人工、自動協同的信號系統測試平臺架構設計

廖湘華

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海201203）

0 引言

城市軌道交通信號系統在室內測試時需要對軌旁、車輛等外圍環境進行仿真，信號系統、環境仿真系統一起組成人工測試平臺。例如，陳祥獻[1]、白廣爭[2]、萬勇兵[3]等的研究。人工測試平臺對于大多數測試用例因能立即操作而取得立竿見影的效果，但是不能節省回歸測試、工程測試中重復性工作的人力和時間。

為了提高測試效率和能力，需要采用自動化測試。關于自動測試的研究很多，例如，張若時[4]以ABBET(測試泛環境)標準體系的產品描述層、測試策略/需求層、測試過程層、測試資源層、儀器控制層結構為主，開發了面向信息的通用自動測試系統軟件，實現測試儀器無關性和測試程序集通用性；劉揚[5]提出一個基于模型驅動架構的測試用例生成框架；任思思[6]基于MSC（消息序列圖）建模語言生成CBTC（基于通信的列車運行控制系統）測試用例；胡甜[7]重點研究了自動測試腳本編程接口的實現框架。這些自動測試技術日趨全面，但是自動測試平臺開發周期長，對所有測試用例編寫腳本的工作量大，導致測試平臺往往趕不上被測系統前期調試、測試的工期需要。

本文擬根據信號系統從產品研制、工程實施到運營維護的生命周期內，先人工測試、自動測試從少到多的特點，對測試平臺的架構進行設計。一方面，達到只迭代開發一套測試平臺，既能迅速支持各階段人工、自動測試，又能節省開發總成本的目的；另一方面，從測試資源的角度，既兼容各種自動測試技術從而具有開放性，又可集成已有自動測試產品從而減少自己研發的工作量。

1 要求

城市軌道交通信號系統實質是一個分布式控制系統，決定了它的仿真測試平臺也宜是一個分布式控制系統。因此，把以環境仿真系統為主的測試資源抽象為人工、自動協同操作的分布式控制系統，設計一套人工、自動協同的信號系統測試平臺。要支持人工、自動協同操作，分布式控制系統宜滿足以下要求：

一是人工、自動操作的對象應是同一對象；

二是分布式控制系統的狀態信息應既傳送給人工操作用戶界面，又傳送給自動操作腳本；

三是人工操作用戶界面產生的控制信息應能被自動操作腳本捕獲，自動操作腳本產生的控制信息應能在人工操作用戶界面上查看；

四是人工、自動操作的控制信息宜采用相同的協議傳送；

五是人工、自動操作的狀態信息宜采用相同的協議傳送；

六是協議應能支持單個信息的傳送。

2 設計

根據設計要求，人工、自動協同操作的分布式控制系統架構設計如圖1所示。

圖1 人工、自動協同操作的分布式控制系統架構

2.1 將用戶界面與業務邏輯分離

將系統的用戶界面功能、業務邏輯功能分離為獨立運行的用戶界面軟件、業務邏輯系統。用戶界面軟件承接通過鍵盤、鼠標接收用戶操作信息，通過顯示器向用戶呈現信息的功能。業務邏輯系統承接將用戶界面功能剝離出去后剩余的系統功能。

用戶界面軟件將用戶操作信息轉換而來的控制信息，傳送給業務邏輯系統處理。業務邏輯系統把要顯示的狀態信息傳送給用戶界面軟件呈現。控制信息、狀態信息中各變量的值可以單獨更新、傳送。

2.2 業務邏輯支持多個用戶界面以相同的接口與其交互

業務邏輯系統支持多個用戶界面軟件，采用相同的接口協議與之交互。業務邏輯系統把要顯示的狀態信息以同樣的接口協議傳送給所有用戶界面軟件呈現；對多個用戶界面軟件以同樣的協議傳來的控制信息進行處理，并且把該信息轉發（或回送）給所有用戶界面軟件。這樣，各用戶界面軟件既能同步獲得業務邏輯系統的狀態信息，也能獲得用戶在任意其他用戶界面軟件輸入的控制信息。

