列控車載設(shè)備測(cè)試案例輔助管理工具設(shè)計(jì)

賴 琴，張亞?wèn)|，饒 暢，郭 進(jìn)

（1. 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756；2. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

列車運(yùn)行控制（簡(jiǎn)稱：列控）系統(tǒng)是典型的軟件密集型安全苛求系統(tǒng)，列控車載設(shè)備作為列控系統(tǒng)的關(guān)鍵組成設(shè)備之一，主要實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行安全防護(hù)的功能，一旦發(fā)生軟件失效可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，因此需開(kāi)展嚴(yán)格測(cè)試保證車載設(shè)備軟件質(zhì)量[1]。列控車載設(shè)備測(cè)試多依賴于專家經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試人員根據(jù)列控車載設(shè)備需求規(guī)范編制測(cè)試案例，向車載設(shè)備輸入測(cè)試內(nèi)容，觀察其輸出結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)備功能[2]。

目前，列控車載設(shè)備測(cè)試過(guò)程中缺乏高效的案例輔助管理工具，存在案例覆蓋的測(cè)試需求和測(cè)試案例管理不便、測(cè)試案例編制效率不高、測(cè)試案例統(tǒng)計(jì)分析依賴人工等問(wèn)題。因此迫切需要結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)提升列控車載設(shè)備測(cè)試過(guò)程案例管理的信息化水平。

本文針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，設(shè)計(jì)了列控車載設(shè)備測(cè)試案例輔助管理工具。該工具提供基于規(guī)格測(cè)試、模型測(cè)試和組合測(cè)試3 種方法編制測(cè)試案例，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)案例相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果記錄生成測(cè)試報(bào)告文檔等功能。使用該工具開(kāi)展測(cè)試，降低了人為因素帶來(lái)的差錯(cuò)影響，提升了測(cè)試案例編制效率與管理維護(hù)水平，進(jìn)一步規(guī)范車載設(shè)備的測(cè)試流程，為其他鐵路信號(hào)設(shè)備測(cè)試案例管理提供參考。

1 列控車載設(shè)備測(cè)試

1.1 列控車載設(shè)備仿真測(cè)試平臺(tái)

列控車載設(shè)備仿真測(cè)試平臺(tái)包含仿真數(shù)據(jù)生成平臺(tái)、接口仿真設(shè)備平臺(tái)與被測(cè)車載設(shè)備3 個(gè)部分，其架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 列控車載設(shè)備仿真測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

（1）仿真數(shù)據(jù)生成平臺(tái)：用于生成車載設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的環(huán)境仿真信息。列車操縱臺(tái)模擬司機(jī)速度、運(yùn)行方向等操作信息；數(shù)據(jù)配置單元產(chǎn)生應(yīng)答器報(bào)文、軌道電路碼序等仿真數(shù)據(jù)；車輛模擬器根據(jù)列車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算列車速度、位置等信息；地面模擬器根據(jù)車輛速度位置信息計(jì)算應(yīng)答器與軌道電路信息的接收時(shí)間等信息；測(cè)試控制單元實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程監(jiān)控，傳輸仿真數(shù)據(jù)并接收車載設(shè)備狀態(tài)信息。

（2）接口仿真設(shè)備平臺(tái)：將仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接口數(shù)據(jù)，發(fā)送給待測(cè)車載設(shè)備，同時(shí)將接收被測(cè)車載設(shè)備狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給仿真數(shù)據(jù)生成平臺(tái)。

（3）被測(cè)車載設(shè)備：根據(jù)接口輸入數(shù)據(jù)，配合DMI（Driver Machine Interface）界面人工操作，執(zhí)行動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試，輸出車載狀態(tài)信息。

1.2 車載設(shè)備測(cè)試流程

本文主要關(guān)注車載設(shè)備的系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程，測(cè)試流程，如圖2 所示。

圖2 車載設(shè)備測(cè)試流程

車載設(shè)備測(cè)試流程通常分為測(cè)試需求提取、測(cè)試案例編制、測(cè)試執(zhí)行和測(cè)試總結(jié)4 個(gè)階段[3]。

（1）需求提取階段測(cè)試人員分析車載設(shè)備相關(guān)技術(shù)規(guī)范，提取被測(cè)設(shè)備的功能點(diǎn)，確定車載設(shè)備測(cè)試需求[4]。

