靖焱林，唐 濤

（北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

車載設(shè)備是列控系統(tǒng)的重要組成部分，其功能和性能符合規(guī)范的要求，才能保證列車的安全運(yùn)行，因此在設(shè)備投入使用前，要對(duì)其進(jìn)行全面的測(cè)試。測(cè)試用例生成是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試的關(guān)鍵，對(duì)于車載設(shè)備的測(cè)試，基于UML模型的測(cè)試具有很大的優(yōu)勢(shì)。UML 2.0活動(dòng)圖適合于描述各種運(yùn)營(yíng)條件下車載設(shè)備的功能執(zhí)行過程，不同抽象層次的活動(dòng)圖可以對(duì)系統(tǒng)不同層次的行為進(jìn)行建模，可以生成用于不同用途的測(cè)試用例。本文主要研究CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備的功能測(cè)試用例生成方法。

1 CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)車載設(shè)備介紹

CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)是基于軌道電路和點(diǎn)式應(yīng)答器，傳輸列車運(yùn)行信息，并采用目標(biāo)距離模式監(jiān)控列車運(yùn)行的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括列控車載設(shè)備和列控地面設(shè)備。

車載設(shè)備由車載安全計(jì)算機(jī)、軌道電路信息接收模塊、應(yīng)答器信息接收模塊、人機(jī)界面、速度傳感器、列車接口單元、運(yùn)行記錄單元、軌道電路信息接收天線、應(yīng)答器信息接收天線等部件組成。

車載設(shè)備具有的基本功能有軌道電路信息和應(yīng)答器信息接收功能、載頻鎖定功能、速度和距離計(jì)算功能、制動(dòng)輸出功能、防溜逸功能、記錄功能、顯示和提示功能、LKJ接口功能、與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備接口功能、與EMU的接口功能等。

2 UML 2.0活動(dòng)圖模型

2.1 UML 2.0活動(dòng)圖語義

UML 2.0活動(dòng)圖將系統(tǒng)行為過程建模為活動(dòng)，活動(dòng)由邊所連接的節(jié)點(diǎn)集合組成。節(jié)點(diǎn)可以是動(dòng)作節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)或?qū)ο蠊?jié)點(diǎn)。邊代表活動(dòng)中的流，可以是控制流或?qū)ο罅鳌?/p>

僅當(dāng)每條輸入邊上有控制流，并且系統(tǒng)狀態(tài)滿足節(jié)點(diǎn)的前置條件，動(dòng)作節(jié)點(diǎn)執(zhí)行其操作；在操作執(zhí)行結(jié)束時(shí)，如果系統(tǒng)狀態(tài)滿足節(jié)點(diǎn)的后置條件，那么控制流轉(zhuǎn)換到其輸出邊。常見的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)有調(diào)用動(dòng)作、發(fā)送信號(hào)動(dòng)作和接受事件動(dòng)作。

控制節(jié)點(diǎn)管理活動(dòng)內(nèi)的控制流，它控制流如何從它們的輸入邊傳遞到輸出邊。常用控制節(jié)點(diǎn)類型有初始節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)、判決節(jié)點(diǎn)和匯合節(jié)點(diǎn)、派生節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。初始節(jié)點(diǎn)表示活動(dòng)開始，終止節(jié)點(diǎn)表示活動(dòng)結(jié)束。對(duì)于判決節(jié)點(diǎn)，只有滿足防護(hù)條件的輸出邊才能獲得流；匯合節(jié)點(diǎn)則將輸入邊的控制流匯合給輸出邊。派生節(jié)點(diǎn)將控制流同時(shí)分給滿足條件的并發(fā)輸出進(jìn)程；對(duì)于匯聚節(jié)點(diǎn)，僅當(dāng)所有的輸入邊的控制流滿足條件時(shí)，才傳給輸出邊。

對(duì)象節(jié)點(diǎn)表明對(duì)象在活動(dòng)中的特定位置可用。對(duì)象流是對(duì)象節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出邊，代表對(duì)象的活動(dòng)。對(duì)象節(jié)點(diǎn)可以表示為活動(dòng)參數(shù)或別針，它們?cè)谡Z義上都是相同的?；顒?dòng)參數(shù)與對(duì)象節(jié)點(diǎn)并無二異，表示活動(dòng)的輸入或輸出參數(shù)。別針僅有一條邊，輸入別針僅有輸入邊，輸出別針僅有輸出邊。

