禹志陽 趙 陽

CTCS-3級列控系統(tǒng)是高速列車安全、可靠、高效運行的核心技術之一。在列控系統(tǒng)的設計與開發(fā)過程中,鐵道部制定并頒布了 《CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術方案》、《CTCS-3級列控系統(tǒng)功能需求規(guī)范》和 《CTCS-3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范》,為確定列控系統(tǒng)的總體結構、功能需求和設計方案等提供了依據(jù)。

為驗證列控系統(tǒng)工程與設計方案和功能需求的符合性,在系統(tǒng)集成工作完成后,應對系統(tǒng)進行聯(lián)調聯(lián)試,以實車試驗的方式,檢驗設計方案的完善程度和系統(tǒng)的整體安全性能等,為調整和優(yōu)化設計方案提供依據(jù)。

CTCS-3級列控系統(tǒng)結構和實際的運營場景復雜,各個子系統(tǒng)的交互信息繁多,如對列控系統(tǒng)進行完備的功能性測試與安全性測試,就需要從系統(tǒng)結構、靜態(tài)性質和動態(tài)行為 3個層面進行?！禖TCS-3級列控系統(tǒng)測試案例》和 《CTCS-3級列控系統(tǒng)綜合試驗試驗大綱》是我國 CTCS-3級列控系統(tǒng)綜合試驗和聯(lián)調聯(lián)試的重要依據(jù)。

1 黑盒測試理論

黑盒測試是基于需求和功能,通過觀察輸入及其相應的輸出,對功能正確與否進行判斷的技術。黑盒測試從最終用戶的角度出發(fā),可以發(fā)現(xiàn)不正確功能、接口問題和數(shù)據(jù)庫錯誤等缺陷。

按照黑盒測試理論,無論是系統(tǒng)級或單元級的測試,都應在可用資源下盡可能生成詳盡的測試案例,以便發(fā)現(xiàn)盡可能多的錯誤?？捎觅Y源包括功能需求文檔、需求規(guī)格說明、測試人員在領域內的知識和經(jīng)驗、缺陷分析數(shù)據(jù)等。測試案例應能覆蓋規(guī)格說明文檔中的每一個入口、功能需求規(guī)范中的每一個功能需求,以及每個入口或需求的不同邊界條件。

黑盒測試的根本在于選擇合適的數(shù)據(jù)集,它是評價測試案例執(zhí)行結果是否正確或滿足需求的關鍵。為了檢測軟件的正常與否,必須要有一個功能規(guī)格說明。數(shù)據(jù)集的選擇應包括:①采用隨機方式產(chǎn)生的輸入,測試人員必須消除任何臆測;②對規(guī)定輸入范圍之外的輸入數(shù)據(jù)進行測試,并檢查程序的健壯性;③對邊界情況進行測試,以保證允許的最大和最小輸入能產(chǎn)生正確的輸出;④使用測試監(jiān)控工具跟蹤測試執(zhí)行,以避免重復并有助于系統(tǒng)維護。

執(zhí)行黑盒測試前應制定完整的測試計劃,包括確定測試內容、測試環(huán)境、測試案例、測試方案和測試缺陷的管理等。測試方案一般按以下順序執(zhí)行:①針對需求執(zhí)行凈測試;②根據(jù)需要,針對分支覆蓋增加結構化測試;③根據(jù)需要增加數(shù)據(jù)流覆蓋測試;④執(zhí)行未覆蓋到的域測試;⑤根據(jù)需要進一步進行特殊的測試。

2 黑盒測試技術在列控系統(tǒng)調試中的應用

CTCS-3級列控系統(tǒng)綜合試驗和聯(lián)調聯(lián)試的核心內容之一,就是對該系統(tǒng)所具備的功能進行測試,驗證其是否滿足規(guī)定需求或識別實際結果與預期之間差異的過程,是典型的系統(tǒng)級黑盒類型測試。由于列控系統(tǒng)的功能需求和接口關系非常復雜,軟件測試的范圍包括組成系統(tǒng)的所有軟件,如車載 ATP軟件、無線閉塞中心 RBC軟件、列控中心 TCC軟件等,測試的內容包括構成軟件的所有程序、數(shù)據(jù)和文檔,因此,對 CTCS-3級列控系統(tǒng)的系統(tǒng)測試,應在實際使用環(huán)境條件下,包括硬件設置、列控工程數(shù)據(jù)、運營條件等,并根據(jù) CTCS-3級列控系統(tǒng)功能需求規(guī)范、系統(tǒng)需求規(guī)范等,建立和完善列控系統(tǒng)測試案例,通過測試案例的方式對系統(tǒng)的輸入、輸出關系進行驗證。

