基于知識(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例復(fù)用方法研究

龍鮮菊 王駿 王偉 梁瑋

摘要：硬件在環(huán)測試是整車開發(fā)過程中不可缺少的一環(huán)，是在交付用戶前對整車質(zhì)量的檢查和保證。由于硬件在環(huán)測試用例的數(shù)量上千條，設(shè)計(jì)測試用例非常耗時(shí)。為了減少測試用例設(shè)計(jì)時(shí)間，提高硬件在環(huán)測試效率，本文提出一種基于知識(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例復(fù)用方法，通過使用已有項(xiàng)目的測試用例建立一個(gè)測試用例庫，根據(jù)測試用例庫構(gòu)建知識(shí)圖譜檢索模型，對新建測試用例進(jìn)行關(guān)鍵字匹配，篩選出所需要的測試用例，進(jìn)行測試用例重用。再通過模型匹配和檢索，根據(jù)整車控制器的功能規(guī)范，對復(fù)用的測試用例進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐表明，該方法能夠提高硬件在環(huán)測試用例的開發(fā)效率和測試用例復(fù)用率，平均用例復(fù)用率達(dá)到了74%，測試用例設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間累計(jì)節(jié)約73%。

關(guān)鍵詞：知識(shí)圖譜；檢索模型；硬件在環(huán)；測試用例復(fù)用

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop，簡稱HIL）是通過建立MATLAB 或Simulink 仿真模型來模擬測試對象，并對測試對象進(jìn)行系統(tǒng)層級的半實(shí)物半仿真的測試。在整車開發(fā)周期中，對控制器直接進(jìn)行實(shí)車測試存在很大的安全隱患，且成本高。因此很多主機(jī)廠在實(shí)車測試之前會(huì)要求進(jìn)行硬件在環(huán)測試，進(jìn)一步對整車控制器的功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證。HIL 測試已經(jīng)成為ECU 開發(fā)流程中非常重要的一環(huán)[1-2]。

HIL 測試過程中，由于測試對象是控制器，功能種類繁多，測試用例開發(fā)工作任務(wù)繁重，相同功能的控制器在不同車型上又表現(xiàn)出不同的功能，這就需要大量功能相同的測試用例。為了減少測試用例開發(fā)的工作量，重復(fù)利用測試用例可以提高測試效率[3-4]。但是，測試工程師如何對測試用例進(jìn)行重復(fù)利用又是一個(gè)重要的問題。

錢忠勝等對程序測試代碼進(jìn)行分析，提出相似測試用例程序可用關(guān)鍵字流圖的程序[5]。李昊等以現(xiàn)有雷達(dá)軟件測試本體關(guān)系模型，基于識(shí)圖譜構(gòu)建了雷達(dá)軟件測試用例方法[6]，該方法復(fù)用性強(qiáng)，但有局限性，無法應(yīng)用于其他類型測試的測試用例。萬進(jìn)勇基于Bert 語言模型，針對文本相似度實(shí)現(xiàn)用例復(fù)用[7]，對于較大的需求文檔提取關(guān)鍵字消耗時(shí)間較長，在提高測試效率方面不高。余祥等建立相似度量模型解決測試用例庫中有效用例缺乏的問題，改進(jìn)的K 最鄰近算為基礎(chǔ)，并設(shè)計(jì)了檢索測試用例算法[8]。

目前，對用例復(fù)用的研究還較少，大多是通過研究測試用例的設(shè)計(jì)方法來更快速地開發(fā)測試用例。且大部分測試用例的復(fù)用都是針對軟件測試設(shè)計(jì)，關(guān)于硬件在環(huán)測試用例的復(fù)用研究成果目前還很缺乏。因此，為了解決以上敘述的問題，本文提出了一種基于知識(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例復(fù)用方法。利用知識(shí)圖譜算法，通過建立測試用例庫和關(guān)鍵字搜索模型，匹配所需要的測試用例，進(jìn)行硬件在環(huán)的測試用例重用。

