自動測試技術在CBTC系統聯鎖產品交付測試中的應用

劉彧

（浙江省交通投資集團有限公司軌道交通管理部，浙江 杭州 310000）

1 研發背景

基于通信的列車自動控制系統（CBTC系統）集無線通信技術和自動化控制技術于一體，利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路），雙向連續、大容量的車地數據通信技術，在保障列車安全可靠運行的前提下，確保其以較高的速度和較小的間隔運行，大大提高了運營效率。聯鎖產品是構成CBTC系統的基礎設備之一，其所實現的安全功能是保證列車安全運行的前提與基礎［1-2］，因此聯鎖產品投入運營前的交付測試至關重要。目前聯鎖產品交付測試依靠人工測試，存在效率不高以及因人員疏忽導致的缺陷逃逸等問題。如何進一步提高測試效率、保證產品質量，成為各信號設備廠商不可回避的問題。分析目前聯鎖產品交付測試的現狀與問題，提出新的測試方法，可以在提高測試效率的同時高質量地完成測試任務。

1.1 聯鎖產品

聯鎖產品是保證列車運行安全，實現軌道區段、道岔和信號機之間正確聯鎖關系的安全系統，滿足故障-安全原則。聯鎖設備采用高可靠性、高安全性硬件架構和軟件設計。

聯鎖設備作為CBTC系統中最重要的安全控制設備，須符合歐洲鐵路信號EN 50126、EN 50128、EN 50129安全標準，安全完整性等級須達到安全完整性等級4級（SIL4級），其安全性滿足《鐵路車站計算機聯鎖技術條件》等我國鐵路行業標準。

1.2 聯鎖表

聯鎖表是對各集中站內各信號設備的聯鎖關系，按照《鐵路信號聯鎖表編制原則》中相關要求進行描述的集合，是聯鎖產品保證列車運行安全的重要設計輸入。在聯鎖表內，以信號平面圖中進路為主體，對各設備名稱、狀態、進路性質等關鍵信息進行了嚴格定義［3-4］。

聯鎖產品交付測試是在聯鎖邏輯下，按照聯鎖表對設備狀態、站場信息以及各設備的聯鎖邏輯關系進行驗證，以保證聯鎖產品的安全性與可用性。聯鎖產品的結合關系是聯鎖產品交付測試的重要依據。典型的聯鎖表示例見表1。

表1 聯鎖表示例

其中部分重要元素釋義如下：

（1）進路欄：基本進路均為列車進路，方向填寫“正向”或“反向”。當進路始端信號機方向與運行方向一致時為正向，進路始端信號機方向與運行方向相反時為反向。

（2）信號機欄：本欄列出進路開放時對應進路始端信號機的相關內容，包括信號機名稱、信號機顯示、黃燈定義（降級模式）。

（3）道岔欄：本欄列出所排進路的基本進路中，進路經過的全部道岔位置以及有關防護或帶動道岔的編號和位置。

（4）敵對信號欄：順序填寫與所排進路敵對的全部信號機名稱。填寫時應區分無條件敵對和有條件敵對。只要某條進路一旦建立，其敵對進路就不允許建立，是無條件敵對；只有當有關道岔處于一定位置時才構成敵對關系，否則不構成敵對關系，是有條件敵對。

（5）軌道區段欄：順序檢查所排進路信號開放應檢查的軌道區段名稱。對于降級模式下，該欄列舉的軌道區段（計軸區段）為基本進路鎖閉所需檢查的內容；對于CBTC模式下，該欄列舉的軌道區段除特殊說明外，基本進路鎖閉不檢查這些軌道區段的空閑，僅檢查區段的鎖閉和方向。

（6）接近區段欄：接近區段為滿足接近鎖閉長度要求的軌道區段。CBTC及降級模式下，順序填寫該進路的接近區段。信號開放后一旦接近區段有車占用，進路立即轉入接近鎖閉狀態，接近鎖閉不能用取消進路的辦法取消進路，只有等列車經過后使其分段解鎖或一次解鎖，或者使用人工解鎖的方法，使進路延時一定的時間或在列車停穩以后解鎖進路。

（7）延時解鎖時間欄：進路接近鎖閉后，人工解鎖該進路需要的延時時間。進路延時解鎖從信號關閉時開始計時。

（8）其他聯鎖對象欄：影響“信號機”欄中信號開放的站臺門條件、防淹門條件、站臺緊急關閉條件、扣車條件；影響該信號開放的場聯、站聯照查條件；不能同時開放的互斥信號機條件（1個計軸區段兩端的信號機）等。

