LKJ自動化測試腳本定義及生成技術研究

白鴻鈞，張明凱，李冠軍，楊清祥

（河南思維軌道交通技術研究院有限公司，鄭州 450000）

列車運行監控裝置（LKJ）是中國鐵路用于防止列車冒進信號、運行超速事故和輔助司機提高操縱能力的重要行車設備。LKJ 車載設備內的嵌入式軟件是實現列車運行控制的靈魂，其運行結果的正確與否，直接關系到列車的運行安全。車載控制軟件邏輯正確性測試一直是LKJ 系統生產廠家的重要工作。業內對LKJ 車載控制軟件的測試方法進行了廣泛探索，一般采用手工測試和自動化測試兩種方式進行測試。

手工測試難以實現待測軟件邏輯的全覆蓋，工作量大，花費時間長，且測試結果受限于測試工程師的專業知識。針對手工測試存在的問題，LKJ 生產廠家[1-3]及其他列控系統或設備生產廠家[4]對自動化測試方法進行了探索。實踐證明，給通用的腳本語言增加LKJ 業務邏輯相關的關鍵字形成專用的腳本語言，以此專用腳本語言來定義測試用例，解釋執行測試用例驅動硬件設備發送信號和采集LKJ 的反饋數據，判斷是否符合預期，是可行的技術路線。

筆者參與研發的LKJ 自動化模擬仿真測試系統（Automatic Simulation and Test System，ASTS）在Python 語言基礎上定義了專用于LKJ測試的腳本語言，采用圖形編輯和手動錄制的方式形成了系列、規模化的腳本庫，成功運用于LKJ 功能、性能的自動化測試。

1 腳本語言定義

測試用例需要以某種編程語言來體現，編程語言的選擇是系統成功的關鍵。在選定語言的基礎上，增加LKJ 業務邏輯相關的語言特征和底層支持函數庫，形成應用于LKJ 特定測試場景的腳本語言。LKJ 相關的業務邏輯判斷在腳本語言中實現，腳本語言調用底層支持函數，底層支持函數驅動硬件，產生信號，獲取LKJ 反饋，判斷反饋結果是否符合預期，從而判定LKJ 軟件工作是否正常。

1.1 腳本語言的選用

自動化測試的場景是：測試工程師編輯生成測試用例后發送到仿真測試平臺，仿真平臺執行測試用例，驅動硬件設備，產生各種信號，獲取LKJ 反饋，比較LKJ 反饋是否符合預期，從而判斷LKJ車載控制軟件邏輯是否正確。測試中可能需要調整測試用例，考慮到測試工程師熟悉LKJ 業務，但不一定具備編程能力的情形，不能要求測試工程師按照軟件開發的思路來編輯測試用例，編譯后生成執行。測試用例依托的腳本語言必須具備動態執行、高效率兩個特性，并且測試用例必須能夠可視化呈現，因此，采用以下設計原則選擇腳本語言。

1）考慮到腳本的可擴充性要求，應采用業內通用的腳本語言。

2）應采用動態語言。動態語言在執行時動態加載，不需要預先編譯。

3）語言性能應滿足時效性要求。

通過對Python 語言特征的分析以及Python 混合編程的特點分析[5-6]，確定Python 語言滿足以上要求，選用Python 作為測試用例的腳本語言。

1.2 腳本定義

在Python 語言的基礎上，增加LKJ 業務邏輯相關的關鍵字，比如設定列車運行速度、檢查線路限速數值、獲取LKJ 輸出信息等，生成了ASTS 腳本語言。新增的關鍵字解釋執行時調用底層的C++函數庫[7-9]，實現業務邏輯。ASTS 腳本語言對Python 的擴充包括以下5 個方面。

1.2.1 設定LKJ測試所需的輸入信號

設定LKJ 測試所需的輸入信號，包括開關量信號和模擬量信號，為LKJ 提供外部信號條件，比如設定各路速度的速度值、各路壓力信號的管壓值、列車手柄狀態、機車信號等。另外，還定義了具備內置業務邏輯的關鍵字，比如跟蹤速度函數，可以持續跟蹤LKJ 限速的變化，自動調整輸入速度信號數值，使得速度貼近限速運行，直到滿足某個條件時退出速度跟蹤。

1.2.2 設定LKJ運行狀態

設定LKJ 運行狀態，可以改變LKJ 的運行控制參數和設備自身狀態，使LKJ 處于測試所需的工作狀態，測試能夠啟動和持續進行。比如校正LKJ的時間，設定司機發車參數（發車的車站號、運行線路、目的車站等），設定列車的檢修參數（計算列車速度所需的機車輪徑、速度傳感器每周脈沖數等），對LKJ 各插件單元的嵌入式軟件進行版本更新。

