自动测试技术在CBTC系统联锁产品交付测试中的应用

刘彧

（浙江省交通投资集团有限公司轨道交通管理部，浙江 杭州 310000）

1 研发背景

基于通信的列车自动控制系统（CBTC系统）集无线通信技术和自动化控制技术于一体，利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路），双向连续、大容量的车地数据通信技术，在保障列车安全可靠运行的前提下，确保其以较高的速度和较小的间隔运行，大大提高了运营效率。联锁产品是构成CBTC系统的基础设备之一，其所实现的安全功能是保证列车安全运行的前提与基础［1-2］，因此联锁产品投入运营前的交付测试至关重要。目前联锁产品交付测试依靠人工测试，存在效率不高以及因人员疏忽导致的缺陷逃逸等问题。如何进一步提高测试效率、保证产品质量，成为各信号设备厂商不可回避的问题。分析目前联锁产品交付测试的现状与问题，提出新的测试方法，可以在提高测试效率的同时高质量地完成测试任务。

1.1 联锁产品

联锁产品是保证列车运行安全，实现轨道区段、道岔和信号机之间正确联锁关系的安全系统，满足故障-安全原则。联锁设备采用高可靠性、高安全性硬件架构和软件设计。

联锁设备作为CBTC系统中最重要的安全控制设备，须符合欧洲铁路信号EN 50126、EN 50128、EN 50129安全标准，安全完整性等级须达到安全完整性等级4级（SIL4级），其安全性满足《铁路车站计算机联锁技术条件》等我国铁路行业标准。

1.2 联锁表

联锁表是对各集中站内各信号设备的联锁关系，按照《铁路信号联锁表编制原则》中相关要求进行描述的集合，是联锁产品保证列车运行安全的重要设计输入。在联锁表内，以信号平面图中进路为主体，对各设备名称、状态、进路性质等关键信息进行了严格定义［3-4］。

联锁产品交付测试是在联锁逻辑下，按照联锁表对设备状态、站场信息以及各设备的联锁逻辑关系进行验证，以保证联锁产品的安全性与可用性。联锁产品的结合关系是联锁产品交付测试的重要依据。典型的联锁表示例见表1。

表1 联锁表示例

其中部分重要元素释义如下：

（1）进路栏：基本进路均为列车进路，方向填写“正向”或“反向”。当进路始端信号机方向与运行方向一致时为正向，进路始端信号机方向与运行方向相反时为反向。

（2）信号机栏：本栏列出进路开放时对应进路始端信号机的相关内容，包括信号机名称、信号机显示、黄灯定义（降级模式）。

（3）道岔栏：本栏列出所排进路的基本进路中，进路经过的全部道岔位置以及有关防护或带动道岔的编号和位置。

（4）敌对信号栏：顺序填写与所排进路敌对的全部信号机名称。填写时应区分无条件敌对和有条件敌对。只要某条进路一旦建立，其敌对进路就不允许建立，是无条件敌对；只有当有关道岔处于一定位置时才构成敌对关系，否则不构成敌对关系，是有条件敌对。

（5）轨道区段栏：顺序检查所排进路信号开放应检查的轨道区段名称。对于降级模式下，该栏列举的轨道区段（计轴区段）为基本进路锁闭所需检查的内容；对于CBTC模式下，该栏列举的轨道区段除特殊说明外，基本进路锁闭不检查这些轨道区段的空闲，仅检查区段的锁闭和方向。

（6）接近区段栏：接近区段为满足接近锁闭长度要求的轨道区段。CBTC及降级模式下，顺序填写该进路的接近区段。信号开放后一旦接近区段有车占用，进路立即转入接近锁闭状态，接近锁闭不能用取消进路的办法取消进路，只有等列车经过后使其分段解锁或一次解锁，或者使用人工解锁的方法，使进路延时一定的时间或在列车停稳以后解锁进路。

（7）延时解锁时间栏：进路接近锁闭后，人工解锁该进路需要的延时时间。进路延时解锁从信号关闭时开始计时。

（8）其他联锁对象栏：影响“信号机”栏中信号开放的站台门条件、防淹门条件、站台紧急关闭条件、扣车条件；影响该信号开放的场联、站联照查条件；不能同时开放的互斥信号机条件（1个计轴区段两端的信号机）等。

