基于OpenCV 的計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)研究

曾舒宇，楊 揚(yáng)，王 玥，曹阿俊

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

鐵路計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)是負(fù)責(zé)行車進(jìn)路建立鐵路行車核心控制設(shè)備，具有較高可靠性和故障-安全性要求的實時控制系統(tǒng)[1]。鑒于故障-安全原則對于計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的特殊性和重要性，系統(tǒng)自身的全面測試就必不可少。目前，國內(nèi)聯(lián)鎖軟件測試量較大，存在大量的重復(fù)性操作，測試人員知識水平、測試經(jīng)驗參差不齊，難以保證測試的完備性。

文獻(xiàn)[2]根據(jù)高鐵列控接口規(guī)范提出了一種計算機(jī)聯(lián)鎖與列控中心（TCC，Train Control Center）接口自動化測試的方式；文獻(xiàn)[3]基于Prover iLock 形式化工具提出了一種形式化自動測試的方法；文獻(xiàn)[4]以灰盒測試為思想，設(shè)計了一種基于腳本驅(qū)動的自動測試系統(tǒng)；文獻(xiàn)[5]提出了一種基于有色Petri 網(wǎng)的聯(lián)鎖軟件測試用例生成方法；文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)測試平臺，可輔助測試用例開發(fā)和執(zhí)行。以上研究雖然都能有效完成計算機(jī)聯(lián)鎖測試或計算機(jī)聯(lián)鎖用例生成，但是其測試大多是基于接口進(jìn)行的測試，對于第三方測試來說不了解計算機(jī)聯(lián)鎖內(nèi)部代碼，仍存在測試難度大的問題。同時未能將測試用例生成和測試用例執(zhí)行兩個功能進(jìn)行集成，仍存在不少操作需要人工介入。

為更好地解決以上問題，本文設(shè)計了一種將站場數(shù)據(jù)獲取、聯(lián)鎖表生成、測試用例生成和測試用例執(zhí)行功能集成的計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)。該計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)采用黑盒測試的思想，基于OpenCV 庫[7]獲取站場數(shù)據(jù)，無須了解計算機(jī)聯(lián)鎖軟件內(nèi)部代碼即可獲取站場數(shù)據(jù)并實現(xiàn)測試用例自動執(zhí)行進(jìn)而完成對計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本功能測試。本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)核心功能實現(xiàn)和系統(tǒng)測試結(jié)果幾個方面介紹該系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)過程與測試結(jié)果。

1 計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)

計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在信號操作員操作下實現(xiàn)站內(nèi)道岔、信號機(jī)和軌道電路之間聯(lián)鎖控制，是鐵路安全高效行車不可缺少的保障裝備。其系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)，分為人機(jī)對話層、聯(lián)鎖運算層和執(zhí)行表示層[1]，計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）人機(jī)對話層。由上位機(jī)和電務(wù)維修機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收車站值班員下達(dá)的進(jìn)路操作命令，并將操作命令傳送給聯(lián)鎖運算層，同時接收聯(lián)鎖運算層輸出的反映信號設(shè)備工作狀態(tài)和行車情況的信息并進(jìn)行實時顯示。

（2）聯(lián)鎖運算層。由聯(lián)鎖機(jī)軟件組成，聯(lián)鎖機(jī)接收來自上位機(jī)下達(dá)的操作命令，依據(jù)從執(zhí)行表示層接收到的反映室外信號機(jī)、道岔和軌道電路實時狀態(tài)的信息，并結(jié)合內(nèi)部的中間信息，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運算，根據(jù)運算結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信息。

（3）執(zhí)行表示層。為聯(lián)鎖運算層和室外設(shè)備層的中間層，在二者之間起信息交互、硬件電路的轉(zhuǎn)換等作用，同時在硬件上進(jìn)行隔離，以保證室內(nèi)設(shè)備的安全性[1]。

