黑盒测试技术在城市轨道交通信号系统监理验收中的研究与应用

张 伟，高 凡

（中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，北京100081）

城市轨道交通信号系统建设过程中，为全面检验系统的设计方案和功能需求，在集成和调试完成后，由第三方监理单位组织验收小组，对系统的功能、质量进行检验，并评估其安全性及可靠性等。应用黑盒测试技术，检验设计方案的完善程度与安全性能，可以为工程最终竣工验收、开通试运营提供依据。

1 黑盒测试概述

黑盒测试是在不知晓程序内部情况的前提下对系统进行的测试，它是基于需求和功能的技术。测试主要从用户角度出发，针对软件确认和系统功能，验证产品的功能是否实现以及能否满足用户要求。

1.1 黑盒测试方法

（1）等价类划分法：根据输入数据产生效果的异同，将输入数据分成不同的数据等价类，进而生成测试用例。

（2）边界值分析法：测试中许多错误并非在正常输入范围内产生，而是在一些较为特殊的边界区域，设计测试案例时以边缘区域设计为重点。

（3）错误猜测法：猜测被测试程序容易出现错误的地方，设计测试用例。它通常依据测试人员的经验，因此，这种方法只是一种辅助方式。

（4）因果图法：它是一种被简化的逻辑图，使用因果图可清晰地表示出输入和输出之间的关系，使测试人员更关注与程序功能有关的输入组合。

1.2 黑盒测试目标

采用黑盒测试主要是在已知系统应该具备的功能基础上，完成以下目标：

（1）从用户方出发，以输入与输出的数据关系为目标进行测试。

（2）检查系统功能是否按照规定正常使用，测试各功能是否完善，能否满足检测性能等要求。

（3）对人机交互和数据结构的对错进行检测，测试系统程序是否能正常收到输入数据并生成正确结果。

1.3 黑盒测试计划

（1）根据需求，实施净测试。（2）根据需求，加入结构化测试。（3）根据需求，增加数据流覆盖测试。（4）执行未覆盖到的域测试。（5）根据需求，进一步进行特殊测试。

2 城市轨道交通信号系统总体结构

城市轨道交通信号系统由列车运行自动控制（Automatic Train Control，ATC）系统组成，它是列车运行的指挥和控制系统，ATC系统由ATS（Automatic Train Supervision）子系统、ATP（Automatic Train Protection）子系统和ATO（Automatic Train Operation）子系统组成。

目前，城市轨道交通领域主要应用基于通信的列车运行控制（Communication Based Train Control，CBTC）系统，该系统采用先进的双向无线通信技术、计算机技术及移动闭塞技术，用无线通信媒体实现列车和地面设备的双向通信，用以代替轨道电路作为媒体实现列车运行控制，突破了用轨道电路检测列车占用、固定或准移动闭塞的局限性。CBTC系统由中心和车站的列车自动监控系统（ATS）、骨干数据通信系统（Data Communication System，DCS）、计算机联锁系统（Computer Interlocking，CI）、地面ATP（ZC+DSU）、维护支持系统（MSS）及车载设备（ATP+ATO）构成，其结构如图1。

图1 CBTC系统结构图

3 黑盒测试在系统工程测试中的应用

测试CBTC的系统功能是城市轨道交通信号系统测试的核心内容。对其中的工程数据进行验证，测试其是否满足需求，即为系统级黑盒测试。在实际的测试中，黑盒即为CBTC系统的车载设备，输入为地面设备的输出信息，输入数据包括应答器报文信息、列车信号信息及无线报文消息等，测试人员根据车载设备输出的结果对系统行为进行评价。

本文以昌平线CBTC系统监理验收过程测试计划为例，对黑盒测试进行分析。

3.1 测试方案设计

CBTC系统的监理验收测试过程如下：

（1）通过研究规格说明书，监理验收需要根据功能要求和性能指标，确定测试需求。

（2）对测试需求进行分析，分解为不同的可执行测试过程，选用与之相对应的测试用例，确定方案及预期结果；按照已制定的测试方案执行测试案例，发现问题进行记录及管理。

（3）结合量化的测试覆盖域及缺陷跟踪报告，对于系统的质量进行综合评价，作为工程竣工验收监理评估报告组成部分。

检验系统功能是否满足需求规范，能转变成测试用例是最终目的。如果对各项需求都生成测试用例，会导致测试用例数量过大。为此，要提取出功能特征，包含系统的各项需求。系统需求、功能特征和测试用例三者间的关系如图2。

图2 系统功能需求、特征与测试用例的关系

在测试方案的设计过程中，应满足以下几个方面的要求：（1）在系统既有接口上测试规范中的需求。（2）测试用例要具有代表性、判定性、可再现性，能够包含且覆盖各种不同状况的数据输入，操作和环境设置等。（3）每一个测试用例都必须有相应的期望测试结果，且同种测试用例的结果必定相同。（4）从CBTC系统的全局考虑，减少相应测试用例的数量。（5）尽量提取独立的、不可分割的功能特征，减少测试案例的复杂性和测试时间。（6）需要有对系统性能进行整体评估的相关方案。

CBTC的功能测试划分为6个部分，如图3。

测试案例的完整描述包含：编号、测试案例基本信息、测试方法及约束条件、测试案例之间的关系表示、案例的开始条件、案例的操作步骤、案例结束条件、案例执行结果的判断标准等内容。

本文以列车的临时限速为例来分析CBTC中应用黑盒测试方法的有效性，得到测试案例描述如表1和表2。

3.2 测试环境分析

测试环境会对测试过程产生巨大的影响，是测试中需要考虑的重要因素之一。一般来说，系统的测试环境包括系统构成、软件版本、测试数据、测试工具、硬件设置、功能设置及外部接口等。测试环境应处于一个相对稳定的状态，且测试环境应与整个系统配套，并具备模拟测试条件和监测分析手段。

图3 CBTC测试功能划分图

测试具体环境设置应与总体技术方案、设备工作特性和运营需求保持一致，并具备一定的模拟测试条件，以验证系统在某些特殊条件下的功能和故障-安全性能。

3.3 测试数据分析

测试数据分析是黑盒测试过程中判断输入与输出关系是否一致的必要手段，是发现系统缺陷的关键环节。

通过数据分析可以得出下列问题：系统是否有错误或疏漏的功能；接口能否正常、正确接收数据；主要外部信息是否有错；系统性能能否满足需求；界面显示是否出现错误；能否进行正常的初始化和终止。

表1 临时限速特定需求、功能特征及测试案例

表2 测试案例-取消已设置的临时限速区域

根据测试数据分析的结果，确定缺陷类型，实现分类管理如表3。

4 结束语

本文以黑盒测试理论为基础，结合监理验收工作特点，将黑盒测试技术的具体方法应用到城市轨道交通信号系统监理验收中，为系统监理验收评估提供可参考的工作方法。

表3 测试数据分析

[1] 郁莲. 软什测试方法与实践[M] . 北京：清华大学出版社,2008.

[2] 上海申通地铁集团有限公司轨道交通培训中心. 城市轨道交通概论[M] . 北京：中国铁道出版社，2009.

[3] 唐晓芬. 顾客满意度评测[M] . 上海：上海科学技术出版社，2001.

[4] 于秀山，于洪敏. 软件测试新技术和实践[M] . 北京：电子工业出版社，2006.

[5] 佟伟光. 软件测试技术[M] . 2版. 北京：人民邮电出版社，2010.

[6] 张伟. 缺陷流程管理在城市轨道交通设备中的应用[J] . 现代城市轨道交通，2011（6）：98-100.