城軌交通全自動運行系統(tǒng)組合測試用例生成方法

陳 爭，孫可心，劉傳剛，冉怡明，李任宇

全自動運行（Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO）系統(tǒng)是基于計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)，實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)，不需要配置列車司機，能夠有效地保證運行安全，提高運行效率，降低運營成本，增強對客流變化的響應(yīng)能力［1］。

近年來，隨著車輛、信號、通信和綜合監(jiān)控等核心專業(yè)自動化水平的不斷提高，F(xiàn)AO 系統(tǒng)已經(jīng)在我國大中城市的軌道交通中進(jìn)入了實際應(yīng)用階段，代表了智慧城軌的重要發(fā)展方向。相比較傳統(tǒng)的地鐵列車控制系統(tǒng)，F(xiàn)AO 系統(tǒng)對可靠性、可用性、維修性、安全性指標(biāo)提出了更高要求，因此在投入運營前需要進(jìn)行全面測試，而覆蓋全面的測試用例對保證全自動運行系統(tǒng)測試的完備性具有重要意義。

目前，F(xiàn)AO 系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)方案設(shè)計、優(yōu)化和仿真平臺方面。如：文獻(xiàn)［2］從FAO 系統(tǒng)的運營需求出發(fā)，提出一套滿足全自動運行過程中清客控制管理的設(shè)計方案；文獻(xiàn)［3］研究FAO 系統(tǒng)場景驗證平臺，能夠在系統(tǒng)建設(shè)初期優(yōu)化場景設(shè)計，指導(dǎo)功能開發(fā)；文獻(xiàn)［4］對全自動運營場景進(jìn)行梳理，研究不同運營場景對車輛、信號、通信和綜合監(jiān)控等關(guān)鍵裝備的功能需求及接口關(guān)系，為工程設(shè)計人員提供參考；文獻(xiàn)［5］研究正線休眠喚醒區(qū)域全覆蓋的設(shè)計要點和運營效益，并提出相關(guān)的操作建議；文獻(xiàn)［6］將基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的測試方法引入到FAO 系統(tǒng)的測試中，簡化測試平臺的搭建，提高測試的有效性和完備性；文獻(xiàn)［7-8］研究FAO 系統(tǒng)典型運營場景，提取功能與性能的需求，構(gòu)建時間自動機網(wǎng)絡(luò)模型，并驗證其功能屬性、性能屬性和安全屬性，為系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)；文獻(xiàn)［9］研究FAO系統(tǒng)的互聯(lián)互通特點，構(gòu)建適合互聯(lián)互通的FAO 系統(tǒng)測試環(huán)境，提出完備的互聯(lián)互通測試方案；文獻(xiàn)［10］研究全自動運行外場測試的功能需求和選址條件，提出不同條件下的測試方案；文獻(xiàn)［11］基于仿真測試平臺，對全自動無人駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵場景進(jìn)行分析，探討室內(nèi)仿真測試方案，并在上海軌道交通全自動無人駕駛18號線和15號線進(jìn)行了應(yīng)用。

組合測試是檢測系統(tǒng)各種交互組合的測試?yán)碚?。近年來，該理論在軌道交通領(lǐng)域的測試中得到了深入的研究和廣泛應(yīng)用，如文獻(xiàn)［12-14］在高鐵信號系統(tǒng)的測試中引入了組合測試技術(shù)。本文基于時間自動機建模方法和組合測試?yán)碚?，提出FAO 系統(tǒng)的組合測試用例生成方法，對保證FAO系統(tǒng)測試的全面性和完備性具有重要意義。

1 時間自動機

時間自動機（Timed Automata，TA）由Stanford大學(xué)的Rajeev Alur和David Dill于20世紀(jì)90年代提出。時間自動機對有限自動機進(jìn)行擴展，使用時鐘變量表示有時間約束的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而可以處理實時系統(tǒng)［15］。由Aalborg 大學(xué)和Uppsala 大學(xué)在1995年聯(lián)合研發(fā)的基于時間自動機的實時系統(tǒng)模擬和驗證工具UPPAAL，能夠?qū)崟r系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真、驗證和生成測試用例，具有高效、簡便的特點［16］。UPPAAL 對時間自動機理論進(jìn)行了擴展，增加了int 變量、bool 變量、廣播通道（broadcast chan）等元素［17］。