2.2 UML活動(dòng)圖形式化定義

定義1：活動(dòng)圖D = {A, T, C, F}是一個(gè)四元組，其中：

（1）A是有限節(jié)點(diǎn)集合，且A為非空集合；

（2）T是有限邊集合，且T為非空集合；

（3）C是相應(yīng)邊上的轉(zhuǎn)移條件表達(dá)式；

定義2：D = {A, T, C, F}是活動(dòng)圖，CA表示當(dāng)前活動(dòng)狀態(tài)，CA是A的子集，對(duì)于T中的任意元素t，有：

（2）C(t)表示t上的轉(zhuǎn)移條件，E(CA)表示CA可觸發(fā)的邊集合，則?t 是CA的子集。

（3）f(CA)表示在某一時(shí)刻CA能夠觸發(fā)的唯一發(fā)生轉(zhuǎn)換的邊，則f(CA) = {t | t∈E(CA)且(CA為空}，t觸發(fā)后的新狀態(tài)CA* = (CA－，如果滿足條件的t不止一個(gè)，那么任選其中一個(gè)。

（4）EP表示活動(dòng)圖的執(zhí)行路徑，即：

CA0是EP的起始活動(dòng)狀態(tài)，CAn是EP的終止活動(dòng)狀態(tài)，CAi是當(dāng)前活動(dòng)狀態(tài)，ti= f(CAi)，i =

3 測(cè)試用例設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試用例形式化定義

定義3是測(cè)試場(chǎng)景的形式化定義。

定義3：D = {A, T, C, F}是一個(gè)可測(cè)試活動(dòng)圖，即D至少有一個(gè)初始節(jié)點(diǎn)。D的初始活動(dòng)狀態(tài)是CA0，表示初始節(jié)點(diǎn)集合，終止活動(dòng)狀態(tài)是CAn，表示終止節(jié)點(diǎn)集合。D的一個(gè)測(cè)試場(chǎng)景TS是從活動(dòng)的初始節(jié)點(diǎn)到終止節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行序列，即：

其中，CAi是當(dāng)前活動(dòng)節(jié)點(diǎn)集，且ti∈E(CAi)，Ci是ti的轉(zhuǎn)換條件，i = 0, 1, 2,…, n-1；CAi= (CAi

定義4是測(cè)試用例的形式化定義。

定義4：D = {A, T, C, F}是一個(gè)活動(dòng)圖，D的一個(gè)測(cè)試用例TC是包含特定測(cè)試場(chǎng)景和輸入輸出數(shù)據(jù)的三元組，即：

TC = {TS, ID, ED}

其中，TS是測(cè)試用例所屬的測(cè)試場(chǎng)景，ID是輸入數(shù)據(jù)，ED是ID對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)。

測(cè)試數(shù)據(jù)可以通過分析活動(dòng)的輸入對(duì)象節(jié)點(diǎn)、輸出對(duì)象節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)移邊上防護(hù)條件得到。輸入數(shù)據(jù)取值可采用等價(jià)類劃分、邊界值分析等方法設(shè)計(jì)，然后通過組合覆蓋原則定義滿足測(cè)試覆蓋要求的測(cè)試用例。

3.2 活動(dòng)圖測(cè)試覆蓋準(zhǔn)則

（1）節(jié)點(diǎn)覆蓋準(zhǔn)則：活動(dòng)圖上的所有節(jié)點(diǎn)至少要執(zhí)行一次。（2）轉(zhuǎn)移覆蓋準(zhǔn)則：活動(dòng)圖上的所有轉(zhuǎn)換至少要執(zhí)行一次。（3）基本路徑覆蓋準(zhǔn)則：活動(dòng)圖上的所有路徑至少要執(zhí)行一次。對(duì)于循環(huán)，按照不進(jìn)入循環(huán)和進(jìn)入循環(huán)一次處理，這樣生成的路徑叫做基本路徑。

