一種應(yīng)用于SCADE模型與實(shí)物聯(lián)合仿真測試的方法

吳惠妍

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著軟件復(fù)雜度的增加，傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法已不能滿足效率和安全性的需求。為解決這一不足，高安全應(yīng)用開發(fā)環(huán)境SCADE應(yīng)運(yùn)而生，SCADE已普遍應(yīng)用于航空航天、國防、軌道交通等對安全性要求極高的領(lǐng)域。SCADE開發(fā)的模型在經(jīng)過模型仿真以及模型測試后可直接生成高安全性的代碼。

SCADE模型仿真和測試普遍采用人工編輯輸入數(shù)據(jù)測試的方式,這使得大多數(shù)的測試只能手動(dòng)進(jìn)行，沒有測試輔助工具或者測試腳本支持?jǐn)?shù)據(jù)生成。而且人工編輯的數(shù)據(jù)由于其與真實(shí)數(shù)據(jù)存在差異，測試環(huán)境的保真度差，這也會(huì)導(dǎo)致不確定或者不正確的測試結(jié)果(假陽性和假陰性結(jié)果)。此外，在與外部實(shí)物環(huán)境進(jìn)行聯(lián)合測試時(shí)，需要編譯并裝載(load)到目標(biāo)平臺(tái)上，如果發(fā)現(xiàn)新的缺陷(bug)，則需要返回模型再次修改，如圖1所示，開發(fā)、仿真、測試效率亟待提高。

圖1 傳統(tǒng)仿真流程Fig.1 Traditional simulation process

如果在模型設(shè)計(jì)階段就能將模型與外部實(shí)物環(huán)境進(jìn)行互聯(lián)，測試環(huán)境的仿真度得以提高，進(jìn)而減少模型生成代碼編譯后裝載到平臺(tái)上產(chǎn)生的錯(cuò)誤，這樣測試也不會(huì)被視作發(fā)生在瀑布開發(fā)周期后期的一個(gè)階段，而是不斷發(fā)生在迭代、增量和并發(fā)開發(fā)周期的持續(xù)性活動(dòng)完成快速迭代。實(shí)物接入在線仿真環(huán)境如圖2所示。關(guān)鍵技術(shù)在于模型如何與外部實(shí)物通信。

圖2 實(shí)物在線仿真Fig.2 Online physical simulation

2 通信模塊設(shè)計(jì)

SCADE自帶的模型庫不包含與外界進(jìn)行通信的模塊，需要進(jìn)行單獨(dú)開發(fā)。與外界通信有多種方式，如基于以太網(wǎng)的UDP、TCP通信、串行通信等，本文以最常用的通信為例，闡述SCADE與外界通信的實(shí)現(xiàn)方式。

UDP發(fā)送模塊中包含數(shù)據(jù)拷貝模塊，該模塊用于將變長的數(shù)據(jù)格式化為固定長度的數(shù)據(jù)，UDP發(fā)送模塊是導(dǎo)入代碼模塊，是由人工編寫代碼的方式采用C語言實(shí)現(xiàn)的socket通信，實(shí)現(xiàn)根據(jù)socket句柄、IP地址及端口號(hào)完成UDP數(shù)據(jù)的發(fā)送。

該UDP通信模塊實(shí)現(xiàn)與外部實(shí)物互聯(lián)，其特點(diǎn)在于：1）支持?jǐn)?shù)據(jù)錄播及回放功能，可以提高回歸測試自動(dòng)化的程度；2）UDP通信IP地址和端口號(hào)可配置；3）UDP通信模塊支持多路鏈接，且鏈路之間相互獨(dú)立，沒有任何依賴及干擾。

2.1 數(shù)據(jù)錄播回放

UDP通信接收子模塊共有3個(gè)分支，其中，第1個(gè)分支由UDP信息接收(updRecvElt)操作符、數(shù)據(jù)錄入(dataSava)操作符構(gòu)成，該分支用于實(shí)物環(huán)境下的仿真，并同時(shí)錄制數(shù)據(jù)；第2個(gè)分支由數(shù)據(jù)下載(dataLoad)操作符構(gòu)成，該分支用于離線環(huán)境的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放；第3個(gè)分支由UDP信息接收(updRecvElt)操作符構(gòu)成，該分支用于僅在實(shí)物環(huán)境下的仿真，不需要錄制數(shù)據(jù)的場景。