（2）對(duì)測(cè)試需求進(jìn)行細(xì)化，編寫(xiě)測(cè)試案例。

（3）測(cè)試人員將測(cè)試需求與測(cè)試案例作為測(cè)試指導(dǎo)文件，在列控車載設(shè)備仿真測(cè)試平臺(tái)配置相關(guān)數(shù)據(jù)，控制列車運(yùn)行，執(zhí)行測(cè)試，驗(yàn)證車載設(shè)備功能。

（4）記錄測(cè)試結(jié)果，并形成測(cè)試報(bào)告。

開(kāi)發(fā)人員依據(jù)測(cè)試結(jié)果修復(fù)缺陷后，測(cè)試人員以當(dāng)前測(cè)試案例為基礎(chǔ)開(kāi)展回歸測(cè)試，重復(fù)測(cè)試流程，確保缺陷被修復(fù)且現(xiàn)有功能模塊依舊正常。測(cè)試案例可指導(dǎo)實(shí)施列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試執(zhí)行工作；合理管理測(cè)試案例能夠提升測(cè)試前期準(zhǔn)備與測(cè)試后期的分析整理效率，并規(guī)范管理案例相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2 研究基礎(chǔ)

軟件測(cè)試是通過(guò)軟件自動(dòng)運(yùn)行或人工操作檢查軟件潛在的各種錯(cuò)誤與缺陷，確保軟件各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)達(dá)到規(guī)定需求的過(guò)程[5]，相關(guān)定義如下。

定義1（測(cè)試需求）：測(cè)試需求表示軟件系統(tǒng)的一個(gè)基本測(cè)試單元，例如一個(gè)功能項(xiàng)或一個(gè)被測(cè)特征[6]。

定義2（測(cè)試案例）：測(cè)試案例是待測(cè)軟件的一組輸入數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證是否滿足某些特定測(cè)試需求。

列控車載設(shè)備的測(cè)試案例遵循歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS，European Train Control System）測(cè)試規(guī)范Subset076 格式要求[7]，包含了案例基本信息、初始條件、初始接口條件、測(cè)試步驟、結(jié)束條件、結(jié)束接口條件等信息。

定義3（覆蓋）：若測(cè)試案例能夠驗(yàn)證某項(xiàng)測(cè)試需求，稱測(cè)試案例覆蓋該測(cè)試需求。

3 工具開(kāi)發(fā)方案

3.1 功能需求分析

（1）測(cè)試需求管理。測(cè)試人員能直觀查看測(cè)試案例所對(duì)應(yīng)的測(cè)試需求，支持測(cè)試需求增刪改查，自動(dòng)校核測(cè)試需求避免出現(xiàn)重復(fù)錄入的情況，并提供測(cè)試需求文檔導(dǎo)出功能。

（2）測(cè)試案例輔助編制及管理。工具提供基于規(guī)格測(cè)試、模型測(cè)試和組合測(cè)試方法的新增測(cè)試案例，提升測(cè)試案例編制效率。此外，測(cè)試人員還能便捷利用工具對(duì)測(cè)試案例進(jìn)行查閱修訂并自動(dòng)校核案例庫(kù)數(shù)據(jù)，支持自動(dòng)導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)格式測(cè)試案例。

（3）測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析。工具能根據(jù)需求與案例信息自動(dòng)完成相關(guān)數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示并實(shí)時(shí)更新，避免測(cè)試案例編制不完善造成漏測(cè)。支持測(cè)試結(jié)果記錄并按照固定模板輸出測(cè)試報(bào)告，降低人工整理分析測(cè)試報(bào)告的復(fù)雜度與工作量。

3.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求分析，本文對(duì)工具進(jìn)行功能模塊劃分，如圖3 所示。

圖3 列控車載設(shè)備測(cè)試案例輔助管理工具功能架構(gòu)

3.2.1 測(cè)試需求管理

測(cè)試需求包括所屬技術(shù)規(guī)范、需求編號(hào)、需求項(xiàng)、需求內(nèi)容等信息，存儲(chǔ)于MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。工具測(cè)試需求管理模塊主要包含以下內(nèi)容。

（1）需求增刪改查：支持單條或以CSV 文件形式批量增加需求、批量刪除、修改及查詢測(cè)試需求。使用JDBC（Java Database Connectivity）技術(shù)訪問(wèn)需求數(shù)據(jù)庫(kù)完成上述操作。例如批量刪除測(cè)試需求，與數(shù)據(jù)庫(kù)建立鏈接，執(zhí)行sql 語(yǔ)句“delete from req_table where req_num=?”，依次查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中被選中的需求并刪除，刷新界面顯示剩余需求信息。

