（交通信息工程及控制专业论文）白盒测试方法在CBTC车载系统测试中的研究与应用.pdf

中文摘要 摘要：城市轨道交通在城市公共交通中所起的作用越来越重要， c b t c ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ，基于通信的列车控制) 以其高运行效率、 易于扩展的特点逐渐成为城市轨道交通信号系统的首选解决方案。 在c b t c 系统中，车载控制系统要求高度的安全性与可靠性，必须在应用前 对其进行测试。传统的测试不能满足高效和全面的要求，借助于计算机软件测试 技术能很好的解决这些问题。本文从开发人员的角度出发，研究改进的白盒测试 方法在车载系统中的应用。 本文通过对传统的白盒测试方法进行比较分析，选取分支覆盖作为测试方法， 之后对分支覆盖测试加以改进。通过功能分割得到一个个独立逻辑单元，在结构 上将属于独立逻辑单元内部的分支合并，看作一个分支，减少分支数量，以达到 结构简化的目的。测试时，先对每个逻辑单元进行测试，然后对逻辑单元组合而 成的系统进行测试。以分阶段测试的方式，达到提高测试效率与测试覆盖度的目 的。 接着针对此改进的分支覆盖测试方法，研究测试过程中测试输入与测试输出 的选择、测试用例的生成与排序、测试的执行与分析等各个环节的详细实施方案。 最后将研究得出的改进分支覆盖测试方法应用于车载系统的测试中。在测试 过程中，对车载系统应用软件功能上进行模块划分，利用划分得到的模块简化系 统结构。然后，结合车载系统的特性选出测试输入变量和测试输出变量。分别设 计独立功能模块的测试用例及模块集成后的分支测试用例，并对测试用例进行优 先级排序。在测试执行阶段，分阶段对组成系统的各独立功能模块和模块集成后 的系统进行测试，其中，在模块集成测试阶段搭建了通用的测试环境，以提高测 试工作效率。在测试执行之后，通过测试分析，对应用软件内部的缺陷进行定位。 通过对车载系统的实际测试，验证了此改进的分支覆盖测试方法可以有效减 少测试工作量，提高测试效率。 关键词：c b t c 车载控制系统；白盒测试；分支覆盖；测试用例； 分类号：u 2 8 4 9 1 a bs t r a c t a b s i 。r a 了i - t h er o l eo fu r b a nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni nu r b a np u b l i ct r a f f i cs y s t e mh a sb e c o m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t c b t cs y s t e m ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) ，f o ri t s h i g he f f i c i e n c ya n de a s ye x p a n d a b i l i t y , i sg r a d u a l l yc o n s i d e r e da st h ef i r s tc h o i c ef o r s i g n a ls y s t e m su s e di nu r b a nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m v e h i c l eo n - b o a r ds y s t e mr e q u i r e sh i g hd e g r e eo fs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y ，s oi tm u s t b et e s t e db e f o r eb e i n gp u ti n t or e a la p p l i c a t i o n w h i l et r a d i t i o n a lt e s t i n gm e t h o d sc a n n o t m e e tt h er e q u i r e m e n t so fe f f i c i e n c ya n ds u f f i c i e n c y , s o f t w a r et e s t i n gt e c h n i q u e ，o nt h e o t h e rh a n d ，i sc a p a b l eo fs o l v i n gt h i sp r o b l e m t h i sp a p e rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o no f w h i t e - b o xt e s t i n gm e t h o di nv e h i c l eo n - b o a r