當進路始端信號機為出站性質的信號機時，本側（或本車站）站臺的站臺門、站臺緊急關閉、扣車條件將作為始端信號機開放條件。即當站臺門未關閉或站臺緊急關閉按鈕被按下或扣車按鈕被按下時，始端信號機不允許開放。在進路處于鎖閉狀態下，當站臺門關閉、取消扣車后始端信號機將自動重新開放，當取消緊急停車后始端信號機需通過人工操作重新開放［5］。

當本進路的基本進路內或保護區段內存在站臺區段，對于降級模式聯鎖表，站臺門、緊急停車將作為始端信號機開放條件；對于CBTC模式聯鎖表，站臺門、緊急停車、扣車條件將不作為始端信號機開放條件，站臺門和緊急停車由區域控制器（ZC）來防護。

2 聯鎖產品交付測試現狀與問題分析

2.1 聯鎖產品交付測試現狀

目前各信號廠商聯鎖產品交付測試通用的測試內容需涵蓋以下方面：軟件版本校核、單項測試、輸入輸出測試、界面顯示測試、進路測試、維護機測試、平臺數據測試、接口測試等測試項目（見圖1）。

圖1 聯鎖產品交付測試項目

產品交付測試中，單項測試包括上電鎖閉測試、道岔單鎖/單解、道岔強扳、區段故障解鎖、計軸復位等測試項；進路測試分為CBTC模式和降級模式2種模式，其測試內容包括進路辦理、進路鎖閉、信號開放、引導進路、進路取消等測試項；接口測試包括聯鎖與區域控制器、計軸系統、車載、ZC等設備測試，以及互聯互通場景下與其他廠商設備之間的接口信息測試等［6］。

聯鎖軟件作為SIL4級安全產品，承擔著信號系統核心安全功能，是保障列車安全運行的基礎設備，具有非常高的安全性要求，因此對聯鎖產品測試方法的完備性和準確性提出了同樣的高標準要求。

2.2 問題分析

伴隨著各地軌道交通信號領域CBTC系統的廣泛應用，互聯互通線路愈來愈多，聯鎖產品需適配各種站場設計、業主要求以及其他廠商產品的接口要求，這將導致聯鎖產品應用場景多變，不同線路之間技術差異明顯，對聯鎖產品交付測試的完備性提出更高要求。如果所有測試項目均采用人工測試方式，則存在如下問題：

（1）從安全性方面考慮，聯鎖產品功能越來越復雜、應用場景越來越豐富，要求測試團隊的平均技術能力水平隨之不斷提高，這對任何信號廠商來說都是艱巨的團隊建設挑戰。此外，在不考慮技術復雜度的情況下，由于聯鎖產品的控制對象（即信號機、區段、道岔等元素）與界面顯示相對固定，測試人員需在保持長時間高度精神集中的狀態下進行大量的、較枯燥的重復性操作，在這種狀態下測試人員容易出現精神疲憊或注意力分散，一旦對某個現象觀察不到位或疏忽大意就會給設備的安全運行留下隱患。

（2）從工作效率方面考慮，在所有測試項目均為人工測試的情況下，完整測試1條進路（包括CBTC模式和降級模式）大約需要2.5～3.0 h。對于站場規模為25～30條進路的新建車站，進行1輪完整的交付測試耗時大約為20個工作日。對于某些較大型車站或車輛段而言，其進路數量往往會在50條以上，其交付測試周期大約需要30個工作日。如果存在復雜站場站型、特殊聯鎖邏輯情況，相應的測試時間會更長。

因此，聯鎖交付測試方法必將朝著自動化、智能化的方向發展［7］。目前業內對于聯鎖自動測試方面開展了較多研究，例如，某公司使用面向對象的軟件設計（UML）技術對其自主研發的聯鎖產品核心邏輯建立模型，基于仿真測試系統生成測試用例，降低了人為參與的影響；某公司針對其聯鎖產品開發了基于腳本驅動的自動化測試平臺，提升了測試效率。但上述自動測試方法的強針對性導致其通用性受限。另外，還有研究人員提出使用有色Petri網對聯鎖邏輯進行建模，通過分析模型的可達性與最終聯鎖產品運算結果進行差異分析，從而對聯鎖產品進行安全性評價，對聯鎖產品測試有一定借鑒意義［8］，但該類研究大多停留在理論階段，還未應用于實際測試。

