陳增熙，徐中偉，梅 萌

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

0 引 言

列控系統(tǒng)作為鐵路信號(hào)系統(tǒng)的核心裝備，其安全性攸關(guān)整個(gè)鐵路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。列控中心作為列控系統(tǒng)地面設(shè)備的主控制設(shè)備，其應(yīng)該具備穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)[1-3]。在工程現(xiàn)場(chǎng)部署運(yùn)營(yíng)之前，必須經(jīng)過嚴(yán)格的功能測(cè)試與可靠性測(cè)試，保證其安全性[4-5]。目前，國內(nèi)外對(duì)列控中心軟件功能測(cè)試主要通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證需要安裝真實(shí)設(shè)備，投入大量的人力物力，成本高，風(fēng)險(xiǎn)大，且無法驗(yàn)證部分極端情況，所以目前基本都采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試。計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試需要模擬列控中心真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，并根據(jù)列控中心軟件安全規(guī)范編寫測(cè)試案例，遍歷測(cè)試驗(yàn)證。列控中心軟件屬于實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，其控制場(chǎng)景豐富廣泛，功能復(fù)雜，所以測(cè)試案例數(shù)量眾多。由于每個(gè)車站工程數(shù)據(jù)均不相同，所以每次測(cè)試都需要重新編寫案例。每條測(cè)試案例包括多個(gè)操作步驟，人工操作復(fù)雜，需要有經(jīng)驗(yàn)的業(yè)務(wù)人員進(jìn)行具體判斷，如果測(cè)試時(shí)間緊張，就容易出現(xiàn)人工誤操作情況。分析列控中心軟件測(cè)試需求，高效合理地編寫測(cè)試案例與自動(dòng)化測(cè)試是降低測(cè)試成本，提高測(cè)試質(zhì)量的有效方法[6-9]。

1 列控中心與自動(dòng)化測(cè)試概論

1.1 列控中心

列控中心軟件作為列控中心的大腦，其管控多個(gè)與列控中心相連的信號(hào)設(shè)備，分析列控中心系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與外部設(shè)備接口。列控中心外接設(shè)備主要有八個(gè)部分：ZPW-2000軌道電路、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI)、地面電子單元(LEU/BDU)、調(diào)度集中(CTC)、臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS)、相鄰列控中心(TCC)及信號(hào)集中監(jiān)測(cè)(CSM)、繼電器驅(qū)采設(shè)備。各外接設(shè)備功能概述如表1所示，列控中心與外接設(shè)備連接示意圖如圖1所示。

表1 列控中心外接設(shè)備功能信息表

圖1 列控中心與外接設(shè)備連接示意圖

1.2 自動(dòng)化測(cè)試

軟件測(cè)試的基本原則是模擬實(shí)際線上軟件運(yùn)行環(huán)境，輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行判別，找出被測(cè)軟件系統(tǒng)或者程序中存在的漏洞和錯(cuò)誤，是有目的性的行為。軟件測(cè)試伴隨著軟件開發(fā)整個(gè)過程，發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了一套成熟的測(cè)試?yán)碚?。根?jù)是否借助測(cè)試工具可分為人工手動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)化測(cè)試。軟件自動(dòng)化測(cè)試是軟件手工測(cè)試的高級(jí)階段，屬于軟件測(cè)試新的分支，即將需要執(zhí)行的測(cè)試案例編寫成腳本或者預(yù)先設(shè)定為程序，由機(jī)器自動(dòng)執(zhí)行，代替人工操作，完成對(duì)目標(biāo)應(yīng)用程序的半自動(dòng)或全自動(dòng)測(cè)試，用以驗(yàn)證軟件功能需求。軟件測(cè)試自動(dòng)化框架技術(shù)主要有基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的測(cè)試框架技術(shù)、錄制/回放測(cè)試框架技術(shù)、基于關(guān)鍵字驅(qū)動(dòng)的測(cè)試框架技術(shù)、混合自動(dòng)化測(cè)試框架技術(shù)幾大類[10-13]。