ds y s t e mf r o mt h ev i e wp o i n to fa d e v e l o p e r a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gg e n e r a lw h i t e - b o xt e s t i n gm e t h o d s ，b r a n c h c o v e r a g et e s t i n gi sc h o s e nt ob et h et e s t i n gm e t h o di nt h i sp a p e r t h e ni m p r o v e m e n to n t h eb r a n c hc o v e r a g et e s t i n gi sd e t a i l e d t h i si m p r o v e dm e t h o dm a k e st h et e s t i n gw o r k e a s i e rb yd i v i d i n gt h es y s t e mi n t oas e r i e so fi n d e p e n d e n tl o g i cu n i t sa c c o r d i n gt ot h e p a r t i t i o no fs y s t e mf u n c t i o n , a n db yt a k i n gb r a n c h e sb e l o n g i n g t ot h es a m el o 百cu n i ta s aw h o l et or e d u c et h en u m b e ro fb r a n c h e s d u r i n gt e s t i n g , e a c hl o g i cu n i ti st e s t e d f i r s t l ya n dt h e nt h ei n t e g r a t e ds y s t e mi st e s t e d t h i si m p r o v e dm e t h o da c h i e v e sh i g h e f f i c i e n c ya n dc o v e r a g et h r o u g hs t e pb ys t e pt e s t i n g t h e nt h i sp a p e rs t u d i e st e s t i n gp r o c e s si nd e t a i l s ，s u c ha s ：t e s ti n p u t sa n do u t p u t s s e l e c t i o n ，t e s tc a s eg e n e r a t i o na n ds o r t i n g , t e s te x e c u t i o na n dr e s u l t sa n a l y s i s f i n a l l y , t h i sp a p e rp u t st h ei m p r o v e db r a n c hc o v e r a g et e s t i n gm e t h o di n t op r a c t i c e b yu s i n gi tt ot e s tt h ev e h i c l eo n - b o a r ds y s t e m d u r i n gt e s t i n g ，t h ev e h i c l eo n - b o a r d a p p l i c a t i o ni sd i v i d e di n t om o d u l e s ，t h u st h es y s t e ms t r u c t u r ei ss i m p l i f i e d n e x ti s s e l e c t i n gt h et e s ti n p u t sa n do u t p u t sa c c o r d i n gt ot h ei n h e r e n tf e a t u r e so fo n - b o a r d s y s t e m l a t e rt e s tc a s e sa r ed e s i g n e df o ri n d e p e n d e n tm o d u l ea n di n t e g r a t e ds y s t e m i n t h ee x e c u t i o np h a s eo ft e s t i n g , i n d e p e n d e n tm o d u l ea n di n t e g r a t e ds y s t e ma r et e s t e d r e s p e c