航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

竇鈉 張紅軍 范延芳 王向暉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為航天器的信息管理中樞，負(fù)責(zé)航天器內(nèi)部、航天器與地面站或航天器之間的數(shù)據(jù)傳輸與處理，因此，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠在很大程度上決定了航天器任務(wù)的成敗。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與航天器內(nèi)部其他分系統(tǒng)、地面站或其他航天器之間都有數(shù)據(jù)傳輸接口，該特性決定了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的需求變更數(shù)量多、頻度高，也就導(dǎo)致了重復(fù)性測試多、測試周期長、回歸測試頻繁[1]，因此，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的測試進(jìn)度與效果，決定了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能否按時(shí)保質(zhì)交付，也直接影響著航天器的總裝與集成測試工作。

航天器測試一般通過產(chǎn)生一系列的輸入(或激勵(lì))和測試輸出值來驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足要求[2]。在傳統(tǒng)測試環(huán)境中，測試人員在測試設(shè)備的支撐下，按照測試細(xì)則對各項(xiàng)功能性能進(jìn)行測試，需要進(jìn)行大量的手動操作為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供輸入，需要對大量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀，花費(fèi)時(shí)間較長，且測試的有效性也難以保證。雖然隨著測試技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)已經(jīng)引進(jìn)了一定的自動化測試方法，但依然以人工測試為主，測試周期較長，尤其對于數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件常規(guī)功能的測試，要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間，還經(jīng)常出現(xiàn)人工判讀疏忽導(dǎo)致測試不充分的問題。這些問題最終會出現(xiàn)在整個(gè)航天器測試中，在一定程度上影響了整個(gè)測試。近年來，我國航天器任務(wù)急劇增加，而研制周期卻在大幅縮短，這也給人工測試帶來了巨大的壓力。

本文提出一種針對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該測試系統(tǒng)在虛擬的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)備上運(yùn)行數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的測試任務(wù)規(guī)劃自動完成航天器遙測功能、遙控功能、總線通信管理功能等的測試，測試過程中不需要人工干預(yù)。如果發(fā)現(xiàn)非致命問題，則記錄；如果發(fā)現(xiàn)致命問題，則停止測試；測試完成后自動生成原始測試報(bào)告。因此，自動化測試系統(tǒng)對于縮短測試周期、提高測試有效性具有明顯的優(yōu)勢。該測試系統(tǒng)適用于航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室測試軟件，其優(yōu)勢在軟件頻繁更動情況下的回歸測試中尤為明顯。

1 自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

自動化測試指的是測試過程不需要人員干預(yù)，測試人員只要啟動測試，后續(xù)測試工作由測試系統(tǒng)自動完成。這對測試系統(tǒng)的自動化程度要求非常高，測試系統(tǒng)要能自動識別測試任務(wù)、自動產(chǎn)生測試輸入、自動判讀測試輸出數(shù)據(jù)并得出測試結(jié)論。

在傳統(tǒng)測試方法中，測試人員能夠準(zhǔn)確識別測試任務(wù)、識別需要完成的操作、查找測試數(shù)據(jù)的判讀依據(jù)并進(jìn)行判讀。這些對測試人員來說比較簡單的工作，對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說卻沒有那么容易。因此，自動化測試系統(tǒng)作為一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于提煉出被測系統(tǒng)的各項(xiàng)特征屬性，建立被測系統(tǒng)的輸入輸出映射關(guān)系，以便測試系統(tǒng)能夠識別并按照約定的規(guī)則完成測試工作，抽象出測試任務(wù)的結(jié)構(gòu)化模型，形成描述準(zhǔn)確的測試任務(wù)序列。

基于此，自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：①建立被測系統(tǒng)模型，提煉被測系統(tǒng)的特征屬性。這些屬性具有通用性，能夠表示常見被測系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。②建立表征被測系統(tǒng)輸入輸出映射關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。測試系統(tǒng)通過該數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識別出某輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)，從而能夠自動判讀數(shù)據(jù)傳輸與處理的正確性。③通過一種合適的計(jì)算機(jī)語言準(zhǔn)確的描述測試任務(wù)的結(jié)構(gòu)化模型，形成計(jì)算機(jī)可識別的測試序列。

1.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

針對自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，本文將自動化測試系統(tǒng)劃分為被測系統(tǒng)模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊和測試接入控制(TAC)系統(tǒng)模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1)被測系統(tǒng)模塊

本文通過虛擬測試(VTEST)工具建立被測系統(tǒng)模塊(由虛擬數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理的其他虛擬設(shè)備、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件及其他分系統(tǒng)虛擬設(shè)備共同構(gòu)成)。VTEST是一個(gè)系統(tǒng)級虛擬平臺軟件，在自動化測試系統(tǒng)中的作用是構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理的其他虛擬設(shè)備及航天器其他分系統(tǒng)的虛擬設(shè)備，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件可以不加修改直接在該虛擬數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，并且其運(yùn)行的動態(tài)特性與在真實(shí)目標(biāo)機(jī)上一致。

