基于圖像識(shí)別技術(shù)的聯(lián)鎖系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究

陳寧

廣州城市職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510405

引言

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是車站信號(hào)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，是保證行車安全高效作業(yè)的關(guān)鍵。確保聯(lián)鎖關(guān)系正確是聯(lián)鎖設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工、維護(hù)應(yīng)遵循的基本原則，而聯(lián)鎖試驗(yàn)是驗(yàn)證信號(hào)設(shè)備聯(lián)鎖關(guān)系正確的主要手段之一，正確的試驗(yàn)方法、完整的試驗(yàn)內(nèi)容以及徹底的試驗(yàn)過程是聯(lián)鎖試驗(yàn)最基本的要求。

1 聯(lián)鎖測(cè)試概述

對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)的測(cè)試通常采用黑盒測(cè)試方法，測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試案例，在人機(jī)交互平臺(tái)操作相關(guān)命令，聯(lián)鎖系統(tǒng)在收到命令后，根據(jù)采集到的軌旁設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果反饋給人機(jī)交互平臺(tái)，測(cè)試人員根據(jù)相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判定。因此，對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，需要[1]：①模擬測(cè)試人員的操作，自動(dòng)形成仿真命令，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判定；②模擬軌旁設(shè)備狀態(tài)，并將設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)給聯(lián)鎖系統(tǒng)。結(jié)合上述測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了測(cè)試平臺(tái)，其中控制平臺(tái)負(fù)責(zé)模擬測(cè)試人員生成并發(fā)送仿真命令，軌旁仿真用來模擬軌旁設(shè)備的狀態(tài)。測(cè)試過程為測(cè)試人員選擇測(cè)試項(xiàng)，測(cè)試平臺(tái)向被測(cè)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送仿真命令和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并接收狀態(tài)數(shù)據(jù)，解析后根據(jù)期望結(jié)果判定案例執(zhí)行結(jié)果。

2 研究思路

鐵路站場(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取方法整體研究思路。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面將站場(chǎng)信息通過圖形化方式顯示，作為圖像識(shí)別系統(tǒng)的輸入；分析信號(hào)設(shè)備顯示特征，提煉關(guān)鍵信息并構(gòu)建站場(chǎng)數(shù)據(jù)模型；研究學(xué)習(xí)圖像識(shí)別相關(guān)算法，對(duì)不同類型的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別試驗(yàn)；結(jié)合設(shè)備的顯示特征，設(shè)計(jì)流程識(shí)別信號(hào)設(shè)備，并將提取的站場(chǎng)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)模型中。

3 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)模型

根據(jù)自動(dòng)化程度的不同，自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)可分為二大類：自動(dòng)執(zhí)行類和自動(dòng)判定類。自動(dòng)執(zhí)行類測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下發(fā)操作命令，但是測(cè)試結(jié)果還需要通過人工識(shí)別并進(jìn)行判定；自動(dòng)判定類測(cè)試，在自動(dòng)下發(fā)操作命令的基礎(chǔ)上，可自動(dòng)判定測(cè)試結(jié)果的正確性。根據(jù)判定信息的不同，自動(dòng)判定類測(cè)試又可分為邏輯判定型和顯示判定型。其中邏輯判定型是將聯(lián)鎖機(jī)運(yùn)算結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，確定其正確性；顯示判定型是將操作機(jī)顯示狀態(tài)信息與預(yù)期結(jié)果比較，確定其正確性。邏輯判定型自動(dòng)仿真測(cè)試平臺(tái)主要是針對(duì)供應(yīng)商的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，又稱為“供應(yīng)商自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)”，其自動(dòng)化程度相對(duì)更高。因此，本文選取該類平臺(tái)進(jìn)行研究，主要分三步進(jìn)行：①對(duì)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別失效模式，分析故障原因，判斷故障影響，制定風(fēng)險(xiǎn)控制措施；②設(shè)計(jì)一套應(yīng)用自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案（簡(jiǎn)稱“新聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案”）；③采用過程風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)新聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案進(jìn)行驗(yàn)證。

