黑盒測(cè)試技術(shù)在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)監(jiān)理驗(yàn)收中的研究與應(yīng)用

張 偉，高 凡

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081）

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，為全面檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和功能需求，在集成和調(diào)試完成后，由第三方監(jiān)理單位組織驗(yàn)收小組，對(duì)系統(tǒng)的功能、質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，并評(píng)估其安全性及可靠性等。應(yīng)用黑盒測(cè)試技術(shù)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的完善程度與安全性能，可以為工程最終竣工驗(yàn)收、開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。

1 黑盒測(cè)試概述

黑盒測(cè)試是在不知曉程序內(nèi)部情況的前提下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試，它是基于需求和功能的技術(shù)。測(cè)試主要從用戶(hù)角度出發(fā)，針對(duì)軟件確認(rèn)和系統(tǒng)功能，驗(yàn)證產(chǎn)品的功能是否實(shí)現(xiàn)以及能否滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

1.1 黑盒測(cè)試方法

（1）等價(jià)類(lèi)劃分法：根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生效果的異同，將輸入數(shù)據(jù)分成不同的數(shù)據(jù)等價(jià)類(lèi)，進(jìn)而生成測(cè)試用例。

（2）邊界值分析法：測(cè)試中許多錯(cuò)誤并非在正常輸入范圍內(nèi)產(chǎn)生，而是在一些較為特殊的邊界區(qū)域，設(shè)計(jì)測(cè)試案例時(shí)以邊緣區(qū)域設(shè)計(jì)為重點(diǎn)。

（3）錯(cuò)誤猜測(cè)法：猜測(cè)被測(cè)試程序容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，設(shè)計(jì)測(cè)試用例。它通常依據(jù)測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)，因此，這種方法只是一種輔助方式。

（4）因果圖法：它是一種被簡(jiǎn)化的邏輯圖，使用因果圖可清晰地表示出輸入和輸出之間的關(guān)系，使測(cè)試人員更關(guān)注與程序功能有關(guān)的輸入組合。

1.2 黑盒測(cè)試目標(biāo)

采用黑盒測(cè)試主要是在已知系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能基礎(chǔ)上，完成以下目標(biāo)：

（1）從用戶(hù)方出發(fā)，以輸入與輸出的數(shù)據(jù)關(guān)系為目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

（2）檢查系統(tǒng)功能是否按照規(guī)定正常使用，測(cè)試各功能是否完善，能否滿(mǎn)足檢測(cè)性能等要求。

（3）對(duì)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)錯(cuò)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試系統(tǒng)程序是否能正常收到輸入數(shù)據(jù)并生成正確結(jié)果。

1.3 黑盒測(cè)試計(jì)劃

（1）根據(jù)需求，實(shí)施凈測(cè)試。（2）根據(jù)需求，加入結(jié)構(gòu)化測(cè)試。（3）根據(jù)需求，增加數(shù)據(jù)流覆蓋測(cè)試。（4）執(zhí)行未覆蓋到的域測(cè)試。（5）根據(jù)需求，進(jìn)一步進(jìn)行特殊測(cè)試。

2 城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)由列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制（Automatic Train Control，ATC）系統(tǒng)組成，它是列車(chē)運(yùn)行的指揮和控制系統(tǒng)，ATC系統(tǒng)由ATS（Automatic Train Supervision）子系統(tǒng)、ATP（Automatic Train Protection）子系統(tǒng)和ATO（Automatic Train Operation）子系統(tǒng)組成。

目前，城市軌道交通領(lǐng)域主要應(yīng)用基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及移動(dòng)閉塞技術(shù)，用無(wú)線(xiàn)通信媒體實(shí)現(xiàn)列車(chē)和地面設(shè)備的雙向通信，用以代替軌道電路作為媒體實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行控制，突破了用軌道電路檢測(cè)列車(chē)占用、固定或準(zhǔn)移動(dòng)閉塞的局限性。CBTC系統(tǒng)由中心和車(chē)站的列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、骨干數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（Data Communication System，DCS）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（Computer Interlocking，CI）、地面ATP（ZC+DSU）、維護(hù)支持系統(tǒng)（MSS）及車(chē)載設(shè)備（ATP+ATO）構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 黑盒測(cè)試在系統(tǒng)工程測(cè)試中的應(yīng)用

測(cè)試CBTC的系統(tǒng)功能是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)測(cè)試的核心內(nèi)容。對(duì)其中的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試其是否滿(mǎn)足需求，即為系統(tǒng)級(jí)黑盒測(cè)試。在實(shí)際的測(cè)試中，黑盒即為CBTC系統(tǒng)的車(chē)載設(shè)備，輸入為地面設(shè)備的輸出信息，輸入數(shù)據(jù)包括應(yīng)答器報(bào)文信息、列車(chē)信號(hào)信息及無(wú)線(xiàn)報(bào)文消息等，測(cè)試人員根據(jù)車(chē)載設(shè)備輸出的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文以昌平線(xiàn)CBTC系統(tǒng)監(jiān)理驗(yàn)收過(guò)程測(cè)試計(jì)劃為例，對(duì)黑盒測(cè)試進(jìn)行分析。

