（交通信息工程及控制专业论文）CTCS3级列控系统车载设备测试方法研究.pdf

中文摘要 摘要：为确保列车运行安全，提高运输效率以及增强市场竞争力，铁路部门 提出了发展适于我国国情的c t c s ( c h i n e s e t r a i n c o n t r o l s y s t e m ) 系统的策略。随着 c t c s 技术研究的成熟，c t c s 必将作为我国现代铁路系统的标准，进入实际运用 阶段。因此，如何验证c t c s 设备是否满足c t c s 系统需求规范是一个随之而来， 并且急需解决的问题。况且由于c t c s 提出相对较晚，在相关设备的测试评估的 研究方面还是一个空白，虽然e t c s 已发布了一些关于车载设备测试的可供参考 的规范，但是由于技术保密等方面的原因，许多核心的内容还需要深入研究，而 且对r b c 的测试方面的规范目前还没有发布，更需要进行自主研究。 本文主要研究c r c s 3 级车载子系统的功能测试方法。测试是一项非常耗时的 工程，恰当的测试方法可以提高测试的效率。本课题主要为车载设备的测试做了 一些前期的研究工作，借助于实验室现有的仿真环境，首先给出测试系统的组成； 然后重点阐述测试案例的设计和基于中国邮路算法的测试序列的设计方法，从而 做到尽量全面而简洁的测试；最后给出用邮路算法求解测试序列的具体实现，以 及测试场景产生器的设计，为实现自动测试奠定基础。 关键词：c t c s 3 ，功能钡4 试，测试案例，测试序列，中国邮路算法，仿真测试， 自动测试 a l l s t r a c t ：t h em i n i s t r yo fr a i l w a v sb r i n g sf o r w a r dt h ec h j i l e s et r a i nc o n t r o l s y s t e m ( c r c s ) i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fh i g hs a f e t y , h i g he f f i c i e n c ya n d s t r o n gm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s sf o rr a i l w a ys y s t e m w i t ht h ea d v a n c e m e n t i nt h er e s e a r c h o fc t c s ，as e r i e so fc t c ss p e c i f i c a t i o n sw i l lb ep u ti n t op r a c t i c e s o , i ti su r g e n tt o j u s t i f yw h e t h e rt h ee q u i p m e n tc a n m e e tc t c ss t a n d a r d s b e s i d e s ，i ti so n l yas h o r tt i m e f o rt h ec t c st ob ep r o p o s e d , l i t t l er e s e a r c hh a sb e e nd o n ec o n c e n f i n gt h et e s ta n d e v a l u a t i o no fc t c se q u i p m e n t a l t h o u g ht h e r ea r es o m ep u b l i s h e de t c ss p e c i f i c a t i o n s c o n c e r n i n gt h et e s to fe t c so n b o a r de q u i p m e n t , r e s e a r c hm u s t b ed o n et os o l v et h ek e y a l g o r i t h m s m o r e o v e r , t h e r ei sn op u b l i s h e ds p e c i f i c a t i o nc o n c e r n i n gt h et e s to fr b c a t p r e s e n t s oi ti sm o r ei m p o r t a n ta n du r g e n tf o r 1 1 st od or e l a t i v er e s e a r c h t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et e s tm e t h o d o l o g yo fc t c s 3o n b o a r de q u i p m e n t f i r s t l y , b a s e do nt h ec r c s 3s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta l r e a d ye s t a b f i s h e di no u rl a b ，t h e a r c h i t e c t u r eo ft b et e s tp l a t f o r mj si n t r o d u c e d ；s e c o n d l y , t h em e t h o do fd e s i g n i n gt h et e s t c a s e sa n dt e s ts e q u e n c e sb a s e do nc h i n e s ep o s t m a n p r o b l e mi sd e s c r i b e ds oa st om a k e t h et e s tc o m p l e t ea n ds i m p l e ；f i n a l l y , t h em e t h o do fo b t a i n i n gt e s ts e q u e n c e sb a s e do n t h ec h i n e s ep o s t m a np r o b l e ma l g o r i t h ma n dt h ed e s i g no ft e s ts c e n a r i og e n e r a t o ra r e d e s c r i b e d ，l a y i n gag o o df o u n d a t i o nf o ra u t o m a t i c t e s t k e y w o r d s ：c t c s 3 ，f u n c t i o nt e s t ，t e s tc a s e ，t e s ts e q u e n c e ，t h ec h i n e s ep o s t m a n p r o b l e ma l g o r i t h m ，s i m u l a t i o na n dt e s t i n g ，a u t o m a t i ct e s t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：幸葱 签字日期：刁年口月i e l 导师签名； 签字日期： 卿年，2 月冲日 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者魏于翌 签锢期：1 年尼刚日 致谢 首先，我要衷心的感谢张勇老师，在我攻读硕士学位期间给予我的关心、帮 助和指导。在基础知识学习和科学研究方面，张老师都以他渊博的知识和严谨的 态度影响和指导着我。张老师言传身教、身体力行，在做人的道理方面也给我很 大的启示和教育。 感谢一同做课题的崔莹莹、徐丽、宋晨亮、宋沛东、蒋红军、王春花、谈敏、 蔡畅、王嵩等同学给予我的支持和帮助，从他们身上我学到了很多优秀的品格。 感谢我的家人，正是他们的默默支持与鼓舞，才使得我能够一直克服种种困 难，完成学业。 最后，向所有给予我关心、支持和帮助的人表示衷心的感谢j 1 绪论 1 1c t c s 3 简介 c t c s 源于e t c s ( e u r o p e a n t r a i n c o n t r o l s y s t e m ，欧洲列车控制系统) 。e t c s 是欧洲铁路运输管理系统( e u r o p e a nr a i lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，e r t m s ) 的 组成部分之一，e t c s 涉及列车控制和信号方面，包含了所有的信号技术，也就是 欧洲信号一体化技术。在欧洲铁路网上，各个国家的铁路部门使用各自不同的信 号制式管理列车的运营，列车运行控制系统( 衄w 触) 多达1 0 余种，这些信号 和控制系统互不兼容。e r t m s e t c s 的制定，目的在于使欧洲高速列车能在欧洲 跨国运行，实现互联互通。参照欧盟发展e r t m s e t c s 的成功作法，根据总体原 则，从需求出发，结合我国的国情和铁路的实际情况，我国提出了具有中国特色 的列车控制系统c t c s ( c h i n at r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，并且按系统条件和功能 将中国的c t c s 系统共划贫为5 级。 c r c s0 级：既有线的控车模式。区间轨道电路+ 站内电码化+ 通用机车信号+ 列车运行监控装置。 c t c s1 级：基于既有设备改造的岍系统。适用于既有线1 6 0k m h 以下区 段。针对中国主要干线装备现状，对既有设备实行强化改造，在主体化机车信号 的基础上，通过补点，实现具有中国特色的点连式a t p 。即主体化机车信号( 区间、 站内轨道电路进行强化改造+ 故障安全型机车信号1 + 点式设备+ 安全型监控装置。 c t c s 2 级：基于轨道电路信息的a t p 系统。