1 測試用例復(fù)用與知識(shí)圖譜

1.1 測試用例

測試用例是測試過程中的最小單元實(shí)體，是為實(shí)現(xiàn)特定目的而設(shè)計(jì)的一組包含測試輸入輸出、執(zhí)行條件和預(yù)期結(jié)果等的數(shù)據(jù)。硬件在環(huán)測試是一種黑盒測試技術(shù)，要進(jìn)行測試用例復(fù)用研究，首先應(yīng)了解硬件在環(huán)測試用例的設(shè)計(jì)方法。目前黑盒測試的測試用例設(shè)計(jì)方法有以下幾類，包括等價(jià)類劃分法、邊界值分析、枚舉法及場景分析法等。

（1）等價(jià)類劃分法是指將輸入數(shù)據(jù)作為一個(gè)集合，在該集合中，每個(gè)輸入數(shù)據(jù)對檢測出錯(cuò)誤的幾率都是等效，每個(gè)等價(jià)類的代表值都等于其他等價(jià)類代表值的測試結(jié)果。因此，可以將這些輸入數(shù)據(jù)劃分為若干組等價(jià)類，從每組等價(jià)類中取出其中一個(gè)值作為輸入，就可以利用少量具有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試并得到較好的測試結(jié)果，提高測試效率。

等價(jià)類可以分為有效等價(jià)類和無效等價(jià)類。有效等價(jià)類是有輸出值的輸入數(shù)據(jù)；而無效等價(jià)類是有輸出值的輸入數(shù)據(jù)之外的數(shù)據(jù)。假如對于學(xué)生成績，輸入是一個(gè)學(xué)生的成績，范圍是0 ～ 100，其有效等價(jià)類和無效等價(jià)類劃分如圖1 所示，可以確定1 個(gè)有效等價(jià)類和2 個(gè)無效等價(jià)類。

（2）邊界值分析方法相對于等價(jià)類劃分法而言，是取稍高于最高邊界值和稍低于最低邊界值的一些特殊情形，主要發(fā)生在輸入值或輸出值的邊界上，而不是發(fā)生在輸入或輸出的范圍內(nèi)部。因此，使用邊界值分析方法設(shè)計(jì)測試用例時(shí)，首先要確定邊界值。通過輸入輸出等價(jià)類的邊界就是測試的邊界，應(yīng)當(dāng)選取等于、介于大于或小于邊界的值作為測試輸入。

（3）枚舉法是窮舉各輸入變量的全部可能取值并進(jìn)行排列組合，適用于輸入變量少且均為可枚舉的功能。該方法優(yōu)點(diǎn)是覆蓋度高，簡單易行，缺點(diǎn)是用例數(shù)量大，易產(chǎn)生冗余或無意義用例。

（4）場景分析法是指根據(jù)用戶場景來模擬用戶的操作步驟，模擬不同用戶在不同的環(huán)境下可能乃至不可能進(jìn)行的操作。測試工程師站在用戶的角度設(shè)計(jì)測試用例，可以生動(dòng)描繪事件觸發(fā)時(shí)的情景，使測試更全面、更完整地執(zhí)行。場景分析方法通常是在系統(tǒng)測試、驗(yàn)收測試階段使用。

1.2 測試用例復(fù)用研究

通過對測試用例進(jìn)行修改適配，或直接調(diào)用用于被測對象的測試過程稱為測試用例復(fù)用。硬件在環(huán)測試用例復(fù)用主要包含有軟件、硬件及測試環(huán)境的復(fù)用，測試用例設(shè)計(jì)方法復(fù)用、執(zhí)行策略和測試流程均為測試用例復(fù)用的重要組成部分。一個(gè)良好的測試用例模型可通過重復(fù)使用以及不斷優(yōu)化，使得測試效率、結(jié)果準(zhǔn)確性不斷提高。硬件在環(huán)測試屬于一種黑盒測試，只關(guān)注測試對象外部功能的實(shí)現(xiàn)，不看內(nèi)部邏輯。因此，本文選取的測試對象是硬件在環(huán)測試，該測試對測試用例有如下要求。

（1）通用性。指在測試過程中不過分依賴測試環(huán)境，對測試用例不經(jīng)修改或稍加修改，就可以在同類控制器中廣泛使用。

（2）有效性。指設(shè)計(jì)的測試用例輸入數(shù)據(jù)有效，能夠順利執(zhí)行并有對應(yīng)的輸出值，同時(shí)還有發(fā)現(xiàn)被測對象缺陷的可能。

