轨道交通信号测试技术发展研究

付立民

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

随着电子设备和系统的不断发展，软件在其中的应用范围和规模也在迅速扩大，同时，由于软件缺陷所引发的产品故障越来越多，甚至引发灾难性事故，软件的质量和可靠性逐渐成为人们关注的焦点。在软件的生命周期中，测试是保证软件质量，提高软件可靠性的一个十分有效的手段。

国内铁路信号控制设备越来越多地采用基于处理器的电子设备，尤其是随着高速铁路CTCS-3的推广，地面的计算机联锁系统 、车站列控中心系统、无线闭塞中心系统 、临时限速服务器系统、轨道电路设备、应答器以及车载的ATP系统，全部采用计算机控制为主的控制技术。日、法、德等国的实践证明，高速铁路建设不仅要有高水平的系统设计、高质量的施工和装备制造技术，更要有全面、系统的试验检测手段。

对于各系统在高速运行条件下的功能和性能测试，国内高速铁路将综合应用与工程相结合，建设先导段和试验段，以计算机仿真技术为基础，开发建立实验室仿真测试系统等手段，通过低速与高速、实车与仿真、现场与实验室测试的有机结合，构建一套完善的测试体系，可以实现对系统的充分测试和验证，取得非常好的效果。

2 轨道交通信号测试

2.1 测试发展历程

轨道交通的信号控制设备经历了由单一系统为主，向多系统协同控制的发展过程。早期铁路信号控制系统以单一为主，如联锁设备长期作为主要的信号控制设备 ；随着列车运行速度的提升，地面和车载控制系统不断升级，发展到CTCS-3系统时，整个列控系统已经成为多系统共同控制，车载和轨旁协同工作的复杂系统。

信号系统的测试技术，也相应的经历了不同的发展阶段，从最初的单一产品简单的手工模拟测试，发展到支持多系统联动和虚拟仿真的系统级测试，如图1所示 ；测试方法也从人工测试，向自动化测试发展，如图2所示。

图1 产品测试和系统测试Fig.1 Product test and system test

2009年科技部和原铁道部联合开展 “十一五”国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术及装备研制”的研究，其中中国铁路通信信号股份有限公司（简称中国通号）联合清华大学承担了子任务“CTCS-3级列控系统综合设计集成平台”的研制，实现了对各种类型轨道交通系统的1:1仿真，实现实物、半实物、全模拟3种方式的精准仿真，满足设备级、系统级、工程线路级不同规模的仿真测试需求，在实验室环境下实现了高效的CTCS-3列控系统核心设备功能验证测试和线路级规模工程集成测试，保证CTCS-3列控系统在武广、京沪高铁等30多条国家重点工程中的应用。

2.2 规划思想和目标

近年来测试技术不断发展，应充分利用测试技术发展红利，以数字化为依托，探索新型技术在信号测试中的应用，研究具有前瞻性的前沿科技在轨道交通测试中的创新，提高测试的自动化水平和效率，研究新技术和新方法在提升测试能力上的应用，对面向众多的新技术应用提供测试支撑，测试技术发展的研究方向如下。

1）提升测试技术先进性

研究测试领域的新技术新方法，如零现场测试、数字孪生、虚拟仿真、形式化验证、加速测试等技术，提升测试技术先进性。

2）提升测试效率

研究提高测试效率的方法和手段，解决目前测试效率低、人工回归多、自动化程度低的问题，配套开发各产品的自动测试工具，将目前大量的人工测试交由工具自动完成，并生成测试记录和结果。

3）提升测试自动化水平

研究自动化测试技术，实现测试全过程自动化，在各产品测试工具完善的基础上，实现测试的设计和管理的自动化，实现测试流程（工作流）处理的自动化，通过自动化测试可以提高测试效率，减轻测试人员负担，更方便开展功能测试和回归测试，测试过程质量更有保障，使测试人员更加专注于创造性的工作。

自动化测试(Automated Test）由测试工具自动地执行某项软件测试任务，如通过某个软件工具完成应用系统的功能测试和性能测试等测试执行工作，而测试的计划、设计和管理等其他工作还是手工完成。

测试自动化（Test Automation）的整个测试过程都由计算机系统自动完成，体现了更理想的自动化思想，有更广的范畴和更大的挑战。它不仅要求由工具完成测试的执行，而且要求测试的设计和管理也由系统自动完成，例如基于模型实现测试设计的自动化、基于软件设计规格说明书实现测试用例的自动生成、基于数据库系统实现测试管理的自动化等。

实现测试自动化，就可以实现即时测试，即变更提交后当夜自动测试，极大的提升测试效率，极早的发现测试问题，实现快速和完整自动回归。

4）测试全生命周期优化

实现测试全生命周期整体效率提升。通过对测试输入资料准备、测试环境部署、测试执行、测试结果评价、测试报告生成等测试全业务链活动进行统一的规划，实现测试业务全生命周期的整体效率最优。

