UML建模技術(shù)在軌道交通CTCS－3級列車控制系統(tǒng)測試案例生成中的應(yīng)用＊

王倩倩 張 勇

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢；2.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室，100044，北京∥第一作者，助理工程師）

CTCS－3（Chinese Train Control System Level 3）級列車控制系統(tǒng)（以下簡為列控系統(tǒng)）基于無線通信系統(tǒng)（GSM－R）實現(xiàn)了車、地之間雙向的大容量通信，是滿足客運專線和高速鐵路安全、高效的高需求列車運行控制系統(tǒng)。CTCS－3級列控系統(tǒng)需要經(jīng)過一系列全面的測試來驗證系統(tǒng)是否滿足《CTCS－3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）》和《CTCS－3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案》的要求。測試案例是實驗室仿真測試、現(xiàn)場試驗及聯(lián)調(diào)聯(lián)試的基礎(chǔ)性文件，通過將測試案例串聯(lián)成不同的測試序列而應(yīng)用到被測系統(tǒng)，以完成對列控系統(tǒng)的功能性測試。

1 CTCS－3級列控系統(tǒng)測試

CTCS－3級列控系統(tǒng)包括地面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)兩部分。地面子系統(tǒng)由無線閉塞中心（RBC）、列控中心（TCC）、ZPW－2000（UM）系列軌道電路、應(yīng)答器（含地面電子單元LEU）、GSM－R通信接口設(shè)備等組成。車載子系統(tǒng)由車載安全計算機（VC）、GSM－R無線通信單元（RTM）、軌道電路信息接收單元（TCR）、應(yīng)答器信息接收模塊（BTM）、司法記錄單元（JRU）、人機界面（DMI）、列車接口單元（TIU）等組成。車地間通過GSM－R網(wǎng)絡(luò)來完成大容量的雙向通信。CTCS－3級列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CTCS－3級列控系統(tǒng)需要通過一系列全面的測試，以實現(xiàn)對系統(tǒng)進行互聯(lián)互通測試的目的，從而驗證系統(tǒng)是否滿足《CTCS－3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）》。對列控系統(tǒng)的測試，是在外部標準接口上對列控系統(tǒng)進行功能測試，驗證列控系統(tǒng)滿足《CTCS－3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）》的程度。列控系統(tǒng)完成測試的步驟是：從系統(tǒng)需求規(guī)范生成測試案例作為測試的依據(jù)，根據(jù)測試案例串聯(lián)成不同的測試序列；將測試序列應(yīng)用到被測試系統(tǒng)上，得到實際輸出；比較期望輸出和實際輸出，得到測試報告。最后根據(jù)測試報告，判斷被測試系統(tǒng)是否滿足《CTCS－3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）》。

圖1 CTCS－3級列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 應(yīng)用UML建模技術(shù)的優(yōu)勢

UML（Unified Modeling Language）是一種功能強大的、面向?qū)ο蟮目梢暬到y(tǒng)分析的建模語言。它采用一整套成熟的建模技術(shù)，廣泛地適用于各個應(yīng)用領(lǐng)域。UML是一種圖形化的設(shè)計語言。它使用不同類型的圖從不同的角度和抽象層次來描述系統(tǒng)模型。在使用UML進行軟件設(shè)計建模時，設(shè)計者必須根據(jù)所需要描述的對象和系統(tǒng)動作選擇適當?shù)腢ML圖，以達到設(shè)計效果。

UML的主要內(nèi)容可以歸為靜態(tài)建模機制和動態(tài)建模機制兩類。UML的靜態(tài)建模機制包括用例圖、類圖、對象圖、組件圖和配置圖等5個圖形，用于描述需求并根據(jù)需求建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型，以構(gòu)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。UML的動態(tài)建模機制包括狀態(tài)圖、活動圖、順序圖和協(xié)作圖等4個圖形，用于描述系統(tǒng)的行為。UML組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

CTCS－3級列控系統(tǒng)測試案例的生成是從對系統(tǒng)需求規(guī)范的分析開始，對每個功能需求進行提取、簡化。最終生成的測試案例是為了完成對這些功能的測試，需完成從需求分析到系統(tǒng)內(nèi)部行為描述的全過程。因此，CTCS－3級列控系統(tǒng)測試案例的生成需要大量的人力、物力的參與，而且人工生成的案例會出現(xiàn)反復修改的問題。在分析UML建模機制以后，發(fā)現(xiàn)UML提供了測試案例生成所需的從需求分析到系統(tǒng)內(nèi)部行為描述的功能，因此可以利用UML靜態(tài)建模機制與動態(tài)建模機制的相互配合來優(yōu)化測試案例的生成。

