CTCS3级列控系统车载设备测试方法研究.pdf

1、2008.04 总第 133 期RCA 23文章编号 ： 1005-8451 （ 2008 ） 04-0023-05收稿日期 ： 2007-09-14基金项目 ： 国家自然基金资助项目 （ 60742001 ）作者简介 ： 章 慧， 在读硕士研究生 ； 张 勇， 副教授。第 17 卷第 4 期Vol.17 No.4铁路信息系统RAILWAY INFORMATION SYSTEM计 算 机 应 用RAILWAY COMPUTER APPLICATION铁路CTCS3 级列控系统车载设备测试方法研究章 慧， 张 勇（北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室， 北京 100044 ）摘 要 ：

2、 重点研究 CTCS3 级列控系统车载设备的功能测试方法。 首先介绍测试系统的组成， 然后重点阐述测试案例的设计和基于中国邮路算法的测试序列的设计方法， 为实现自动测试奠定基础， 最后给出用邮路算法求解测试序列的具体实现。关键词 ： CTCS3 ； 功能测试 ； 测试案例 ； 测试序列 ； 中国邮路算法中图分类号 : TP391 文献标识码 : AResearch on test method of vehicle equipment of CTCS3 levelZHANG Hui, ZHANG Yong(State Key Laboratory of Rail Traffic Control

3、 Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)Abstract: It was focused on the methodology of function test of CTCS3 level vehicle equipment. Firstly, the architecture ofthe test platform was introduced; secondly, the method of designing the test cases and test sequences based on the Ch

4、inesePostman Problem was described, laying a good foundation for automatic test; finally, how to obtain test sequences using theChinese postman problem algorithm was described.Key words: CTCS3; function test; test case; test sequence; Chinese postman problem algorithm“十一五” 期间是中国铁路高速发展的时期， 干线铁路将进一步提速

5、、 多条客运专线将开工建设、高速铁路正在酝酿中。 为确保列车运行安全和提高运输效率， 迫切需要装备性能先进、 安全可靠的列车运行控制系统。 按照 “先进、 成熟、 经济、 适用、可靠” 的要求， 我国 300 km/h 及以上高速客运专线确定 CTCS3 级作为全路统一技术平台体系， 并兼容CTCS2 级实现动车组上下线运行。 在 CTCS2 级的基础上， CTCS3 级通过集成欧洲列车控制系统 （ ETCS ）无线控车的关键技术， 构建 CTCS3 级技术平台。目前正在进行的武广客运专线、 广深港客运专线及郑西客运专线信号系统均提出采用符合 ETCS技术规范的 ETCS2 级， 并要求外方转

6、让其关键技术， 通过关键技术消化吸收实现客运专线列车运行控制系统的国产化。 建立 CTCS3 级综合仿真测试平台可以为系统的设计研究及设备集成提供良好的辅助设计、 研发平台、 验证测试平台， 用于 CTCS3 级的系统研究、 方案比较、 设备测试评估等。车载子系统作为 CTCS3 级的一个重要组成部分， 对其各方面性能， 尤其是互操作性进行测试， 是非常重要的。 它可以及时发现设备问题， 改进设备性能， 对即将投入使用的设备进行全面的测试， 评估设备的可用性、 可靠性， 以确保行车安全， 提高运输效率。关于 ETCS 车载设备的测试， ERTMS UNISIG 工作组发布了较为详细的文档。由于

7、 CTCS3 级的提出相对较晚， 在相关设备的测试评估的研究方面还是一个空白， 虽然 ETCS 已发布了一些关于车载设备测试的可供参考的规范，但是由于技术保密等方面的原因， 许多核心的内容有待深入研究。 本文主要研究 CTCS3 级车载子系统的功能测试方法。1 测试系统的构成1.1 测试系统的构成车载设备测试系统由被测车载设备， 仿真测试环境， 测试系统 3 大部分组成。 其中， 被测对象车载设备是实物， 仿真测试环境内的模块是仿真设 备。测试场景产生器是一个离线模块， 它用于自动产生测试序列， 设计测试序列的数据， 是本文的研究对象。 在进行测试之前， 它将产生的测试序列数据文件传送给测试控