当进路始端信号机为出站性质的信号机时，本侧（或本车站）站台的站台门、站台紧急关闭、扣车条件将作为始端信号机开放条件。即当站台门未关闭或站台紧急关闭按钮被按下或扣车按钮被按下时，始端信号机不允许开放。在进路处于锁闭状态下，当站台门关闭、取消扣车后始端信号机将自动重新开放，当取消紧急停车后始端信号机需通过人工操作重新开放［5］。

当本进路的基本进路内或保护区段内存在站台区段，对于降级模式联锁表，站台门、紧急停车将作为始端信号机开放条件；对于CBTC模式联锁表，站台门、紧急停车、扣车条件将不作为始端信号机开放条件，站台门和紧急停车由区域控制器（ZC）来防护。

2 联锁产品交付测试现状与问题分析

2.1 联锁产品交付测试现状

目前各信号厂商联锁产品交付测试通用的测试内容需涵盖以下方面：软件版本校核、单项测试、输入输出测试、界面显示测试、进路测试、维护机测试、平台数据测试、接口测试等测试项目（见图1）。

图1 联锁产品交付测试项目

产品交付测试中，单项测试包括上电锁闭测试、道岔单锁/单解、道岔强扳、区段故障解锁、计轴复位等测试项；进路测试分为CBTC模式和降级模式2种模式，其测试内容包括进路办理、进路锁闭、信号开放、引导进路、进路取消等测试项；接口测试包括联锁与区域控制器、计轴系统、车载、ZC等设备测试，以及互联互通场景下与其他厂商设备之间的接口信息测试等［6］。

联锁软件作为SIL4级安全产品，承担着信号系统核心安全功能，是保障列车安全运行的基础设备，具有非常高的安全性要求，因此对联锁产品测试方法的完备性和准确性提出了同样的高标准要求。

2.2 问题分析

伴随着各地轨道交通信号领域CBTC系统的广泛应用，互联互通线路愈来愈多，联锁产品需适配各种站场设计、业主要求以及其他厂商产品的接口要求，这将导致联锁产品应用场景多变，不同线路之间技术差异明显，对联锁产品交付测试的完备性提出更高要求。如果所有测试项目均采用人工测试方式，则存在如下问题：

（1）从安全性方面考虑，联锁产品功能越来越复杂、应用场景越来越丰富，要求测试团队的平均技术能力水平随之不断提高，这对任何信号厂商来说都是艰巨的团队建设挑战。此外，在不考虑技术复杂度的情况下，由于联锁产品的控制对象（即信号机、区段、道岔等元素）与界面显示相对固定，测试人员需在保持长时间高度精神集中的状态下进行大量的、较枯燥的重复性操作，在这种状态下测试人员容易出现精神疲惫或注意力分散，一旦对某个现象观察不到位或疏忽大意就会给设备的安全运行留下隐患。

（2）从工作效率方面考虑，在所有测试项目均为人工测试的情况下，完整测试1条进路（包括CBTC模式和降级模式）大约需要2.5～3.0 h。对于站场规模为25～30条进路的新建车站，进行1轮完整的交付测试耗时大约为20个工作日。对于某些较大型车站或车辆段而言，其进路数量往往会在50条以上，其交付测试周期大约需要30个工作日。如果存在复杂站场站型、特殊联锁逻辑情况，相应的测试时间会更长。

因此，联锁交付测试方法必将朝着自动化、智能化的方向发展［7］。目前业内对于联锁自动测试方面开展了较多研究，例如，某公司使用面向对象的软件设计（UML）技术对其自主研发的联锁产品核心逻辑建立模型，基于仿真测试系统生成测试用例，降低了人为参与的影响；某公司针对其联锁产品开发了基于脚本驱动的自动化测试平台，提升了测试效率。但上述自动测试方法的强针对性导致其通用性受限。另外，还有研究人员提出使用有色Petri网对联锁逻辑进行建模，通过分析模型的可达性与最终联锁产品运算结果进行差异分析，从而对联锁产品进行安全性评价，对联锁产品测试有一定借鉴意义［8］，但该类研究大多停留在理论阶段，还未应用于实际测试。

