基于在線分析儀器的測試方法與測試技術

劉立富

(杭州澤天科技有限公司，杭州，310052)

0 序言

在線分析儀器又稱過程分析儀器，是指直接安裝在工藝流程中，對被測介質的組成成分或物性參數進行自動連續分析的一類儀器。為了拓展在線分析儀器的市場，一些公司開始研發或改進相應的在線分析儀器產品。若使新開發或改進的分析儀器能夠在用戶現場長期、可靠地運行，除了通過前期的技術預研、設計開發及技術評審等方法保證，還需要通過產品測試對產品的功能、性能、可靠性等方面進行驗證，以保證產品質量。目前，在線分析儀器在用戶現場暴露出的問題主要集中在軟件bug、器件失效、EMC問題、測量受環境溫度影響等。根據Pareto原則，產品中所有缺陷并不是都可以在測試中發現。但是其中的一些問題，如軟件部分bug和測量受環境影響等一些缺陷可以在測試階段通過加強測試發現并改進，這不僅需要加強測試人員的質量意識，更需要加深測試人員對測試理論知識的理解和測試技術的掌握。

1 測試基本理論

1.1 測試職責

在線分析儀器測試人員角色根據負責產品模塊的類別不同，分可以分為軟件測試人員、硬件測試人員、產品測試人員和可靠性測試人員及認證測試人員等。軟件測試人員主要負責軟件黑盒測試，硬件測試人員主要負責硬件單元測試和硬件與軟件的集成測試?？煽啃詼y試人員負責產品可靠性方面的測試，主要有環境測試和壽命測試等，認證測試人員則主要負責產品的CMC認證、防爆認證等型式試驗相關檢測項目的測試。產品測試人員的主要職責是協助單元測試和集成測試，執行系統測試、一致性測試和用戶測試等，協助分析、解決測試問題。當然不同公司的組織架構會不同，測試人員職責的劃分也會不相同。目前，大多分析儀器公司軟件測試、硬件測試及可靠性測試主要由產品測試人員完成。

1.2 測試定義

Glenford J.Myers 在《The Art of Software Testing》中從心理學和經濟學兩方面對測試的定義和測試原則進行了基本的闡述，在該書中測試是指是為了發現錯誤而執行程序的過程。目前，對于測試的定義，不同的人對其描述也略有不同。1993年，IEEE提出的軟件工程標準術語中，將軟件測試定義為：使用人工或自動手段來運行或評價某個系統或系統部件的過程，其目的在于檢驗它是否滿足規定的需求或是弄清預期結果和實際結果之間的差別。盡管不同人對測試定義存在差異，然而不同的定義均明確了測試應該是以查找缺陷為目標的一種過程。

1.3 測試目的

測試的目的不僅是為了發現產品缺陷，而且通過分析缺陷分布特征和缺陷產生原因可以幫助項目經理改進當前開發過程中的一些問題。同時，通過缺陷分析也能幫助我們設計出有針對性的測試用例，提高測試有效性。測試理想目標是達到“產品零缺陷”，即使測試過程中沒有發現任何缺陷，該過程的測試也具有意義，完整的測試是評價產品質量的有效手段。

1.4 缺陷收斂度

關于缺陷管理的理論研究起步比較晚，發展遠未成熟。參考CMM5中定義規范和目前在線分析儀器行業特點，將產品缺陷按照嚴重程度分為四級：致命、嚴重、一般和建議。

通過測試缺陷收斂趨勢能夠反映被測試產品的質量變化情況，不僅可以輔助項目經理進行決策，而且也可以做為產品發布的一個重要參考，測試缺陷收斂度評估示例圖見圖1。在線分析儀器的測試缺陷收斂度可以從以下三個方面進行評估。

1）缺陷累計發現數；

2）各階段缺陷提交數；

3）缺陷遺留數。

測試缺陷累計發現數趨于穩定和各階段缺陷提交數趨近于0，表示產品質量相對比較穩定，但是并不代表產品質量好。缺陷遺留數趨勢曲線下跌的時候，表示產品質量有所改進，缺陷遺留數趨勢曲線逐漸上升時，表示產品質量在持續惡化。缺陷遺留數收斂趨勢曲線越趨近于0，產品質量越好。