8、制器。 测试控制器再将这些数2008.04 总第 1 33 期 RCA24图 3 系统需求规范， 功能特征， 测试案例之间的关系图 2 测试案例设计流程图第 17 卷第 4 期铁路信息系统 铁 路 计 算 机 应 用据分别传给其它的相应模块， 进行测试配置。测试控制器用于控制和监督整个测试过程。测试控制器与列车运行仿真器之间的数据交互 ： 配置阶段， 测试控制器给列车运行仿真器发送列车数据， 轨道条件， 预先定义的速度曲线以及一些其它参数。 在测试过程中， 它接受列车运行仿真器的报告的列车加速度、 列车速度以及列车故障等信息。 测试控制器与其它模块之间的数据交互如下 ：（ 1 ） 与速度传感器

9、模拟器的数据交互。 配置阶段， 测试控制器给速度传感器模拟器发送一些速度参数。 在测试过程中， 它接受速度传感器模拟器的旅行距离以及故障信息 ；（ 2 ） 与 RBC 仿真器的数据交互 。 配置阶段， 测试控制器给 RBC 仿真器发送以位置为参考点的消息列表以及基于时间窗或距离窗的消息传输限制条件。在测试过程中， 当 RBC 接受到一个消息， 发送出一个消息或由于条件不满足而不发送消息时， 要告知测试控制器。 测试控制器接受 RBC 的故障信息 ；（ 3 ） 与模块事件记录器的数据交互。 配置阶段，控制器给模块事件记录器发送除模块事件记录器之外的用于配置其它模块的所有信息， 并且模块事件记录器

10、要给测试控制器一个应答。 在测试过程中，测试控制器接受模块事件记录器的故障信息。测试数据记录器包括 JRU 下载单元、 模块事件记录器和 MMI 事件记录器。 JRU 下载单元用于下载车载设备中 JRU 记录的信息。 这些信息用于核实车载设备的行为， 并且与采集到的其它模块的信息一起用于检查测试序列是否正确， 车载设备的行为是否符合系统需求规范和测试规范。模块事件记录器用于记录其它模块的有用信息。 它所记录的信息与 JRU 下载单元的信息一起，用于离线测试评估。 模块事件记录器与其它模块之间的数据交互如下 ：（ 1 ） 与测试控制器之间的数据交互。 配置阶段，接受测试控制器的所有配置文件。 在

11、测试过程中，给测试控制器发送故障信息 ；（ 2 ） 与速度传感器模拟器之间的数据交互。 在测试过程中接受速度传感器模拟器带有时间戳的旅行距离 ；（ 3 ） 与列车运行仿真器之间的数据交互 。 在测试过程中接受列车运行仿真器带有时间戳的列车速度 ；（ 4 ） 与 RBC 之间的数据交互。 在测试过程中接受 RBC 带有时间戳的发送及接收消息。MMI 事件记录器用于记录 MMI 所有的输入输出事件。 测试数据分析单元是一个评估测试结果的离线模块。 它利用模块事件记录器、 MMI 事件记录器以及 JRU 下载单元中的信息来检查测试序列的执行结果， 分析判断整个运行过程。对车载设备进行功能测试的目的是

12、验证车载子系统是否满足系统需求规范， 因此， 测试依据也是系统需求规范。 对一个系统进行功能测试要解决的两大主要问题就是测试案例和测试序列的设计。2 测试案例的设计对系统进行功能测试， 采用根据系统的功能特图 1 车载设备测试系统组成征点设计测试案例的方法 2 。在划分功能特征的过程中， 要保证各功能特征覆盖整个系统需求规范， 也即系统需求规范中的每一条要求都要在功能特征中得到体现， 这样才能保证功能测试的完整性。获取功能特征之后， 针对每个功能特征设计多2008.04 总第 133 期RCA 25CTCS3 级列控系统车载设备测试方法研究 铁路信息系统第 17 卷第 4 期车载设备的工作过程

13、是通过状态的不断转换来体现的。 测试序列的设计， 关键在于提取系统的内部状态， 将系统的状态集找出之后， 寻找起始状态至终止状态的转换路径， 则每条状态转换路径就是一个测试序列。由于系统的状态变量往往很多， 系统状态非常复杂， 若一次将所有的状态变量的所有可能的组合完全描述出来， 则十分繁杂， 不可行。 故可根据状态变量的覆盖度分为全局状态变量和局部状态变量。 全局状态变量就是持续的时间相对较长， 覆盖的功能范围较大， 且是明显的状态分界点 ； 局部状态变量则是在到达某个全局状态下的更具体状态。图 4 案例与状态的关系个测试案例， 以便对功能特征进行完整的测试。 在进行案例设计时， 既要考虑正