4 基于通信接口的聯(lián)鎖軟件自動(dòng)測(cè)試工具軟件

通過控顯軟件與聯(lián)鎖軟件之間的通信接口A，測(cè)試工具軟件向聯(lián)鎖軟件輸入各種操作命令，例如：辦理進(jìn)路、單操道岔等；通過I/O接口仿真軟件與聯(lián)鎖軟件之間的通信接口B，測(cè)試工具軟件可以獲得信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)信息（例如：區(qū)段狀態(tài)、道岔位置等），同時(shí)獲得聯(lián)鎖軟件輸出的控制命令（例如：開放或關(guān)閉信號(hào)，轉(zhuǎn)換道岔位置等）[2]。通過對(duì)比聯(lián)鎖軟件的輸出與預(yù)期結(jié)果的一致性，測(cè)試工具軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)鎖軟件功能及配置數(shù)據(jù)的正確性、完整性的自動(dòng)化測(cè)試。但是，除了聯(lián)鎖軟件以外，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖產(chǎn)品中還包括用于提供操作顯示界面的控顯軟件。即使聯(lián)鎖軟件中的功能邏輯和配置數(shù)據(jù)是正確的，如果控顯軟件存在缺陷，導(dǎo)致操作顯示界面的功能或顯示錯(cuò)誤，仍然會(huì)影響車站運(yùn)輸作業(yè)的安全和效率。因此，對(duì)于操作顯示界面的顯示及操作功能，以及控顯軟件與聯(lián)鎖軟件之間的通信接口，也必須進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)其正確性和完整性。但是，脫離了聯(lián)鎖軟件的配合，控顯軟件無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)任何顯示和操作功能。因此，要想測(cè)試操作顯示界面，必須同時(shí)運(yùn)行聯(lián)鎖、控顯軟件，而且其測(cè)試方法和操作步驟與測(cè)試聯(lián)鎖軟件時(shí)有很大程度的重疊。

5 開始試車場(chǎng)景分析

信號(hào)系統(tǒng)試車：試車線獲得車輛段下發(fā)的試車線控制權(quán)，開始試車，列車可以在試車線進(jìn)行信號(hào)系統(tǒng)功能測(cè)試和調(diào)試。在任何時(shí)候，僅允許一輛列車在試車線上試驗(yàn)。試車線能夠測(cè)試車載信號(hào)系統(tǒng)ATP/ATO以及車載設(shè)備與車輛接口的功能，能對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行各種速度等級(jí)的列車自動(dòng)休眠/喚醒、ATP功能、全自動(dòng)駕駛、ATO自動(dòng)駕駛、牽引和制動(dòng)性能試驗(yàn)、站臺(tái)自動(dòng)發(fā)車、ATO精確停車、模擬站間運(yùn)行、自動(dòng)折返（試車線兩端都能自動(dòng)折返）、車門及安全門的模擬控制、遠(yuǎn)程復(fù)位、車輛接口、車-地通信及駕駛模式間轉(zhuǎn)換、聯(lián)鎖等功能的測(cè)試。傳統(tǒng)模式的試車線除具備正常功能驗(yàn)證外，同時(shí)具備對(duì)各子系統(tǒng)的故障模擬測(cè)試、故障復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、故障確認(rèn)和軟硬件升級(jí)驗(yàn)證等，均不會(huì)影響車輛段、正線的正常運(yùn)營(yíng)；但合用車輛段設(shè)備的試車線需要考慮測(cè)試的故障內(nèi)容、測(cè)試故障影響范圍，測(cè)試故障對(duì)車輛段日常運(yùn)營(yíng)的影響。測(cè)試受限功能主要包含以下內(nèi)容。

