人工、自動協(xié)同的信號系統(tǒng)測試平臺架構(gòu)設(shè)計

廖湘華

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海201203）

0 引言

城市軌道交通信號系統(tǒng)在室內(nèi)測試時需要對軌旁、車輛等外圍環(huán)境進行仿真，信號系統(tǒng)、環(huán)境仿真系統(tǒng)一起組成人工測試平臺。例如，陳祥獻[1]、白廣爭[2]、萬勇兵[3]等的研究。人工測試平臺對于大多數(shù)測試用例因能立即操作而取得立竿見影的效果，但是不能節(jié)省回歸測試、工程測試中重復(fù)性工作的人力和時間。

為了提高測試效率和能力，需要采用自動化測試。關(guān)于自動測試的研究很多，例如，張若時[4]以ABBET(測試泛環(huán)境)標(biāo)準(zhǔn)體系的產(chǎn)品描述層、測試策略/需求層、測試過程層、測試資源層、儀器控制層結(jié)構(gòu)為主，開發(fā)了面向信息的通用自動測試系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)測試儀器無關(guān)性和測試程序集通用性；劉揚[5]提出一個基于模型驅(qū)動架構(gòu)的測試用例生成框架；任思思[6]基于MSC（消息序列圖）建模語言生成CBTC（基于通信的列車運行控制系統(tǒng)）測試用例；胡甜[7]重點研究了自動測試腳本編程接口的實現(xiàn)框架。這些自動測試技術(shù)日趨全面，但是自動測試平臺開發(fā)周期長，對所有測試用例編寫腳本的工作量大，導(dǎo)致測試平臺往往趕不上被測系統(tǒng)前期調(diào)試、測試的工期需要。

本文擬根據(jù)信號系統(tǒng)從產(chǎn)品研制、工程實施到運營維護的生命周期內(nèi)，先人工測試、自動測試從少到多的特點，對測試平臺的架構(gòu)進行設(shè)計。一方面，達到只迭代開發(fā)一套測試平臺，既能迅速支持各階段人工、自動測試，又能節(jié)省開發(fā)總成本的目的；另一方面，從測試資源的角度，既兼容各種自動測試技術(shù)從而具有開放性，又可集成已有自動測試產(chǎn)品從而減少自己研發(fā)的工作量。

1 要求

城市軌道交通信號系統(tǒng)實質(zhì)是一個分布式控制系統(tǒng)，決定了它的仿真測試平臺也宜是一個分布式控制系統(tǒng)。因此，把以環(huán)境仿真系統(tǒng)為主的測試資源抽象為人工、自動協(xié)同操作的分布式控制系統(tǒng)，設(shè)計一套人工、自動協(xié)同的信號系統(tǒng)測試平臺。要支持人工、自動協(xié)同操作，分布式控制系統(tǒng)宜滿足以下要求：

一是人工、自動操作的對象應(yīng)是同一對象；

二是分布式控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息應(yīng)既傳送給人工操作用戶界面，又傳送給自動操作腳本；

三是人工操作用戶界面產(chǎn)生的控制信息應(yīng)能被自動操作腳本捕獲，自動操作腳本產(chǎn)生的控制信息應(yīng)能在人工操作用戶界面上查看；

四是人工、自動操作的控制信息宜采用相同的協(xié)議傳送；

五是人工、自動操作的狀態(tài)信息宜采用相同的協(xié)議傳送；

六是協(xié)議應(yīng)能支持單個信息的傳送。

2 設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，人工、自動協(xié)同操作的分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 人工、自動協(xié)同操作的分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 將用戶界面與業(yè)務(wù)邏輯分離

將系統(tǒng)的用戶界面功能、業(yè)務(wù)邏輯功能分離為獨立運行的用戶界面軟件、業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)。用戶界面軟件承接通過鍵盤、鼠標(biāo)接收用戶操作信息，通過顯示器向用戶呈現(xiàn)信息的功能。業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)承接將用戶界面功能剝離出去后剩余的系統(tǒng)功能。

用戶界面軟件將用戶操作信息轉(zhuǎn)換而來的控制信息，傳送給業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)處理。業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)把要顯示的狀態(tài)信息傳送給用戶界面軟件呈現(xiàn)?？刂菩畔?、狀態(tài)信息中各變量的值可以單獨更新、傳送。