t i v e l y d u r i n gi n t e g r a t e ds y s t e mt e s t i n g ，g e n e r a lt e s tp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e dt o f a c i l i t a t et h et e s t i n g a f t e rt e s te x e c u t i o n ，i n t e r n a ld e f e c t si ns o f t w a r ea r el o c a t e db y a n a l y z i n gt e s tr e s u l t s t h r o u g ht h ea c t u a lt e s t i n go fo n - b o a r ds y s t e m ，i ti sv e r i f i e dt h a tt h ei m p r o v e d b r a n c hc o v e r a g et e s t i n gm e t h o dr e d u c e sw o r k l o a da n di m p r o v e st e s t i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d s ：c b t c ；v e h i c l eo nb o a r ds y s t e m ；w h i t e - b o xt e s t i n g ；b r a n c hc o v e r a g e ； t e s tc a s e c l a s s n o ：u 2 8 4 9l v 图目录 图l 西班牙c e d e xl i f 实验室车载设备测试平台框图2 图2c b l 系统功能框图。7 图3 自主研发的c b t c 系统结构图9 图4 车载系统应用软件功能框图 图5 列车驾驶模式转换关系图。1 3 图6 改进的分支覆盖测试执行过程1 7 图7 控制流图的图形符号1 8 图8 测试执行顺序图2 l 图9d d 图g 。2 3 图1 0d i d 图g 的支配树2 3 图l lg 的蕴含树2 4 图1 2 程序插装原理图。2 7 图1 3 测试环境2 8 图1 4 测试用例执行过程图2 9 图1 5 车载系统功能划分图3 3 图1 6 车载应用软件处理流程图3 4 图1 7 车载系统程序控制流图3 6 | 鳖i l8 车载系统程序d d 图g e 。3 8 图l9d d 图g h 的支配树3 9 图2 0d d 图g c 。的蕴含树3 9 图2 l 超速防护模块控制流图4 4 图2 2 超速防护模块测试输出( 1 ) 4 6 图2 3 超速防护模块测试输出( 2 ) 4 7 图2 4 测试片 例管理界面5 2 图2 5 新建测试用例操作界面5 3 图2 6 测试执行界面5 4 表目录 表l 黑盒测试与白盒测试的对比5 表2 常用白盒测试技术优缺点比较1 5 表3 测试用例描述表2 5 表4 测试相关变量取值表4 l 表5 超速防护模块测试用例表。4 5 表6 模块集成测试用例3 输入控制变量。4 9 表7 模块集成测试用例3 输入状态变量4 9 表8 模块集成测试用例集5 0 表9 模块集成测试用例3 期望输出( 1 ) 5 5 表1 0 模块集成测试用例3 期望输出( 2 ) 5 5 表l l 模块集成测试用例3 实际输出( 1 ) 5 6 表1 2 模块集成测试用例3 实际输出( 2 ) 5 6 6 l 独创性声明 本人声明所呈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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 任罩 签字日期： 2 厶6 7 年f 月似日 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：彳壬! 孓导师签名： 签字日期：2 厶夺7 年厂月膳e l 签字日期。1 引月弋日 致谢 本论文的工作是在我的导师宁滨教授的悉心指导下完成的，宁滨教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来宁滨 老师对我的关心和指导。 感谢实验室的唐涛、郜春海、黄友能、刘波、马连川、王海峰、张建明、刘 中田等老师，在项目科研工作和论文撰写过程中，给予了极大的帮助。您们的帮 助，使我在实验室的两年中学到许多专业知识与技能，科研能力得到很大提高。 此外，还要感谢我的师兄陈磊、刘超、王伟、徐效宁、姜璐、陈晓博和师姐 郎红霞，以及实验室的各位师弟师妹，在我实验室工作期间给予了热情的帮助。 感谢1 0 1 5 实验室以及0 7 级自控研一班的所有同学，大家在一起共同度过了 两年愉快的研究生生活。