竇 磊，張亞東，李 耀，饒 暢

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

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)是我國(guó)高鐵和客運(yùn)專線的“中樞神經(jīng)”，代表著我國(guó)列控系統(tǒng)的最高水平，其功能邏輯失效可能危及行車安全造成嚴(yán)重的事故。由于我國(guó)鐵路線路運(yùn)營(yíng)情況復(fù)雜，存在無線區(qū)域覆蓋不全和無線中斷等情況，CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)在沒有無線覆蓋的區(qū)域或者在無線通信中斷的情況下將轉(zhuǎn)換到CTCS-2級(jí)控車，進(jìn)入無線覆蓋的區(qū)域或者無線通信恢復(fù)的情況下轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)控車。列控系統(tǒng)功能多、邏輯復(fù)雜，在保證列車安全高效運(yùn)行的過程中起到了重要的作用，復(fù)雜場(chǎng)景下列控系統(tǒng)的功能的一致性尤為重要[1-2]，因此有必要研究復(fù)雜場(chǎng)景下列控系統(tǒng)的功能測(cè)試問題。當(dāng)前對(duì)列控系統(tǒng)簡(jiǎn)單場(chǎng)景功能測(cè)試的測(cè)試用例設(shè)計(jì)已經(jīng)有比較成熟的做法[3]。但對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景的功能測(cè)試則存在用例的覆蓋性方面的不足[4]，當(dāng)前列控系統(tǒng)既有的測(cè)試方法主要有基于功能特征生成測(cè)試案例[5]，基于模型生成測(cè)試案例[6]等方法?；诠δ芴卣魃蓽y(cè)試案例對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高，且測(cè)試案例的完備性和流程的完善性需要驗(yàn)證[7]；而基于模型的方法則存在需要將系統(tǒng)規(guī)范分析抽象成場(chǎng)景規(guī)范的形式化模型的難點(diǎn)[6]。

場(chǎng)景法是通過事件觸發(fā)形成相應(yīng)的場(chǎng)景流程，進(jìn)而形成一系列事件的結(jié)果，場(chǎng)景法能夠清晰地描述系統(tǒng)內(nèi)部各種過程和功能[8]，可以提高測(cè)試用例的覆蓋性，能夠提高測(cè)試效果。

目前場(chǎng)景法已經(jīng)成功運(yùn)用在臨時(shí)限速服務(wù)器等系統(tǒng)用例設(shè)計(jì)中并取得了很好的效果[9-10]，在軟件測(cè)試領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[11-12]。為了改善當(dāng)前列控系統(tǒng)在復(fù)雜場(chǎng)景測(cè)試中存在的覆蓋性不足的問題，本文采用場(chǎng)景法設(shè)計(jì)對(duì)列控系統(tǒng)特定功能測(cè)試的測(cè)試用例。以等級(jí)轉(zhuǎn)換中CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)為例，在分析等級(jí)轉(zhuǎn)換流程的基礎(chǔ)上，將場(chǎng)景法用于等級(jí)轉(zhuǎn)換功能測(cè)試用例的設(shè)計(jì)中，通過分析CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)場(chǎng)景中的基本流和備選流，進(jìn)而得出事件流有向圖，最后基于有向圖設(shè)計(jì)得到覆蓋性更高、流程更加完善的測(cè)試用例。實(shí)現(xiàn)了用最少的測(cè)試用例對(duì)列控系統(tǒng)等級(jí)轉(zhuǎn)換中CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)的有效測(cè)試，能夠提高測(cè)試的效果和效率。

1 等級(jí)轉(zhuǎn)換

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)是基于無線傳輸信息并采用軌道電路方式檢查列車占用、基于GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸列控信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[13]。列車在CTCS-3級(jí)區(qū)域通過CTCS-3/CTCS-2級(jí)邊界進(jìn)入CTCS-2級(jí)區(qū)域時(shí)或者GSM-R無線通信中斷時(shí)，轉(zhuǎn)換到CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)控車。CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)是基于軌道電路和點(diǎn)式信息設(shè)備傳輸列車運(yùn)行許可信息的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。列車在CTCS-2級(jí)區(qū)域通過CTCS-2/CTCS-3級(jí)邊界進(jìn)入CTCS-3級(jí)區(qū)域運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)控車[14]。

本文以CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)為例設(shè)計(jì)測(cè)試用例，詳細(xì)論述CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)轉(zhuǎn)換原理、處理邏輯和工作流程。

