列車車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)研究

孟祥振，韓 坤，李桂虎

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

目前，工業(yè)以太網(wǎng)總線已被成功應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，并逐漸成為列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的主流通信模式[1-3]。如，“復(fù)興號”CR300動車組、北京地鐵大興機(jī)場線列車、北京地鐵17號線列車和深圳地鐵20號線列車等均采用以太網(wǎng)控車，大量運(yùn)用了車載交換機(jī)和采用以太網(wǎng)接口的車載控制器等車載以太網(wǎng)設(shè)備。

軌道交通應(yīng)用工況特殊，其對車載以太網(wǎng)設(shè)備功能和性能提出了較高的要求，設(shè)備出廠前均需進(jìn)行例行測試[4]。但目前傳統(tǒng)的手動測試方法操作復(fù)雜、測試指標(biāo)單一、測試效率低下，已逐漸無法滿足批量車載以太網(wǎng)設(shè)備的測試要求，嚴(yán)重限制了生產(chǎn)線的產(chǎn)能；而且，由于測試產(chǎn)品及接口太多，如果使用專用測試儀表，需要配置的儀表數(shù)量眾多，將導(dǎo)致測試成本急劇增加。

針對上述問題，本文提出一種軌道交通車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試方法，其基于以太網(wǎng)性能分析儀等專用測試儀表，并結(jié)合Python自動化測試技術(shù)，既降低了測試成本，又能滿足車間批量測試需求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 車載以太網(wǎng)設(shè)備測試現(xiàn)狀

車載以太網(wǎng)設(shè)備分為兩類：交換設(shè)備和終端設(shè)備。交換設(shè)備主要包括二層交換機(jī)、三層交換機(jī)等；終端設(shè)備主要指網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動等車載系統(tǒng)的控制器。由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口數(shù)量較多，測試人員若要完成產(chǎn)品測試，則需要花費(fèi)較多時(shí)間。測試交換機(jī)產(chǎn)品時(shí)，手動測試原理和方法如圖1所示，將測試筆記本計(jì)算機(jī)1和測試筆記本計(jì)算機(jī)2的以太網(wǎng)接口配置為同網(wǎng)段的IP地址，利用筆記本計(jì)算機(jī)1和筆記本計(jì)算機(jī)2相互執(zhí)行ping指令。如果能ping通（端對端連通），則接口測試通過；否則，判定為失敗。如此遍歷所有交換機(jī)接口。對于終端設(shè)備測試，將測試筆記本計(jì)算機(jī)與終端設(shè)備的以太網(wǎng)接口配置為同網(wǎng)段IP地址，執(zhí)行ping指令進(jìn)行測試。按照8編組列車設(shè)備數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，僅交換設(shè)備，平均1列車需要測試240個(gè)以太網(wǎng)接口，每個(gè)接口測試需要5 min，總共需要1 200 min，測試時(shí)間較長。

圖1 車載以太網(wǎng)設(shè)備手動測試原理圖Fig. 1 Schematic diagram of manual test for onboard Ethernet equipment

此外，車載工業(yè)以太網(wǎng)采用列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議(train real-time data protocol，TRDP)，對于丟包率、時(shí)延、吞吐量和背靠背等指標(biāo)有明確要求[5-7]。受測試設(shè)備的限制，手動測試僅能覆蓋最簡單的ping通測試，測試指標(biāo)無法量化。

可見，手動測試已無法滿足生產(chǎn)線批量產(chǎn)品測試要求。

2 車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)

本文基于React框架的web前端技術(shù)和Python自動化測試技術(shù)研究開發(fā)了一套適用于軌道交通行業(yè)的車載以太網(wǎng)產(chǎn)品自動化測試系統(tǒng)（圖2）。該系統(tǒng)包括控制網(wǎng)和測試網(wǎng)，其中測試網(wǎng)主要用于測試儀表與被測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接；控制網(wǎng)中包含了用戶端，即工控機(jī)終端，主要測試部件包括自動化測試服務(wù)器、工控機(jī)、以太網(wǎng)測試儀、程控電源及測試工裝等。所有功能設(shè)備被安裝在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，可同時(shí)完成24口、48口和96口等多個(gè)端口的百兆以太網(wǎng)設(shè)備測試。

圖2 車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)Fig. 2 Automatic test system for onboard Ethernet equipment

2.1 系統(tǒng)硬件

自動化測試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由以太網(wǎng)測試儀、程控電源、工控機(jī)及自動化測試服務(wù)器組成。其中，自動化測試服務(wù)器和工控機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)軟件，控制以太網(wǎng)測試儀和程控電源自動完成測試。