圖2 UML組成結(jié)構(gòu)示意圖

3 測試案例生成的總體思路

3.1 從規(guī)范中提取功能特征

CTCS－3級列控系統(tǒng)測試案例是依據(jù)《CTCS－3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）》和《CTCS－3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案》進行編制。從系統(tǒng)需求規(guī)范中提煉出一些精簡的、必要的功能實體，稱為功能特征。一個功能特征是一組需求的集合。它能通過系統(tǒng)既有的接口進行測試。測試案例實現(xiàn)對功能特征的測試。為了完整地測試一個功能特征，需要一個或多個測試案例。系統(tǒng)需求規(guī)范、功能特征和測試案例之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)需求規(guī)范、功能特征和測試案例之間的關(guān)系

為了便于測試案例的管理和執(zhí)行，功能特征應(yīng)具有以下兩個屬性：

1）可測性。能夠在被測對象上通過施加直接的激勵而產(chǎn)生響應(yīng)，以便在既有接口上對被測對象進行測試。響應(yīng)是指在既有接口上可直接測量的輸出。

2）獨立性。功能特征的測試應(yīng)具有獨立性，即功能特征能夠單獨執(zhí)行而不需要考慮其它功能特征的執(zhí)行情況。

在提取功能特征時，可根據(jù)被測系統(tǒng)的外部可見接口（從運營商或用戶的角度），通過運營條件來劃分成安全防護、模式和等級三類，然后逐步細化，直到功能特征成為不可分割的原子單位。

3.2 借助于UML從功能特征生成測試案例

針對每一個功能特征，設(shè)計若干測試案例對其進行測試，從而對系統(tǒng)需求規(guī)范中的需求進行驗證。按照黑盒測試的原則生成測試案例，對被測對象的測試是基于可見接口的。每個測試案例必須確定的內(nèi)容有：被測對象（車載或地面設(shè)備）、測試步驟、起始條件和結(jié)束條件等。

UML是一種通用的建模語言，可創(chuàng)建系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為等多種結(jié)構(gòu)模型，具有可擴展性和通用性，適合為各種多變的系統(tǒng)建模。列控系統(tǒng)測試案例的生成是基于系統(tǒng)需求規(guī)范進行需求分析，進而對系統(tǒng)內(nèi)部的行為進行描述。第一步描述系統(tǒng)的需求，通過建立用例圖來實現(xiàn)；第二步描述系統(tǒng)的行為，通過動態(tài)模型圖來實現(xiàn)，包括狀態(tài)圖和順序圖。

用例圖顯示多個外部參與者以及他們與系統(tǒng)提供的用例之間的連接。用例是系統(tǒng)中的一個可以描述參與者與系統(tǒng)之間交互作用的功能單元。用例圖用于需求分析階段，描述了待開發(fā)系統(tǒng)的功能需求，并驅(qū)動了需求分析之后各階段的開發(fā)工作，從而影響到開發(fā)工作的各階段和UML的其他圖形。狀態(tài)圖通過對對象的生存周期建立模型來描述對象隨時間變化的動態(tài)行為，由對象的各個狀態(tài)和連接這些狀態(tài)的轉(zhuǎn)換組成。每個狀態(tài)對一個對象在其生命周期中滿足某種條件的一個時間段建模。事件的發(fā)生會觸發(fā)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，導致對象從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個新的狀態(tài)。順序圖顯示對象之間發(fā)送消息的時間順序，更進一步顯示出隨著時間的變化對象之間是如何通信的；順序圖的關(guān)鍵思想是對象之間的交互是按照特定的順序發(fā)生的，這些按特定順序發(fā)生的交互序列從開始到結(jié)束需要一定的時間。

4 利用UML建模技術(shù)生成測試案例的過程

針對每一個功能特征，根據(jù)《CTCS－3級列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）》和《CTCS－3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案》進行UML建模、輔助測試案例的生成。

