CTCS-2級ATP仿真軟件測試管理系統設計

竇 磊，李 耀

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

CTCS-2級列控系統是我國目前廣泛使用的列控系統，其車載ATP是保證行車安全的關鍵。軟件測試技術是利用人工操作或者自動運行的方式發現軟件中可能存在的錯誤。將軟件測試技術應用在鐵路信號領域軟件的測試是目前一個主流的研究方向，這項研究已經取得了很多成果。常見的有基于黑盒測試模型的非侵入式應用軟件自動測試方案[1]；將黑盒測試應用于計算機聯鎖軟件系統的測試[2]；將數據驅動技術用于系統測試[3]等。

目前，鐵路領域內的高等院校擁有大量列控、聯鎖以及城軌方面的仿真軟件。這些仿真軟件在編寫過程中難免會有考慮不周、編程不規范甚至是不滿足技術規范之處，導致仿真軟件可能存在功能的錯誤甚至是功能的缺失。由于這類仿真軟件往往缺乏有效的測試手段，所以這類問題很難被發現，也缺乏解決該問題行之有效的方法，一般采用傳統的手工測試來尋找問題。由于傳統的手工測試方法非常耗時費力，測試效率較低，覆蓋面較窄，不能面面俱到，難以保證軟件的測試質量，而且不利于測試用例的積累固化[4]。因此實現仿真軟件的自動化測試能夠有效改善仿真軟件測試的效率，更有助于發現其中的不足，進而對仿真軟件做出改進和完善。

本文研究CTCS-2級車載ATP仿真軟件的測試問題，針對仿真軟件缺乏有效測試以及傳統測試方法存在的問題，采用黑盒測試的方法構建仿真軟件測試管理系統，可以有效地避免測試過程中人為差錯影響、縮短軟件測試周期，提高測試效率，具有一定的實用性。

1 CTCS-2級列控系統

CTCS-2級列控系統是基于軌道電路和點式信息設備傳輸信息的點-連式列車運行控制系統，其中，軌道電路的作用是負責列車占用檢測及完整性檢查，連續向列車傳送列車前方軌道空閑數量；點式信息設備傳輸位置校正信息、進路參數、線路參數、臨時限速[5]等。

CTCS-2級列控系統車載ATP主要由安全計算機（VC，Vital Computer）、特殊信息傳輸模塊（STM，Special Transmission Module）、應答器信息傳輸模塊（BTM，Balise Transmission Module）、記錄單元（DRU）、繼電器邏輯單元（RLU）、人機界面（DMI，Driver Machine Interface）、STM天線、BTM天線、測速測距單元、動車組（EMU）、列車運行記錄裝置（LKJ）組成[6]。系統構成如圖1所示。

車載安全計算機是車載設備的控制核心，其收集ATP各個模塊的信息，生成目標-距離控車曲線，并在必要時輸出相應的制動信息以保證列車安全運行。STM接收來自軌道上的電氣信號，解調出相應載頻下的低頻信號傳遞給車載計算機。BTM接收符合標準的信息，經校核通過后傳輸至車載安全計算機。DRU用于記錄車載設備工作等級、工作模式、設備狀態、司機操作以及車地交互等信息，并且可以在需要時下載數據進行相應的分析。RLU實現邏輯功能的輸入和輸出。DMI實現司機與車載系統之間的信息交互。LKJ是在列車下線到CTCS-0/CTCS-1級或某些ATP發生故障的情況下，接替車載ATP監控列車運行，保證列車在ATP故障情況下能夠安全行車。

2 軟件測試概述

軟件測試是使用人工操作或者軟件自動運行的方式來檢驗它是否滿足規定的需求或弄清預期結果與實際結果之間的差別的過程。

常用的軟件測試方法有黑盒測試和白盒測試兩種[7]。黑盒測試又稱功能測試或基于規格說明的測試，主要驗證軟件的功能需求和用戶的最終需求，檢查軟件的功能是否符合規格說明。這種測試把程序看成一個黑盒子，僅僅只關注程序功能是否符合預期，能否適當地接收輸入數據并產生正確的輸出信息，測試過程中不知道，也不必考慮測試對象的內部結構和具體的設計細節，主要是對軟件界面和軟件功能進行測試。白盒測試的前提是測試者完全知道程序的結構和處理算法，根據程序的邏輯，檢測程序中主要的執行通路能否按照預定要求工作[8]。

圖1 CTCS-2級列控系統車載ATP系統構成框圖

在軟件測試過程中，多數情況下測試人員只有可執行程序，只能對被測軟件的可執行程序進行測試，難以獲得被測軟件的源程序，被測軟件內部程序結構和處理算法未知，無法進行有效的白盒測試。本文設計的測試管理系統只對仿真軟件可執行程序的功能進行測試，因而采用黑盒測試的方法構建測試管理系統。

