基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）測試方法研究與設(shè)計(jì)

孫曉光 侯 磊（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

孫曉光，男，碩士畢業(yè)于清華大學(xué)，助理工程師。主要研究方向包括軟件開發(fā)、系統(tǒng)測試，曾參與CBTC項(xiàng)目。

隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）由于其安全高效和易于維護(hù)，已經(jīng)成為現(xiàn)今城軌交通領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的城軌列車控制系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)融合先進(jìn)的通信技術(shù)、列控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行行車控制、指揮和管理，基于高精度高冗余的車地雙向通信實(shí)現(xiàn)移動閉塞的列控機(jī)制。CBTC列控系統(tǒng)遵循故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)安全相關(guān)功能須具備SIL4安全完整性等級，因此在系統(tǒng)全生命周期，需進(jìn)行包括軟件單元測試、子系統(tǒng)測試、系統(tǒng)集成測試、工程測試等多層級全面嚴(yán)格的驗(yàn)證測試工作，其中，系統(tǒng)集成測試是系統(tǒng)驗(yàn)證的最直接有效手段，系統(tǒng)集成測試質(zhì)量決定了系統(tǒng)的研發(fā)效果，進(jìn)而影響工程產(chǎn)品的質(zhì)量安全水平。

本文重點(diǎn)研究CBTC系統(tǒng)仿真測試的特點(diǎn)，分析仿真測試環(huán)境的針對性需求和方案特色，提出CBTC系統(tǒng)集成測試?yán)碚擉w系。結(jié)合實(shí)際CBTC測試項(xiàng)目，具體介紹測試案例的設(shè)計(jì)策略。

1 CBTC系統(tǒng)簡介

CBTC系統(tǒng)利用無線設(shè)備進(jìn)行雙向車地通信，實(shí)現(xiàn)列車的移動閉塞控制，具有追蹤間隔小、列車控制精確、安全性高、易維護(hù)等特點(diǎn)。CBTC系統(tǒng)主要由列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、區(qū)域控制器（ZC）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）、列車自動運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)組成，其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ATP、ZC、CBI主要用于列車運(yùn)行安全防護(hù)，防護(hù)與撞車、側(cè)沖、超速及其他危險源相關(guān)的安全事件。ATO在ATP的防護(hù)之下，提供自動控車功能。ATS主要用于列車運(yùn)營調(diào)度，并提供系統(tǒng)狀態(tài)信息，監(jiān)控各子系統(tǒng)功能。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)備間雙向通信。

2 CBTC系統(tǒng)測試環(huán)境

CBTC系統(tǒng)最好的測試驗(yàn)證環(huán)境是理想化的現(xiàn)場環(huán)境，但是現(xiàn)實(shí)中現(xiàn)場測試存在如下問題：1）現(xiàn)場測試人工、費(fèi)用成本很高，且時間周期長；2）現(xiàn)場測試不可知因素較多，容易出現(xiàn)事故；3）現(xiàn)場測試不利于監(jiān)測設(shè)備間通信數(shù)據(jù)和故障模擬；4）現(xiàn)場往往不具備系統(tǒng)功能全面測試所需的所有場景。因此采用實(shí)物與仿真相結(jié)合的半實(shí)物測試環(huán)境尤為重要。通過仿真與實(shí)物相結(jié)合的方式，既在一定程度上模擬了實(shí)際場景，又兼顧了系統(tǒng)測試的可行性、全面性。

CBTC系統(tǒng)測試環(huán)境主要由半實(shí)物仿真測試運(yùn)行系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、綜合測評系統(tǒng)3部分組成。CBTC系統(tǒng)測試環(huán)境總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

半實(shí)物仿真測試運(yùn)行系統(tǒng)，通過實(shí)物接口平臺將實(shí)物設(shè)備接入仿真系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)協(xié)議的解析和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模型和實(shí)物系統(tǒng)的無差異接入，以及虛實(shí)互換和虛實(shí)互控功能。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)，利用半實(shí)物仿真運(yùn)行系統(tǒng)提供的監(jiān)控接口實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備及接口的狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)測，以及操作控制命令的下達(dá)。

綜合測評系統(tǒng)，是面向集成測試和故障診斷等實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)，實(shí)時動態(tài)顯示實(shí)物設(shè)備與實(shí)物設(shè)備、實(shí)物設(shè)備與仿真系統(tǒng)的連接情況。

結(jié)合CBTC系統(tǒng)車地雙向通信量大、移動閉塞、追蹤間隔小、列車控制精確、實(shí)時性要求高的特點(diǎn)，CBTC系統(tǒng)測試環(huán)境添加較多的數(shù)據(jù)監(jiān)測機(jī)制和故障注入方式。