2.2 業(yè)務(wù)邏輯支持多個用戶界面以相同的接口與其交互

業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)支持多個用戶界面軟件，采用相同的接口協(xié)議與之交互。業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)把要顯示的狀態(tài)信息以同樣的接口協(xié)議傳送給所有用戶界面軟件呈現(xiàn)；對多個用戶界面軟件以同樣的協(xié)議傳來的控制信息進行處理，并且把該信息轉(zhuǎn)發(fā)（或回送）給所有用戶界面軟件。這樣，各用戶界面軟件既能同步獲得業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)的狀態(tài)信息，也能獲得用戶在任意其他用戶界面軟件輸入的控制信息。

2.3 將用戶界面分為人工、自動操作用戶界面

用戶界面軟件分為兩類：人工操作用戶界面軟件、自動操作用戶界面軟件。自動操作用戶界面軟件理解為由三部分組成：腳本編程接口、自動操作腳本、腳本編輯運行環(huán)境。腳本編程接口負(fù)責(zé)與業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)交互。它們之間的交互遵循人工操作用戶界面軟件與業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)之間的接口協(xié)議。對業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)來說，人工操作用戶界面軟件與自動操作用戶界面軟件是相同的。自動操作腳本通過調(diào)用腳本編程接口中的函數(shù)向業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)傳送控制信息，獲得業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)的狀態(tài)信息和其他用戶界面軟件（人工操作用戶界面軟件或自動操作用戶界面軟件）傳送給業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)的控制信息。

2.4 統(tǒng)一定義控制信息、狀態(tài)信息，確保唯一性

分布式控制系統(tǒng)中業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)由多個業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)組成。這些業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)分別實現(xiàn)相似或相異的功能子集，決定了控制信息相似或相異，狀態(tài)信息也相似或相異。分布式控制系統(tǒng)中人工操作用戶界面軟件、自動操作用戶界面軟件也可以分成多個。這些人工操作用戶界面軟件向業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)傳送相似或相異的控制信息，呈現(xiàn)相似或相異的狀態(tài)信息。為了避免相似或相異的業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)、用戶界面軟件在處理信息時混淆，分布式控制系統(tǒng)中所有控制信息、狀態(tài)信息統(tǒng)一定義，確保唯一性。各業(yè)務(wù)邏輯子系統(tǒng)、用戶界面軟件只處理與己有關(guān)的信息。

3 實施

太原地鐵2 號線JeRail?CBTC 全自動運行信號系統(tǒng)的仿真測試平臺既包括對信號系統(tǒng)外部的與CBI（計算機聯(lián)鎖子系統(tǒng)）、OBCU（車載控制器）、ATS（列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)）對接的關(guān)聯(lián)設(shè)備/系統(tǒng)進行仿真，使信號系統(tǒng)的輸入/輸出形成閉環(huán)，以支撐信號系統(tǒng)在實驗室里運行；也包括對信號系統(tǒng)內(nèi)部9 個設(shè)備集中站的CBI、ZC（區(qū)域控制器）進行仿真，使它們與一個設(shè)備集中站的真實CBI 設(shè)備、真實ZC 設(shè)備一起，以支撐信號系統(tǒng)在實驗室里覆蓋全線路運行；還包括對23 列及以上列車的OBCU 進行仿真，使它們與一列列車的真實OBCU 設(shè)備一起，以支撐信號系統(tǒng)在實驗室里多車追蹤運行，并對ATS、CBI、ZC、MMS（維護監(jiān)測子系統(tǒng)）進行壓力測試。簡言之，仿真測試平臺涉及全線路的信號系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)設(shè)備/系統(tǒng)，適宜按照分布式控制系統(tǒng)進行設(shè)計。這樣，實驗室既相似于現(xiàn)場信號系統(tǒng)分布式運行的情況，又方便把任一個設(shè)備集中站的仿真CBI 和/或ZC、任一列列車的仿真OBCU 替換為真實設(shè)備。

仿真測試平臺按照人工、自動協(xié)同操作分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，見圖2。