3.1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

CBTC系統(tǒng)的監(jiān)理驗(yàn)收測(cè)試過(guò)程如下：

（1）通過(guò)研究規(guī)格說(shuō)明書(shū)，監(jiān)理驗(yàn)收需要根據(jù)功能要求和性能指標(biāo)，確定測(cè)試需求。

（2）對(duì)測(cè)試需求進(jìn)行分析，分解為不同的可執(zhí)行測(cè)試過(guò)程，選用與之相對(duì)應(yīng)的測(cè)試用例，確定方案及預(yù)期結(jié)果；按照已制定的測(cè)試方案執(zhí)行測(cè)試案例，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行記錄及管理。

（3）結(jié)合量化的測(cè)試覆蓋域及缺陷跟蹤報(bào)告，對(duì)于系統(tǒng)的質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，作為工程竣工驗(yàn)收監(jiān)理評(píng)估報(bào)告組成部分。

檢驗(yàn)系統(tǒng)功能是否滿(mǎn)足需求規(guī)范，能轉(zhuǎn)變成測(cè)試用例是最終目的。如果對(duì)各項(xiàng)需求都生成測(cè)試用例，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試用例數(shù)量過(guò)大。為此，要提取出功能特征，包含系統(tǒng)的各項(xiàng)需求。系統(tǒng)需求、功能特征和測(cè)試用例三者間的關(guān)系如圖2。

圖2 系統(tǒng)功能需求、特征與測(cè)試用例的關(guān)系

在測(cè)試方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的要求：（1）在系統(tǒng)既有接口上測(cè)試規(guī)范中的需求。（2）測(cè)試用例要具有代表性、判定性、可再現(xiàn)性，能夠包含且覆蓋各種不同狀況的數(shù)據(jù)輸入，操作和環(huán)境設(shè)置等。（3）每一個(gè)測(cè)試用例都必須有相應(yīng)的期望測(cè)試結(jié)果，且同種測(cè)試用例的結(jié)果必定相同。（4）從CBTC系統(tǒng)的全局考慮，減少相應(yīng)測(cè)試用例的數(shù)量。（5）盡量提取獨(dú)立的、不可分割的功能特征，減少測(cè)試案例的復(fù)雜性和測(cè)試時(shí)間。（6）需要有對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行整體評(píng)估的相關(guān)方案。

CBTC的功能測(cè)試劃分為6個(gè)部分，如圖3。

測(cè)試案例的完整描述包含：編號(hào)、測(cè)試案例基本信息、測(cè)試方法及約束條件、測(cè)試案例之間的關(guān)系表示、案例的開(kāi)始條件、案例的操作步驟、案例結(jié)束條件、案例執(zhí)行結(jié)果的判斷標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

本文以列車(chē)的臨時(shí)限速為例來(lái)分析CBTC中應(yīng)用黑盒測(cè)試方法的有效性，得到測(cè)試案例描述如表1和表2。

3.2 測(cè)試環(huán)境分析

測(cè)試環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生巨大的影響，是測(cè)試中需要考慮的重要因素之一。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境包括系統(tǒng)構(gòu)成、軟件版本、測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試工具、硬件設(shè)置、功能設(shè)置及外部接口等。測(cè)試環(huán)境應(yīng)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，且測(cè)試環(huán)境應(yīng)與整個(gè)系統(tǒng)配套，并具備模擬測(cè)試條件和監(jiān)測(cè)分析手段。

圖3 CBTC測(cè)試功能劃分圖

測(cè)試具體環(huán)境設(shè)置應(yīng)與總體技術(shù)方案、設(shè)備工作特性和運(yùn)營(yíng)需求保持一致，并具備一定的模擬測(cè)試條件，以驗(yàn)證系統(tǒng)在某些特殊條件下的功能和故障-安全性能。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

測(cè)試數(shù)據(jù)分析是黑盒測(cè)試過(guò)程中判斷輸入與輸出關(guān)系是否一致的必要手段，是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以得出下列問(wèn)題：系統(tǒng)是否有錯(cuò)誤或疏漏的功能；接口能否正常、正確接收數(shù)據(jù)；主要外部信息是否有錯(cuò)；系統(tǒng)性能能否滿(mǎn)足需求；界面顯示是否出現(xiàn)錯(cuò)誤；能否進(jìn)行正常的初始化和終止。

表1 臨時(shí)限速特定需求、功能特征及測(cè)試案例

表2 測(cè)試案例-取消已設(shè)置的臨時(shí)限速區(qū)域

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，確定缺陷類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)分類(lèi)管理如表3。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以黑盒測(cè)試?yán)碚摓榛A(chǔ)，結(jié)合監(jiān)理驗(yàn)收工作特點(diǎn)，將黑盒測(cè)試技術(shù)的具體方法應(yīng)用到城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)監(jiān)理驗(yàn)收中，為系統(tǒng)監(jiān)理驗(yàn)收評(píng)估提供可參考的工作方法。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

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