2.1.1 以太網(wǎng)測試儀

以太網(wǎng)測試儀是測試系統(tǒng)中的核心部分，負(fù)責(zé)向被測交換機(jī)和以太網(wǎng)終端設(shè)備等被測設(shè)備進(jìn)行流量壓力測試，并通過結(jié)果分析判斷被測交換機(jī)設(shè)備和終端設(shè)備的性能是否合格。

2.1.2 程控電源

將整個(gè)測試系統(tǒng)的110 V電源統(tǒng)一接入程控電源，保證所有被測設(shè)備的啟動、停止和壓力測試流程都可以被工控機(jī)統(tǒng)一管理；并按照例行試驗(yàn)大綱要求，完成高低溫循環(huán)測試和常溫下的功能循環(huán)測試。

2.1.3 工控機(jī)

工控機(jī)即測試操作平臺，其可通過web瀏覽器登錄到自動化測試服務(wù)器進(jìn)行測試操作并獲得測試結(jié)果。

2.1.4 自動化測試服務(wù)器

測試系統(tǒng)的自動化測試服務(wù)器控制以太網(wǎng)測試儀和程控電源等，提供web控制服務(wù)接口給工控機(jī)[8]，通過自動化腳本完成測試流程，并將結(jié)果傳送給工控機(jī)。

基于web的控制界面大大降低了測試系統(tǒng)對工控機(jī)的依賴，因此可以降低工控機(jī)的硬件配置；同時(shí)，自動化測試服務(wù)器符合商用服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)，基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，具備長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的能力，保證其所提供的web服務(wù)以及測試自動化程序可以穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.5 測試連接示意

如圖3所示，自動化測試系統(tǒng)通過2根測試線纜連接交換機(jī)的2個(gè)端口，測試系統(tǒng)產(chǎn)生的測試流量通過交換機(jī)的第1個(gè)端口進(jìn)入，交換機(jī)將測試流量轉(zhuǎn)發(fā)到第2個(gè)端口，經(jīng)過第2個(gè)端口發(fā)回測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)完成對交換機(jī)的測試。測試交換機(jī)時(shí)，需要連接交換機(jī)的所有端口，每2個(gè)端口為一組進(jìn)行測試。自動化測試系統(tǒng)通過1根測試線纜連接終端設(shè)備，終端設(shè)備將狀態(tài)反饋給自動化測試系統(tǒng)。

圖3 車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)測試連接Fig. 3 Test connection of the automatic test system for onboard Ethernet equipment

2.2 系統(tǒng)軟件

測試系統(tǒng)軟件前端基于React框架的web前端技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用Python腳本實(shí)現(xiàn)測試流程自動化，操作界面具備完善的權(quán)限管理，針對不同使用人員分為系統(tǒng)管理員界面、技術(shù)工程師界面和測試人員界面。

2.2.1 用戶權(quán)限控制

測試系統(tǒng)具備用戶權(quán)限控制，如圖4所示，用戶在基于web的界面登陸；在所有用戶中可以區(qū)分不同的權(quán)限等級，不同的用戶名會對應(yīng)不同的使用權(quán)限，例如測試人員、技術(shù)工程師、系統(tǒng)管理員等。測試人員可以看到需要完成的測試用例以及產(chǎn)品是否通過測試，但是無法查看抓包、詳細(xì)的測試結(jié)果，也無法修改測試用例。而技術(shù)工程師可以修改測試用例的配置，在定位問題時(shí)有權(quán)限看到所有的測試結(jié)果以及抓包等信息。系統(tǒng)管理員則有權(quán)限對自動化測試系統(tǒng)的配置、流程進(jìn)行修改，并可以修改不同用戶的權(quán)限。

圖4 用戶登錄界面Fig. 4 User login interface

通過權(quán)限管理，簡化操作人員測試界面，并且保證其任何誤操作不會影響到整個(gè)測試系統(tǒng)。

2.2.2 測試人員界面

圖5為測試人員界面示意圖。測試人員登錄后可以看到非常簡潔易懂的界面，界面上有每個(gè)端口的連接狀態(tài)、測試用例、測試結(jié)果、設(shè)備序列號等信息。測試人員只需要在連接好被測設(shè)備后，通過識別產(chǎn)品二維碼將產(chǎn)品序列號導(dǎo)入系統(tǒng)，確認(rèn)連接狀態(tài)，即可點(diǎn)擊開始進(jìn)行測試，測試結(jié)束后會自動顯示測試結(jié)果。