3 測試管理系統設計

本測試管理系統在設計時參考了聯鎖軟件分為聯鎖機和上位機的方法，將整個測試系統設計分為上位機和下位機。CTCS-2級車載ATP設備中BTM和STM要接收應答器和軌道電路信息才能使車載正常工作，設計測試管理系統通過網絡通信的方式向被測仿真軟件發送應答器信息以及軌道電路信息以保證ATP仿真軟件能夠正常運行，測試下位機通過網絡通信的方式連接上位機與被測軟件，起到隔離作用，避免二者直接連接。

3.1 測試管理系統需求設計

測試管理系統測試過程中所需的測試序列的關鍵信息由測試用例XML文件提供，針對測試目標，借助輔助工具編寫相應的測試用例XML文件。XML是Internet環境中跨平臺的，依賴于內容的技術，是當前處理結構化文檔信息的有力工具。具有平臺無關性、自描述性、可擴充性、保值性等優點[9]。將XML技術引入測試管理系統，利用XML良好的數據交互性，便于測試自動執行[9]。

測試管理系統要能夠處理不同形式的測試用例文件，對其進行解析，編寫相應的數據結構存儲解析的結果。根據解析的測試用例結果，結合車載移動授權的計算方法得到相應的移動授權測試報文，發送給車載ATP仿真軟件進行測試工作。車載ATP仿真軟件針對不同的移動授權測試報文進行相應的動作，返回給測試管理系統相應的設備狀態報文。測試管理系統根據發送的移動授權測試報文和接收到的設備狀態報文，對二者進行比較，進而評判和比較測試結果。

測試管理系統需要具備以下基本功能：（1）讀取和解析測試用例文件；（2）生成與下達測試命令轉換序列；（3）接收車載ATP仿真軟件的狀態信息；（4）判定測試結果等。

3.2 測試管理系統總體設計

3.2.1 結構設計

CTCS-2級車載ATP仿真軟件測試管理系統實現車載ATP仿真程序功能的自動化測試，將測試管理系統劃分成測試上位機以及測試下位機。

結合3.1的需求設計，讀取和解析測試用例XML文件、生成與下達測試命令、接收車載ATP仿真軟件的狀態信息、判定測試結果等基本功能在本設計中由測試上位機來完成和實現；測試下位機完成通信傳輸的基本功能，完成測試上位機和車載ATP仿真軟件之間的信息交互。本設計的測試管理系統結構設計如圖2所示。

圖2 測試管理系統結構示意圖

系統采用基于TCP/IP協議的客戶/服務器(C/S)網絡通信模式，使用Socket套接字來實現測試上位機和測試下位機之間數據傳輸。

3.2.2 系統功能設計

系統功能由測試上位機和測試下位機組成。

測試上位機的主要功能包括：（1）讀取和解析測試用例XML文件并將解析結果按照既定的數據結構存儲在程序中；（2）根據測試用例XML文件，按照與下位機的接口協議生成測試命令，并根據測試人員的選擇，向下位機下達相應的測試命令；（3）接受來自下位機的被測設備狀態信息；（4）將收到的測試結果信息與當前測試的預期結果進行比較，判定結果的一致性。

測試下位機的主要功能包括：（1）接受來自上位機的測試命令，并存儲在程序中；（2）根據既定的接口協議，將程序中存儲的測試命令轉換成測試報文，并將報文發送至被測對象；（3）接收來自被測對象的工作狀態報文，存儲在程序中；（4）根據既定的接口協議，將程序中存儲的設備狀態數據轉換為測試結果報文，并將報文發送至上位機。

3.3 功能模塊設計

基于測試管理系統的結構設計，測試上位機和測試下位機分別需要完成不同的功能，為此對測試管理系統兩個部分按照功能進行劃分，功能模塊劃分框圖如圖3所示。

測試上位機有6個功能模塊，分別為初始化模塊、通信模塊、測試用例解析模塊、數據處理模塊、遍歷比較模塊以及結果記錄模塊。（1）初始化模塊完成線路數據Excel讀取；連接測試下位機，完成初始化網絡連接。（2）通信模塊實時接收被測軟件發送過來的列車相關信息并顯示；測試開始后實時向被測軟件發送測試報文。（3）測試用例解析模塊根據定義的數據結構，將測試用例XML文件進行解析，解析之后的結果存儲在既定的數據結構中，解析結果供后續數據處理模塊、遍歷比較模塊等模塊調用。（4）數據處理模塊從通信模塊接收的列車報文信息中提取列車車次信息、位置信息、速度等有效信息；根據CTCS-2級列控系統移動授權的計算方法，基于線路數據，結合測試用例相關信息，計算相應的測試序列報文。（5）遍歷比較模塊實現對測試用例文件中所有測試用例的覆蓋，在一條測試用例測試完成之后，經自動或者人工比較測試是否通過后進入下一條測試用例的測試。（6）結果記錄模塊對測試結果進行記錄并寫入文件存儲。

