城軌牽引控制軟件自動化測試系統(tǒng)應用

株洲中車時代電氣股份有限公司 蔣明睿

1.緒論

1.1 嵌入式軟件自動化測試背景

嵌入式軟件相對于其他軟件具備一些特殊性。一方面，嵌入式軟件在整個軟件行業(yè)的占比較低，約為11%，同時嵌入式軟件的架構和標準不統(tǒng)一，導致目前市場上成熟的自動化測試軟件對其支持性不佳；另一方面，嵌入式軟件運行一般需依賴特有的硬件芯片和外部接口，自動化測試環(huán)境構建時需兼顧自動化測試、硬件資源和接口差異的問題，因而對其開展自動化測試相對難度更高。

目前流行的自動化測試工具很難直接用于嵌入式控制軟件測試，有一些自動化測試工具雖然可以經(jīng)定制和移植后使用，但是定制的成本較高，且不易維護、通用性不強。

1.2 軟件自動化測試發(fā)展現(xiàn)狀

自動化測試是提高測試效率，降低重復勞動的有效方式，目前正被廣泛應用，它能夠完成許多人工測試無法實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的工作。

目前常用的自動化測試方法大致分為三種：

（1）第一種方法是采用測試工具的錄制-回放功能，自動生成測試腳本。該方法實現(xiàn)簡單，但劣勢明顯：不具有邏輯判斷能力，可維護性差，效率低，代碼量大，兼容性差。

（2）第二種方法是采用數(shù)據(jù)驅動測試技術（Data Driven Testing，通過數(shù)據(jù)來驅動測試業(yè)務流的一種技術）進行自動化測試。數(shù)據(jù)驅動技術的核心思想是將可變部分（數(shù)據(jù)）和不變部分（腳本）分離以降低維護工作量。

（3）第三種方法是采用關鍵字驅動測試技術（Keyword Driven Testing，使用關鍵字來驅動測試業(yè)務流的一種技術）進行自動化測試。關鍵字驅動方式的出現(xiàn)是對數(shù)據(jù)驅動方式的邏輯擴展，是通過關鍵字“驅動”測試業(yè)務流的過程。

1.3 城軌牽引控制軟件測試概況

隨著軌道交通領域的快速發(fā)展，軌道交通產(chǎn)品的功能越來越復雜，對軌道交通產(chǎn)品的可靠性要求也越來越高。軌道交通車輛控制設備中的傳動控制單元（Drive Control Unit ，簡稱DCU，一種運用于軌道交通領域的牽引變流器上的控制器）作為關鍵設備之一，對牽引變流器實施精準的控制時，DCU的邏輯控制功能相當重要，承擔著牽引系統(tǒng)管理和通訊的重要功能，直接影響牽引變流器的功能、安全及效率。

目前，采用人工測試的方式進行DCU測試越來越面臨挑戰(zhàn)，存在下述缺點：人工測試效率低、回歸測試效率低、測試用例編寫工作量大、測試周期長以致測試不充分。問題的出現(xiàn)，促使我們尋求更高效的自動化測試，期望減少重復工作、提升效率、降低成本。

2.系統(tǒng)概述

2.1 方案概述

城軌DCU半實物非實時自動化測試系統(tǒng)主要是基于下一代地鐵平臺的傳動控制單元邏輯控制軟件，是為城軌DCU的邏輯功能驗證及軟件測試而設計的。

現(xiàn)有技術方案是配置TestStand測試工具和測試環(huán)境的接口，集成公司自主研發(fā)的DCU半實物仿真測試臺軟件，并由測試人員利用TestStand自帶的腳本開發(fā)環(huán)境開發(fā)并執(zhí)行測試腳本，完成測試。DCU機箱經(jīng)過信號調(diào)理或數(shù)據(jù)轉換與測試環(huán)境軟件進行數(shù)據(jù)交互，自動化測試軟件通過測試接口協(xié)議，與測試環(huán)境軟件進行數(shù)據(jù)通信，從而對實物DCU進行自動化測試。

本系統(tǒng)的關聯(lián)關系圖如圖1所示。

圖1 城軌DCU自動化測試系統(tǒng)關聯(lián)關系圖

2.2 方案設計目的

本方案的設計目的是為了配合手動測試，提高軟件測試效率。

2.3 方案可行性評估

本方案在設計初就進行了可行性分析。發(fā)現(xiàn)被測對象是基于城軌平臺的DCU，從平臺本身角度分析，已經(jīng)具備穩(wěn)定且通用的對外接口，對于搭建的測試環(huán)境的可變動性影響不大；且DCU硬件中運行的關鍵軟件DCU邏輯控制軟件，本身已經(jīng)是基于模塊化方式進行開發(fā)，部分軟件功能已固化為組件，具備一定的通用性，適合自動化測試的復用性設計。