地面一车载一体化系统设计，车 载设备有机结合；速度监督可采取大台阶，也可采取速度距离模式曲线；地面可 采用模拟多信息轨道电路，也可采用数字轨道电路，并辅以必要的点式设备，组 成点连式a t p 。 c t c s3 级：基于轨道电路和无线通信( g s m 鼬的a t p 系统。轨道电路在实现 区段占用与列车完整性检查方面具有不可替代的优势；无线通信( g s m r ) 在满足我 国铁路移动信息网需求的同时，又能解决超速防护信息高速率可靠传输，两者结 合是强强互补。再辅以定位校核的点式设备，系统具有与国际接轨的先进性。 c t c s4 级：完全基于无线通信( g s m 鼬的a t p 系统。该系统具有移动自动闭 塞的特征。区间占用靠g p s 和g s m - r 实时数据传输解决。列车完整性检查、定 位校核分别靠车载设备和点式设备实现，使得室外设备减少到最低程度。 c t c s 3 级列车运行控制系统是中国列车控制系统( c r c s ) 的重要组成部分之 一，它采用无线通信系统( 如g s m r ) 实现地面一列车间连续、双向的信息传输， 即c t c s 3 级是基于无线通信的列车运行控制系统。 c t c s 3 级中列车的间隔控制采用固定闭塞方式，列车速度控制采用目标距离 模式控制( d i s t a a t og o ) 方式，轨道电路仅用于列车占用检查和列车完整性检查， 测距修正的定位基准及运行方向等信息由线路上安装的固定应答器提供。r b c 根 据固定闭塞信息及进路信息产生行车许可通过g s m r 传送到车载设备，其它与列 车运行控制系统有关的信息如临时限速及线路参数等也通过无线通信系统传输到 车载设备。 c t c s 3 级总体描述为： c t c s 3 级可以叠加在既有信号系统上的基于通信的列车控制系统； 运行许可( m a ) 由轨旁设备产生并通过无线设备传输到车载设备： c t c s 3 级能提供连续速度监督，防止列车越过运行许可； 列车检测和列车完整性检测由地面其他非c r c s 3 级信号系统完成( 如联 锁、轨道电路等) c 可c s 3 级基于无线传输作为地一车信息传输，应答器作为点式传输列车定位 信息向列车提供信息的轨旁无线闭塞中心( r b c ) 根据列车头部安装的c t c s 3 级 车载设备的标识号识别每一列车在a r c s 3 级中，可以取消地面信号。 1 2 本课题研究背景和意义 1 2 1研究背景 ”十一五”期间是中国铁路高速发展的时期，干线铁路将进一步提速、多条客运 专线将开工建设、高速铁路正在酝酿中。为确保列车运行安全和提高运输效率， 迫切需要装备性能先进、安全可靠的列车运行控制系统。按照“先进、成熟、经济、 适用、可靠的要求，我国3 0 0 k m h 及以上高速客运专线确定c t c s 3 列控系统作为全 路统一技术平台体系，并兼容c t c s 2 列控系统实现动车组上下线运行。在c t c s 2 级系统的基础上，( 舵s 3 级通过集成欧洲列车控制系统( e t c s ) 无线控车的关键 技术，构建c t c s 3 列控系统技术平台。 目前正在进行的武广客运专线、广深港客运专线及郑西客运专线信号系统均 提出采用符合e t c s 技术规范的e t c s 2 级列车控制系统，并要求外方转让其关键技 术，通过关键技术消化吸收实现客运专线列车运行控制系统的国产化。但从目前 的情况看，国外公司都拒绝转让一些核心的关键技术。必须研究适于客运专线的 c t c s 3 级技术规范和关键技术，形成中国高速客运专线列车运行控制系统的技术 体系。为了确保列车运行安全，需要对c t c s 3 系统开展功能测试、子系统( 部件) 2 的互连互通性验证、性能评价等工作，而其中有些工作无法或者非常难以在铁路 现场进行，有的工作在现场进行工程花费巨大。建立c t c s 3 列控系统综合仿真测 试平台可以为系统的设计研究及设备集成提供良好的辅助设计、研发平台、验证 测试平台，用于c - i s 3 列车运行控制系统的系统研究、方案比较、设备测试评估 等。 1 2 2研究意义 作为一个对安全性要求非常严格的铁路控制系统，c t c s 必定要通过一系列的 彻底的铡试工作，以确保对系统的全面验证。其中功能测试是确保系统安全最重 要的部分。功能测试目的在于验证系统是否满足系统需求规范。车载子系统作为 c t c s 3 系统的一个重要组成部分，对其各方面性能，尤其是互操作性进行测试， 是非常重要的。它可以及时发现设备问题，改迸设备性能，对即将投入使用的设 备进行全面的测试，评估设备的可用性、可靠性，以确保行车安全，提高运输效 率。 由于c r c s 的提出相对较晚，在相关设备的测试评估的研究方面还是一个空 白，虽然e t c s 己发布了一些关于车载设备测试的可供参考的规范，但是由于技术 保密等方面的原因，许多核心的内容还需要深入研究，而且对r b c 的测试方面的 规范目前还没有发布，更需要进行自主研究。 总之，国内高速列车控制系统安全性测试评估的研究还有着很大的空白，本 项目的研究无论是从近期还是远期看都具有较高的学术价值、广泛的应用前景和 重要的社会经济意义。 1 3 国内外现状 在列车控制系统的测试方面，国外铁路非常重视，进行了大量的研究。