2 計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。整個系統(tǒng)由測試用例生成、測試用例執(zhí)行2 個客戶端組成。

圖2 計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）測試用例生成客戶端。負(fù)責(zé)接收測試用例執(zhí)行客戶端發(fā)來的開始測試前和測試過程中截取的計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面圖像，對開始測試前上位機(jī)界面圖像采用OpenCV 庫[7]提取站場數(shù)據(jù)，依據(jù)站場數(shù)據(jù)生成聯(lián)鎖表，通過聯(lián)鎖表和鐵路車站計算機(jī)聯(lián)鎖軟件功能測試大綱[8]（簡稱：測試大綱）生成測試用例，測試過程中計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面圖像進(jìn)行分析獲取測試結(jié)果并生成測試報告。

（2）測試用例執(zhí)行客戶端。①應(yīng)用AutoItX[9]自動測試組件開發(fā)不同類型的測試腳本；②接收測試用例生成客戶端下達(dá)的測試用例，對測試用例進(jìn)行解析獲得測試用例類型和相關(guān)輸入?yún)?shù)，調(diào)用對應(yīng)類型的測試腳本，通過執(zhí)行測試腳本中的操作指令模擬人工對計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)界面操作進(jìn)而完成計算機(jī)聯(lián)鎖的功能測試；③對測試過程中的計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面進(jìn)行截圖記錄，以便測試用例生成客戶端獲取測試結(jié)果并生成測試報告。

（3）測試用例生成客戶端與測試用例執(zhí)行客戶端之間采用Socket 接口實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議通信，完成二者之間數(shù)據(jù)傳輸。測試用例執(zhí)行客戶端通過截圖獲取計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)界面；執(zhí)行測試腳本模擬人工對上位機(jī)界面操作，進(jìn)而實現(xiàn)自動選排進(jìn)路、改變道岔位置、改變區(qū)段占用情況等功能測試。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

基于計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，測試用例生成客戶端和測試用例執(zhí)行客戶端分別要實現(xiàn)不同的功能，功能模塊如圖3 所示。

圖3 計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)功能模塊

2.2.1 測試用例生成客戶端

（1）站場數(shù)據(jù)獲取模塊

完成站場信號設(shè)備（信號機(jī)、道岔、軌道區(qū)段）和功能按鈕（總?cè)∠?、總?cè)私獍粹o等）數(shù)據(jù)的提取。站場數(shù)據(jù)獲取由站場圖獲取、站場數(shù)據(jù)提取和人工校正數(shù)據(jù)3 個步驟組成。①通過測試用例生成客戶端對計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面截圖獲取到站場圖；②應(yīng)用OpenCV 庫[7]對其進(jìn)行邏輯處理提取站場數(shù)據(jù)；③由人工介入，對提取到的站場數(shù)據(jù)進(jìn)行修改校正，以保證站場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）測試用例生成模塊

按照測試大綱[8]的要求生成進(jìn)路、進(jìn)路鎖閉與解鎖、信號機(jī)和道岔等測試用例。測試用例生成由站場拓?fù)鋱D生成、站場聯(lián)鎖表生成和測試用例生成組成。①應(yīng)用拓?fù)渖伤惴╗10]生成能表示站場信號設(shè)備位置關(guān)系和邏輯關(guān)系的站場拓?fù)鋱D；②采用進(jìn)路搜索算法遍歷拓?fù)鋱D，生成站場聯(lián)鎖表；③依據(jù)聯(lián)鎖表中的進(jìn)路信息和測試大綱要求的功能測試生成不同類型的測試用例。測試用例內(nèi)容包括前提條件、測試步驟及預(yù)期結(jié)果等。此外，在開始測試后，將生成的測試用例下達(dá)給測試用例執(zhí)行客戶端。