圖5 測試界面Fig. 5 Test interface

簡潔的測試界面對于缺乏專業(yè)知識的測試人員來說，易于操作，測試難度低。采用二維碼采集方式替代原手工記錄被測產(chǎn)品信息，提高了測試效率。

2.2.3 技術(shù)工程師界面

圖6為用技術(shù)工程師權(quán)限登錄后的界面圖，技術(shù)工程師可以管理儀表、測試用例、測試床等，同時(shí)如藍(lán)色框中所示，可以調(diào)整測試的次數(shù)、時(shí)長等參數(shù)。

圖6 設(shè)計(jì)界面Fig. 6 Design interface

針對不同產(chǎn)品的測試，技術(shù)工程師定制化配置測試項(xiàng)目并生成配置文件，測試人員只需導(dǎo)入預(yù)置的配置文件即可開始測試。

2.3 系統(tǒng)功能

車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)按照產(chǎn)品例行試驗(yàn)大綱、RFC2544《網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備的互連基準(zhǔn)》、RFC2889《局域網(wǎng)（LAN）交換設(shè)備基準(zhǔn)（測試）方法學(xué)》、RFC3918《混合轉(zhuǎn)發(fā)吞吐量測試》要求批量、自動地完成車載以太網(wǎng)交換設(shè)備和終端設(shè)備的出廠例行試驗(yàn)，其測試功能見表1。

表1 車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)測試功能Tab.1 Test items of the automatic test system for onboard Ethernet equipment

根據(jù)測試人員選擇的測試項(xiàng)點(diǎn)，測試系統(tǒng)自動生成Python格式的自動化測試腳本并完成自動化測試[9]。自動化測試腳本示意如圖7所示。

圖7 自動化測試腳本Fig.7 An automatic test script

自動化測試系統(tǒng)通過運(yùn)行自動化測試腳本來控制測試儀表對被測目標(biāo)進(jìn)行測試，直接調(diào)用測試儀表的應(yīng)用程序接口（API），使測試更加靈活、可控性更強(qiáng)，不但節(jié)省了人力與時(shí)間成本，提高了測試執(zhí)行的效率，而且測試操作的可重復(fù)性和結(jié)果的可再現(xiàn)性更高，所得到的測試結(jié)論更加精確、客觀，排除了不可控的人為因素干擾，增強(qiáng)了測試結(jié)果的橫向可比性。自動化測試的腳本流程如圖8所示，以太網(wǎng)性能分析儀根據(jù)測試腳本自動遍歷所有測試端口。

圖8 自動化測試的腳本流程Fig. 8 Script flow of the automatic test

2.4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)能滿足軌道列車車載以太網(wǎng)設(shè)備測試需求，具有測試指標(biāo)量化、測試高效自動化、運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)界面友好、數(shù)據(jù)安全、易擴(kuò)展性和易維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。

2.4.1 測試指標(biāo)量化

該測試系統(tǒng)以業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)儀表為基礎(chǔ)，配合簡單易用的自動化測試軟件系統(tǒng)，按照RFC2544等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)吞吐量、時(shí)延、丟包率和背靠背等指標(biāo)的精確測試，從而確保產(chǎn)品的出廠品質(zhì)。

2.4.2 測試高效自動化

該自動化測試系統(tǒng)能提供至少240個(gè)以太網(wǎng)測試接口，可滿足一列8編組列車以太網(wǎng)產(chǎn)品同時(shí)測試，測試效率高。測試系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的測試配置文件自動完成所有測試項(xiàng)點(diǎn)，并自動生成測試報(bào)告，全程無人值守。

2.4.3 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好

自動化測試服務(wù)器為高穩(wěn)定性、高可靠性設(shè)備，具備長期不關(guān)機(jī)連續(xù)運(yùn)行的能力。工控機(jī)可根據(jù)需求配置一臺或多臺，不用時(shí)可下電，以節(jié)約電能。

2.4.4 界面易用

該測試系統(tǒng)能通過簡單友好的web界面進(jìn)行操作，并提供準(zhǔn)確的結(jié)果，讓測試人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會如何使用。

自動化測試服務(wù)器提供了測試自動化以及控制所需的所有功能，因此操作終端具備瘦終端的特點(diǎn)，生產(chǎn)線操作終端（工控機(jī)）僅需要安裝瀏覽器即可。

當(dāng)測試出現(xiàn)問題時(shí)，技術(shù)工程師可同步遠(yuǎn)程查看測試床狀態(tài)，并支持遠(yuǎn)程配置更新軟件。

2.4.5 數(shù)據(jù)安全

所有的測試數(shù)據(jù)被集中存儲在自動化測試服務(wù)器上，統(tǒng)一安全管理和保存。自動化測試服務(wù)器基于Linux系統(tǒng)開發(fā)，具備良好的穩(wěn)定性以及安全性，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性與完整性。