3.3 并發(fā)模塊處理

當(dāng)并發(fā)線程比較多時(shí)，由于并發(fā)線程可以任何順序排列構(gòu)成基本路徑，會(huì)導(dǎo)致路徑爆炸問題，因此需要對(duì)并發(fā)線程的基本路徑組合進(jìn)行約束。測(cè)試人員可以對(duì)活動(dòng)進(jìn)行約束，規(guī)定執(zhí)行順序；也可以指定路徑權(quán)值，規(guī)定權(quán)值大的路徑在測(cè)試場(chǎng)景中所占比例較大。

3.4 測(cè)試用例生成

在生成測(cè)試場(chǎng)景前，定義活動(dòng)圖的數(shù)據(jù)模型，該模型描述了活動(dòng)圖構(gòu)成及其與測(cè)試用例間的關(guān)系?；顒?dòng)圖類由分區(qū)、節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)換邊組合而成；節(jié)點(diǎn)有兩種，分別是控制節(jié)點(diǎn)和動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，此外節(jié)點(diǎn)的屬性有輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、輸入邊、輸出邊和防護(hù)條件；轉(zhuǎn)換邊的屬性有頭節(jié)點(diǎn)、尾節(jié)點(diǎn)和防護(hù)條件。每一個(gè)活動(dòng)圖對(duì)應(yīng)于多條測(cè)試場(chǎng)景，每一條測(cè)試場(chǎng)景至少屬于一條測(cè)試用例。

根據(jù)測(cè)試覆蓋準(zhǔn)則，采用帶回溯的深度優(yōu)先搜索遍歷算法，遍歷活動(dòng)中所有基本路徑生成測(cè)試場(chǎng)景。遇到?jīng)Q策節(jié)點(diǎn)拆成不同場(chǎng)景，對(duì)于循環(huán)，至多進(jìn)入循環(huán)一次，因此在遍歷基本路徑的同時(shí)，也可以遍歷活動(dòng)的所有節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)換。

測(cè)試場(chǎng)景生成算法的輸入是活動(dòng)圖，輸出是該活動(dòng)圖的所有場(chǎng)景（scenarios），定義節(jié)點(diǎn)棧（VertexStack）、轉(zhuǎn)換邊棧（TransStack），可觸發(fā)的轉(zhuǎn)換邊棧（Enabled-Stack），當(dāng)前狀態(tài)集（CurrStateSet）、當(dāng)前狀態(tài)集的可轉(zhuǎn)換邊集（EnabledTrans）、新的狀態(tài)集（NewStateSet）、下一次觸發(fā)的轉(zhuǎn)換邊（Se-Transition）、找到的基本路徑（scenario）、判斷是否到終止節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符（SeAnother）。算法流程如圖1。

測(cè)試用例的生成算法是提取測(cè)試場(chǎng)景信息的過程，將測(cè)試場(chǎng)景中的信息轉(zhuǎn)換成輸入、輸出數(shù)據(jù)和操作組成的序列，并以數(shù)組或序列的形式輸出。

測(cè)試用例生成算法的輸入是測(cè)試場(chǎng)景序列（scenarios[]），輸出是測(cè)試用例序列（Testcases[]）。當(dāng)前測(cè)試場(chǎng)景（currScenario）由節(jié)點(diǎn)序列（vertex[]）和轉(zhuǎn)換邊序列構(gòu)成（trans[]），當(dāng)前測(cè)試用例（currTestcase）由輸入數(shù)據(jù)（Input），輸出數(shù)據(jù)（Output）和約束（Constrains）構(gòu)成，i和j是自然數(shù)。算法具體流程如圖2。

圖2 測(cè)試用例生成算法

4 車載設(shè)備測(cè)試用例生成實(shí)現(xiàn)