5.1 顯示特征分析

鐵路信號(hào)設(shè)備主要包括信號(hào)機(jī)、道岔和軌道電路，文獻(xiàn)對(duì)各信號(hào)設(shè)備在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面中的繪制特點(diǎn)作了明確規(guī)定[3]。①列車信號(hào)機(jī)（包括出站兼調(diào)車）采用雙燈位，即用2個(gè)圓圈表示；調(diào)車信號(hào)機(jī)采用單燈位，即1個(gè)圓圈表示；信號(hào)機(jī)基座采用1段短豎線表示；高柱信號(hào)機(jī)在基座和圓圈之間增加1段短橫線來表示燈柱；信號(hào)機(jī)名稱用銀白色表示。②道岔斜線在屏幕中的傾斜角度宜一致，應(yīng)提供道岔的狀態(tài)信息，如表示道岔開通位置的短線在道岔定位時(shí)顯示綠色，反位時(shí)顯示黃色等。③軌道區(qū)段線條不能有明顯鋸齒，表示到發(fā)線的線條間距統(tǒng)一，應(yīng)提供軌道區(qū)段空閑、占用等狀態(tài)信息，軌道區(qū)段名稱采用銀白色。對(duì)道岔的凸包形狀進(jìn)行了分析：?jiǎn)蝿?dòng)道岔的凸包形狀為三角形和梯形，雙動(dòng)道岔為斜直線，交叉渡線為菱形。

5.2 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)分析的方法之一，失效模式影響與危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA），主要用于識(shí)別產(chǎn)品失效模式及其可能產(chǎn)生的影響，是一種定性的分析技術(shù)。FMECA在產(chǎn)品生命周期各階段均可采用。在產(chǎn)品使用階段應(yīng)用FMECA，可以分析研究產(chǎn)品使用過程中可能或?qū)嶋H發(fā)生的故障、原因及其影響，為提高產(chǎn)品可靠性、可用性、維護(hù)決策等提供依據(jù)。常用的FMECA方法可細(xì)分為功能FMECA、硬件FMECA、軟件FMECA、過程FMECA等。對(duì)于自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)分析采用功能FMECA，研究步驟為：①功能分析；②約定分析層次；③識(shí)別失效模式；④分析故障原因；⑤判斷故障對(duì)于不同層次的影響；⑥制定風(fēng)險(xiǎn)控制措施。步驟③—步驟⑥以自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)FMECA表的形式體現(xiàn)。

5.3 基于實(shí)時(shí)視頻捕捉的圖像識(shí)別技術(shù)

用高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝控顯機(jī)的顯示界面，通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ崛‘嬅嬷懈鱾€(gè)圖形元素的特征值，然后與已知的各種圖形元素的特征值（模板）進(jìn)行比對(duì)，從而識(shí)別出當(dāng)前界面中是否存在某個(gè)已知的圖形元素。這種技術(shù)方案與目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的人臉識(shí)別系統(tǒng)的原理比較類似。采用基于實(shí)時(shí)視頻捕捉及模板匹配的圖像識(shí)別技術(shù)，有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)[4]。①測(cè)試主機(jī)及其外圍設(shè)備獨(dú)立于被測(cè)系統(tǒng)，不需要在被測(cè)系統(tǒng)中安裝任何用于圖像識(shí)別或自動(dòng)測(cè)試的軟件，不會(huì)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。②圖像識(shí)別算法屬于通用算法，經(jīng)過多年的發(fā)展，大部分常用算法已經(jīng)用各種常用編程語言實(shí)現(xiàn)，包括一些開源、免費(fèi)的代碼庫(kù)（例如：OpenCV庫(kù)），從而降低了圖像識(shí)別功能的開發(fā)難度。