圖1 測試缺陷收斂度評估示例

2 測試方法

根據測試人員對被測對象的了解程度來劃分，測試用例設計方法可分為白盒測試和黑盒測試。

白盒測試：又稱為結構測試或邏輯驅動測試，必須知道軟件或產品內部工作過程，通過測試來檢測其內部是否按照需求、設計正常運行。通過邏輯覆蓋、路徑覆蓋等方式選擇測試用例，可以用測試覆蓋率評價測試用例。在線分析儀器一般在單元測試階段中軟件測試和硬件測試采用白盒測試方法，主要驗證軟件流程、軟件算法是否滿足需求和硬件信號鏈路是否正確等。

黑盒測試：又稱數據驅動測試或功能測試，是針對軟件或產品的功能需求進行測試。通過測試來檢測每個功能是否符合需求，不考慮其內部的邏輯結構。下面介紹幾種在線分析儀器測試中常用的幾種黑盒測試方法。

2.1 等價類劃分法

測試人員應該首先了解并掌握的功能測試相關技術是等價類劃分，理解這種技術的用法十分重要，因為它是很多其它軟件測試技術和途徑的基礎。等價類是某個輸入域的集合，在這個集合中每個輸入條件都是等效的，如果其中一個的輸入條件不能發現產品或軟件缺陷，那么集合中其它輸入條件進行測試時也不會發現缺陷。等價類分為有效等價類和無效等價類，有效等價類就是由對產品規格說明有意義的、合理的輸入數據所構成的集合；無效等價類就是對產品的規格說明不合理的或無意義的輸入數據所構成的集合，設計測試用例時需要同時考慮這兩種等價類。

2.2 邊界值分析法

從長期的測試工作經驗得知，大量的故障往往發生在輸入定義域或輸出值域的邊界上，而不是在其內部。使用邊界值分析方法設計測試用例，首先應該確定邊界情況，輸入等價類與輸出等價類的邊界，是應該著重測試的邊界情況。邊界值分析方法的基本思想是，選取正好等于、剛剛小于或剛剛大于邊界的值作為測試數據，而不是選取等價類中的典型值或者任意值作為測試數據。在測試過程中，考慮了邊界條件的測試用例與其他沒有考慮邊界條件的測試用例相比，具有更高的測試回報率。

2.3 因果圖法

等價類劃分和邊界值分析的測試方法，主要考慮單一輸入條件，但是不考慮各個輸入條件之間的相互制約關系，也不考慮輸入條件的各種組合情況。如果考慮使用一種適合于描述多種輸入條件的組合，產生多個相應動作的測試方法，可以使用因果圖，因果圖法適用于多種條件的組合、相應產生多個結果的情況。在較為復雜的情況下，這個測試方法能有效地幫助我們檢查多種條件組合下的輸出是否正確，并且設計出高效、非冗余的測試用例。

2.4 錯誤推測法

錯誤推測法，基于經驗和直覺推測產品中可能存在的各種錯誤，從而有針對性的設計測試用例的方法。錯誤推測方法的基本思想是，根據以往的工作經驗推測出產品中所有可能存在的錯誤和容易發生錯誤的特殊情況，根據他們選擇測試方法和設計測試用例。

當然，還有其他一些測試方法可以在測試用例設計中使用，如：正交設計法、特殊值法、流程分析法和組合設計法等。各種測試方法各有所長，應該針對產品的具體需求，選擇合適的測試方法，設計高效的測試用例，有效地將產品中隱藏的缺陷揭露出來。

3 測試流程

根據在線分析儀器的自身特性和測試階段的先后順序，測試流程主要包括單元測試、集成測試、系統測試、用戶測試、試生產測試和量產測試，測試流程圖見圖2。單元測試一般采用白盒測試，以單元模塊的詳細設計文檔為依據，對開發模塊內部功能、邏輯進行測試。集成測試以各級子系統概要設計文檔為依據，對經過單元測試的模塊進行組合測試，所測試的內容主要包括單元間的接口，單元集成后的功能及樣機的風險項目測試等。系統測試是主要根據產品包需求和產品相關標準，驗證其滿足要求所規定的功能、性能、兼容性、可靠性等方面的特性。用戶測試包含α測試和β測試，主要以事先確定的技術協議為依據，主要對可安裝性、可維護性、主要功能、主要性能等進行驗證，以保證產品達到可以交付使用的狀態。試生產測試對開發產品進行小批量的試生產，對產品的生產物料采購、制造、檢驗等工藝環節進行驗證，以確保產品能順利進行批量生產。量產測試由研發測試部門對量產產品進行抽測，主要是對產品的穩定性、可靠性等長周期測試項目以及在前面階段出現缺陷較多的功能、性能項目等進行的測試。