2.3 將用戶界面分為人工、自動操作用戶界面

用戶界面軟件分為兩類：人工操作用戶界面軟件、自動操作用戶界面軟件。自動操作用戶界面軟件理解為由三部分組成：腳本編程接口、自動操作腳本、腳本編輯運行環境。腳本編程接口負責與業務邏輯系統交互。它們之間的交互遵循人工操作用戶界面軟件與業務邏輯系統之間的接口協議。對業務邏輯系統來說，人工操作用戶界面軟件與自動操作用戶界面軟件是相同的。自動操作腳本通過調用腳本編程接口中的函數向業務邏輯系統傳送控制信息，獲得業務邏輯系統的狀態信息和其他用戶界面軟件（人工操作用戶界面軟件或自動操作用戶界面軟件）傳送給業務邏輯系統的控制信息。

2.4 統一定義控制信息、狀態信息，確保唯一性

分布式控制系統中業務邏輯系統由多個業務邏輯子系統組成。這些業務邏輯子系統分別實現相似或相異的功能子集，決定了控制信息相似或相異，狀態信息也相似或相異。分布式控制系統中人工操作用戶界面軟件、自動操作用戶界面軟件也可以分成多個。這些人工操作用戶界面軟件向業務邏輯系統傳送相似或相異的控制信息，呈現相似或相異的狀態信息。為了避免相似或相異的業務邏輯子系統、用戶界面軟件在處理信息時混淆，分布式控制系統中所有控制信息、狀態信息統一定義，確保唯一性。各業務邏輯子系統、用戶界面軟件只處理與己有關的信息。

3 實施

太原地鐵2 號線JeRail?CBTC 全自動運行信號系統的仿真測試平臺既包括對信號系統外部的與CBI（計算機聯鎖子系統）、OBCU（車載控制器）、ATS（列車自動監控子系統）對接的關聯設備/系統進行仿真，使信號系統的輸入/輸出形成閉環，以支撐信號系統在實驗室里運行；也包括對信號系統內部9 個設備集中站的CBI、ZC（區域控制器）進行仿真，使它們與一個設備集中站的真實CBI 設備、真實ZC 設備一起，以支撐信號系統在實驗室里覆蓋全線路運行；還包括對23 列及以上列車的OBCU 進行仿真，使它們與一列列車的真實OBCU 設備一起，以支撐信號系統在實驗室里多車追蹤運行，并對ATS、CBI、ZC、MMS（維護監測子系統）進行壓力測試。簡言之，仿真測試平臺涉及全線路的信號系統及其關聯設備/系統，適宜按照分布式控制系統進行設計。這樣，實驗室既相似于現場信號系統分布式運行的情況，又方便把任一個設備集中站的仿真CBI 和/或ZC、任一列列車的仿真OBCU 替換為真實設備。

仿真測試平臺按照人工、自動協同操作分布式控制系統架構設計，見圖2。

圖2 太原地鐵2 號線JeRail?CBTC 的人工、自動協同的仿真測試平臺架構

3.1 組成

JeRail?CBTC 的仿真測試平臺由仿真JeRail?CBTC外部關聯設備/系統及內部子系統（即業務邏輯系統）、人工測試用戶界面軟件、腳本編程接口組成。

仿真JeRail?CBTC 外部關聯設備/系統包括：

一是仿真軌旁信號設備及繼電器軟件：模擬全線路的道岔轉轍機、信號機、站臺門、站臺開門按鈕、站臺關門按鈕、站臺緊急關閉按鈕、站臺扣車按鈕、站臺清客按鈕、站臺自動折返按鈕、人員防護開關、庫門、洗車機、計軸區段及其繼電器功能，模擬全線路有源應答器、無源應答器的功能；