（3）獨(dú)立性。指各測試用例之間不存在依賴關(guān)系，各自獨(dú)立。即能夠單獨(dú)在測試環(huán)境中執(zhí)行測試，與運(yùn)行的環(huán)境和其他測試用例的執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)無關(guān)。

（4）易用性。要求設(shè)計(jì)的測試用例易于理解，可靈活檢索和獲取，方便測試人員使用。

2 硬件在環(huán)測試用例復(fù)用模型構(gòu)建

2.1 知識(shí)圖譜概述

知識(shí)圖譜在本質(zhì)上是一種語義網(wǎng)絡(luò)，主要是將一些學(xué)科技術(shù)理論（如可視化技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)學(xué)技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)等）與實(shí)踐方法結(jié)合，通過不同的圖形顯示發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及運(yùn)用可視化技術(shù)將知識(shí)資源及其載體，通過挖掘、分析、構(gòu)建、回執(zhí)和顯示各種知識(shí)及它們之間的相互聯(lián)系。知識(shí)圖譜可以應(yīng)用于智能搜索、文本分析、機(jī)器閱讀理解、異常監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)控制等，它可以幫助企業(yè)構(gòu)建行業(yè)圖譜，擺脫原始的人工輸入，實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。

現(xiàn)今在很多專業(yè)領(lǐng)域中能看到知識(shí)圖譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在軟件工程領(lǐng)域中，主要應(yīng)用于構(gòu)建知識(shí)管理庫、設(shè)計(jì)和開發(fā)工程項(xiàng)目庫以及構(gòu)建軟件檢索庫等。為了彌補(bǔ)測試管理工具的不足，使測試用例庫得到有效管理，需要進(jìn)一步優(yōu)化測試用例的復(fù)用檢索，提高測試用例的利用率。本文在硬件在環(huán)測試用例復(fù)用設(shè)計(jì)過程中，引入知識(shí)圖譜技術(shù)來進(jìn)行研究。

2.2 構(gòu)建知識(shí)圖譜模型

本文構(gòu)建的基于知識(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例復(fù)用模型屬于軟件測試知識(shí)領(lǐng)域。其以測試用例復(fù)用為核心，采用屬性圖構(gòu)建本體關(guān)系模型（圖2）。不同的控制器可以建立相關(guān)的本體關(guān)系模型，被測對象運(yùn)行于硬件在環(huán)，將被測控制器的功能需求分解為若干關(guān)鍵測試項(xiàng)，使用等價(jià)類劃分法、邊界值分析法和因果分析法等設(shè)計(jì)測試用例。

本體關(guān)系模型是將測試對象的歷史缺陷與其對應(yīng)的測試用例執(zhí)行建立一種屬性關(guān)聯(lián)，通過測試得到被測對象缺陷的激發(fā)條件，記錄缺陷發(fā)生時(shí)輸出故障的表現(xiàn)形式，然后得到相對獨(dú)立的被測對象的FMEA 數(shù)據(jù)?；谥R(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例是將測試用例中的有關(guān)知識(shí)和數(shù)據(jù)庫中的測試用例，通過圖形可視化的復(fù)雜語義形式進(jìn)行存儲(chǔ)和沖洗，以方便測試工程師從“關(guān)系”可視化的角度去訪問知識(shí)圖譜。

知識(shí)圖譜在簡單和復(fù)雜的項(xiàng)目中運(yùn)用有所不同，本文基于硬件在環(huán)構(gòu)建的知識(shí)圖譜基本框架包含5 個(gè)層級（圖3）。第一層級為原始數(shù)據(jù)，即硬件在環(huán)測試用例庫；第二層級為知識(shí)抽取，包括功能需求、測試用例等關(guān)鍵字抽取、測試實(shí)體屬性抽取和實(shí)測實(shí)體間關(guān)系抽??；第三層級則進(jìn)行知識(shí)融合，通過構(gòu)建測試本體與計(jì)算測試實(shí)體對齊；第四層級是進(jìn)行知識(shí)加工，通過構(gòu)建Neo4j 圖形數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)系推理、質(zhì)量評估和知識(shí)更新；第五層級為知識(shí)應(yīng)用，可將本框架應(yīng)用于圖譜瀏覽、質(zhì)量分析、風(fēng)險(xiǎn)分析和智能檢索。在此基礎(chǔ)上，通過不斷補(bǔ)充已有測試知識(shí)的質(zhì)量和應(yīng)用效果，以圖形化人機(jī)交互界面的形式在知識(shí)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)知識(shí)檢索與質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2.3 硬件在環(huán)測試用例復(fù)用設(shè)計(jì)

