高速磁浮中央控制子系統(tǒng)測(cè)試用例生成方法

趙 文 文

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

1 概述

高速磁懸浮中央控制子系統(tǒng)具有操作與顯示、列車自動(dòng)運(yùn)行、診斷等功能，是列車安全運(yùn)行的重要保證。系統(tǒng)測(cè)試可提早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷并進(jìn)行有效修復(fù)，提高系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)的效率。因而，測(cè)試質(zhì)量直接決定了中央控制子系統(tǒng)的研發(fā)成果和效率，在投入使用前必須進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證。

而作為測(cè)試工作的核心，測(cè)試用例的好壞直接影響到測(cè)試的效率，Tsai[1]提出了一種適用于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的測(cè)試用例生成方法，其主要是通過從規(guī)格說明中生成測(cè)試數(shù)據(jù)。Hall[2]也對(duì)測(cè)試用例生成方法進(jìn)行研究，提出基于Z規(guī)格說明進(jìn)行測(cè)試用例的生成。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的不斷發(fā)展，基于UML模型生成測(cè)試用例的方法受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，主要討論如何選取UML的動(dòng)態(tài)模型如狀態(tài)圖、順序圖、活動(dòng)圖、協(xié)作圖來生成符合覆蓋準(zhǔn)則要求的測(cè)試用例。A.J.Offutt等[3]提出了一種基于UML狀態(tài)圖的測(cè)試用例生成方法及四種測(cè)試覆蓋準(zhǔn)則，并開發(fā)首個(gè)可基于UML自動(dòng)生成測(cè)試用例的工具。季麗麗[4]針對(duì)A.J.Offutt提出的UML狀態(tài)圖上僅限于布爾類型的轉(zhuǎn)移條件的局限，進(jìn)行了表達(dá)式方面的擴(kuò)展。Falk F[5]討論了一種基于UML順序圖進(jìn)行測(cè)試的方法，并介紹了SeDiTeC工具。王林章等[6]基于UML協(xié)作圖提出了集成測(cè)試用例的生成方法，并依據(jù)所設(shè)計(jì)的模型來生成測(cè)試用例。Chris Rudram[7]對(duì)UML活動(dòng)圖的語義及語法進(jìn)行了擴(kuò)展，并提出了形式化的活動(dòng)圖。張楣等[8]設(shè)計(jì)出一種三級(jí)轉(zhuǎn)換過程，即由UML活動(dòng)圖模型轉(zhuǎn)換到測(cè)試大綱模型，進(jìn)而再到測(cè)試用例模型。但目前大多研究都是根據(jù)單一的某種模型圖，較少分析多種模型圖的組合建模。

高速磁浮運(yùn)行控制系統(tǒng)是其運(yùn)行安全的關(guān)鍵保障，而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試則是系統(tǒng)安全的必要保證。本文基于對(duì)被測(cè)中央控制子系統(tǒng)功能特征的提取，提出基于UML模型的測(cè)試用例生成方法，并將生成的測(cè)試用例實(shí)例在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)中全部執(zhí)行，來實(shí)現(xiàn)對(duì)中央控制子系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證。

2 功能特征的提取

驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足功能需求的所有要求，解決辦法就是對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。但是若考慮將系統(tǒng)中的每一個(gè)需求都使用測(cè)試用例來表達(dá)，則會(huì)得到數(shù)量龐大且有所重復(fù)的測(cè)試用例，不僅成本巨大，且會(huì)降低測(cè)試效率。為此，從系統(tǒng)功能需求中提煉精簡(jiǎn)后的功能特征是十分必要的。

功能特征即是根據(jù)系統(tǒng)功能需求提取的功能實(shí)體，是由一組需求歸結(jié)而來，針對(duì)一個(gè)功能特征又可設(shè)計(jì)多個(gè)測(cè)試用例。為了確保功能特征的全面性和合法性，功能特征集必須反映所有的功能需求，每一個(gè)獨(dú)立的功能特征都來自于系統(tǒng)需求。系統(tǒng)需求、功能特征及測(cè)試用例三者之間的關(guān)系如圖1所示。