此外，通過完善的權(quán)限控制，保證只有高級權(quán)限登陸者才能夠下載測試數(shù)據(jù)。

2.4.6 測試床擴(kuò)展性強(qiáng)

由于自動化腳本都存儲在自動化測試服務(wù)器上，因此管理和添加新測試床、第三方儀表、第三方設(shè)備和測試用例都很方便，只需要進(jìn)行自動化測試服務(wù)器的升級、改造即可，對工控機(jī)終端無須進(jìn)行任何操作。同時(shí)系統(tǒng)遷移也非常容易實(shí)現(xiàn)。

2.4.7 系統(tǒng)維護(hù)成本低

由于自動化測試系統(tǒng)軟件以及測試儀表軟件都被安裝在自動化測試服務(wù)器上，在后期的維護(hù)中只需要對自動化測試服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)即可，大幅降低了維護(hù)成本。維護(hù)成本還體現(xiàn)在易耗品的更換方面，如網(wǎng)線、測試儀端口損壞等。使用大量的測試儀端口，每次測試插拔測試儀端口的網(wǎng)線容易導(dǎo)致測試儀端口故障，從而影響測試進(jìn)度，同時(shí)更換損壞的測試儀端口也大大提高了維護(hù)成本。本方案測試工裝線與測試儀表端固定，每次只插拔被測試端接口，降低了測試儀表端口被損壞的概率，降低了測試設(shè)備成本。

3 測試應(yīng)用

3.1 應(yīng)用實(shí)例

采用車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)對“復(fù)興號”CR300型動車組的交換機(jī)和終端設(shè)備進(jìn)行測試，測試項(xiàng)點(diǎn)覆蓋了被測產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用場景的所有功能，自動化測試系統(tǒng)與手動測試項(xiàng)點(diǎn)對比如表2所示。

表2 測試項(xiàng)點(diǎn)對比Tab. 2 Comparison of test items

按照8編組列車計(jì)算，16口交換設(shè)備每車配置2臺，總共16臺；終端設(shè)備接口數(shù)量按照交換設(shè)備接口數(shù)量的三分之二計(jì)算，總共170個(gè)，則被測以太網(wǎng)設(shè)備接口為426個(gè)。對于交換機(jī)，按照圖9所示將256根測試線纜同時(shí)連接到被測交換機(jī)，通過在測試軟件上選擇吞吐量、時(shí)延、背靠背、丟幀率、掉電重啟、穩(wěn)定性測試等測試項(xiàng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無人值守的自動化測試，并自動生成測試報(bào)告。測試覆蓋表2中所有測試項(xiàng)點(diǎn)，按照單個(gè)以太網(wǎng)接口測試時(shí)間5 min計(jì)算（5 s接入工裝+ 4 min55 s測試），手動測試的時(shí)間約為2 130 min，自動化測試系統(tǒng)測試時(shí)間約為40 min，僅為手動測試時(shí)間的1.9%。

圖9 自動化測試系統(tǒng)交換機(jī)測試連接Fig. 9 Connection of switches with the automatic test system

3.2 測試報(bào)告

自動化測試系統(tǒng)根據(jù)測試人員勾選的測試用例匯總所有測試項(xiàng)點(diǎn)結(jié)果，并自動生成測試報(bào)告（圖10）。較手動測試方法，自動化測試省去手動記錄過程，縮短了測試報(bào)告完成時(shí)間，并提高了報(bào)告準(zhǔn)確性。

圖10 車載以太網(wǎng)設(shè)備自動化測試系統(tǒng)測試報(bào)告Fig. 10 Test report of the automatic test system for onboard Ethernet equipment

4 結(jié)語

本文針對目前軌道交通車載以太網(wǎng)設(shè)備人工測試耗時(shí)長、成本高問題，提出一種適用于車載以太網(wǎng)設(shè)備的自動化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用Python自動化測試技術(shù)，結(jié)合專用測試儀表和測試工裝，具有友好的人機(jī)交互界面。在“復(fù)興號”CR300型動車組項(xiàng)目上的應(yīng)用表明，該系統(tǒng)操作簡單、測試項(xiàng)點(diǎn)準(zhǔn)確全面、占用測試工時(shí)少、可無人值守，能滿足車載以太網(wǎng)設(shè)備的生產(chǎn)線批量測試需求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，工業(yè)以太網(wǎng)已逐漸成為軌道交通行業(yè)主流控車技術(shù)，產(chǎn)品出廠前整車環(huán)境下的例行聯(lián)調(diào)測試逐漸被業(yè)主和主機(jī)廠所重視。后續(xù)，我們將重點(diǎn)研究整車級地面聯(lián)調(diào)自動化測試及其應(yīng)用。