基于云計(jì)算的并行化自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉杰強(qiáng)，張阿真，劉恒毅，鄒國際

(航天恒星科技有限公司，北京 100086)

隨著航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，航天器產(chǎn)品日趨小型化、集群化，航天器批產(chǎn)化測試的要求越來越高. 為了提高航天器批產(chǎn)測試效率，縮短測試周期，迫切需要構(gòu)建一套并行化的自動測試平臺.

并行測試建立于分布式測試系統(tǒng)上，在測試程序的控制下同時(shí)對多個(gè)被測對象進(jìn)行測試，且每個(gè)測試節(jié)點(diǎn)都可獨(dú)立進(jìn)行測試. 與傳統(tǒng)順序測試技術(shù)相比，并行測試技術(shù)通過優(yōu)化系統(tǒng)資源可以大幅度提高測試效率及測試質(zhì)量，并明顯提高測試資源利用率. 并行化測試的核心思想是構(gòu)建集群環(huán)境，通過并發(fā)測試任務(wù)來提高測試執(zhí)行效率[1-3]. 然而，構(gòu)建集群需要根據(jù)測試需求的峰值配置物理設(shè)備，導(dǎo)致較高的成本開銷及相對較低的資源利用率，從而增加了管理與維護(hù)的復(fù)雜度[4-6]. 為了解決這一問題，本文引入云計(jì)算技術(shù)，可根據(jù)各種需求向用戶提供動態(tài)彈性可伸縮的資源，以其超大規(guī)模、虛擬化、高可用性、通用性、可擴(kuò)展性、按需服務(wù)等特點(diǎn)，為自動測試系統(tǒng)構(gòu)建虛擬、可靠的測試環(huán)境.

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用VMware vSphere云計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的集群管理，構(gòu)建測試設(shè)計(jì)子平臺、核心數(shù)據(jù)處理子平臺、通用測試設(shè)備子平臺、自動化測試執(zhí)行子平臺、測試信息存儲子平臺、信息評估分析子平臺等六大子平臺[7]. 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可以從測試設(shè)計(jì)、測試執(zhí)行、測試評估等階段為用戶提供全要素、全過程、全方位的并行化、自動化、智能化的測試平臺，形成滿足航天領(lǐng)域測試需求的并行化自動測試系統(tǒng). 系統(tǒng)組成如圖 1 所示.

圖 1　并行自動化測試系統(tǒng)組成Fig.1　Composition of parallel automatic test system

1.1　測試設(shè)計(jì)平臺

測試設(shè)計(jì)平臺可全方位、深度融合測試信息與測試過程各個(gè)環(huán)節(jié)要素，構(gòu)建一個(gè)綜合性智能設(shè)計(jì)平臺. 該平臺基于SQLite數(shù)據(jù)庫和測試指令管理中心軟件，主要實(shí)現(xiàn)測試信息設(shè)計(jì)、測試執(zhí)行序列設(shè)計(jì)和測試報(bào)告及評估設(shè)計(jì)等功能[8]. 測試信息設(shè)計(jì)包括測試協(xié)議配置、測試執(zhí)行配置、測試設(shè)備儀器配置、測試監(jiān)視界面配置、測試信息輸入，測試執(zhí)行序列設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括測試自檢序列、測試主序列、參數(shù)監(jiān)視序列、參數(shù)報(bào)警序列、設(shè)備序列、設(shè)備報(bào)警序列，測試報(bào)告及評估設(shè)計(jì)包括描點(diǎn)畫線參數(shù)選擇、參數(shù)簡單算法設(shè)計(jì)、測試評估二次開發(fā)庫設(shè)計(jì).

1.2　自動化測試執(zhí)行平臺

自動化測試執(zhí)行平臺是整個(gè)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的處理中心和自動化測試過程實(shí)施中心. 采用并行測試方式，以自動化測試控制中心為核心，具備測試序列自檢、測試序列一鍵執(zhí)行、參數(shù)監(jiān)視、參數(shù)報(bào)警、設(shè)備監(jiān)視、設(shè)備報(bào)警、測試報(bào)告自動打印等七大功能. 此外，數(shù)據(jù)顯示中心能以列表方式和圖表方式對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并自動判讀.