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，向所有曾经关心和帮助过我的人表示诚挚的感谢! 你们的关心带给我 前进的动力。 本论文由国家自然科学基金项目“列车运行控制及组织的基础理论与关键技 术研究 ( 项目号：6 0 6 3 4 0 1 0 ) 支持。 1 引言 1 1 论文的选题背景及意义 随着城市的发展，城市人口越来越多。城市轨道交通在城市公共交通中所起 的作用越发重要，是当前形势下解决城市交通拥堵问题的有效方式。 与此同时，城市轨道交通在安全性、可靠性、运输效率和整体服务质量方面 提出了更为严格的要求，以满足现代运输业的各种挑战。世界各地的轨道交通运 营商都希望以最佳的投资获得更高的性能。基于通信的列车运行控制系统 ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m c b t c ) 是今后轨道交通列车运行控制 系统的发展趋势【1 1 。它通过高精度的列车定位技术和不间断的车地通信，通过提供 更加可靠的列车控制和超速防护，使得列车可以在更短的运行间隔内实现安全运 行。 目前，阿尔卡特、阿尔斯通、谣门子和庞巴迪等多家列车控制系统设备提供 商都开发出了自己的c b t c 系统。至今为止，全球正在建设和已经签署合同的无 线c b t c 线路已达2 0 多条，国内的c b t c 线路包括广州地铁4 号线、北京地铁4 号线、北京地铁1 0 号线、沈阳地铁等【2 】。但是这些线路应用的c b t c 系统尚无自 主知识产权，采用国外技术的c b t c 系统在后期的运营、维护和改造过程中有许 多后续的问题，而国内城市轨道交通需求量又巨大，研究自主知识产权的c b t c 系统，掌握c b t c 系统核心技术意义重大。 在此背景下，北京交通大学于2 0 0 5 年开始了c b t c 系统的研究。c b t c 系统 是一个安全苛求系统，如果进行现场测试的话，成本过高而且有可能会导致事故 出现，在研发c b t c 系统的过程中，在上线试验之前进行实验室仿真和测试是非 常有必要的。尤其是直接关系到乘客生命财产安全的车载系统，必须要经过前期 实验室测试消除安全隐患后才能再进行现场试验。在实验室环境可以利用仿真技 术模拟现场的各种真实情景，故障情况，这样也节约了测试成本。 因此，借助软件测试技术，对c b t c 车载系统进行安全性与可靠性测试，验 证逻辑处理是否正确，设计是否合理，在上线试验前找出系统缺陷和故障，可以 大大缩短系统的开发时间。在测试的过程中，选取一种有效的测试方法，可以减 少测试人力和时间的投入，取得事半功倍的效果。这对整个系统开发有着非常重 要的意义。 1 2 国内外研究现状 在列控系统的测试领域，国外开始研究得较早，也取得了一些研究成果。意 太利佛罗伦萨大学曾于2 0 0 4 年为s c m t 开发出一个基于仿真技术的a t p a t c 测 试系统：h i u h a r d w a r e i n t h el o o p ) 梗g 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p 】。 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，井 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 图两班牙c e d e x l i f 实验宣车载设备测试平台框图 f i 9 1 c e d e x l i f o r t b o a r d e u r o c a b t e s ta r c h i t e t ：t u r e i ns p a i n od en i c o l a 5 l 提出了一种基于白盎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。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。 在车载设备的测试领域，e r t m su n i s i gi 作组已经发布了详细的e t c s 车 载设备的测试文档，内容涉及到功能特征、测试案例、测试子序列和测试序列的 产生方法等。 相对于国外，国内列控系统的测试方面研究较少，同济大学的吴芳美教授在 计算机联锁软件安全性测试评估方面进行了研究，通过对联锁软件的测试，从需 求分析、测试案例设计、测试结果评估、软件安全性评估参数角度进行了深入研 究并取得了显著的成果。 对于c b t c 系统的测试工作，国内尚处于起步阶段，北京交通大学轨道交通 控制与安全国家重点实验室在研发自主知识产权的c b t c 系统的同时，对c b t c 系统的测试工作也进行了一些研究。 本论文就是在实验室前期研究的基础上对车载系统的测试方法进行深入的研 究，以期找到一种较为有效的测试方法。 