付立民

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著電子設備和系統(tǒng)的不斷發(fā)展，軟件在其中的應用范圍和規(guī)模也在迅速擴大，同時，由于軟件缺陷所引發(fā)的產品故障越來越多，甚至引發(fā)災難性事故，軟件的質量和可靠性逐漸成為人們關注的焦點。在軟件的生命周期中，測試是保證軟件質量，提高軟件可靠性的一個十分有效的手段。

國內鐵路信號控制設備越來越多地采用基于處理器的電子設備，尤其是隨著高速鐵路CTCS-3的推廣，地面的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng) 、車站列控中心系統(tǒng)、無線閉塞中心系統(tǒng) 、臨時限速服務器系統(tǒng)、軌道電路設備、應答器以及車載的ATP系統(tǒng)，全部采用計算機控制為主的控制技術。日、法、德等國的實踐證明，高速鐵路建設不僅要有高水平的系統(tǒng)設計、高質量的施工和裝備制造技術，更要有全面、系統(tǒng)的試驗檢測手段。

對于各系統(tǒng)在高速運行條件下的功能和性能測試，國內高速鐵路將綜合應用與工程相結合，建設先導段和試驗段，以計算機仿真技術為基礎，開發(fā)建立實驗室仿真測試系統(tǒng)等手段，通過低速與高速、實車與仿真、現(xiàn)場與實驗室測試的有機結合，構建一套完善的測試體系，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的充分測試和驗證，取得非常好的效果。

2 軌道交通信號測試

2.1 測試發(fā)展歷程

軌道交通的信號控制設備經歷了由單一系統(tǒng)為主，向多系統(tǒng)協(xié)同控制的發(fā)展過程。早期鐵路信號控制系統(tǒng)以單一為主，如聯(lián)鎖設備長期作為主要的信號控制設備 ；隨著列車運行速度的提升，地面和車載控制系統(tǒng)不斷升級，發(fā)展到CTCS-3系統(tǒng)時，整個列控系統(tǒng)已經成為多系統(tǒng)共同控制，車載和軌旁協(xié)同工作的復雜系統(tǒng)。

信號系統(tǒng)的測試技術，也相應的經歷了不同的發(fā)展階段，從最初的單一產品簡單的手工模擬測試，發(fā)展到支持多系統(tǒng)聯(lián)動和虛擬仿真的系統(tǒng)級測試，如圖1所示 ；測試方法也從人工測試，向自動化測試發(fā)展，如圖2所示。

圖1 產品測試和系統(tǒng)測試Fig.1 Product test and system test

2009年科技部和原鐵道部聯(lián)合開展 “十一五”國家科技支撐計劃“中國高速列車關鍵技術及裝備研制”的研究，其中中國鐵路通信信號股份有限公司（簡稱中國通號）聯(lián)合清華大學承擔了子任務“CTCS-3級列控系統(tǒng)綜合設計集成平臺”的研制，實現(xiàn)了對各種類型軌道交通系統(tǒng)的1:1仿真，實現(xiàn)實物、半實物、全模擬3種方式的精準仿真，滿足設備級、系統(tǒng)級、工程線路級不同規(guī)模的仿真測試需求，在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了高效的CTCS-3列控系統(tǒng)核心設備功能驗證測試和線路級規(guī)模工程集成測試，保證CTCS-3列控系統(tǒng)在武廣、京滬高鐵等30多條國家重點工程中的應用。

2.2 規(guī)劃思想和目標

近年來測試技術不斷發(fā)展，應充分利用測試技術發(fā)展紅利，以數(shù)字化為依托，探索新型技術在信號測試中的應用，研究具有前瞻性的前沿科技在軌道交通測試中的創(chuàng)新，提高測試的自動化水平和效率，研究新技術和新方法在提升測試能力上的應用，對面向眾多的新技術應用提供測試支撐，測試技術發(fā)展的研究方向如下。

1）提升測試技術先進性

研究測試領域的新技術新方法，如零現(xiàn)場測試、數(shù)字孿生、虛擬仿真、形式化驗證、加速測試等技術，提升測試技術先進性。

2）提升測試效率

研究提高測試效率的方法和手段，解決目前測試效率低、人工回歸多、自動化程度低的問題，配套開發(fā)各產品的自動測試工具，將目前大量的人工測試交由工具自動完成，并生成測試記錄和結果。