列控中心軟件測(cè)試需要根據(jù)列控中心軟件安全規(guī)范編寫測(cè)試案例，屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)測(cè)試。測(cè)試過程將測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)試操作進(jìn)行分離，測(cè)試數(shù)據(jù)存放在單獨(dú)數(shù)據(jù)文件中，測(cè)試案例存放在腳本中，輸入不同車站的測(cè)試數(shù)據(jù)可以驅(qū)動(dòng)相同的腳本進(jìn)行測(cè)試，通過腳本實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的輸入和管理。通過對(duì)測(cè)試腳本的編排和優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)案例自動(dòng)化執(zhí)行判斷的目標(biāo)，減少人工手動(dòng)操作，最終實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)甚至全自動(dòng)測(cè)試[14-16]。

2 自動(dòng)化測(cè)試框架設(shè)計(jì)方案

2.1 列控中心軟件測(cè)試需求

列控中心軟件主要功能是對(duì)外接信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)信息采集與調(diào)度管理，所以列控中心軟件測(cè)試就是驗(yàn)證其管理調(diào)度信號(hào)設(shè)備的能力，發(fā)現(xiàn)其功能邏輯上可能存在的漏洞或者初始車站數(shù)據(jù)配置上的錯(cuò)誤。列控中心會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)外接設(shè)備的輸入命令報(bào)文，對(duì)輸入命令進(jìn)行邏輯運(yùn)算，返回執(zhí)行結(jié)果。列控中心軟件運(yùn)行邏輯流程如圖2所示。

圖2 列控中心軟件運(yùn)行邏輯流程

列控中心軟件功能主要包括開機(jī)自檢、軌道電路狀態(tài)判斷、軌道電路編碼、異物侵限保護(hù)、軌道電路發(fā)碼方向控制、區(qū)間改變運(yùn)行方向、區(qū)間通過信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈控制、臨時(shí)限速及信號(hào)降級(jí)處理、發(fā)送應(yīng)答器報(bào)文原則、維護(hù)診斷、異常處理等功能，測(cè)試需要覆蓋規(guī)范要求的所有功能，根據(jù)具體的車站數(shù)據(jù)，將抽象的測(cè)試功能點(diǎn)實(shí)例化成具體的測(cè)試案例，下發(fā)給列控中心執(zhí)行，判斷其執(zhí)行結(jié)果正確性。與此同時(shí)要考慮各功能在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中的使用頻率，對(duì)于使用頻率高的功能要進(jìn)行高頻次測(cè)試驗(yàn)證，盡量貼合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，提高測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

2.2 自動(dòng)化測(cè)試框架

根據(jù)列控中心軟件測(cè)試需求與運(yùn)行邏輯流程，自動(dòng)化測(cè)試框架至少包括三個(gè)功能：讀取車站數(shù)據(jù)與軟件初始化，讀取測(cè)試案例轉(zhuǎn)換為命令報(bào)文并下發(fā)，測(cè)試案例執(zhí)行結(jié)果判別輸出。對(duì)以上三個(gè)功能進(jìn)行抽象歸納，提出符合列控中心軟件功能測(cè)試的自動(dòng)化測(cè)試框架。提出的框架主要包括七層：人機(jī)交互、流程服務(wù)、組件服務(wù)、代理服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層、數(shù)據(jù)中心。列控中心軟件自動(dòng)化測(cè)試框架如圖3所示。

圖3 列控中心軟件自動(dòng)化測(cè)試框架

2.3 測(cè)試框架運(yùn)行流程

2.3.1 軟件運(yùn)行流程

列控中心軟件自動(dòng)化測(cè)試框架處理流程主要分為兩個(gè)域，即數(shù)據(jù)處理域和邏輯處理域。數(shù)據(jù)處理域主要模擬列控中心外接設(shè)備接口，負(fù)責(zé)與被測(cè)列控中心通信與數(shù)據(jù)報(bào)文持久化，而邏輯處理域主要負(fù)責(zé)測(cè)試案例下發(fā)，與執(zhí)行結(jié)果判別記錄。列控中心軟件測(cè)試框架運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 列控中心軟件測(cè)試框架運(yùn)行流程

