一種信號(hào)設(shè)備功能測試系統(tǒng)方案的研究

李啟翮

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，北京 100073）

1 概述

軌道交通領(lǐng)域作為高安全需求領(lǐng)域，其信號(hào)設(shè)備（如聯(lián)鎖、列控設(shè)備等）多為安全苛求設(shè)備，這些設(shè)備協(xié)同工作，共同保證列車安全運(yùn)行。

為確保設(shè)備安全穩(wěn)定工作，運(yùn)營之前必須進(jìn)行全面的測試。針對(duì)不同的設(shè)備以及測試的不同級(jí)別，需要設(shè)計(jì)并構(gòu)建不同的測試系統(tǒng)。針對(duì)該問題，本文提出一種通用的設(shè)備功能自動(dòng)化測試系統(tǒng)，針對(duì)事件驅(qū)動(dòng)類型（如CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的列控中心、CBTC系統(tǒng)的區(qū)域控制中心等）或周期處理類型（如計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖）的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)別功能測試，只需針對(duì)具體的設(shè)備進(jìn)行適配，就能以相同的測試原理測試不同的設(shè)備。

測試通常分為多個(gè)級(jí)別，如單元測試、針對(duì)設(shè)備各部件的子系統(tǒng)測試、針對(duì)單一設(shè)備的系統(tǒng)測試、多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備之間的集成測試以及現(xiàn)場測試等。單元測試由開發(fā)人員自己完成；子系統(tǒng)測試是保證該部件能與其余部件相配合工作，組成完整的設(shè)備；系統(tǒng)測試則是針對(duì)單一設(shè)備，確保該設(shè)備的功能正常，從而為后續(xù)集成測試和現(xiàn)場測試中多個(gè)設(shè)備之間聯(lián)調(diào)聯(lián)試打下基礎(chǔ)。

實(shí)際測試中，若缺陷在后面幾級(jí)測試才被發(fā)現(xiàn)，其解決成本比在前幾級(jí)測試中發(fā)現(xiàn)的解決成本高得多。統(tǒng)計(jì)表明，后一級(jí)的測試與前一級(jí)的測試相比，發(fā)現(xiàn)和修復(fù)一個(gè)缺陷的平均成本要提高10倍。因此子系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)別的測試，盡量完整覆蓋所需測試的功能，將盡量少的問題遺留到后面的聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，從而極大降低故障定位、缺陷修復(fù)的成本。

本文所提出的測試系統(tǒng)，主要針對(duì)系統(tǒng)測試這一級(jí)別。由于子系統(tǒng)測試和系統(tǒng)測試相近，只需將被測的部件看作一個(gè)單一設(shè)備即可。因此，本測試系統(tǒng)也同樣適用子系統(tǒng)級(jí)別的測試。

CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)已在提速線路和客運(yùn)專線上成功運(yùn)用，是當(dāng)前主流的列控系統(tǒng)，列控中心（TCC）是其核心控車設(shè)備。本文將以TCC為例，對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行描述。

2 被測對(duì)象

系統(tǒng)測試的對(duì)象是一個(gè)正常運(yùn)行設(shè)備的內(nèi)部處理功能，以及該設(shè)備與其他設(shè)備的交互功能。以TCC為例，就是要測試TCC能否與其外接設(shè)備正常交互，并根據(jù)自身狀態(tài)和外部輸入實(shí)時(shí)做出正確反應(yīng)。從本質(zhì)上說，就是在確定設(shè)備自身狀態(tài)后，對(duì)其實(shí)施激勵(lì)，檢測其反應(yīng)是否正確。

TCC根據(jù)調(diào)度命令、進(jìn)路狀態(tài)、線路參數(shù)等產(chǎn)生進(jìn)路以及臨時(shí)限速等相關(guān)控車信息，通過有源應(yīng)答器及軌道電路傳送給列車。以既有線車站列控中心為例，在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖車站，他與調(diào)度集中（CTC）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CB I）、地面電子單元（LEU）、集中監(jiān)測（CSM）等設(shè)備相連[1][2]，其連接關(guān)系如圖1所示。

