Методы верификации и валидации программируемых систем управления

Методы верификации и валидации программируемых систем управления

Современные программируемые системы управления (ПСУ) — это сложные киберфизические комплексы, объединяющие вычислительные устройства, промышленные контроллеры, сенсоры, исполнительные механизмы и каналы связи.
От корректности их работы напрямую зависят безопасность технологических процессов, устойчивость критической инфраструктуры и надёжность всей производственной цепочки.

Ошибки в программных модулях систем управления способны привести не просто к сбоям, а к авариям и техногенным инцидентам.
По данным исследования IEC (2023), до 60% отказов промышленных систем вызваны дефектами в программном обеспечении. Поэтому на этапе проектирования, тестирования и приёмки таких систем критически важны процедуры верификации и валидации (V&V) — системной проверки правильности реализации и соответствия продукта поставленным требованиям.

Верификация и валидация: различие и взаимосвязь

Термины верификация и валидация часто используются совместно, однако они решают разные задачи в жизненном цикле разработки.

Этап	Определение	Вопрос, на который отвечает	Цель
Верификация (Verification)	Подтверждение, что система реализована корректно в соответствии с требованиями, стандартами и спецификациями.	«Мы правильно построили систему?»	Проверка внутренней корректности, архитектуры и кода.
Валидация (Validation)	Подтверждение, что готовая система удовлетворяет ожиданиям заказчика и требованиям назначения.	«Мы построили правильную систему?»	Проверка соответствия продукта его предназначению и реальной среде эксплуатации.

Таким образом, верификация отвечает за корректность реализации, а валидация — за правильность поведения системы в контексте задач управления.

В международных стандартах (например, ISO/IEC 12207:2017, DO-178C, IEC 61508) эти процессы описаны как обязательные стадии жизненного цикла программного обеспечения для систем повышенной ответственности.

Основные подходы и этапы V&V для программируемых систем управления

Процессы верификации и валидации интегрируются во все стадии жизненного цикла — от технического задания до ввода системы в эксплуатацию.

2.1. Этап 1. Анализ требований

Верификация: проверка полноты, непротиворечивости и трассируемости требований.
Используются методы:

трассировка требований (Requirements Traceability Matrix, RTM);
статический анализ текстов требований на логические противоречия (например, при помощи IBM DOORS, ReqView, Polarion).

Валидация: уточнение требований с заказчиком, моделирование сценариев использования, согласование предельных условий работы.

2.2. Этап 2. Проектирование архитектуры

Проверка логики взаимодействия модулей и интерфейсов.
Верификация схем управления, алгоритмов ПЛК, структур данных и коммуникационных протоколов (Modbus, OPC UA, IEC 61850).
Анализ соответствия проектных решений стандартам (ГОСТ 34.603–92, IEC 61131-3, ISO/IEC 15288).

2.3. Этап 3. Реализация и кодирование

Здесь применяются формальные методы контроля:

Code Review (обзор кода вручную или с помощью инструментов: GitLab Code Review, Crucible, SonarQube);
Статический анализ — автоматическая проверка исходного кода на ошибки, уязвимости и несоответствие стандартам кодирования (MISRA C/C++, CERT, PVS-Studio, Klocwork, Coverity);
N-версионное программирование — параллельная реализация одного модуля несколькими командами с последующим сравнением результатов.

2.4. Этап 4. Моделирование и симуляция

Для программируемых систем управления важным инструментом валидации является цифровое моделирование:

создание виртуальных стендов (digital twin, HIL/SIL — Hardware/Software in the Loop);
проверка корректности логики управления на симулированных данных;
анализ реакций системы на аварийные ситуации и отказ компонентов.

2.5. Этап 5. Тестирование

Включает несколько уровней:

модульное (unit testing) — проверка отдельных функций;
интеграционное — взаимодействие модулей;
системное — работа системы в целом;
приёмочное — тестирование в реальных условиях эксплуатации.

Для промышленных систем часто добавляют валидационное тестирование в «полевых условиях» — имитацию сценариев отказа, сетевых разрывов и колебаний напряжения.

Методы и инструменты верификации программных компонентов

Современные подходы разделяются на формальные и эмпирические (тестовые) методы.

3.1. Формальные методы

Используются для доказательства корректности программ:

Математическая спецификация поведения алгоритмов управления (например, Z-нотация, VDM, Alloy);
Модел-чекеры (SPIN, NuSMV, UPPAAL) для проверки конечных автоматов и временной логики (LTL, CTL);
Инструменты статического доказательства корректности кода — Frama-C, CBMC, AstraVer, Dafny.

Формальные методы применяются при разработке систем, где ошибка недопустима: энергоблоки, железнодорожная автоматика, авиационные системы (DO-178C Level A/B).

