一種ATS 系統自動化測試工具的設計與實現

陳慧琍 陳曉軒

列車自動監控系統（ATS） 是列車自動控制系統的一個重要組成部分，針對ATS 系統的測試是保障列車安全運行的前提。傳統ATS 系統的測試邏輯復雜、界面操作繁瑣，從制定計劃、編寫案例，到執行測試、記錄結果，需要大量重復的或相似的操作，極大地增加了測試時間和人力成本。為了推動ATS 系統自動化測試進程，急需一套切實可靠的ATS 系統自動化測試工具。

1 測試要求

ATS 系統的自動化測試，要求測試前后結果相關聯、測試需求多樣和實時性高，具體要求如下。

1）與真實測試無偏差，需正確解讀ATS 系統的測試邏輯，使測試流程嚴格匹配。

2）采用模塊化設計，可以根據測試需求靈活組合。

3）具有魯棒性和普適性，對不同ATS 系統均可進行自動化測試。

4） 需提供ATS 系統測試的日志和可視化結果，便于測試人員核查。

對于以界面操作為主的軟件，按測試機制可分為侵入式測試和非侵入式測試。侵入式測試，需要修改測試目標軟件的內部代碼，或者控制其運行環境；而非侵入式測試，則不修改軟件內部代碼，只是監控測試目標軟件的用戶界面，模擬測試人員完成測試流程。由于ATS 系統涉及列車控制系統數據，不能修改其內部代碼，所以ATS 系統自動化測試工具只能采用非侵入方式。

2 模塊設計

為了實現地鐵信號系統自動測試，設計了圖像數據采集、OCR 圖像處理、測試腳本配置、客戶端內網間通信、日志處理、測試結果可視化等6 個模塊。

2.1 圖像數據采集模塊

圖像數據采集模塊，實時監控ATS 系統測試軟件界面，需要采集信息時截取界面圖像。根據實際的測試流程編寫測試腳本，需要提取信息時，例如識別字符或判斷路段形態，該模塊會采集地鐵信號系統測試軟件圖形化界面中的界面信息；也可以通過按鍵的中斷方式，實時截取界面圖像，作為測試樣例和構造字符特征庫。

2.2 OCR 圖像處理模塊

OCR（光學字符識別）圖像處理模塊，識別和處理地鐵信號測試系統軟件中的屏幕信息，主要有界面中的菜單信息、站場圖中的字符信息和路段形態信息。

界面中的菜單信息，是指需要點選菜單才能進行的操作，比如建立進路、取消進路和解除引導總鎖等命令，都需要通過識別菜單中的文字，找到相應的指令后執行操作。

站場圖中的字符信息，是指在站場圖上顯示的道岔號、軌道區段編號、信號機編號等文字信息。

以上兩類信息，對于人類來說非常好理解，但是對于計算機來說，完全是兩類不同的信息。菜單信息的底紋大多為灰色，字體字號較為統一；站場圖中的字符信息底紋顏色是可以自定義的，黑色、灰色都可以，字體、字號也是可以改變和縮放的。這些不同是需要重點解決的技術問題。

為了識別并處理菜單信息和站場圖中的字符信息，本文采用先定位、再識別的策略，即先定位文字位置，提取字符識別候選值，再對候選值進行字符識別，最終整合信息輸出識別結果。

在定位待識別文字時，采用一種基于Gabor 和SVM 的復雜背景中的文字檢測方式。通過不同方向尺度的Gabor 濾波器得到表示中文字符橫、豎、撇、捺4 個方向的紋理圖像；使用SVM 分類器對紋理圖像進行訓練，構建一個SVM 分類網絡來得到最終的文字區域。對字符定位時的具體操作是：先對圖像以灰度均值為閾值做二值化操作（將整個圖像呈現出明顯的黑白效果），再使圖像通過4 種針對橫、豎、撇、捺紋理提取特征的Gabor 濾波器，最后使用SVM 分類器對提取出的候選文本區域進行細分類，得到準確的文本位置。

在對候選值進行字符識別時，首先對候選值使用垂直投影法，對二值化操作后的圖像垂直方向的黑色像素點進行統計，低于閾值處判斷為字符分割點，將字符識別候選值分割后獲得單獨的字符圖。對單獨的字符圖，參考一種基于聯合HOG 特征的車牌識別算法，分別提取漢字、數字字母的灰度方向梯度直方圖（histogram of oriented gradients，HOG） 特征、二值灰度方向梯度直方圖特征和16 值（用最基本的16 種顏色顯示圖像）灰度方向梯度直方圖特征，將它們組合成聯合HOG 特征。聯合HOG 特征是三維數據集，在計算機中不僅占用很大的存儲空間，而且處理起來很復雜。核主成分分析方法（kernel principal com?ponent analysis，kernel PCA） 是多變量統計領域中的一種分析方法，能把高維數據x 投射到k 個特征向量上，從而把它降低到k 維。運用這種方法把聯合HOG 特征進行降維，將降維后的聯合HOG 特征送入支持向量機進行訓練和預測，將漢字和數字字母的識別結果進行組合，得到最終的字符識別結果。