2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊

本文通過電子信息設(shè)計(jì)系統(tǒng)(EDS)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊。EDS將航天器輸入和輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，形成類型、接口、結(jié)構(gòu)、解析方法等統(tǒng)一的航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。EDS為自動化測試系統(tǒng)提供的航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括遙測參數(shù)采集波道、遙控指令波道、遙測參數(shù)處理、指令使用判讀、遙測包、遙測幀、虛擬信道、遙測包調(diào)度策略、遙測幀調(diào)度策略、總線傳輸鏈路等，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輸出，作為自動化測試系統(tǒng)的輸入。以遙測數(shù)據(jù)為例，通過EDS可以明確航天器每個(gè)遙測數(shù)據(jù)的采集通道、處理方法、隸屬遙測包及在隸屬遙測包中的位置等，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)即構(gòu)成航天器的數(shù)據(jù)流傳輸路徑，經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以形成自動化測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)視依據(jù)。

3)TAC系統(tǒng)模塊

TAC系統(tǒng)模塊是自動化測試系統(tǒng)的核心模塊，完成配置數(shù)據(jù)的生成以及全部自動化操作。它根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊生成的航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成自動化測試系統(tǒng)需要的TAC配置數(shù)據(jù)；再根據(jù)TAC配置數(shù)據(jù)中的遙控格式、指令通道等生成被測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的激勵(lì)(指令)[2]，并將這些指令自動發(fā)送給被測系統(tǒng)模塊，觸發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件運(yùn)行相關(guān)功能。TAC系統(tǒng)模塊接收被測系統(tǒng)模塊中數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件輸出的遙測數(shù)據(jù)，按照TAC配置數(shù)據(jù)中的遙測格式、遙測通道、遙測處理方法等解析接收到的遙測數(shù)據(jù)，并判讀其正確性。TAC系統(tǒng)模塊還監(jiān)視被測系統(tǒng)模塊中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件與其他被控對象之間傳輸?shù)目偩€數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析比對；此外，還可以為測試用戶提供操作界面，完成自動化測試系統(tǒng)的基本管理工作。

圖1 自動化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of automatic test system

1.2 測試系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的自動化測試系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示。

(1)設(shè)備層對應(yīng)被測系統(tǒng)模塊，被測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件在設(shè)備層中的虛擬數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)中運(yùn)行。

(2)服務(wù)層對應(yīng)TAC系統(tǒng)模塊的部分單元，即TAC配置生成單元、中心控制單元和總線監(jiān)視單元。TAC配置生成單元根據(jù)航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成自動化測試系統(tǒng)的TAC配置數(shù)據(jù)。中心控制單元根據(jù)TAC配置數(shù)據(jù)完成與被測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的通信，并存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，在需要時(shí)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取測試數(shù)據(jù)?？偩€監(jiān)視單元用來監(jiān)視被測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件與其他被控對象之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

(3)應(yīng)用層對應(yīng)TAC系統(tǒng)模塊的部分單元，即上行注入單元、遙測顯示單元、數(shù)據(jù)判讀與告警單元，主要用于被測系統(tǒng)模塊的輸入、輸出操作與監(jiān)視。

(4)數(shù)據(jù)配置管理層對應(yīng)TAC系統(tǒng)模塊的部分單元(系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、腳本生成單元)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲測試過程中生成的測試數(shù)據(jù)。腳本生成單元可以生成按時(shí)間排列的測試任務(wù)表。自動化測試系統(tǒng)按照測試腳本，根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)鐘信號和條件判斷，觸發(fā)相應(yīng)的測試[4]。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊生成航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，供TAC系統(tǒng)模塊使用。

(5)測試管理層完成自動化測試系統(tǒng)的全面管理，包括測試文檔生成單元、測試問題管理單元、測試日志管理單元、測試腳本管理單元[5]。

自動化測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖2所示。其中：實(shí)線為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)輸入輸出的數(shù)據(jù)流，虛線為自動化測試系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)流。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊生成航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將其傳輸給TAC系統(tǒng)模塊的TAC配置生成單元，TAC配置生成單元將航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成TAC配置數(shù)據(jù)，并傳輸給腳本生成單元、中心控制單元、上行注入單元、遙測顯示單元及數(shù)據(jù)判讀與告警單元，完成相應(yīng)的功能。

(2)腳本生成單元生成測試腳本，其中的測試任務(wù)抽象參數(shù)傳輸給中心控制單元和數(shù)據(jù)判讀與告警單元，其中的測試任務(wù)序列傳輸給中心控制單元。

(3)中心控制單元接收TAC配置數(shù)據(jù)、測試任務(wù)抽象參數(shù)及測試任務(wù)序列，通過這些數(shù)據(jù)完成自動化測試的綜合控制與調(diào)度。中心控制單元和總線監(jiān)視單元將被測系統(tǒng)模塊的遙測數(shù)據(jù)、遙控?cái)?shù)據(jù)和總線監(jiān)視數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