3 測試方式

對(duì)被測對(duì)象的測試，采用根據(jù)功能場景、需求規(guī)范以及接口規(guī)范編制測試用例的方式進(jìn)行。由于測試工作量巨大，人工手動(dòng)測試難以滿足實(shí)際需求，要求進(jìn)行自動(dòng)化測試，這就需要根據(jù)測試用例編寫測試腳本以實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)化。即先編寫測試規(guī)范與用例，再根據(jù)用例編寫腳本，在測試系統(tǒng)上運(yùn)行測試腳本，觀察并分析其運(yùn)行結(jié)果，確認(rèn)被測功能是否符合需求。

4 測試系統(tǒng)需求

對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)測試的目的是為了確認(rèn)該設(shè)備是否符合功能需求，是否能夠可靠地與其他設(shè)備協(xié)同工作，是否具有足夠的魯棒性，為下一級(jí)測試交付一個(gè)可用的設(shè)備。

一個(gè)單獨(dú)的不與外部通信的設(shè)備是無法正常工作的。每一個(gè)設(shè)備都與不同數(shù)量、種類的其他設(shè)備相連，而各接口之間的交互功能往往包括多個(gè)步驟，許多測試場景還涉及多個(gè)接口之間的配合、協(xié)調(diào)，因此測試步驟比較復(fù)雜。以TCC為例，測試系統(tǒng)必須能夠測試TCC與CBI、LEU、CTC、CSM的交互功能。

由于測試的復(fù)雜性，純?nèi)斯な謩?dòng)完成并不現(xiàn)實(shí)，因此測試系統(tǒng)應(yīng)能進(jìn)行自動(dòng)化測試。此外，開發(fā)過程中，開發(fā)者會(huì)根據(jù)每一輪的測試結(jié)果發(fā)布新版本，需要對(duì)每一個(gè)版本進(jìn)行迭代測試，為節(jié)約成本，測試系統(tǒng)應(yīng)能提供自動(dòng)化的迭代測試功能。最后，為了方便測試以及節(jié)約時(shí)間成本，該測試系統(tǒng)應(yīng)易于構(gòu)建，方便使用。

5 測試系統(tǒng)

5.1 測試系統(tǒng)原型

一個(gè)正常運(yùn)行的設(shè)備需要與其他設(shè)備相連接以進(jìn)行信息交互，而在對(duì)其進(jìn)行較全面的測試之前又不適合與其他真實(shí)設(shè)備聯(lián)調(diào)聯(lián)試，即便能夠，也無法滿足系統(tǒng)魯棒性測試的要求，因?yàn)檎鎸?shí)設(shè)備難以方便地實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤注入，因此需要采用外連各設(shè)備的仿真器來測試其功能。以TCC為例，為構(gòu)建測試系統(tǒng)，需要開發(fā)CTC仿真器（CTCsim）、聯(lián)鎖仿真器（CBIsim）、LEU仿真器（LEU sim）、CSM仿真器（CSMsim）等。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試，需要將測試用例以某種語言編寫為測試腳本。為了對(duì)測試腳本的運(yùn)行進(jìn)行管理并記錄測試結(jié)果，還需要一個(gè)測試管理器（TM）。

根據(jù)以上分析，本文提出如圖2所示的測試系統(tǒng)原型。

5.2 仿真器

為簡化開發(fā)工作，測試系統(tǒng)采用接口仿真器。接口仿真器只具有與真實(shí)設(shè)備相同的接口，而不實(shí)現(xiàn)內(nèi)部處理邏輯，所有需要邏輯處理的地方，均由人工編寫命令腳本實(shí)現(xiàn)。這類仿真器制作簡單，但如果被測設(shè)備與仿真器之間的交互信息無法準(zhǔn)確確定時(shí)，將增大測試腳本的編寫難度。由于信號(hào)設(shè)備多為安全苛求系統(tǒng)，當(dāng)其自身的內(nèi)部狀態(tài)與外部輸入被確定時(shí)，該設(shè)備的正確反應(yīng)也隨之確定。因此，接口仿真器完全能夠滿足測試的需要，即使有部分?jǐn)?shù)據(jù)不能精確確定，也可以通過計(jì)算其取值范圍，并在編制腳本時(shí)增加一些處理即可。