數(shù)據(jù)監(jiān)測主要包括ATP與ZC通信監(jiān)測、ZC與CBI通信監(jiān)測、ZC維護(hù)監(jiān)測、ATP維護(hù)監(jiān)測、ATO維護(hù)監(jiān)測，無線通信監(jiān)測、安全通信維護(hù)監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測為CBTC系統(tǒng)測試提供了除實(shí)物設(shè)備動作以外的觀測點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以直觀的觀測實(shí)物設(shè)備間的交互數(shù)據(jù)。

1）ATP與ZC通信監(jiān)測用于觀察記錄ATP與ZC之間的通信數(shù)據(jù)，如ZC向ATP發(fā)送的移動授權(quán)數(shù)據(jù)、列車回庫注銷時ATP與ZC的交互數(shù)據(jù)。

2）ZC與CBI通信監(jiān)測用于觀察記錄ZC與CBI之間的通信數(shù)據(jù)，如CBI向ZC發(fā)送的計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)、ZC向CBI發(fā)送的邏輯區(qū)段狀態(tài)。

3）ZC維護(hù)監(jiān)測用于觀察記錄ZC設(shè)備接收發(fā)送的所有信息，可通過回放的方式重現(xiàn)測試場景。

4）ATP維護(hù)監(jiān)測、ATO維護(hù)監(jiān)測用于觀察記錄ATP、ATO動作信息及接收發(fā)送的數(shù)據(jù)。

5）安全通信維護(hù)監(jiān)測用于觀察記錄ZC與ATP通信中安全層的連接信息，如列車通信中斷后重新連接ZC時安全連接建立情況。

6）無線通信監(jiān)測用于觀察記錄無線通信情況，如無線信號強(qiáng)度。

為了便于系統(tǒng)故障模擬，營造故障場景測試條件，CBTC系統(tǒng)仿真測試環(huán)境集成了多種故障注入機(jī)制。故障注入主要包括故障數(shù)據(jù)注入、通信故障注入和接口不穩(wěn)定性故障注入。

1）故障數(shù)據(jù)注入主要體現(xiàn)在模型的數(shù)據(jù)輸入不符合設(shè)備預(yù)期，數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性出現(xiàn)異常，如應(yīng)答器數(shù)據(jù)錯誤。

2）通信故障注入主要體現(xiàn)在各設(shè)備模型之間通信連接和通信傳輸?shù)墓收希畿?地?zé)o線通信故障、設(shè)備接口故障等。

3）接口不穩(wěn)定性故障注入主要體現(xiàn)在設(shè)備模型間通信的接口的不穩(wěn)定給模型功能執(zhí)行的故障，如ATP速度傳感器斷線等。

故障注入主要通過仿真平臺、無線加擾、設(shè)備實(shí)物連接等方式實(shí)現(xiàn)。仿真平臺，可以模擬部分在現(xiàn)場試驗(yàn)中無法進(jìn)行的故障場景，提高系統(tǒng)測試的全面性和可靠性，如列車溜逸、計(jì)軸設(shè)備故障等。無線加擾可以在實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)線路無線信號強(qiáng)弱變化的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際測量的線路信號強(qiáng)弱變化，對無線信號進(jìn)行了加擾，模擬真實(shí)線路的實(shí)際無線情況。設(shè)備實(shí)物連接可以在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)物設(shè)備故障、設(shè)備間通信中斷等場景，如CBI設(shè)備故障、ZC與CBI通信中斷、ATP速度傳感器斷線等。

3 CBTC系統(tǒng)測試?yán)碚擉w系

測試案例生成是系統(tǒng)測試的關(guān)鍵問題，本章主要研究了適用于CBTC系統(tǒng)測試的測試案例生成方法，并且給出了應(yīng)用此方法生成測試案例的實(shí)例。

在進(jìn)行系統(tǒng)測試案例編寫之前，首先需要分析系統(tǒng)需求規(guī)范中需求條目的可測性，結(jié)合室內(nèi)仿真測試條件，確認(rèn)可以通過系統(tǒng)仿真測試進(jìn)行驗(yàn)證的系統(tǒng)需求子集，作為后續(xù)工作的輸入。

然后，根據(jù)CBTC系統(tǒng)需求規(guī)范劃分功能實(shí)體，提取具體的功能特征點(diǎn)，針對各功能特征點(diǎn)結(jié)合CBTC系統(tǒng)測試特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化生成案例描述，進(jìn)而生成每個功能特征點(diǎn)對應(yīng)的測試案例。

