黃曉帆，歐陽(yáng)敏

（卡斯柯信號(hào)有限公司 測(cè)試部，上海 200071）

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)主要包括車載控制器（CC，Carbone Controller）、區(qū)域控制器（ZC，Zone Controller）、線路控制器（LC, Line Controller）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI, Computer Interlocking）系統(tǒng)和自動(dòng)列車監(jiān)控（ATS，Automatic Train Supervision）系統(tǒng)。其中，ATS系統(tǒng)主要提供列車運(yùn)行監(jiān)督和控制的自動(dòng)化行車調(diào)度指揮功能[1-3]。隨著城市軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化程度不斷提高，地鐵列車運(yùn)營(yíng)管理日趨復(fù)雜，原先由司機(jī)執(zhí)行的許多工作轉(zhuǎn)變?yōu)橛勺詣?dòng)化系統(tǒng)和中心調(diào)度員聯(lián)合完成，ATS系統(tǒng)涉及的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景更加復(fù)雜[4]。為此，對(duì)ATS軟件的測(cè)試要求更高，有必要研究和開(kāi)發(fā)ATS軟件的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多場(chǎng)景、多功能的測(cè)試覆蓋，支持迭代開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化回歸測(cè)試，有效發(fā)現(xiàn)軟件中存在的缺陷，降低測(cè)試人員工作強(qiáng)度。

常見(jiàn)的軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試方法分為2類：白盒測(cè)試和黑盒測(cè)試。白盒測(cè)試又稱為結(jié)構(gòu)測(cè)試，需要了解程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)，據(jù)此設(shè)計(jì)測(cè)試用例[5]。黑盒測(cè)試又稱為功能測(cè)試，測(cè)試人員無(wú)需了解程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)功能是否滿足用戶要求。目前，雖有不少成熟的商用自動(dòng)化測(cè)試工具，如LR（LoadRunner）和QTP（QuickTest Professional）等，但這些工具不滿足實(shí)時(shí)性要求，且不支持專用協(xié)議，多適用于單一類型測(cè)試等[6-7]，不適用于具有復(fù)雜專用接口和業(yè)務(wù)流程的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的測(cè)試。

在分析ATS系統(tǒng)相關(guān)接口、系統(tǒng)構(gòu)成和主要功能的基礎(chǔ)上，提出ATS軟件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：測(cè)試系統(tǒng)）方案，利用虛擬機(jī)技術(shù)搭建了ATS系統(tǒng)模擬測(cè)試環(huán)境，設(shè)計(jì)基于場(chǎng)景模擬的測(cè)試用例，驗(yàn)證ATS組合功能的正確性，以快速交付可靠的ATS軟件產(chǎn)品。

1 ATS系統(tǒng)測(cè)試要求

1.1 系統(tǒng)相關(guān)接口

ATS系統(tǒng)自身功能的實(shí)現(xiàn)建立在通過(guò)接口與相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行通信和信息交互的基礎(chǔ)上，其接口包括2類：

（1）與信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部的其它子系統(tǒng)的接口，包括 CI、CC、ZC、LC；

（2）與信號(hào)系統(tǒng)之外的其它系統(tǒng)的接口，包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS，Integrated Supervisory Control System）、時(shí)鐘系統(tǒng)（CLOCK，Clock System）、旅客信息系統(tǒng)（PIS，Passenger Information Service System）、廣播系統(tǒng)（PA, Public Address System）、牽引供電系統(tǒng)（SCADA, Supervisory Control and Data Acquisition System）、 發(fā)車表示器（TDT，Train Depart Timer）等。

1.2 ATS系統(tǒng)構(gòu)成及主要功能

ATS系統(tǒng)主要由工作站、應(yīng)用服務(wù)器、通信前置機(jī)、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、車站服務(wù)器、在線時(shí)刻表等組成。

工作站通常設(shè)置2個(gè)或3個(gè)屏幕的窗口，其中，1個(gè)為運(yùn)行圖顯示窗口，主要用于顯示計(jì)劃運(yùn)行圖，提供運(yùn)行圖修改、打印等操作界面；另外1個(gè)或2個(gè)為站場(chǎng)圖顯示窗口，主要用于顯示站場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、時(shí)間、報(bào)警，提供權(quán)限管理、列車運(yùn)行控制、車輛管理、報(bào)警管理、報(bào)表等操作的人機(jī)交互界面[8]。

應(yīng)用服務(wù)器作為ATS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中樞，向工作站發(fā)送站場(chǎng)圖顯示數(shù)據(jù)、告警、列車狀態(tài)信息，處理調(diào)度人員、維護(hù)人員、派班人員的各種操作請(qǐng)求，并將請(qǐng)求發(fā)送給相關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行；保存系統(tǒng)日常運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)，提供事后分析和回放。