（3）測試結(jié)果分析模塊

對測試過程中計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面圖像進(jìn)行分析，判定測試結(jié)果是否符合預(yù)期結(jié)果，并生成測試報告，以便工作人員查看。該模塊由信號設(shè)備狀態(tài)變更數(shù)據(jù)獲取、預(yù)期結(jié)果比對、輸出測試報告組成。①接收測試用例客戶端記錄的測試結(jié)果（測試過程中計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面的圖片集合），采用OpenCV 庫[7]對其邏輯分析，提取預(yù)期結(jié)果中的信號設(shè)備和其他狀態(tài)發(fā)生變化的信號設(shè)備的狀態(tài)變更數(shù)據(jù)；②將提取到的信號設(shè)備狀態(tài)變更數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果比對，判斷測試用例是否通過；③將所有測試用例的判定結(jié)果匯總成報告并寫入文件進(jìn)行存儲。

2.2.2 測試用例執(zhí)行客戶端

（1）上位機(jī)界面獲取模塊

負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信的初始化，同時對測試腳本執(zhí)行前和執(zhí)行中的計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)界面通過截圖方式進(jìn)行記錄。測試腳本執(zhí)行前和執(zhí)行中的截取的上位機(jī)界面圖像分別用于測試執(zhí)行客戶端的站場數(shù)據(jù)提取和測試結(jié)果分析。

（2）測試腳本生成模塊

實現(xiàn)選排進(jìn)路、道岔操作和軌道區(qū)段操作等類型的測試腳本的生成。測試腳本生成模塊由測試腳本開發(fā)、腳本合并與聯(lián)調(diào)、異常處理與恢復(fù)3 個過程構(gòu)成。①對測試大綱中的測試用例類型進(jìn)行分析，獲取測試用例中的輸入數(shù)據(jù)和測試步驟，開發(fā)對應(yīng)類型的測試腳本；②對輸入數(shù)據(jù)一致的測試腳本進(jìn)行合并，同時對有先后順序的測試腳本進(jìn)行聯(lián)調(diào)以提高測試效率；③對測試過程中可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行分析并編寫異常處理和恢復(fù)方法。

（3）測試腳本執(zhí)行模塊

執(zhí)行測試腳本中操作指令，對計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)界面進(jìn)行人工操作實現(xiàn)自動測試，同時記錄測試結(jié)果以便測試用例生成模塊生成測試報告。測試腳本執(zhí)行模塊由測試用例解析、操作指令執(zhí)行和測試結(jié)果記錄3 個過程構(gòu)成。①對生成的具體的測試用例進(jìn)行解析獲得相關(guān)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用相對應(yīng)類型的測試腳本函數(shù)并傳入相關(guān)輸入?yún)?shù)，如位置坐標(biāo)、按鈕坐標(biāo)等參數(shù)；②執(zhí)行測試腳本中的操作指令以達(dá)到自動測試的目的；③在測試過程中調(diào)用上位機(jī)界面獲取模塊對上位機(jī)界面進(jìn)行截圖記錄并存儲為圖像進(jìn)而發(fā)送給測試用例生成客戶端，以便分析測試結(jié)果并生成測試報告。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于OpenCV 庫提取站場數(shù)據(jù)

計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)界面是依照車站計算機(jī)聯(lián)鎖操作顯示技術(shù)規(guī)范[11]（簡稱：顯示規(guī)范）而繪制的，不同的鐵路站場在計算機(jī)聯(lián)鎖上位機(jī)中的顯示遵循的是同一顯示規(guī)范，因此不同鐵路站場的信號設(shè)備在聯(lián)鎖上位機(jī)中的顯示具有相同的特征。OpenCV 是一個計算機(jī)視覺庫，實現(xiàn)了圖像處理和計算機(jī)視覺的很多通用算法，并且支持跨平臺，同時支持C#、C++、Python 等編程語言[7]。本文采用OpenCV 庫[7]對被測計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)界面進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而提取車站信號設(shè)備的數(shù)據(jù)。站場數(shù)據(jù)獲取流程，如圖4 所示。