（2）測(cè)試需求校核：校核需求數(shù)據(jù)庫(kù)是否存在重復(fù)需求。

（3）需求文檔導(dǎo)出：自動(dòng)導(dǎo)出需求存檔文件。

3.2.2 測(cè)試案例輔助編制及管理

測(cè)試案例具有規(guī)范的格式，利用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。工具對(duì)案例實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

（1）測(cè)試案例編制

測(cè)試案例編制模塊支持基于規(guī)格的測(cè)試方法、基于模型的測(cè)試方法與組合測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)以下4 種功能。

①模板調(diào)取解析：支持基于規(guī)格的測(cè)試方法數(shù)據(jù)庫(kù)模板調(diào)取，數(shù)據(jù)庫(kù)主要保存等價(jià)類劃分法和邊界值法對(duì)速度、距離等參數(shù)的劃分結(jié)果；支持基于模型的測(cè)試方法對(duì)UML 狀態(tài)圖模型文件調(diào)取解析，提取狀態(tài)、事件等信息存儲(chǔ)于哈希表；支持組合測(cè)試模型txt 文件解析，提取參數(shù)、參數(shù)取值、約束等。

②模板可視化：以列表形式可視化基于規(guī)格的測(cè)試方法調(diào)取的模板信息；以有向圖可視化UML 狀態(tài)圖模型；以樹(shù)形圖展示組合測(cè)試輸入域模型。

③模板修改：支持基于規(guī)格的模板數(shù)據(jù)庫(kù)與組合測(cè)試輸入域模型修改保存。

④測(cè)試案例生成：基于規(guī)格生成測(cè)試案例，工具提供與待測(cè)功能匹配的案例模板快速編制案例?；谀Ｐ蜕蓽y(cè)試案例以文獻(xiàn)[8]提供的測(cè)試路徑生成算法為基礎(chǔ)，支持節(jié)點(diǎn)覆蓋、邊覆蓋、邊對(duì)覆蓋或主路徑覆蓋準(zhǔn)則生成測(cè)試路徑，實(shí)例化為測(cè)試案例。組合測(cè)試方法生成測(cè)試案例時(shí)，工具提供最優(yōu)覆蓋數(shù)組重構(gòu)算法[9]、IPOG 算法[10]與PICT 算法[11]，可選擇不同覆蓋深度一鍵生成組合測(cè)試用例集，導(dǎo)入組合測(cè)試案例模板，工具通過(guò)關(guān)鍵字替換技術(shù)自動(dòng)生成組合測(cè)試案例集。

（2）案例查詢修訂

支持修改、批量刪除與模糊查找案例。

（3）測(cè)試案例校核

檢查測(cè)試案例是否重復(fù)，主要檢查案例編號(hào)、案例目標(biāo)等內(nèi)容，工具界面將校核結(jié)果進(jìn)行反饋。

（4）案例文檔導(dǎo)出

基 于Apache POI 技 術(shù) 替 換ETCS 測(cè) 試 規(guī) 范Subset-076 案例Word 模板數(shù)據(jù)，導(dǎo)出案例歸檔文件。

3.2.3 測(cè)試案例統(tǒng)計(jì)分析

本文采用以下指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試案例分析：①測(cè)試需求覆蓋度：計(jì)算當(dāng)前測(cè)試需求覆蓋情況；②測(cè)試需求與測(cè)試案例追蹤矩陣：雙向追溯，便于查漏查錯(cuò)；③測(cè)試案例分類統(tǒng)計(jì)：將案例按功能、編制方式及需求項(xiàng)進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)案例覆蓋情況。

測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析模塊劃分為以下子模塊：

（1）指標(biāo)統(tǒng)計(jì)：收集分析需求與案例數(shù)據(jù)，基于JavaFX 技術(shù)將測(cè)試案例分析指標(biāo)以圖表、文字等形式直觀展示，供測(cè)試人員參考，需求或案例一旦發(fā)生變動(dòng)，可自動(dòng)關(guān)聯(lián)更新。

（2）測(cè)試結(jié)果記錄：工具支持對(duì)未通過(guò)測(cè)試的需求或案例標(biāo)記，備注測(cè)試結(jié)果。

（3）測(cè)試報(bào)告導(dǎo)出：包含測(cè)試問(wèn)題報(bào)告、案例分析指標(biāo)報(bào)告、需求-案例雙向追溯矩陣等文件，將所得圖、表等數(shù)據(jù)基于Apache POI 技術(shù)按規(guī)定格式導(dǎo)出。