定義1時間自動機。TA 是一個六元組＜L，B，C，V，E，I＞，其中：L是狀態(tài)的集合，l0?L為初始狀態(tài)；B為通道集合；C為時鐘變量集合，V為有界整型變量集合，設(shè)Φ(C，V)為條件表達(dá)式的集合，R(C，V)為所有時鐘變量的重置操作和整型變量賦值操作的集合；E為邊的集合，E?L×B？！×Φ(C，V)×R(C，V)×L；B？！為操作集合，B？！={a？|a∈B}∪{a！|a∈B}；元素 (l，α，φ，γ，l')∈E描述了一條從狀態(tài)l到狀態(tài)l'的邊，其中α為邊上的操作，φ為轉(zhuǎn)移條件，γ為重置操作或賦值操作；I：L→Φ(C，V)表示狀態(tài)上的時間不變式。

定義2路徑。設(shè)l，l'∈L，TA 的一條路徑p是一個邊的序列：p=(l，α1，φ1，γ1，l1) ；(l1，α2，φ2，γ2，l2) ；……；(ln-1，αn，φn，γn，l')。

此時，稱l通過路徑p可以到達(dá)l'，簡稱l'從l可達(dá)。

UPPAAL 包括系統(tǒng)編輯器、模擬器、驗證器和測試用例生成器（Yggdrasil）等模塊。其中，系統(tǒng)編輯器用于創(chuàng)建和編輯TA 模型，Yggdrasil以邊覆蓋為覆蓋準(zhǔn)則，提供序列文件（Query File）、深度搜索（Depth Search）和單步（Single Step）3 種方法，自動從TA模型生成測試路徑［18］。

2 組合測試

作為系統(tǒng)安全性測試中的一種重要測試方法，組合測試圍繞系統(tǒng)輸入域的交互組合，在保證組合覆蓋的前提下，對系統(tǒng)實施高效、完備的測試。通常，組合測試重點檢測系統(tǒng)因各種交互組合而造成的系統(tǒng)故障［19］。

組合測試主要包括組合測試建模、測試用例生成、測試執(zhí)行、錯誤定位和結(jié)果評估等步驟，見圖1。其中組合測試建模是根據(jù)被測系統(tǒng)的需求規(guī)格，辨識系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)及其取值，確定約束條件，構(gòu)建系統(tǒng)的輸入模型；測試用例生成是根據(jù)構(gòu)建的輸入模型，利用各種組合測試用例生成方法，構(gòu)造被測系統(tǒng)的組合測試用例集。

圖1 組合測試主要步驟

定義3t-維組合覆蓋。對于路徑p及其序列集T，給定組合強度t（t≤|p|），對于p的任意t-事件組合的任一t-值模式π，若T中都至少存在一條測試序列覆蓋π，那么T滿足t-維組合覆蓋，稱T為p的t-維組合測試用例集，簡稱t-維測試用例集。

t-維組合覆蓋通過構(gòu)造測試用例集，對被測系統(tǒng)任意t個輸入?yún)?shù)之間所有的交互取值組合至少覆蓋1次。假設(shè)某系統(tǒng)包括a，b，c3個輸入變量，每個輸入變量均包括2個取值，0和1，則全組合需要執(zhí)行2×2×2=8次測試。若采用組合測試，選用2-維組合覆蓋，應(yīng)用組合測試用例生成工具ACTS共生成4 條測試用例，即可完全覆蓋a，b，c中任意2個變量的取值組合，組合測試用例見表1。

