黑盒測試技術在城市軌道交通信號系統監理驗收中的研究與應用

張 偉，高 凡

（中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，北京100081）

城市軌道交通信號系統建設過程中，為全面檢驗系統的設計方案和功能需求，在集成和調試完成后，由第三方監理單位組織驗收小組，對系統的功能、質量進行檢驗，并評估其安全性及可靠性等。應用黑盒測試技術，檢驗設計方案的完善程度與安全性能，可以為工程最終竣工驗收、開通試運營提供依據。

1 黑盒測試概述

黑盒測試是在不知曉程序內部情況的前提下對系統進行的測試，它是基于需求和功能的技術。測試主要從用戶角度出發，針對軟件確認和系統功能，驗證產品的功能是否實現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：根據輸入數據產生效果的異同，將輸入數據分成不同的數據等價類，進而生成測試用例。

（2）邊界值分析法：測試中許多錯誤并非在正常輸入范圍內產生，而是在一些較為特殊的邊界區域，設計測試案例時以邊緣區域設計為重點。

（3）錯誤猜測法：猜測被測試程序容易出現錯誤的地方，設計測試用例。它通常依據測試人員的經驗，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系，使測試人員更關注與程序功能有關的輸入組合。

1.2 黑盒測試目標

采用黑盒測試主要是在已知系統應該具備的功能基礎上，完成以下目標：

（1）從用戶方出發，以輸入與輸出的數據關系為目標進行測試。

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

（3）對人機交互和數據結構的對錯進行檢測，測試系統程序是否能正常收到輸入數據并生成正確結果。

1.3 黑盒測試計劃

（1）根據需求，實施凈測試。（2）根據需求，加入結構化測試。（3）根據需求，增加數據流覆蓋測試。（4）執行未覆蓋到的域測試。（5）根據需求，進一步進行特殊測試。

2 城市軌道交通信號系統總體結構

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

目前，城市軌道交通領域主要應用基于通信的列車運行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統，該系統采用先進的雙向無線通信技術、計算機技術及移動閉塞技術，用無線通信媒體實現列車和地面設備的雙向通信，用以代替軌道電路作為媒體實現列車運行控制，突破了用軌道電路檢測列車占用、固定或準移動閉塞的局限性。CBTC系統由中心和車站的列車自動監控系統（ATS）、骨干數據通信系統（Data Communication System，DCS）、計算機聯鎖系統（Computer Interlocking，CI）、地面ATP（ZC+DSU）、維護支持系統（MSS）及車載設備（ATP+ATO）構成，其結構如圖1。

圖1 CBTC系統結構圖

3 黑盒測試在系統工程測試中的應用

測試CBTC的系統功能是城市軌道交通信號系統測試的核心內容。對其中的工程數據進行驗證，測試其是否滿足需求，即為系統級黑盒測試。在實際的測試中，黑盒即為CBTC系統的車載設備，輸入為地面設備的輸出信息，輸入數據包括應答器報文信息、列車信號信息及無線報文消息等，測試人員根據車載設備輸出的結果對系統行為進行評價。

本文以昌平線CBTC系統監理驗收過程測試計劃為例，對黑盒測試進行分析。

3.1 測試方案設計

CBTC系統的監理驗收測試過程如下：

（1）通過研究規格說明書，監理驗收需要根據功能要求和性能指標，確定測試需求。

（2）對測試需求進行分析，分解為不同的可執行測試過程，選用與之相對應的測試用例，確定方案及預期結果；按照已制定的測試方案執行測試案例，發現問題進行記錄及管理。

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

檢驗系統功能是否滿足需求規范，能轉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，會導致測試用例數量過大。為此，要提取出功能特征，包含系統的各項需求。系統需求、功能特征和測試用例三者間的關系如圖2。

圖2 系統功能需求、特征與測試用例的關系

在測試方案的設計過程中，應滿足以下幾個方面的要求：（1）在系統既有接口上測試規范中的需求。（2）測試用例要具有代表性、判定性、可再現性，能夠包含且覆蓋各種不同狀況的數據輸入，操作和環境設置等。（3）每一個測試用例都必須有相應的期望測試結果，且同種測試用例的結果必定相同。（4）從CBTC系統的全局考慮，減少相應測試用例的數量。（5）盡量提取獨立的、不可分割的功能特征，減少測試案例的復雜性和測試時間。（6）需要有對系統性能進行整體評估的相關方案。

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、測試案例之間的關系表示、案例的開始條件、案例的操作步驟、案例結束條件、案例執行結果的判斷標準等內容。

本文以列車的臨時限速為例來分析CBTC中應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 測試環境分析

測試環境會對測試過程產生巨大的影響，是測試中需要考慮的重要因素之一。一般來說，系統的測試環境包括系統構成、軟件版本、測試數據、測試工具、硬件設置、功能設置及外部接口等。測試環境應處于一個相對穩定的狀態，且測試環境應與整個系統配套，并具備模擬測試條件和監測分析手段。

圖3 CBTC測試功能劃分圖

測試具體環境設置應與總體技術方案、設備工作特性和運營需求保持一致，并具備一定的模擬測試條件，以驗證系統在某些特殊條件下的功能和故障-安全性能。

3.3 測試數據分析

測試數據分析是黑盒測試過程中判斷輸入與輸出關系是否一致的必要手段，是發現系統缺陷的關鍵環節。

通過數據分析可以得出下列問題：系統是否有錯誤或疏漏的功能；接口能否正常、正確接收數據；主要外部信息是否有錯；系統性能能否滿足需求；界面顯示是否出現錯誤；能否進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-取消已設置的臨時限速區域

根據測試數據分析的結果，確定缺陷類型，實現分類管理如表3。

4 結束語

本文以黑盒測試理論為基礎，結合監理驗收工作特點，將黑盒測試技術的具體方法應用到城市軌道交通信號系統監理驗收中，為系統監理驗收評估提供可參考的工作方法。

表3 測試數據分析

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