基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试研究

禹志阳 赵 阳

CTCS-3级列控系统是高速列车安全、可靠、高效运行的核心技术之一。在列控系统的设计与开发过程中,铁道部制定并颁布了 《CTCS-3级列控系统总体技术方案》、《CTCS-3级列控系统功能需求规范》和 《CTCS-3级列控系统系统需求规范》,为确定列控系统的总体结构、功能需求和设计方案等提供了依据。

为验证列控系统工程与设计方案和功能需求的符合性,在系统集成工作完成后,应对系统进行联调联试,以实车试验的方式,检验设计方案的完善程度和系统的整体安全性能等,为调整和优化设计方案提供依据。

CTCS-3级列控系统结构和实际的运营场景复杂,各个子系统的交互信息繁多,如对列控系统进行完备的功能性测试与安全性测试,就需要从系统结构、静态性质和动态行为 3个层面进行。《CTCS-3级列控系统测试案例》和 《CTCS-3级列控系统综合试验试验大纲》是我国 CTCS-3级列控系统综合试验和联调联试的重要依据。

1 黑盒测试理论

黑盒测试是基于需求和功能,通过观察输入及其相应的输出,对功能正确与否进行判断的技术。黑盒测试从最终用户的角度出发,可以发现不正确功能、接口问题和数据库错误等缺陷。

按照黑盒测试理论,无论是系统级或单元级的测试,都应在可用资源下尽可能生成详尽的测试案例,以便发现尽可能多的错误。可用资源包括功能需求文档、需求规格说明、测试人员在领域内的知识和经验、缺陷分析数据等。测试案例应能覆盖规格说明文档中的每一个入口、功能需求规范中的每一个功能需求,以及每个入口或需求的不同边界条件。

黑盒测试的根本在于选择合适的数据集,它是评价测试案例执行结果是否正确或满足需求的关键。为了检测软件的正常与否,必须要有一个功能规格说明。数据集的选择应包括:①采用随机方式产生的输入,测试人员必须消除任何臆测;②对规定输入范围之外的输入数据进行测试,并检查程序的健壮性;③对边界情况进行测试,以保证允许的最大和最小输入能产生正确的输出;④使用测试监控工具跟踪测试执行,以避免重复并有助于系统维护。

执行黑盒测试前应制定完整的测试计划,包括确定测试内容、测试环境、测试案例、测试方案和测试缺陷的管理等。测试方案一般按以下顺序执行:①针对需求执行净测试;②根据需要,针对分支覆盖增加结构化测试;③根据需要增加数据流覆盖测试;④执行未覆盖到的域测试;⑤根据需要进一步进行特殊的测试。

2 黑盒测试技术在列控系统调试中的应用

CTCS-3级列控系统综合试验和联调联试的核心内容之一,就是对该系统所具备的功能进行测试,验证其是否满足规定需求或识别实际结果与预期之间差异的过程,是典型的系统级黑盒类型测试。由于列控系统的功能需求和接口关系非常复杂,软件测试的范围包括组成系统的所有软件,如车载 ATP软件、无线闭塞中心 RBC软件、列控中心 TCC软件等,测试的内容包括构成软件的所有程序、数据和文档,因此,对 CTCS-3级列控系统的系统测试,应在实际使用环境条件下,包括硬件设置、列控工程数据、运营条件等,并根据 CTCS-3级列控系统功能需求规范、系统需求规范等,建立和完善列控系统测试案例,通过测试案例的方式对系统的输入、输出关系进行验证。

2.1 黑盒测试模型

按照 CTCS-3级列控系统系统评估的要求,CTCS-3级列控系统测试应覆盖整个设计开发生命周期,包括产品检验测试、部分测试、集成测试与系统试验 4个阶段,系统的测试计划如图 1所示。

图1 CTCS-3级列控系统测试计划

CTCS-3级列控系统测试从设计阶段开始,逆向 (即:由下到上)进行。

1.部分测试:重点针对各个子系统的设计方案进行验证和确认,包括无线闭塞中心子系统、列控中心子系统、临时限速服务器子系统等。

2.集成测试:重点验证 CTCS-3级列控系统的设计方案、内部接口和整体性能等,验证集成后的系统能否满足列控系统的系统需求与功能需求。

3.系统试验:在实际运营环境条件下,重点针对整个系统的用户需求、外部接口和综合性能等进行验证与确认,确保列控系统各项功能和安全性能满足特定的用户需求。

部分测试和集成测试可通过实验室仿真测试环境或铁科院环行铁道试验环境进行,系统试验可与信号系统联调联试相结合,在实际线路或试验段进行。

根据 CTCS-3级列控系统测试计划,在集成测试或联调联试阶段,将列控车载系统看作一个黑盒,其输入、输出关系如图 2所示。

图 2 列控系统联调联试测试模型

2.2 测试案例的设计

《CTCS-3级列控系统测试案例》以列控系统总体技术方案和系统功能需求为基础,确定了 470个测试案例,包括正常功能性测试案例和安全性能测试案例,并首次应用了测试案例、功能特征、测试序列和运营场景等多个概念。