1 3 软件测试概述 1 3 1软件测试的目的 软件测试是一个为了寻找错误而运行程序的过程。站在不同的立场，存在着 两种完全不同的测试目的。从用户的角度看，希望通过软件测试暴露软件中隐藏 的错误和缺陷，来考虑产品是否满足需求；从开发者的角度看，则希望测试成为 表明软件产品中不存在错误的过程，验证该软件已正确地实现了用户的要求。 g l e n f o 珂j m y e r s 的软件测试艺术一书中有如下观点： ( 1 ) 软件测试是为了发现错误而执行程序的过程； ( 2 ) 测试是为了证明程序有错，而不是证明程序无错误； ( 3 ) 一个好的测试用例是在于它能发现至今未发现的错误； ( 4 ) 一个成功的测试是揭示了至今未发现的错误的测试。 这些观点说明软件测试是为了找出缺陷，而不是证明软件可以工作。 1 3 2 软件测试的发展 2 0 世纪5 0 年代后期到2 0 世纪6 0 年代，计算机高级语言相继诞生并得到广泛 的应用，软件的测试主要依赖于编程人员的水平。测试理论和方法在这一时期发 展比较缓慢。 2 0 世纪7 0 年代，随着硬件技术的发展，软件也越来越复杂，各种测试理论和 测试方法相继诞生。在g l e i l f 0 r dj m y e r s 的软件测试艺术一书中，将软件测试 3 定义为：“测试是为发现错误而执行的一个程序或者系统的过程一。 1 9 8 2 年，美国北卡罗来纳大学召开了首次软件测试技术会议，这次会议成为 软件测试技术发展的里程碑。1 9 8 3 年，b i l lh e t z e l 在软件测试完全指南一书中 指出：“测试是以评价一个程序或者系统属性为目标的任何一种活动，测试是对软 件质量的度量力。1 9 8 3 年i e e e 给软件测试下的定义是：“使用人工或自动的手段来 运行或测定某个软件系统的过程，其目的在于检验它是否满足规定的需求或弄清 预期结果与实际结果之间的差别 。这个定义明确指出软件测试的目的是为了检验 软件系统是否满足需求。 其后，随着软件产业的飞速发展，软件规模越来越大，也越来越复杂，手工 测试耗费大量的人力，测试效率很低。在这种情况下，种种帮助测试人员完成测 试工作的测试工具出现了，大大提高测试效率。 当前，软件测试领域从业人员飞速增长，相应的研究工作也越来越深入，但 是采取什么样的方法尽可能提高测试效率依然是领域内普遍关注的问题。 1 3 3 软件测试技术概述 软件测试技术一般分为两大类：黑盒测试和白盒测试。 黑盒测试把测试对象看作一个黑盒子，测试人员完全不考虑程序内部的逻辑 结构和内部特性，只依据程序的需求规格说明书，检查程序是否符合它的功能说 明。所以黑盒测试又叫做功能测试或数据驱动测试，一般在软件开发后期执行。 黑盒测试是穷举输入测试，只有把所有可能的输入都作为测试数据使用，才能查 出程序中所有的错误。实际上测试情况有无穷多个，进行测试时不仅要测试所有 合法的输入，而且还要对那些不合法的、但是可能的输入进行测试。 自盒测试把测试对象看作一个透明的盒子，它允许测试人员利用程序内部的 逻辑结构及相关信息，设计或选择测试用例，对程序所有逻辑路径进行测试。通 过在不同点检查程序的状态，确定实际的状态是否与预期的状态一致。因此白盒 测试又称为结构测试或逻辑驱动测试。白盒测试一般在软件开发早期阶段( 即编 码阶段) 执行。由于在白盒测试中已知程序内部工作过程，是按照程序内部的结 构测试程序，检验程序中的各条通路是否都能够按预定要求正确工作，所以白盒 测试针对性很强，可以对程序的每一行语句、每一个条件或分支进行测试，测试 效率比较高，而且可以清楚测试的覆盖程度。可是对于实际的软件系统，程序的 路径数目可能非常大，不可能达到穷举测试，企图遍历所有的路径往往是做不到 的。为了节省时间和资源，提高测试效率，就必须从庞大的测试用例集中挑取一 部分测试用例，使得采用这些测试用例就能达到最佳的测试效果。 4 黑盒测试和白盒测试的对比如表l 所示： 表1 黑盒测试与白盒测试的对比 t a b it h ec o n t r a s to fb l a c k - b o xt e s t i n ga n dw h i t e - b o xt e s t i n g 黑盒测试白盒测试 测试根据程序功能设计规格、用户手册程序工作流程 测试方法等价类划分、边界值分析、因逻辑覆盖、基本路径测试、 果图、错误推测域测试 优点能够从用户的需求出发充分测试程序内部逻辑 不需了解程序细节揭示隐藏错误 缺点许多程序路径测试不到无法顾及程序接口 测试数据有冗余工作量大 测试人员测试人员开发人员、测试人员 1 4 论文研究方案 在系统测试过程中，黑盒测试和白盒测试都是非常重要的环节，只是两者的 偏重点不同，黑盒测试更注重整体，白盒测试更注重局部。两个方面都非常重要， 缺一不可【6 j 。 对系统进行测试一般关注于基本需求的实现，而花费大量的时间测试内部的 逻辑实现也是很有必要的，主要是由于软件自身有如下缺陷鸭 ( 1 ) 逻辑错误与一条程序路径被运行的可能性成反比。