3 轨道交通测试发展方向

《交通强国建设纲要》提出要“推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合”。中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）2020年8月份出台《新时代交通强国铁路先行规划纲要》中，描绘了新时代中国铁路发展美好蓝图，并把“发展自主先进的技术装备体系”作为主要任务之一，要求提升基础设施技术装备水平，推进设施数字化、智能化升级，自主研发新型智能列控系统、智能牵引供电系统、智能综合调度指挥系统以及新一代铁路移动通信系统 ；要求以新型基础设施赋能智慧发展，加大5G通信网络、大数据、区块链、物联网等新型基础设施建设应用，统筹推进新一代移动通信专网建设，构建先进、安全高效的现代铁路信息基础设施体系。

铁路新一代基础设施的开发，离不开测试的支持。随着众多新技术的利用以及系统复杂程度的提高，数据来源的增加，对系统的原型、原理进行论证，对开发的系统进行充分的验证均离不开测试的支持，在新产品研发过程中，测试是必备的环节，发挥着鉴定系统的正确性、完整性、安全性的重要作用。

轨道交通测试技术的发展整体上可以分为两个方向，基础测试技术研究和前沿测试技术研究，前者着力于利用现在可行的技术解决目前面临的测试问题。后者面向未来，一是研究未来的哪些新技术可以利用在测试中，二是为了支持新技术的应用，测试应该提供什么样的支撑。

3.1 基础测试技术研究

1）研究数字化仿真技术，建设虚拟化仿真模型

目前的轨道交通测试有相当一部分设备停留在实物仿真阶段，未实现数字化仿真，进行测试依旧依赖于实物，受限于硬件平台条件，导致某些软硬件集成的测试无法实施或者成本很高。硬件计算机的仿真更是空白。依赖于实物的仿真首先制约了可以并行开展的测试数量，提高了测试成本，其次是难以实现故障注入测试，不能保证测试的充分性。

研究基于硬件功能的仿真以及基于指令的仿真技术，对于被测对象提供虚拟化仿真模型，可以解决测试依赖实物导致的成本高、并行测试开展受限，以及故障注入难度大的问题；同时，数字化仿真为自动化测试提供了更好的基础条件。

2）建设轨道交通云测平台，实现测试资源统一高效管理

轨道交通领域的测试，有着与其他行业领域不同的特点和要求，首先是对安全性要求高，导致测试项目多，测试时间长，产品和系统测试层级多；其次是由于在建工程项目多，测试需求多，工期要求紧张，测试资源配置实物化导致测试资源冲突频发、测试时间长、测试环境搭建复杂。

建设轨道交通云测平台，基于人机界面代理技术，实现测试对象的数字化，平台和环境的虚拟化，测试执行的自动化；在数字化、虚拟化、自动化的基础上，采用数字孪生技术建设测试云，实现测试资源的集中统一调度管理，并研究工具云化技术，测试资源的自动部署和清理技术，实现远程跨地域测试、多实例并行测试，可以解决目前轨道交通测试面临的以上问题。

3）研究自动化测试技术，提高测试效率

目前的轨道交通测试，仍旧大量依赖人工测试，人工测试的效率低、不确定性高，并且受限于人员数量和资质，无法开展并行测试、工作时间受限、回归测试仍旧占用大量人力资源。

自动化测试与人工测试相比，在测试效率、测试确定性方面有着巨大的优势，而且自动化测试可以开展并行测试、全天测试，只要提供硬件资源，测试能力几乎不受限制。其次自动化在产品全功能测试和回归测试方面，有着天然的优势，在产品变更时可以进行全功能全回归测试，避免修改的意外影响。

3.2 前沿测试技术研究

研究零现场测试技术：零现场测试是通过执行完整的实验室测试过程来最小化现场测试的技术方案，主要研究内容包括通用的测试过程框架定义，以确定需要在现场和实验室/仿真进行的测试，研究测试案例选择的通用标准，以支持现场以及实验室测试。零现场测试一方面降低了现场测试要求，另一方面也相对提高了实验室测试的可信度。

研究平行仿真在轨道交通测试中的应用：设备平行仿真作为新兴的仿真技术，旨在将仿真系统和被测设备通过双向交互同时运行，仿真系统以在线的方式不断从被测设备实时获取状态信息，用于在线修正仿真模型，修正的仿真模型反过来可以用于改进被测设备的性能，形成良性的循环。

研究针对5G等新一代无线通信、超宽带通信技术：北斗卫星等安全定位技术，人工智能技术，物联网泛在互联技术、雷达感知以及模式识别技术的测试技术、策略和方法，保障新技术在应用中的安全可靠应用。

信息安全测试技术研究：在国标与国际信息安全标准的体系架构下，研究信息安全测试技术，主要包括测试环境的构造与仿真、信息安全的有效性测试、负荷与性能测试、攻击测试、故障测试、一致性与兼容性测试等信息安全测试技术在轨道交通中的应用。