每一個(gè)接口仿真器應(yīng)實(shí)現(xiàn)與真實(shí)設(shè)備相同的接口，其中應(yīng)用數(shù)據(jù)層、鏈路層、安全層等應(yīng)與真實(shí)接口完全相同，物理層可以通過接口轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。此外，仿真器還應(yīng)能根據(jù)用戶的指定，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤注入，以測試被測設(shè)備的魯棒性。最后，仿真器的安裝使用應(yīng)盡量簡單。

以CTCsim為例，仿真器應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能：（1）實(shí)現(xiàn)符合規(guī)范[3]的接口協(xié)議；（2）能接收用戶命令；（3）能根據(jù)用戶命令按正確格式發(fā)送CTC消息；（4）能根據(jù)用戶要求發(fā)送有錯(cuò)誤的消息，以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤注入；（5）能接收TCC所發(fā)送的消息，并將其以一定格式向用戶顯示；（6）能自動(dòng)對(duì)TCC消息進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如出錯(cuò)，則向用戶發(fā)送提示；（7）能自動(dòng)向TCC發(fā)送打點(diǎn)時(shí)鐘消息，且其頻率能由用戶指定；（8）能自動(dòng)檢測TCC“列控中心狀態(tài)消息”的發(fā)送頻率，若超出一個(gè)可配置的范圍，能提示用戶；（9）能根據(jù)用戶命令與TCC建立或斷開通信連接。

根據(jù)以上分析可知，CTCsim的功能并不復(fù)雜，主要分為與TCC的消息交互和與用戶的消息交互兩個(gè)部分。為了單獨(dú)使用和便于調(diào)試，用戶命令的接收和TCC消息的顯示分別使用操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)輸入和輸出，如圖3所示。測試人員可以直接輸入命令讓仿真器向TCC發(fā)送消息，并根據(jù)TCC回應(yīng)的消息，判斷TCC處理邏輯的正確與否。從便于安裝使用的角度出發(fā)，仿真器實(shí)現(xiàn)為一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序使用時(shí)直接運(yùn)行。其他仿真器也以類似方式實(shí)現(xiàn)。

由于與被測設(shè)備的物理接口多樣化，例如RS-422串行異步接口、以太網(wǎng)接口等，對(duì)不同仿真器實(shí)現(xiàn)不同的物理層接口增加了復(fù)雜度。為能以一致的方式進(jìn)行仿真器的開發(fā)，決定所有仿真器均采用以太網(wǎng)與外部接口，再根據(jù)需要使用接口轉(zhuǎn)換器與之相連，以實(shí)現(xiàn)正確的物理層接口。

5.3 測試管理器

TM的基本功能是腳本解析與命令收發(fā)。根據(jù)輸入測試腳本，TM依次將腳本中的各條命令向該命令所指定的接收對(duì)象轉(zhuǎn)發(fā)。收到TM命令的仿真器會(huì)據(jù)此與被測設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的信息交互，并將被測設(shè)備的回應(yīng)消息轉(zhuǎn)發(fā)給TM，TM將該消息與測試腳本所規(guī)定的應(yīng)收到的正確消息進(jìn)行比較，以確定被測設(shè)備的功能是否正確；如否，則向測試人員報(bào)告錯(cuò)誤所在。