执行频率高的程序 路径上的错误容易发现，而那些很少执行的路径的错误处理则难于发 现； ( 2 )认为不可能执行的逻辑路径事实上却执行了。对程序控制流的一些无 意识的假设导致设计错误，只有通过路径测试才能发现这些错误； ( 3 )在程序源代码中的笔误随机而不可避免。 由于白盒测试对程序处理流程的细节做细致检查，通过白盒测试可以有效定 位程序中的隐藏错误。 目前，在列控系统测试方面，有许多由第三方执行测试的功能测试平台。如 当前国内同济大学开发的计算机联锁测试平台，采取的就是这种方案。这种测试 是在不考虑系统内部结构的情况下，通过系统接口进行测试，检查系统实际功能 是否符合功能需求。 如果列控系统开发人员也加入到测试过程中来，先于第三方测试人员对系统 进行白盒测试，由于开发人员了解系统内部实现，可以深入到代码级别进行测试， 5 可以最先发现系统问题和软件缺陷，减少后期功能测试工作量，缩短系统开发周 期。 本文在研究车载系统的测试时，就是针对传统白盒测试方法加以改进，从开 发者角度对车载系统进行测试，在减少测试工作量的同时尽可能地提高测试的覆 盖度，获得较高的测试性价比，对系统进行充分的测试，发现隐藏在代码中的缺 陷。 1 5 论文主要工作 本论文主要研究白盒测试方法在车载系统测试中的应用，通过对传统的白盒 测试方法加以改进，以提高测试效率，并针对车载系统生成测试用例集，对测试 用例进行排序，之后使用生成的测试用例对车载系统进行测试，分析测试结果， 寻找车载系统内部的缺陷，验证测试方法是否有效。全文的结构如下： 第一章综述 本章简要分析列控系统的测试研究现状，说明论文的选题背景及意义，并提 出论文的研究方案及组织结构。 第二章c b t c 车载系统需求分析 本章主要介绍c b t c 列控系统的结构，详细介绍车载系统的功能需求及应用 软件功能需求，为测试工作的开展打下基础。 第三章白盒测试方法的改进 本章研究并分析常用白盒测试方法，在此基础上得到改进的分支覆盖测试方 法，并详细研究测试过程中测试用例的生成、测试的执行等各个阶段的实施方案。 第四章改进的白盒测试方法在车载系统的应用 本章先对车载系统应用软件进行模块划分，简化程序处理的控制流。之后用 改进的分支覆盖测试方法生成车载系统的测试用例，对车载系统应用软件分阶段 进行测试，并对测试结果进行分析。 第五章总结与展望 总结全文完成的工作，分析工作的不足之处，并对测试的后续工作进行展望。 6 2c b t c 车载系统需求分析 2 1c b t c 系统概述 2 1 1c b t c 系统结构 1 9 9 9 年，电气和电子工程师协会轨道交通运输车辆接口委员会( i e e er a i l t r a n s i tv e h i c l ei n t e r f a c es t a n d a r d sc o m m i t t e e ，i e e er 1 w i s c ) 制定并颁布了c b t c 技术标准i e e es t d1 4 7 4 1 1 9 9 9 ( i e e e 基于通信列车控制的性能和功能要求，该 标准详细的定义了c b t c 系统的功能，并首次列举了典型的c b t c 系统的功能框 图，如图2 所示： a t s 系统 联镇 至相邻的联锁系统 c b t c 地 面设备 相邻c b t c 地面设备 数据通信网络 c b t c 车 载设备 列车运行 控制 列车子系统 图2 c b t c 系统功能框图 f i g 2c o m p o s i t i o no fc b t cs y s t e m c b t c 系统包括c b t c 地面设备和c b t c 车载设备，地面设备和车载设备通 过数据通信网络连接起来，构成系统的核心。功能框图中还单独列出了联锁功能 模块，该功能模块与c b t c 地面设备连接。由于不同的线路长度不同，所以在上 述框图中还添加了相邻c b t c 地面设备模块。最后在c b t c 设备的基础上，增加 7 了a t s 模块，用于实现系统的a t s 功能。上述结构图只是c b t c 系统的一般结构， 具体到不同的设备提供商和线路，会略有不同。 2 1 2c b t c 系统工作原理 c b t c 系统利用列车和地面之间的双向数据通信，使地面设备得到每一列车连 续的位置信息，根据位置信息和联锁状况计算每一列车的运行权限，并实时发送 给列车，车载设备根据得到的运行权限和自身的运行状态，可以计算出列车的速 度一距离模式曲线，实现精确的定点停车和安全防护。车地之间的双向通信也使 得系统加强了对列车的运行和监督，因此，列车能够在保证与其它列车安全间隔 的情况下，以更短的行车间隔运行，并提高列车控制的灵活性。轨旁地面设备和 车载设备还能够提供列车自动保护( a t p ) 、列车自动驾驶( a t o ) 和列车自动监 控( a t s ) 等功能。 c b t c 系统有两大关键技术【8 】。其一是车地通信技术。