趙 文 文

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

1 概述

高速磁懸浮中央控制子系統(tǒng)具有操作與顯示、列車自動運行、診斷等功能，是列車安全運行的重要保證。系統(tǒng)測試可提早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的缺陷并進行有效修復(fù)，提高系統(tǒng)現(xiàn)場聯(lián)調(diào)的效率。因而，測試質(zhì)量直接決定了中央控制子系統(tǒng)的研發(fā)成果和效率，在投入使用前必須進行系統(tǒng)的測試驗證。

而作為測試工作的核心，測試用例的好壞直接影響到測試的效率，Tsai[1]提出了一種適用于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的測試用例生成方法，其主要是通過從規(guī)格說明中生成測試數(shù)據(jù)。Hall[2]也對測試用例生成方法進行研究，提出基于Z規(guī)格說明進行測試用例的生成。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的不斷發(fā)展，基于UML模型生成測試用例的方法受到了人們越來越多的關(guān)注，主要討論如何選取UML的動態(tài)模型如狀態(tài)圖、順序圖、活動圖、協(xié)作圖來生成符合覆蓋準則要求的測試用例。A.J.Offutt等[3]提出了一種基于UML狀態(tài)圖的測試用例生成方法及四種測試覆蓋準則，并開發(fā)首個可基于UML自動生成測試用例的工具。季麗麗[4]針對A.J.Offutt提出的UML狀態(tài)圖上僅限于布爾類型的轉(zhuǎn)移條件的局限，進行了表達式方面的擴展。Falk F[5]討論了一種基于UML順序圖進行測試的方法，并介紹了SeDiTeC工具。王林章等[6]基于UML協(xié)作圖提出了集成測試用例的生成方法，并依據(jù)所設(shè)計的模型來生成測試用例。Chris Rudram[7]對UML活動圖的語義及語法進行了擴展，并提出了形式化的活動圖。張楣等[8]設(shè)計出一種三級轉(zhuǎn)換過程，即由UML活動圖模型轉(zhuǎn)換到測試大綱模型，進而再到測試用例模型。但目前大多研究都是根據(jù)單一的某種模型圖，較少分析多種模型圖的組合建模。

高速磁浮運行控制系統(tǒng)是其運行安全的關(guān)鍵保障，而對系統(tǒng)進行測試則是系統(tǒng)安全的必要保證。本文基于對被測中央控制子系統(tǒng)功能特征的提取，提出基于UML模型的測試用例生成方法，并將生成的測試用例實例在實驗室測試平臺中全部執(zhí)行，來實現(xiàn)對中央控制子系統(tǒng)的測試驗證。

2 功能特征的提取

驗證系統(tǒng)是否滿足功能需求的所有要求，解決辦法就是對該系統(tǒng)進行功能測試。但是若考慮將系統(tǒng)中的每一個需求都使用測試用例來表達，則會得到數(shù)量龐大且有所重復(fù)的測試用例，不僅成本巨大，且會降低測試效率。為此，從系統(tǒng)功能需求中提煉精簡后的功能特征是十分必要的。

功能特征即是根據(jù)系統(tǒng)功能需求提取的功能實體，是由一組需求歸結(jié)而來，針對一個功能特征又可設(shè)計多個測試用例。為了確保功能特征的全面性和合法性，功能特征集必須反映所有的功能需求，每一個獨立的功能特征都來自于系統(tǒng)需求。系統(tǒng)需求、功能特征及測試用例三者之間的關(guān)系如圖1所示。

2.1 功能特征的提取方法

首先，分析系統(tǒng)需求中所有要求的功能和屬性，按照特征將其分組，形成一個或多個需求相對應(yīng)的組合，即需求功能組；其次，對這些需求進行分析、概括、提取，便可得到相應(yīng)的功能特征。中央控制子系統(tǒng)的功能測試驗證實質(zhì)上是為了驗證系統(tǒng)是否滿足系統(tǒng)需求規(guī)范中的所有功能要求。中央控制子系統(tǒng)的功能特征提取過程如下：

中央控制子系統(tǒng)需求規(guī)范→需求功能組→劃分功能實體→細化功能特征→功能特征列表。

2.2 提取結(jié)果

基于提出的系統(tǒng)功能特征提取流程，針對中央控制子系統(tǒng)的功能需求，分別對其操作員終端系統(tǒng)、列車自動運行系統(tǒng)和中央診斷系統(tǒng)進行了功能特征的提取，結(jié)果如表1所示。

3 基于UML的測試用例生成

3.1 中央控制子系統(tǒng)運行場景分析

場景技術(shù)在測試設(shè)計階段可以作為系統(tǒng)建模的依據(jù)，其可以描述客戶需求和系統(tǒng)功能，有利于測試用例的設(shè)計。中央運控系統(tǒng)的每個子系統(tǒng)都具有各自的功能需求，根據(jù)系統(tǒng)功能特征，中央運控系統(tǒng)的運行過程可劃分為若干個相對獨立的場景，每個場景都包含著眾多的操作與信息交互。主要場景包括：系統(tǒng)權(quán)限管理，操作員終端系統(tǒng)生成命令操作，操作員終端系統(tǒng)CR命令操作，操作員終端系統(tǒng)視圖顯示，系統(tǒng)協(xié)同交互，列車時刻表操作，運行計劃處理，ATO狀態(tài)改變，DCS命令運行監(jiān)控，列車管理，診斷信息操作，列車運行流程等。