3.2. Динамические методы

Ориентированы на выполнение программ в тестовых средах:

тестирование на основе сценариев и требований (requirement-based testing);
анализ покрытия кода (statement, branch, path coverage);
динамическое обнаружение утечек памяти, гонок потоков и ошибок синхронизации (Valgrind, AddressSanitizer, Helgrind);
использование имитационных сред и стендов.

Методы валидации систем управления

Валидация подтверждает, что система управления ведёт себя корректно в реальных условиях эксплуатации и соответствует целевым функциям.

4.1. Функциональная валидация

Проверка выполнения всех функциональных сценариев — нормальных, аварийных и переходных режимов.
Использование автоматизированных средств тестирования (например, National Instruments TestStand, Siemens TIA Portal Test Suite).

4.2. Валидация безопасности

Проверка корректности защитных функций (safety functions) согласно стандартам IEC 61508, IEC 62061, ISO 13849.
Определение уровня безопасности SIL (Safety Integrity Level).
Валидация логики отключений, межблокировок, аварийных режимов.

4.3. Валидация эксплуатационной пригодности

Проверка удобства интерфейсов, корректности сообщений оператору, восстановления после сбоев.
Тестирование устойчивости к ошибочным действиям оператора.
Оценка эксплуатационных показателей (MTBF, MTTF, Availability).

Инструментальные средства и практическая реализация

Категория	Примеры инструментов	Назначение
Управление требованиями и трассировка	IBM DOORS, Polarion ALM, ReqIF Studio	Проверка полноты и непротиворечивости требований
Статический анализ кода	SonarQube, PVS-Studio, Klocwork, Polyspace	Автоматическое выявление ошибок и нарушений стандартов
Формальная верификация	SPIN, Frama-C, CBMC, UPPAAL	Проверка логики и временных свойств систем
Моделирование и тестирование ПСУ	MATLAB/Simulink, LabVIEW, TwinCAT, SIMIT	Создание цифровых двойников, HIL/SIL-тестирование
Автоматизация тестов	Jenkins, GitLab CI, TestStand, Robot Framework	Непрерывная интеграция, отчётность и регрессия
Системы контроля версий и рецензирования	Git, Crucible, Gerrit	Управление изменениями, командная верификация

Особое значение имеют инструменты сертифицированные по стандартам безопасности (например, TÜV-certified tools для IEC 61508 или DO-330 для авиации).

Интеграция V&V в жизненный цикл и стандарты

Процессы верификации и валидации должны быть встроены в жизненный цикл разработки в соответствии с международными и отечественными нормами:

ГОСТ 34.601–90 / ГОСТ 34.603–92 — этапы создания автоматизированных систем;
ГОСТ Р 56939–2016 — информационная безопасность АСУ ТП;
ISO/IEC 12207:2017 — процессы жизненного цикла ПО;
IEC 61508 — функциональная безопасность систем управления;
DO-178C / DO-330 — сертификация ПО для авиационных систем;
ГОСТ Р 57430.4–2017 (аналог ISO 26262) — безопасность программного обеспечения транспортных систем.

Эти стандарты требуют наличия документированных процедур V&V, фиксирующих результаты проверок, перечень несоответствий и корректирующих действий.

Практические рекомендации
Внедряйте V&V с ранних этапов. Ошибки, найденные на этапе требований, устраняются в 10–50 раз дешевле, чем на стадии внедрения.
Автоматизируйте проверки. Используйте CI/CD с обязательными этапами статического анализа и тестирования.
Ведите трассировку требований. Каждое требование должно иметь тест, который подтверждает его выполнение.
Комбинируйте методы. Формальные доказательства должны дополняться моделированием и практическими испытаниями.
Регулярно проводите рецензирование кода. Это повышает коллективное понимание архитектуры и предотвращает дублирование ошибок.
Документируйте результаты. Отчёты по верификации и валидации должны быть доступны аудиторам и заказчику.
Создайте культуру качества. Обучайте инженеров принципам надёжной разработки и системного мышления.

Заключение

Верификация и валидация — это не одноразовые процедуры, а непрерывные процессы обеспечения доверия к программируемым системам управления.
Они позволяют гарантировать, что создаваемая система:

реализована корректно (верифицирована);
выполняет свои функции в реальных условиях (валидирована);
безопасна, надёжна и соответствует нормативным требованиям.

Современные методы V&V объединяют формальные доказательства, цифровое моделирование, автоматизированные тесты и анализ жизненного цикла, что делает их неотъемлемой частью философии Secure & Safe by Design.

Внедрение этих подходов особенно актуально для систем КИИ, АСУ ТП, транспорта и энергетики — тех областей, где ошибка в коде может стоить не только времени и денег, но и человеческих жизней.
Поэтому верификация и валидация должны рассматриваться не как формальная проверка, а как основа инженерного доверия и гарант устойчивости всей цифровой инфраструктуры.

Теги: Безопасная разработка ПО

Дополнительные услуги

Разработка ПО под Astra Linux

Безопасная разработка ПО

Независимая оценка документации и программного обеспечения