14、常情况， 也要考虑异常情况， 并且针对异常情况的案例设计是重点， 案例设计必须全面。一个测试案例的完整描述如下 ：（ 1 ） 测试案例标识号。 包括案例所测功能特征的标识号以及测试案例自身标识号 ； （ 2 ） 测试案例之间的关系。 包括用于测试另一个功能特征的前继案例， 以及本案例中包含的用于测试另一个功能特征的子案例 ； （ 3 ） 案例的开始条件。 包括内部状态和各外部接口的状态 ； （ 4 ） 案例的操作步骤。 表明案例的可执行性 ； （ 5 ） 案例结束条件。 包括终止内部状态和各外部接口的结束状态 ； （ 6 ） 案例执行结果的判断标准。 包括车载设备各外部接口单元 （比如 TRU

15、,TIU,MMI ） 的所记录的及显示的信息和发生的动作。这种由系统需求规范到功能特征， 再由功能特征到测试案例的案例设计过程， 具有以下优点 ：（ 1 ） 能在既有可用的外部接口上测试系统需求规范中的需求 ；（ 2 ） 从 CTCS3 的全局角度集中规划案例， 减少测试案例的数量 ；（ 3 ） 案例的开始条件包括内部状态和各外部接口的状态 ；（ 4 ） 案例的操作步骤表明案例的可执行性 ；（ 5 ） 案例结束条件包括终止内部状态和各外部接口的结束状态 ；（ 6 ） 案例执行结果的判断标准包括车载设备各外部接口单元 （比如 TRU,TIU,MMI ） 的所记录的及显示的信息和发生的动作。3 测

16、试序列的设计3.1 测试序列的设计方法根据全局状态变量产生全局的测试序列框架，然后， 再以每个测试序列框架为研究对象， 针对全局状态转换中的每个状态及状态转移， 根据局部状态变量转换产生测试子序列， 从而由测试子序列形2008.04 总第 1 33 期 RCA26图 9 各顶点 （模式） 与编号对应关系成若干个具体的可执行的测试序列。CTCS3 级车载子系统中， 全局状态变量为车载设备所处的运行模式。 局部状态变量为数据完整性输入， 消息， 信息包， 速度， 是否建立通信会晤等。3.2 测试序列的实现测试序列的产生， 实际上转化为一个有向图的中国邮路问题的求解。 将每个状态作为有向图的顶点，

17、状态之间的关系转换为有向图的弧， 测试序列集就是这个有向图存在穿过每条边至少一次的有向闭合回路， 也即中国邮路问题的解。以车载子系统的全局状态变量， 即车载运行的模式转变为模型， 求解模式测试序列。 CTCS3 级车载设备共有 13个运行模式， 车载设备工作时总是以未上电模式 （ NP ） 为起点， 以未上电模式 （ NP ） 为终点。 各模式之间存在着一定的模式转换关系。 设计的测试序列集必须保证每个状态之间的转换至少出现一次， 同时， 尽量减少状态转换的重复， 以免重复测试， 从而减少测试工作量， 提高效率。3.2.1 寻找强连通分量可以利用 kosaraju算法寻找强连通分量。由于车载设

18、备工作时总是以未上电模式 （ NP ）为起点， 以未上电模式（ NP ） 为终点。 因此， 在模式转换中， 模式测试序列必然总是以 NP 为起始点， 同时又以 NP 为终止点， 从而， 要找的强连通分量必定包含 NP ，而不在这个强连通分量内的模式必定是少数的几个。 在此， 根据 kosaraju 算法思想， 对 kosaraju 算法进行 简化。 先找出包含 NP 的强连通分量， 对于不在此强连通分量中的模式， 则另外考虑， 找出以 NP 为起始点的若干路径作为模式转换系列。 在本例中，结果只有 IS 模式不属于这个强连通分量， 另作考虑。3 .2.2 构造最小费用流图找出强连通分量之后，

