基于數(shù)字化場景的 CBTC 自動化測試和運營培訓(xùn)平臺方案研究

吳正中，鄧能文，姜子旺，張燕武，粟紫怡

（北京城建智控科技股份有限公司，北京 100075）

1 研究背景

截至2022年12月31日，中國內(nèi)地累計有55座城市開通運營軌道交通，運營里程達10 291.96 km[1]。在已開通的運營線路中多采用基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control System，CBTC）。 CBTC關(guān)鍵系統(tǒng)包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）、區(qū)域控制器系統(tǒng)（Zone Controller ，ZC）、計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)（Computer Interlocking，CI）、列車自動保護系統(tǒng)（Automatic Train Protection，ATP）、列車自動駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO）和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（Data Communication System，DCS）等安全苛求系統(tǒng)。為滿足安全苛求系統(tǒng)“故障-安全”的設(shè)計需要，高實時性、多任務(wù)處理的嵌入式系統(tǒng)成為系統(tǒng)設(shè)計首選。信號核心控制系統(tǒng)軟件的失效會危及國家安全和人員生命，導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失；因此，需要對嵌入式軟件進行嚴格測試[2]。自動化測試作為嵌入式系統(tǒng)的高級測試手段，通過自動化測試平臺實施功能、數(shù)據(jù)和接口測試，實現(xiàn)測試結(jié)果和測試數(shù)據(jù)的分類匯集；同時，加入自動化分析接口，根據(jù)需求和用例編寫自動化分析腳本，從而實現(xiàn)測試結(jié)果的自動化分析[3]。傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)測試多采用仿真系統(tǒng)結(jié)合人工執(zhí)行案例的方式，存在執(zhí)行效率低、問題分析時效差等劣勢，如何解決系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)和接口測試的效率問題，有效提高系統(tǒng)的自動化測試程度已成為亟需解決的關(guān)鍵問題之一。

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展及運營規(guī)模的擴大，地鐵運營人員存在專業(yè)技術(shù)知識和技能水平參差不齊的特征[4]，特別是緊急情況下應(yīng)急處置能力不足[5]。運營培訓(xùn)作為系統(tǒng)交付后用戶快速培養(yǎng)應(yīng)用人才的關(guān)鍵手段，越來越得到地鐵運營公司的關(guān)注。當(dāng)前，運營培訓(xùn)多通過真實系統(tǒng)的備品備件搭建培訓(xùn)環(huán)境，培訓(xùn)效果受到真實設(shè)備無法進行故障場景模擬的影響，效果較差。為加強城市軌道交通高技能專業(yè)人才的指導(dǎo)、協(xié)調(diào)、培養(yǎng)工作，組織各類員工進行標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)急處置方案培訓(xùn)[6]，強化培訓(xùn)崗位的實操技能，建立健全完善的城市軌道交通運營公司人才培訓(xùn)體系，亟需建立基礎(chǔ)運營培訓(xùn)教學(xué)平臺。

本文采用CBTC系統(tǒng)仿真技術(shù)作為自動化測試和運營培訓(xùn)的基礎(chǔ)，通過分析CBTC系統(tǒng)架構(gòu)特征、系統(tǒng)測試需求和運營場景等特點，闡述平臺的設(shè)計和架構(gòu)理念，提出基于服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）的平臺實現(xiàn)方法，通過構(gòu)建不同的業(yè)務(wù)分層和模塊化設(shè)計，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)解決用戶不同的應(yīng)用場景需求。同時，采用統(tǒng)一的平臺架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)接口（Application Programming Interface，API），減少系統(tǒng)開發(fā)時間和成本，有效提高系統(tǒng)利用率。

2 CBTC 場景特點

2.1 多系統(tǒng)場景組合復(fù)雜多樣

CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。CBTC各子系統(tǒng)、軌旁基礎(chǔ)設(shè)施（信號機、道岔、應(yīng)答器、計軸器、屏蔽門、緊急停車按鈕、無人自動折返按鈕、防淹門等）和軌旁電子單元（Trackside electronic unit，LEU）等統(tǒng)一構(gòu)成了基于通信的全信息交互控制系統(tǒng)。由于各子系統(tǒng)實現(xiàn)不同功能，單個系統(tǒng)、設(shè)施或元素均具有多種運行狀態(tài)，加之系統(tǒng)運行場景的隨機性和可組合性特征，形成了以時間和事件為主線且成倍增長的場景復(fù)雜度，CBTC主要場景如圖2所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 CBTC主要場景