3 CBTC系統聯鎖產品交付自動化測試

提出基于圖形化識別技術的自動測試方法，根據聯鎖表內容進行測試。依據標準聯鎖表生成測試序列，通過軟件對聯鎖控顯界面的識別，代替人工對信號機、區段、道岔等設備進行指定操作，通過讀取相關反饋信息對聯鎖產品進行交付測試，該方法既能驗證聯鎖產品的安全邏輯，也能保證對站場場景覆蓋的完備性［9］。

3.1 自動化測試思路

在聯鎖產品交付測試的眾多測試項中，部分測試項主要為人工校核，例如控顯界面顯示（信號機朝向、高矮柱等）、安全平臺參數等，該測試項主要為界面或數據核對，工具識別相對困難，且測試用時占比較小，因此暫不作為自動化測試項進行處理。通過大量測試實踐，單項測試、進路測試信息量大且耗時、耗力，主要是通過人工識別聯鎖表內信息，點擊控顯界面按鈕實現，具備自動化測試的特點［10］。

自動測試工具首先應具備讀取輸入資料（聯鎖表、采驅表）的能力，并生成具體聯鎖車站自動測試基礎數據。自動測試工具根據預先設定好的測試項目、測試方法和步驟，對聯鎖產品進行單項測試和進路測試，生成測試日志和測試報告（見圖2）。

圖2 自動測試工具設計思路

3.2 聯鎖自動測試工具

聯鎖自動測試工具能運行在工作站上，通過讀取輸入資料（聯鎖表、采驅表等），生成具體車站自動測試數據，通過人機界面選擇測試項目，滿足7×24 h自動測試的需求，自動生成測試日志和測試報告，并記錄相關缺項，其架構見圖3。

圖3 聯鎖自動測試工具架構

3.2.1 讀取輸入資料

（1）聯鎖自動測試工具可讀取Excel格式文件CBTC聯鎖表、降級模式聯鎖表、引導進路聯鎖表、自動折返進路聯鎖表，并識別聯鎖表中的道岔信息、區段信息、信號機信息等其他元素，然后將測試數據進行存儲。

（2）聯鎖自動測試工具還可讀取輸入輸出信息表，然后將測試數據進行存儲。

3.2.2 生成測試數據

（1）聯鎖自動測試工具可將讀取的Excel格式文件聯鎖表信息、輸入輸出表信息進行存儲，在測試時調用。

（2）聯鎖自動測試工具可對車站聯鎖數據進行完整測試、部分測試（可任意選取測試項，也可在任意測試項內選擇所需要測試的數據），可根據測試需要靈活設置。

3.2.3 測試輸出

（1）測試完成后，測試主界面可直接顯示測試錯誤數量，測試日志內則詳細記錄了測試結果，并給出錯誤原因。

（2）測試完成后，可根據測試日志生成最終的測試報告。在測試主界面單擊“報告”按鈕，在彈出的對話框內單擊“新增”，導入要生成報告的日志（可同時選擇1個或多個日志文件），然后單擊“生成”即可。

3.3 優點與不足

該自動測試工具的優點如下：（1）在不改變任何數據代碼的情況下可代替人工操作鼠標執行測試，且滿足7×24 h自動測試的需求，提高了測試效率；（2）測試人員在人工測試過程中，存在一定人為失誤風險，并且很難做到完全的遍歷測試，人工測試存在一定測試誤差，自動測試工具可顯著彌補該測試風險。

存在的不足如下：（1）在使用自動測試工具前需要進行測試準備，包括截圖配置、菜單配置、人機界面（MMI）配置、輸入資料配置等，上述配置工作相對耗時；（2）對測試設備要求較高，工作站需運行流暢，若出現卡頓則會影響測試結果，在測試過程中若彈出其他無關窗口，則會影響測試結果，甚至停止測試。

該聯鎖自動測試工具對提高測試效率及保障測試質量發揮了較大作用，但后期仍有改進空間，可降低配置時間及配置通過率，進一步提高測試效率。

4 結束語

在分析現有聯鎖產品交付測試方法和問題的基礎上，結合實際需要，提出新的自動化測試方式，闡述自動化測試的思路及其聯鎖自動測試工具的具體實現過程。該自動化測試工具目前已應用于聯鎖產品交付測試工作中，在一定程度上提高了測試效率與測試質量。