根據(jù)圖4可知，數(shù)據(jù)處理域與邏輯處理域工作流程如下：

·人機(jī)交互界面接收用戶指令并通過步驟①傳遞給流程服務(wù)。

·流程服務(wù)將測(cè)試案例翻譯成操作序列，通過步驟②下發(fā)給組件服務(wù)。

·組件服務(wù)負(fù)責(zé)把操作序列轉(zhuǎn)換為報(bào)文，通過步驟③傳輸給代理服務(wù)。

·代理服務(wù)通過步驟④將命令報(bào)文傳給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層，同時(shí)通過步驟⑤從數(shù)據(jù)中心讀取各外接設(shè)備接口發(fā)送的信息報(bào)文。

·基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層將會(huì)對(duì)代理服務(wù)層發(fā)送的命令報(bào)文與各設(shè)備回傳報(bào)文進(jìn)行安全協(xié)議校驗(yàn)，校驗(yàn)通過則通過步驟⑤存入數(shù)據(jù)中心。

·基礎(chǔ)服務(wù)層提供基礎(chǔ)組件，處理結(jié)果將逐層返回至人機(jī)交互界面供用戶查看。

2.3.2 測(cè)試案例運(yùn)行舉例

根據(jù)以上測(cè)試框架運(yùn)行流程，以計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖辦理發(fā)車進(jìn)路測(cè)試案例為例進(jìn)行分析，其執(zhí)行流程如下：

·首先，人機(jī)交互界面接收用戶下發(fā)的辦理進(jìn)路命令，傳遞給流程服務(wù)。

·流程服務(wù)層將辦理進(jìn)路測(cè)試案例進(jìn)行序列化，即轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖先下發(fā)進(jìn)路命令與信號(hào)機(jī)繼電器點(diǎn)燈兩個(gè)操作步驟下發(fā)給組件服務(wù)。

·組件服務(wù)將操作序列轉(zhuǎn)換為具體的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖報(bào)文與點(diǎn)燈繼電器點(diǎn)燈報(bào)文，傳遞給組件服務(wù)。

·組件服務(wù)將兩個(gè)報(bào)文按順序下發(fā)給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層中計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖接口與點(diǎn)燈繼電器接口進(jìn)行校驗(yàn)。

·基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過即存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心，同時(shí)發(fā)送給列控中心，并將列控中心執(zhí)行結(jié)果報(bào)文存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心。

·最后，代理服務(wù)層中的數(shù)據(jù)，執(zhí)行結(jié)果，告警信息等逐層逆向返回給人機(jī)交互層顯示測(cè)試是否完成。

3 自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)

3.1 數(shù)據(jù)處理域詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層的功能為模擬外接設(shè)備接口，與列控中心通信，仿真出真實(shí)車站運(yùn)行環(huán)境。各接口使用協(xié)議與工程現(xiàn)場(chǎng)保持一致，其中ZPW-2000軌道電路采用CAN通信方式，固定為從節(jié)點(diǎn)、地面電子單元中LEU采用RS422串口通信，BDU采用UDP協(xié)議通信，調(diào)度集中(CTC)采用RS422串口通信，繼電器設(shè)備使用PLC模擬數(shù)字驅(qū)采，臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI)、相鄰列控中心(TCC)以及信號(hào)集中監(jiān)測(cè)(CSM)均采用UDP協(xié)議通信。

3.1.2 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心主要包括數(shù)據(jù)庫模塊、緩存模塊。數(shù)據(jù)庫模塊用于存儲(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層傳回的數(shù)據(jù)。為了減緩數(shù)據(jù)庫壓力，降低數(shù)據(jù)庫讀操作頻率，增加設(shè)計(jì)緩存模塊，加快讀寫速度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，持久化保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩存采用Redis非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，緩存訪問頻次高的數(shù)據(jù)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，寫操作方案為操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。若需要數(shù)據(jù)緩存，則操作數(shù)據(jù)緩存，如果操作數(shù)據(jù)緩存失敗，禁止回滾，定時(shí)刷新緩存更行數(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)高效運(yùn)行，讀操作方案為操作數(shù)據(jù)緩存。如果緩存中不存在數(shù)據(jù)，則讀取數(shù)據(jù)庫，將讀出來的數(shù)據(jù)緩存至數(shù)據(jù)緩存中，方便下一次查詢，提高讀取效率。