最后，結(jié)合線路數(shù)據(jù)串聯(lián)測試序列，作為系統(tǒng)集成測試執(zhí)行的依據(jù)。

在功能點(diǎn)、測試案例、測試序列的編寫過程中，需進(jìn)行多級文檔之間的追溯工作，維護(hù)多級工作對系統(tǒng)需求規(guī)范的追溯，以及彼此的追溯關(guān)系，保證所有具備可測性的需求條目真正被測試案例和測試序列覆蓋，并在后續(xù)的測試執(zhí)行中被驗(yàn)證。

各模塊間追溯關(guān)系如圖3所示。

功能特征列表需建立每個功能特征點(diǎn)對需求條目的鏈接追溯關(guān)系。每個功能特征中包含的需求條目是其包含的測試案例追溯需求條目的集合，即每個功能特征追溯的需求條目必然被其包含的一個或多個測試案例追溯。

交叉引用表統(tǒng)計(jì)需求條目和功能特征列表之間的交叉引用關(guān)系（通過功能特征列表到需求條目的鏈接關(guān)系得到），用于證明功能特征列表對可測需求子集的完全覆蓋。

測試案例需建立其對系統(tǒng)需求條目的鏈接追溯關(guān)系，以及與功能特征列表的追溯歸屬關(guān)系。

測試序列需建立其對測試案例的鏈接追溯關(guān)系，保證每個測試案例至少被一個測試序列覆蓋，如出現(xiàn)部分測試案例無法被追溯的情況，必須清楚說明該情況，如由于線路數(shù)據(jù)限制，部分案例可能暫不能進(jìn)行測試。

3.1 功能特征點(diǎn)

CBTC系統(tǒng)測試立足于系統(tǒng)需求規(guī)范，由于需求數(shù)量眾多，且部分需求條目較為細(xì)致，針對具體功能的描述存在重疊和重復(fù)的現(xiàn)象。若針對每條系統(tǒng)需求編寫測試案例，測試案例數(shù)量較為龐大，且存在重復(fù)工作的可能。另外，部分需求較為概括，需要劃分至具體的功能進(jìn)行測試。為了解決上述問題，通過功能特征點(diǎn)歸納系統(tǒng)功能，對已篩選確定可測的需求條目進(jìn)行重新劃分，保證每一條需求至少在一個功能特征點(diǎn)中得到反映。每個功能特征點(diǎn)是一組需求的集合，追溯一條或者多條系統(tǒng)需求條目。

在功能特征點(diǎn)提取過程中，根據(jù)CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分功能實(shí)體，分割各子系統(tǒng)的功能點(diǎn)，逐步細(xì)化，形成相對獨(dú)立、基礎(chǔ)的功能特征點(diǎn)。CBTC系統(tǒng)測試功能點(diǎn)按照子系統(tǒng)進(jìn)行歸納，分為車載ATP子系統(tǒng)、ZC子系統(tǒng)、CBI子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)，然后根據(jù)系統(tǒng)需求逐步細(xì)分。

在功能特征點(diǎn)的歸納總結(jié)中，還需注意以下幾個地方：1）需為每條功能點(diǎn)均分配一個唯一的功能點(diǎn)編號，方便后續(xù)對功能點(diǎn)的追溯統(tǒng)計(jì)；2）需明確每條功能點(diǎn)適用的車載設(shè)備運(yùn)行等級和模式；3）需建立對系統(tǒng)需求條目的追溯。

CBTC系統(tǒng)測試功能點(diǎn)的列表格式如表1所示。

表1 CBTC系統(tǒng)測試功能點(diǎn)示例

3.2 測試案例

測試案例根據(jù)功能特征點(diǎn)進(jìn)行編寫。通過分析功能特征點(diǎn)的可能場景，將功能特征點(diǎn)拆分為若干分支流程，然后通過用例圖、狀態(tài)圖等輔助措施，從不同角度描述功能特征點(diǎn)對應(yīng)功能的整個過程，最終結(jié)合CBTC系統(tǒng)測試中用于驗(yàn)證和觀測的可見接口，如ZC-ATP通信等監(jiān)測數(shù)據(jù)、CBI控顯、ATS控顯等，形成案例描述。案例描述是對測試案例中測試內(nèi)容的概括，通過對案例描述進(jìn)行擴(kuò)展，可以生成測試案例。生成測試案例的詳細(xì)步驟如下：