1.1 CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)處理邏輯

列車在CTCS-2級(jí)區(qū)域運(yùn)行時(shí)，當(dāng)ATP(Automatic Train Protection，列車自動(dòng)防護(hù))檢測(cè)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)后連接并注冊(cè)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過RE應(yīng)答器組時(shí)ATP和RBC(Radio Block Center，無線閉塞中心)建立安全連接，經(jīng)過等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告應(yīng)答器組LTA、等級(jí)轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器組LTO執(zhí)行等級(jí)轉(zhuǎn)換[15]。在CTCS-2/CTCS-3級(jí)邊界經(jīng)司機(jī)確認(rèn)且CTCS-3級(jí)控車條件滿足后轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)行車。CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)處理邏輯如圖1所示。

圖1 等級(jí)轉(zhuǎn)換處理邏輯

1.2 CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)工作流程

典型的CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)包含下述過程。

(1)連接并注冊(cè)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)

ATP檢測(cè)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)之后，開始連接和注冊(cè)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)。ATP將GSM-R網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)情況通過DMI告知司機(jī)，ATP繼續(xù)保持CTCS-2級(jí)行車。

(2)與RBC建立通信會(huì)話

列車運(yùn)行中前端位置經(jīng)過RE應(yīng)答器組時(shí)，ATP接收到建立通信會(huì)話命令后開始呼叫RBC；若RE應(yīng)答器組丟失，則ATP繼續(xù)保持CTCS-2級(jí)行車。若ATP與RBC建立安全連接失敗，繼續(xù)保持CTCS-2級(jí)行車并通知司機(jī)。若ATP呼叫RBC成功但與RBC系統(tǒng)版本不兼容，則終止通信會(huì)話并釋放安全連接，繼續(xù)保持CTCS-2級(jí)行車。

ATP成功與RBC建立通信會(huì)話后，開始傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，如ATP接收來自RBC的行車許可MA、配置參數(shù)等，ATP向RBC發(fā)送列車位置報(bào)告、收到配置參數(shù)確認(rèn)等[14]。

(3)獲得行車許可

列車運(yùn)行過程中列車前端位置通過LTA預(yù)告應(yīng)答器組時(shí)，ATP發(fā)送列車位置報(bào)告給RBC，在RBC判斷列車前方進(jìn)路唯一后，ATP將收到來自RBC的行車許可MA和等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告命令。若LTA預(yù)告應(yīng)答器組丟失，ATP仍接收到來自RBC的等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告命令和行車許可MA。ATP在接收到行車許可MA后，將其進(jìn)行存儲(chǔ)，該MA信息在列車通過CTCS-2/CTCS-3級(jí)邊界并且轉(zhuǎn)換為CTCS-3級(jí)控車時(shí)使用[16]。

(4)等級(jí)轉(zhuǎn)換執(zhí)行

當(dāng)列車前端通過LTO執(zhí)行應(yīng)答器組并接收到來自LTO執(zhí)行應(yīng)答器組的消息且CTCS-3級(jí)控車條件滿足時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為CTCS-3級(jí)行車。若未收到來自LTO執(zhí)行應(yīng)答器組的信息，根據(jù)RBC的等級(jí)轉(zhuǎn)換命令，將在列車前端通過了CTCS-2/CTCS-3級(jí)邊界并且滿足CTCS-3級(jí)控車條件時(shí)轉(zhuǎn)為CTCS-3級(jí)控車。在執(zhí)行等級(jí)轉(zhuǎn)換時(shí)，若ATP不具備CTCS-3級(jí)控車條件，則繼續(xù)以CTCS-2級(jí)行車；在ATP具備CTCS-3級(jí)控件條件時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)行車。

在執(zhí)行切換時(shí)，ATP要求司機(jī)確認(rèn)即將執(zhí)行的等級(jí)轉(zhuǎn)換以確保等級(jí)轉(zhuǎn)換的正確實(shí)現(xiàn)。當(dāng)列車距離CTCS-2/CTCS-3級(jí)邊界還需列車運(yùn)行5s時(shí)，ATP請(qǐng)求司機(jī)確認(rèn)即將進(jìn)行的轉(zhuǎn)換；若司機(jī)沒有確認(rèn)，在控車等級(jí)轉(zhuǎn)換為CTCS-3后5s以內(nèi)，仍然允許司機(jī)對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換進(jìn)行確認(rèn)。如若在整個(gè)確認(rèn)區(qū)域內(nèi)司機(jī)都沒有對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換做出確認(rèn)，ATP輸出常用制動(dòng)并記錄制動(dòng)原因。如若制動(dòng)過程中司機(jī)進(jìn)行了等級(jí)轉(zhuǎn)換操作確認(rèn)，ATP自動(dòng)緩解輸出的常用制動(dòng)，反之ATP將制動(dòng)直到列車停車。

2 基于場(chǎng)景法的測(cè)試用例設(shè)計(jì)