1.3　核心數(shù)據(jù)處理平臺

核心數(shù)據(jù)處理平臺主要由主測試服務(wù)(MTP)模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)(DBS)模塊、監(jiān)視判讀服務(wù)(DJS)模塊、數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)(RTS)模塊、時(shí)統(tǒng)服務(wù)模塊組成. 該平臺是并行自動化測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理、控制指令管理、自動化測試實(shí)施、測試數(shù)據(jù)分析、測試過程指揮監(jiān)控管理中心. 它是測試數(shù)據(jù)處理存儲系統(tǒng)的后臺核心服務(wù)軟件和管理工具，主要用于完成測試期間上行、下行數(shù)據(jù)的管理和控制，對測試設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問與維護(hù).

1.4　測試信息存儲平臺

并行化自動測試系統(tǒng)分為兩個(gè)大數(shù)據(jù)庫，分別為項(xiàng)目庫和知識庫. 其中，項(xiàng)目庫存儲當(dāng)前正在運(yùn)行的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，知識庫存儲歷史項(xiàng)目數(shù)據(jù). 知識庫分為若干個(gè)平臺庫，每個(gè)平臺下存儲若干項(xiàng)目數(shù)據(jù). 每個(gè)項(xiàng)目分為若干次測試數(shù)據(jù)，如初樣測試、正樣測試、出所測試等. 每個(gè)測試庫下存儲基礎(chǔ)庫和被測數(shù)據(jù)存儲表，基礎(chǔ)庫包含基礎(chǔ)協(xié)議、基礎(chǔ)指令等基礎(chǔ)信息.

1.5　信息評估分析平臺

信息評估分析平臺用于對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行評估分析，包括自動數(shù)據(jù)分析模塊和故障診斷模塊. 自動數(shù)據(jù)分析模塊按照測試協(xié)議的具體指標(biāo)要求將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判讀，并實(shí)時(shí)發(fā)送給自動化測試執(zhí)行平臺； 故障診斷模塊引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等評估方法，利用航天標(biāo)準(zhǔn)測試用例集形成完善的標(biāo)準(zhǔn)評估指標(biāo)體系. 通過此方法給出航天器性能的診斷結(jié)果，達(dá)到知識自動獲取、診斷準(zhǔn)確率高、診斷效率高的優(yōu)勢.

1.6　通用測試設(shè)備平臺

通用測試設(shè)備平臺是并行化自動測試系統(tǒng)的核心產(chǎn)品，以小型化、集成化測試設(shè)備為核心，通過有線或無線的方式與被測設(shè)備連接，通過網(wǎng)絡(luò)與自動化測試平臺連接. 其主要功能包括為被測產(chǎn)品供電、發(fā)送指令和數(shù)據(jù)、接收遙測數(shù)據(jù)、產(chǎn)生各種激勵(lì)信號. 主要由通用接口測試設(shè)備和通用測試儀器管理設(shè)備兩部分組成. 通用接口測試設(shè)備采用通用化設(shè)計(jì)，可支持各類被測產(chǎn)品的接口測試，接口包括LVDS總線、422總線、CAN、1553B等. 通用測試儀器管理設(shè)備為系統(tǒng)的測試儀器、設(shè)備提供二次開發(fā)平臺，滿足系統(tǒng)的設(shè)備擴(kuò)展需求.

