指揮控制系統測試流程設計與功能實現研究

張利彬，張 熙，張 明，張桉齊

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

指揮控制系統作為復雜裝備的信息傳遞載體，肩負著指揮信息的上傳下達、系統間信息交換傳遞以及裝備控制等功能，其在互聯互通的基礎上實現各要素間資源共享和協同，保障復雜裝備體系功能的一體化實現。隨著裝備實戰化需求日益緊迫，指揮控制系統軟硬件集成程度、系統組實現架構及應用方式也較傳統指揮控制系統有了較大變化。指揮控制系統的集成程度越來越高、系統架構越來越復雜、通信手段越來越多樣化，雖然帶來了性能指標的提升，但也帶來測試環節多、測試目的難界定、在線測試難實現等突出問題，特別是在面對長期加電值班的實戰化需求，對系統在線測試、自動測試的需求日趨迫切，亟需開展指揮控制系統測試流程的專題研究，以滿足裝備發展對系統測試覆蓋性的迫切需求。

隨著高新技術的廣泛應用，系統的技術和結構復雜性顯著增加，傳統的由設計專家和使用人員在研制階段根據工程經驗權衡設計測試流程編排方案的方法存在較大困難和不足，集中表現在：測試時間長、效率低、費用高、維修保障資源浪費等，嚴重阻礙了戰斗力和保障力的快速形成，增加了系統全壽命周期費用。針對類似指揮控制系統等復雜系統測試的相關研究，國內學者分別從不同的工程需求開展大量針對性的研究工作。馬瑞萍[1]等提出采用相關性模型的方法對系統測試流程進行優化設計，提高系統測試效率，縮減測試時間；代緒強[2]等提出了采用模塊化設計和綜合集成設計思路構建綜合測試系統，并從供配電安全性測試、計算機測試和網絡通信測試等方面，提出綜合測試系統的實現策略，為提高指揮控制硬件平臺檢驗效率和開展大型復雜指揮控制系統測試工作進行了探索。陳志新[3]等針對信息化作戰分布、同步以及協同決策指揮的需求，提出了指揮流程的構建方法和控制模型。基于態勢變化、任務時限以及事件觸發等機制，設計了指揮流程控制軟件。通過流程定義編排、流程引擎以及流程支撐服務等模塊設計，實現了指揮信息有序傳遞和緊密銜接。徐亮[4]等針對艦載指控系統構件的特點，給出了構件依賴關系矩陣的定義和生成方法，提出了一種基于依賴關系矩陣的艦載指控系統構件集成測試方法。馮衛永[5]等針對現行海軍艦船數據鏈設計鑒定測試方法的不足，基于指控系統從數據鏈戰術應用角度出發，面向海軍艦船作戰系統使命任務，提出了海軍艦船數據鏈設計鑒定的評價指標體系及其測試方法，對客觀、科學、有效地評估海軍艦船數據鏈戰術數據傳輸能力有著重要實踐參考價值。華南理工大學徐思琰[6]等依托國內某大型指控信息系統軟件系統測試項目，通過深入分析其軟件架構，研究總結了現代大型指控信息系統軟件的體系結構特點、主要核心功能及系統測試環境；通過分析新一代大型指控信息系統軟件的研制模式和開發方法，深入總結了適合現代大型指控信息系統軟件的系統測試設計方法，提出綜合運用基于構件技術的架構測試對象網等安全性和可靠性分析技術，進行測試設計和分析隔離故障，并針對大型指控信息系統軟件的核心功能，分別給出了測試方法；通過總結大量軟件缺陷數據，并結合自身多年測試經驗，提出了故障密度和需求滿足性兩種適合大型指控信息系統軟件測試結果分析與評價的方法，并提煉了余種大型指控信息系統軟件的典型故障模式。以上研究者的研究，都是根據自身工程實踐，從各自的專業角度對指控控制系統的測試進行了專題研究，為后續同行的深入研究提供了豐厚的技術積累。

本文結合指揮控制系統的使用特點，從其功能定位、組成架構、應用模式和全壽命周期等方面開展需求分析，并從測試目的確定、測試項目設定、測試參數選取、測試方法研究、測試流程設計和測試結果評定等方面開展專題研究，最終提出一套適用于指揮控制系統離線測試和在線測試的通用測試系統和測試流程，確保指揮控制系統測試工作能夠滿足測試覆蓋性指標要求、提高系統測試檢驗效率、提高裝備的實戰化水平。

1 需求分析

1.1 功能定位需求

指揮控制系統作為復雜裝備實現核心控制的關鍵功能系統[7]，功能包括指令下發、流程控制、執行控制、通信控制和狀態監測等重要功能，為復雜裝備系統提供共用的軟硬件平臺，承載著多層級互聯交互、數據利用、裝備控制、信息協同、輔助決策等功能任務，任何一個功能的喪失都將影響任務的順利執行。目前尚沒有相應的測試手段，既能實現系統測試全面覆蓋，又能夠不影響正常功能運行，因此有必要針對不同功能需求對測試項目和測試手段進行專題研究，以實現各個功能測試的可達性和完好性。

