柴油機(jī)電控系統(tǒng)軟件測(cè)試設(shè)計(jì)及用例復(fù)用方法研究

楊 薇，曹春芳，姚素娟，申曉彥，姜曉博，閆云艷

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400)

0 引言

隨著柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，軟件逐步成為柴油機(jī)的核心，其復(fù)雜程度也大幅增加。其典型的表現(xiàn)是需求數(shù)量激增，需求之間的控制耦合、數(shù)據(jù)耦合關(guān)系復(fù)雜。軟件測(cè)試作為保證需求完整并正確傳遞至設(shè)計(jì)和編碼人員、提高軟件質(zhì)量和可靠性的重要手段，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

為了提早發(fā)現(xiàn)盡可能多的不確定性因素和設(shè)計(jì)缺陷、降低項(xiàng)目后期風(fēng)險(xiǎn)，需要轉(zhuǎn)變開發(fā)完成后才開展軟件測(cè)試的工作方式，全面分析柴油機(jī)控制要求，逐步梳理影響軟件質(zhì)量的正確性、健壯性、安全性等因素，有計(jì)劃、分步驟地開展測(cè)試工作。柴油機(jī)電控系統(tǒng)軟件根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，控制噴油定時(shí)和噴油量，對(duì)柴油機(jī)及車輛的可靠工作起著至關(guān)重要的作用。本文從仿真測(cè)試環(huán)境搭建、測(cè)試用例設(shè)計(jì)和復(fù)用方法等方面，對(duì)柴油機(jī)控制軟件的測(cè)試方法進(jìn)行了研究。所設(shè)計(jì)的用例可有效檢驗(yàn)輸入/輸出信息，以及電控系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)是否符合需求規(guī)格說明書的要求。

1 測(cè)試環(huán)境及過程框架

1.1 仿真測(cè)試環(huán)境的搭建

軟件測(cè)試環(huán)境是開展測(cè)試用例設(shè)計(jì)的前提，為軟件測(cè)試工作的有效開展提供了根本保證。柴油機(jī)電控系統(tǒng)軟件的突出特點(diǎn)在于其運(yùn)行環(huán)境(目標(biāo)機(jī)環(huán)境)和開發(fā)環(huán)境(宿主機(jī)環(huán)境)的不一致。因此，在進(jìn)行配置項(xiàng)測(cè)試時(shí)，首先要搭建模擬測(cè)試環(huán)境[1]。控制軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境如圖1所示。

圖1 控制軟件動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境

本文所述的柴油機(jī)電控軟件測(cè)試工作基于Dspace半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)開展[2]，用于發(fā)現(xiàn)程序中功能錯(cuò)誤/遺漏、接口錯(cuò)誤和性能錯(cuò)誤等問題。

該環(huán)境以基于模型的半實(shí)物仿真方法為核心，利用發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部分的數(shù)學(xué)模型代替發(fā)動(dòng)機(jī)本體，輸出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速、油門踏板和環(huán)境變量等模擬信息。對(duì)Dspace硬件在回路仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行功能和接口分析后，將仿真系統(tǒng)提供的I/O硬件接口與柴油機(jī)控制器連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)控制軟件的動(dòng)態(tài)測(cè)試，有效降低臺(tái)架試驗(yàn)、試車的工作量和事故風(fēng)險(xiǎn)[3]。

1.2 仿真測(cè)試過程框架

柴油機(jī)電控軟件仿真測(cè)試過程框圖如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)電控軟件仿真測(cè)試過程框圖

測(cè)試過程主要包括測(cè)試需求分析、測(cè)試策劃、測(cè)試用例設(shè)計(jì)、測(cè)試執(zhí)行、測(cè)試總結(jié)五個(gè)部分[4]。各部分主要工作內(nèi)容如下。

①測(cè)試需求分析。分析柴油機(jī)電控系統(tǒng)需要測(cè)試的內(nèi)容，確保每一項(xiàng)被測(cè)內(nèi)容都滿足研制任務(wù)書、合同的要求。

②測(cè)試策劃。安排軟件測(cè)試需要的人、時(shí)間、工具與環(huán)境，并評(píng)估進(jìn)度、分析風(fēng)險(xiǎn)等內(nèi)容。

③測(cè)試用例設(shè)計(jì)。根據(jù)測(cè)試需求分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)正常、異常的用例，驗(yàn)證各個(gè)測(cè)試需求點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是否滿足要求。

④測(cè)試執(zhí)行。在仿真測(cè)試環(huán)境下執(zhí)行測(cè)試用例，實(shí)施對(duì)各類正常、異常狀態(tài)的測(cè)試以及故障注入的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題、記錄測(cè)試結(jié)果，并對(duì)測(cè)試用例是否通過進(jìn)行分析。

⑤測(cè)試總結(jié)。對(duì)前期的測(cè)試活動(dòng)進(jìn)行總結(jié)，編制測(cè)試報(bào)告。

經(jīng)過上述測(cè)試，盡可能發(fā)現(xiàn)隱藏的問題、并充分驗(yàn)證柴油機(jī)電控系統(tǒng)的功能、性能、余量、接口、可靠性、安全性等特性，為電控系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的質(zhì)量保障。

2 電控軟件測(cè)試用例設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試用例設(shè)計(jì)策略

測(cè)試用例通常是指對(duì)一項(xiàng)特定的軟件產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，用于體現(xiàn)測(cè)試方案、方法、技術(shù)和策略[5]。軟件測(cè)試用例的設(shè)計(jì)是測(cè)試活動(dòng)中的重要工作，是保證測(cè)試全面性和有效性的基礎(chǔ)，可用于評(píng)價(jià)測(cè)試工作對(duì)需求的覆蓋程度。