2.1 功能特征的提取方法

首先，分析系統(tǒng)需求中所有要求的功能和屬性，按照特征將其分組，形成一個(gè)或多個(gè)需求相對(duì)應(yīng)的組合，即需求功能組；其次，對(duì)這些需求進(jìn)行分析、概括、提取，便可得到相應(yīng)的功能特征。中央控制子系統(tǒng)的功能測(cè)試驗(yàn)證實(shí)質(zhì)上是為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足系統(tǒng)需求規(guī)范中的所有功能要求。中央控制子系統(tǒng)的功能特征提取過程如下：

中央控制子系統(tǒng)需求規(guī)范→需求功能組→劃分功能實(shí)體→細(xì)化功能特征→功能特征列表。

2.2 提取結(jié)果

基于提出的系統(tǒng)功能特征提取流程，針對(duì)中央控制子系統(tǒng)的功能需求，分別對(duì)其操作員終端系統(tǒng)、列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)和中央診斷系統(tǒng)進(jìn)行了功能特征的提取，結(jié)果如表1所示。

3 基于UML的測(cè)試用例生成

3.1 中央控制子系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景分析

場(chǎng)景技術(shù)在測(cè)試設(shè)計(jì)階段可以作為系統(tǒng)建模的依據(jù)，其可以描述客戶需求和系統(tǒng)功能，有利于測(cè)試用例的設(shè)計(jì)。中央運(yùn)控系統(tǒng)的每個(gè)子系統(tǒng)都具有各自的功能需求，根據(jù)系統(tǒng)功能特征，中央運(yùn)控系統(tǒng)的運(yùn)行過程可劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景都包含著眾多的操作與信息交互。主要場(chǎng)景包括：系統(tǒng)權(quán)限管理，操作員終端系統(tǒng)生成命令操作，操作員終端系統(tǒng)CR命令操作，操作員終端系統(tǒng)視圖顯示，系統(tǒng)協(xié)同交互，列車時(shí)刻表操作，運(yùn)行計(jì)劃處理，ATO狀態(tài)改變，DCS命令運(yùn)行監(jiān)控，列車管理，診斷信息操作，列車運(yùn)行流程等。

表1 功能特征提取結(jié)果

3.2 中央控制子系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景建模

對(duì)中央控制子系統(tǒng)的運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行建模，不僅可以詳細(xì)地描述系統(tǒng)運(yùn)行過程中的內(nèi)部狀態(tài)變化，而且可以反映系統(tǒng)與外界的信息交互情況，該建模過程是指導(dǎo)測(cè)試用例生成的重要依據(jù)。本文以中央控制子系統(tǒng)各功能場(chǎng)景為單位進(jìn)行建模分析，采用UML分別建立用例圖、順序圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖，全方面表述中央控制子系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)序邏輯。由于篇幅限制，下面就以單分區(qū)列車運(yùn)行流程這一典型場(chǎng)景為例，給出詳細(xì)的建模過程，其他場(chǎng)景建模過程與之類似。

1)列車運(yùn)行流程用例圖(見圖2)。

由圖2可知，單分區(qū)列車運(yùn)行流程用例圖中包含3個(gè)參與者，分別為操作員，DCS和VCS。三者之間通過用例來交互信息，完成系統(tǒng)此場(chǎng)景的功能需求。

2)列車運(yùn)行流程狀態(tài)圖見圖3。

列車運(yùn)行流程狀態(tài)圖描述了OTS從初始狀態(tài)至車輛完成運(yùn)行停止這段時(shí)間中系統(tǒng)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換情況，如圖3所示。圖3中從OTS初始狀態(tài)開始，經(jīng)歷登錄車輛，預(yù)定進(jìn)路，設(shè)置車輛運(yùn)行，設(shè)置停車指令等一系列過程，一步步描述了單分區(qū)列車運(yùn)行流程中OTS的狀態(tài)及引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的觸發(fā)事件。

3)列車運(yùn)行流程活動(dòng)圖見圖4。

列車運(yùn)行流程活動(dòng)圖描述了系統(tǒng)從一個(gè)活動(dòng)至另一個(gè)活動(dòng)的流程，主要是強(qiáng)調(diào)對(duì)象之間的控制關(guān)系，如圖4所示。圖4中描述了列車運(yùn)行流程中從一個(gè)活動(dòng)到另一個(gè)活動(dòng)的控制流，利用活動(dòng)圖模型可以明確OTS，DCS和VCS之間工作的信息流交互，著重表現(xiàn)的是系統(tǒng)行為。