1.2 組成架構需求

指揮控制系統的組成架構日趨復雜，采用標準化、模塊化、通用化和組合化的形態已成為一種主流[8]，其涉及計算、信號處理、有線/無線通信、定位導航、信息安全等多個專業，在系統上采用了“分布式+集中式”的架構，將系統內計算、存儲、通信等資源進行一體化整合，形成虛擬化資源池，實現集中式管理及分配，各客戶端設備作為分布式終端接入到資源池內部。從硬件組成上來講，包括供配電、計算、存儲、有線通信(如以太網、光纖、被復線、1553B等總線)、無線通信鏈路(北斗、衛通、超短波、寬帶等)等，構成不同的信息傳輸鏈路和控制鏈路[9]。因而需要依據系統組成特點，對相應的測試項目和測試手段進行研究，以實現系統測試的針對性、全面性和科學性。

1.3 應用模式需求

指揮控制系統需要適應復雜裝備系統的多個應用模式和任務剖面：在應用模式上，指揮控制系統需要滿足單級獨立控制、多級集中控制、多席位互換和遠程應急控制等多個使用模式[10]；在通信鏈路上，采用寬窄帶融合、有線/無線多信道融合通信等，實現信息傳輸的多路冗余和可達性；在軟件應用上，涉及多種流程控制、關鍵節點控制和執行對象的特定控制，還需滿足多個席位的操作使用需求，因此，以服務實戰化服為核心，針對不同的應用模式，設計特定的測試項目，保證系統測試的準確性和可行性。

1.4 全壽命周期的需求

指揮控制系統涉及需求論證、研制生產、系統集成、交裝服役和維護維修等全壽命周期，在不同的生命周期階段，其側重的測試項目、測試參數均有所不同。在需求論證階段，需要根據測試性設計在系統及單機中提前預設測試點[11]；在研制生產階段，需要對單機的所有功能性能指標進行全面測試和考核；在系統集成階段，需要對系統互聯、軟硬件接口和功能指標等進行測試；在交裝服役階段，需要對功能鏈路完好性、通信指標可達性和關鍵鏈路在線狀態進行測試[12]。因此需要根據系統不同的階段特點，進行測試項目的特定設計，避免以一概全，以實現測試目的、測試時機和測試對象的匹配性。

2 測試項目的設計

2.1 從測試目的進行設定

依據測試目的進行指揮控制系統測試項目的設定[13]，自頂而下可分為分系統測試、子系統測試、單機測試和功能模塊設計等層級。分系統測試的目的是考慮各子分系統之間的協同合理性和正確性，以及子系統之間工作流程暢通性；子系統測試作為支撐分系統的重要組成部分，是測試單機之間的軟硬件接口的正確性，以及通信、傳輸和處理等多要素信息鏈路的正確性；單機測試更多是在單機出廠之前，重點考核單機設計方案的正確性、單機各項功能性能指標的滿足情況；功能模塊重點測試單個專用模塊的性能指標和環境適應性滿足情況[14]。依據測試目的的考核對象不同，設計模塊、單機、子系統和分系統等不同的測試項目進行考核。

2.2 從測試時機進行設定

依據測試時機進行指揮控制系統測試項目的設定，根據時間順序可分為單機(功能模塊)出廠試驗、子系統綜合試驗、分系統匹配試驗、系統出廠試驗和交付使用等不同時機，單機(功能模塊)出廠試驗依據專用的測試工裝，在不同環境試驗項目中開展分組測試；子系統綜合試驗依據試驗大綱開展不同功能鏈路測試；分系統匹配試驗主要用于不同子系統之間的功能完好性測試；系統出廠試驗重在考核復雜裝備的整體性能；交付使用期間的測試更關注整體功能的實現。圍繞產品研制的不同時機剖面，設計專用工裝、裝置等開展不同的測試項目進行考核。

2.3 從測試對象進行設定

依據測試對象進行指揮控制系統測試項目的設定，根據系統組成可分為計算類、存儲類、有線通信類、無線通信類、音視頻類、時統類、軟件類等對象，測試項目可分為硬件本身和鏈路測試、軟件協議與業務測試、全流程全剖面測試等。系統測試對象分為單機功能性能測試、鏈路級(有線、無線)測試、系統級多節點測試、鏈路切換測試、熱備切換測試、連續加電測試等。依據系統組成對象的不同，設計硬件鏈路、軟件流程等開展不同的測試項目進行考核。