圖3 測試管理子系統功能模塊劃分框圖

測試下位機有3個功能模塊，分別為初始化模塊、通信模塊、報文存儲模塊。（1）初始化模塊在下位機啟動之后讀取環境數據，連接測試上位機，完成基本的初始化網絡連接。（2）通信模塊實時接收來自測試上位機的測試命令，經環境數據配置后形成測試序列并將其發送至被測軟件；實時將被測軟件發來的設備狀態報文發送給測試上位機。（3）報文存儲模塊存儲測試下位機接收并處理的所有報文，包括測試上位機發來的測試命令報文、發送給被測軟件的測試報文、被測軟件發來的設備狀態報文以及發送給測試上位機的測試結果報文。

4 測試管理系統工作流程

測試管理系統的工作流程如圖4所示。

啟動測試上位機、測試下位機以及被測車載ATP仿真軟件，并完成網絡參數的配置實現三者的網絡連接。讀取線路數據Excel文件，選擇并解析測試腳本XML文件。

上述測試準備階段工作完成后，由測試管理系統啟動對車載仿真軟件的測試過程。測試管理系統對測試的過程進行監控，并記錄測試過程中的重要信息，測試的開始、結束等命令也由測試測試管理系統下達。在對被測車載仿真的測試過程中，需要通過測試管理系統執行測試案例和故障案例的注入。每條測試案例測試完成之后由測試管理系統自動評判或由測試人員人工評判。

測試結束之后，測試管理系統對記錄的測試過程中的重要數據以及結果進行分析，可對測試過程更加明確，并能根據測試結果對被測車載仿真軟件的某些特性給出相應的意見。

圖4 測試管理系統的工作流程

5 測試實例分析

測試管理系統可以完成CTCS-2級車載ATP仿真軟件的測試工作，以西南交通大學交通信息工程及控制實驗室開發的ATP仿真軟件為依托，以測試仿真軟件的待機模式（SB）轉完全監控模式（FS）、完全監控模式（FS）轉目視行車模式（OS）、目視行車模式（OS）轉完全監控模式（FS）3種模式切換為例，對測試過程和結果進行說明。

5.1 測試過程

啟動測試上位機、測試下位機，完成初始化網絡連接；啟動車載ATP程序，在車載ATP仿真軟件端進行列車注冊，本測試實例中車次號以D2208為例、司機號設置為123、列車初始位置選擇953800；選擇載頻，本實例中車載仿真系統載頻選擇下行載頻；列控等級選擇CTCS-2級；連接測試服務器IP設置為本機IP 127.0.0.1，端口號采用默認值1003。

完成測試上位機、測試下位機以及車載ATP仿真軟件的網絡通信連接。車載ATP程序實時向測試管理系統發送列車的各種信息，包括列車注冊信息、列車位置速度信息、曲線信息和任務結束等信息。

選擇并解析相應的測試用例XML文件，測試管理系統中的數據處理模塊的一系列函數會根據測試用例信息、線路數據以及車載狀態信息生成移動授權測試序列，由通信模塊將移動授權測試序列報文發送給車載ATP仿真軟件。

車載ATP仿真軟件接收測試序列報文后作出相應的動作，人工比較車載仿真ATP的模式切換情況是否符合預期，對測試做出評判。測試評判之后，當前測試用例測試完畢，執行對下一條測試用例的測試，直到當前測試用例XML文件中所有測試用例全部測試完。測試過程中測試上位機和車載ATP仿真軟件工作情況如圖5所示。

測試完畢后，程序會對測試情形進行記錄。每條測試用例的具體內容，測試時間以及評判的測試結果都會被寫入文件，供后續調閱查看和分析。

5.2 測試結果

為測試上述3種模式切換，編寫兩個測試腳本XML文件，共計62條測試用例，測試完成之后查閱測試結果文件，案例通過60條，不通過2條。兩條測試案例不通過是因為車載仿真ATP無法正確處理軌道電路檢測碼（JC），可以據此對車載ATP仿真軟件進行針對性的改進和完善。

5.3 自動測試與人工測試耗時對比

人工測試需要在仿真地面環境下設置不同的情形與仿真ATP配合才能完成測試，測試管理系統只需要直接加載測試用例就能夠完成測試。執行上述相同的測試案例的情況下，自動測試耗時4 min，人工測試耗時9 min，可見使用測試管理系統執行自動測試能夠顯著提高測試效率，減少測試所需要的時間。

圖5 測試管理系統和車載ATP仿真軟件顯示

6 結束語

CTCS-2級車載ATP仿真軟件測試管理系統的設計以及實現，表明利用測試管理系統對開發的仿真軟件進行測試是可行的，可以推廣到聯鎖、城軌以及其它領域仿真軟件的測試工作中。

本測試管理系統的構建，能夠一定程度上改善仿真軟件，特別是解決實驗室仿真軟件缺乏有效測試的問題，有助于發現仿真軟件存在的問題，進而可以對其進行相應的改進與完善。為構建列控系統其他功能和子模塊的測試提供了思路，為實現列控系統通用仿真測試平臺奠定了一定的理論基礎。