3.3 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

通過(guò)充分考慮車載設(shè)備的主要測(cè)試流程，結(jié)合工具功能管理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了測(cè)試需求提取、測(cè)試案例編制、測(cè)試案例分析3 大核心業(yè)務(wù)流程。

3.3.1 測(cè)試需求提取流程設(shè)計(jì)

測(cè)試人員依據(jù)車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范等文檔，提取涵蓋功能需求、場(chǎng)景及接口等方面的測(cè)試內(nèi)容；將測(cè)試需求詳細(xì)信息分條或批量導(dǎo)入需求數(shù)據(jù)庫(kù)；使用工具校核重復(fù)查看校核結(jié)果；修改完善測(cè)試需求；導(dǎo)出需求文件。

3.3.2 測(cè)試案例編制流程設(shè)計(jì)

車載設(shè)備測(cè)試最關(guān)鍵的業(yè)務(wù)流程為測(cè)試案例編制，如圖4 所示。

圖4 測(cè)試案例編制業(yè)務(wù)流程

該階段主要業(yè)務(wù)流程如下：測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試需求與相關(guān)技術(shù)文檔，選擇工具中合適的測(cè)試案例編制方法，調(diào)取相應(yīng)模板并支持進(jìn)行修改，根據(jù)模板生成測(cè)試案例，校核后導(dǎo)入案例數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試人員利用工具實(shí)現(xiàn)案例庫(kù)查詢修訂，保證編寫(xiě)正確，導(dǎo)出規(guī)范的案例文件。

3 種測(cè)試案例編制方法在模板調(diào)取及生成時(shí)的業(yè)務(wù)流程存在一定區(qū)別，具體情況如下。

（1）基于規(guī)格的測(cè)試案例編制

基于規(guī)格的測(cè)試方法依托人工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合邊界值法或等價(jià)類劃分法編寫(xiě)測(cè)試案例逐條覆蓋需求規(guī)格，應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試。具體業(yè)務(wù)流程：明確待測(cè)需求規(guī)格，人工提取測(cè)試功能特征；確認(rèn)參數(shù)，若為車速或距離等連續(xù)性數(shù)據(jù)，調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)參數(shù)劃分模板；根據(jù)新增案例界面提示，快捷編寫(xiě)測(cè)試案例。

（2）基于模型的測(cè)試案例編制

針對(duì)較為復(fù)雜的功能或場(chǎng)景時(shí)，可使用基于狀態(tài)圖模型的方法編制測(cè)試案例。具體業(yè)務(wù)流程：測(cè)試人員利用現(xiàn)有公開(kāi)建模工具（例如Papyrus）新建狀態(tài)圖模型，檢查無(wú)誤后保存.uml 狀態(tài)圖模板文件；導(dǎo)入模板，工具解析模板并可視化展示；測(cè)試人員選擇合適的覆蓋準(zhǔn)則；利用耦合在工具中的測(cè)試路徑生成算法自動(dòng)生成測(cè)試路徑，檢查路徑是否符合要求；實(shí)例化測(cè)試路徑為測(cè)試案例。

（3）組合測(cè)試案例編制

某些功能或場(chǎng)景測(cè)試可能存在參數(shù)間交互組合，應(yīng)選擇組合測(cè)試方法編制測(cè)試案例。具體業(yè)務(wù)流程：測(cè)試人員提取待測(cè)功能或場(chǎng)景的參數(shù)、約束等信息新建組合測(cè)試模型；檢查模型是否有誤并修正，保存為模板便于復(fù)用；確認(rèn)覆蓋深度及組合測(cè)試用例生成算法；利用工具自動(dòng)生成測(cè)試用例，檢查用例是否滿足要求；導(dǎo)入組合測(cè)試案例模板，工具自動(dòng)替換關(guān)鍵詞生成組合測(cè)試案例集。

3.3.3 測(cè)試案例分析流程

測(cè)試人員根據(jù)案例分析指標(biāo)，檢查追溯關(guān)系是否正確、需求覆蓋情況是否完全；修訂測(cè)試需求與案例；實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境執(zhí)行測(cè)試；記錄未通過(guò)的需求、案例，備注車載設(shè)備存在的問(wèn)題；導(dǎo)出測(cè)試報(bào)告系列文件。

4 工具實(shí)現(xiàn)

本 文 利 用Intellij IDEA 2019 集 成 開(kāi) 發(fā) 環(huán) 境 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，基于Java 編程語(yǔ)言、MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)與JavaFX 技術(shù)實(shí)現(xiàn)列控車載設(shè)備測(cè)試案例輔助管理工具。下面以CTCS-2 級(jí)列控車載設(shè)備實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試為例，驗(yàn)證工具相關(guān)功能。

