基于改進(jìn)因果圖法的CBTC系統(tǒng)車載功能測試方案研究

曹云剛

（貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各大中型城市處于不斷擴(kuò)建中，城市的占地面積和城市人口都在與日俱增，全國的城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入了迅速發(fā)展期間。為了保證城市軌道交通能夠更加安全、高效地運(yùn)行，各個(gè)城市的軌道交通建設(shè)放棄選擇使用原有的基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)（TBTC），采用新一代的列車控制系統(tǒng)-基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）[1]。

在現(xiàn)有的城市軌道交通系統(tǒng)中很多都采用了CBTC系統(tǒng)，但是很多城市地鐵都出現(xiàn)過大大小小的事故[2]。在CBTC系統(tǒng)中，車載設(shè)備保證著列車的安全行駛，系統(tǒng)功能都需要通過車載設(shè)備來實(shí)現(xiàn)[3]，因此完成CBTC系統(tǒng)測試中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是對列車的車載設(shè)備進(jìn)行調(diào)試[4]。

本文根據(jù)CBTC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，借助車載設(shè)備的測試平臺對車載設(shè)備進(jìn)行測試。通過測試平臺軟件，觀察車載控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，對測試參數(shù)進(jìn)行具體分析，最后基于工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，對CBTC系統(tǒng)測試用例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 CBTC系統(tǒng)概述

CBTC系統(tǒng)是采用移動(dòng)閉塞的原理對列車進(jìn)行控制。在CBTC系統(tǒng)下，運(yùn)用無線通信的方式實(shí)現(xiàn)車-地雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)傳輸[5]。列車不再是單一地接收地面?zhèn)鞯杰囕d設(shè)備的控制信息，它還需將列車的位置信息和列車的運(yùn)行信息及時(shí)反饋給地面設(shè)備[6]。地面設(shè)備通過得到的列車信息計(jì)算出列車的移動(dòng)授權(quán)（moving authority，MA），并且動(dòng)態(tài)更新，將移動(dòng)授權(quán)通過車-地通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰囕d設(shè)備[7]。車載設(shè)備根據(jù)收到的移動(dòng)授權(quán)信息和當(dāng)前列車的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算出列車的運(yùn)行速度曲線，控制列車的牽引、制動(dòng)與運(yùn)行[8]。

2 因果圖法

CBTC系統(tǒng)中車載設(shè)備需要接收來自于ATS系統(tǒng)、區(qū)域控制器ZC、計(jì)算機(jī)連鎖CI及地面信標(biāo)的信息，同時(shí)需要將處理的信息反饋給各系統(tǒng)，其之間的邏輯關(guān)系非常復(fù)雜[9]?？紤]到輸入條件相互組合會(huì)出現(xiàn)一些新的情況，檢查這些條件的組合相當(dāng)困難，所以在測試方法的選擇上需要考慮采用一種適合描述多條件組合，產(chǎn)生相對應(yīng)的多個(gè)動(dòng)作的形式來設(shè)計(jì)測試用例。這樣需要利用因果圖法對測試用例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 因果圖法原理

因果圖模型主要包含因果圖結(jié)構(gòu)與參數(shù)兩個(gè)部分。其中因果圖結(jié)構(gòu)包含4部分，即中間事件、基本事件、邏輯門和連接事件。圖1為因果圖的理論示意圖。

圖1 因果圖理論示意圖

其中，X代表中間事件，指任何帶有原因的事件；B代表基本事件，指沒有原因或無需追究其原因的事件；G代表邏輯門，主要對輸入的原理進(jìn)行邏輯運(yùn)算。并得出相對應(yīng)的輸出事件；P代表連接事件，連接事件至始至終都指向中間事件。

2.2 判定表的生成

判定表的生成是運(yùn)用因果圖法進(jìn)行設(shè)計(jì)測試案例的過程中至關(guān)重要的一個(gè)步驟，同時(shí)也是相對困難的事情。判定表由條件樁、行動(dòng)樁、條件條目與行動(dòng)條目4個(gè)部分組成。目前，很少有文獻(xiàn)給予一個(gè)非常明確清晰的轉(zhuǎn)化算法，所有的測試用例基本都是由工程實(shí)踐中得出。本文針對現(xiàn)有的一些轉(zhuǎn)化方法進(jìn)行研究，提出采用條件遍歷算法來對因果圖進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其算法框架如圖2所示。

圖2 遍歷算法流程圖

通過上述方法，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一次次的條件遍歷，中間事件通過遍歷找出其產(chǎn)生的基本事件，最終可以得到由基本事件構(gòu)成的測試輸入數(shù)據(jù)。在執(zhí)行此算法時(shí)，需要注意此算法針對單動(dòng)作輸出的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果遇到多動(dòng)作產(chǎn)生的情況，測試人員需要將各動(dòng)作的輸入條件進(jìn)行分析，找出各輸入條件的制約關(guān)系，對測試案例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 基于改進(jìn)因果圖法的車載設(shè)備測試方案

車載設(shè)備作為CBTC系統(tǒng)中最為重要的部分，主要負(fù)責(zé)保護(hù)列車行駛安全、防止列車超速和防止列車進(jìn)入前車的運(yùn)行區(qū)間，對列車安全與列車的運(yùn)行效率起著極為重要的作用。由此可見，在列車運(yùn)營之前對車載設(shè)備的測試工作也顯得格外重要。本文選取有關(guān)ATP速度防護(hù)功能，結(jié)合研究的因果圖法測試案例的原理，對測試案例的生成進(jìn)行研究。