4.1 靜態(tài)建模分析

將每個功能特征看作一個系統(tǒng)，通過建立用例圖中參與者與用例及它們之間的關(guān)系可以知道該功能特征包括幾個測試案例、測試案例的功能和被測設(shè)備等?，F(xiàn)以功能特征143——“列車進入CTCS－3級區(qū)域，與RBC建立無線通信會話”來說明整個建模過程。圖4是功能特征143的用例圖。

圖4 功能特征143的用例圖

由圖4用例圖中所包含的用例可知該功能特征的功能需求，由不同用例所對應(yīng)的參與者可知不同測試案例的被測對象等。由圖4可得出功能特征143包含的測試案例有：

1）案例1（測車載設(shè)備）。在CTCS－3級區(qū)域外，車載設(shè)備接收到根據(jù)指定的RBC編號和電話號碼與RBC建立無線通信會話的命令，車載設(shè)備與指定RBC建立無線通信會話。

2）案例2（測車載設(shè)備）。在CTCS－3級區(qū)域外，車載設(shè)備接收到根據(jù)指定的RBC編號和電話號碼與RBC建立無線通信會話的命令，車載設(shè)備與RBC建立無線通信會話。如果進路沒有通向RBC區(qū)域且車載設(shè)備收到終止無線通信會話的命令，車載設(shè)備終止無線通信會話。

3）案例3（測地面設(shè)備）。在CTCS－3級區(qū)域外，地面設(shè)備給出呼叫指定RBC的命令。

4）案例4（測地面設(shè)備）。在CTCS－3級區(qū)域外的調(diào)車區(qū)域，地面設(shè)備不提供呼叫RBC的命令。

5）案例5（測地面設(shè)備）。地面設(shè)備檢測到剛建立無線通信會話的列車沒有駛?cè)隦BC控制區(qū)域（列車返回或列車進路不是通向RBC區(qū)域），則向車載設(shè)備發(fā)送終止會話的命令。

6）案例6（測車載設(shè)備）。車載設(shè)備接收到根據(jù)指定的RBC編號和電話號碼與RBC建立無線通信會話的命令，在SH（調(diào)車）模式下，車載設(shè)備不建立無線通信會話。

4.2 動態(tài)建模分析

為了進一步了解每個測試案例的具體內(nèi)容，對于每個測試案例，要采用動態(tài)模型圖來對其進行建模，以了解其內(nèi)部的流程及狀態(tài)。

對系統(tǒng)進行動態(tài)建?？梢杂行У胤治鱿到y(tǒng)內(nèi)部的動作和行為，這里采用了狀態(tài)圖和順序圖來描述。順序圖能夠體現(xiàn)參加交互的對象及這些對象之間先后的交互次序等情況，而狀態(tài)圖詳細地描述了這些對象在交互前后的狀態(tài)變化。利用狀態(tài)圖正好可以彌補順序圖不能詳細描述對象的狀態(tài)信息的不足，從而可以生成信息完整的測試案例。現(xiàn)用順序圖來舉例說明動態(tài)建模的過程，例如測試案例1的順序圖如圖5所示。

圖5 測試案例1的順序圖

上述舉例的測試案例1涉及到的對象是車載設(shè)備、應(yīng)答器組和RBC。這些對象之間按照一定的時間順序完成彼此之間的交互，對象之間的交互包括應(yīng)答組與車載設(shè)備之間的信息傳遞和車載設(shè)備與RBC兩者間的信息傳遞。即，測試案例1中涉及到的測試步驟，經(jīng)過一系列的信息交互，最終車載設(shè)備與RBC建立無線通信會話。

利用順序圖來進行動態(tài)建模，可以對本測試案例涉及到的測試對象和彼此之間的交互進行分析，從而得到測試過程中被測對象之間的消息傳遞順序和內(nèi)容，明確整個測試的步驟。

5 結(jié)語

測試案例是對列控系統(tǒng)進行功能測試的依據(jù)，在測試案例的生成中有效地利用UML建模技術(shù)，可以提高生成的效率和保證案例的質(zhì)量。本文提出的在測試案例生成中應(yīng)用UML建模技術(shù)，可根據(jù)需要完成不同模型的建立，來輔助分析和設(shè)計測試案例，并且在測試案例的進一步完善中可以利用UML模型圖來對案例進行優(yōu)化。今后將對UML模型圖進行進一步的研究，以優(yōu)化測試案例的生成。

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