意大 利佛罗伦斯大学曾于2 0 0 4 年为s c m t 开发出一个基于仿真技术的a 硎a t c 测试系 统“3 ：h i l ( h a r d w a r ei nt h el o o p ) 测试系统。该系统为a t p 中测速设备的测试提出了 一个有效的解决办法，使得设备的验证程序大大简化。它的应用使得人们不必在 现场进行测试，这就降低了测试的费用。而且，测试环境都是可控、可重复的， 这使得不同的解决方案之间可以进行有效的对比。一些极端的测试环境，比如低 粘着力等，在实际线路中不可能出现或是很危险，在这里都可以容易地进行模拟。 g d en i c o l a 啷提出了一种基于白盒测试和黑盒测试的混合测试方法对安全关键系 统进行测试，基本思路是从系统的规格说明书出发，把系统切割成相互独立的若 干逻辑单元，之后对每一个逻辑单元进行测试。在进行测试的过程中，不同的输 入组合将被输入到整个系统的输入接口来对所有逻辑单元进行激励，通过对系统 非破坏性的输出检测，收集各个逻辑单元的测试结果，验证其正确性。该方法能 有效减少测试用例的数量，还能实现故障定位，已被应用到e t c s 系统的测试中。 p d it o m m a s o “研究了对e t c s 的地面关键设备r b c 安全性进行测试的方法，主要 是通过仿真方法提供在列车与r b c 之间数据通信异常情况下的测试案例，来验证 r b c 系统的安全性。 关于e t c s 车载设备的铡试，e l t t m su q i s i g 工作组发布了较为详细的文档。 文献【4 】描述了根据系统的需求规范s r s 提取系统特征的基本方法，文献【5 】描述了 产生测试案例的原则和方法，文献【6 】描述了如何通过测试案例构成测试子序列， 如何通过测试子序列构成测试序列的方法。 西班牙c e d e xl i f 实验室采用仿真测试方法，建立了e u r o c a b 测试平台，并开 发了一些测试工具，实现了测试序列定义，测试序列生成和查看、测试管理和测 试结果分析评估等功能。 图1 1 西班牙c e d e xl i f 实验室车载设备测试平台框图 f i g u r e l 1 c e d e xl i fo n b o a r de u r o c a bt e s t a r c h i t e c t u r ei ns p a i n 国内对列控系统的测试研究相对较少，上海同济大学针对微机联锁软件的测 试评估，在软件安全性测试评估理论和方法，微机联锁软件测试评估平台的建设 和应用方面进行了大量的研究和实践，为微机联锁在国内的推广应用提供了安全 4 a e 塞銮通太堂亟堂堂逾塞蟹绘 保障争旧 1 4 论文主要工作 本文重点研究c t c s 3 级列控系统车载设备的功能测试方法。首先搭建测试平 台，然后重点阐述测试案例的设计和基于中国自日路算法的测试序列的设计方法， 为实现自动测试奠定基础，最后开发测试系统中的测试场景产生模块，为车载设 备测试构造测试场景和测试数据，从而实现自动测试。本课题用到的关键算法是 中国邮路算法，对此算法进行了深入研究，并最终将其应用到测试序列的设计中。 本文结构如下： 第一章：绪论，介绍了本课题的研究背景及意义。 第二章：测试系统设计，介绍了车载设备测试系统结构及各部分功能。根 据实验室现有的仿真环境，对测试系统进行功能分析，搭建车载设备仿真 测试平台，确定各模块具体功能以及模块之间的数据流向和交互关系。 第三章：测试案例设计，介绍本课题中测试案例的设计方法。根据功能测 试的定义和要求，介绍从系统需求规范到功能特征提取，从功能特征提取 到测试案例设计的测试案例设计思路，确定测试案例的描写格式，为第四 章打下基础。 第四章：测试序列设计，介绍基于中国邮路算法的测试序列设计。根据功 能测试的规则，以测试完整而简洁为目的，将测试案例按照被测对象内部 逻辑有序地串连起来，形成测试序列。 第五章：测试场景器设计，对测试场景产生器进行功能分析和功能实现。 根据局测试场景的功能需求，实现测试场景中测试序列产生，测试子序列 选择，测试数据设计，基本信息数据库建立，信息查询等功能，为自动测 试奠定基础。 第六章：结论和展望，对论文工作进行总结，提出进一步研究内容。 5 2 测试系统设计 2 1 车载设备系统结构 根据系统需求规范和功能需求规范，车载设备的结构图如图2 1 所示。车载设 备内部模块包括：车载安全计算机、人机接口d m i ( 独立仿真) 、测速模块、应答 器传输模块c b t m ) 、无线信息传输模块( r t m ) 、司法记录单元、设备维护记录 单元、输入模块、输出模块。车载设备通过g s m - r 与r b c 通信。 l i i i i i i 卜 图2 1 车载设备结构图 f i g u r e 2 1o n b o a r de q u i p m e n t a r c h i t e c t u r e 车载设备功能的实现是以车载安全计算机为核心，其主要功能包括： 确定来自于轨道描述的可允许的等级； 处理司机输入的c t c s 等级； 计算最严格速度曲线； 实时计算目标距离模式曲线； 速度比较和控制干预，本功能用于监督比较当前速度和列车位置，并且采 取适当的措施： 向地面系统发送列车运行的动态信息： c t c s 3 级车载系统除了具备车载的核心功能外，还有一些必需的辅助设备的 功能。 