黑盒測試技術(shù)在城市軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)理驗收中的研究與應(yīng)用

張 偉，高 凡

（中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

城市軌道交通信號系統(tǒng)建設(shè)過程中，為全面檢驗系統(tǒng)的設(shè)計方案和功能需求，在集成和調(diào)試完成后，由第三方監(jiān)理單位組織驗收小組，對系統(tǒng)的功能、質(zhì)量進(jìn)行檢驗，并評估其安全性及可靠性等。應(yīng)用黑盒測試技術(shù)，檢驗設(shè)計方案的完善程度與安全性能，可以為工程最終竣工驗收、開通試運(yùn)營提供依據(jù)。

1 黑盒測試概述

黑盒測試是在不知曉程序內(nèi)部情況的前提下對系統(tǒng)進(jìn)行的測試，它是基于需求和功能的技術(shù)。測試主要從用戶角度出發(fā)，針對軟件確認(rèn)和系統(tǒng)功能，驗證產(chǎn)品的功能是否實現(xiàn)以及能否滿足用戶要求。

1.1 黑盒測試方法

（1）等價類劃分法：根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生效果的異同，將輸入數(shù)據(jù)分成不同的數(shù)據(jù)等價類，進(jìn)而生成測試用例。

（2）邊界值分析法：測試中許多錯誤并非在正常輸入范圍內(nèi)產(chǎn)生，而是在一些較為特殊的邊界區(qū)域，設(shè)計測試案例時以邊緣區(qū)域設(shè)計為重點(diǎn)。

（3）錯誤猜測法：猜測被測試程序容易出現(xiàn)錯誤的地方，設(shè)計測試用例。它通常依據(jù)測試人員的經(jīng)驗，因此，這種方法只是一種輔助方式。

（4）因果圖法：它是一種被簡化的邏輯圖，使用因果圖可清晰地表示出輸入和輸出之間的關(guān)系，使測試人員更關(guān)注與程序功能有關(guān)的輸入組合。

1.2 黑盒測試目標(biāo)

采用黑盒測試主要是在已知系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能基礎(chǔ)上，完成以下目標(biāo)：

（1）從用戶方出發(fā)，以輸入與輸出的數(shù)據(jù)關(guān)系為目標(biāo)進(jìn)行測試。

（2）檢查系統(tǒng)功能是否按照規(guī)定正常使用，測試各功能是否完善，能否滿足檢測性能等要求。

（3）對人機(jī)交互和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對錯進(jìn)行檢測，測試系統(tǒng)程序是否能正常收到輸入數(shù)據(jù)并生成正確結(jié)果。

1.3 黑盒測試計劃

（1）根據(jù)需求，實施凈測試。（2）根據(jù)需求，加入結(jié)構(gòu)化測試。（3）根據(jù)需求，增加數(shù)據(jù)流覆蓋測試。（4）執(zhí)行未覆蓋到的域測試。（5）根據(jù)需求，進(jìn)一步進(jìn)行特殊測試。

2 城市軌道交通信號系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城市軌道交通信號系統(tǒng)由列車運(yùn)行自動控制（Automatic Train Control，ATC）系統(tǒng)組成，它是列車運(yùn)行的指揮和控制系統(tǒng)，ATC系統(tǒng)由ATS（Automatic Train Supervision）子系統(tǒng)、ATP（Automatic Train Protection）子系統(tǒng)和ATO（Automatic Train Operation）子系統(tǒng)組成。

目前，城市軌道交通領(lǐng)域主要應(yīng)用基于通信的列車運(yùn)行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的雙向無線通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及移動閉塞技術(shù)，用無線通信媒體實現(xiàn)列車和地面設(shè)備的雙向通信，用以代替軌道電路作為媒體實現(xiàn)列車運(yùn)行控制，突破了用軌道電路檢測列車占用、固定或準(zhǔn)移動閉塞的局限性。CBTC系統(tǒng)由中心和車站的列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、骨干數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（Data Communication System，DCS）、計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（Computer Interlocking，CI）、地面ATP（ZC+DSU）、維護(hù)支持系統(tǒng)（MSS）及車載設(shè)備（ATP+ATO）構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 黑盒測試在系統(tǒng)工程測試中的應(yīng)用

測試CBTC的系統(tǒng)功能是城市軌道交通信號系統(tǒng)測試的核心內(nèi)容。對其中的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，測試其是否滿足需求，即為系統(tǒng)級黑盒測試。在實際的測試中，黑盒即為CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備，輸入為地面設(shè)備的輸出信息，輸入數(shù)據(jù)包括應(yīng)答器報文信息、列車信號信息及無線報文消息等，測試人員根據(jù)車載設(shè)備輸出的結(jié)果對系統(tǒng)行為進(jìn)行評價。