c b t c 系统引入了通信 子系统，建立车地之间连续、双向、高速的通信，列车的命令和状态可以在车辆 和地面设备之间可靠交换，使系统的主体c b t c 地面设备和受控对象列车紧密的 连接在一起。正是这样，才实现了移动闭塞。其二是列车定位技术。只有确定了 列车的准确位置，才能计算出列车间的相对距离，保证列车的安全间隔；也只有 确定了列车的准确位置，才能保证根据线路条件，对列车进行限速或者与地面设 备发生联锁。c b t c 系统列车定位先通过某种方式获得列车初始位置，之后由车载 速度传感器测量出列车的走行距离和方向，结合初始位置确定列车在线路上的位 置，并通过安装在线路上的查询应答器校正速度传感器的测量误差，实现精确的 列车定位。 2 1 3自主研发的c b t c 系统结构 地面设备包括区域控制器( z o n ec o n t r o l l e r ，z c ) 、计算机联锁( c o m p u t e r i n t e r l o c k i n g ，c i ) 、列车自动监督( a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ，a t s ) 、数据库存 储单元( d a t as t o r a g eu n i t ，d s u ) 以及其他系统设备。车载设备主要包括车载控 制器v o b c ( v e h i c l eo nb o a r dc o m p u t e r ) 、测速定位设备以及车载天线等设备。 系统组成框图如图3 所示。 区域控制中心 车载设备 图3 自主研发的c b t c 系统结构图 f i g 3s t r u c t u r eo fi n d e p e n d e n ti n n o v a t i o nc b t cs y s t e m 各部分功能如下： 1 列车自动监督a t s ：实现对列车运行的监视和追踪，排列进路，调整列车运 行以及调度管理的功能； 2 计算机联锁c h 完成进路的锁闭与解锁以及道岔的转换等功能； 3 区域控制器z c ：完成列车追踪，移动授权m a 的计算，进路管理等功能。 4 车载控制器v o b c ：实现列车不同驾驶模式之间的转换，列车的定位，列车 超速防护等功能； 5 数据库存储单元d s u ：为其他功能子系统提供统一的线路物理数据。 2 2 车载系统功能需求 2 2 1 车载系统完成的功能 车载控制器( v o b c ) 在c b t c 系统中，主要需要实现以下功能，以保证列车 运行的安全，这些功能是： 1 通过无线网络与z c 、a t s 实现可靠的通信； 2 通过列车上的速度传感器测量出列车的速度，再由列车的初始位置和速度得 9 出列车的实时位置，并利用应答器对列车的位置进行校准； 3 通过无线网络接收来自a t s 的控制命令，并向a t s 反馈列车的速度位置状 态信息； 4 接收z c 发来的m a ( 运行授权) 信息，并向z c 报告列车的各种状态信息； 5 计算出列车的速度距离模式曲线，给司机提供列车的最大允许速度、目标速 度、目标距离等信息，指导司机的驾驶； 6 根据充足的外部信息和对列车状态的判断，实现在不同驾驶模式之间的转 换； 7 输出指示车载设备的状态信息，报警信息，列车的状态信息等； 8 根据驾驶模式规定的速度限制，以及障碍物的限制，限制列车速度。 2 2 2 车载系统的应用软件功畿需求 车载系统应用软件的功能需求：在经过初始化的连续的两个应答器之后，能 够得到自身的当前位置、运行方向等信息，与该区域的控制z c 建立通信，向z c 报告位置和方向信息。与管辖z c 的通信链接建立之后，转为a t p 驾驶模式，根 据管辖z c 的m a 信息，实时计算列车的速度距离模式曲线以及当前的各种限速信 息，给司机驾驶列车提供参考，并依据这些结果对列车实施超速防护功能。在a t p 模式的正常行进过程中，如果列车快要接近m a 终点了，能够发起m a 的延伸请 求，请求新的m a 。当经过两个z c 的分界区域时，能够实现与两个z c 之间通信 的切换。当到达c b t c 终点区域的时候，能够与管辖z c 进行安全的注销过程，实 现退出c b t c 的功能。在接收到a t s 的折返指令并到达相应区域的时候，能够在 指定车站完成折返换端的功能。 车载系统应用软件在功能上可以分为两类功能：通信功能和控制功能。功能 框图如图4 所示： 1 0 图4 车载系统应用软件功能框图 f i g 4f u n c t i o n a lf l a m eo f o n - b o a r da p p l i c a t i o n 其中，通信功能包括与z c 、a t s 、m m i 以及应答器的通信与数据交换；控制 功能包括进入退出c b t c 区域处理、列车速度距离模式曲线计算、列车位置计算、 驾驶模式转换、列车超速防护、折返操作等功能模块。