TM實(shí)現(xiàn)為一個(gè)單獨(dú)的程序，其功能包括：（1）腳本文件的讀入與內(nèi)容解析；（2）與仿真器建立通信連接；（3）根據(jù)腳本向仿真器發(fā)送消息；（4）接收仿真器轉(zhuǎn)發(fā)的被測設(shè)備的消息或仿真器的提示信息，并與腳本的規(guī)定進(jìn)行比較以判斷正誤；（5）記錄并顯示測試過程和結(jié)果。其中(1)和(5)只涉及文件操作和文本處理，(2)、(3)和(4)是核心功能。

考慮到TM要與測試腳本進(jìn)行交互，采用同一種腳本語言實(shí)現(xiàn)TM和測試腳本（如可采用p er l、ruby等腳本語言），更有利于二者的交互。

如前所述，各仿真器以標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出與用戶交互，而自動(dòng)化測試時(shí)則需要與TM交互，這需要增加仿真器與TM間的通信接口。由于腳本語言的性能較低，此外，與TM交互的仿真器的數(shù)量、種類會(huì)隨被測設(shè)備的不同而變化，為了達(dá)到模塊化的設(shè)計(jì)，決定將消息分發(fā)功能獨(dú)立出來，增加1個(gè)消息分發(fā)器（MD）。TM僅與MD相交互，由M D完成消息的分發(fā)。

為了不增加仿真器的復(fù)雜度，充分復(fù)用其已有的I/O接口，可利用U n ix系統(tǒng)的基于進(jìn)程間通信（IPC）的管道I/O重定向功能。具體方法是啟動(dòng)MD后，首先由MD根據(jù)配置文件，通過fork()產(chǎn)生新的進(jìn)程，以啟動(dòng)各個(gè)仿真器，再針對(duì)每一個(gè)仿真器創(chuàng)建兩個(gè)管道，分別與其標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出相連，從而實(shí)現(xiàn)與仿真器的信息交互。針對(duì)每個(gè)仿真器，M D設(shè)定唯一的標(biāo)識(shí)符，該標(biāo)識(shí)符由配置文件指定，由腳本和MD在消息中加上該標(biāo)識(shí)符，就可容易地實(shí)現(xiàn)消息分發(fā)。由上可知，M D的功能應(yīng)包括：（1）讀入配置文件，根據(jù)指定的配置，管理各仿真器的啟動(dòng)與關(guān)閉；（2）實(shí)現(xiàn)消息分發(fā)。M D實(shí)現(xiàn)也為一個(gè)單獨(dú)的程序。

以上方案不僅能實(shí)現(xiàn)單一用例的自動(dòng)化測試，再增加對(duì)多個(gè)測試案例批量處理的功能，就可以進(jìn)行自動(dòng)化迭代測試。這只需給TM增加第6個(gè)功能：腳本批量處理，即讀取一個(gè)腳本文件名列表文件，根據(jù)該列表逐條讀取腳本運(yùn)行，當(dāng)完成一個(gè)腳本運(yùn)行后，繼續(xù)讀入下一個(gè)腳本進(jìn)行測試。

5.4 測試腳本

由于所用仿真器只有接口而沒有內(nèi)部處理邏輯、線路數(shù)據(jù)，因此，這部分功能只能由測試腳本承擔(dān)。將測試用例場景，轉(zhuǎn)化為一個(gè)動(dòng)作執(zhí)行序列，按步驟將每一步應(yīng)發(fā)送給TCC的消息以及應(yīng)從TCC接收到的消息以一定格式編寫到一個(gè)文件里，由TM讀入并順序執(zhí)行，該文件即測試腳本。

腳本編寫應(yīng)簡單明確，既適合測試人員編寫、閱讀，又便于TM進(jìn)行解析，最終確定以rub y語言[4]編寫，同時(shí)TM本身也以rub y編寫實(shí)現(xiàn)，有利于二者交互。下面是一個(gè)簡單的腳本示例。

ctcSim=ni l

ctcSim=CTC.new(name)

ctcSim.sendConnect()

ctcSim.waitConnected(expire_time)

ctcSim.sendTSRStatusReq()

ctcSim.waitAck(expire_time)

c t c Sim.wa i t TSRSt a t us(seqno,bmai n,cmd n o,t ime1,t ime2,s t a r t,e n d,t s r,lef t,whole,expire_time)