1.2.3 獲取LKJ反饋信息

仿真測試系統能夠接入LKJ 內部總線，偵聽總線數據，獲取系統內部通信數據；也可以采集屏幕顯示器（DMI）視頻顯示和音頻輸出，通過圖像識別和音頻識別，獲取視頻音頻信息。腳本語言定義了相關的關鍵字，以實現獲取LKJ 信息反饋的功能。

DMI 圖像識別通過圖像二值化、字符串定位與剪裁、字符分割、字符識別等4 個過程識別字符點陣，采用“點陣對比”方式與標準字庫中的字符點陣進行對比，識別出圖像中的字符。

DMI 音頻識別基于快速傅里葉變換（FFT）預先建立標準語音文件的識別特征庫，采集到某段語音后分析該語音的聲音特征，與識別特征庫中的語音特征進行匹配，采用“最大可能性”原則，判定為哪一條標準語音。

1.2.4 測試結果判斷

以斷言Assert 的方式進行測試結果判斷，判斷LKJ 的信息輸出和動作輸出是否符合預期。

1.2.5 測試進度控制

定義了多種測試進度控制關鍵字，比如以動態延時（ASTS_Delay）和測試過程掛起的方式控制腳本的執行進度，保證測試過程滿足業務邏輯要求，也可以使測試過程暫停和繼續，實現“斷點續測”。

1.3 腳本文件結構

腳本文件是結構化的，由文件頭和文件體組成。文件頭定義了文件的名稱、功能等，文件體是操作要素的序列和期望結果。

1.3.1 文件頭

文件頭是腳本描述，描述腳本的種類、編制人等。文件頭包括以下要素。

1）腳本名稱(#ASTS_Script_Name):用關鍵字說明腳本的功能，例如：特殊前行模式測試。

2）腳本種類(#ASTS_Script_Type)：基本用例/測試實例/測試序列。

3）腳本ID(#ASTS_Script_ID)：ID 由業務種類+ 序號組成。業務種類包括LKJ 種類（LKJ2000、LKJ-15S）、設備種類（主機、顯示器、其他設備）、測試種類（區分控制模式）和測試種類細分等。當業務種類無法區分復雜或重復業務時，以序號做區分。

4）功能簡述(#ASTS_Script_Func)：簡單說明腳本的功能。

5）當前版本(#ASTS_Script_Version)：該腳本的版本號。

6）發布日期(#ASTS_Script_ReleaseDate)。7）初創人(#ASTS_Script_Author)。

8）來源(#ASTS_Script_Creater)：人工編制或手工測試錄制。

9）腳本運行所要求的LKJ 軟件版本(#ASTS_Script_LKJ_Version）：LKJ 軟件、LKJ 控制條件版本號。

10） 腳本運行所要求的LKJ 數據版本(#ASTS_Script_LKJ_Data_Version）：LKJ 數據版本號。

11）其他：包含腳本解釋所需的Package 列表等，用于腳本解釋器引入package。

以上1 ～10 項要素以Python 腳本注釋的方式存在。

1.3.2 文件體

文件體由一系列功能相關的操作要素和測試結果判斷組成。操作要素內容包括動作名稱、動作參數等，比如 “設定速度輸出數值80 km/h”。腳本例子如下。

pdll.ASTS_SetTestProgress(1,20) //設置測試進度

pdll.ASTS_TimeOut=5000 //設置超時值pdll.ASTS_InitTimeOut() //初始化超時計數

while(pdll.ASTS_CheckTimeOut()

pdll.ASTS_SetKey(1) //發送按鍵

pdll.ASTS_Delay(100) //延時100 ms

pdll.ASTS_SetAllGangya(800,600,0,500,500,500) //設置列車管壓

pdll.ASTS_SetGongKuang(1,0,1,0,1,1,1,1) //設置手柄信號

pdll.ASTS_SetJtcXinHao(2,1,3) //設置機車信號

pdll.ASTS_SetSudu(5,0,1) //設置速度

pdll.ASTS_SetFollowSudu(-1,361,-1,-1,5) //設置跟隨速度信號

while(pdll.ASTS_CheckTimeOut()

if(pdll.ASTS_GetLKJFlag(1,7) == 21 or pdll.ASTS_GetLKJFlag(2,7) == 21): //采集LKJ反饋信息

pdll.ASTS_Assert(1) //保存測試結果

else:

pdll.ASTS_Assert(0) 保存測試結果

pdll.ASTS_Delay(1)

pdll.ASTS_Delay(1)

2 腳本語言生成

測試腳本可以由測試人員在文本編輯軟件中直接輸入語句來生成，也可以通過圖形拖拽方式生成。在實際測試工作中，測試人員習慣先進行手動測試，記錄下自己的測試過程，之后將測試過程轉化為腳本，經合并拼接后錄入到系統。