表1 組合測試用例

3 全自動運行系統(tǒng)組合測試用例生成

通常采用UPPAAL 對FAO 系統(tǒng)進(jìn)行測試建模時，主要是利用int、bool 和chan 等類型描述系統(tǒng)的功能流程，并依據(jù)TA 模型生成測試路徑，重點關(guān)注系統(tǒng)的功能邏輯。在實際執(zhí)行測試時，需要提取測試路徑上信號或變量描述的具體工況，進(jìn)而將測試路徑實例化為具體的操作或測試數(shù)據(jù)。由于FAO 系統(tǒng)功能復(fù)雜，測試路徑通常為一系列的操作流程，涉及多個變量，每個變量代表的具體工況可能為1 個或多個，如模式轉(zhuǎn)換，方向手柄和制動手柄在“0位”或“非0位”等，因此為對FAO 系統(tǒng)進(jìn)行全面測試，需要覆蓋測試流程中變量值的各種組合，即：

測試需求= ｛（方向手柄0 位，制動手柄0位），（方向手柄0 位，制動手柄非0 位），（方向手柄非0 位，制動手柄0 位），（方向手柄非0 位，制動手柄非0位）｝。

由于對所有組合情況全部進(jìn)行測試，在測試時間和測試開銷方面是不實際的，而組合測試技術(shù)可以在保障變量組合覆蓋的基礎(chǔ)上，大大降低測試用例數(shù)量，提高測試效率，因此結(jié)合FAO 系統(tǒng)的TA 建模流程和組合測試?yán)碚?，提出FAO 系統(tǒng)組合測試用例生成方法。

FAO系統(tǒng)組合測試用例生成流程見圖2，包括時間自動機建模、基于時間自動機模型的測試路徑生成和組合測試用例生成3個階段。

圖2 FAO系統(tǒng)組合測試用例生成流程

1）時間自動機建模。首先，基于FAO系統(tǒng)的需求規(guī)范，依據(jù)時間自動機語法，采用UPPAAL建立TA 模型；然后，采用UPPAAL 提供的仿真模擬和形式化驗證技術(shù)，檢測模型的正確性，如果模型不正確，則根據(jù)仿真和驗證結(jié)果修正模型。

2）測試路徑生成。利用Yggdrasil 提供的測試路徑生成方法，結(jié)合形式化驗證的性質(zhì)文件，利用Query File、Depth Search 和Single Step 3 種方法，自動生成FAO系統(tǒng)的測試路徑。

3）組合測試用例生成。首先，提取TA 模型中的chan 和變量，基于FAO 系統(tǒng)的需求規(guī)范，采用輸入域建模理論［20］，對chan 和變量的輸入空間進(jìn)行劃分，提取chan 和變量在測試執(zhí)行中代表的工況，作為組合測試的輸入?yún)?shù)值；然后，結(jié)合生成的測試路徑，采用組合測試算法或工具，生成FAO系統(tǒng)的組合測試用例。

下面以FAO 系統(tǒng)的喚醒場景為例，介紹FAO系統(tǒng)組合測試用例的生成過程。

4 喚醒場景組合測試用例生成

4.1 喚醒場景功能邏輯

列車在投入運營前，F(xiàn)AO 系統(tǒng)需要進(jìn)行喚醒，激活列車，并對列車的實際情況進(jìn)行檢查，達(dá)到故障預(yù)警、緩解日常運維對人力的需求、提高FAO系統(tǒng)運維效率的目的。

行車綜合自動化系統(tǒng)根據(jù)運行時刻表，提前喚醒即將投入運營的車輛；車載收到喚醒命令后，車載控制器（Vehicle On Board Controller，VOBC）和車輛進(jìn)行上電自檢。如果自檢成功，列車滿足靜態(tài)、動態(tài)測試條件，則由VOBC 發(fā)起、車輛配合，進(jìn)行列車靜態(tài)、動態(tài)測試；如果測試成功，VOBC將向行車綜合自動化系統(tǒng)匯報喚醒成功。如果自檢失敗或不滿足測試條件，將不進(jìn)行列車靜態(tài)和動態(tài)測試，列車喚醒失?。?1］。FAO 系統(tǒng)喚醒功能動態(tài)測試序列見圖3。