這是一個(gè)CTC sim與TCC交互的例子。首先建立仿真器實(shí)例，該函數(shù)會(huì)設(shè)置一些默認(rèn)的初始化參數(shù)，如該仿真器的名字、系統(tǒng)時(shí)間等，然后與TCC相連接，隨即發(fā)送狀態(tài)請(qǐng)求消息并等待回應(yīng)。示例中CTC為事先封裝好的公共類，sendConnect()等均為已經(jīng)編制好的類方法，可供任意腳本調(diào)用。函數(shù)括號(hào)內(nèi)斜體所示為參數(shù)，實(shí)際腳本中應(yīng)以正確的數(shù)據(jù)替換，如w aitTSRStatus()的參數(shù)分別為幀序號(hào)、主備機(jī)標(biāo)志、限速命令號(hào)等消息數(shù)據(jù)，用于和所收到的消息比對(duì)以確定消息是否正確，參數(shù)expire_time是消息等待時(shí)間，如該時(shí)間內(nèi)未收到消息，則報(bào)錯(cuò)。這樣編寫的腳本所反映的場景流程更加清晰，不會(huì)被處理細(xì)節(jié)所干擾。

5.5 測試系統(tǒng)

根據(jù)前面的分析，最終測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

由于M D使用了U n ix類系統(tǒng)IPC功能，從經(jīng)濟(jì)適用的角度出發(fā)，測試平臺(tái)采用1臺(tái)安裝了Linux操作系統(tǒng)的電腦，TM、MD與各仿真器均安裝于該電腦上，通過以太網(wǎng)與接口轉(zhuǎn)換模塊相連，再連接至被測對(duì)象。

針對(duì)不同的被測設(shè)備，只需以相同的原理開發(fā)所需的仿真器并修改配置文件。TM和M D均為通用產(chǎn)品，毋需修改即可使用。這樣就能以相同的構(gòu)架、方案測試不同設(shè)備。例如要測試區(qū)域控制中心（ZCC），只需開發(fā)A TS、車載、聯(lián)鎖以及相鄰ZCC的仿真器接入測試系統(tǒng)即可。

使用時(shí)先啟動(dòng)TM，指定測試腳本以及數(shù)據(jù)配置文件。TM首先啟動(dòng)M D，由M D根據(jù)數(shù)據(jù)配置文件啟動(dòng)各仿真器與被測對(duì)象相連，TM讀入腳本后，根據(jù)腳本與M D交互，完成整個(gè)測試用例的運(yùn)行，記錄測試過程和結(jié)果。

6 結(jié)論

本文提出一個(gè)通用的自動(dòng)化測試系統(tǒng)方案，采用本方案，能以相同的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)各種事件驅(qū)動(dòng)式和周期處理式設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)測試，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)迭代測試。該方案不僅可用于系統(tǒng)測試，如果將設(shè)備內(nèi)部的某一部件看作一個(gè)獨(dú)立設(shè)備，與之相連的其余各部件看作外接設(shè)備，則該系統(tǒng)也可以用于子系統(tǒng)級(jí)測試。

[1]科技運(yùn)[2007]44號(hào) 既有線CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)車站列控中心技術(shù)規(guī)范（暫行）[S]．2007.

[2]徐嘯明．CTCS-2級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)用叢書—列控地面設(shè)備[M]．北京:中國鐵道出版社，2007.

[3]科技運(yùn)[2006]93號(hào) 既有線提速CTCS-2區(qū)段車站列控中心接口協(xié)議（v1.0）[S]. 2006.

[4] Thomas，D．Fowler，C．Hunt，A．Programming Ruby [M]，USA，Progmatic Bookshelf, 2004.