2.1 測試腳本的圖形化編輯

ASTS 將腳本功能或語句抽象為圖形控件，每個圖形控件內置特定的業務邏輯。編輯測試腳本時，根據業務功能，選定相應的圖形控件，按順序拖動到編輯區，設定控件屬性，即可生成測試腳本。圖形化編輯可視化強，智能化程度高，大大減輕了腳本編輯的工作量。

2.2 手動測試錄制腳本

在實際測試工作中，測試人員經常先進行手動測試，手動測試過程通過才能轉化為自動測試用例。手動測試過程記錄智能轉換為測試用例腳本，將會在很大程度上減少測試人員的工作量。

通過對用戶手動測試過程的分析和提煉，ASTS實現了自動記錄測試人員的手動測試過程，并轉化為測試腳本的軟件方法。

如圖1 所示，手工錄制腳本的過程如下。

1）記錄用戶的工作環境描述，形成文本塊T1

記錄用戶的登錄名稱和時間。通過特定的軟件通信協議讀取當前設備的硬件版本和軟件版本。由用戶指定本次手動測試的主要目的。

2）由用戶指定需要跟蹤的LKJ 反饋項目

腳本文件中的期望結果是判斷腳本執行是否成功的標志，非常重要。實際測試中，LKJ 反饋輸出具有很強的時效性，如果讓用戶在測試中選擇確定輸出項目的話，可能會錯過時機，從而記錄下錯誤的反饋輸出結果。手工錄制腳本前，在軟件界面中由用戶點擊選擇要跟蹤的LKJ 反饋輸出項目，比如跟蹤“緊急制動輸出狀態”。形成文本塊T3，T3 的形式如“跟蹤：緊急制動輸出狀態”。

圖1 手工錄制腳本的流程Fig.1 Manual scripts record process

3）記錄用戶的點擊操作過程

用戶點擊“開始錄制腳本”啟動手動測試，系統記錄用戶的手動測試過程（包括設定項目、項目數值和相對開始的時間），形成文本塊T2。比如記錄下某用戶的操作過程的文本塊T2：

設定速度，速度值=0 km/h，操作時間=0 s；

設定信號燈，綠燈，操作時間=5 s；

設計開車參數，設定司機號=1234，時間=8 s；

設定速度，速度=20 km/h，操作時間=58 s；

設定速度，速度=40 km/h，操作時間=80 s；

設定信號：信號=紅燈，操作時間=103 s；

4）獲取跟蹤結果

用戶點擊“獲取跟蹤結果”，系統自動讀取當前被測試系統的反饋結果，并與指定的輸出結果跟蹤項目進行匹配，修訂文本塊T3。比如此時T3 內容為“緊急制動輸出狀態=輸出”。

5）腳本規范化

對文本塊T2 進行規范化處理，規范化處理的目的是將操作過程映射到操作元素。過程如下。

對每一步操作內容，遍歷操作要素描述庫，查找對應的操作要素。比如“設定速度”的要素類型為2。

根據操作要素類型，確定操作內容是否完整，如果不完整，則補充默認值。比如操作過程的第3步“設定開車參數”，用戶沒有設定發車車站號，則系統自動取默認值。

將文本塊T1、T2、T3 進行組合，形成腳本文件。

此時生成了完整的描述性文本文件，文件中的元素基本與腳本一一對應，可以很容易地轉換為腳本。生成的描述性文本如下所示。

文件頭：用于測試紅燈停車模式的腳本，運行于LKJ-15S 中，要求軟件版本為V1.0.1，自身版本V1.0，由張三錄制，錄制時間2018 年7 月27 日。

操作元素序列如下。

設定速度參數：要素類型=2，操作時間=0 s，速度值=0 km/h；

設定信號燈：要素類型=3，操作時間=5 s，信號=綠燈；

設計開車參數：要素類型=1，操作時間=8 s，設定司機號=1234，設定發車車站號=25；

設定速度：操作要素=2，操作時間=58 s，速度=20 km/h；

設定速度：操作要素=2，操作時間=80 s，速度=40 km/h；

設定信號：操作要素=3，操作時間=103 s，信號=紅燈。

期待輸出：緊急制動輸出=輸出。

3 結論

ASTS 應用于LKJ 的自動化測試，實踐表明，測試腳本的設計合理，動態解釋執行靈活，且執行效率高。腳本的圖形化生成方式、手工錄制生成方式大大減輕了測試工程師的工作量，學習曲線平滑，測試工程師的工作經驗很容易地轉化為系統的測試用例。

進一步，自定義的腳本語言可以根據應用需求，方便地擴展到其他自動化設備的測試場景，具有很大的應用前景。