圖4 站場數(shù)據(jù)獲取流程

對某計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)上位機(jī)界面進(jìn)行圖像處理和邏輯分析后提取得到的列車信號機(jī)數(shù)據(jù)如圖5所示。從圖5 可知，通過圖像處理和邏輯分析可以得到列車信號機(jī)名稱、坐標(biāo)、高矮柱和進(jìn)出站類型等信息。同理，對于道岔，可以提取到道岔坐標(biāo)、道岔編號、道岔類型等數(shù)據(jù)；對于無岔區(qū)段和股道，可以提取到其坐標(biāo)、名稱和類型等數(shù)據(jù)。

圖5 列車信號機(jī)數(shù)據(jù)提取結(jié)果

3.2 站場拓?fù)鋱D生成算法

測試用例的生成是在聯(lián)鎖表的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，而聯(lián)鎖表基于站場拓?fù)鋱D采用進(jìn)路搜索算法生成。因此要生成測試用例，站場拓?fù)鋱D至關(guān)重要。通過人工輸入站場拓?fù)鋱D數(shù)據(jù)費時費力，所以在已經(jīng)提取到站場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于站場設(shè)備坐標(biāo)的站場拓?fù)鋱D生成算法，該算法具體過程如。

（1）確定道岔與道岔之間的連接關(guān)系。對所有道岔進(jìn)行遍歷，搜索遍歷道岔岔尖、定位、反位x坐標(biāo)距離20 像素點內(nèi)，y坐標(biāo)距離10 像素點內(nèi)的道岔，若存在，則該道岔為遍歷道岔的相連道岔。將相連道岔設(shè)置為遍歷道岔對應(yīng)位置（岔尖、定位、反位）的連接設(shè)備，同時將遍歷道岔設(shè)置為相連道岔對應(yīng)位置的連接設(shè)備。

（2）確定區(qū)段與道岔的連接關(guān)系。所謂區(qū)段是指無岔區(qū)段和股道。遍歷所有區(qū)段，搜索與其左側(cè)和右側(cè)相連（道岔岔尖、定位、反位x、y坐標(biāo)距離左側(cè)或右側(cè)均不超過10 像素點則認(rèn)為相連）的道岔設(shè)備。若與區(qū)段相連道岔存在，則將道岔設(shè)置為區(qū)段的左側(cè)或右側(cè)設(shè)備，同時將區(qū)段設(shè)置為道岔對應(yīng)位置的連接設(shè)備。

（3）確定區(qū)段與區(qū)段的連接關(guān)系。對于站場中離去和接近區(qū)段需要處理區(qū)段與區(qū)段的連接關(guān)系。遍歷所有區(qū)段，搜索與其左側(cè)或右側(cè)x、y坐標(biāo)距離不超過10 像素點的區(qū)段，將搜索到的區(qū)段設(shè)置為該區(qū)段的左側(cè)或右側(cè)連接設(shè)備。

（4）確定信號機(jī)與道岔和區(qū)段的連接關(guān)系。遍歷所有道岔和區(qū)段，搜索道岔岔尖、定位、反位附近、區(qū)段左側(cè)和右側(cè)附近的信號機(jī)，若搜索到2 個信號機(jī)，則認(rèn)為信號機(jī)是并置信號機(jī)。將信號機(jī)插入到道岔及與道岔相連設(shè)備之間或者是區(qū)段和與區(qū)段相連設(shè)備之間。