設(shè)計(jì)柴油機(jī)電控軟件測(cè)試用例，首先要分析電控軟件的設(shè)計(jì)需求。通常，電控軟件可進(jìn)一步劃分為采集、狀態(tài)檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)、數(shù)據(jù)記錄和總線通信等功能模塊。通過識(shí)別上述功能模塊控制需求，分析各模塊的功能、性能等特點(diǎn)，以劃分等價(jià)類或分析控制狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的方式，從而設(shè)計(jì)電控軟件運(yùn)行的基本測(cè)試用例。然后，針對(duì)柴油機(jī)電控系統(tǒng)運(yùn)行的邊界、極限條件，補(bǔ)充設(shè)計(jì)測(cè)試用例。柴油機(jī)電控軟件對(duì)可靠性的要求很高，因此在驗(yàn)證軟件正確性的基礎(chǔ)上，還需開展可靠性測(cè)試和安全性測(cè)試[6]。這就要針對(duì)軟件運(yùn)行的故障狀態(tài)處理、軟件容錯(cuò)性、冗余性設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行軟件運(yùn)行異常測(cè)試用例的設(shè)計(jì)。最后，要分析軟件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，修改并完善測(cè)試用例的評(píng)價(jià)指標(biāo)，或補(bǔ)充新的測(cè)試用例[7]。柴油機(jī)電控系統(tǒng)軟件測(cè)試用例的設(shè)計(jì)策略如圖3所示。

圖3 測(cè)試用例的設(shè)計(jì)策略

2.2 測(cè)試用例設(shè)計(jì)實(shí)例

以柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)噴油量控制為例，噴油量控制策略如圖4所示。柴油機(jī)電控軟件首先根據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行油門位置和平均轉(zhuǎn)速信息，通過查油量確定目標(biāo)噴油量基本值，結(jié)合進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和冷卻水溫對(duì)基本油量進(jìn)行修正，得到的結(jié)果與當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大噴油量作比較，較小的值即為最終噴油量[8-11]。

圖4 噴油量控制策略

在設(shè)計(jì)噴油量控制功能的測(cè)試用例時(shí)，首先對(duì)控制邏輯進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和踏板輸入狀態(tài)正常時(shí)和處于邊界時(shí)噴射功能的正常測(cè)試用例。然后對(duì)程序運(yùn)行的異常狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和分析，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于轉(zhuǎn)速傳感器故障、踏板故障狀態(tài)的容錯(cuò)處理能力。噴油量控制測(cè)試用例設(shè)計(jì)思路如表1所示。該設(shè)計(jì)可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量控制策略需求的全覆蓋[12]。

表1 噴油量控制測(cè)試用例設(shè)計(jì)

3 測(cè)試用例的復(fù)用

測(cè)試用例參數(shù)自動(dòng)匹配方法如圖5所示。

圖5 測(cè)試用例參數(shù)自動(dòng)匹配方法

各種類型的柴油機(jī)電控系統(tǒng)，具有產(chǎn)品特性相似、總體設(shè)計(jì)需求明確、開發(fā)過程相通等特點(diǎn)。因此，可通過建立底層測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)和頂層管理系統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)測(cè)試用例的良好復(fù)用。

底層測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測(cè)試用例的存儲(chǔ)，根據(jù)各類型電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及軟件測(cè)試工作的開展，不斷擴(kuò)充和完善[13]。頂層管理系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)底層測(cè)試用例庫(kù)的訪問以及測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試用例的匹配。對(duì)于柴油機(jī)電控系統(tǒng)，分析整理柴油機(jī)電控軟件測(cè)試用例的特征參數(shù)后，在設(shè)計(jì)測(cè)試用例時(shí)充分考慮用例的通用性。后續(xù)項(xiàng)目可通過測(cè)試用例參數(shù)匹配的方法實(shí)現(xiàn)用例的復(fù)用，進(jìn)而有效減少測(cè)試用例的設(shè)計(jì)時(shí)間[14-15]。

4 結(jié)束語

本文對(duì)柴油機(jī)電控軟件測(cè)試的方法進(jìn)行了探討。柴油機(jī)電控軟件作為強(qiáng)實(shí)時(shí)性的嵌入式軟件，具有實(shí)時(shí)性、復(fù)雜性、硬件依賴性等特點(diǎn)[16]。針對(duì)其設(shè)計(jì)的用例實(shí)現(xiàn)了需求的全覆蓋。經(jīng)過在多個(gè)項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐，在臺(tái)架試驗(yàn)前發(fā)現(xiàn)了多項(xiàng)軟件缺陷。由此證明，軟件測(cè)試用例設(shè)計(jì)切實(shí)有效，能夠測(cè)試電控軟件的功能、性能、執(zhí)行強(qiáng)度、安全性和可靠性是否達(dá)到要求，保證軟件需求正確地落實(shí)到設(shè)計(jì)和編碼，使軟件質(zhì)量和可靠性穩(wěn)步提高。同時(shí)，本文提出了一種測(cè)試用例參數(shù)自動(dòng)匹配方法，所設(shè)計(jì)的測(cè)試用例具有良好的可復(fù)用性，形成組織資產(chǎn)庫(kù)后，可大大減少軟件測(cè)試設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高研發(fā)效率，縮短研制周期，實(shí)現(xiàn)軟件測(cè)試工作的精益管理。