2.4 方案說明

本系統(tǒng)是基于NI公司成熟的TestStand軟件，結合公司已有的半實物非實時測試平臺資源，自主開發(fā)通訊接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的組成部分可大致分4部分，如下所示：

（1）信號驅動：PCI、MVB接口板、信號調(diào)理機箱等；

（2）測試環(huán)境軟件模型：主電路、電壓電流、溫度壓力、車輛運行、網(wǎng)絡等；

（3）軟件外部接口：開放本地與自動化執(zhí)行工具數(shù)據(jù)交互；

（4）自動化測試：自動化執(zhí)行架構。

整個系統(tǒng)的關鍵控制流程如下，示意圖如圖2所示。

圖2 自動化測試系統(tǒng)控制流示意圖

本系統(tǒng)是在原有的測試平臺基礎上，增加了自動化測試的接口，從圖中可看出，本系統(tǒng)提供手動執(zhí)行、自動執(zhí)行兩種模式。在自動執(zhí)行模式下，自動化測試系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)流和原本測試環(huán)境模型的數(shù)據(jù)流會進行相應的數(shù)據(jù)替換，再通過信號映射方式，完成與被測對象的數(shù)據(jù)交互。

圖3 自動化測試腳本編寫

圖4 自動化測試腳本執(zhí)行

2.5 方案覆蓋的需求

本系統(tǒng)能夠覆蓋軟件需求規(guī)格中描述的所有通用的、適用于自動化測試的需求內(nèi)容，目前能覆蓋故障診斷部分需求的95%，變流器邏輯控制部分需求的85%，其余未覆蓋的需求主要是涉及項目差異化的內(nèi)容。

2.6 方案的應用情況

本系統(tǒng)目前已在深圳11、深圳9、昆明3、昆明6、杭州2號線等項目上開展了試點應用，平均單項目的統(tǒng)計達440條用例以上。目前達到的效果是腳本可配置、可自動測試執(zhí)行并生成報表、腳本可復用、功能模塊化。

2.7 方案的工作流程

本系統(tǒng)的工作流程分為三步：

（1）測試人員分析軟件需求規(guī)格，開展測試分析；與此同時，測試環(huán)境搭建人員根據(jù)已有的資源構建環(huán)境；

（2）測試人員采用基于TestStand軟件定制開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境編寫測試腳本，并輸入到自動化測試系統(tǒng)的人機交互軟件進行測試執(zhí)行，產(chǎn)生測試報表；

（3）測試人員分析報表并開展回歸測試；與此同時，測試環(huán)境人員配合完成相應測試系統(tǒng)的維護和優(yōu)化。

3.系統(tǒng)功能

3.1 自動化測試腳本編寫

為了保證通用型測試用例在不同被測DCU上的應用，本系統(tǒng)在進行測試腳本設計時提供了模塊化、通用化設計方式。

針對同類型測試用例在進行測試腳本設計時，需充分考慮測試腳本在不同城軌DCU項目上的復用，提高腳本的通用性水平。進行測試腳本設計前，將測試用例進行分類設計與封裝。方便其他測試人員進行測試用例的設計時，快速構建新的測試腳本（見圖3）。

3.2 自動化測試腳本執(zhí)行

自動化測試執(zhí)行具有友好的人機接口。

利用本系統(tǒng)進行自動化測試過程中，減少了測試人員的手動操作和預期結果的判斷，提供一個友好的人機交互界面，方便測試人員能清晰了解當前執(zhí)行測試用例的相關信息，如已執(zhí)行用例的名稱、結果狀態(tài)，執(zhí)行進度等（見圖4）。

3.3 自動化測試報告生成

自動化測試系統(tǒng)具備測試報告生成功能。

本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)測試執(zhí)行過程中測試數(shù)據(jù)的記錄，并根據(jù)記錄的要求生成測試報告，反饋給用戶。測試報告中詳細記錄各個測試腳本具體的執(zhí)行過程信息，并統(tǒng)計本輪測試任務中各需求點的測試腳本通過率、需求覆蓋率等測試指標，便于測試人員查看和分析數(shù)據(jù)。測試報告名稱、命名規(guī)則等信息能夠由用戶定制。測試報告能夠離線保存、查看，便于后續(xù)的統(tǒng)計分析、管理（見圖5）。

3.4 自動化測試管理功能

自動化測試系統(tǒng)提供了基本的測試管理功能。能夠利用測試腳本開發(fā)環(huán)境TestStand軟件，自由的進行待測測試腳本的范圍選擇，并利用友好的人機交互程序進行測試執(zhí)行。