場(chǎng)景法可以針對(duì)需求模擬出不同的場(chǎng)景進(jìn)行所有功能點(diǎn)及業(yè)務(wù)流程的覆蓋，適用于解決業(yè)務(wù)流程清晰的系統(tǒng)或功能。

2.1 場(chǎng)景法

基于場(chǎng)景法的測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法主要用于事件觸發(fā)流程，當(dāng)某個(gè)事件觸發(fā)后就形成相應(yīng)的場(chǎng)景流程，不同的事件觸發(fā)順序和不同的處理結(jié)果，就形成一系列事件流[17]。場(chǎng)景測(cè)試針對(duì)軟件或功能中所有可能出現(xiàn)的業(yè)務(wù)流程，通過建立完整的業(yè)務(wù)流程模型，模擬真實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的測(cè)試。場(chǎng)景法設(shè)計(jì)測(cè)試用例的過程如下：

(1)明確系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程或功能邏輯；

(2)分析事件流，劃分基本流和備選流；

(3)根據(jù)基本流和備選流確定測(cè)試場(chǎng)景；

(4)為每個(gè)測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的測(cè)試用例。

2.2 場(chǎng)景法事件流

場(chǎng)景法的事件流一般包含基本流和備選流，在用例場(chǎng)景生成時(shí)，基本流是完成某個(gè)操作所經(jīng)過的必須步驟，而備選流則是完成必須步驟中出現(xiàn)的一些可選操作。經(jīng)過用例的每條路徑都用基本流和備選流來表示，基本流是經(jīng)過用例的最簡(jiǎn)單路徑。一個(gè)備選流可能從基本流開始，在某個(gè)特定的條件下執(zhí)行，然后重新加入到基本流中；也可能起源于另一個(gè)備選流，或者終止用例而不再加入到某個(gè)流。將一系列的事件觸發(fā)流程看成不同的路徑，通過設(shè)計(jì)足夠多的測(cè)試用例來覆蓋基本流和各種備選流等各類事件流，即為場(chǎng)景測(cè)試。

基于基本流和備選流確定測(cè)試場(chǎng)景以及測(cè)試用例的問題，就轉(zhuǎn)換為如何確保上述基本流和備選流構(gòu)成的事件流有向圖中所有的弧至少被使用一次并且讓每條弧盡可能少地重復(fù)使用。這是典型的具有多重弧有向圖的中國(guó)郵路問題，求解這類問題目前已經(jīng)有許多成熟的解法，如Edmonds-Johnson算法[18]、粒子群優(yōu)化算法[19]、路徑優(yōu)化算法、蟻群算法以及改進(jìn)的蟻群算法[20]等。

3 CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)測(cè)試用例設(shè)計(jì)

場(chǎng)景法分析CTCS-2級(jí)向CTCS-3級(jí)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是對(duì)轉(zhuǎn)換過程中的事件流進(jìn)行劃分，確定出其中的基本流和備選流?；玖髅枋隽苏?zhí)行CTCS-2級(jí)向CTCS-3級(jí)轉(zhuǎn)換過程中必須要經(jīng)過的步驟，備選流則是轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的異常情況。

3.1 等級(jí)轉(zhuǎn)換基本流

基本流(B)描述了正常執(zhí)行CTCS-2級(jí)向CTCS-3級(jí)轉(zhuǎn)換過程，結(jié)合圖1可知，正常轉(zhuǎn)換過程包含了以下步驟：ATP檢測(cè)并連接GSM-R網(wǎng)絡(luò)；連接成功開始注冊(cè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)；注冊(cè)成功并給出通知；經(jīng)過RE應(yīng)答器組開始請(qǐng)求連接RBC；與RBC建立安全連接；收到兼容的版本信息；建立通信會(huì)話后ATP與RBC傳輸數(shù)據(jù)；通過LTA應(yīng)答器組時(shí)報(bào)告位置；接收到等級(jí)轉(zhuǎn)換命令；司機(jī)確認(rèn)等級(jí)轉(zhuǎn)換；ATP收到LTO應(yīng)答器組消息且CTCS-3控車條件滿足；轉(zhuǎn)換到CTCS-3級(jí)控車。對(duì)基本流的具體分析及說明如表1所示。

表1 等級(jí)轉(zhuǎn)換基本流

3.2 等級(jí)轉(zhuǎn)換備選流

備選流(A)描述了CTCS-2級(jí)向CTCS-3級(jí)轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的異常情形或者可能的操作，結(jié)合圖1和1.2節(jié)的轉(zhuǎn)換過程分析，轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的異常情形包括與GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接失敗、GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)失敗、RE應(yīng)答器組丟失、ATP與RBC建立安全連接失敗、系統(tǒng)版本不兼容、LTA應(yīng)答器組丟失、RBC判斷前方進(jìn)路不唯一以及執(zhí)行轉(zhuǎn)換時(shí)CTCS-3級(jí)控車條件不滿足等。對(duì)備選流的具體分析及說明如表2所示。