《CTCS-3级列控系统测试案例》所确定的测试案例是对系统功能特征的测试与验证,通过对多个测试案例的测试,可以验证一个完整的功能特征,而功能特征则集中反映了 CTCS-3级列控系统需求规范 (SRS)中的特定需求,是从系统需求规范提炼出的必要功能实体。SRS中的每一个需求,至少能在一个功能特征中得到反映,每一个功能特征都来自 SRS的需求,功能特征是一组需求的集合。测试案例、功能特征与系统需求规范的关系如图 3所示。

图 3 测试案例、功能特征与系统需求规范之间的关系

下面以临时限速功能为例,具体说明 SRS与测试案例之间的对应关系与测试要求。

根据 CTCS-3级列控系统功能需求规范,列控系统应具备临时限速功能,为施工区段等情况下设置一个单独的线路速度限制类别,并满足临时限速命令存储、校验、撤消、拆分、设置、故障报警和辅助提示等需求,根据临时限速的功能需求,确定的测试案例如表 1所示。

2.3 测试数据与边界条件

CTCS-3级列控系统的最终结果体现在车载设备上,在车载软件成熟的前提下,地面系统能否按照规范的要求提供正确和完整的列控数据是系统正常运转的关键。

1.列控工程数据的验证。CTCS-3级列控系统工程数据包括线路数据 (线路长度、坡度、里程、桥梁、隧道等)、特殊区段数据(分相区、RBC切换点、等级转换点等)、应答器编号及链接数据、轨道区段及绝缘节数据、RBC呼叫号码信息、引导/调车区段的设置信息等。系统试验过程中,通过正常的运营场景试验,包括注册与启动、注销、级间转换、RBC-RBC切换、行车许可、重联与摘解、调车作业、进出动车段、自动过分相、临时限速、灾害防护、特殊进路、人工解锁进路、降级运行等 14个运营场景,可以对全线列控工程数据进行验证。

2.行车许可数据的验证。CTCS-3级列控系统由车站联锁系统根据进路办理和前方区段占用/空闲状态生成信号授权 (SA),并提供给 RBC;RBC结合 SA状态、临时限速信息、列控工程数据等生成行车许可。对行车许可数据的测试主要包括:①MA数据的生成与传送;②MA数据与 SA数据、列控工程数据、临时限速数据的一致性;③紧急停车消息;④MA数据的调整 (延长、缩短、更新);⑤低频码序与码序突变;⑥应答器报文信息。

表 1 临时限速SRS与测试案例对应关系表

3.数据一致性。CTCS-3级列控系统对数据一致性的测试,主要包括应答器信息的一致性和无线消息的一致性 2个方面。检查应答器组消息的完整性、应答器传输变量的合理性;检查 RBC消息的完整性,监督无线消息的顺序;检查无线消息中变量的合理性等。测试要求主要体现在 4个方面:①消息的正确性,整条消息中应完整遵守列控系统的车-地传输信息格式的要求,变量不应当有无效值;②消息应在预期时间内收到;③消息应在期望的正确位置收到;④通过 GSM-R网络发送的 CTCS-3级行车许可及列控工程数据等,应与通过轨道电路和应答器发送的 CTCS-2级行车许可和工程数据保持一致。

在系统试验过程中,可通过模拟应答器数据一致性错误(链接错误、组内位置错误、顺序错误、变量中包含无效值、报文不能解析等),无线消息一致性错误(消息不能译码、变量中含有无效值、时间戳顺序错误、RBC sim模拟非法消息等),无线超时导致等级转换等,对数据的一致性进行测试。

4.接口关系及边界条件的测试。边界值分析法是黑盒测试关键技术之一,其方法是尽可能针对系统设计或应用的边缘区设计专门的测试案例。对CTCS-3级列控系统边界条件的测试,主要验证3个方面的内容:①验证相邻边界点数据配置的一致性;②验证相邻设备之间的接口关系;③验证相关运用条件的边界。

CTCS-3级列控系统地面系统的边界条件主要包括:①相邻 RBC、车站联锁、列控中心、临时限速服务器管辖范围边界;②CTC系统调度台管理范围边界;③CTC与TDCS或其他 CTC中心管理范围边界;④GSM-R网络核心机房管理范围边界;⑤CTCS-3级线路与其他等级线路边界;⑥运用条件的边界,如参数值设置、运用范围等。