2.1 黑盒測試模型

按照 CTCS-3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)評估的要求,CTCS-3級列控系統(tǒng)測試應覆蓋整個設計開發(fā)生命周期,包括產(chǎn)品檢驗測試、部分測試、集成測試與系統(tǒng)試驗 4個階段,系統(tǒng)的測試計劃如圖 1所示。

圖1 CTCS-3級列控系統(tǒng)測試計劃

CTCS-3級列控系統(tǒng)測試從設計階段開始,逆向 (即:由下到上)進行。

1.部分測試:重點針對各個子系統(tǒng)的設計方案進行驗證和確認,包括無線閉塞中心子系統(tǒng)、列控中心子系統(tǒng)、臨時限速服務器子系統(tǒng)等。

2.集成測試:重點驗證 CTCS-3級列控系統(tǒng)的設計方案、內部接口和整體性能等,驗證集成后的系統(tǒng)能否滿足列控系統(tǒng)的系統(tǒng)需求與功能需求。

3.系統(tǒng)試驗:在實際運營環(huán)境條件下,重點針對整個系統(tǒng)的用戶需求、外部接口和綜合性能等進行驗證與確認,確保列控系統(tǒng)各項功能和安全性能滿足特定的用戶需求。

部分測試和集成測試可通過實驗室仿真測試環(huán)境或鐵科院環(huán)行鐵道試驗環(huán)境進行,系統(tǒng)試驗可與信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試相結合,在實際線路或試驗段進行。

根據(jù) CTCS-3級列控系統(tǒng)測試計劃,在集成測試或聯(lián)調聯(lián)試階段,將列控車載系統(tǒng)看作一個黑盒,其輸入、輸出關系如圖 2所示。

圖 2 列控系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試測試模型

2.2 測試案例的設計

《CTCS-3級列控系統(tǒng)測試案例》以列控系統(tǒng)總體技術方案和系統(tǒng)功能需求為基礎,確定了 470個測試案例,包括正常功能性測試案例和安全性能測試案例,并首次應用了測試案例、功能特征、測試序列和運營場景等多個概念。

《CTCS-3級列控系統(tǒng)測試案例》所確定的測試案例是對系統(tǒng)功能特征的測試與驗證,通過對多個測試案例的測試,可以驗證一個完整的功能特征,而功能特征則集中反映了 CTCS-3級列控系統(tǒng)需求規(guī)范 (SRS)中的特定需求,是從系統(tǒng)需求規(guī)范提煉出的必要功能實體。SRS中的每一個需求,至少能在一個功能特征中得到反映,每一個功能特征都來自 SRS的需求,功能特征是一組需求的集合。測試案例、功能特征與系統(tǒng)需求規(guī)范的關系如圖 3所示。

圖 3 測試案例、功能特征與系統(tǒng)需求規(guī)范之間的關系

下面以臨時限速功能為例,具體說明 SRS與測試案例之間的對應關系與測試要求。

根據(jù) CTCS-3級列控系統(tǒng)功能需求規(guī)范,列控系統(tǒng)應具備臨時限速功能,為施工區(qū)段等情況下設置一個單獨的線路速度限制類別,并滿足臨時限速命令存儲、校驗、撤消、拆分、設置、故障報警和輔助提示等需求,根據(jù)臨時限速的功能需求,確定的測試案例如表 1所示。

2.3 測試數(shù)據(jù)與邊界條件

CTCS-3級列控系統(tǒng)的最終結果體現(xiàn)在車載設備上,在車載軟件成熟的前提下,地面系統(tǒng)能否按照規(guī)范的要求提供正確和完整的列控數(shù)據(jù)是系統(tǒng)正常運轉的關鍵。

1.列控工程數(shù)據(jù)的驗證。CTCS-3級列控系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)包括線路數(shù)據(jù) (線路長度、坡度、里程、橋梁、隧道等)、特殊區(qū)段數(shù)據(jù)(分相區(qū)、RBC切換點、等級轉換點等)、應答器編號及鏈接數(shù)據(jù)、軌道區(qū)段及絕緣節(jié)數(shù)據(jù)、RBC呼叫號碼信息、引導/調車區(qū)段的設置信息等。系統(tǒng)試驗過程中,通過正常的運營場景試驗,包括注冊與啟動、注銷、級間轉換、RBC-RBC切換、行車許可、重聯(lián)與摘解、調車作業(yè)、進出動車段、自動過分相、臨時限速、災害防護、特殊進路、人工解鎖進路、降級運行等 14個運營場景,可以對全線列控工程數(shù)據(jù)進行驗證。