從測試角度分析，每個待測系統(tǒng)需基于其他系統(tǒng)或設(shè)備的狀態(tài)變化而產(chǎn)生相應(yīng)的影響，每種影響將構(gòu)成對應(yīng)的測試案例，案例需包括運行場景、功能點、測試需求、案例內(nèi)容、測試步驟、測試結(jié)果等元素[7]。從培訓(xùn)角度分析，各種設(shè)備或系統(tǒng)的正?；蚍钦顟B(tài)為培訓(xùn)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源。同時，多系統(tǒng)的場景聯(lián)動應(yīng)建立一套完整的場景構(gòu)建系統(tǒng)，以滿足運營培訓(xùn)和應(yīng)急場景處置等需求。

2.2 場景運行的實時性和時序性特征

CBTC系統(tǒng)的運行是基于數(shù)據(jù)實時交互產(chǎn)生的控制邏輯和控制流程[8]，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間實時進行數(shù)據(jù)交互，子系統(tǒng)內(nèi)部通過數(shù)據(jù)輸入、邏輯處理和數(shù)據(jù)輸出產(chǎn)生新的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并輸出至其他子系統(tǒng)。整個系統(tǒng)正常運行狀態(tài)基于時序向前發(fā)展，在時間軸上子系統(tǒng)或設(shè)備各自產(chǎn)生狀態(tài)更新并進行交互，進而控制全系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化。

從測試角度分析，人為干預(yù)的方式無法滿足對系統(tǒng)狀態(tài)變化的實時和精確控制。例如，執(zhí)行列車進入待測計軸區(qū)段而不產(chǎn)生占壓關(guān)系的測試案例，由于列車運行速度高和系統(tǒng)采集頻率高的限制，人為干預(yù)無法進行精準(zhǔn)停車的控制。從時序上分析，人為干預(yù)同樣無法滿足系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時設(shè)置。例如，執(zhí)行列車進入待測計軸區(qū)段并同時進行防掩門狀態(tài)的更新案例，人為干預(yù)無法進行時序上的精確控制，無法達到測試該場景的目的。

3 平臺設(shè)計和架構(gòu)理念

3.1 平臺設(shè)計要求

為滿足基于CBTC業(yè)務(wù)邏輯的自動化測試和運營培訓(xùn)的不同業(yè)務(wù)場景需求，在進行平臺方案設(shè)計時應(yīng)滿足三方面的要求：首先，核心系統(tǒng)運行場景需全覆蓋，滿足全場景測試要求；其次，通用性自動化測試服務(wù)需滿足架構(gòu)與運行模式和業(yè)務(wù)場景解耦的通用性設(shè)計要求，提供具備場景組織和二次開發(fā)的擴展能力，使場景數(shù)據(jù)具有可擴展性；最后，建立標(biāo)準(zhǔn)化的平臺管理和規(guī)范流程，實現(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

3.2 平臺架構(gòu)理念

基于場景數(shù)字化的CBTC自動化測試和運營培訓(xùn)平臺對現(xiàn)有的測試案例場景、運營場景、故障場景、應(yīng)急場景和系統(tǒng)邏輯場景進行總結(jié)，提出一套基于業(yè)務(wù)層次結(jié)構(gòu)、功能模塊化和統(tǒng)一場景數(shù)據(jù)源的SOA平臺?；赟OA平臺，在解決自動化測試和運營培訓(xùn)適配結(jié)構(gòu)上，從數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲、應(yīng)用邏輯、人機交互和平臺管理五大塊構(gòu)建綜合服務(wù)平臺，平臺架構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動化測試和運營培訓(xùn)平臺架構(gòu)

4 平臺方案設(shè)計

4.1 CBTC 場景設(shè)計

4.1.1 仿真系統(tǒng)