2　云計(jì)算支撐平臺設(shè)計(jì)

2.1　云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算技術(shù)是在硬件平臺上直接創(chuàng)建一個(gè)虛擬化平臺間接管理硬件資源，并通過虛擬化控制中心控制計(jì)算中心全部服務(wù)器的虛擬化平臺，進(jìn)而將全部硬件資源形成資源池(包括CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)資源、外存儲器)[9，10]. 同時(shí)，云計(jì)算支撐平臺還在虛擬化平臺層上創(chuàng)建出若干個(gè)虛擬操作系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際需求將資源池中的硬件資源分配給虛擬操作系統(tǒng)，并在虛擬操作系統(tǒng)上運(yùn)行應(yīng)用軟件. 通過這種方法可以使測試系統(tǒng)的工作徹底擺脫硬件資源的局限，實(shí)現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行資源的有效配置和系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行.

在并行化自動測試系統(tǒng)中，云計(jì)算支撐平臺位于各業(yè)務(wù)子平臺的下層，對具體的業(yè)務(wù)子平臺提供諸如測試數(shù)據(jù)存儲、高性能分布式計(jì)算等支撐，以保證平臺在實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)的服務(wù)質(zhì)量.

2.2　云計(jì)算架構(gòu)

云計(jì)算支撐平臺是并行化自動測試系統(tǒng)的軟、硬件支撐平臺. 該平臺可在云端實(shí)現(xiàn)通用測試設(shè)備子平臺、核心數(shù)據(jù)處理子平臺、測試設(shè)計(jì)子平臺、自動化測試執(zhí)行子平臺、測試信息存儲子平臺、信息評估分析子平臺的相關(guān)功能. 利用云計(jì)算資源聚合的特點(diǎn)，從物理上合并需要的服務(wù)器和終端，將全部硬件設(shè)備采用云計(jì)算方式整合到同一硬件服務(wù)器平臺.

云計(jì)算支撐平臺分為3層：基礎(chǔ)級服務(wù)層(instrument as a service, IAAS)、平臺級服務(wù)層(platform as a service, PAAS)、軟件級服務(wù)層(software as a service, SAAS)[11]. IAAS層負(fù)責(zé)提供測試所需的服務(wù)器、工控機(jī)等硬件基礎(chǔ)設(shè)施，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)、儀器、存儲和計(jì)算節(jié)點(diǎn)等物理設(shè)備. 用戶在IAAS層需要提供設(shè)備的配置信息，通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理資源與虛擬資源的鏈接，形成虛擬資源池，用戶根據(jù)需求向系統(tǒng)提出資源請求，提高了系統(tǒng)資源的利用率. PAAS層是介于SAAS和IAAS之間的部分，作為主要關(guān)聯(lián)部分將系統(tǒng)與云平臺關(guān)聯(lián)起來，控制上層系統(tǒng)的部署與軟件的環(huán)境配置，提供應(yīng)用服務(wù)引擎，為并行化自動測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)判讀等功能的應(yīng)用提供入口程序[12,13]. SAAS層是將測試系統(tǒng)各層次的服務(wù)提供給用戶的最終環(huán)節(jié)，主要包括用戶服務(wù)(人機(jī)界面)、測試執(zhí)行服務(wù)(專用測試應(yīng)用)、測試項(xiàng)目開發(fā)服務(wù)和測試數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù). 并行化自動測試系統(tǒng)在SAAS層設(shè)計(jì)了測試信息管理終端、測試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理模塊、測試指令管理中心、測試信息監(jiān)視終端、自動數(shù)據(jù)分析模塊、故障診斷模塊等應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了測試服務(wù)的便捷性.

基于對軟件可移植性、硬件可互換性和系統(tǒng)互操作性的研究，本文設(shè)計(jì)了一種并行化自動測試平臺的云計(jì)算架構(gòu)，如圖 2 所示.

圖 2　云計(jì)算架構(gòu)Fig.2　Cloud computing architecture

3　實(shí)驗(yàn)平臺

并行化自動測試系統(tǒng)對計(jì)算能力和長時(shí)間工作的可靠性要求較高，采用工業(yè)級的服務(wù)器可滿足分析處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲等功能要求. 本系統(tǒng)采用vSphere云計(jì)算管理終端軟件實(shí)現(xiàn)對服務(wù)器的操作，以其系統(tǒng)資源集群管理、可靠性高等優(yōu)勢為并行化自動測試系統(tǒng)提供了方便、高效的運(yùn)行環(huán)境.