2.行車許可數(shù)據(jù)的驗證。CTCS-3級列控系統(tǒng)由車站聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)進路辦理和前方區(qū)段占用/空閑狀態(tài)生成信號授權 (SA),并提供給 RBC;RBC結合 SA狀態(tài)、臨時限速信息、列控工程數(shù)據(jù)等生成行車許可。對行車許可數(shù)據(jù)的測試主要包括:①MA數(shù)據(jù)的生成與傳送;②MA數(shù)據(jù)與 SA數(shù)據(jù)、列控工程數(shù)據(jù)、臨時限速數(shù)據(jù)的一致性;③緊急停車消息;④MA數(shù)據(jù)的調整 (延長、縮短、更新);⑤低頻碼序與碼序突變;⑥應答器報文信息。

表 1 臨時限速SRS與測試案例對應關系表

3.數(shù)據(jù)一致性。CTCS-3級列控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)一致性的測試,主要包括應答器信息的一致性和無線消息的一致性 2個方面。檢查應答器組消息的完整性、應答器傳輸變量的合理性;檢查 RBC消息的完整性,監(jiān)督無線消息的順序;檢查無線消息中變量的合理性等。測試要求主要體現(xiàn)在 4個方面:①消息的正確性,整條消息中應完整遵守列控系統(tǒng)的車-地傳輸信息格式的要求,變量不應當有無效值;②消息應在預期時間內收到;③消息應在期望的正確位置收到;④通過 GSM-R網(wǎng)絡發(fā)送的 CTCS-3級行車許可及列控工程數(shù)據(jù)等,應與通過軌道電路和應答器發(fā)送的 CTCS-2級行車許可和工程數(shù)據(jù)保持一致。

在系統(tǒng)試驗過程中,可通過模擬應答器數(shù)據(jù)一致性錯誤(鏈接錯誤、組內位置錯誤、順序錯誤、變量中包含無效值、報文不能解析等),無線消息一致性錯誤(消息不能譯碼、變量中含有無效值、時間戳順序錯誤、RBC sim模擬非法消息等),無線超時導致等級轉換等,對數(shù)據(jù)的一致性進行測試。

4.接口關系及邊界條件的測試。邊界值分析法是黑盒測試關鍵技術之一,其方法是盡可能針對系統(tǒng)設計或應用的邊緣區(qū)設計專門的測試案例。對CTCS-3級列控系統(tǒng)邊界條件的測試,主要驗證3個方面的內容:①驗證相鄰邊界點數(shù)據(jù)配置的一致性;②驗證相鄰設備之間的接口關系;③驗證相關運用條件的邊界。

CTCS-3級列控系統(tǒng)地面系統(tǒng)的邊界條件主要包括:①相鄰 RBC、車站聯(lián)鎖、列控中心、臨時限速服務器管轄范圍邊界;②CTC系統(tǒng)調度臺管理范圍邊界;③CTC與TDCS或其他 CTC中心管理范圍邊界;④GSM-R網(wǎng)絡核心機房管理范圍邊界;⑤CTCS-3級線路與其他等級線路邊界;⑥運用條件的邊界,如參數(shù)值設置、運用范圍等。

對于邊界條件的測試,可通過行車許可、行車許可調整、臨時限速、臨時限速更新、模擬故障等進行驗證。

2.4 測試環(huán)境

完整的測試環(huán)境應包括系統(tǒng)構成、軟件版本、測試數(shù)據(jù)和測試工具等,測試環(huán)境應相對穩(wěn)定。CTCS-3級列控系統(tǒng)試驗測試環(huán)境應與系統(tǒng)的總體技術方案、設備工作特性和運營需求一致,并具備模擬測試條件和監(jiān)測分析手段。具體要求如下。

1.測試環(huán)境與總體技術方案的一致性,包括測試系統(tǒng)總體結構、系統(tǒng)設備配置、接口方案、安全信息網(wǎng)絡結構、應答器布置原則、系統(tǒng)集成功能要求等。

2.測試環(huán)境與設備工作特性的一致性,包括設備工作環(huán)境、電氣特性、電磁兼容環(huán)境等。

3.測試環(huán)境與運營需求的一致性,包括地面數(shù)據(jù)配置、運營速度、司機操作與 DMI顯示、系統(tǒng)配置參數(shù)等。

4.測試環(huán)境對模擬測試條件的要求。測試環(huán)境應具備一定的模擬測試條件,以驗證系統(tǒng)在特定條件下的功能和故障-安全性能,包括應答器報文修改、RBC內部參數(shù)或變量值修改、系統(tǒng)配置參數(shù)或列車數(shù)據(jù)的修改等。

5.測試環(huán)境對監(jiān)測分析手段的要求。測試環(huán)境應具備一定的監(jiān)測記錄與分析手段,以滿足對系統(tǒng)功能或性能的綜合評價,包括 JRU記錄分析設備、RBC維護終端和司法記錄器、GSM-R無線網(wǎng)絡 PRI、A、Abis接口監(jiān)測記錄設備等。