3）提升測試自動化水平

研究自動化測試技術，實現(xiàn)測試全過程自動化，在各產品測試工具完善的基礎上，實現(xiàn)測試的設計和管理的自動化，實現(xiàn)測試流程（工作流）處理的自動化，通過自動化測試可以提高測試效率，減輕測試人員負擔，更方便開展功能測試和回歸測試，測試過程質量更有保障，使測試人員更加專注于創(chuàng)造性的工作。

自動化測試(Automated Test）由測試工具自動地執(zhí)行某項軟件測試任務，如通過某個軟件工具完成應用系統(tǒng)的功能測試和性能測試等測試執(zhí)行工作，而測試的計劃、設計和管理等其他工作還是手工完成。

測試自動化（Test Automation）的整個測試過程都由計算機系統(tǒng)自動完成，體現(xiàn)了更理想的自動化思想，有更廣的范疇和更大的挑戰(zhàn)。它不僅要求由工具完成測試的執(zhí)行，而且要求測試的設計和管理也由系統(tǒng)自動完成，例如基于模型實現(xiàn)測試設計的自動化、基于軟件設計規(guī)格說明書實現(xiàn)測試用例的自動生成、基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)測試管理的自動化等。

實現(xiàn)測試自動化，就可以實現(xiàn)即時測試，即變更提交后當夜自動測試，極大的提升測試效率，極早的發(fā)現(xiàn)測試問題，實現(xiàn)快速和完整自動回歸。

4）測試全生命周期優(yōu)化

實現(xiàn)測試全生命周期整體效率提升。通過對測試輸入資料準備、測試環(huán)境部署、測試執(zhí)行、測試結果評價、測試報告生成等測試全業(yè)務鏈活動進行統(tǒng)一的規(guī)劃，實現(xiàn)測試業(yè)務全生命周期的整體效率最優(yōu)。

3 軌道交通測試發(fā)展方向

《交通強國建設綱要》提出要“推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術與交通行業(yè)深度融合”。中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）2020年8月份出臺《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》中，描繪了新時代中國鐵路發(fā)展美好藍圖，并把“發(fā)展自主先進的技術裝備體系”作為主要任務之一，要求提升基礎設施技術裝備水平，推進設施數(shù)字化、智能化升級，自主研發(fā)新型智能列控系統(tǒng)、智能牽引供電系統(tǒng)、智能綜合調度指揮系統(tǒng)以及新一代鐵路移動通信系統(tǒng) ；要求以新型基礎設施賦能智慧發(fā)展，加大5G通信網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施建設應用，統(tǒng)籌推進新一代移動通信專網(wǎng)建設，構建先進、安全高效的現(xiàn)代鐵路信息基礎設施體系。

鐵路新一代基礎設施的開發(fā)，離不開測試的支持。隨著眾多新技術的利用以及系統(tǒng)復雜程度的提高，數(shù)據(jù)來源的增加，對系統(tǒng)的原型、原理進行論證，對開發(fā)的系統(tǒng)進行充分的驗證均離不開測試的支持，在新產品研發(fā)過程中，測試是必備的環(huán)節(jié)，發(fā)揮著鑒定系統(tǒng)的正確性、完整性、安全性的重要作用。

軌道交通測試技術的發(fā)展整體上可以分為兩個方向，基礎測試技術研究和前沿測試技術研究，前者著力于利用現(xiàn)在可行的技術解決目前面臨的測試問題。后者面向未來，一是研究未來的哪些新技術可以利用在測試中，二是為了支持新技術的應用，測試應該提供什么樣的支撐。

3.1 基礎測試技術研究

1）研究數(shù)字化仿真技術，建設虛擬化仿真模型

目前的軌道交通測試有相當一部分設備停留在實物仿真階段，未實現(xiàn)數(shù)字化仿真，進行測試依舊依賴于實物，受限于硬件平臺條件，導致某些軟硬件集成的測試無法實施或者成本很高。硬件計算機的仿真更是空白。依賴于實物的仿真首先制約了可以并行開展的測試數(shù)量，提高了測試成本，其次是難以實現(xiàn)故障注入測試，不能保證測試的充分性。

研究基于硬件功能的仿真以及基于指令的仿真技術，對于被測對象提供虛擬化仿真模型，可以解決測試依賴實物導致的成本高、并行測試開展受限，以及故障注入難度大的問題；同時，數(shù)字化仿真為自動化測試提供了更好的基礎條件。