基于CBTC核心系統(tǒng)需求構(gòu)建信號控制仿真服務(wù)，通過系統(tǒng)功能劃分，構(gòu)建基于核心控制子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互、基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)和車輛仿真相結(jié)合的整套系統(tǒng)仿真，并借助計算機仿真技術(shù)對設(shè)備進行測試[9]，平臺數(shù)據(jù)連接如圖4所示。

圖4 平臺數(shù)據(jù)連接

通過計算機軟件技術(shù)，從基礎(chǔ)設(shè)備、地面系統(tǒng)邏輯、列車控制邏輯、模擬駕駛、線路仿真等方面入手，實現(xiàn)CI系統(tǒng)、ZC系統(tǒng)、ATP/ATO系統(tǒng)、軌旁系統(tǒng)和列車駕駛臺的全系統(tǒng)仿真。

（1）基礎(chǔ)設(shè)備方面對線路設(shè)備（信號機、道岔、屏蔽門、緊急停車按鈕、無人折返按鈕）狀態(tài)進行模擬和控制。

（2）地面系統(tǒng)邏輯對列車運行狀態(tài)、進路狀態(tài)、道岔狀態(tài)、區(qū)段狀態(tài)、系統(tǒng)運行和故障狀態(tài)、移動授權(quán)計算等進行功能設(shè)計。

（3）列車控制邏輯實現(xiàn)列車控制曲線計算、超速防護管理、車門管理、列車自動控制管理、自動駕駛和自動折返等主要功能。

（4）模擬駕駛通過模擬列車駕駛臺的相關(guān)操作接口，通過駕駛臺介入相關(guān)列車控制系統(tǒng)，提供可實現(xiàn)駕駛臺介入的人工干預(yù)（自動化測試時可不用）方式。

通過仿真系統(tǒng)搭建，完成對固定閉塞模式、準(zhǔn)移動閉塞模式和移動閉塞模式的全模式系統(tǒng)進行仿真和控制。

4.1.2 場景系統(tǒng)

場景系統(tǒng)依據(jù)仿真系統(tǒng)的功能仿真，結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)備、信號仿真系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互通道等，實現(xiàn)基于系統(tǒng)級API接口的場景模擬。例如，針對列車ATP和ATO模式下的運行控制、通信設(shè)置、位置設(shè)置、車門控制、步進控制、換端控制、駕駛模式、最高預(yù)設(shè)、救援和模擬器連接等進行基礎(chǔ)場景設(shè)置。

4.2 自動化測試設(shè)計

4.2.1 系統(tǒng)測試

自動化測試組件完成測試相關(guān)功能的管理，分為測試序列管理器、測試缺陷管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化系統(tǒng)。自動化測試主要針對系統(tǒng)軟件功能測試、數(shù)據(jù)測試、接口測試和性能測試，同時針對硬件基礎(chǔ)平臺完成硬件功能驗證。

（1）測試序列管理器。通過對測試腳本進行數(shù)據(jù)加載，將測試腳本從時間和事件的維度進行序列化劃分，基于仿真系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)加載，動態(tài)調(diào)配仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的初始化、故障注入、事件注入和流程管理，完成對真實待測系統(tǒng)的自動化測試過程管控。

（2）測試缺陷管理系統(tǒng)。采用軟件項目管理平臺（Azure DevOps），通過二次開發(fā)實現(xiàn)與自動化測試平臺的缺陷信息管理，如圖5所示。將實時測試中存在的缺陷信息在系統(tǒng)中記錄，同時，將信息中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行持久化存儲，便于開發(fā)人員進行數(shù)據(jù)訪問和問題分析。

圖5 缺陷管理信息

（3）數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用基于桌面的用戶界面框架（Windows Presentation Foundation，WPF）開發(fā)，完成數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊和系統(tǒng)API接口模塊的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)分析模塊進行數(shù)據(jù)和缺陷的自動化分析，數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊進行數(shù)據(jù)聚類分析后給出功能設(shè)計優(yōu)化方案，系統(tǒng)API接口模塊提供針對數(shù)據(jù)應(yīng)用的二次開發(fā)。