按照以上原則,武廣高速鐵路 CTCS-3級列控系統(tǒng)在研發(fā)過程中,分別建設了 C3實驗室測試環(huán)境、鐵科院環(huán)行鐵道測試環(huán)境和武廣線綜合試驗段,滿足了集成測試和系統(tǒng)測試的需要。

鐵科院環(huán)行鐵道 CTCS-3級列控試驗系統(tǒng)測試環(huán)境如圖 4所示,主要由 3部分組成:①環(huán)行鐵道現(xiàn)場設備,包括列控中心 (TCC)、車站聯(lián)鎖(IL)、調度集中 CTC(C2)、LEU、ZPW-2000A、應答器、GSM-R網(wǎng)絡及列控車載設備等;②通號公司 C3實驗室設備,包括 RBC、STU-CC、CTC(E2)等;③北京交大 GSM-R實驗室設備及環(huán)行鐵道、通號院、交大之間的傳輸通道,包括 GSMR網(wǎng)絡接口監(jiān)測設備等。試驗區(qū)段為鐵科院環(huán)行鐵道試驗基地 (小環(huán)),由一個真實的主控車站模擬2個主控車站,試驗數(shù)據(jù)全部采用環(huán)行鐵道實際工程數(shù)據(jù)。

CTCS-3級列控系統(tǒng)采用編制測試序列的方法進行集成測試和系統(tǒng)測試,測試序列根據(jù)不同的運營場景需求,將各種應用條件下的測試案例串接起來,可以實現(xiàn)對測試案例的完整覆蓋,實現(xiàn)測試的標準化。

2.5 數(shù)據(jù)分析與缺陷 (bug)管理

對試驗過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測、記錄與分析,是驗證系統(tǒng)功能特征、子系統(tǒng)間信息交換過程與內容、系統(tǒng)間接口關系是否正確的重要手段。武廣高速鐵路 CTCS-3級列控系統(tǒng)試驗采用的監(jiān)測與記錄手段,包括車載監(jiān)測記錄終端和地面的監(jiān)測記錄終端。

圖 4 鐵科院環(huán)行鐵道CTCS-3級列控系統(tǒng)試驗環(huán)境

車載監(jiān)測記錄功能包括:總線監(jiān)測記錄設備、DCUTerm、車載司法記錄器、ATP Igsm接口監(jiān)測終端、DMI攝像記錄等。地面監(jiān)測記錄功能包括:RBC維護終端記錄、MT接口監(jiān)測記錄、RBC-聯(lián)鎖接口監(jiān)測記錄、RBC PRI接口監(jiān)測記錄等。結合車地監(jiān)測記錄信息,可滿足聯(lián)調聯(lián)試中對數(shù)據(jù)分析和缺陷判別的需求。

數(shù)據(jù)分析是黑盒測試過程中判斷輸入與輸出關系不一致的必要手段,是判斷和發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷的關鍵環(huán)節(jié)。通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)下類錯誤:①不正確或遺漏的功能;②接口錯誤;③數(shù)據(jù)結構或外部數(shù)據(jù)庫訪問錯誤;④性能錯誤;⑤初始化或終止錯誤等。

表 2 聯(lián)調聯(lián)試中發(fā)現(xiàn)缺陷的分類管理

在 CTCS-3級列控系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試過程中,數(shù)據(jù)分析包括以 DMI顯示為主的輸出數(shù)據(jù)的分析和以JRU數(shù)據(jù)、RBC監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)、GSM-R核心機房監(jiān)測數(shù)據(jù)為主的輸入數(shù)據(jù)分析,根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果,確定缺陷的類型,實現(xiàn)對缺陷的分類管理,具體分類如表 2所示。

3 結束語

CTCS-3級列控系統(tǒng)是代表了世界先進水平的高速鐵路列車控制系統(tǒng),是保證高速列車運行安全的重要手段,系統(tǒng)本身必須具備高可靠性和高安全性。對系統(tǒng)進行科學、完善的測試與系統(tǒng)試驗是系統(tǒng)研發(fā)、工程實施過程中的必要環(huán)節(jié)。以黑盒測試理論為基礎,基于測試案例的測試方法,在武廣高速鐵路 CTCS-3級列控系統(tǒng)的系統(tǒng)試驗和聯(lián)調聯(lián)試中首次得到了應用,已逐步形成了一套完備的測試規(guī)范,積累了經(jīng)驗,促進了我國 CTCS-3級列控技術的發(fā)展與完善,為武廣、鄭西等高速鐵路 CTCS-3級列控系統(tǒng)的調試與開通、系統(tǒng)評估提供了重要的支持。

[1] 張曙光.CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術方案[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[2] 鐵道部.CTCS-3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范(SRS),科技運[2008]127號,2008,9.

[3] 鐵道部.CTCS-3級列控系統(tǒng)綜合試驗試驗大綱,鐵技委函[2009]773號,2009,7.

(責任編輯:溫志紅)