6 人机接口( d m i ) ：提供司机与车载设备的接口，向司机显示提示信息；司机 通过d m i 输入部分列车静态参数和司机m 。正常情况下，总是向司机显示当前 c t c s 的等级和模式；如果司机确认，则从d m i 上删除报警。 d m i 显示信息包括：当前c r c s 等级和模式、列车当前速度、允许速度、目 标速度、距目标点的距离、报警显示、常用制动，紧急制动等。司机输入信息包括： 司机i d 、c t c s 等级和模式、列车静态参数等。 无线信息传输模块( r n d ) ：与g s m - r 接口的车载设备，此功能模块处理与r b c 的无线链路，包括无线链路的建立、维护、撤销等。 应答器信息接收模块( b t m ) ：接收应答器发送的信息，并进行处理，再向 核心模块报告。 测速模块：根据速度传感器模拟器产生的脉冲信息，实时计算列车运行速度 和列车走行距离，并报告给车载安全计算机。 输入模块：是车载设备与列车操纵模拟器连接的输入接口模块，将列车操纵 模拟器产生的列车运行状态信息报告给车载安全计算机。 输出模块：是车载设备与列车操纵模拟器连接的输出接口模块，向操纵模拟 器传输车载制动命令信息。 司法记录单元( j r u ) ：规范司机驾驶，记录与运行管理相关的数据。 2 2 车载设备仿真测试系统设计 对车载设备进行功能测试就是通过对车载设备既有的外部接口进行输入输出 验证，测试车载设备的功能是否满足系统需求规范。因而，首先要针对车载设备 既有的接口，为车载设备搭建仿真测试环境。在时间有限的情况下，不可能真实 地设置所有的现实中可能出现的列车运行环境，并且有些环境是不可能设置的， 因此，采用仿真测试环境的办法，使仿真测试环境尽可能地模拟真实的运行环境。 真实的被测试设备以及仿真测试设备就在仿真环境上运行。车载设备仿真测试系 统如图2 2 所示。 7 图2 2 车载设备仿真测试系统结构 f i g u r e 2 2o n b o a r de q u i p m e n ts i m u l a t i o nt e s ts y s 把m a 删t c ：l l i 船 车载设备仿真测试系统由被测车载设备，仿真测试环境，仿真测试设备三二 部分组成。其中，被测对象车载设备是实物，仿真测试环境内的模块用于模仿j 实测试环境。仿真测试设备就是对车载设备进行测试用的各功能模块单元，分； 测试数据记录单元、测试数据分析单元、钡4 试控制器、测试场景产生器。 2 2 1各模块功能分析 测试场景产生器是一个离线模块，它用于自动产生测试序列，设计测试序j 的数据，是本文的研究对象。在进行测试之前，它将产生的测试序列数据文件f 送给测试控制器。测试控制器再将这些数据分别传给其它的相应模块，进行测t 配置。 测试控制器用于控制和监督整个测试过程。测试进行之前，它接受由测试l 景产生器产生的测试序列数据。测试开始时，它给其它模块发送所需的配置数据 对其它模块进行配置，启动测试过程。在测试过程中，它实时监控整个测试过程 测试控制器与列车运行仿真器之间的数据交互：配置阶段，测试控制器给 车运行仿真器发送列车数据，轨道条件，预先定义的速度曲线以及一些其它参数 在测试过程中，它接受列车运行仿真器报告的列车加速度、列车速度以及列车 障等信息。测试控制器与其它模块之间的数据交互如下： 8 1 ) 与速度传感器模拟器的数据交互：配置阶段，测试控制器给速度传感器模 拟器发送一些速度参数。在测试过程中，它接受速度传感器模拟器的旅行距 离以及故障信息； 2 ) 与r b c 仿真器的数据交互：配置阶段，测试控制器给r b c 仿真器发送以 位置为参考点的消息列表以及基于时问窗或距离窗的消息传输限制条件。在 测试过程中，当r b c 接受到一条消息，发送出一条消息或由于条件不满足 而不发送消息时，要告知测试控制器。测试控制器接收r b c 的故障信息； 3 ) 与模块事件记录器的数据交互：配置阶段，控制器给模块事件记录器发送 除模块事件记录器之外的用于配置其它模块的所有信息，并且模块事件记录 器要给测试控制器一个应答。在测试过程中，测试控制器接受模块事件记录 器的故障信息。 测试数据记录器包括j r u 下载单元、模块事件记录器和d m i 事件记录器。j r u 下载单元用于下载车载设备中j r u 记录的信息。这些信息用于核实车载设备的行 为，并且与采集到的其它模块的信息一起用于检查测试序列是否正确，车载设备 的行为是否符合系统需求规范和测试规范。 模块事件记录器用于记录其它模块的有用信息。它所记录的信息与j r u 下载 单元的信息一起，用于离线测试评估。模块事件记录器与其它模块之间的数据交 互如下： 1 ) 与测试控制器之间的数据交互：配置阶段，接受测试控制器的所有配置文 件。