3 測試參數的選取設計

由于指揮控制系統涉及多個專業領域耦合、應用模式多樣、信息交互鏈路復雜等顯著特點，以往的測試手段，更多是通過某種專用測試設備對被測設備進行測試，這種測試平時方法更多依靠獲取單機的參數，對系統性能指標進行評估，并不能真實反應單機對象在整個系統中發揮的實際作用，且這種測試工況并不能覆蓋單機在系統中的實際工況；這種對單機對象的測試往往會造成測試設備眾多繁雜且不易維護，同時模糊了單機測試與系統測試之間的界面。本節從指揮控制系統鏈路測試出發，在開展系統測試時有必要對測試參數進行選取設計，以縮短測試周期、提高測試效率，提高系統測試覆蓋性[15]。著重對系統層級的測試參數選取進行設計，按照功能鏈路分類，重點選取計算鏈路層、存儲鏈路層、通信網絡層和應用業務層等不同特點進行測試參數選取。

針對計算鏈路層級的測試，重點選取各個終端計算資源的CPU利用率、內存占有率、終端啟動時間、各終端軟件啟動時間、不同終端之間的信息交互反應時間、終端抗毀應用服務遷移時間和終端接入網絡時間等。

針對存儲鏈路層級的測試，重點選取數據寫入/導出速率、數據同步速度、數據備份速度、數據容災速度、數據恢復速度、數據完整性和數據導出時間等。

針對功能鏈路層級的測試，重點選取通信網絡丟包率、冗余鏈路切換時間、無線網絡通信時延、北斗短消息成功率、守時/授時精度、多點/多級組網性能指標、音視頻指揮效率等參數。

通信網絡丟包率分為有線通信網絡和無線通信網絡，丟包率測試根據被測試信道的帶寬以及業務需求的數據包長度相結合完成，獲取丟包率指標。

冗余鏈路切換測試分為主備鏈路測試以及不同優先級鏈路測試，主備鏈路測試主要指的是組成系統的骨干冗余以太網或光纖網絡，通過特定的測試手段獲取冗余網絡之間的切換時間。不同優先級鏈路切換測試的考核指標主要是不同鏈路的切換時間和響應速度。

通信時延體現在無線網絡方面，主要體現在系統內無線通信手段如短波、超短波、寬帶等信息的傳輸效率，將信道能力、應用場景以及業務需求結合起來，考核通信傳輸效率[16]。

北斗短消息成功率，主要考核北斗二代、三代在戶外環境下北斗短消息的接收、發送成功率。

守時/授時精度，主要完成在單個系統內部守時精度以及接收外部授時信息能力；多個及多級節點接的授時、備保接替等能力。

多點/多級組網性能是為模擬實際場景下多個或者多級指揮控制系統大規模組網并存時系統的功能性能[17]。主要參數為多級節點內通信帶寬、傳輸時延、信道切換等指標。

音視頻指揮指標主要是音頻、視頻數據的傳輸，話音、視頻圖像的清晰度、時延等參數。

針對應用業務層的測試，重點選取部署時間、重新啟動時間、交互信息響應時間、信息交互正確性、數據傳輸順序等參數。

4 測試系統的設計實現

本文提出一種基于VPX架構的通用測試系統用以實現指揮控制系統的系統測試，其以一臺具備覆蓋指揮控制系統所有測試功能的VPX架構測試機箱為核心，能夠實現對電源信號、數字信號、模擬信號、總線信號、射頻信號、音視頻、存儲信息等進行全面的測試及數據記錄分析，同時支持測試功能的后續擴展(增加功能板卡)[18]。硬件架構如圖1所示。

圖1 測試平臺組成框圖

4.1 VPX測試平臺

VPX測試平臺以6U的VPX架構機箱為基礎平臺，各功能模塊以VPX板卡形式插入到VPX測試機箱中。機箱背板采用統一化的接口設計，便于測試模塊擴展及互換。測試平臺內含電源模塊、綜合控制板、綜合處理板、以太網接口板、1553B接口板、CAN接口板、基帶接口板、射頻接口板、時鐘接口板、光纖接口板、被復接口板、音視頻測試板、電源測試板、存儲測試板等組成。測試平臺能夠實現對光纖信號、以太網信號、1553B信號、CAN總線信號、射頻信號、音視頻信號等數據的測試工作。

有線通信測試用于實現有線通信接入單元( 包括光纖信號、以太網信號、1553B信號、CAN總線信號等)的控制、其數據的接收，數據的處理，以及接收測試指令和反饋測試結果到VPX測試平臺。

無線通信測試用于對無線通信設備(區域寬帶、超短波等)的測試，用于射頻處理板信號分析，接收通路射頻信號的模數轉換，發射通道射頻信號的數模轉換和射頻信號發射通路衰減與接收通路增益控制。