圖3 喚醒功能動態(tài)測試序列

1）FAO 系統(tǒng)接收到列車喚醒命令，由列車自動防護(hù)系統(tǒng)（Automatic Train Protection，ATP）檢查列車預(yù)設(shè)最高駕駛模式為FAO 模式、車輛方向手柄設(shè)在0 位、車輛牽引制動手柄在0 位、VOBC 頭尾通信正常、司機鑰匙在關(guān)閉位、檢修按鈕在非檢修位等條件滿足后，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的順序選擇駕駛端，進(jìn)行靜態(tài)測試。

2） 靜態(tài)測試完成后，ATP 通過列車自動駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO）向列車控制和管理系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）發(fā)送預(yù)設(shè)時長的鳴笛指令，車輛進(jìn)行鳴笛操作，提醒庫內(nèi)工作人員。

3） ATP向ATO發(fā)送向前跳躍指令，ATO判斷滿足動態(tài)測試條件，向ATP 發(fā)送帶方向的跳躍指令。該指令通過輔助駕駛單元（Assistant Operation Module，AOM）傳輸給車輛，車輛收到帶方向的跳躍指令后，執(zhí)行動態(tài)測試準(zhǔn)備，通過TCMS 向ATO 發(fā)送跳躍反饋指令；ATO 收到跳躍反饋指令后，向車輛輸出預(yù)設(shè)時長和大小的牽引。ATO 檢測到車輛處于零速狀態(tài)后，向ATP 發(fā)送跳躍完成標(biāo)志。

4） ATP 向ATO 發(fā)送向后跳躍指令，系統(tǒng)處理流程與向前跳躍類似。

5） ATP 接收到跳躍完成標(biāo)志后，判定完成本端動態(tài)測試，進(jìn)行自動換端操作，在另一端進(jìn)行靜態(tài)測試和動態(tài)測試。當(dāng)兩端的靜態(tài)、動態(tài)測試均通過后，ATP向控制中心匯報喚醒完成。

向前跳躍和向后跳躍的過程中，ATP 監(jiān)督列車跳躍過程中的速度、加速度和跳躍距離，若任一項超過預(yù)定義值，ATP 判斷跳躍異常，輸出緊急制動；若在規(guī)定時間內(nèi)未收到ATO 的跳躍完成指令，則認(rèn)為跳躍失敗。

4.2 喚醒場景時間自動機建模

FAO 系統(tǒng)列車喚醒功能時間自動機模型見圖4，記為AwakeTA，包括ATP 模型（ATPTA）、ATO 模型（ATOTA）、AOM 模型（AOMTA）、TCMS模型（TCMSTA）和列車模型（TrainTA）5個部分，即AwakeTA為這5個時間自動機模型的積

圖4 全自動運行系統(tǒng)列車喚醒功能時間自動機模型

AwakeTA包括61個節(jié)點、83條邊、31個broadcast chan、10 個int 變量和1 個時鐘變量，主要broadcast chan的含義見表2。

表2 AwakeTA主要broadcast chan含義

1）ATPTA模型描述ATP 與ATO、AOM 之間的交互信息，包括發(fā)送鳴笛、向前跳躍、向后跳躍等指令，接收并發(fā)送帶方向的跳躍指令和接收跳躍完成標(biāo)志。

2）ATOTA模型描述ATO 接收ATP 和TCMS的信息，運算后進(jìn)行響應(yīng)的過程。

3）AOMTA模型描述AOM 與ATP、車輛的交互信息，AOM接收由ATP發(fā)來的帶方向的跳躍指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給車輛。

4）TCMSTA模型描述TCMS與ATO、車輛的交互信息，TCMS 接收來自車輛的跳躍反饋指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給ATO。

5）TrainTA模型描述車輛與AOM、TCMS 之間的交互信息，車輛接收到由AOM 發(fā)來的帶方向的跳躍指令后，將跳躍反饋指令發(fā)送給TCMS。

AwakeTA喚醒過程中包括靜態(tài)測試前的設(shè)備狀態(tài)條件不滿足、自檢失敗、向前跳躍異常、向后跳躍異常和跳躍超時5 類故障。AwakeTA檢測到異常后，發(fā)送喚醒失敗，結(jié)束喚醒操作。

