軌道交通信號測試技術發展研究

付立民

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

隨著電子設備和系統的不斷發展，軟件在其中的應用范圍和規模也在迅速擴大，同時，由于軟件缺陷所引發的產品故障越來越多，甚至引發災難性事故，軟件的質量和可靠性逐漸成為人們關注的焦點。在軟件的生命周期中，測試是保證軟件質量，提高軟件可靠性的一個十分有效的手段。

國內鐵路信號控制設備越來越多地采用基于處理器的電子設備，尤其是隨著高速鐵路CTCS-3的推廣，地面的計算機聯鎖系統 、車站列控中心系統、無線閉塞中心系統 、臨時限速服務器系統、軌道電路設備、應答器以及車載的ATP系統，全部采用計算機控制為主的控制技術。日、法、德等國的實踐證明，高速鐵路建設不僅要有高水平的系統設計、高質量的施工和裝備制造技術，更要有全面、系統的試驗檢測手段。

對于各系統在高速運行條件下的功能和性能測試，國內高速鐵路將綜合應用與工程相結合，建設先導段和試驗段，以計算機仿真技術為基礎，開發建立實驗室仿真測試系統等手段，通過低速與高速、實車與仿真、現場與實驗室測試的有機結合，構建一套完善的測試體系，可以實現對系統的充分測試和驗證，取得非常好的效果。

2 軌道交通信號測試

2.1 測試發展歷程

軌道交通的信號控制設備經歷了由單一系統為主，向多系統協同控制的發展過程。早期鐵路信號控制系統以單一為主，如聯鎖設備長期作為主要的信號控制設備 ；隨著列車運行速度的提升，地面和車載控制系統不斷升級，發展到CTCS-3系統時，整個列控系統已經成為多系統共同控制，車載和軌旁協同工作的復雜系統。

信號系統的測試技術，也相應的經歷了不同的發展階段，從最初的單一產品簡單的手工模擬測試，發展到支持多系統聯動和虛擬仿真的系統級測試，如圖1所示 ；測試方法也從人工測試，向自動化測試發展，如圖2所示。

圖1 產品測試和系統測試Fig.1 Product test and system test

2009年科技部和原鐵道部聯合開展 “十一五”國家科技支撐計劃“中國高速列車關鍵技術及裝備研制”的研究，其中中國鐵路通信信號股份有限公司（簡稱中國通號）聯合清華大學承擔了子任務“CTCS-3級列控系統綜合設計集成平臺”的研制，實現了對各種類型軌道交通系統的1:1仿真，實現實物、半實物、全模擬3種方式的精準仿真，滿足設備級、系統級、工程線路級不同規模的仿真測試需求，在實驗室環境下實現了高效的CTCS-3列控系統核心設備功能驗證測試和線路級規模工程集成測試，保證CTCS-3列控系統在武廣、京滬高鐵等30多條國家重點工程中的應用。

2.2 規劃思想和目標

近年來測試技術不斷發展，應充分利用測試技術發展紅利，以數字化為依托，探索新型技術在信號測試中的應用，研究具有前瞻性的前沿科技在軌道交通測試中的創新，提高測試的自動化水平和效率，研究新技術和新方法在提升測試能力上的應用，對面向眾多的新技術應用提供測試支撐，測試技術發展的研究方向如下。

1）提升測試技術先進性

研究測試領域的新技術新方法，如零現場測試、數字孿生、虛擬仿真、形式化驗證、加速測試等技術，提升測試技術先進性。

2）提升測試效率

研究提高測試效率的方法和手段，解決目前測試效率低、人工回歸多、自動化程度低的問題，配套開發各產品的自動測試工具，將目前大量的人工測試交由工具自動完成，并生成測試記錄和結果。

3）提升測試自動化水平

研究自動化測試技術，實現測試全過程自動化，在各產品測試工具完善的基礎上，實現測試的設計和管理的自動化，實現測試流程（工作流）處理的自動化，通過自動化測試可以提高測試效率，減輕測試人員負擔，更方便開展功能測試和回歸測試，測試過程質量更有保障，使測試人員更加專注于創造性的工作。

自動化測試(Automated Test）由測試工具自動地執行某項軟件測試任務，如通過某個軟件工具完成應用系統的功能測試和性能測試等測試執行工作，而測試的計劃、設計和管理等其他工作還是手工完成。

測試自動化（Test Automation）的整個測試過程都由計算機系統自動完成，體現了更理想的自動化思想，有更廣的范疇和更大的挑戰。它不僅要求由工具完成測試的執行，而且要求測試的設計和管理也由系統自動完成，例如基于模型實現測試設計的自動化、基于軟件設計規格說明書實現測試用例的自動生成、基于數據庫系統實現測試管理的自動化等。

實現測試自動化，就可以實現即時測試，即變更提交后當夜自動測試，極大的提升測試效率，極早的發現測試問題，實現快速和完整自動回歸。

4）測試全生命周期優化

實現測試全生命周期整體效率提升。通過對測試輸入資料準備、測試環境部署、測試執行、測試結果評價、測試報告生成等測試全業務鏈活動進行統一的規劃，實現測試業務全生命周期的整體效率最優。