數(shù)據(jù)分析模塊采用行為-事件分析模型，通過在系統(tǒng)平臺上定義運營事件服務(wù)，借助行為-事件分析模型強大的篩選、分組和聚合能力，進行基于運行控制場景的多應(yīng)用實時數(shù)據(jù)采集，完成對行為與事件關(guān)系的數(shù)據(jù)分析并給出結(jié)果，獲得不同行為下事件處理方案的優(yōu)化。通過研究與事件發(fā)生關(guān)聯(lián)的所有因素（如加減速度、設(shè)備故障、路徑?jīng)Q策、多列車連續(xù)運行等）來挖掘行為與事件背后的交互影響、響應(yīng)策略等。

4.2.2 基礎(chǔ)服務(wù)

基礎(chǔ)服務(wù)包括腳本管理、事件管理和硬件管理，以公共組件的形式對平臺不同應(yīng)用場景下的功能進行提取，抽象出公共功能進行模塊組件實現(xiàn)，以滿足不同的應(yīng)用場景需求。

（1）腳本制作服務(wù)是一套基于基本線路數(shù)據(jù)、測試序列、培訓(xùn)場景和指令系統(tǒng)，開發(fā)基于可擴展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML）的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合體系，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)融合[10]實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理，形成基于運行和培訓(xùn)的場景腳本文件。

（2）腳本解析服務(wù)實現(xiàn)對腳本文件的解析，解析后形成執(zhí)行指令、運行序列和場景數(shù)據(jù)信息，并通過仿真系統(tǒng)提供的API接口實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，輔助系統(tǒng)進行運行場景的執(zhí)行。

（3）時間和事件管理服務(wù)實現(xiàn)對已解析完成的時間類數(shù)據(jù)和事件類數(shù)據(jù)管理，通過生成基于時間和事件的測試序列，并通過仿真系統(tǒng)提供的API接口實現(xiàn)時序和事件數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，輔助系統(tǒng)進行時間軸和事件的執(zhí)行。

（4）硬件管理服務(wù)完成對整個平臺的硬件監(jiān)控和管理，對硬件運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和狀態(tài)反饋。

4.3 運營培訓(xùn)設(shè)計

運營培訓(xùn)主要針對培訓(xùn)用戶對培訓(xùn)的相關(guān)需求，開發(fā)基于場景和考核的可迭代功能模塊組件，包括運營場景管理器和培訓(xùn)考核系統(tǒng)。

（1）運營場景管理器是一套實現(xiàn)地鐵運營場景制作的工具，實現(xiàn)基本場景（如多車追蹤、大小交路運營、折返作業(yè)等）、故障場景（如軌旁設(shè)備故障、信號系統(tǒng)故障、列車故障、網(wǎng)絡(luò)故障等）和應(yīng)急場景（如列車火災(zāi)、列車脫軌、列車沖突、列車救援、大客流等）下的場景制作，用戶通過工具的可視化界面進行新場景制作、既有場景的修改和場景數(shù)據(jù)文件存儲。

（2）培訓(xùn)考核系統(tǒng)基于用戶的考核需求，結(jié)合培訓(xùn)的運營場景，將運營場景中涉及到的數(shù)據(jù)進行可視化，通過系統(tǒng)的流程管理進行步驟化的考核實施。培訓(xùn)考核系統(tǒng)主要設(shè)計五大功能模塊，分別為題庫管理模塊、試卷管理模塊、在線考試模塊、成績管理模塊和公告管理模塊，通過上層人機交互層完成數(shù)據(jù)的交互。

4.4 平臺數(shù)字化設(shè)計

4.4.1 基于場景、線路、用戶的數(shù)據(jù)服務(wù)

通過數(shù)據(jù)服務(wù)來實現(xiàn)跨域數(shù)據(jù)集成，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，以組合的方式實現(xiàn)用戶應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)集合定義。同時，采用集合數(shù)據(jù)服務(wù)的組合法則，通過對數(shù)據(jù)操作的次序及組合方式進行變換，得到輸出結(jié)果相同的若干候選數(shù)據(jù)服務(wù)組合方案。同時，對數(shù)據(jù)服務(wù)組合方案的更新可建立迭代優(yōu)化的數(shù)據(jù)集合新模型，實現(xiàn)集合數(shù)據(jù)分析與組合算法的持續(xù)精進，得到最優(yōu)的數(shù)據(jù)服務(wù)組合方案。