圖2 太原地鐵2 號線JeRail?CBTC 的人工、自動協(xié)同的仿真測試平臺架構(gòu)

3.1 組成

JeRail?CBTC 的仿真測試平臺由仿真JeRail?CBTC外部關(guān)聯(lián)設(shè)備/系統(tǒng)及內(nèi)部子系統(tǒng)（即業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)）、人工測試用戶界面軟件、腳本編程接口組成。

仿真JeRail?CBTC 外部關(guān)聯(lián)設(shè)備/系統(tǒng)包括：

一是仿真軌旁信號設(shè)備及繼電器軟件：模擬全線路的道岔轉(zhuǎn)轍機、信號機、站臺門、站臺開門按鈕、站臺關(guān)門按鈕、站臺緊急關(guān)閉按鈕、站臺扣車按鈕、站臺清客按鈕、站臺自動折返按鈕、人員防護開關(guān)、庫門、洗車機、計軸區(qū)段及其繼電器功能，模擬全線路有源應(yīng)答器、無源應(yīng)答器的功能；

二是仿真繼電接口（真實接口）設(shè)備：實現(xiàn)仿真軌旁信號設(shè)備及繼電器軟件與真實CBI 設(shè)備關(guān)于繼電接口信號轉(zhuǎn)換的功能；

三是仿真繼電接口（網(wǎng)絡(luò)接口）設(shè)備：實現(xiàn)仿真軌旁信號設(shè)備及繼電器軟件與仿真CBI 軟件關(guān)于繼電接口信息適配的功能；

四是仿真線路電子單元軟件：模擬真實CBI 設(shè)備或仿真CBI 軟件所對接線路電子單元，接收CBI 發(fā)來的應(yīng)答器報文；

五是仿真車輛及OBCU 配套設(shè)備（真實接口）：與同一列車的兩套真實OBCU 設(shè)備對接，模擬列車上除OBCU 以外部件功能；

六是仿真車輛及OBCU 配套設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)接口）：與同一列車的仿真OBCU 軟件對接；

七是仿真站臺門系統(tǒng)軟件；

八是仿真乘客信息系統(tǒng)軟件；

九是仿真無線通信系統(tǒng)軟件；

十是仿真廣播系統(tǒng)軟件；

十一是仿真車輛調(diào)系統(tǒng)軟件。

仿真JeRail?CBTC 內(nèi)部子系統(tǒng)包括以下軟件：

一是仿真CBI 軟件；

二是仿真ZC 軟件；

三是仿真OBCU 軟件。

人工測試用戶界面軟件主要有：

一是設(shè)備信息總覽軟件：以線路平面拓?fù)鋱D的形式陳列全線路軌旁信號設(shè)備，以圖標(biāo)的形式實時追蹤各列車的位置，呈現(xiàn)各設(shè)備的狀態(tài)，并支持正常操作、故障注入。

二是接口信息總覽軟件：以編輯框、復(fù)選框、列表等控件的形式實時顯示業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)中各設(shè)備、軟件與其他部件之間交互的接口信息，并支持故障注入。

腳本編程接口：采用DLL（動態(tài)鏈接庫）的形式，使得自動測試腳本既可以采用腳本語言（如Python、Perl、Ruby、lua），也可以采用編程語言（如C、C++、C#），還可以采用測試管理軟件（如NI TestStand）。自動測試腳本采用的語言及編輯調(diào)試運行環(huán)境，可由腳本編寫人員自行選擇。

3.2 交互

設(shè)備信息總覽軟件、接口信息總覽軟件、自動測試腳本（通過腳本編程接口）的控制信息以UDP 單播的形式，發(fā)送給業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)中相應(yīng)的設(shè)備或軟件。

業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)各設(shè)備、軟件上傳給用戶界面的狀態(tài)信息、控制信息以UDP 組播的形式，發(fā)送到一個組播地址，使得監(jiān)聽該組播地址的設(shè)備信息總覽軟件、接口信息總覽軟件、腳本編程接口都能收到這些信息。