各个模块完成的具体功能 如下所示： ( 1 ) 与z c 数据交换 接收来自z c 的运行授权( m a ) 信息，并周期实时向z c 汇报列车的速度、 位置、运行状态和驾驶模式等信息。 ( 2 ) 与a t s 数据交换 接收来自a t s 的各种控制指令，并周期实时向a t s 汇报列车的速度、位置及 其他运行状态信息。 ( 3 ) 与m m i 数据交换 向人机接口m m i 发送列车的速度、限制速度、目标速度、目标距离、驾驶模 式、运行状态等信息。 ( 4 ) 与应答器数据交换 接收地面应答器的绝对位置信息，用于列车位置的初始化与校正。 ( 5 ) 进入退出c b t c 处理模块 在列车进入c b t c 区域时，与区域控制器建立通信，完成各运行状态的转换， 驾驶模式转为自动防护人工模式；在列车驶离c b t c 区域时，停止与区域控制器 通信，驾驶模式转为限制人工驾驶模式。 ( 6 ) 速度距离曲线计算模块 由列车当前位置与m a 终点之间线路情况，障碍物状况得到列车当前情况下 的最大允许速度、目标速度和目标距离等信息。 这些有影响的障碍物有： 1 ) 道岔； 2 ) 激活状态的防淹f - j ： 3 ) 激活状态的屏蔽门； 4 ) m a 范围内的故障区域： 5 ) m a 范围内的非通信车。 ( 7 ) 超速防护模块 当列车速度接近防护速度时，实行报警；超出允许速度时，实施常用制动或 紧急制动。 ( 8 ) 位置计算模块 当列车上电后经过两个连续的应答器之后，完成列车位置的初始化工作；之 后根据列车走行的距离更新列车的位置。当列车通过地面应答器时，对列车位置 进行校正。 ( 9 ) 折返操作模块 接收到a t s 的折返指令时，在指定的车站完成折返换端的功能。 ( 10 ) 模式转换模块 实现列车各个驾驶模式之间的转换。列车主要有以下几种驾驶模式： 1 ) 限制人工驾驶模式( r m ) ：此模式下列车根据轨旁的信号机来驾驶，列车由 司机控制驾驶，列车的强制限速为2 5 k m h ，当速度超过这个限速时，执行紧急制 1 2 动。 2 ) 列车自动防护人工模式( a t p ) - 列车由司机驾驶，司机按照速度距离模式曲 线对列车进行控制，列车超速时，实行紧急制动。 3 ) 折返模式( a r ) ：此模式下列车完成在指定的车站的折返和换端工作。 列车正常运行时，在以上三种模式之间的转换关系如图5 所示： l u 模式 j 爿l a , c b t c 区域开始折返操作 一a t p 、_ a r 模式 退出c b t c 区域完成折返操作 图5 列车驾驶模式转换关系图 f i g 5t h ec o n v e r s i o no f t r a i n 8d r i v i n gm o d e ( 1 1 ) z c 切换模块 当列车经过两个z c 的分界区域时，能够可靠地由与当前控制z c 的通信转为 与新的接管z c 的通信。 1 3 3 白盒测试方法的改进 3 1 常用白盒测试技术比较分析 3 1 1 逻辑覆盖测试 逻辑覆盖以程序内部的逻辑结构为基础，通过对程序逻辑结构的遍历实现测 试的覆盖。根据覆盖程度的不同，又分为以下类型： 1 ) 语句覆盖：选择足够多的测试数据，使每一条语句至少执行一次。 2 ) 分支覆盖：使程序中每个判定的各个分支都执行一次。 3 ) 条件覆盖：选取足够多的测试用例，使程序中每个判定的每个条件都能取得 各种可能的结果。 钔分支条件覆盖：选取足够多的测试用例，使得判定表达式中的每个条件都 能取到各种可能的值，而且每个判定表达式也都能取到各种可能的结果。 5 ) 条件组合覆盖：选取足够多的测试用例，使程序中每个判定表达式中条件的 各种可能组合都至少执行一次。 6 ) 点覆盖：选取足够多的测试用例，使程序执行路径至少经过程序控制流图中 的每个节点一次。 7 ) 边覆盖：选取足够多的测试用例，使程序执行路径至少经过程序控制流图中 的每个边一次。 8 ) 路径覆盖：选取足够多的测试用例，使程序中所有可能的路径都至少执行一 次。 由语句覆盖到路径覆盖，程序的覆盖度在不断增强，但相应的需要的测试用 例数目也越来越多。 3 1 2 基本路径测试 基本路径测试方法把覆盖的路径数压缩到一定限度内，程序中的循环体最多 只执行一次。它是在程序控制流图的基础上，分析控制构造的环路复杂性，导出 基本可执行路径集合，设计测试用例的方法。设计出的测试用例要保证在测试中， 程序的每一个可执行语句至少要执行一次。 1 4 3 1 3不同测试技术优缺点比较 表2 常用白盒测试技术优缺点比较 优点缺点 语句覆盖直观对程序逻辑覆盖很少 分支覆盖覆盖度强于语句覆盖，程序覆盖度低 条件覆盖覆盖度强于分支覆盖没有考虑所有判定结果 同时满足分支覆盖和条件覆 分支条件覆盖 没有考虑条件的组合情况 盖标准 条件组合覆盖覆盖度强于上述覆盖标准测试用例数量较多 点覆盖直观，便于得出测试用例覆盖度较低 边覆盖覆盖度强于点覆盖覆盖度较低 路径覆盖 覆盖度高测试用例庞大、复杂 测试路径压缩到