(4)被測系統(tǒng)模塊由中心控制單元控制，按照測試腳本中的測試任務(wù)序列運(yùn)行相應(yīng)的測試項(xiàng)目；數(shù)據(jù)判讀與告警單元從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取被測系統(tǒng)模塊的遙測數(shù)據(jù)、遙控?cái)?shù)據(jù)及總線監(jiān)視數(shù)據(jù)，按照測試腳本中預(yù)先設(shè)計(jì)的測試任務(wù)抽象參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀。如果被測系統(tǒng)模塊出現(xiàn)致命問題，則停止測試，并輸出告警信息；如果被測系統(tǒng)模塊出現(xiàn)非致命問題，則記錄該問題，并繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)測試，最終生成測試報(bào)告。

圖2 自動化測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig.2 Data flow of automatic test system

1.3 測試任務(wù)的抽象

一般，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的測試任務(wù)包括上行遙控測試、下行遙測測試、總線通信管理測試等。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件測試由人工設(shè)計(jì)測試用例、編寫測試細(xì)則并操作完成測試。由于全程人工干預(yù)，測試過程中難免因操作失誤而出現(xiàn)重復(fù)操作、操作較慢等現(xiàn)象，也必然導(dǎo)致測試效率不高，測試周期長。自動化測試系統(tǒng)能夠有效完成測試工作的關(guān)鍵在于測試任務(wù)的抽象，抽象后的測試任務(wù)可通過統(tǒng)一的架構(gòu)來描述，在測試腳本中生成按時(shí)間排列的測試任務(wù)表。測試任務(wù)啟動后，自動化測試系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)鐘信號和條件判斷，觸發(fā)相應(yīng)的測試；TAC系統(tǒng)模塊解析測試腳本，從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)測試數(shù)據(jù)，根據(jù)抽象統(tǒng)一的判決條件判讀被測系統(tǒng)模塊輸出的數(shù)據(jù)是否正確，并給出判讀結(jié)論[6]。測試任務(wù)的抽象屬性見表1。

表1 測試任務(wù)的抽象屬性

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 測試方法及流程

應(yīng)用自動化測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件測試的完整流程，如圖3所示。測試準(zhǔn)備部分由人工完成，測試實(shí)施部分由自動化測試系統(tǒng)完成。在初次進(jìn)行測試準(zhǔn)備時(shí)，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、匹配參數(shù)、測試腳本等，要完成從無到有的設(shè)計(jì)過程，花費(fèi)時(shí)間較長，在此基礎(chǔ)上，后續(xù)更動的工作量會大幅度減少。測試準(zhǔn)備工作完成后，由自動化測試系統(tǒng)自動完成測試，自動生成測試報(bào)告。相對于傳統(tǒng)人工測試，測試過程花費(fèi)的時(shí)間大大縮短。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件多次發(fā)生更動后進(jìn)行回歸測試時(shí)，縮短的時(shí)間就更加明顯。此外，由于不存在人工誤判等因素，測試的有效性也明顯得到提升。

圖3 自動化測試流程Fig.3 Flow of automatic test

2.2 測試結(jié)果比對

以某遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件測試為例，經(jīng)過實(shí)際測試對比，自動化測試系統(tǒng)在縮短測試時(shí)間方面具有明顯的優(yōu)勢，見表2。自動化測試系統(tǒng)的腳本設(shè)計(jì)過程需要花費(fèi)的時(shí)間較長，測試準(zhǔn)備的時(shí)間比人工測試時(shí)間長，但測試實(shí)施時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于人工測試時(shí)間，整體測試時(shí)間縮短40%。因此，自動化測試系統(tǒng)對于軟件多次更動后的回歸測試具有明顯的優(yōu)勢，開發(fā)人員在完成軟件開發(fā)或者更動后，最多只要1天時(shí)間就能完成常規(guī)功能的測試，能更好地滿足航天器留給數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件更動及再交付的時(shí)間短的需求；由于不存在人工判讀疏忽導(dǎo)致測試不充分的問題，測試有效性大幅提升，有力地保證了航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可靠性的提升。

表2 測試時(shí)間對比

3 結(jié)束語

針對航天器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件測試存在的重復(fù)性測試多、測試周期長、回歸測試頻繁等不足，提出了自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。自動化測試系統(tǒng)測試過程中不需要人工干預(yù)，且花費(fèi)的時(shí)間大幅減少，能有效地提高測試效率，避免人工誤判帶來的測試不充分問題，提高測試有效性。測試過程中配置生成的航天器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)據(jù)，可以用于整個(gè)航天器測試，有助于加快航天器測試進(jìn)度。本文研究的自動化測試系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于測試任務(wù)的抽象，目前還只是對一些常規(guī)功能的測試任務(wù)進(jìn)行抽象，因此該系統(tǒng)目前可以完成一部分常規(guī)功能的測試，后續(xù)還要繼續(xù)深入研究其他功能的抽象以及測試的有效性。

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