3.5 自動化測試配置功能

3.5.1 支持可適配的通用測試環(huán)境

自動化測試系統(tǒng)能適配不同城軌車輛測試協(xié)議，與測試環(huán)境進行數(shù)據(jù)接口。城軌半實物測試臺上的自動化測試系統(tǒng)，與測試環(huán)境軟件通過通信數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)交互。測試人員僅通過簡單的協(xié)議配置等方式，將測試腳本進行快速移植使用。

圖6 數(shù)據(jù)接口流程圖

3.5.2 支持可配置的測試腳本修改

圖5 自動化測試報告生成

圖7 自動化測試腳本修改

測試腳本采用結構化的方式進行組織，精確描述了測試描述、測試前置條件、每個步驟的測試強制信號、延時邏輯、測試判據(jù)邏輯、復位條件等內(nèi)容，便于用戶對測試腳本進行可配置的修改。

不同項目的測試進行切換時，如果存在需求通用的情況，可以直接復用測試腳本（見圖7）。

4.系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)能夠根據(jù)被測項目情況和測試人員使用習慣，提供多種應用模式，滿足在多種測試場景下的需求。同時，通過實際的測試項目試點，驗證了系統(tǒng)的使用效果。

4.1 多種應用模式

4.1.1 已有測試模板，直接執(zhí)行測試的方式

該種執(zhí)行方式為，通過基于TestStand的Interface組件開發(fā)的人機交互程序，加載并調(diào)用已編輯調(diào)試好的測試腳本（Sequence文件），然后直接執(zhí)行測試即可。其中可以通過人機交互程序界面顯示測試執(zhí)行進度、生成測試報告。

4.1.2 已有測試模板，修改配置后執(zhí)行測試的方式

針對有測試模板可參考的項目，執(zhí)行方式為：首先，選定和待測項目的功能需求最接近的測試模板（已有測試模板都按照不同車型、平臺進行分類），由測試人員根據(jù)被測軟件的需求規(guī)格，以及相關的數(shù)據(jù)參數(shù)，對照已有的測試模板進行確認，修改相關的配置參數(shù)，并對相關的測試腳本進行增刪（刪除與本項目不相關的腳本，按規(guī)范格式補充編寫新增腳本）。然后，參照已有測試模板的執(zhí)行方式（即模式1）開展測試即可。

4.1.3 沒有測試模板，手動創(chuàng)建并執(zhí)行測試的方式

針對無測試模板可參考的項目，執(zhí)行方式為：采用TestStand軟件自帶的集成開發(fā)環(huán)境Sequence Editor，同時采用測試模板的方式，將常用的控制命令、延時參數(shù)、通用的前置條件、復位條件模塊全部都封裝好，實現(xiàn)了測試腳本的功能組件的分類及模塊化，并提供了一套編寫的測試模板，便于指導測試人員通過簡單的“模塊拖拽+參數(shù)配置”的方式編寫測試腳本，完成測試。

4.2 項目應用情況

目前，本系統(tǒng)已在各地鐵項目（昆明3、昆明5、杭州2、武漢7、武漢21號線）中進行了批量應用，自動化測試腳本覆蓋了“故障診斷部分+主電路控制部分”約占60%的總體軟件需求，自動化測試總體耗時縮減到3人/日，整個項目測試活動時間縮減為35人/日，整體自動化測試部分的效率提升約60%。

采用本系統(tǒng)進行測試，具有對測試人員技能要求降低，測試腳本復用性高、可維護好、可移植性好，能夠降低測試腳本開發(fā)及維護的時間和成本的優(yōu)點。

5.結論

牽引控制軟件作為城軌車輛牽引變流器的關鍵、核心控制軟件，對牽引變流器的穩(wěn)定可靠運行、故障導向安全策略的實現(xiàn)起重要作用。為了實現(xiàn)對該軟件的自動化測試，本文介紹了基于Test-Stand軟件定制開發(fā)的城軌半實物非實時自動化測試系統(tǒng)的應用過程，并通過實際的項目進行了驗證，切實提升了測試效率及測試質量。

該方案的實施是在結合已有的測試資源、測試環(huán)境的基礎上進行的定制開發(fā)，擴大了在多種測試平臺上開展相應軟件測試的適應性，減少對特定測試資源或測試工具的依賴性，且有效的提升了測試效率和測試質量，避免重大問題外流到現(xiàn)場，影響產(chǎn)品聲譽，提升軟件產(chǎn)品的可靠性。

[1]NI TestStand 2014 Help,National Instruments,2014.

[2]TestStand API Reference Poster,National Instruments,2014.

[3]TestStand UI Controls Reference Poster，National Instruments,2014.

[4]Test Automation frameworks, http://safsdev.sourceforge.net/FR AMESDataDrivenTestAutomationFramewor ks.htm.

[5]軟件測試規(guī)范.中車株洲電力機車研究所有限公司[S].Q/ZS 51.3-2016.