3.1 ATP速度防護(hù)功能流程

車載ATP速度防護(hù)主要包含兩個(gè)方面計(jì)算：觸發(fā)緊急制動(dòng)的速度計(jì)算和當(dāng)前推薦運(yùn)行速度計(jì)算。在列車行駛中，車載設(shè)備會(huì)實(shí)時(shí)地將以上兩個(gè)速度值反映在車載人機(jī)界面中，讓駕駛員可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控列車的行駛速度。一旦列車超出當(dāng)前的推薦速度時(shí)，車載設(shè)備會(huì)給予駕駛員警告信息。若此情況在規(guī)定時(shí)間內(nèi)消除，列車將繼續(xù)安全行駛；但此情況未能及時(shí)消除，列車的ATP功能將會(huì)啟動(dòng)緊急制動(dòng)以保護(hù)行車的安全。圖3為車載ATP防護(hù)的邏輯流程圖。

ATP速度防護(hù)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)其實(shí)是一連串的系統(tǒng)動(dòng)作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，結(jié)合變量的輸入輸出，根據(jù)工作流程，從現(xiàn)有的狀態(tài)轉(zhuǎn)為下一個(gè)工作的狀態(tài)?；谶@樣的工作流程模型，可以將被測的功能劃分為多種狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換通過輸入的變量產(chǎn)生相對應(yīng)的動(dòng)作輸出。

3.2 ATP速度防護(hù)功能數(shù)據(jù)定義

在考慮輸入數(shù)據(jù)的取值方面需要將等價(jià)類的思想方法引入到設(shè)計(jì)當(dāng)中。將全部的輸入數(shù)據(jù)劃分為N個(gè)等價(jià)類。在每一個(gè)等價(jià)類中選用其中的一個(gè)數(shù)據(jù)作為測試的輸入數(shù)據(jù)。這樣可以用少量的數(shù)據(jù)取得較好的測試結(jié)果。根據(jù)以上對ATP速度防護(hù)系統(tǒng)流程的分析，可以將測試需要的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行定義。表1列出ATP速度防護(hù)系統(tǒng)中相關(guān)的變量的定義。

圖3 車載ATP防護(hù)邏輯流程圖

表1 ATP速度防護(hù)系統(tǒng)中相關(guān)的變量

在選取輸入數(shù)據(jù)取值時(shí)，需要同時(shí)考慮到所有正常情況與異常情況下的數(shù)據(jù)輸入。要考慮滿足因果圖中各原因事件的“True”與“False”的關(guān)系。設(shè)計(jì)有效輸入，要確定使用的每一個(gè)有效類中的值；設(shè)計(jì)無效輸入，在等價(jià)類使用一個(gè)等價(jià)類作無效的輸入值，確保其他等價(jià)類為有效值的輸入。這樣考慮是從單缺陷進(jìn)行假設(shè)。當(dāng)然也可以從多缺陷進(jìn)行假設(shè)，要實(shí)現(xiàn)這類測試需要大量冗余。

3.3 ATP速度防護(hù)功能測試案例

根據(jù)ATP速度防護(hù)的流程進(jìn)行遍歷，將一個(gè)整體的測試劃分為各類局部測試，最后將這些局部測試組合起來生成一個(gè)具體的測試方案。表2為在實(shí)際工程運(yùn)用的測試方案。

表2 測試方案表

4 方案測試

在實(shí)際的測試中，僅僅靠幾次或者十幾次測試是不能有效地測試出系統(tǒng)功能的完整性和準(zhǔn)確性的。因此，測試人員需要反復(fù)地重復(fù)同一類測試多次。這樣就需要測試人員在測試后對進(jìn)行測試案例的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和驗(yàn)證，針對有缺陷的測試再次進(jìn)行反復(fù)測試。

在統(tǒng)計(jì)中，測試人員需要將測試劃分為測試案例的優(yōu)先級、預(yù)計(jì)測試的案例數(shù)量、完成測試的案例數(shù)量、實(shí)際測試的案例數(shù)量、通過測試的案例數(shù)量和未通過測試的案例數(shù)量等部分。

將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表3所示。

表3 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)表格轉(zhuǎn)化為圖表的格式，這樣測試人員可以直觀地發(fā)現(xiàn)出測試中所存在的問題，用來指導(dǎo)測試工作、調(diào)整測試，使得測試更加完備、準(zhǔn)確。

圖4 結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

從圖4的測試結(jié)果可以看出，測試人員經(jīng)過檢查分析可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)測試中系統(tǒng)所存在的缺陷；并且針對這些缺陷對系統(tǒng)的影響，對測試案例進(jìn)行及時(shí)地調(diào)整與更新。

5 結(jié)束語

目前，我國城市軌道交通處于高速發(fā)展時(shí)期，CBTC系統(tǒng)被越來越多的軌道交通公司所應(yīng)用到實(shí)際工程建設(shè)中。這樣就需要一套完整、有效的測試方案對設(shè)備進(jìn)行測試，保證設(shè)備系統(tǒng)能夠正常地工作。本文針對車載設(shè)備的測試方法和具體的測試案例進(jìn)行研究，引入因果圖法并對其進(jìn)行改進(jìn)后提出車載設(shè)備測試方案，對車載ATP超速防護(hù)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的測試方案切實(shí)有效，可以進(jìn)行推廣。

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