表1 功能特征提取結(jié)果

3.2 中央控制子系統(tǒng)運行場景建模

對中央控制子系統(tǒng)的運行場景進行建模，不僅可以詳細地描述系統(tǒng)運行過程中的內(nèi)部狀態(tài)變化，而且可以反映系統(tǒng)與外界的信息交互情況，該建模過程是指導(dǎo)測試用例生成的重要依據(jù)。本文以中央控制子系統(tǒng)各功能場景為單位進行建模分析，采用UML分別建立用例圖、順序圖、狀態(tài)圖和活動圖，全方面表述中央控制子系統(tǒng)的動作時序邏輯。由于篇幅限制，下面就以單分區(qū)列車運行流程這一典型場景為例，給出詳細的建模過程，其他場景建模過程與之類似。

1)列車運行流程用例圖(見圖2)。

由圖2可知，單分區(qū)列車運行流程用例圖中包含3個參與者，分別為操作員，DCS和VCS。三者之間通過用例來交互信息，完成系統(tǒng)此場景的功能需求。

2)列車運行流程狀態(tài)圖見圖3。

列車運行流程狀態(tài)圖描述了OTS從初始狀態(tài)至車輛完成運行停止這段時間中系統(tǒng)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換情況，如圖3所示。圖3中從OTS初始狀態(tài)開始，經(jīng)歷登錄車輛，預(yù)定進路，設(shè)置車輛運行，設(shè)置停車指令等一系列過程，一步步描述了單分區(qū)列車運行流程中OTS的狀態(tài)及引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的觸發(fā)事件。

3)列車運行流程活動圖見圖4。

列車運行流程活動圖描述了系統(tǒng)從一個活動至另一個活動的流程，主要是強調(diào)對象之間的控制關(guān)系，如圖4所示。圖4中描述了列車運行流程中從一個活動到另一個活動的控制流，利用活動圖模型可以明確OTS，DCS和VCS之間工作的信息流交互，著重表現(xiàn)的是系統(tǒng)行為。

4)列車運行流程順序圖見圖5。

順序圖用來描述一個用例的行為，其呈現(xiàn)的是一組對象和通過這組對象接收到的消息，強調(diào)對象之間消息發(fā)送的順序，順序圖僅僅表示了用例的一個具體場景，圖5給出了列車運行流程各命令執(zhí)行都正常情況下的順序圖。圖5詳細展現(xiàn)了整個列車運行流程中，OTS，DCS和VCS是依照時間順序并且通過彼此交互來完成信息傳遞的過程。

3.3 測試用例生成實例

根據(jù)建模圖生成測試用例的過程如圖6所示。具體用例生成步驟如下：

1)根據(jù)運行子場景選取相應(yīng)的場景建模圖；

2)依據(jù)用例圖，確定該場景相關(guān)的外部具體設(shè)備；

3)依據(jù)狀態(tài)圖，計算該場景中最大程度覆蓋所有狀態(tài)所必需的測試用例數(shù)量；

4)依據(jù)活動圖，明確每一個測試用例的測試步驟；

5)依據(jù)順序圖，確定每一步測試步驟所涉及的各設(shè)備間的信息交互情況；

6)根據(jù)設(shè)計的測試用例標準格式編寫成具體的測試用例文檔。

中央控制子系統(tǒng)的整個測試用例集的數(shù)量非常多，下面就同樣以“單分區(qū)列車運行流程”場景為例，詳細解釋使用建模圖來生成測試用例的過程。首先由列車運行流程的用例圖可知，該場景在整個過程中所涉及到的外部參與者主要有操作員、DCS和VCS，即主要由他們來完成測試用例所需要的操作以及觀測測試結(jié)果的。然后根據(jù)列車運行流程狀態(tài)圖，可以詳細地看到OTS在此場景中的狀態(tài)變化，由圖3可知，要最大程度的覆蓋其所有狀態(tài)，需要5個測試用例。最后根據(jù)活動圖和順序圖可以分別得到測試用例的具體操作步驟以及對應(yīng)的交互信息。以列車運行流程各命令執(zhí)行都正常的情況為例，其用例設(shè)計結(jié)果如表2所示。

表2 列車運行流程測試用例

基于提出的方法，本文最終對操作員終端系統(tǒng)設(shè)計測試用例85個，對列車自動運行系統(tǒng)設(shè)計測試用例68個，對中央診斷系統(tǒng)設(shè)計測試用例31個，且設(shè)計的測試用例全部通過測試平臺得到執(zhí)行，基本完全覆蓋了中央控制子系統(tǒng)運行過程中的主要場景，對在測試中發(fā)現(xiàn)的錯誤或缺陷通過查找原因、修改代碼等途徑都得到解決，最終達到測試用例通過率100%。

4 結(jié)語

本文提出了基于UML的測試用例生成方法，并在測試平臺中執(zhí)行生成的測試用例來實現(xiàn)對中央控制子系統(tǒng)的測試驗證，測試結(jié)果表明，本文設(shè)計生成的測試用例，可充分地模擬運行現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種情況，達到提早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計錯誤或缺陷并進行有效修復(fù)的作用，這樣在現(xiàn)場聯(lián)調(diào)時就可以顯著提高現(xiàn)場測試效率，有效減少測試時間和測試質(zhì)量成本，并可為今后高速磁浮中央控制子系統(tǒng)的測試提供一定的理論依據(jù)和方法借鑒。