19、构造最小费用流图。 构图 6 整个程序流程图原始有向图寻找强连通分量造成最小费用流图构造欧拉图欧拉图寻迹测试序列集出始图以 NP 为起点对原图进行 DFS得到 DFS 序列 STR1以 NP 为起点对反向图进行 DFS得到 DFS 序列 STR2比较 STR1 ， STR2 ， 提取两者中的公共顶点得到序列 STR3强连通分量图 7 寻找强连通分量流程图添加虚发点 S, 虚收点 T建立最小费用流图MMinCMaxF初始化各边容量CIj=100计数 i=0 ， 路径数 RC=0a=FindIndogree(MQF,v)FindIndegree(MQFF,v)a0Csv=aRC+=a Cvt=ab

20、s(a)iMQF.vex结束是是否否图 8 构造最小费用流图 （得出容量矩阵 C ）造最小费用流图关键是构造虚发点 s 至各发点的弧容量 Csu 和收点至虚收点 t 的弧容量 Cvt 。 将图中的弧的权值 w 都设为 1 ， 也即通过每一条边的费用 w 为 1 即可。 流程图如图 8 。3.2.3 构造欧拉图利用 Floyd 算法寻找最短路径。 每寻找到一条路径， 将经过的弧的次数增加一次， 判断弧经过的次数是否等于最小费用流图的弧容量， 若相等， 说明此弧不能再经过， 则将此弧的权重设置为无穷。 在利用 Floyd 算法时， 存在的问题是， Floyd 给出的是最短路径所经过的顶点集， 而并

21、非一条有序的路径。因此， 在利用 Floyd 算法得出最短路径顶点集之后，要对顶点进行先后排序， 以得到实际的最短路径。3.2.4 欧拉图寻迹采用逆向寻迹的方法进行欧拉图寻迹。 首先要找出一棵以起始点 NP 为根的生成树 Tree ， 则欧拉寻迹 ：第 17 卷第 4 期铁路信息系统 铁 路 计 算 机 应 用（ 1 ） 逆向寻迹的起始边是与 NP 关联的任一边 ；（ 2 ） 选取与当前结点关联的逆向边作为后继边， 并且满足 ： 任何边不得重复， 若与当前结点关联的逆向边中存在不属于 Tree 的逆向边时， 不得选取属于 Tree 的逆向边 ；2008.04 总第 133 期RCA 27过邮路

22、算法， 使测试序列覆盖所有的测试案例， 同时又使测试案例的重复尽可能小， 这样既能保证对系统规范中的功能进行全面的测试， 又能达到尽可能少的重复， 从而提高测试效率。 当然， 在利用邮路算法设计测试序列， 其中一两个序列可能比较长，为了得到较短的序列， 可以根据具体情况， 对较长的测试序列进行进一步的优化， 使测试更加简洁。目前已经实现了测试序列的产生， 测试案例选择，测试数据设计等基本功能， 整个程序还有待完善。文献参考 ：1 肖位枢 . 图论及其算法 M. 北京 ： 航空工业出版社， 1993 ：216-217 ， 273-275.2 杜端甫 . 运筹图论 M. 北京 ： 北京航空航天大学

23、出版社，1990 ： 234-235.（ 3 ） 当寻迹到达某一结点时， 与该结点关联的边都已选取过， 寻迹结束。图 10 构造欧拉图流程图图图 11 构造各顶点的逆向边邻接点集 A 流程图CTCS3 级列控系统车载设备测试方法研究 铁路信息系统第 17 卷第 4 期实现中， 要解决的一个重要问题是构造每个顶点的逆向边邻接点集 A 。 若点 u 的逆向边出现在生成树中， 则此边的邻接点排在 A 的尾端。 对于没有重复边的欧拉图比较好设置。 然而， 本问题得到的欧拉图是一个具有多条重复边的欧拉图。 故根据逆向欧拉寻迹法的思想， 在 DFS 的同时， 确定每个点的双亲结点， 则可以确定出 DFS 生成树中所存在的边。 将欧拉图的边的权值设置为边的重复数加 1 ， 也即两点之间平行边数。 则构造每个顶点的逆向边邻接点集流程图如图 11 所示。4 结束语本文重点研究 CTCS3 级车载子系统的测试方法中的测试案例和测试序列设计方法。 测试案例和测试序列在设计过程中是分开独立的， 互不影响。 但在进行测试中， 它们是有联系的， 通过测试序列将测试案例合理串联起来， 以达到自动测试目的。 通