4.3 喚醒場景測試路徑生成

采用Yggdrasil提供的Query File、Depth Search和Single Step 3 種測試路徑生成方法，結(jié)合文獻(xiàn)［18］提出的測試路徑生成算法，對AwakeTA一共生成14條測試路徑，其中Query File生成測試路徑8 條，Depth Search 生成測試路徑1 條，Single Step生成測試路徑5 條，節(jié)點覆蓋率和邊覆蓋率均為100%。

以向前跳躍失敗為例，在AwakeTA的14 條測試路徑中，包括2條相關(guān)的測試路徑。

1） 測試路徑p1：接收喚醒命令后，F(xiàn)AO系統(tǒng)自檢成功，選擇激活端，進(jìn)行向前跳躍，跳躍存在異常。

2） 測試路徑p2：接收喚醒命令后，F(xiàn)AO系統(tǒng)自檢成功，選擇激活端，進(jìn)行向前跳躍，跳躍成功；繼續(xù)向后跳躍，跳躍成功；列車切換激活端，進(jìn)行向前跳躍，但跳躍異常。

以測試路徑p1為例，其通過ATPTA模型的狀態(tài)為Init → WakeUp → ConPass → Header →Ready → MDing → ReadyJog → ForJog → For-Temp1 → ForJog_Fail。

4.4 喚醒場景組合測試用例生成

結(jié)合FAO 系統(tǒng)的需求規(guī)范，對AwakeTA模型中broadcast chan、int 變量和時鐘變量進(jìn)行輸入域建模。以向前跳躍失敗為例，組合測試用例生成過程如下。

向前跳躍失敗涉及時鐘變量x，以及GetHeader 和ForJogFail 2 個broadcast chan。結(jié)合測試經(jīng)驗，時鐘變量x選取k1、k2 2 個時間值，broadcast chan 的輸入域建模見表3。選用2-維組合覆蓋，采用ACTS 組合測試用例生成工具，利用內(nèi)置的IPOG 算法，結(jié)合向前跳躍失敗的2 條測試路徑，一共生成6 條組合測試用例，覆蓋系統(tǒng)任意2 個輸入之間的組合，見表4。

表3 向前跳躍失敗broadcast chan輸入域建模

表4 向前跳躍失敗組合測試用例

以第1 條組合測試用例為例，其測試過程為：接收喚醒命令后，自檢成功，F(xiàn)AO 系統(tǒng)選擇前端為激活端，進(jìn)行向前跳躍，跳躍時間為k2，滿足跳躍時間約束，但跳躍距離異常。

通過FAO 系統(tǒng)測試用例生成算法，AwakeTA模型一共生成35 條組合測試用例，主要的測試用例統(tǒng)計見表5。

表5 全自動運行系統(tǒng)主要的組合測試用例統(tǒng)計

基于Yggdrasil的測試用例生成機制，AwakeTA的測試用例覆蓋了模型中所有的節(jié)點和邊；同時，基于ACTS 的IPOG 等算法，覆蓋了模型中任意2 個輸入之間的組合，提升了FAO 系統(tǒng)測試用例的全面性和完備程度。

5 結(jié)論

本文提出FAO系統(tǒng)的組合測試用例生成方法，首先采用時間自動機理論對FAO 系統(tǒng)進(jìn)行建模；然后基于時間自動機模型生成測試路徑，結(jié)合輸入域建模方法提取測試模型描述的系統(tǒng)工況；最后結(jié)合組合測試?yán)碚?，自動生成組合測試用例。以喚醒功能為例，采用UPPAAL 建立喚醒功能的時間自動機模型，利用Yggdrasil 插件生成喚醒功能的測試路徑，并利用ACTS 采用2-維組合覆蓋生成組合測試用例。結(jié)果表明，測試用例100%覆蓋時間自動機模型的節(jié)點和邊，同時覆蓋系統(tǒng)任意2 個輸入之間的組合，對于FAO 系統(tǒng)測試的研究具有一定的參考價值。