業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)中各設(shè)備、軟件與用戶界面軟件交互的控制信息、狀態(tài)信息統(tǒng)一編碼，確保每個數(shù)據(jù)項在全系統(tǒng)中的唯一性，并形成數(shù)據(jù)字典，以供自動測試腳本編寫人員查閱。

3.3 使用

業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)持續(xù)運行，人工測試用戶界面軟件、自動測試腳本可以根據(jù)需要隨時退出、重啟。

人工測試時，測試人員通過人工測試用戶界面軟件向業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)下發(fā)指令，查看業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)上傳的信息，結(jié)合配置文件、日志文件判斷測試結(jié)果，填寫測試報告。

自動測試時，測試人員在自動測試腳本編輯調(diào)試運行環(huán)境中運行自動測試腳本，自動測試腳本調(diào)用腳本編程接口函數(shù)。腳本編程接口函數(shù)向業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)下發(fā)指令，獲取、存儲邏輯系統(tǒng)上傳的信息，讀取配置文件、日志文件，填寫測試報告。

測試人員在調(diào)試、運行自動測試腳本時，可以用人工測試用戶界面軟件來核實自動測試腳本每次調(diào)用腳本編程接口函數(shù)是否成功下發(fā)指令，指令是否正確。在運行自動測試腳本時，測試人員可以在人工測試用戶界面軟件上，介入一些人工測試操作。

測試人員在人工測試用戶界面軟件向業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)下發(fā)的指令，以及業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)因此而改變的狀態(tài)可以被自動測試腳本調(diào)用腳本編程接口函數(shù)獲取。

自動測試腳本可以分解為自動操作程序段、自動評判程序段、自動報告程序段。這三種程序段既可組成一個包含自動操作程序段、自動評判程序段、自動報告程序段的自動測試腳本，也可分別組成只包含其中一種程序段的自動測試腳本。

4 評價

4.1 優(yōu)點

經(jīng)實踐檢驗，采用人工、自動協(xié)同操作分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)的JeRail?CBTC 仿真測試平臺體現(xiàn)了以下優(yōu)點：

4.1.1 支持人工與自動協(xié)同、人工與人工協(xié)同、自動與自動協(xié)同

人工與自動協(xié)同分為兩種：一種是在測試操作上的協(xié)同，即部分操作人工執(zhí)行，部分操作自動執(zhí)行；另一種是在測試環(huán)節(jié)上的協(xié)同，即部分測試環(huán)節(jié)人工進行，部分測試環(huán)節(jié)自動進行，見圖3。

圖3 人工、自動在測試環(huán)節(jié)上的協(xié)同

人工操作、自動評判協(xié)同：由于人工測試用戶界面產(chǎn)生的控制信息能夠被自動測試腳本捕獲，在自動測試腳本中可以評判人工操作及其結(jié)果。

自動操作、人工評判協(xié)同：由于自動測試腳本產(chǎn)生的控制信息能夠在人工測試用戶界面上查看，在人工測試用戶界面上可以評判自動操作及其結(jié)果。

自動評判、人工報告協(xié)同：對于自動評判的結(jié)果，既可以由自動測試腳本直接填寫到測試報告中，也可以由自動測試腳本輸出簡單的結(jié)果，再由人工填寫到測試報告中。

人工評判、自動報告協(xié)同：對于人工評判的結(jié)果，既可由人工直接填寫測試報告，也可以將人工評判的結(jié)果作為自動測試腳本的輸入信息，由自動測試腳本填寫到測試報告中。人工與人工協(xié)同分為兩種：一種是不同操作人員之間的協(xié)同，即部分操作由這些人執(zhí)行，部分操作由另一些人執(zhí)行；另一種是不同人工測試用戶界面軟件之間的協(xié)同，這些人工測試用戶界面軟件，既可能分別對應(yīng)不同的控制信息、狀態(tài)信息子集，也可能包含部分相同的控制信息、狀態(tài)信息子集。

自動與自動協(xié)同分為兩種：一種是不同自動測試腳本可以相互獨立地啟動、運行、退出，分別完成不同的測試項；另一種是對同一測試項，部分測試環(huán)節(jié)由這些自動測試腳本完成，部分測試環(huán)節(jié)由另一些自動測試腳本完成。