路段形態信息，是指站場圖中的軌道區段、道岔區段和列車按鈕等圖形。對路段形態信息進行識別時，首先對圖像以灰度均值為閾值做二值化操作，通過調用opencv 的方法對圖像中的圓形和直線段做擬合，可分別得到站點位置和路段位置的參考信息。通過對兩路段做角度計算，可以推斷出岔道信息。針對不同任務，對界面中的圖像進行矩形或者圓形擬合，能夠找出軌道區段或信號燈，再判斷其顏色的變化，可以對特定組件進行識別，進而滿足不同的測試需求。

2.3 測試腳本配置模塊

測試腳本配置模塊，是測試人員預先根據測試需求，按照預定義的格式編寫測試腳本的模塊。實際測試時，模塊中的腳本解釋器會讀取測試腳本文件，解析并執行腳本內容，并將各個功能模塊按照測試腳本的要求串聯成測試流程，模擬測試人員實操測試，并記錄日志，供人工分析問題和后續日志處理模塊處理使用。測試腳本配置模塊工作流程見圖1。

圖1 測試腳本配置模塊工作流程

測試人員根據不同的測試需求，通過配置函數級的子模塊組合成不同的測試流程；可以選擇預定義的子任務，例如Menu OCR （菜單識別）、Route Check（進路檢測）等指令，直接實現單個測試流程；也可以選擇子函數模塊，例如Move Mouse（移動鼠標）、Save Window（保存窗口）、Left Click（左鍵單擊）、Wait（等待）等指令，模擬實際測試流程，并可以自定義新的復雜的測試場景，編寫測試腳本進行自動化測試。

由于地鐵信號測試具有要點多、邏輯復雜、流程不一致等因素，測試需求變動較大，該模塊可以按不同需求進行測試，大大縮短了重復開發時間，也給測試人員提供了一定的自由度。

2.4 客戶端內網間通信模塊

客戶端內網間通信模塊由主控模塊和被控模塊組成，分別布置在中心、車站和車站聯鎖的控顯機中，可實現中心和車站控顯機的協同操作，模擬傳統測試中人工比對多機信息的測試流程，解決ATS 系統測試中多機聯調的任務?？蛻舳藘染W間通信流程見圖2。

首先，主控模塊與被控模塊建立TCP 連接。在測試過程中，主控模塊將測試需求內容以約定的編碼形式編寫成協議內容，并向被控模塊發送TCP 協議包；被控模塊監聽TCP 協議包，接受TCP 協議包后，根據約定的解碼形式解析協議并做出相應動作。

圖2 客戶端內網間通信流程

以多進路連排的具體需求為例，被控模塊操控車站控顯機，使路段進入占用模式；主控模塊在中心控顯機核對占用情況后，命令被控模塊在車站控顯機模擬占用路段出清；被控模塊完成模擬后，主控模塊收到被控模塊反饋的車站狀態變化信息，比對在界面中顯示的車站控顯機、中心控顯機兩端的占用/出清狀態記錄是否與預期一致。

測試車站排路、區段占用和出清狀態，以及其在中心顯示的狀態，是出廠驗收測試中ATS 與聯鎖之間最重要的測試環節。在這個過程中，客戶端內網間通信模塊使用了多種輔助方式，包括編寫多個控制軟件、接口遠程調用；定義幾種接口遠程調用的協議方式，所有接口調用使用TCP 方式，約定雙方每2s 發送一次含有時間戳消息的心跳消息，用于校對主控端與被控端時間是否一致，保證操作上沒有時差，避免因為2 個機器的時差導致誤判操作而超時。加入心跳包后，能夠有效地避免因為網絡中斷導致測試失敗而給出誤報警。傳送車站的操作記錄到主控端作為比對依據，實時在線檢測中心控顯機的界面顯示是否正常，界面顯示延時是否在可以接受的范圍內。

2.5 日志處理模塊

日志處理模塊主要解析測試結果，與測試用例的預期結果進行比對，生成測試結果可視化模塊的輸入，以供展示。

日志主要記錄當前時間、操作日志、運行輸出日志，以及聯鎖和ATS 的碼位變化表，檢查碼位表是否按照操作日志中記錄的步驟進行變化，與預期的結果是否一致，有沒有超時等情況發生。在地鐵信號系統測試過程中，經常采用這種方法，將自然語言描述的測試預期結果，人工編寫成比對腳本，對測試日志進行判斷處理，可以得出最終的測試結果是否通過，并且輸出異常情況，待測試人員核查。

2.6 測試結果可視化模塊

測試結果可視化模塊用于對測試用例的輸出結果進行可視化，便于測試人員復查。在綜合OCR圖像處理模塊、日志處理模塊等多個模塊輸出后，測試結果可視化模塊統計測試結果，并將統計結果可視化輸出，輸出文件包括站點狀態、逐條測試結果成功率、測試異常點等重要信息，提供給測試人員作為核查的依據。