針對多應(yīng)用場景的組合數(shù)據(jù)處理問題，首先對多應(yīng)用流數(shù)據(jù)共享場景進行分析和抽象，再構(gòu)建一種通用的可應(yīng)用于多場景的共享場景流數(shù)據(jù)服務(wù)框架[11]。面向測試和培訓(xùn)內(nèi)容，以服務(wù)的形式對上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供組合數(shù)據(jù)，形成不同業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)服務(wù)。通過業(yè)務(wù)組合服務(wù)，實現(xiàn)跨域異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成，滿足業(yè)務(wù)信息管理、業(yè)務(wù)流程管理等應(yīng)用場景所需的服務(wù)流程。

4.4.2 數(shù)據(jù)持久化存儲

數(shù)據(jù)采集服務(wù)實現(xiàn)對系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和集合式數(shù)據(jù)進行分類存儲。同時，為實現(xiàn)基于多源的數(shù)據(jù)服務(wù)，必須解決從存儲管理到互操作的一系列機制、方法和實現(xiàn)技術(shù)。

系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)采用高效實時Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，從而提高分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)訪問的效率和可擴展性[12]。系統(tǒng)運行的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和集合式數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，通過二維表建立關(guān)系，采用相應(yīng)的檢索方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問；系統(tǒng)運行監(jiān)控的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用文件存儲形式，對系統(tǒng)運行的中間過程、異常問題進行非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)文件與其屬性數(shù)據(jù)分開存儲。通過多種存儲介質(zhì)相結(jié)合的存儲模式，結(jié)合數(shù)據(jù)的不同使用場景進行規(guī)范數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)安全、持久的存儲需求。

4.4.3 可視化人機交互

人機交互信息可視化是輔助用戶洞悉應(yīng)用場景數(shù)據(jù)的重要方法和工具。系統(tǒng)采用界面設(shè)計和交互設(shè)計互融的方式進行，人機交互界面實現(xiàn)用戶信息與設(shè)備之間的傳遞，利用計算機的軟硬件設(shè)備對用戶信息指令進行接收、處理和展示，為用戶帶來使用便捷[13]?；跍y試結(jié)果或培訓(xùn)過程建立用戶界面模型，給出界面抽象元素、場景數(shù)據(jù)元素以及映射關(guān)系的形式化描述。

4.5 平臺管理與規(guī)范化設(shè)計

采用主流開源架構(gòu)后臺管理平臺（dlvm-netcore）進行二次開發(fā)和功能裁剪，滿足平臺用戶對自動安裝部署、系統(tǒng)維護、環(huán)境配置、用戶管理和安全認證權(quán)限的管理工作。從安全、數(shù)據(jù)應(yīng)用、接口規(guī)范、場景設(shè)計、業(yè)務(wù)自動化流程、業(yè)務(wù)編碼和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)規(guī)則等方面建立可實施規(guī)范，保障平臺在服務(wù)應(yīng)用的規(guī)范性和可靠性。

5 結(jié)語

基于數(shù)字化場景的CBTC自動化測試和運營培訓(xùn)平臺集場景設(shè)計、自動化測試、運營培訓(xùn)服務(wù)、數(shù)字化服務(wù)和平臺管理為一體，采用業(yè)務(wù)功能模塊化設(shè)計原則，將不同應(yīng)用場景中的相同功能進行邏輯抽象與實現(xiàn)。不同的應(yīng)用功能采用不同模塊、工具和系統(tǒng)組合，能夠?qū)BTC的運營場景進行功能測試、性能驗證以及故障模擬，可配置為地鐵線路運營部門的培訓(xùn)實踐平臺，提高地鐵運營人員的日常操作效率，加強中心調(diào)度員的運營實踐和故障處置能力。同時，整套平臺的設(shè)計立足于適用性、實用性和擴展性，能滿足不同廠商的系統(tǒng)場景測試要求，可為優(yōu)化線路運營計劃和完善人機協(xié)同提供模擬環(huán)境。