对于边界条件的测试,可通过行车许可、行车许可调整、临时限速、临时限速更新、模拟故障等进行验证。

2.4 测试环境

完整的测试环境应包括系统构成、软件版本、测试数据和测试工具等,测试环境应相对稳定。CTCS-3级列控系统试验测试环境应与系统的总体技术方案、设备工作特性和运营需求一致,并具备模拟测试条件和监测分析手段。具体要求如下。

1.测试环境与总体技术方案的一致性,包括测试系统总体结构、系统设备配置、接口方案、安全信息网络结构、应答器布置原则、系统集成功能要求等。

2.测试环境与设备工作特性的一致性,包括设备工作环境、电气特性、电磁兼容环境等。

3.测试环境与运营需求的一致性,包括地面数据配置、运营速度、司机操作与 DMI显示、系统配置参数等。

4.测试环境对模拟测试条件的要求。测试环境应具备一定的模拟测试条件,以验证系统在特定条件下的功能和故障-安全性能,包括应答器报文修改、RBC内部参数或变量值修改、系统配置参数或列车数据的修改等。

5.测试环境对监测分析手段的要求。测试环境应具备一定的监测记录与分析手段,以满足对系统功能或性能的综合评价,包括 JRU记录分析设备、RBC维护终端和司法记录器、GSM-R无线网络 PRI、A、Abis接口监测记录设备等。

按照以上原则,武广高速铁路 CTCS-3级列控系统在研发过程中,分别建设了 C3实验室测试环境、铁科院环行铁道测试环境和武广线综合试验段,满足了集成测试和系统测试的需要。

铁科院环行铁道 CTCS-3级列控试验系统测试环境如图 4所示,主要由 3部分组成:①环行铁道现场设备,包括列控中心 (TCC)、车站联锁(IL)、调度集中 CTC(C2)、LEU、ZPW-2000A、应答器、GSM-R网络及列控车载设备等;②通号公司 C3实验室设备,包括 RBC、STU-CC、CTC(E2)等;③北京交大 GSM-R实验室设备及环行铁道、通号院、交大之间的传输通道,包括 GSMR网络接口监测设备等。试验区段为铁科院环行铁道试验基地 (小环),由一个真实的主控车站模拟2个主控车站,试验数据全部采用环行铁道实际工程数据。

CTCS-3级列控系统采用编制测试序列的方法进行集成测试和系统测试,测试序列根据不同的运营场景需求,将各种应用条件下的测试案例串接起来,可以实现对测试案例的完整覆盖,实现测试的标准化。

2.5 数据分析与缺陷 (bug)管理

对试验过程中的动态数据进行监测、记录与分析,是验证系统功能特征、子系统间信息交换过程与内容、系统间接口关系是否正确的重要手段。武广高速铁路 CTCS-3级列控系统试验采用的监测与记录手段,包括车载监测记录终端和地面的监测记录终端。

图 4 铁科院环行铁道CTCS-3级列控系统试验环境

车载监测记录功能包括:总线监测记录设备、DCUTerm、车载司法记录器、ATP Igsm接口监测终端、DMI摄像记录等。地面监测记录功能包括:RBC维护终端记录、MT接口监测记录、RBC-联锁接口监测记录、RBC PRI接口监测记录等。结合车地监测记录信息,可满足联调联试中对数据分析和缺陷判别的需求。

数据分析是黑盒测试过程中判断输入与输出关系不一致的必要手段,是判断和发现系统缺陷的关键环节。通过数据分析可以发现下类错误:①不正确或遗漏的功能;②接口错误;③数据结构或外部数据库访问错误;④性能错误;⑤初始化或终止错误等。

表 2 联调联试中发现缺陷的分类管理

在 CTCS-3级列控系统联调联试过程中,数据分析包括以 DMI显示为主的输出数据的分析和以JRU数据、RBC监测记录数据、GSM-R核心机房监测数据为主的输入数据分析,根据数据分析结果,确定缺陷的类型,实现对缺陷的分类管理,具体分类如表 2所示。

3 结束语

CTCS-3级列控系统是代表了世界先进水平的高速铁路列车控制系统,是保证高速列车运行安全的重要手段,系统本身必须具备高可靠性和高安全性。对系统进行科学、完善的测试与系统试验是系统研发、工程实施过程中的必要环节。以黑盒测试理论为基础,基于测试案例的测试方法,在武广高速铁路 CTCS-3级列控系统的系统试验和联调联试中首次得到了应用,已逐步形成了一套完备的测试规范,积累了经验,促进了我国 CTCS-3级列控技术的发展与完善,为武广、郑西等高速铁路 CTCS-3级列控系统的调试与开通、系统评估提供了重要的支持。

[1] 张曙光.CTCS-3级列控系统总体技术方案[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[2] 铁道部.CTCS-3级列控系统系统需求规范(SRS),科技运[2008]127号,2008,9.

[3] 铁道部.CTCS-3级列控系统综合试验试验大纲,铁技委函[2009]773号,2009,7.

(责任编辑:温志红)