳定性指标。