面向复杂系统和强耦合系统提供测试能力：对于面向未来轨道交通多产品构成的强信息融合的复杂系统，应根据其故障传播机理、局部故障抑制要求等特点，在系统整体可靠性、健壮性提出适用的测试技术和方法。

解决多传感器多模式融合测试需求：通过基于多传感器、多信息来源来构成整体高可靠、高安全的综合感知结果是未来铁路一个重要方向，测试应改变传统的测试方式，在实物测试的基础上，通过仿真和模型技术，来验证多信息融合的安全性和可靠性。

支持全场景全要素仿真，适应自主式轨道交通系统发展：测试技术应致力于从全场景向全场景+全要素仿真的改变，以提供对自主式轨道交通全面感知、自主感知要求的测试覆盖。

研究满足用户需求的可信测试技术：研究形式化验证技术在测试中的应用，形式化验证技术是EN标准强烈推荐的验证和测试技术，它使用了无缝对接的数学证明原理，面对测试的变量组合数量众多的情况，形式验证可提供充分的确定性，并提供更客观可信的测试结论。

基于知识图谱的测试案例自动生成和复用技术：在人工保证基本测试案例的基础上，利用机器学习技术衍生更丰富场景和测试输入组合的测试案例，提高测试案例场景覆盖的全面性，使测试对象能够在实验室暴露现场运营中发生的组合条件故障。利用知识图谱里面所蕴含的丰富的关联性，对既有的测试案例进行识别和分类，提高既有庞大测试案例库的复用比例, 赋能测试安全。

研究区块链技术在测试中的应用：根据区块链具有“不可伪造”“全程留痕”“可以追溯”“公开透明”“集体维护”等特征，开发基于这些特征在测试过程记录中的应用，以提供可信和可追溯的测试结果记录。

3.3 轨道交通云测试

云测试是一种有效利用云计算环境资源对于其他软件进行的测试或是一种针对部署在“云”中的软件进行的测试，在云计算的虚拟环境下，通过多种大数据分析方法评估测定应用软件开发质量与设计水平的测试活动。云测试即在云端配置测试所需要的几乎所有环境，以云的技术模式进行测试的工作模型。

基于云计算技术，云测试平台可为企业节约测试过程中的软、硬件开销与人员投入，云测试技术通过在云端部署测试环境和测试软件，不需要去搭建和拆除测试环境，更不需要根据测试需求，经常购买相应的软硬件设施，只需要简单地配置相应的虚拟参数设置，就可以实现测试资源按照用户的需求提供，动态延展；云测试支持测试资源的复用和灵活分配，以解决实体测试资源不足的问题，而且同时支持分布式异地测试，可以提供远程测试接入功能，云测试可以提供远程测试服务，用户不需要在本地配置和安装软件测试环境，而是在云测试平台上完成测试任务。

一个典型的轨道交通云测系统架构如图3所示。

图3 轨道交通云测系统结构Fig.3 Structure diagram of rail transit cloud measurement system

轨道交通云测系统可分为基础架构层、驱动技术层、测试应用层等3部分。

基础架构层提供硬件资源，可以基于通用的云架构；驱动技术层包括操作系统，以及为轨道交通云测试提供服务的虚拟硬件、虚拟仿真框架，可以对上一层提供通用的基础服务；测试应用层主要包括测试仿真软件、测试管理软件、测试案例库、设备模型等，该层负责直接与被测设备以及测试人员交互，完成测试任务。

轨道交通云测系统能够自动完成服务的停止、服务下线、删除服务配置和资源回收等操作，根据业务需求增删模块、增减资源配置等。在虚拟技术的支持下，当服务不再需要时，可以取消部署以释放占用的资源。可以开启自动回滚设置服务，通过设置还原点，将服务重新还原到指定状态。

云平台可以通过管理软件实现测试流程管理、输入输出记录、测试快照、测试过程回放、测试记录和报表自动生成等，开启状态和过程监控服务，进行状态管理，在测试全程监控执行的每一步骤，便于发现和解决问题。

4 总结和展望

轨道交通领域正在越来越多的向数字化、自动化发展，新技术不断在轨道交通中应用，控制系统的复杂度也在提高；相应的，轨道交通测试技术也应向数字化、自动化发展，以更好地服务于轨道交通新产品开发和工程应用，保障轨道交通运营安全，促进和支持新技术在轨道交通领域内的应用。

作为数字化和自动化的一个方向，基于云计算技术的软件测试在很大程度上解决了传统时期人工测试、自动化测试在投入成本、耗费时间、性价比、人因风险等方面的问题，云测试具有非常广阔的发展前景，并且随着云计算技术的推广使用，未来的云测试对于传统的软件测试以及云计算的发展必将具有深远的影响。