二是仿真繼電接口（真實接口）設備：實現仿真軌旁信號設備及繼電器軟件與真實CBI 設備關于繼電接口信號轉換的功能；

三是仿真繼電接口（網絡接口）設備：實現仿真軌旁信號設備及繼電器軟件與仿真CBI 軟件關于繼電接口信息適配的功能；

四是仿真線路電子單元軟件：模擬真實CBI 設備或仿真CBI 軟件所對接線路電子單元，接收CBI 發來的應答器報文；

五是仿真車輛及OBCU 配套設備（真實接口）：與同一列車的兩套真實OBCU 設備對接，模擬列車上除OBCU 以外部件功能；

六是仿真車輛及OBCU 配套設備（網絡接口）：與同一列車的仿真OBCU 軟件對接；

七是仿真站臺門系統軟件；

八是仿真乘客信息系統軟件；

九是仿真無線通信系統軟件；

十是仿真廣播系統軟件；

十一是仿真車輛調系統軟件。

仿真JeRail?CBTC 內部子系統包括以下軟件：

一是仿真CBI 軟件；

二是仿真ZC 軟件；

三是仿真OBCU 軟件。

人工測試用戶界面軟件主要有：

一是設備信息總覽軟件：以線路平面拓撲圖的形式陳列全線路軌旁信號設備，以圖標的形式實時追蹤各列車的位置，呈現各設備的狀態，并支持正常操作、故障注入。

二是接口信息總覽軟件：以編輯框、復選框、列表等控件的形式實時顯示業務邏輯系統中各設備、軟件與其他部件之間交互的接口信息，并支持故障注入。

腳本編程接口：采用DLL（動態鏈接庫）的形式，使得自動測試腳本既可以采用腳本語言（如Python、Perl、Ruby、lua），也可以采用編程語言（如C、C++、C#），還可以采用測試管理軟件（如NI TestStand）。自動測試腳本采用的語言及編輯調試運行環境，可由腳本編寫人員自行選擇。

3.2 交互

設備信息總覽軟件、接口信息總覽軟件、自動測試腳本（通過腳本編程接口）的控制信息以UDP 單播的形式，發送給業務邏輯系統中相應的設備或軟件。

業務邏輯系統各設備、軟件上傳給用戶界面的狀態信息、控制信息以UDP 組播的形式，發送到一個組播地址，使得監聽該組播地址的設備信息總覽軟件、接口信息總覽軟件、腳本編程接口都能收到這些信息。

業務邏輯系統中各設備、軟件與用戶界面軟件交互的控制信息、狀態信息統一編碼，確保每個數據項在全系統中的唯一性，并形成數據字典，以供自動測試腳本編寫人員查閱。

3.3 使用

業務邏輯系統持續運行，人工測試用戶界面軟件、自動測試腳本可以根據需要隨時退出、重啟。

人工測試時，測試人員通過人工測試用戶界面軟件向業務邏輯系統下發指令，查看業務邏輯系統上傳的信息，結合配置文件、日志文件判斷測試結果，填寫測試報告。

自動測試時，測試人員在自動測試腳本編輯調試運行環境中運行自動測試腳本，自動測試腳本調用腳本編程接口函數。腳本編程接口函數向業務邏輯系統下發指令，獲取、存儲邏輯系統上傳的信息，讀取配置文件、日志文件，填寫測試報告。

測試人員在調試、運行自動測試腳本時，可以用人工測試用戶界面軟件來核實自動測試腳本每次調用腳本編程接口函數是否成功下發指令，指令是否正確。在運行自動測試腳本時，測試人員可以在人工測試用戶界面軟件上，介入一些人工測試操作。

測試人員在人工測試用戶界面軟件向業務邏輯系統下發的指令，以及業務邏輯系統因此而改變的狀態可以被自動測試腳本調用腳本編程接口函數獲取。

自動測試腳本可以分解為自動操作程序段、自動評判程序段、自動報告程序段。這三種程序段既可組成一個包含自動操作程序段、自動評判程序段、自動報告程序段的自動測試腳本，也可分別組成只包含其中一種程序段的自動測試腳本。

4 評價

4.1 優點

經實踐檢驗，采用人工、自動協同操作分布式控制系統架構的JeRail?CBTC 仿真測試平臺體現了以下優點：

4.1.1 支持人工與自動協同、人工與人工協同、自動與自動協同

人工與自動協同分為兩種：一種是在測試操作上的協同，即部分操作人工執行，部分操作自動執行；另一種是在測試環節上的協同，即部分測試環節人工進行，部分測試環節自動進行，見圖3。

圖3 人工、自動在測試環節上的協同

人工操作、自動評判協同：由于人工測試用戶界面產生的控制信息能夠被自動測試腳本捕獲，在自動測試腳本中可以評判人工操作及其結果。

自動操作、人工評判協同：由于自動測試腳本產生的控制信息能夠在人工測試用戶界面上查看，在人工測試用戶界面上可以評判自動操作及其結果。

自動評判、人工報告協同：對于自動評判的結果，既可以由自動測試腳本直接填寫到測試報告中，也可以由自動測試腳本輸出簡單的結果，再由人工填寫到測試報告中。

人工評判、自動報告協同：對于人工評判的結果，既可由人工直接填寫測試報告，也可以將人工評判的結果作為自動測試腳本的輸入信息，由自動測試腳本填寫到測試報告中。人工與人工協同分為兩種：一種是不同操作人員之間的協同，即部分操作由這些人執行，部分操作由另一些人執行；另一種是不同人工測試用戶界面軟件之間的協同，這些人工測試用戶界面軟件，既可能分別對應不同的控制信息、狀態信息子集，也可能包含部分相同的控制信息、狀態信息子集。