本文以昌平線CBTC系統(tǒng)監(jiān)理驗收過程測試計劃為例，對黑盒測試進(jìn)行分析。

3.1 測試方案設(shè)計

CBTC系統(tǒng)的監(jiān)理驗收測試過程如下：

（1）通過研究規(guī)格說明書，監(jiān)理驗收需要根據(jù)功能要求和性能指標(biāo)，確定測試需求。

（2）對測試需求進(jìn)行分析，分解為不同的可執(zhí)行測試過程，選用與之相對應(yīng)的測試用例，確定方案及預(yù)期結(jié)果；按照已制定的測試方案執(zhí)行測試案例，發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行記錄及管理。

（3）結(jié)合量化的測試覆蓋域及缺陷跟蹤報告，對于系統(tǒng)的質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，作為工程竣工驗收監(jiān)理評估報告組成部分。

檢驗系統(tǒng)功能是否滿足需求規(guī)范，能轉(zhuǎn)變成測試用例是最終目的。如果對各項需求都生成測試用例，會導(dǎo)致測試用例數(shù)量過大。為此，要提取出功能特征，包含系統(tǒng)的各項需求。系統(tǒng)需求、功能特征和測試用例三者間的關(guān)系如圖2。

圖2 系統(tǒng)功能需求、特征與測試用例的關(guān)系

在測試方案的設(shè)計過程中，應(yīng)滿足以下幾個方面的要求：（1）在系統(tǒng)既有接口上測試規(guī)范中的需求。（2）測試用例要具有代表性、判定性、可再現(xiàn)性，能夠包含且覆蓋各種不同狀況的數(shù)據(jù)輸入，操作和環(huán)境設(shè)置等。（3）每一個測試用例都必須有相應(yīng)的期望測試結(jié)果，且同種測試用例的結(jié)果必定相同。（4）從CBTC系統(tǒng)的全局考慮，減少相應(yīng)測試用例的數(shù)量。（5）盡量提取獨(dú)立的、不可分割的功能特征，減少測試案例的復(fù)雜性和測試時間。（6）需要有對系統(tǒng)性能進(jìn)行整體評估的相關(guān)方案。

CBTC的功能測試劃分為6個部分，如圖3。

測試案例的完整描述包含：編號、測試案例基本信息、測試方法及約束條件、測試案例之間的關(guān)系表示、案例的開始條件、案例的操作步驟、案例結(jié)束條件、案例執(zhí)行結(jié)果的判斷標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

本文以列車的臨時限速為例來分析CBTC中應(yīng)用黑盒測試方法的有效性，得到測試案例描述如表1和表2。

3.2 測試環(huán)境分析

測試環(huán)境會對測試過程產(chǎn)生巨大的影響，是測試中需要考慮的重要因素之一。一般來說，系統(tǒng)的測試環(huán)境包括系統(tǒng)構(gòu)成、軟件版本、測試數(shù)據(jù)、測試工具、硬件設(shè)置、功能設(shè)置及外部接口等。測試環(huán)境應(yīng)處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，且測試環(huán)境應(yīng)與整個系統(tǒng)配套，并具備模擬測試條件和監(jiān)測分析手段。

圖3 CBTC測試功能劃分圖

測試具體環(huán)境設(shè)置應(yīng)與總體技術(shù)方案、設(shè)備工作特性和運(yùn)營需求保持一致，并具備一定的模擬測試條件，以驗證系統(tǒng)在某些特殊條件下的功能和故障-安全性能。

3.3 測試數(shù)據(jù)分析

測試數(shù)據(jù)分析是黑盒測試過程中判斷輸入與輸出關(guān)系是否一致的必要手段，是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通過數(shù)據(jù)分析可以得出下列問題：系統(tǒng)是否有錯誤或疏漏的功能；接口能否正常、正確接收數(shù)據(jù)；主要外部信息是否有錯；系統(tǒng)性能能否滿足需求；界面顯示是否出現(xiàn)錯誤；能否進(jìn)行正常的初始化和終止。

表1 臨時限速特定需求、功能特征及測試案例

表2 測試案例-取消已設(shè)置的臨時限速區(qū)域

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，確定缺陷類型，實現(xiàn)分類管理如表3。

4 結(jié)束語

本文以黑盒測試?yán)碚摓榛A(chǔ)，結(jié)合監(jiān)理驗收工作特點(diǎn)，將黑盒測試技術(shù)的具體方法應(yīng)用到城市軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)理驗收中，為系統(tǒng)監(jiān)理驗收評估提供可參考的工作方法。

表3 測試數(shù)據(jù)分析

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