通信前置機(jī)負(fù)責(zé)ATS系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)之外其它系統(tǒng)的通信；根據(jù)項(xiàng)目的不同要求，實(shí)現(xiàn)ATS與PIS、ISCS、PA、CLOCK等的接口，以及與其它線路的接口[9]。

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器為ATS系統(tǒng)的關(guān)鍵核心模塊，負(fù)責(zé)與ATC接口，完成與CC、ZC和LC子系統(tǒng)通信，提供會(huì)話管理、臨時(shí)限速管理、計(jì)軸有效性確認(rèn)、列車控制命令管理、列車告警管理、列車連掛管理等。

車站服務(wù)器為ATS系統(tǒng)的集中站數(shù)據(jù)處理中樞，完成與CI和TDT系統(tǒng)的通信，本集中站內(nèi)列車追蹤和計(jì)劃調(diào)整；自動(dòng)辦理進(jìn)路。若ATS接入車輛段，還可提供自動(dòng)洗車和自動(dòng)出入庫(kù)控制功能。

在線時(shí)刻表主要用于日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中當(dāng)天計(jì)劃圖、當(dāng)天實(shí)際圖、歷史計(jì)劃圖、基本計(jì)劃圖、預(yù)測(cè)計(jì)劃圖的顯示，提供增加列車、刪除列車、變更列車運(yùn)行車次等時(shí)刻表在線調(diào)整的操作界面。

2 基于場(chǎng)景模擬的ATS軟件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

場(chǎng)景是指由事件觸發(fā)形成相應(yīng)的流程，進(jìn)而形成一系列事件的結(jié)果，通常用于描述軟件使用過(guò)程中的基本流程和功能需求?；趫?chǎng)景的測(cè)試方法從最終用戶的角度來(lái)測(cè)試軟件是否滿足用戶需求，針對(duì)軟件中所有可能出現(xiàn)的業(yè)務(wù)流程，重點(diǎn)關(guān)注測(cè)試場(chǎng)景中各個(gè)功能項(xiàng)是否能夠滿足需求且正確執(zhí)行。

在軌道交通信號(hào)領(lǐng)域，相對(duì)于CI、CC、ZC、LC，ATS系統(tǒng)直接面向地鐵運(yùn)營(yíng)管理人員。面對(duì)日益復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，用戶需求變化更為頻繁。ATS系統(tǒng)的軟件測(cè)試不僅要求驗(yàn)證ATS軟件單個(gè)功能項(xiàng)的正確性，還需要考慮地鐵運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和用戶使用習(xí)慣，驗(yàn)證ATS軟件多個(gè)功能項(xiàng)組合的正確性，對(duì)測(cè)試資源和效率的要求更高，亟需借助自動(dòng)化測(cè)試代替部分手工測(cè)試，以提高測(cè)試效率。

如圖1所示，基于場(chǎng)景模擬的ATS軟件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)由被測(cè)對(duì)象服務(wù)器、模擬集成服務(wù)器、測(cè)試管理服務(wù)器3臺(tái)服務(wù)器組成。

被測(cè)對(duì)象服務(wù)器上運(yùn)行被測(cè)試的ATS系統(tǒng)的軟件，即需要被驗(yàn)證的軟件。模擬集成服務(wù)器運(yùn)行除ATS系統(tǒng)之外的其它仿真軟件，提供ATS軟件模擬運(yùn)行所需的外部接口條件。測(cè)試管理服務(wù)器主要完成測(cè)試場(chǎng)景的編輯，啟動(dòng)測(cè)試流程，調(diào)用被測(cè)對(duì)象服務(wù)器和模擬集成服務(wù)器執(zhí)行和終止測(cè)試，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

2.2 被測(cè)對(duì)象服務(wù)器

被測(cè)對(duì)象服務(wù)器采用虛擬機(jī)技術(shù)，提供運(yùn)行被驗(yàn)證的ATS軟件所需的操作系統(tǒng)（Windows server 2012、Windows 10或Redhat Linux7.2）環(huán)境，以模擬運(yùn)行ATS工作站、在線時(shí)刻表、應(yīng)用服務(wù)器、車站服務(wù)器、通信前置機(jī)和網(wǎng)關(guān)服務(wù)器等ATS軟件，測(cè)試應(yīng)覆蓋ATS系統(tǒng)所有操作，包括運(yùn)行圖編輯下發(fā)、站場(chǎng)控制、用戶管理、列車運(yùn)行控制、臨時(shí)限速管理、自動(dòng)排路、人工排路等[10]。