4.1.2 保證測試環(huán)境持久、測試活動連貫

每個人工測試用戶界面軟件、自動測試腳本的啟動、運行、暫停、繼續(xù)、退出、異常，均不必重啟業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)、被測系統(tǒng)，不僅節(jié)省了整個測試環(huán)境初始化時間，還保證了測試環(huán)境持久運行。

業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)或被測系統(tǒng)中部分設(shè)備、軟件退出/重啟，也不會導(dǎo)致人工測試用戶界面軟件、自動測試腳本退出/重啟，從而確保與退出/重啟設(shè)備、軟件無關(guān)的測試活動的連貫性。

4.1.3 提高腳本調(diào)試、運行的可視性

自動測試腳本通過腳本編程接口函數(shù)下發(fā)的控制信息，將被業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給人工測試用戶界面軟件呈現(xiàn)。自動測試腳本開發(fā)人員可以在人工測試用戶界面軟件上驗證腳本編程接口函數(shù)調(diào)用是否符合預(yù)期，從而提高自動測試腳本調(diào)試、運行的可視性。

4.1.4 支持全人工測試—人工測試為主—自動測試為主—全自動測試過渡

在全人工測試階段，提高測試用例的可操作性，優(yōu)化測試用例的執(zhí)行順序。在人工測試為主、自動測試為輔階段，可以用自動測試腳本初始化具有重復(fù)性的測試場景（例如使列車從車輛段運行到轉(zhuǎn)換軌），持續(xù)監(jiān)視（例如列車線信息），捕獲瞬間狀態(tài)變化，評判測試結(jié)果，填寫測試報告。在自動測試為主、人工測試為輔階段，執(zhí)行自動測試腳本時，可以介入人工操作、評判、報告。在全自動測試階段，測試操作、評判、報告全部由自動測試腳本完成。

4.1.5 適于測試正在研發(fā)的系統(tǒng)、在工程項目上應(yīng)用的成熟系統(tǒng)、工程項目交付周期特別短的系統(tǒng)

對于正在研發(fā)的系統(tǒng)，依次采用全人工測試、人工測試為主、自動測試為主、全自動測試；對于在工程項目上應(yīng)用的成熟系統(tǒng)，采用自動測試為主、全自動測試；對于工程項目交付周期特別短的系統(tǒng)，可以一部分人做人工測試，一部分人編寫自動測試腳本。當(dāng)自動測試腳本來不及開發(fā)時，可以補充對腳本不太熟練的人員，完成人工測試；對于人工測試積累、優(yōu)化過的測試用例，可以補充對腳本比較熟練的人員，轉(zhuǎn)換成自動測試腳本。

4.1.6 支持工作日、白天人工測試，休息日、夜間自動測試

工作日、白天比較適合需要人實時響應(yīng)的測試。休息日、夜間比較適合無人值守的持久性測試，如穩(wěn)定性測試。

4.2 限制

人工、自動協(xié)同操作分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)由于業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)中各設(shè)備、軟件無差別地向所有人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口發(fā)送狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)發(fā)或回送控制信息，使人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口接收到與己無關(guān)的信息，這就要求：一是傳送控制信息、狀態(tài)信息的通信協(xié)議應(yīng)便于接收方過濾掉與己無關(guān)的信息；二是業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)應(yīng)平常只發(fā)送值發(fā)生變化的信息，以減少通信量；三是業(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)應(yīng)周期性或回應(yīng)人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口的請求發(fā)送全部信息，以使剛啟動的人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口獲得全部信息的歷史值。

綜上，該架構(gòu)比較適合于業(yè)務(wù)邏輯、用戶界面之間所傳送的信息符合以下特點的系統(tǒng)：一是信息的值變化不頻繁；二是值變化頻繁的信息數(shù)量較少；三是能將值變化頻繁的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為值變化不頻繁的狀態(tài)信息。

5 結(jié)語

人工、自動協(xié)同的測試平臺架構(gòu)使上海富欣智能交通控制有限公司能夠同時快速測試CBTC、TACS（列車自主運行系統(tǒng)）等多制式產(chǎn)品并驗證工程應(yīng)用項目，對于工業(yè)控制自動化領(lǐng)域也具有借鑒意義。