在测试过程中，给测试控制器发送故障信息； 与速度传感器模拟器之间的数据交互：在测试过程中接受速度传感器模拟 器带有时间戳的旅行距离； 3 ) 与列车运行仿真器之问的数据交互：在测试过程中接受列车运行仿真器带 有时间戳的列车速度； 钔与r b c 之间的数据交互：在测试过程中接受r b c 带有时间戳的发送及接 收消息。 d m i 事件记录器用于记录d m i 所有的输入输出事件。 测试数据分析单元是一个评估测试结果的离线模块。它利用模块事件记录器、 d m i 事件记录器以及j r u 下载单元中的信息来检查测试序列的执行结果，分析判 断整个运行过程。 9 2 2 2模块数据流图 1 、模块事件记录单元的数据流图如图2 3 所示。 图”模块事件记录单元的数据流图 f i g u r e 2 3d a t af l o wo fm e r 2 、配置阶段，数据初始化流图如图2 4 所示。 图2 4 配置阶段，数据初始化流图 f i g u r e 2 4d a t af l o wi nc o n f i g u r a t i o np h a s e 4 3 ：在测试过程中，各相关模块的数据交换流图如图2 5 所示 2 3 测试方法简介 图2 5 测试过程中，数据交换流图 f i g u r e 2 5d a t af l o wi nd y n a m i cp h a s e 从是否针对系统的内部结构和具体实现的角度，测试方法可分为黑盒测试和 白盒测试。黑盒测试也称为功能测试，是在完全不考虑系统内部结构和内部特性 的情况下，检查输入与输出之间关系是否符合要求。白盒测试又称为结构测试， 是对系统内部进行逻辑分块，对每一个分块都进行测试，从而达到测试每个逻 辑分块的目的，具有一定的故障定位能力。 从被测系统是否处于在线工作状态分为主动测试和被动测试。主动测试是指 被测对象处于被测状态，由测试案例产生输入，作为被测系统的激励，通过检验 被测系统的输出，对被测系统进行功能评估。被动测试是指被测对象运行在真实 的环境下，不需要对系统进行输入数据的设计，而是通过采集被测对象在工作状 态中的输入与输出数据并对其进行分析，从而对被测系统进行评估。 本课题主要研究车载子系统的功能测试。功能测试目的在于验证系统是否满 足功能需求规范。通过车载设备既有的外部接口对车载设备进行功能测试，故采 用的是黑盒及主动测试方法。将被测对象看作一个黑盒，被测对象的各个外在可 见的接口作为黑盒的输入输出口。对被测对象进行合理的案例设计，对其进行主 动测试。在第三章将阐述本课题中测试案例的设计方法。 1 1 3 测试案例设计 3 1 测试案例的设计方法 3 1 1提取功能特征的必要性 s r s ( 系统需求规范) 描述了整个列车控制系统的所有必需的需求。对系统进 行功能测试，就是验证系统是否满足系统需求规范。因此测试案例的立足点是系 统需求规范。然而，在测试中存在两个问题： 其一、对于s r s 中的许多需求，不可能在既有的接口上对其进行直接测试； 其二、将每一个需求，都转变成测试案例的话，测试案例的数量非常庞大。 为了解决这两个问题，就要求提炼出一些精简后的必要的功能体。这些功能 体称为功能特征。s r s 中的每一个需求，至少能在一个功能特征中得到反映，每 一个功能特征都来自于s r s 中的需求。功能特征就是一组需求的集合，它们能够 通过既有的接口进行测试。 为了使测试案例便于管理和执行，功能特征应具有以下两个属性： 其一、可测性：能够在被测对象上通过直接的激励而产生响应，以便对被测对 象在既有的接口上进行测试，也即每一个功能特征都能分解成一个简单因果关系， 测试响应就是事先定义的外部可见接口的输出。 其二、独立性：功能特征的测试具有必要的独立性，也即某个功能特征能够 单独执行而不需要考虑其它功能特征的执行情况。 由此可得出功能特征较为确切的定义：功能特征就是c t c s 列控系统必要的 功能实体，这些功能实体是外部可见的( 即操作者或用户能实施的) ，并且能分解 成基本的因，果关系。这样，就能够将系统需求规范中详细的需求概括成功能特征。 功能特征包含一个或多个需求，这些需求以一种外部可见、易于管理的、广泛独 立以用于测试的方式概括出来。 因此，根据被测系统的外部可见接口( 通常站在操作者和用户的立场) ，规划 大概的功能实体，然后进行功能特征分割。逐步细化，直到功能特征成为原子单 位，即具有不可分割性和原子性。最后，针对每一个功能特征，设计若于测试案 例对其进行测试，从而对s r s 中的需求进行验证。 1 2 r 磊茹。鹫 i4 弋乡 r ? 能特征细化，； 弋夕 。溯试案倒设计 7 图3 1 测试案例设计流程图 f i g u r e3 1d e s i g n i n gf l o wc h a r to f t e s tc a s e 左1 n 1 趴矗 图3 2 系统需求规范，功能特征，测试案例之问的关系 f i g u r e3 2r e l a t i o n so f s r s ，f u n c t i o nf e a t u r ea n dt e s tc a s e 这种由系统需求规范( s r s ) 至q 功能特征，再由功能特征至4 测试案例的案例设 计过程能确保： 在既有可用的接口上测试s r s 中的需求 从c 舵s 的全局角度集中规划案例，减少测试案例的数量 通过测试案例的独立性、原子性( 不可分割性) 减少测试案例的复杂性 通过完整的测试案例来衡量系统的技术互操作佳 提供了对系统能力的整体评估 3 1 2功能特征的定义原则 功能特征集覆盖了系统需求规范中的所有需求，同时，也必须考虑可执行性。 