自動與自動協同分為兩種：一種是不同自動測試腳本可以相互獨立地啟動、運行、退出，分別完成不同的測試項；另一種是對同一測試項，部分測試環節由這些自動測試腳本完成，部分測試環節由另一些自動測試腳本完成。

4.1.2 保證測試環境持久、測試活動連貫

每個人工測試用戶界面軟件、自動測試腳本的啟動、運行、暫停、繼續、退出、異常，均不必重啟業務邏輯系統、被測系統，不僅節省了整個測試環境初始化時間，還保證了測試環境持久運行。

業務邏輯系統或被測系統中部分設備、軟件退出/重啟，也不會導致人工測試用戶界面軟件、自動測試腳本退出/重啟，從而確保與退出/重啟設備、軟件無關的測試活動的連貫性。

4.1.3 提高腳本調試、運行的可視性

自動測試腳本通過腳本編程接口函數下發的控制信息，將被業務邏輯系統轉發給人工測試用戶界面軟件呈現。自動測試腳本開發人員可以在人工測試用戶界面軟件上驗證腳本編程接口函數調用是否符合預期，從而提高自動測試腳本調試、運行的可視性。

4.1.4 支持全人工測試—人工測試為主—自動測試為主—全自動測試過渡

在全人工測試階段，提高測試用例的可操作性，優化測試用例的執行順序。在人工測試為主、自動測試為輔階段，可以用自動測試腳本初始化具有重復性的測試場景（例如使列車從車輛段運行到轉換軌），持續監視（例如列車線信息），捕獲瞬間狀態變化，評判測試結果，填寫測試報告。在自動測試為主、人工測試為輔階段，執行自動測試腳本時，可以介入人工操作、評判、報告。在全自動測試階段，測試操作、評判、報告全部由自動測試腳本完成。

4.1.5 適于測試正在研發的系統、在工程項目上應用的成熟系統、工程項目交付周期特別短的系統

對于正在研發的系統，依次采用全人工測試、人工測試為主、自動測試為主、全自動測試；對于在工程項目上應用的成熟系統，采用自動測試為主、全自動測試；對于工程項目交付周期特別短的系統，可以一部分人做人工測試，一部分人編寫自動測試腳本。當自動測試腳本來不及開發時，可以補充對腳本不太熟練的人員，完成人工測試；對于人工測試積累、優化過的測試用例，可以補充對腳本比較熟練的人員，轉換成自動測試腳本。

4.1.6 支持工作日、白天人工測試，休息日、夜間自動測試

工作日、白天比較適合需要人實時響應的測試。休息日、夜間比較適合無人值守的持久性測試，如穩定性測試。

4.2 限制

人工、自動協同操作分布式控制系統架構由于業務邏輯系統中各設備、軟件無差別地向所有人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口發送狀態信息，轉發或回送控制信息，使人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口接收到與己無關的信息，這就要求：一是傳送控制信息、狀態信息的通信協議應便于接收方過濾掉與己無關的信息；二是業務邏輯系統應平常只發送值發生變化的信息，以減少通信量；三是業務邏輯系統應周期性或回應人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口的請求發送全部信息，以使剛啟動的人工操作用戶界面軟件、自動操作腳本編程接口獲得全部信息的歷史值。

綜上，該架構比較適合于業務邏輯、用戶界面之間所傳送的信息符合以下特點的系統：一是信息的值變化不頻繁；二是值變化頻繁的信息數量較少；三是能將值變化頻繁的狀態信息轉換為值變化不頻繁的狀態信息。

5 結語

人工、自動協同的測試平臺架構使上海富欣智能交通控制有限公司能夠同時快速測試CBTC、TACS（列車自主運行系統）等多制式產品并驗證工程應用項目，對于工業控制自動化領域也具有借鑒意義。