2）建設軌道交通云測平臺，實現(xiàn)測試資源統(tǒng)一高效管理

軌道交通領域的測試，有著與其他行業(yè)領域不同的特點和要求，首先是對安全性要求高，導致測試項目多，測試時間長，產品和系統(tǒng)測試層級多；其次是由于在建工程項目多，測試需求多，工期要求緊張，測試資源配置實物化導致測試資源沖突頻發(fā)、測試時間長、測試環(huán)境搭建復雜。

建設軌道交通云測平臺，基于人機界面代理技術，實現(xiàn)測試對象的數(shù)字化，平臺和環(huán)境的虛擬化，測試執(zhí)行的自動化；在數(shù)字化、虛擬化、自動化的基礎上，采用數(shù)字孿生技術建設測試云，實現(xiàn)測試資源的集中統(tǒng)一調度管理，并研究工具云化技術，測試資源的自動部署和清理技術，實現(xiàn)遠程跨地域測試、多實例并行測試，可以解決目前軌道交通測試面臨的以上問題。

3）研究自動化測試技術，提高測試效率

目前的軌道交通測試，仍舊大量依賴人工測試，人工測試的效率低、不確定性高，并且受限于人員數(shù)量和資質，無法開展并行測試、工作時間受限、回歸測試仍舊占用大量人力資源。

自動化測試與人工測試相比，在測試效率、測試確定性方面有著巨大的優(yōu)勢，而且自動化測試可以開展并行測試、全天測試，只要提供硬件資源，測試能力幾乎不受限制。其次自動化在產品全功能測試和回歸測試方面，有著天然的優(yōu)勢，在產品變更時可以進行全功能全回歸測試，避免修改的意外影響。

3.2 前沿測試技術研究

研究零現(xiàn)場測試技術：零現(xiàn)場測試是通過執(zhí)行完整的實驗室測試過程來最小化現(xiàn)場測試的技術方案，主要研究內容包括通用的測試過程框架定義，以確定需要在現(xiàn)場和實驗室/仿真進行的測試，研究測試案例選擇的通用標準，以支持現(xiàn)場以及實驗室測試。零現(xiàn)場測試一方面降低了現(xiàn)場測試要求，另一方面也相對提高了實驗室測試的可信度。

研究平行仿真在軌道交通測試中的應用：設備平行仿真作為新興的仿真技術，旨在將仿真系統(tǒng)和被測設備通過雙向交互同時運行，仿真系統(tǒng)以在線的方式不斷從被測設備實時獲取狀態(tài)信息，用于在線修正仿真模型，修正的仿真模型反過來可以用于改進被測設備的性能，形成良性的循環(huán)。

研究針對5G等新一代無線通信、超寬帶通信技術：北斗衛(wèi)星等安全定位技術，人工智能技術，物聯(lián)網(wǎng)泛在互聯(lián)技術、雷達感知以及模式識別技術的測試技術、策略和方法，保障新技術在應用中的安全可靠應用。

信息安全測試技術研究：在國標與國際信息安全標準的體系架構下，研究信息安全測試技術，主要包括測試環(huán)境的構造與仿真、信息安全的有效性測試、負荷與性能測試、攻擊測試、故障測試、一致性與兼容性測試等信息安全測試技術在軌道交通中的應用。

面向復雜系統(tǒng)和強耦合系統(tǒng)提供測試能力：對于面向未來軌道交通多產品構成的強信息融合的復雜系統(tǒng)，應根據(jù)其故障傳播機理、局部故障抑制要求等特點，在系統(tǒng)整體可靠性、健壯性提出適用的測試技術和方法。

解決多傳感器多模式融合測試需求：通過基于多傳感器、多信息來源來構成整體高可靠、高安全的綜合感知結果是未來鐵路一個重要方向，測試應改變傳統(tǒng)的測試方式，在實物測試的基礎上，通過仿真和模型技術，來驗證多信息融合的安全性和可靠性。

支持全場景全要素仿真，適應自主式軌道交通系統(tǒng)發(fā)展：測試技術應致力于從全場景向全場景+全要素仿真的改變，以提供對自主式軌道交通全面感知、自主感知要求的測試覆蓋。

研究滿足用戶需求的可信測試技術：研究形式化驗證技術在測試中的應用，形式化驗證技術是EN標準強烈推薦的驗證和測試技術，它使用了無縫對接的數(shù)學證明原理，面對測試的變量組合數(shù)量眾多的情況，形式驗證可提供充分的確定性，并提供更客觀可信的測試結論。