3.2 邏輯處理域詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 人機(jī)交互層

人機(jī)交互核心功能是獲取用戶輸入的指令以及測(cè)試結(jié)果的展示。人機(jī)交互層設(shè)計(jì)包括動(dòng)態(tài)效果，靜態(tài)頁面，請(qǐng)求與響應(yīng)等。動(dòng)態(tài)效果和靜態(tài)頁面是用于顯示頁面信息，請(qǐng)求與響應(yīng)模塊用于提取靜態(tài)頁面中的參數(shù)和向靜態(tài)頁面載入數(shù)據(jù)。首先將自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)部署到服務(wù)器上，用戶可以在服務(wù)器所在局域網(wǎng)內(nèi)任意操作機(jī)進(jìn)行訪問，下發(fā)測(cè)試案例，瀏覽器將向自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求處理器進(jìn)行請(qǐng)求處理并響應(yīng)，將測(cè)試案例下發(fā)給流程服務(wù)。

3.2.2 流程服務(wù)層

流程服務(wù)層核心功能是對(duì)測(cè)試案例的序列化，測(cè)試案例有規(guī)范的文本格式，對(duì)應(yīng)唯一的測(cè)試案例ID，流程服務(wù)先對(duì)文本進(jìn)行分割，然后將分割后的文本映射成具體的設(shè)備號(hào)加命令號(hào)，序列化器進(jìn)行排序，生成完整的操作序列。比如辦理聯(lián)鎖進(jìn)路測(cè)試案例，會(huì)被映射成計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖下發(fā)具體進(jìn)路與具體信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈，下發(fā)給組件服務(wù)層。

3.2.3 組件服務(wù)層

組件服務(wù)層核心功能是實(shí)現(xiàn)操作序列到命令報(bào)文轉(zhuǎn)換，接收到操作序列后，組件服務(wù)將操作序列每一步作為一個(gè)鍵值，到數(shù)據(jù)中心搜索，查找其對(duì)應(yīng)的命令數(shù)據(jù)，并將命令數(shù)據(jù)填充到對(duì)應(yīng)外接設(shè)備報(bào)文里，轉(zhuǎn)發(fā)給代理服務(wù)層。

3.2.4 代理服務(wù)層

代理服務(wù)層的核心功能是解決數(shù)據(jù)中心變更等帶來的系統(tǒng)升級(jí)問題。當(dāng)出現(xiàn)外接設(shè)備增加或減少等情況時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)帶來大規(guī)模變更，從而增加系統(tǒng)不穩(wěn)定因素，通過代理層及適配器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈活擴(kuò)展并穩(wěn)定運(yùn)行。代理服務(wù)層主要包括數(shù)據(jù)通信層代理模塊、數(shù)據(jù)訪問層代理模塊。數(shù)據(jù)通信層代理模塊主要負(fù)責(zé)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信層通信。數(shù)據(jù)訪問代理層模塊主要負(fù)責(zé)和數(shù)據(jù)中心層通信。代理服務(wù)節(jié)點(diǎn)作為組件服務(wù)層的通信接口，定義了基本的業(yè)務(wù)接口規(guī)范。為了兼容上層組件業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)通信服務(wù)之間的差異，增加適配器設(shè)計(jì)，后期維護(hù)時(shí)，如果業(yè)務(wù)不發(fā)生變更，而底層因?yàn)橄到y(tǒng)擴(kuò)容需要變更時(shí)，只需要調(diào)整適配器及代理層即可。