4.1 車載設(shè)備活動(dòng)圖建模

系統(tǒng)活動(dòng)圖模型既要精確描述系統(tǒng)的行為過程，也要保證其可測(cè)試性。車載設(shè)備工作過程中，需要與多個(gè)外部接口進(jìn)行信息交互，同時(shí)還要實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活動(dòng)圖模型雖然能夠詳細(xì)地描述系統(tǒng)的活動(dòng)，但是不利于理解，也難以生成好的測(cè)試用例集。為方便測(cè)試用例設(shè)計(jì)和生成，規(guī)定車載ATP活動(dòng)建模遵循以下規(guī)則。

規(guī)則1：每一個(gè)活動(dòng)只有一個(gè)初始節(jié)點(diǎn)，至少有一個(gè)終止節(jié)點(diǎn)，派生節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)須成對(duì)出現(xiàn)，不同分支的活動(dòng)必須異步執(zhí)行。

規(guī)則2：除了初始節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)至少有一條輸入邊和輸出邊，從而保證了圖中每一節(jié)點(diǎn)都是可達(dá)的，即沒有孤立節(jié)點(diǎn)。

規(guī)則3：對(duì)于結(jié)構(gòu)化活動(dòng)或原子動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，標(biāo)識(shí)其輸入輸出對(duì)象節(jié)點(diǎn)，使用輸入和輸出別針來表示。

規(guī)則4：對(duì)于控制節(jié)點(diǎn)，需要標(biāo)識(shí)其輸出邊上的轉(zhuǎn)移條件，作為約束。

4.2 車載設(shè)備測(cè)試用例生成

下面以車載設(shè)備的制動(dòng)輸出功能為例說明基于活動(dòng)圖模型的車載設(shè)備測(cè)試用例的生成。車載設(shè)備的制動(dòng)指令與制動(dòng)模式曲線相關(guān)，對(duì)于設(shè)備制動(dòng)優(yōu)先方式，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到常用制動(dòng)模式曲線時(shí)，車載設(shè)備觸發(fā)最大常用制動(dòng)，并按照一定條件在觸發(fā)最大常用制動(dòng)之前的時(shí)機(jī)發(fā)出弱常用制動(dòng)命令；當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到緊急制動(dòng)模式曲線時(shí)，列控車載設(shè)備發(fā)出緊急制動(dòng)命令。圖3為設(shè)備制動(dòng)優(yōu)先時(shí)的制動(dòng)輸出功能執(zhí)行過程活動(dòng)圖。

圖3 制動(dòng)輸出功能活動(dòng)圖

在UML建模工具中創(chuàng)建的活動(dòng)圖模型可以XMI格式導(dǎo)出，使用XMI格式表示的UML模型具有良好的數(shù)據(jù)定義，也便于自動(dòng)化處理和與數(shù)據(jù)庫連接。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的Java DOM API分析XMI格式的活動(dòng)圖，生成的測(cè)試場(chǎng)景和測(cè)試用例以Acess數(shù)據(jù)表的形式給出。根據(jù)我們實(shí)現(xiàn)的測(cè)試場(chǎng)景生成程序，可得出上述活動(dòng)圖有7條基本路徑，圖4為部分測(cè)試場(chǎng)景信息。

圖4 制動(dòng)輸出功能的測(cè)試場(chǎng)景

通過分析每條測(cè)試場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)的輸入輸出對(duì)象內(nèi)容和轉(zhuǎn)換的防衛(wèi)條件，可以生成相應(yīng)的測(cè)試用例，圖5為部分測(cè)試用例信息。

圖5 制動(dòng)輸出功能的測(cè)試用例

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)研究基于活動(dòng)圖的車載設(shè)備的測(cè)試方法，包括測(cè)試場(chǎng)景和測(cè)試用例的生成?；诠?jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)換和路徑覆蓋準(zhǔn)則生成的測(cè)試場(chǎng)景可以滿足現(xiàn)場(chǎng)中的運(yùn)營(yíng)條件需要，測(cè)試用例中的測(cè)試數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了系統(tǒng)與外部的交互信息，為在實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試提供了有力的支持。

只是包含描述性測(cè)試信息的測(cè)試用例是無法直接執(zhí)行的，因此還需要深入分析這些描述性信息，研究如何生成具體的測(cè)試數(shù)據(jù)和可執(zhí)行的測(cè)試用例，這是未來的研究重點(diǎn)。

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