4)列車運(yùn)行流程順序圖見圖5。

順序圖用來描述一個(gè)用例的行為，其呈現(xiàn)的是一組對(duì)象和通過這組對(duì)象接收到的消息，強(qiáng)調(diào)對(duì)象之間消息發(fā)送的順序，順序圖僅僅表示了用例的一個(gè)具體場(chǎng)景，圖5給出了列車運(yùn)行流程各命令執(zhí)行都正常情況下的順序圖。圖5詳細(xì)展現(xiàn)了整個(gè)列車運(yùn)行流程中，OTS，DCS和VCS是依照時(shí)間順序并且通過彼此交互來完成信息傳遞的過程。

3.3 測(cè)試用例生成實(shí)例

根據(jù)建模圖生成測(cè)試用例的過程如圖6所示。具體用例生成步驟如下：

1)根據(jù)運(yùn)行子場(chǎng)景選取相應(yīng)的場(chǎng)景建模圖；

2)依據(jù)用例圖，確定該場(chǎng)景相關(guān)的外部具體設(shè)備；

3)依據(jù)狀態(tài)圖，計(jì)算該場(chǎng)景中最大程度覆蓋所有狀態(tài)所必需的測(cè)試用例數(shù)量；

4)依據(jù)活動(dòng)圖，明確每一個(gè)測(cè)試用例的測(cè)試步驟；

5)依據(jù)順序圖，確定每一步測(cè)試步驟所涉及的各設(shè)備間的信息交互情況；

6)根據(jù)設(shè)計(jì)的測(cè)試用例標(biāo)準(zhǔn)格式編寫成具體的測(cè)試用例文檔。

中央控制子系統(tǒng)的整個(gè)測(cè)試用例集的數(shù)量非常多，下面就同樣以“單分區(qū)列車運(yùn)行流程”場(chǎng)景為例，詳細(xì)解釋使用建模圖來生成測(cè)試用例的過程。首先由列車運(yùn)行流程的用例圖可知，該場(chǎng)景在整個(gè)過程中所涉及到的外部參與者主要有操作員、DCS和VCS，即主要由他們來完成測(cè)試用例所需要的操作以及觀測(cè)測(cè)試結(jié)果的。然后根據(jù)列車運(yùn)行流程狀態(tài)圖，可以詳細(xì)地看到OTS在此場(chǎng)景中的狀態(tài)變化，由圖3可知，要最大程度的覆蓋其所有狀態(tài)，需要5個(gè)測(cè)試用例。最后根據(jù)活動(dòng)圖和順序圖可以分別得到測(cè)試用例的具體操作步驟以及對(duì)應(yīng)的交互信息。以列車運(yùn)行流程各命令執(zhí)行都正常的情況為例，其用例設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 列車運(yùn)行流程測(cè)試用例

基于提出的方法，本文最終對(duì)操作員終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試用例85個(gè)，對(duì)列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試用例68個(gè)，對(duì)中央診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試用例31個(gè)，且設(shè)計(jì)的測(cè)試用例全部通過測(cè)試平臺(tái)得到執(zhí)行，基本完全覆蓋了中央控制子系統(tǒng)運(yùn)行過程中的主要場(chǎng)景，對(duì)在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤或缺陷通過查找原因、修改代碼等途徑都得到解決，最終達(dá)到測(cè)試用例通過率100%。

4 結(jié)語

本文提出了基于UML的測(cè)試用例生成方法，并在測(cè)試平臺(tái)中執(zhí)行生成的測(cè)試用例來實(shí)現(xiàn)對(duì)中央控制子系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)生成的測(cè)試用例，可充分地模擬運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種情況，達(dá)到提早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或缺陷并進(jìn)行有效修復(fù)的作用，這樣在現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)時(shí)就可以顯著提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率，有效減少測(cè)試時(shí)間和測(cè)試質(zhì)量成本，并可為今后高速磁浮中央控制子系統(tǒng)的測(cè)試提供一定的理論依據(jù)和方法借鑒。