给软件装上“体检”系统 确保“动作”不发生意外

本文转自：南京日报

南大教授大胆创新推进基础软件自主可控

给软件装上“体检”系统

确保“动作”不发生意外

课堂上的潘敏学教授。受访者供图

□ 南京日报/紫金山新闻记者 何洁

南京大学费彝民楼软件工程实验室内，键盘敲击声不断。软件学院副教授、博士生导师潘敏学课题组的几名研究生目光紧盯着计算机屏幕，手上同步进行着代码编写工作，他们通过测试分析验证等算法来检验软件是否可信。本期“见证南京高校‘科技原创力’”栏目走近潘敏学教授，他主要从事软件分析与测试、软件系统建模与验证等研究工作，简单来说，就是给软件装上“体检”系统，通过自动化验证、测试，及时发现存在的缺陷，确保软件运行安全无虞。

给软件安装“体检”系统

在智慧仓库，向机器人发送“组装电视”的语音指令，随后机器人通过自身的感知自动定位零件所在位置，并通过操控机械臂去抓取，一切零件准备就绪，几分钟后，一台电视机便组装完成。这样的未来场景是不是很令人期待？而在这个人机物融合系统中，软件发挥了核心作用——控制。

“我们对软件充分信任，通过它来操控物理世界的设备，并且相信在发出指令后，机器人内部的软件能识别到我们的信号，知道怎么去组装，保证整个抓取、安装过程的正确、安全，这就是软件的‘可信性’。”潘敏学表示，但很多情况下，软件并不能让人充分信任，它并不以人们所期望的方式工作，会发生各种故障或者失效，从而直接或间接地对用户造成巨大伤害。

“比如，机械臂在抓取过程中，突然有人闯入了，或者抓取的零件掉落了，那么软件的行为就发生了变化，不能及时反应，可能造成机械臂打到人，或者相互碰撞。”潘敏学介绍，科学家们之所以要研究软件的“可信性”，就是要求软件系统在操作错误、环境影响、外部攻击等干扰下，依然提供连续的预期服务。

潘敏学告诉记者，他的研究方向是面向复杂场景的软件可信保障，与许多同方向的研究者不同的是，他们的主要研究内容是建立有效的场景模型，并在此基础上克服系统状态和行为空间爆炸所形成的可信保障的复杂性障碍，这也是他们的一大特色。“简单来说，就是对于复杂软件系统的可信保障，建立有效的场景模型，通过这套“体检”系统实现自动化验证、测试，及时发现存在的缺陷，确保软件运行安全无虞。”

这套“体检”系统已经在航天领域得到应用验证。航天软件主要以嵌入式软件为主，有一个明显的特征就是中断驱动场景较多。中断的实践方式就是停止当前任务，来响应一个更加需要处理的任务。“这个过程就涉及任务的切换，可能牵扯到数据一致性以及任务超时的问题，这也是航天软件缺陷的一大来源。”潘敏学介绍，他们大胆提出基于场景规约的中断驱动行为的建模与验证，相比于传统的仿真测试方法，能够更快定位到错误缺陷的成因。

做人机交互行为测试领域的“领头羊”

“科技如何实现自立自强，我觉得最离不开的就是创新。我们可以不用跟随已有的研究思路，可以创新性地提出自己的想法，引领现在的研究思路。”潘敏学告诉记者，针对人机交互行为的测试，国际上很多团队在研究，但是他并没有去参照固有的思路，而是带着团队的两位研究生黄安、王国新“另辟蹊径”，首次提出了“基于强化学习的好奇心驱动策略”，也就是以未测试的功能场景为目标，通过强化学习方法来理解软件内不同的场景及其关系，针对不同的软件调整测试策略，使整个测试过程更具智能性和适应性。

“在研究过程中，也有团队采取了类似的思路，发布的报告显示效果不尽如人意。当时已经尝试了一年时间的我们很受打击，质疑自己是否能做出来，是不是这个想法太先进了？”潘敏学告诉记者，在静下心思考后，他们坚定了自己的想法，“既然要做引领者，那么这个研究过程肯定是没有参考，是孤独又比较艰难的，所以我们不断地去找寻可以改进的地方。”在一次次的讨论交流后，他们又提出了一个新的概念——面向功能场景进行测试，这样所有问题迎刃而解。

从想法的提出、不断地验证到最后论文的发表，他们3人用了2年多的时间。2020年，在软件测试领域国际顶级学术会议（ISSTA）上，这篇文章获得了杰出论文奖。目前，该思路已经成为人机交互行为测试的主要策略之一。

开发智能系统进行

个性化辅导

不仅在科研方面有突出贡献，在教学上，潘敏学也出类拔萃，每年承担了近200课时的教学任务。不同于其他专业，软件工程专业的实践作业很多，潘敏学联合学院郑滔老师开发了一款智能批改作业系统。“国内有不少类似的系统，我们系统强在不仅能自动批改作业，内部的抄袭检测系统还可以捕捉到学生所有的编程行为，让抄袭行为‘无处遁形’。”潘敏学介绍。

在教学过程中，如何进行个性化辅导，让学生实现更好的发展？除了智能批改作业系统，潘敏学还开发出一款“神器”——大数据分析系统。“它能够分析出哪些知识点学生掌握得不太好，在这个题目卡壳，多次进行调试。如果这是大家普遍存在的问题，那么我们就会在课堂上着重讲解。如果只是个别现象，我们就会针对性地辅导。”潘敏学告诉记者，教学和科研是相辅相成的，目前他也在做程序自动修复的研究，“我们正在尝试增加一种新功能，在作业系统中分层次给出一些提示。比如同学们在写作业的过程中，可以选择让系统告知错误的位置，给出提示，自己去修改，也可以让系统自动修复。系统还可以针对学生知识点薄弱的地方出题，他可以多次练习来加强巩固。”

在学生们眼里，潘敏学是一位温文儒雅，并且充分给予他们尊重的老师。“大学期间，我的导师李宣东教授曾经跟我说，他觉得世界上有两个工作大家都很尊敬。一个是老师，一个是医生，因为医生可以给人健康的体魄，老师可以给人健全的人格。现在我也是一位老师了，我希望通过启发式教育，引导学生大胆提出想法，培养他们的创新能力。”潘敏学说。