基于黑盒测试技术的CTCS级列控系统联调联试技术

基于黑盒测试技术的CTCS级列控系统联调联试技术第1页/共24页2010年3月2基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究

概述CTCS-3级列车运行控制系统是我国铁路时速300-350km客运专线的重要技术装备，是保证高速列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一；CTCS-3级列控系统联调联试是系统开发过程中或实际工程开通运营前进行的完整性测试，包括对系统设计方案的验证、系统总体功能需求的确认，系统接口关系与安全性的测试等，是典型的黑盒测试；武广客运专线CTCS-3级列控系统联调联试以黑盒测试技术为基础，实现了测试模型、测试案例、测试数据、缺陷管理与试验环境的有机结合，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、郑西等客运专线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。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第2页/共24页2010年3月3基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究1前言

CTCS-3级列车运行控制系统是我国铁路时速300-350km客运专线的重要技术装备，是保证高速列车运行安全、可靠、高效的核心技术之一。

CTCS-3级列控系统充分利用了当代最先进的通信技术、计算机网络技术、工业自动控制技术和信息处理技术，将分散的列车位置信息与信息自动分析处理、管理和决策有机结合起来，实现了高速运行条件下对列车运行速度和追踪间隔的实时监控和防护。为检验和确认列控系统的设计方案和功能需求，在系统集成工作完成后，应对系统进行联调联试，通过实车试验的方式，验证系统功能需求与设计方案的符合性、系统集成与设计方案的符合性，检验设计方案的完善程度与安全性能，为调整和优化设计方案提供依据。为了全面、准确地验证列控系统的功能需求，我国在借鉴欧标Subset-076的基础上，制定了《CTCS-3级列控系统测试案例》，颁布了《客运专线CTCS-3级列控系统综合试验试验大纲》，成为我国CTCS-3级列控系统综合试验和联调联试的重要依据，并在武广客运专线CTCS-3级列控系统联调联试中首次应用。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第3页/共24页2010年3月4基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究2黑盒测试理论1、黑盒测试的概念：

黑盒测试技术是只基于需求和功能，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，以能够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。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第4页/共24页2010年3月5基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究2黑盒测试理论2、黑盒测试的关键—选择合适的数据集黑盒测试的根本在于选择合适的数据集，合适的数据集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和异常行为，必要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；

中国铁道科学研究院通信信号研究所第5页/共24页2010年3月6基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究2黑盒测试理论3、黑盒测试的方法—测试方案与测试案例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，测试方案一般按照以下顺序执行：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。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第6页/共24页2010年3月7基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用1、联调联试的内容与需求

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CTCS-3级列控系统所具备的功能进行测试，验证列控系统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，是典型的系统级的黑盒类型测试。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、系统需求规范等的要求，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。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第7页/共24页2010年3月8基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用2、列控系统的总体构成

CTCS-3级列控系统由地面设备和车载设备构成。地面设备由RBC、临时限速服务器、列控中心（TCC）、ZPW-2000（UM）系列轨道电路、应答器（含LEU）、GSM-R通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机、GSM-R无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息传输模块、记录单元、人机界面和列车接口单元等组成。

RBC设备是CTCS-3级列控系统的核心设备。RBC通过与车站联锁系统的接口获取轨道电路、联锁进路等信息并生成行车许可，通过与临时限速服务器接口获取临时限速信息，通过GSM-R无线通信系统将行车许可、临时限速和线路参数等传输给CTCS-3级列控车载设备，同时接收车载设备发送的位置和列车数据等信息。

CTCS-3级列控系统兼容CTCS-2级列控系统，由列控中心负责轨道电路编码、应答器报文储存和调用、临时限速等功能，CTCS-3级车载设备将CTCS-2级功能作为后备模式，两种等级间可实现不停车转换中国铁道科学研究院通信信号研究所第8页/共24页2010年3月9基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用2、列控系统的总体构成中国铁道科学研究院通信信号研究所第9页/共24页2010年3月10基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用3、黑盒测试模型联调联试是系统整个设计开发生命周期中不可缺少的一个关键环节中国铁道科学研究院通信信号研究所第10页/共24页2010年3月11基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用3、黑盒测试模型

联调联试要求：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。中国铁道科学研究院通信信号研究所第11页/共24页2010年3月12基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用4、测试案例的设计为完善和规范CTCS-3级列控系统的测试，我国在借鉴欧标SUBSET076的基础上，引用了测试案例、功能特征、测试序列和运营场景等多个概念，并制定了《CTCS-3级列控系统系统测试案例》，共计470个测试案例。