電源模塊測試分別為交流電流電壓、電流測試與直流電壓、電流測試。

4.2 顯控設備

顯控設備是VPX測試平臺的客戶端操作設備，是一臺具備較高數據處理能力的計算機，通過以太網與VPX測試平臺實現數據互聯。在其上部署測試操作軟件平臺，實現測試項目、測試階段的選擇、測試進程的顯示、測試對象、測試權限、測試數據的管理等工作。

4.3 記錄儀

記錄儀實現向測試人員信息、各被測系統信息、測試結果數據的高可靠存儲及快速調用。通過存儲系統實現不同型號系統測試數據存儲以及同一型號不同批次系統的測試數據存儲，建立一個的龐大的指揮控制系統測試數據庫。通過大量測試過程，建立指揮控制系統的主要數據包絡，不斷進行數據迭代、數據挖掘，最終形成一個智能化的指揮控制系統測試平臺，以指導后續不同型號的指揮控制系統的測試工作。

4.4 測試對象

測試對象包含指揮控制系統內的計算類、存儲類、有線通信類、無線通信類、音視頻類和時統類等多種種類產品，在系統離線(地面)測試時，依據不同產品種類設置不同的測試接口，通過測試用例的不同設置完成不同產品的測試內容；在系統在線(上裝)測試時，依據特定的在線測試流程，在不影響系統正常功能的前提下，實現對各個組成部分功能的全面測試。

5 測試流程的設計實現

按照“通用化、信息化、智能化”的理念，開展指揮控制系統的測試項目和測試流程的設計，以實現系統鏈路的信息化測試，同時，考慮海量測試數據的高效利用，按照標準格式自動輸出測試報告，極大程度上提升了數據分析的效率，提高測試的智能化水平[19]，如圖2所示。

圖2 測試流程步驟圖

1)建立測試項目庫：根據系統應用需求，將指揮控制系統的測試階段、測試項目、測試對象、測試人員、測試流程、測試結果判據等數據錄入至測試項目數據庫。

2)對測試平臺進行初始化操作：對測試平臺進行初始化操作，根據測試對象選擇不同的硬件模塊和軟件模塊。

3)測試對象選擇：針對測試對象進行選擇，可根據對象種類和對象鏈路來選擇。

4)測試項目選擇：針對被測對象的測試需求、所處階段、測試需求參數，推薦多組測試項目，可結合測試目的，確定測試項目。

5)開始測試，測試結果判定：點擊開始測試，測試平臺開始自動按照測試項目進行測試并生成測試結果。

6)測試結果判讀：測試平臺得出測試結果后，將測試結果與知識庫中的測試判讀數據進行比對。如測試數據符合測試判據，則通過本次測試；若測試結果不符合測試判據，則將不符合測試項結果及判據記錄入知識庫中，并顯示給測試人員。針對不符合項提出處置建議，以指導查找原因。

7)測試報告導出：完成測試過程后，測試平臺將按照測試人員導入的測試模板生成測試報告。

6 測試結果的評定

在獲得指揮控制系統系統各項測試項目的測試結果后，需要對測試結果進行分析，并對測試結果的有效性進行評定，進而形成一套針對性的指揮控制系統評價指標體系。

針對測試結果的評定需要從以下幾個方面開展：

1)對各個測試項目的全面性和參數選取的正確性進行確認，確保測試對象的全覆蓋、測試工況的可實現、測試參數的可采集、測試數據的可分析和測試結論的可信性。

2)根據系統功能、性能指標要求進行測試結果對標，對于每個指標、每個工況的測試有效性進行確認，并對測試結果的有效性給出明確結論。

3)采用橫向對比和縱向比對的方法，利用數據挖掘、智能推理算法等技術手段對“單次、單對象、單鏈路和單次反應時間”等進行分析確認，即對同一個項目的多次數據進行分析，對同一個對象不同階段的測試結果進行分析，對同一個鏈路上的不同對象的性能指標進行分析，對同一個測試項目上各種工況的反饋時間進行分析，甄別出本次測試項目的有效性和準確性。

4)通過多次測試分析，形成一套指揮控制系統的綜合評定方法和評定指標體系，可以根據不同的測試項目，形成一套測試目的、測試工況、測試數據和測試結論相匹配的一套測試評定方法，用以指導后續指揮控制系統的各項測試工作。

7 結束語

本文通過從指揮控制系統的功能定位、組成架構、應用模式、全壽命周期等多個角度對其測試需求進行了分析，并從測試目的確定、測試項目設定、測試參數選取、測試方法設計、測試流程設計和測試結果評定等方面，對指揮控制系統測試流程設計和功能實現開展專題研究，最終提出一套適用于指揮控制系統的通用測試系統和測試流程，實現了指揮控制系統的通用化、信息化和智能化測試，為后續指揮控制系統測試工作提供參考，為指揮控制系統的在線測試和長期加電值班提供技術指導。