本文以導(dǎo)航接收機(jī)為例，實(shí)現(xiàn)四臺接收機(jī)并行一鍵化測試. 基于上述云計(jì)算硬件和軟件支撐平臺，并行化自動測試系統(tǒng)使用工控機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過四路RS232串口同時(shí)對四臺接收機(jī)進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)接收與遙控指令發(fā)送； 一臺服務(wù)器集成指令控制終端軟件與數(shù)據(jù)顯示終端軟件，同時(shí)一鍵化執(zhí)行測試序列. 整個(gè)系統(tǒng)的工作信息流如圖 3 所示，系統(tǒng)從測試準(zhǔn)備、測試執(zhí)行、測試評估三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航接收機(jī)的并行化自動測試.

圖 3　系統(tǒng)工作信息流圖Fig.3　Work flow chart of the system

3.1　測試準(zhǔn)備

測試設(shè)計(jì)平臺包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理終端和測試細(xì)則管理終端，通過兩個(gè)終端設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)協(xié)議和測試細(xì)則等測試前的準(zhǔn)備工作，并將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息、項(xiàng)目測試序列TPS發(fā)送給測試數(shù)據(jù)存儲平臺進(jìn)行存儲.

3.2　測試執(zhí)行

通用測試設(shè)備平臺采集導(dǎo)航接收機(jī)的四路遙測數(shù)據(jù)，利用工控機(jī)通過串口通信的方式與接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)電源和衛(wèi)星導(dǎo)航模擬源為接收機(jī)提供激勵(lì)信號. 核心數(shù)據(jù)處理平臺接收通用測試設(shè)備平臺采集到的遙測數(shù)據(jù)，主測試服務(wù)器將數(shù)據(jù)按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)器，由數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)器將數(shù)據(jù)分發(fā)給自動化測試執(zhí)行平臺. 自動化測試執(zhí)行平臺是整個(gè)系統(tǒng)的測試執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括控制臺終端和數(shù)據(jù)顯示終端. 控制臺向主測試服務(wù)器發(fā)送控制指令等信息； 數(shù)據(jù)顯示終端接收來自數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)器的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù)、遙控指令數(shù)據(jù)、遙測工程值等信息，并以圖形和列表兩種形式進(jìn)行顯示. 測試數(shù)據(jù)存儲平臺存儲測試設(shè)計(jì)平臺生成的測試用例集、測試序列TPS、項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和測試過程數(shù)據(jù)，并將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)送給主測試服務(wù)器和控制臺終端，同時(shí)將測試序列TPS發(fā)送給控制臺終端.

3.3　測試評估

信息評估分析平臺從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中讀取測試數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)評估指標(biāo)體系進(jìn)行數(shù)據(jù)分析評估. 一方面，將判讀信息實(shí)時(shí)發(fā)送給自動化測試執(zhí)行平臺，形成測試報(bào)告并自動打印； 另一方面，將數(shù)據(jù)評估結(jié)果發(fā)送給測試信息存儲平臺用于后期的結(jié)果查詢.

4　結(jié)束語

本文在充分分析自動化測試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和云計(jì)算測試的基礎(chǔ)上，研究了面向自動化測試的云計(jì)算體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于云計(jì)算的并行化自動測試系統(tǒng)，并充分考慮了軟件可移植性、硬件可互換性和系統(tǒng)互操作性，實(shí)現(xiàn)了多臺被測產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行一鍵化測試執(zhí)行. 實(shí)驗(yàn)表明，基于云計(jì)算的并行化自動測試系統(tǒng)借助少量的測試設(shè)備實(shí)現(xiàn)一鍵化四個(gè)被測產(chǎn)品同時(shí)測試并自動生成測試報(bào)告，提高了測試效率，減少了測試用例的執(zhí)行時(shí)間，加速了測試過程，降低了測試環(huán)境成本，提高了測試質(zhì)量.