3 軌道交通測試發展方向

《交通強國建設綱要》提出要“推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算等新技術與交通行業深度融合”。中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）2020年8月份出臺《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》中，描繪了新時代中國鐵路發展美好藍圖，并把“發展自主先進的技術裝備體系”作為主要任務之一，要求提升基礎設施技術裝備水平，推進設施數字化、智能化升級，自主研發新型智能列控系統、智能牽引供電系統、智能綜合調度指揮系統以及新一代鐵路移動通信系統 ；要求以新型基礎設施賦能智慧發展，加大5G通信網絡、大數據、區塊鏈、物聯網等新型基礎設施建設應用，統籌推進新一代移動通信專網建設，構建先進、安全高效的現代鐵路信息基礎設施體系。

鐵路新一代基礎設施的開發，離不開測試的支持。隨著眾多新技術的利用以及系統復雜程度的提高，數據來源的增加，對系統的原型、原理進行論證，對開發的系統進行充分的驗證均離不開測試的支持，在新產品研發過程中，測試是必備的環節，發揮著鑒定系統的正確性、完整性、安全性的重要作用。

軌道交通測試技術的發展整體上可以分為兩個方向，基礎測試技術研究和前沿測試技術研究，前者著力于利用現在可行的技術解決目前面臨的測試問題。后者面向未來，一是研究未來的哪些新技術可以利用在測試中，二是為了支持新技術的應用，測試應該提供什么樣的支撐。

3.1 基礎測試技術研究

1）研究數字化仿真技術，建設虛擬化仿真模型

目前的軌道交通測試有相當一部分設備停留在實物仿真階段，未實現數字化仿真，進行測試依舊依賴于實物，受限于硬件平臺條件，導致某些軟硬件集成的測試無法實施或者成本很高。硬件計算機的仿真更是空白。依賴于實物的仿真首先制約了可以并行開展的測試數量，提高了測試成本，其次是難以實現故障注入測試，不能保證測試的充分性。

研究基于硬件功能的仿真以及基于指令的仿真技術，對于被測對象提供虛擬化仿真模型，可以解決測試依賴實物導致的成本高、并行測試開展受限，以及故障注入難度大的問題；同時，數字化仿真為自動化測試提供了更好的基礎條件。

2）建設軌道交通云測平臺，實現測試資源統一高效管理

軌道交通領域的測試，有著與其他行業領域不同的特點和要求，首先是對安全性要求高，導致測試項目多，測試時間長，產品和系統測試層級多；其次是由于在建工程項目多，測試需求多，工期要求緊張，測試資源配置實物化導致測試資源沖突頻發、測試時間長、測試環境搭建復雜。

建設軌道交通云測平臺，基于人機界面代理技術，實現測試對象的數字化，平臺和環境的虛擬化，測試執行的自動化；在數字化、虛擬化、自動化的基礎上，采用數字孿生技術建設測試云，實現測試資源的集中統一調度管理，并研究工具云化技術，測試資源的自動部署和清理技術，實現遠程跨地域測試、多實例并行測試，可以解決目前軌道交通測試面臨的以上問題。

3）研究自動化測試技術，提高測試效率

目前的軌道交通測試，仍舊大量依賴人工測試，人工測試的效率低、不確定性高，并且受限于人員數量和資質，無法開展并行測試、工作時間受限、回歸測試仍舊占用大量人力資源。

自動化測試與人工測試相比，在測試效率、測試確定性方面有著巨大的優勢，而且自動化測試可以開展并行測試、全天測試，只要提供硬件資源，測試能力幾乎不受限制。其次自動化在產品全功能測試和回歸測試方面，有著天然的優勢，在產品變更時可以進行全功能全回歸測試，避免修改的意外影響。

3.2 前沿測試技術研究

研究零現場測試技術：零現場測試是通過執行完整的實驗室測試過程來最小化現場測試的技術方案，主要研究內容包括通用的測試過程框架定義，以確定需要在現場和實驗室/仿真進行的測試，研究測試案例選擇的通用標準，以支持現場以及實驗室測試。零現場測試一方面降低了現場測試要求，另一方面也相對提高了實驗室測試的可信度。

研究平行仿真在軌道交通測試中的應用：設備平行仿真作為新興的仿真技術，旨在將仿真系統和被測設備通過雙向交互同時運行，仿真系統以在線的方式不斷從被測設備實時獲取狀態信息，用于在線修正仿真模型，修正的仿真模型反過來可以用于改進被測設備的性能，形成良性的循環。

研究針對5G等新一代無線通信、超寬帶通信技術：北斗衛星等安全定位技術，人工智能技術，物聯網泛在互聯技術、雷達感知以及模式識別技術的測試技術、策略和方法，保障新技術在應用中的安全可靠應用。

信息安全測試技術研究：在國標與國際信息安全標準的體系架構下，研究信息安全測試技術，主要包括測試環境的構造與仿真、信息安全的有效性測試、負荷與性能測試、攻擊測試、故障測試、一致性與兼容性測試等信息安全測試技術在軌道交通中的應用。