3.3 基于AutoItX 生成測試腳本

測試用例的執(zhí)行可分為人工測試和自動測試。測試大綱[8]涉及到的測試用例種類較多，為提高測試效率，本系統(tǒng)采用自動測試。為實現(xiàn)自動測試，本系統(tǒng)基于AutoItX 庫采用c#高級程序語言編寫與測試用例對應(yīng)類型的測試腳本。AutoIt[9]是用來在Windows GUI（用戶界面）中進(jìn)行自動操作的軟件，通過它可以組合使用模擬鍵擊、鼠標(biāo)移動和窗口/控件操作等來實現(xiàn)自動化任務(wù)。而AutoItX 是AutoIt 的一個標(biāo)準(zhǔn)DLL 庫，可以加入一些AutoIt 獨有的特性到其他的腳本語言或程序設(shè)計語言中而實現(xiàn)自動化任務(wù)[9]。

測試用例類型分為進(jìn)路、進(jìn)路鎖閉與解鎖、信號機(jī)、道岔等。其中進(jìn)路鎖閉類型的測試用例的測試腳本內(nèi)容，如圖6 所示。

圖6 進(jìn)路鎖閉類型測試腳本內(nèi)容

4 系統(tǒng)工作流程與測試結(jié)果

4.1 系統(tǒng)工作流程

本文設(shè)計的計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)工作流程，如圖7 所示。

圖7 計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)工作流程

（1）啟動測試用例生成客戶端和測試用例執(zhí)行客戶端，并完成網(wǎng)絡(luò)通信初始化實現(xiàn)二者的網(wǎng)絡(luò)連接。

（2）接收測試用例執(zhí)行客戶端截取的上位機(jī)界面，并判斷測試用例是否已經(jīng)生成，若測試案例未生成，對上位機(jī)界面進(jìn)行圖像處理，提取站場數(shù)據(jù)并生成聯(lián)鎖表，再生成測試用例，下達(dá)給測試用例執(zhí)行客戶端進(jìn)行解析，調(diào)用對應(yīng)類型的測試腳本并自動執(zhí)行，截取上位機(jī)界面發(fā)送給測試用例生成客戶端對上位機(jī)界面圖像處理提取信號設(shè)備狀態(tài)信息，并與預(yù)期結(jié)果比對，記錄測試結(jié)果。

（3）判斷是否所有的測試用例均下發(fā)，若均下發(fā)則輸出測試報告，否則繼續(xù)下發(fā)測試用例給測試用例執(zhí)行客戶端進(jìn)行測試用例解析與測試腳本執(zhí)行。

4.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

本系統(tǒng)以某計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為被測對象，對其標(biāo)準(zhǔn)站下行咽喉列車進(jìn)路進(jìn)行進(jìn)路鎖閉功能測試。測試過程中測試用例生成客戶端界面，如圖8 所示。

圖8 測試過程中測試用例生成客戶端界面

本次測試對生成的測試用例中的32 條列車進(jìn)路測試了進(jìn)路的辦理與取消功能。人工和系統(tǒng)分別測試了3 次，通過測試用例30 條，不通過2 條。由于進(jìn)路鎖閉過程中道岔轉(zhuǎn)換過程花費時間較長，且這部分時間無法降低，導(dǎo)致自動測試平均一條進(jìn)路用時需要近8 s，測試耗時，如表1 所示。由此可見，系統(tǒng)能有效地提高測試效率，降低對測試人員技術(shù)的要求。

表1 測試耗時

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的計算機(jī)聯(lián)鎖自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)了站場數(shù)據(jù)的獲取、聯(lián)鎖表的生成、測試用例的生成和測試用例的執(zhí)行功能；能夠?qū)崿F(xiàn)自動測試設(shè)計、測試執(zhí)行和測試結(jié)果分析整個自動測試過程。

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)基于OpenCV 庫[7]獲取站場數(shù)據(jù)，可以解決第三方獲取站場數(shù)據(jù)困難的問題；能實現(xiàn)測試用例自動生成執(zhí)行一體化，減少了人工操作步驟，降低對測試人員的技術(shù)要求；能對按照顯示規(guī)范設(shè)計[11]的計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行測試，適用性強(qiáng)；能降低測試用例的執(zhí)行時間，比人工測試用時少25.4%，提高了測試效率。