3 CBTC系统联锁产品交付自动化测试

提出基于图形化识别技术的自动测试方法，根据联锁表内容进行测试。依据标准联锁表生成测试序列，通过软件对联锁控显界面的识别，代替人工对信号机、区段、道岔等设备进行指定操作，通过读取相关反馈信息对联锁产品进行交付测试，该方法既能验证联锁产品的安全逻辑，也能保证对站场场景覆盖的完备性［9］。

3.1 自动化测试思路

在联锁产品交付测试的众多测试项中，部分测试项主要为人工校核，例如控显界面显示（信号机朝向、高矮柱等）、安全平台参数等，该测试项主要为界面或数据核对，工具识别相对困难，且测试用时占比较小，因此暂不作为自动化测试项进行处理。通过大量测试实践，单项测试、进路测试信息量大且耗时、耗力，主要是通过人工识别联锁表内信息，点击控显界面按钮实现，具备自动化测试的特点［10］。

自动测试工具首先应具备读取输入资料（联锁表、采驱表）的能力，并生成具体联锁车站自动测试基础数据。自动测试工具根据预先设定好的测试项目、测试方法和步骤，对联锁产品进行单项测试和进路测试，生成测试日志和测试报告（见图2）。

图2 自动测试工具设计思路

3.2 联锁自动测试工具

联锁自动测试工具能运行在工作站上，通过读取输入资料（联锁表、采驱表等），生成具体车站自动测试数据，通过人机界面选择测试项目，满足7×24 h自动测试的需求，自动生成测试日志和测试报告，并记录相关缺项，其架构见图3。

图3 联锁自动测试工具架构

3.2.1 读取输入资料

（1）联锁自动测试工具可读取Excel格式文件CBTC联锁表、降级模式联锁表、引导进路联锁表、自动折返进路联锁表，并识别联锁表中的道岔信息、区段信息、信号机信息等其他元素，然后将测试数据进行存储。

（2）联锁自动测试工具还可读取输入输出信息表，然后将测试数据进行存储。

3.2.2 生成测试数据

（1）联锁自动测试工具可将读取的Excel格式文件联锁表信息、输入输出表信息进行存储，在测试时调用。

（2）联锁自动测试工具可对车站联锁数据进行完整测试、部分测试（可任意选取测试项，也可在任意测试项内选择所需要测试的数据），可根据测试需要灵活设置。

3.2.3 测试输出

（1）测试完成后，测试主界面可直接显示测试错误数量，测试日志内则详细记录了测试结果，并给出错误原因。

（2）测试完成后，可根据测试日志生成最终的测试报告。在测试主界面单击“报告”按钮，在弹出的对话框内单击“新增”，导入要生成报告的日志（可同时选择1个或多个日志文件），然后单击“生成”即可。

3.3 优点与不足

该自动测试工具的优点如下：（1）在不改变任何数据代码的情况下可代替人工操作鼠标执行测试，且满足7×24 h自动测试的需求，提高了测试效率；（2）测试人员在人工测试过程中，存在一定人为失误风险，并且很难做到完全的遍历测试，人工测试存在一定测试误差，自动测试工具可显著弥补该测试风险。

存在的不足如下：（1）在使用自动测试工具前需要进行测试准备，包括截图配置、菜单配置、人机界面（MMI）配置、输入资料配置等，上述配置工作相对耗时；（2）对测试设备要求较高，工作站需运行流畅，若出现卡顿则会影响测试结果，在测试过程中若弹出其他无关窗口，则会影响测试结果，甚至停止测试。

该联锁自动测试工具对提高测试效率及保障测试质量发挥了较大作用，但后期仍有改进空间，可降低配置时间及配置通过率，进一步提高测试效率。

4 结束语

在分析现有联锁产品交付测试方法和问题的基础上，结合实际需要，提出新的自动化测试方式，阐述自动化测试的思路及其联锁自动测试工具的具体实现过程。该自动化测试工具目前已应用于联锁产品交付测试工作中，在一定程度上提高了测试效率与测试质量。