需求管理界面，如圖5 所示，A 區(qū)為需求管理模塊工具欄，B 區(qū)為需求列表，C 區(qū)為需求占比統(tǒng)計(jì)情況。點(diǎn)擊需求導(dǎo)入/導(dǎo)出按鈕，支持.csv 格式的測(cè)試需求文件錄入/輸出；C 區(qū)統(tǒng)計(jì)各需求項(xiàng)所含需求數(shù)及占總需求數(shù)的百分比；選中右方車載設(shè)備功能，查看對(duì)應(yīng)需求。工具直觀地實(shí)現(xiàn)了需求數(shù)據(jù)的管理。

圖5 測(cè)試需求管理界面

編制測(cè)試案例支持3 種編制方法，舉例如下。

（1）基于規(guī)格的測(cè)試編制案例。本文以CTCS-2 級(jí)列控車載設(shè)備速度監(jiān)控功能測(cè)試案例編制為例進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范[12]，明確當(dāng)前需求規(guī)格為“棚速度監(jiān)視區(qū)速度容限值的選取”。分析可知，不同模式對(duì)速度的限制范圍不同。以PS 模式為例，選取邊界值法開(kāi)展測(cè)試，調(diào)取PS 模式邊界值劃分結(jié)果，如圖6 所示。點(diǎn)擊新增案例按鈕，工具自動(dòng)匹配預(yù)存的速度容限值測(cè)試案例模板，快捷編寫(xiě)案例。

圖6 邊界值劃分結(jié)果

（2）基于模型的測(cè)試案例編制。本文以列控過(guò)分相場(chǎng)景為例進(jìn)行說(shuō)明，分析過(guò)分相場(chǎng)景流程，利用Papyrus 工具建立自動(dòng)過(guò)分相的狀態(tài)圖模型，檢查保存。點(diǎn)擊工具瀏覽模型文件，將得到的.uml 模型文件導(dǎo)入工具并可視化，如圖7 所示。選擇邊覆蓋準(zhǔn)則生成測(cè)試路徑共4 條。以路徑1（圖7 中玫紅色線條所標(biāo)示）為例，實(shí)例化為測(cè)試案例：列車接收到應(yīng)答器過(guò)分相預(yù)告信息，驗(yàn)證車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)分相控制。點(diǎn)擊導(dǎo)入測(cè)試案例，工具反饋校核結(jié)果。

圖7 基于模型編制測(cè)試案例

（3）組合測(cè)試案例編制。本文以編制FS 模式轉(zhuǎn)SH 模式與OS 模式測(cè)試內(nèi)容為例進(jìn)行說(shuō)明。利用工具新建組合測(cè)試輸入域模型，如圖8 所示，檢查無(wú)誤后保存為.txt 模板文件。選擇覆蓋深度為2，測(cè)試用例生成算法為IPOG，點(diǎn)擊測(cè)試用例生成按鈕，生成測(cè)試用例9 條，如圖8 所示（1、2 為種子測(cè)試用例）。導(dǎo)入組合測(cè)試案例模板，生成測(cè)試案例并自動(dòng)校核。

圖8 組合測(cè)試編制測(cè)試案例

測(cè)試案例編制完成后，導(dǎo)入案例庫(kù)進(jìn)行管理維護(hù)，工具將自動(dòng)統(tǒng)計(jì)相關(guān)案例指標(biāo)，如圖9 所示。測(cè)試人員根據(jù)分析指標(biāo)修改完善測(cè)試案例。

圖9 測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析界面

隨后開(kāi)展車載設(shè)備仿真測(cè)試，點(diǎn)擊工具欄測(cè)試問(wèn)題記錄按鈕，記錄測(cè)試結(jié)果，如圖10 所示，最后導(dǎo)出測(cè)試問(wèn)題報(bào)告。

圖10 測(cè)試結(jié)果記錄

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了列控車載設(shè)備測(cè)試案例輔助管理工具，該工具不僅完成了對(duì)測(cè)試案例、測(cè)試需求的規(guī)范化管理，還提供一套科學(xué)的車載設(shè)備人工編制測(cè)試案例方法，顯著提升了案例編制效率。工具自動(dòng)統(tǒng)計(jì)測(cè)試案例分析指標(biāo)，篩查未覆蓋需求，克服了人工分析測(cè)試案例的局限性。論文工作對(duì)于提升車載設(shè)備測(cè)試過(guò)程管理的信息水平具有一定的價(jià)值和意義。