步驟1：根據(jù)功能特征點(diǎn)，分析可能的場景，形成用例圖等；

步驟2：根據(jù)可能場景，確定相關(guān)設(shè)備；

步驟3：根據(jù)相關(guān)設(shè)備，確定可測性及觀測接口；

步驟4：根據(jù)可能場景和可測性，形成案例描述；

步驟5：根據(jù)案例描述，確定測試案例的詳細(xì)步驟、觀測接口、預(yù)期結(jié)果等。

選取ATP的功能點(diǎn)“ATP接收移動授權(quán)”為例，分析ATP接收移動授權(quán)的可能場景，可確定該功能點(diǎn)主要與ZC設(shè)備有交互。通過ATP與ZC的接口監(jiān)測數(shù)據(jù)可以觀測ATP接收移動授權(quán)的情況，形成案例描述，部分案例描述如表2所示。

表2 CBTC系統(tǒng)案例描述示例

最后，根據(jù)活動圖將案例描述的場景進(jìn)行細(xì)化，按照測試案例模板形成測試案例。測試案例主要包括以下內(nèi)容：

1）被測對象：本案例測試目的涉及的對象設(shè)備（車載或地面子系統(tǒng)）。

2）所屬的功能特征：每一個測試案例都是針對某一個功能特征設(shè)計(jì)出來的，用于測試其所屬的功能特征。

3）測試的系統(tǒng)需求：每一個測試案例都測試了系統(tǒng)需求規(guī)范中的某條需求，必須標(biāo)明。4）測試方法：包括測試步驟、如何檢驗(yàn)測試結(jié)果。5）易于理解的測試環(huán)境：測試包括測試所處的模式等級，各接口的狀態(tài)條件。

6）測試執(zhí)行的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：測試案例執(zhí)行結(jié)束時所處的狀態(tài)，產(chǎn)生的影響。

3.3 測試序列

CBTC系統(tǒng)主要包括車載ATP子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)、ZC子系統(tǒng)、CBI子系統(tǒng)和ATS子系統(tǒng)。測試序列的組織采用先焦點(diǎn)后全面的順序進(jìn)行。首先依次以車載ATP子系統(tǒng)和ATO子系統(tǒng)為焦點(diǎn)，組織測試序列，并對測試案例進(jìn)行追蹤統(tǒng)計(jì)，此過程將覆蓋所有車載ATP子系統(tǒng)和ATO子系統(tǒng)相關(guān)測試案例集，以及大部分ZC、CBI、ATS子系統(tǒng)相關(guān)測試案例；接下來，依次針對ZC、CBI、ATS子系統(tǒng)未被覆蓋的測試案例，組織測試序列，對測試案例進(jìn)行鏈接統(tǒng)計(jì)，保證測試序列全面覆蓋測試案例集。

車載ATP子系統(tǒng)和ATO子系統(tǒng)可采用內(nèi)部狀態(tài)串聯(lián)方法，組織測試序列。內(nèi)部狀態(tài)串聯(lián)方法的要點(diǎn)在于定義子系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)集，內(nèi)部狀態(tài)集覆蓋所有可能的等級/模式組合。兩個內(nèi)部狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移稱為一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線。一旦定義好狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線后，通過將模式與（或）等級狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線中指定的或者相關(guān)的測試案例進(jìn)行串接，從而形成狀態(tài)轉(zhuǎn)移路線中的測試子序列集。

對測試案例進(jìn)行串接時，需同時參照測試案例起始和結(jié)束的外部接口狀態(tài)和其他子系統(tǒng)狀態(tài)描述，防止出現(xiàn)CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

內(nèi)部狀態(tài)串聯(lián)方法的序列串接過程，需確保所有測試子序列被至少使用一次并且使測試子序列的使用數(shù)量達(dá)到最少。

完成車載ATP或ATO子系統(tǒng)序列串聯(lián)之后，需使用ZC、CBI、ATS子系統(tǒng)等相關(guān)子系統(tǒng)的測試案例，對序列測試案例中子系統(tǒng)相關(guān)接口測試步驟進(jìn)行替代，并追蹤鏈接對應(yīng)測試案例和需求。

針對ZC、CBI、ATS子系統(tǒng)未被覆蓋的測試案例，采用枚舉方式，串聯(lián)測試案例，組織測試序列，保證對測試案例和需求集的完全覆蓋追蹤。

此外，串聯(lián)測試序列時需考慮線路數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，分析確定線路中的特殊位置，如建立定位點(diǎn)、完成頭篩點(diǎn)、列車升級點(diǎn)、站臺區(qū)段、折返區(qū)段等。

4 結(jié)束語

CBTC系統(tǒng)測試對系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供必要的保證。在CBTC系統(tǒng)開發(fā)與研制項(xiàng)目中，基于CBTC系統(tǒng)仿真環(huán)境和相關(guān)測試案例、測試序列，可行性得到驗(yàn)證，測試效果顯著。

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