2.3 模擬集成服務(wù)器

模擬集成服務(wù)器運(yùn)行模擬ATS系統(tǒng)外部環(huán)境的仿真程序，包括與信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部其它子系統(tǒng)或設(shè)備（CI系統(tǒng)、CC、ZC、LC）接口的仿真程序，以及與信號(hào)系統(tǒng)之外的其它系統(tǒng)（SCADA、ISCS、CLOCK、PIS、PA）接口的仿真程序。對(duì)ATS系統(tǒng)外部環(huán)境的模擬并不模擬相關(guān)子系統(tǒng)或設(shè)備/系統(tǒng)功能，僅按照ATS系統(tǒng)與這些子系統(tǒng)或設(shè)備/系統(tǒng)的接口協(xié)議中規(guī)定的消息格式和內(nèi)容，實(shí)時(shí)地向被測(cè)試的ATS系統(tǒng)發(fā)送消息，為被測(cè)試的ATS系統(tǒng)提供與真實(shí)的列車運(yùn)行環(huán)境一致的運(yùn)行條件。例如，可使列車按照CI模擬產(chǎn)生的信號(hào)開(kāi)放信息，沿著進(jìn)路鎖閉方向前行，自動(dòng)產(chǎn)生符合信號(hào)規(guī)則的紅光帶移動(dòng)信息，按照指定的速度運(yùn)行，以支持ATS軟件的測(cè)試。

除了可模擬真實(shí)的列車運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試系統(tǒng)還支持2類故障注入：（1）信號(hào)設(shè)備故障，包括道岔失表、燈絲斷絲、區(qū)間紅光帶；（2）信號(hào)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)或設(shè)備間的通信異常，包括時(shí)序錯(cuò)誤和通信內(nèi)容錯(cuò)誤。

2.4 測(cè)試管理服務(wù)器

測(cè)試管理服務(wù)器運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)自身的軟件，用于控制測(cè)試過(guò)程，實(shí)施測(cè)試管理，主要包括測(cè)試流程編輯、測(cè)試場(chǎng)景編輯、測(cè)試日志分析、測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成4個(gè)模塊。

2.4.1 測(cè)試流程編輯模塊

該模塊主要用于定義自動(dòng)化測(cè)試的基本流程，如圖2所示，同時(shí)存儲(chǔ)測(cè)試所需要的軟件、配置數(shù)據(jù)以及測(cè)試使用的工具（測(cè)試環(huán)境自動(dòng)部署工具、通信信息網(wǎng)絡(luò)封包分析工具等）。

當(dāng)該模塊收到測(cè)試場(chǎng)景編輯模塊發(fā)送的測(cè)試服務(wù)請(qǐng)求之后，按照收到的軟件版本和配置數(shù)據(jù)版本，啟動(dòng)自動(dòng)部署工具，遠(yuǎn)程部署被測(cè)對(duì)象服務(wù)器上的ATS系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，模擬集成服務(wù)器上ATS接口系統(tǒng)的仿真環(huán)境。在測(cè)試執(zhí)行階段，該模塊調(diào)用模擬集成服務(wù)器模擬ATS系統(tǒng)外部環(huán)境，配合被測(cè)ATS系統(tǒng)軟件的測(cè)試場(chǎng)景執(zhí)行；同時(shí)，該模塊記錄測(cè)試過(guò)程中ATS界面上所有的控件狀態(tài)，ATS與其它子系統(tǒng)/外部系統(tǒng)的所有接口通信信息內(nèi)容，并將其存儲(chǔ)在測(cè)試日志存儲(chǔ)模塊中，供測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成模塊調(diào)用。

2.4.2 測(cè)試場(chǎng)景編輯模塊

該模塊主要用于測(cè)試計(jì)劃策略的編輯、查看和管理，設(shè)置被測(cè)試的軟件版本和配置數(shù)據(jù)版本，存儲(chǔ)為每個(gè)測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)的測(cè)試用例腳本，存儲(chǔ)各個(gè)測(cè)試場(chǎng)景預(yù)期測(cè)試結(jié)果，包括控件狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的接口通信信息。

2.4.3 測(cè)試日志存儲(chǔ)模塊

該模塊主要用于存儲(chǔ)被測(cè)對(duì)象服務(wù)器上ATS界面所有的控件狀態(tài)、ATS系統(tǒng)各軟件模塊的運(yùn)行日志、以及模擬集成服務(wù)器上運(yùn)行的ATS外部環(huán)境的模擬生成的所有接口通信信息，并根據(jù)預(yù)定義的接口通信信息解析腳本，自動(dòng)解析通信信息包中各個(gè)字段的內(nèi)容。

2.4.4 測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成模塊

該模塊將測(cè)試日志存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的測(cè)試執(zhí)行產(chǎn)生的接口通信信息內(nèi)容和ATS界面上的控件狀態(tài)，與測(cè)試場(chǎng)景編輯模塊中的存儲(chǔ)的預(yù)期結(jié)果對(duì)應(yīng)的控件狀態(tài)和接口通信信息內(nèi)容進(jìn)行比較。如果兩者一致，則判斷本測(cè)試場(chǎng)景通過(guò)測(cè)試；如果兩者不一致，則判斷本測(cè)試場(chǎng)景未通過(guò)測(cè)試。