基于知識圖譜的測試案例自動生成和復用技術：在人工保證基本測試案例的基礎上，利用機器學習技術衍生更豐富場景和測試輸入組合的測試案例，提高測試案例場景覆蓋的全面性，使測試對象能夠在實驗室暴露現(xiàn)場運營中發(fā)生的組合條件故障。利用知識圖譜里面所蘊含的豐富的關聯(lián)性，對既有的測試案例進行識別和分類，提高既有龐大測試案例庫的復用比例, 賦能測試安全。

研究區(qū)塊鏈技術在測試中的應用：根據(jù)區(qū)塊鏈具有“不可偽造”“全程留痕”“可以追溯”“公開透明”“集體維護”等特征，開發(fā)基于這些特征在測試過程記錄中的應用，以提供可信和可追溯的測試結果記錄。

3.3 軌道交通云測試

云測試是一種有效利用云計算環(huán)境資源對于其他軟件進行的測試或是一種針對部署在“云”中的軟件進行的測試，在云計算的虛擬環(huán)境下，通過多種大數(shù)據(jù)分析方法評估測定應用軟件開發(fā)質量與設計水平的測試活動。云測試即在云端配置測試所需要的幾乎所有環(huán)境，以云的技術模式進行測試的工作模型。

基于云計算技術，云測試平臺可為企業(yè)節(jié)約測試過程中的軟、硬件開銷與人員投入，云測試技術通過在云端部署測試環(huán)境和測試軟件，不需要去搭建和拆除測試環(huán)境，更不需要根據(jù)測試需求，經常購買相應的軟硬件設施，只需要簡單地配置相應的虛擬參數(shù)設置，就可以實現(xiàn)測試資源按照用戶的需求提供，動態(tài)延展；云測試支持測試資源的復用和靈活分配，以解決實體測試資源不足的問題，而且同時支持分布式異地測試，可以提供遠程測試接入功能，云測試可以提供遠程測試服務，用戶不需要在本地配置和安裝軟件測試環(huán)境，而是在云測試平臺上完成測試任務。

一個典型的軌道交通云測系統(tǒng)架構如圖3所示。

圖3 軌道交通云測系統(tǒng)結構Fig.3 Structure diagram of rail transit cloud measurement system

軌道交通云測系統(tǒng)可分為基礎架構層、驅動技術層、測試應用層等3部分。

基礎架構層提供硬件資源，可以基于通用的云架構；驅動技術層包括操作系統(tǒng)，以及為軌道交通云測試提供服務的虛擬硬件、虛擬仿真框架，可以對上一層提供通用的基礎服務；測試應用層主要包括測試仿真軟件、測試管理軟件、測試案例庫、設備模型等，該層負責直接與被測設備以及測試人員交互，完成測試任務。

軌道交通云測系統(tǒng)能夠自動完成服務的停止、服務下線、刪除服務配置和資源回收等操作，根據(jù)業(yè)務需求增刪模塊、增減資源配置等。在虛擬技術的支持下，當服務不再需要時，可以取消部署以釋放占用的資源?？梢蚤_啟自動回滾設置服務，通過設置還原點，將服務重新還原到指定狀態(tài)。

云平臺可以通過管理軟件實現(xiàn)測試流程管理、輸入輸出記錄、測試快照、測試過程回放、測試記錄和報表自動生成等，開啟狀態(tài)和過程監(jiān)控服務，進行狀態(tài)管理，在測試全程監(jiān)控執(zhí)行的每一步驟，便于發(fā)現(xiàn)和解決問題。

4 總結和展望

軌道交通領域正在越來越多的向數(shù)字化、自動化發(fā)展，新技術不斷在軌道交通中應用，控制系統(tǒng)的復雜度也在提高；相應的，軌道交通測試技術也應向數(shù)字化、自動化發(fā)展，以更好地服務于軌道交通新產品開發(fā)和工程應用，保障軌道交通運營安全，促進和支持新技術在軌道交通領域內的應用。

作為數(shù)字化和自動化的一個方向，基于云計算技術的軟件測試在很大程度上解決了傳統(tǒng)時期人工測試、自動化測試在投入成本、耗費時間、性價比、人因風險等方面的問題，云測試具有非常廣闊的發(fā)展前景，并且隨著云計算技術的推廣使用，未來的云測試對于傳統(tǒng)的軟件測試以及云計算的發(fā)展必將具有深遠的影響。