表2 等級(jí)轉(zhuǎn)換備選流

3.3 等級(jí)轉(zhuǎn)換用例設(shè)計(jì)

CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)場(chǎng)景下包含了注冊(cè)GSM-R和與GSM-R建立連接失敗后由重新注冊(cè)并建立連接等情形，從而使得命令進(jìn)入正常流程的場(chǎng)景，鑒于此類場(chǎng)景與基本流B具有重復(fù)性，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的測(cè)試用例冗余，因而不考慮這類重復(fù)場(chǎng)景的測(cè)試用例?；贑TCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)處理邏輯和工作流程，利用場(chǎng)景法基本流和備選流的分析方法分析轉(zhuǎn)換過程中必須經(jīng)過的步驟以及可能出現(xiàn)的異常情形，分析得到CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)場(chǎng)景下的12個(gè)基本流和10個(gè)備選流。備選流A1、A2、A3、A4、A5、A7、A10從基本流開始，執(zhí)行后結(jié)束用例；備選流A6、A8、A9從基本流開始，執(zhí)行后重新加入基本流。設(shè)計(jì)出CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)等級(jí)轉(zhuǎn)換事件流有向圖如圖2所示。

將等級(jí)轉(zhuǎn)換事件流有向圖稍作變化后可以使用經(jīng)典的Edmonds-Johnson算法找出最優(yōu)郵路，進(jìn)而設(shè)計(jì)出測(cè)試CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)功能的11個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，為每個(gè)測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的測(cè)試用例，CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)測(cè)試用例如表3所示。

圖2 事件流有向圖

3.4 測(cè)試用例對(duì)比

2009年，原鐵道部頒布了科技運(yùn)[2009]59號(hào)文《CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)測(cè)試案例(v3.0)》(以下簡(jiǎn)稱“59號(hào)文”)作為CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)測(cè)試的指導(dǎo)文件。其中CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)部分為功能特征147，148，149，150，151，152，153，154對(duì)應(yīng)的案例[21]，其中功能特征147，148，150，151，152，154對(duì)應(yīng)的案例用于測(cè)試CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)正常轉(zhuǎn)換過程的情形，功能特征149，153對(duì)應(yīng)的案例用于測(cè)試CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)過程中的RBC判斷前方進(jìn)路不唯一和未收到LTO應(yīng)答器組但轉(zhuǎn)換時(shí)滿足CTCS-3級(jí)控車條件兩種可能的異常情形。用例1，8，9分別對(duì)應(yīng)描述了上述三種情形；用例2，3，4，5，6，7，10，11設(shè)計(jì)的異常情形在59號(hào)文中CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)部分未涉及到，補(bǔ)充了轉(zhuǎn)換過程中其他可能出現(xiàn)的異常情形，本文場(chǎng)景法設(shè)計(jì)得到的用例對(duì)59號(hào)文案例的覆蓋情況如表4所示。

上述分析可知，設(shè)計(jì)得到的測(cè)試用例覆蓋了59號(hào)文CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)部分的案例，且與59號(hào)文中該部分的案例在覆蓋性上相比更加全面，在轉(zhuǎn)換過程中設(shè)計(jì)更多的異常場(chǎng)景，增強(qiáng)CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)轉(zhuǎn)換過程中的功能性和安全性測(cè)試，可以提高測(cè)試用例對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換需求的覆蓋性，提高了測(cè)試的效果。使用Edmonds-Johnson優(yōu)化算法可以確保由事件流有向圖生成的測(cè)試用例最優(yōu)且用例的數(shù)量最少[18]，提高了測(cè)試效率。

表3 等級(jí)轉(zhuǎn)換測(cè)試用例

表4 測(cè)試用例覆蓋情況

4 結(jié)語

本文將場(chǎng)景法應(yīng)用于測(cè)試列控系統(tǒng)等級(jí)轉(zhuǎn)換功能，以等級(jí)轉(zhuǎn)換中CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)為例，詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)換過程中的處理邏輯和工作流程。使用場(chǎng)景法對(duì)等級(jí)轉(zhuǎn)換的過程進(jìn)行基本流和備選流的劃分，得出該場(chǎng)景下的事件流以及事件流有向圖，進(jìn)而設(shè)計(jì)得到對(duì)CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)進(jìn)行有效測(cè)試的測(cè)試用例集。結(jié)果表明，場(chǎng)景法能夠深入列控系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯，適合對(duì)列控系統(tǒng)復(fù)雜場(chǎng)景設(shè)計(jì)測(cè)試用例，提高列控系統(tǒng)功能性和安全性測(cè)試的完備性。