關(guān)鍵部分包含UDP信息接收操作符、數(shù)據(jù)錄入操作符、數(shù)據(jù)下載操作符，這3個(gè)操作符均為導(dǎo)入代碼模塊(Imported Operator)，是由人工編寫C代碼導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)的。其中，UDP信息接收操作符用于根據(jù)socket句柄及端口號(hào)完成UDP數(shù)據(jù)的接收；數(shù)據(jù)錄入操作符用于完成每個(gè)測試用例中測試數(shù)據(jù)的記錄，每一次記錄形成一個(gè)以"testcase*"命名的文件夾，各端口收集的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到不同的命名為"data*.csv"的文件中，如圖3所示，數(shù)據(jù)下載操作符用于完成數(shù)據(jù)的回放，當(dāng)選擇回放記錄條目后，該模塊會(huì)讀取對應(yīng)的"data*.csv"的數(shù)據(jù)并載入仿真環(huán)境中。

圖3 數(shù)據(jù)記錄格式Fig.3 Data record format

2.2 通信參數(shù)配置

接口設(shè)計(jì)時(shí)采用參數(shù)配置的方式。配置參數(shù)包括端口"port"，IP地址"add*"，數(shù)據(jù)長度"dataLen"，如圖4所示，使用相關(guān)模塊時(shí)，僅需在模塊屬性對話框中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可。

圖4 接口設(shè)計(jì)Fig.4 Interface design

2.3 鏈接數(shù)量

被測模型可能同時(shí)存在多個(gè)與外界通信的接口，且各通信之間需要相互獨(dú)立，不能相互依賴及干擾，因此UDP通信模塊將socket句柄交由外部模型來管理。UDP通信模塊申請socket句柄之后將套接字句柄(socketHander)交由SCADE的"last"變量保存，如圖5所示中的"last’socketHandler"。這樣多個(gè)UDP連接可以通過同一個(gè)UDP信息接收模塊分時(shí)復(fù)用，在不同時(shí)刻通過輸入不同的套接字句柄來實(shí)現(xiàn)，UDP通信由模型的輸入?yún)?shù)(socketHanderIn)決定。

圖5 socketHandler處理Fig.5 socketHandler processing

3 仿真測試框架

SCADE有數(shù)據(jù)流圖和安全狀態(tài)機(jī)兩套建模機(jī)制，分別適合于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)建模。本文提供的模型與實(shí)物聯(lián)合仿真測試框架采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)機(jī)中有4個(gè)狀態(tài)。

1）初始(init)狀態(tài)包含索引(indexPlus)操作符。在實(shí)物環(huán)境下仿真測試時(shí)會(huì)記錄多個(gè)測試用例(testcase*)。索引操作符用于選定仿真過程從哪個(gè)測試用例開始載入數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)回放狀態(tài)(dataReplay)包含無數(shù)據(jù)(noData)模塊和被測模塊環(huán)境(testEnv)。無數(shù)據(jù)模塊用于判定所選取的數(shù)據(jù)包(一個(gè)測試用例中可能有多個(gè)數(shù)據(jù)包)是否已讀完，只在有數(shù)據(jù)的時(shí)候才能激活。而被測模塊環(huán)境是對被仿真模塊搭建的仿真環(huán)境，被仿真測試模型SystemUT有6個(gè)通信連接，因此為其搭建了對應(yīng)的仿真測試環(huán)境模塊。被仿真測試模型環(huán)境內(nèi)嵌到一個(gè)初始化操作符中，切換到新的測試用例之前要先初始化被測對象的仿真環(huán)境。

3）新用例（newCase）狀態(tài)用于在本測試用例的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)讀完之后切換至下一個(gè)測試用例，當(dāng)測試用例全部讀完并仿真后，進(jìn)入終止（finish）狀態(tài)。

4）終止(finish)狀態(tài)，仿真結(jié)束。

整個(gè)仿真測試流程如圖6所示。從第一個(gè)測試用例開始測試過程，遍歷測試用例中所有數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)并發(fā)送給被測對象，在每個(gè)測試用例測試結(jié)束后，需要進(jìn)行測試仿真環(huán)境的初始化，以便準(zhǔn)備下一個(gè)測試用例。這樣迭代直至所有測試用例執(zhí)行完畢，測試結(jié)束。

圖6 測試框架工作流程Fig.6 Test framework workflow

4 結(jié)論

相比僅在SCADE內(nèi)部做模型仿真測試，與外部實(shí)物環(huán)境的聯(lián)合仿真有更多優(yōu)勢：

1）模型測試能夠獲得更真實(shí)的測試數(shù)據(jù)輸入；

2）省去了繁重的手工編輯測試數(shù)據(jù)的工作，保證數(shù)據(jù)的有效性，測試變得更加便捷快速；

3）數(shù)據(jù)記錄和回放功能使得仿真測試可以脫離外部實(shí)物環(huán)境也能進(jìn)行同樣真實(shí)度的仿真測試；

4）在數(shù)據(jù)記錄完之后的回歸測試更加方便，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。