測試人員為滿足硬件在環(huán)測試用例的復(fù)用，通過檢索測試用例相似功能需求時(shí)間的覆蓋與追溯的關(guān)系[9]。當(dāng)測試用例庫中大量的程序可供選擇時(shí)，需要在其中進(jìn)行篩選，擇優(yōu)處理。本文應(yīng)用知識(shí)圖譜技術(shù)進(jìn)行關(guān)系網(wǎng)絡(luò)解析，采用知識(shí)融合中計(jì)算測試實(shí)體對齊自動(dòng)化處理這一過程，構(gòu)建以功能需求和測試用例為核心，包括被測控制器功能需求和控制器實(shí)體關(guān)聯(lián)的知識(shí)圖譜。知識(shí)圖譜在關(guān)系網(wǎng)絡(luò)分析上，獲取實(shí)體最優(yōu)的檢索匹配結(jié)果。基于知識(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例復(fù)用檢索模型如圖4 所示。

硬件在環(huán)測試用例復(fù)用檢索模型的優(yōu)勢，是可以快速搭建適合于特定場景的測試用例和測試質(zhì)量管理平臺(tái)。除此之外，還可開展相關(guān)用例的智能檢索、質(zhì)量評估、缺陷預(yù)測和效融合測試關(guān)聯(lián)信息等諸多擴(kuò)展研究。該檢索模型在硬件在環(huán)測試過程中，可為測試質(zhì)量管理決策分析提供依據(jù)，并為測試過程的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 測試驗(yàn)證與分析

本文選取了3 個(gè)控制器的歷史測試用例作為數(shù)據(jù)輸入，在Visual Studio 2019 中運(yùn)行項(xiàng)目，跳轉(zhuǎn)到圖5 所示模型檢索應(yīng)用界面。點(diǎn)擊“導(dǎo)入需求文檔”按鈕，顯示文檔名稱在文本框中；點(diǎn)擊“知識(shí)檢索”按鈕，軟件根據(jù)算法檢索出功能需求文檔的關(guān)鍵字并顯示出來；點(diǎn)擊“知識(shí)匹配”按鈕，經(jīng)過運(yùn)行算法顯示測試用例復(fù)用結(jié)果；最后點(diǎn)擊按鈕“下載測試用例”，可以將匹配的測試用例以Excel 形式導(dǎo)出到本地。

各測試項(xiàng)目的主要實(shí)體數(shù)量和測試驗(yàn)證結(jié)果如表1 所示。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，測試用例開發(fā)速度為300 條/ 天。通過本文的測試用例復(fù)用方法，平均時(shí)間節(jié)約率和平均復(fù)用率分別為：

時(shí)間節(jié)約率= 節(jié)約時(shí)間/ 用例開發(fā)時(shí)間

=（4+8+3）/（3+6+2）=73%

平均復(fù)用率= 匹配測試用例數(shù)/ 測試用例=74.48%

4 結(jié)束語

本文基于知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)了一種硬件在環(huán)測試用例復(fù)用的方法，用大量已有的歷史相關(guān)測試數(shù)據(jù)建立基于知識(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例模型，并將其用到控制器的功能測試，得到以下結(jié)論。

（1）知識(shí)實(shí)體匹配技術(shù)可提高硬件在環(huán)測試用例檢索的效率，同時(shí)減少測試用例開發(fā)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，更好地發(fā)揮出敏捷測試的優(yōu)勢。

（2）通過設(shè)計(jì)3 個(gè)測試項(xiàng)目驗(yàn)證基于知識(shí)圖譜的硬件在環(huán)測試用例復(fù)用方法，進(jìn)行了測試用例復(fù)用情況統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，該模型的平均復(fù)用率達(dá)到了74%，累計(jì)節(jié)約73% 的測試用例設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

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作者簡介：

龍鮮菊，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚳刂破鳒y試。