3.2.5 基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)主要包括基礎(chǔ)研發(fā)框架、任務(wù)調(diào)度、文件管理、告警管理、權(quán)限管理，以及為各層提供基礎(chǔ)通用的組件，設(shè)立該層可以促進(jìn)業(yè)務(wù)服務(wù)的復(fù)用功能，提高開發(fā)效率?；A(chǔ)服務(wù)層包含組件如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)服務(wù)層組件示意圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)部署

自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)采用分布式部署方案，驅(qū)采程序、ZPW-2000軌道電路通信程序、相鄰列控中心通信程序、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖通信程序部署在工控機(jī)1上，臨時(shí)限速服務(wù)器通信程序、調(diào)度中心通信程序、LEU/BDU通信程序部署在工控機(jī)2上，自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)部署到兩臺(tái)服務(wù)器上，冗余配置，數(shù)據(jù)庫部署到單獨(dú)的存儲(chǔ)服務(wù)器上，具體部署方式如圖6所示。

圖6 自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)部署示意圖

4 性能評(píng)估

目前列控中心軟件測(cè)試主要以有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人員手動(dòng)測(cè)試為主，根據(jù)測(cè)試大綱要求，遍歷操作測(cè)試案例，人工判別結(jié)果，完成測(cè)試。但人工手動(dòng)測(cè)試具有耗時(shí)長(zhǎng)、容易誤操作的缺點(diǎn)，通過自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)測(cè)試，能夠完成手動(dòng)測(cè)試大部分案例，在提高了測(cè)試效率的同時(shí)可以提高測(cè)試準(zhǔn)確率。

將現(xiàn)有測(cè)試大綱里面的測(cè)試案例進(jìn)行歸類，根據(jù)之前多次測(cè)試的數(shù)據(jù)記錄，統(tǒng)計(jì)了每個(gè)功能模塊測(cè)試案例的平均測(cè)試耗時(shí)與準(zhǔn)確率。由于測(cè)試效率與準(zhǔn)確率與測(cè)試人員自身業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)與以及操作速度有關(guān)，只保留兩位小數(shù)。最后使用提出的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行同等測(cè)試，得到的測(cè)試性能比較情況如表2所示。

表2 測(cè)試耗時(shí)與準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)

測(cè)試平均耗時(shí)方面，自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)上每條案例間隔執(zhí)行時(shí)間為人為設(shè)定，在保證每條案例能夠執(zhí)行完整的條件下，設(shè)置了不同的間隔。相對(duì)于手動(dòng)測(cè)試，自動(dòng)化測(cè)試效率有了很大提升。在測(cè)試準(zhǔn)確率方面，自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)執(zhí)行案例結(jié)果與列控中心初始狀態(tài)有關(guān)，會(huì)有部分案例出現(xiàn)錯(cuò)誤判別情況，其余案例能夠?qū)崿F(xiàn)全部正確執(zhí)行，提高了測(cè)試準(zhǔn)確率，保證了測(cè)試質(zhì)量。

5 結(jié)束語

對(duì)列控中心軟件測(cè)試操作復(fù)雜，效率低下，誤操作率高的問題進(jìn)行分析，提出一種列控中心軟件自動(dòng)化測(cè)試框架，實(shí)現(xiàn)測(cè)試案例自動(dòng)下發(fā)、執(zhí)行、判決。根據(jù)具體測(cè)試需求，采用分層設(shè)計(jì)的理念，將車站數(shù)據(jù)配置、案例加載、文本案例解析、命令下發(fā)、基礎(chǔ)通信、日志權(quán)限管理等分層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試全過程監(jiān)控?？傮w來看，此設(shè)計(jì)方案彌補(bǔ)了原測(cè)試平臺(tái)擴(kuò)展性差、測(cè)試?yán)щy、效率低下等不足，且降低了開發(fā)成本，提高了實(shí)際測(cè)試質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。在今后的研究工作中，可主要研究測(cè)試案例自動(dòng)生成，提高自動(dòng)化程度。提出的自動(dòng)化測(cè)試框架具有很好的兼容性，可推廣應(yīng)用到無線閉塞分區(qū)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、聯(lián)鎖列控一體化等信號(hào)設(shè)備安全測(cè)試中，提高測(cè)試效率。