3 工作流程

ATS系統自動化測試工具的工作流程見圖3。

圖3 ATS 系統自動化測試工具工作流程

1） 啟動ATS 系統和工具后，調用Windows API 操作，模擬人工測試中的鍵盤和鼠標操作。

2）圖像數據采集模塊，依據測試用例中給定的信息，在界面中定位站點、股道、道岔和操作按鈕等信息，使用Windows 的API 進行截圖操作，將結果傳給OCR 圖像處理模塊。

3）OCR 圖像處理模塊，對圖片進行預處理，定位并識別圖片中的被測對象，判斷圖片中被測對象的狀態和編號；采用不同的圖像處理策略，經過圖片預處理、中英文字符檢測識別、軌道岔路形態識別等流程后，將當前任務中需要的圖像信息在整張圖中定位并記錄，構建帶有信息位置坐標的整體測試圖像。

4）測試腳本配置模塊讀取并解析任務，獲得設定好的狀態機模型信息；根據OCR 圖像處理模塊給出的顯示界面狀態，判斷狀態機的運行情況；發送控制命令給客戶端內網間通信模塊，實現多站聯調測試；最后將狀態機的處理結果傳給日志處理模塊。

5）客戶端內網間通信模塊，根據測試腳本配置模塊的控制命令來操作車站控顯機，配合中心控顯機的操作，并將驗證后的車站聯鎖控顯機碼位信息反饋給中心控顯機。

6）日志處理模塊，將收到的結果匯總后與測試用例的預期結果進行比對，判別當前測試任務是否成功。

7）測試結果可視化模塊，根據日志處理模塊的判別結果，整合多次測試的結果，輸出可視化的測試日志，供測試人員查看。

4 關鍵技術

狀態機建模和驗證是ATS 系統自動化測試工具的關鍵技術，將ATS 系統中的操作信息作為狀態機的狀態并建立模型，系統對操作的響應和反饋作為狀態轉變的條件，配合OCR 技術從屏幕獲得信息后，通過狀態機的狀態變化、前后的邏輯關系，對測試結果進行判斷。以實際道岔測試邏輯作為狀態機舉例，狀態機的驗證方式見圖4。

首先，圖像數據采集模塊采集道岔操作前后的界面截圖；然后，OCR 圖像處理模塊對圖像進行去噪、定位字符候選區域、對候選區域分割、識別單個字符、判斷目標道岔位置、道岔特征提取和判斷等圖像處理，判斷道岔前后形態的變化，由此得到測試界面在狀態機中的當前狀態，對道岔形態進行判斷。若道岔形態為不水平，則驗證道岔的狀態；如果道岔狀態符合預期，則驗證經過軌道路線；否則該條測試失敗。若道岔為水平，則驗證軌道路線；如果經過的軌道路線符合預期，則該條測試成功，否則該條測試失敗。

可以看出，OCR 圖像處理模塊識別道岔形態而得到差值圖等動作是狀態機建模和驗證中的關鍵步驟，OCR 不僅要在ATS 界面中找到被測對象，而且要識別操作結果，才能夠判斷狀態機的狀態并記錄測試結果。狀態機的判斷結果均通過日志處理模塊記錄，傳送給可視化模塊進行結果整合以及可視化輸出。

圖4 狀態機的驗證方式示意圖

狀態機建模與驗證技術，并不局限于ATS 的操作邏輯，只要能夠建立操作邏輯的狀態機，結合OCR 識別技術，就可以不依賴被測對象的控顯接口，直接獲得界面狀態，實現這些具有控顯界面的信號系統的自動化測試。

5 應用效果

目前，ATS 系統自動化測試工具已在多個城市、多條地鐵線路上進行了應用，相比傳統的人工測試，測試過程極大簡化，測試時間大大縮短，主要應用效果如下。

1） 利 用Windows 的API 和OCR 等 技 術，模擬測試人員的操作，在未影響系統性能的前提下，實現了界面測試自動化。

2）客戶端內網間通信模塊實現了多機聯合測試功能，能夠同時操作3 個車站，測試車站間的接口，并模擬車輛折返和接發車等場景。

3）不依賴于被測對象界面顯示接口，降低了被測對象的依賴度。國內大部分ATS 系統采用微軟的Visual Studio 技術開發，但為了安全起見，操作界面都去除了微軟的消息響應接口，使得界面操作只能依靠鼠標等輸入設備。采用OCR 技術后，結合輸入設備的控制功能，可不依賴被測對象就能夠獲得其界面變化。

4）實現了測試配置靈活可變，不依賴于測試人員的開發技術，降低了人員要求，減少了培訓和測試成本。

ATS 系統自動化測試工具，節約了ATS 系統測試的人力資源和時間資源，簡化了測試流程制定、測試人員培養、測試結果核對的流程，為現階段城市軌道交通快速發展提供了幫助。