圖2 測試流程圖

在線分析儀器在某一階段下的測試工作過程可以參考圖3進行，測試人員首先進行測試需求分析，盡早了解被測儀器。通過分析測試需求了解測試規模、復雜程度與可能存在的風險等，測試需求越詳細，測試人員便會對所測產品越了解和對所要進行的測試任務越清晰，這樣便會更有把握保證質量與進度。測試需求是測試計劃的基礎與重點，測試計劃是為了測試某個產品而制定的計劃，測試計劃應包括：產品概述、測試需求說明、測試資源配置、風險分析和測試周期等。

測試用例設計的目的是將系統需求具體化，提取測試需求，通過可測試的方法對每個功能點進行描述。測試用例的要素應該完整，包含用例編號、用例版本、編制人員、編制日期、測試目的、測試資源、預期結果和測試步驟等。測試用例設計時一定要關注測試步驟的可操作性和數據的具體量化指標。

在線分析儀器測試環節中避免執行測試之前不編寫測試方案和測試方案未經過評審直接執行測試，尤其對于長周期、高成本和高優先級的項目測試。測試方案中需要體現出測試策略、測試樣機數量、測試資源、測試安排和測試用例等。目前一些公司產品的軟件測試大多傾向于正向測試，故在測試方案編寫時需要多考慮設計逆向測試用例。在測試之前需要安排好測試資源，并且分析測試工裝、設備的測量不確定度及誤差。

執行測試時先測試儀器核心功能，然后進入性能測試階段，再進行軟件測試（可以提前開始），最后進行可靠性測試。在線分析儀器測試工作中一個非常重要的工作是可靠性測試，往往在可靠性測試工作中會暴露出產品一些致命、嚴重設計缺陷，在項目開發中往往也是在該測試階段項目延期率持續增加?？煽啃詼y試分類方法較多，常規的分類方法主要有：環境測試、壽命測試、篩選測試、現場使用測試和鑒定測試五大類。目前，在線分析儀器可靠性測試中主要進行環境測試和壽命測試，其他三類可靠性測試還不夠深入。環境試驗是考核產品在各種環境（溫度、振動、沖擊、潮熱、鹽霧、低氣壓等）條件下的適應能力，一般會根據產品包需求適當放寬范圍進行測試。壽命試驗是研究產品壽命特征和失效規律的測試方法，將產品放在特定的試驗條件下考察其失效隨時間變化特征。在線分析儀器在一些應用場合下條件惡劣，不僅樣氣中存在高濃度粉塵、腐蝕性氣體，而且有時安裝位置存在高頻率振動等，在這樣惡劣的應用環境下尤其需要關注產品的可靠性。

測試報告一般是測試階段最后的輸出文檔，一份詳細的測試報告應該包含足夠的信息，如缺陷統計、遺留問題分析、產品質量評估等。測試報告中出現問題較多的是：測試項目不完整、缺陷問題分析不夠深入、語言不夠簡練通俗。對于長周期的測試，應在每個測試階段完成后編寫測試報告，以免長時間后遺漏重要的測試細節。

4 結論

在線分析儀器的測試是保證產品質量一項非常重要的工作，測試人員需要掌握豐富的測試理論知識和測試技術，合理設計測試用例才能有效地發現產品中隱藏的缺陷，尤其軟件中的逆向測試用例和產品可靠性測試用例的設計。在實際的工作中發現在線分析儀器系統測試階段過程，通過逆向測試用例和可靠性測試用例發現的缺陷數比例的確很高。隨著測試技術的發展，越來越多的測試方法會被應用在分析儀器行業中，這將有效地提高測試效率和產品質量。

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