測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試用例腳本自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試過(guò)程，全部測(cè)試用例腳本執(zhí)行完成后，能自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，可極大提高測(cè)試人員的工作效率，使測(cè)試人員將精力集中于測(cè)試場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試實(shí)例

以上海地鐵1號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)項(xiàng)目中ATS軟件測(cè)試為例，編輯多輛列車運(yùn)行計(jì)劃，仿真列車自動(dòng)按照計(jì)劃模擬運(yùn)行，描述其自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程。

（1）在被測(cè)對(duì)象服務(wù)器上，存儲(chǔ)ATS軟件、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)文件；在模擬集成服務(wù)器上存放CI系統(tǒng)仿真、CC仿真、ZC仿真、LC仿真設(shè)備軟件及數(shù)據(jù)。

（2）運(yùn)行測(cè)試環(huán)境自動(dòng)部署工具，分別遠(yuǎn)程安裝被測(cè)對(duì)象服務(wù)器和模擬集成服務(wù)器上的ATS系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)試環(huán)境和ATS系統(tǒng)外部環(huán)境。

（3）測(cè)試人員編寫(xiě)列車運(yùn)行計(jì)劃腳本，如圖3所示，測(cè)試場(chǎng)景中設(shè)置5列列車按3 min發(fā)車間隔，從轉(zhuǎn)換軌所在站臺(tái)出發(fā)；命名為sched0.dat放置在測(cè)試管理服務(wù)器上。

圖3 列車運(yùn)行計(jì)劃腳本示例

（4）測(cè)試人員在測(cè)試模擬集成服務(wù)器上配置轉(zhuǎn)換軌所在站臺(tái)的位置信息：集中站號(hào)、站臺(tái)號(hào)、方向等，如圖4所示。其它配置信息，如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)換軌位置信息配置示例

圖5 其它配置信息示例

（5）運(yùn)行測(cè)試用例腳本命令；當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)列車計(jì)劃中設(shè)置的出發(fā)時(shí)間時(shí)，CC模擬會(huì)依次加車到轉(zhuǎn)換軌所在站臺(tái)，模擬限制人工駕駛模式(RM，Restricted Mode)駕駛列車精確?？空九_(tái)，接收運(yùn)行計(jì)劃后，進(jìn)入正線模擬運(yùn)行。在列車模擬運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)記錄并存儲(chǔ)ATS系統(tǒng)日志，如圖6所示。與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

圖6 日志示例

針對(duì)上海地鐵1號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)升級(jí)中的ATS軟件測(cè)試，結(jié)合運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)了基于13個(gè)場(chǎng)景的測(cè)試用例，覆蓋47個(gè)功能項(xiàng)。從測(cè)試環(huán)境自動(dòng)化部署到測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成共耗時(shí)2 h。在使用自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)前，人工搭建測(cè)試環(huán)境并完成測(cè)試，通常需要8 h。利用該自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，可大幅減少測(cè)試時(shí)間。隨著測(cè)試系統(tǒng)日趨完善，測(cè)試人員編寫(xiě)的測(cè)試場(chǎng)景腳本的復(fù)用率將會(huì)逐漸提升，利用已創(chuàng)建的測(cè)試場(chǎng)景腳本，測(cè)試執(zhí)行人員可將更多精力用于其它有助于測(cè)試效率提升的工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)發(fā)了基于場(chǎng)景模擬的ATS軟件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)由被測(cè)對(duì)象服務(wù)器、模擬集成服務(wù)器和測(cè)試管理服務(wù)器構(gòu)成，將ATS系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境的模擬與ATS系統(tǒng)外部環(huán)境的模擬相分離，降低ATS軟件仿真測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度。目前，已完成測(cè)試管理服務(wù)器軟件模塊的開(kāi)發(fā)，包括測(cè)試流程編輯、測(cè)試場(chǎng)景編輯、測(cè)試日志存儲(chǔ)、測(cè)試報(bào)告生成4個(gè)主要模塊。使用該測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，將單一功能項(xiàng)與運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)試用例，使用基于一個(gè)場(chǎng)景模擬的測(cè)試用例即可驗(yàn)證多個(gè)功能項(xiàng)組合的正確性，可顯著提高軟件測(cè)試效率。此外，測(cè)試系統(tǒng)可自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試過(guò)程，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，測(cè)試人員可將精力集中于測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)和測(cè)試策略優(yōu)化，不斷優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)。

地鐵ATS系統(tǒng)與鐵路分散自律調(diào)度集中控制（CTC，Centralized Traffic Control）系統(tǒng)的功能類似，雖然兩者外部接口存在很大差別，但測(cè)試方法可以借鑒。