SUBSET076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精简后的必要功能实体。

测试案例与系统功能需求的对应关系中国铁道科学研究院通信信号研究所第12页/共24页2010年3月13基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用4、测试案例设计SRS编号SRS特定需求[2]功能特征对应测试案例[3]3.8.5.1设置一个单独的线路限速类别通过RBC发送临时限速案例1：RBC生成并发送TSR信息包；案例2：车载接收TSR信息包，正确计算TSR；案例3：车载接收到C2/C3等级转换预告后，接受RBC发送的TSR信息，并正确计算TSR；3.8.5.2所有的临时限速应相互独立3.8.5.11如果无可用的坡度信息，车载设备应使用与临时限速一起收到的坡度信息3.8.5.3临时限速信息应明确，通过临时限速区段后的车尾保持监督临时限速案例1：车载接受TSR信息且到达TSR区域后，按TSR速度运行；案例2：TSR重叠区段按最严格的TSR速度运行3.8.5.4临时限速区段重叠时使用最严格的限制速度值3.8.5.5根据地面设备发送的取消命令，取消速度限制，不需考虑列车长度的影响通过RBC发送临时限速信息取消案例1：车载设备接受RBC发送的66信息包；案例2：当车载为PT模式时，车载接受66信息包；案例3：RBC生成并发送66信息包；案例4：车载接收到C2/C3等级转换预告后，接受RBC发送的66信息包；3.8.5.6应能识别临时限速能否被取消3.8.5.8应只能根据地面设备的命令取消临时限速3.8.5.10改变列车朝向，应删除所有的临时限速3.8.5.9编号相同时，新的临时限速取代先前的临时限速，除非先前的临时限速信息标记为不可取消通过RBC发送临时限速曲线更新案例1：新的临时限速与先前的临时限速编号不同，并且有重叠区域，两个TSR信息都被车载使用；案例2：编号相同时，车载设备只使用新的TSR；案例3：编号相同，且先前的TSR标记为不可取消时，两个TSR信息均使用3.8.5.7新的临时限速不应替代先前收到的具有不同编号的临时限速中国铁道科学研究院通信信号研究所第13页/共24页2010年3月14基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用5、测试数据与边界条件（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、降级运行共14个运营场景，可以对全线列控工程数据进行验证。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第14页/共24页2010年3月15基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用5、测试数据与边界条件（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，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：

MA数据的生成与传送

MA数据与SA数据、列控工程数据、临时限速数据的一致性危险点信息紧急停车消息

MA数据的调整（延长、缩短、更新）低频码序与码序突变应答器报文信息

中国铁道科学研究院通信信号研究所第15页/共24页2010年3月16基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用5、测试数据与边界条件（3）数据一致性的验证

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两个方面的内容，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四个方面：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，变量不应当有无效之值消息应在预期时间内收到消息应在期望的正确位置收到通过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应保持一致。

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、RBCsim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。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第16页/共24页2010年3月17基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用5、测试数据与边界条件（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，主要验证三个方面的内容，一是相邻边界点数据配置的一致性，二是验证相邻设备之间的接口关系，三是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：相邻RBC、车站联锁、列控中心、临时限速服务器管辖范围边界CTC系统调度台管理范围边界CTC与TDCS或其它CTC中心管理范围边界GSM-R网络核心机房管理范围边界CTCS-3级线路与其它等级客运专线边界运用条件的边界，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。中国铁道科学研究院通信信号研究所第17页/共24页2010年3月18基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用6、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。具体要求包括：

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。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第18页/共24页2010年3月19基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用6、测试环境中国铁道科学研究院通信信号研究所第19页/共24页2010年3月20基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用6、数据分析与缺陷（bug）的管理

（1）数据分析的基础---监测记录手段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。武广线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，包括：总线监测记录设备、DCUTerm、车载司法记录器、ATPIgsm接口监测终端、DMI摄像记录，RBC维护终端记录、MT接口监测记录、RBC-联锁接口监测记录、RBCPRI接口监测记录等。

中国铁道科学研究院通信信号研究所第20页/共24页2010年3月21基于黑盒测试技术的CTCS-3级列控系统联调联试技术研究3、黑盒测试技术的应用6、数据分析与缺陷（bug）的管理

（2）数据分析的结果---判断和发现系统缺陷