面向復雜系統和強耦合系統提供測試能力：對于面向未來軌道交通多產品構成的強信息融合的復雜系統，應根據其故障傳播機理、局部故障抑制要求等特點，在系統整體可靠性、健壯性提出適用的測試技術和方法。

解決多傳感器多模式融合測試需求：通過基于多傳感器、多信息來源來構成整體高可靠、高安全的綜合感知結果是未來鐵路一個重要方向，測試應改變傳統的測試方式，在實物測試的基礎上，通過仿真和模型技術，來驗證多信息融合的安全性和可靠性。

支持全場景全要素仿真，適應自主式軌道交通系統發展：測試技術應致力于從全場景向全場景+全要素仿真的改變，以提供對自主式軌道交通全面感知、自主感知要求的測試覆蓋。

研究滿足用戶需求的可信測試技術：研究形式化驗證技術在測試中的應用，形式化驗證技術是EN標準強烈推薦的驗證和測試技術，它使用了無縫對接的數學證明原理，面對測試的變量組合數量眾多的情況，形式驗證可提供充分的確定性，并提供更客觀可信的測試結論。

基于知識圖譜的測試案例自動生成和復用技術：在人工保證基本測試案例的基礎上，利用機器學習技術衍生更豐富場景和測試輸入組合的測試案例，提高測試案例場景覆蓋的全面性，使測試對象能夠在實驗室暴露現場運營中發生的組合條件故障。利用知識圖譜里面所蘊含的豐富的關聯性，對既有的測試案例進行識別和分類，提高既有龐大測試案例庫的復用比例, 賦能測試安全。

研究區塊鏈技術在測試中的應用：根據區塊鏈具有“不可偽造”“全程留痕”“可以追溯”“公開透明”“集體維護”等特征，開發基于這些特征在測試過程記錄中的應用，以提供可信和可追溯的測試結果記錄。

3.3 軌道交通云測試

云測試是一種有效利用云計算環境資源對于其他軟件進行的測試或是一種針對部署在“云”中的軟件進行的測試，在云計算的虛擬環境下，通過多種大數據分析方法評估測定應用軟件開發質量與設計水平的測試活動。云測試即在云端配置測試所需要的幾乎所有環境，以云的技術模式進行測試的工作模型。

基于云計算技術，云測試平臺可為企業節約測試過程中的軟、硬件開銷與人員投入，云測試技術通過在云端部署測試環境和測試軟件，不需要去搭建和拆除測試環境，更不需要根據測試需求，經常購買相應的軟硬件設施，只需要簡單地配置相應的虛擬參數設置，就可以實現測試資源按照用戶的需求提供，動態延展；云測試支持測試資源的復用和靈活分配，以解決實體測試資源不足的問題，而且同時支持分布式異地測試，可以提供遠程測試接入功能，云測試可以提供遠程測試服務，用戶不需要在本地配置和安裝軟件測試環境，而是在云測試平臺上完成測試任務。

一個典型的軌道交通云測系統架構如圖3所示。

圖3 軌道交通云測系統結構Fig.3 Structure diagram of rail transit cloud measurement system

軌道交通云測系統可分為基礎架構層、驅動技術層、測試應用層等3部分。

基礎架構層提供硬件資源，可以基于通用的云架構；驅動技術層包括操作系統，以及為軌道交通云測試提供服務的虛擬硬件、虛擬仿真框架，可以對上一層提供通用的基礎服務；測試應用層主要包括測試仿真軟件、測試管理軟件、測試案例庫、設備模型等，該層負責直接與被測設備以及測試人員交互，完成測試任務。

軌道交通云測系統能夠自動完成服務的停止、服務下線、刪除服務配置和資源回收等操作，根據業務需求增刪模塊、增減資源配置等。在虛擬技術的支持下，當服務不再需要時，可以取消部署以釋放占用的資源。可以開啟自動回滾設置服務，通過設置還原點，將服務重新還原到指定狀態。

云平臺可以通過管理軟件實現測試流程管理、輸入輸出記錄、測試快照、測試過程回放、測試記錄和報表自動生成等，開啟狀態和過程監控服務，進行狀態管理，在測試全程監控執行的每一步驟，便于發現和解決問題。

4 總結和展望

軌道交通領域正在越來越多的向數字化、自動化發展，新技術不斷在軌道交通中應用，控制系統的復雜度也在提高；相應的，軌道交通測試技術也應向數字化、自動化發展，以更好地服務于軌道交通新產品開發和工程應用，保障軌道交通運營安全，促進和支持新技術在軌道交通領域內的應用。

作為數字化和自動化的一個方向，基于云計算技術的軟件測試在很大程度上解決了傳統時期人工測試、自動化測試在投入成本、耗費時間、性價比、人因風險等方面的問題，云測試具有非常廣闊的發展前景，并且隨著云計算技術的推廣使用，未來的云測試對于傳統的軟件測試以及云計算的發展必將具有深遠的影響。