由于是在既有的外部可见接口上对被测对象进行测试，因此，在定义功能特征时， 必须参考各相关接口文件。根据第二章图2 1 可知，要参考的接口有司法记录接口、 d m i 接口、t i u 接口、b t m 接口以及r t m 接口。 功能特征的划分，可以根据c t c s 系统的一些必要功能实体进行逐步细分。 这些功能实体则根据系统的运行环境，得到初步的划分。运行环境主要分为车载 a t e 性能和轨旁环境。运行环境与功能实体的对应关系如图3 3 所示。 图3 3 运行环境与功能实体对应图 f i g u r e3 3r e l a t i o n sb e t w e e no p e r a t i o ns i t u a t i o na n df u n c t i o ne n t i t y 功能实体大致分为a t p 、模式以及等级这三大类，这三类功能实体也就是最 高层的功能特征。对这三类功能实体进行进一步划分可以得到： a t p 功能特征划分为： 监督特征：包括数据完整性和正确性监督，列车速度、列车间隔、列 车运行、模式转换、列车完整性、进路适应性、通信链接等监督。 辅助特征：包括无线通信、列车报告、处理速度监督的限制、列车制 动处理和释放、提供时间日期数据、列车数据和附加数据的输入、 运行权限的请求、改变列车运行方向等。 模式功能特征划分为： 模式表示：即呈现当前所处的模式。 模式转换：当满足模式转换条件时进行各模式之间的转换。 等级功能特征划分为： 等级表示：即呈现当前等级的模式。 ， 1 4 等级转换：当满足等级转换条件时进行等级之间的转换。 得到的二级功能特征还可以继续进行划分，直到功能特征成为原子单位，即 具有不可分割性和原子性，贝l j 最终得到最底层用于设计测试案例的功能特征集。 定义功能特征时必须遵循以下原则： 可理解性： 每一个功能特征必须易于理解 独立性： 功能特征集中的每一个功能特征都是独立于其它功能特征的。因此上层 的功能特征是不可用的，只是为了便以工作和增强可读性，才呈现出层次关 系，最终只有最底层的功能特征可用。 经常使用的一些功能可以单独划分出来作为个功能特征，这样就有可 能在软件构架满足一定条件的情况下一次性对此功能的各个方面进行测试。 当然，这种类型的功能特征会破坏之前提及的功能特征的独立性，并且它们 不能进行单独的测试，必须与用到它们的功能特征一起进行测试。 可标识性； 每一个用到的功能特征必须要求唯一的标识号以便识别。 等级适用性： 每一个功能特征必须标明适用于哪一个等级，因为每一个功能特征都 有自己的等级属性，不定适合所有的等级。 针对功能特征的定义原则，在实现时应考虑以下方面的问题： 可理解性 功能特征是否能以纯文本的形式表示 功能特征是否易理解，所谓的可理解主要从以下角度： 1 1 被测对象 操作者，用户 3 1 开发者 可标识性 功能特征是否有一个清楚的唯一的标识号 功能特征是否有一个清楚的名称 功能特征是否有一个清楚的解释 跟踪性 在将系统需求规范集合成功能特征时，是否没有对需求规范进行改动 或增加新的需求 是否所有的参考都能找到 形成功能特征的需求是否 1 ) , - v 确而精确地得以参考 劲完整地定位 如果没有，其中用到的比较重要的部分是否通过段落以及语句明 确地标出。( 一个需求不应该分布在不同的功能特征中，然而， 它或许可以完整地分派给好几个功能特征，否则，就得对需求规 范做出必要的修改) 可测性 功能特征能否充分地实施 测试评估的所有信息是否是外部可见的( 也即是否可以在既有的接口 中度量) 完整性 是否所有的需求都组合成功能特征 概括成功能特征的需求是否 1 1 必要 充分 3 ) 清晰地标界为所处的功能特征 功能特征中的所有可能的限制都在需求中完整地描述 一致性 需求和一些术语是否都正确地使用，有没有误解 原子性 功能特征要素是否具有单一的因果关系( t g 即没有更多的或更少的 外部可见的影响) 3 1 3功能特征的描述格式 为了满足功能特征的属性，功能特征描述所包含的具体字段有： 类型： 类型定义这个功能特征是最底层功能特征还是上层功能特征，以及参考需求。 分别有以下几个可选值： 1 ) 高级，所有非底层的功能特征标为高级 2 ) 功能特征，所有最底层的功能特征标为功能特征 + 3 1 参考需求，功能特征中的需求标为参考需求 1 6 功能特征中包含的每一个需求都需要用单独的一列来表示 功能特征标识号： 每个最底层的功能特征都必须有一个唯一的标识号：一个功能特征中包含 的每一条需求都必须包含同一个功能特征号，这样便以功能特征与系统需求 之间的核对。 对于非最底层功能特征不进行唯一标识号的排列，只标明属于哪一个级别即 可。 目录 目录用于描述功能特征从属号，标识号或者需求的章节号 对于类型为高级的行，标出它所处的功能特征从属号和名称 对于类型为功能特征的行，标出它名称 对于类型为参考需求的行，标出需求章节号。 