5.4 數(shù)據(jù)分析處理

在進(jìn)行聯(lián)鎖試驗(yàn)操作時(shí)，試驗(yàn)分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)及按鈕操作信息，并自動(dòng)查找匹配當(dāng)前操作的進(jìn)路以及具體的試驗(yàn)項(xiàng)。將采集篩選出的聯(lián)鎖試驗(yàn)相關(guān)信息與該試驗(yàn)項(xiàng)判定條件進(jìn)行智能分析判定，確定該試驗(yàn)項(xiàng)是否試驗(yàn)正確、完整[5]。若該試驗(yàn)項(xiàng)采集到的聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)及按鈕操作信息與判定條件完全吻合，則系統(tǒng)判定該項(xiàng)試驗(yàn)完成，系統(tǒng)自動(dòng)在聯(lián)鎖試驗(yàn)檢查表中該進(jìn)路的該試驗(yàn)項(xiàng)下打“√”符號(hào)。若該試驗(yàn)項(xiàng)直至試驗(yàn)結(jié)束采集到的聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)及按鈕操作信息與判定條件部分吻合，則系統(tǒng)判定該項(xiàng)試驗(yàn)不完整，系統(tǒng)自動(dòng)在聯(lián)鎖試驗(yàn)檢查表中該進(jìn)路的該試驗(yàn)項(xiàng)下用不同顏色標(biāo)記，提示試驗(yàn)人員該項(xiàng)試驗(yàn)不完整。若系統(tǒng)一直未采集到與該試驗(yàn)項(xiàng)判定條件相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)及按鈕操作信息，則系統(tǒng)判定該項(xiàng)還未進(jìn)行試驗(yàn)操作，聯(lián)鎖試驗(yàn)檢查表中該進(jìn)路的該試驗(yàn)項(xiàng)下一直處于空白狀態(tài)，提示試驗(yàn)人員該項(xiàng)還未開始試驗(yàn)。

5.5 模板匹配

模板匹配算法在圖像處理中通常被應(yīng)用于字符識(shí)別，而字符識(shí)別算法也不僅限于模板匹配，應(yīng)用較為廣泛的還有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN，ArtificialNeural Network）與支持向量機(jī)（SVM，SupportVector Machine）算法，這2種算法在識(shí)別率和識(shí)別時(shí)間上均優(yōu)于模板匹配算法，但都需提前進(jìn)行大量樣本字符的訓(xùn)練，更適合對(duì)復(fù)雜文本進(jìn)行識(shí)別[6]。在上位機(jī)界面中，設(shè)備名稱通常僅由字母和數(shù)字組成，構(gòu)成簡(jiǎn)單，從軟件設(shè)計(jì)成本考慮無須采用ANN或SVM，因此本文采用模板匹配算法對(duì)信號(hào)設(shè)備名稱進(jìn)行識(shí)別。

6 新聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案驗(yàn)證

對(duì)新聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案采用過程FMECA方法進(jìn)行驗(yàn)證。參約定過程FMECA分析層次：以新聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案為初始約定層次；以預(yù)測(cè)試、出廠測(cè)試等環(huán)節(jié)為中間約定層次；以“P3-執(zhí)行預(yù)測(cè)試”“P4-生成自動(dòng)測(cè)試案例”等活動(dòng)為最低約定層次[7]。過程FMECA針對(duì)最低約定層次可能發(fā)生的失效模式進(jìn)行識(shí)別及分析，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)制定并采用改進(jìn)措施，進(jìn)而提高軟件測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量和可靠性。由于過程FMECA與功能FMECA的應(yīng)用方法類似，故不再列舉完整記錄。以最低約定層次“P4-生成自動(dòng)測(cè)試案例”為例，列舉過程FMECA記錄。按照上述分析方法逐一對(duì)新聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案中所有活動(dòng)進(jìn)行分析，證明所有控制措施能將過程風(fēng)險(xiǎn)完全消除或減小到可接受水平，證明新聯(lián)鎖車站軟件測(cè)試方案有效、可靠。

7 結(jié)束語

本文研究了聯(lián)鎖系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)，開發(fā)了基于圖像識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)將專家經(jīng)驗(yàn)融合進(jìn)了自動(dòng)測(cè)試，可以對(duì)站場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全覆蓋測(cè)試，特別適用于中型和大型站場(chǎng)測(cè)試。由于通信層可以增加和修改通信協(xié)議適配不同的被測(cè)對(duì)象，因此具有良好的可擴(kuò)展性，同時(shí)也可以運(yùn)用在其他安全系統(tǒng)，比如智能汽車等領(lǐng)域的自動(dòng)化測(cè)試。該平臺(tái)大為提高了聯(lián)鎖系統(tǒng)測(cè)試的完備性和自動(dòng)化程度，降低了成本。