所有的功能特征至少有一个从属号，每一个最底层的功能特征至少有一个 钡0 试案例，每一个测试案例至少有一个需求。 备注 如果有需要的话，用于对每一个条目进行简要注释。 模式 每一个最底层的功能特征表明它适用于哪一个模式。 等级 每一个最底层的功能特征表明它适用于哪一个等级。 3 2 测试案例的规范化描述 3 2 1测试案例的规范化描述的必要性 互操作性测试没有完整地证明客户需求( 包括安全需求) ；它的目的是验证互 操作性和尽量完整地验证被测对象是否满足系统需求规范。为了有效地进行证明， 产生测试案例时，测试案例的规范化描述是非常有必要的，这样便以在后续的测 试案例执行中节省开销。 规范化的描述有益于以下几个方面： 测试案例产生过程中工作的统一以及有条理地分配 1 7 测试案例的自动执行过程 参与工作团体以及其它机构对工作的预先评估。 基于以上目的，必须定义一个直观的、清晰的基本原则。这项工作系统需求 规范已经完成。有效的需求管理形成了后续开发过程以及验证阶段的核心。由此， 为了顺利地通过证明和确认过程，在验证过程中必须确保系统需求的完整性和可 跟踪性。 为了完成以上任务，必须建立适当的程序以确保所有的系统需求能被有效地 管理、查阅、操作以及跟踪。 规范化的测试案例能够有效地辅助确保测试场景： 以模块化的方式进行设计和构造 灵活形成以便测试序列能够适应有关技术或操作的必要条件。 这样，测试案例就能组合起来形成测试场景，也即测试序列。完整的测试序 列集应该包含所有已定义的测试案例至少一次。测试所有的案例至少一次能够确 保验证系统需求规范中所有可测的需求。并且，测试案例只要在一个等级和模式 的组合中( 针对那些适用与多个等级以及模式的测试案例) 被测即可。 为了清楚易懂地描述测试案例，以确保系统需求的完整性和可跟踪性，必须 提出一个适合测试案例管理的适当程序。此过程将在第四章测试序列的设计中描 述。 3 2 2测试案例的描述格式 在清晰地说明和参考系统需求的基础上，通过产生功能特征来设计测试案例。 每一项确认工作都是基于以下必要的几点； 参考需要验证的系统需求的起因 所有需求的易测性 所有测试案例能够有效管理 测试案例的描述必须保证内容的足够全面，要体现以下基本内容： 被测对象：进行测试的设备 所属的功能特征：每一个测试案例都是针对某一个功能特征设计出来的， 用于测试其所属的功能特征 测试的系统需求：每一个测试案例都测试了系统需求规范中的某条需求， 必须标明 1 8 测试方法：包括测试步骤、如何检验测试结果 易于理解的测试环境：测试包括测试所处的模式等级，各接口的状态条件 测试执行的结束标准：测试案例执行结束时所处的状态，产生的影响 为了满足上述目的，在保证内容全面的同时，要具有统一规范的描述格式。 一个测试案例的完整描述如下： 标题：包括测试案例所灏功能特征标识号，此属性的所有测试案例总个数， 所测试的s r s 章节号。 测试案例标识号：包括案例所测功能特征的名称，测试案例自身标识号， 测试案例名称，测试目标，适用等级以及模式。 测试案例之间的关系表示：包括用于测试另一个功能特征的前继后继案 例，以及本案例中包含的用于测试另一个功能特征的子案例。 案例的开始条件：包括内部状态和各外部接口的状态。 案例的操作步骤：表明案例的易执行性。 案例结束条件：包括终止内部状态和各外部接口的结束状态。 案例执行结果的判断标准：包括车载设备各外部接口单元( 比如 j r u , t i u , d m i ) 的所记录的及显示的信息和发生的动作。 测试案例所涉及的一些数据包和消息的内容。 每一个测试案例离不开状态，测试案例的外在表现是一个状态到另一个状态 的转变。状态与案例之间的关系如图3 4 所示。 初始状态结束状态 全局状态全局状态 l 所处模式 li 所处模式 i l 所处等级 l入i 所处等级 j 察籍稍 翠j 局部状态 y 局部状态 数据完全输入数据完全输入 消息消息 数据包数据包 状态1 状态2 图3 4 案例与状态的关系 f i g u r e3 4r e l a t i o n sb e t w e e nt e s tc a s ea n ds t a t e 在文本文档中，一个案例描述格式如下： 测试案例号( 1 、2 3 、) 标识 被测功能特征名 测试案例名 应用模式和等级 测试目标 依据的需求规范 系求规范的章节号以及具体的段落语句 澳4 试方法 起始内部状态 起始内部状态 状态变量名1状态值 状态变量名2状态值 状态变量名3状态值 起始接口条件 起始接口条件 接口1状态值 接口2状态值 “ 接口3状态值 测试步骤：其中当此案例是模式或等级转变案例时，之前以及之后模式等级有用 2 0 步骤之前模式，事件描述输脯出相关接口之后模式，备注 等级 等级 1 2 3 后继如果有则标出功能特征号和测试案例号 结束内部状态 结束内部状态 状态变量名1状态值 状态变量名2状态值 状态变量名3状态值 结束接口条件 结束接口条件 接口1状态值 接口2状态值 接口3状态值 4 测试序列的设计 4 1 测试序列的必要性 测试序列是由若干测试案例串联起来，形成的一个测试场景。之所以提出测 试序列