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                        基于時間自動機模型和螢火蟲算法的聯鎖仿真測試方法

                        添加時間:2020/05/18 來源:北京交通大學 作者:延旭
                        鐵路信號技術己經經歷了一百多年的發展,形成了今天的現代鐵路信號系統.它是計算機技術、現代通信技術和控制技術在鐵路運輸生產過程中的具體應用.
                        以下為本篇論文正文:

                          摘要

                          摘要:計算機聯鎖系統是保證車站內行車安全的關鍵設備,是高安全性、高可靠性的實時系統,在投入使用前需要進行全面、嚴格的測試.

                          由于聯鎖系統涉及到的工程量十分龐大,依賴于現場試驗很難遍歷其功能發現漏洞,利用計算機仿真測試技術可降低測試損耗,但在測試過程中依然面臨著依賴專業人員手工操作、測試重復步驟多、測試耗時長等難題,測試效率難以提高.針對上述情況,本人提出了一種計算機聯鎖軟件仿真測試方法,該方法利用時間自動機模型自動生成測試序列,利用螢火蟲算法自動優化測試序列,最后結合實際站場數據自動執行測試序列.主要內容包括:

                          (1)提出了一種基于進路控制的自動測試框架,該框架基于傳統測試需求文檔,通過分析計算機聯鎖軟件測試需求,并根據進路控制時序邏輯將其包含的功能場景重組成了可以連續執行的測試項,減少一定重復操作的同時為后續對聯鎖的建模奠定了基礎.

                          (2)使用UPPAAL工具建立了基于進路控制的聯鎖系統時間自動機模型,該模型包含驅動測試、進路建立、自動解鎖、取消進路、人工解鎖和區段故障解鎖六個子模型,子模型之間可進行信息交互,并利用該工具自帶的仿真和驗證功能證明了模型的正確性,引入輔助軟件CoVer自動生成了覆蓋模型所有遷移路徑的原始測試序列集.

                          (3)設計了基于螢火蟲算法的測試序列優化方法,選取了三個基本功能場景對算法的應用進行說明,并與時間自動機產生的原始測試序列和基于遺傳算法優化的測試序列進行對比,證明了螢火蟲算法在收斂更快的情況下,有效降低了9%的冗余度.

                          (4)開發了計算機聯鎖仿真測試平臺,結合實際站場對本文提出的方法進行了驗證,結果表明,該仿真測試方法相對于傳統方法,每條進路的全功能測試的抽象測試序列冗余度減少14%,具體測試步驟最多可減少36.1%,測試一個小型站場的時間由1?2天減少到7個小時左右,測試一個中型站場的時間由3~5天減少到18個小時左右.

                          本文的研究結果表明,基于時間自動機模型和螢火蟲算法的聯鎖仿真測試方法在保證測試覆蓋度的同時,提升了測試的自動化程度,減少了測試的重復操作,相對于傳統測試方法對測試效率有了明顯提升.

                          關鍵詞:計算機聯鎖軟件;仿真測試;測試序列;時間自動機;螢火蟲算法

                          ABSTRACT

                          ABSTRACT: The computer interlocking system is the key equipment to ensuretransport safety in the station. It is a high-safety, high-reliability real-time system, whichrequires comprehensive and rigorous testing before being put into use.

                          Due to the large quantity of engineering of the interlocking system, it is difficult todiscovery vulnerabilities through traversing its functions based on field test. The test losscan be reduced by the computer simulation, but there are still some problems in theprocess of testing, such as the dependence on professional manual operation, the largeamount of repetitive steps in the test and the long testing time, which make it difficult toimprove the testing efficiency. Aiming at the above situation, a computer interlockingsoftware simulation test method is proposed, which generates test sequencesautomatically through the timed automata model, optimizes test sequences automaticallythrough the firefly algorithm, and finally executes test sequences automatically based onthe actual station data.

                          (1)An automatic test framework based on route control is proposed. Based ontraditional test requirement documents, the test requirements of computer interlockingsoftware are analyzed. According to the sequential logic of route control, the functionalscenes are reorganized into continuous test items to reduce the certain repetitiveoperations and lay the foundation for the subsequent modeling of interlocking.

                          (2)By using UPPAAL tool, the timed automata model of interlocking system basedon route control is established, including six sub-models: test-driven model, route-settingmodel, automatic-release model, route-cancellation model, manual-release model andsection-fault-release model. Information is interacted between sub-models. And thecorrectness of the model is proved by the simulation and verification functions providedby the tool. An auxiliary software CoVer is introduced to automatically generate theoriginal test sequence set covering all migration paths of the model.

                          (3)A test sequence optimization method based on firefly algorithm is devised.Taking three basic functional scenarios as examples, the application of the algorithm isillustrated. Compared with the original test sequence generated by time automata and thetest sequence based on genetic algorithm optimization, the effectiveness of reducing 9%redundancy based on firefly algorithm is proved in the case of faster convergence.

                          (4)A computer interlocking simulation test platform is developed, and the methodproposed in this paper is verified by a practical station. The results show that compared  with the traditional method, the redundancy of abstract test sequence for full-function testof each route is reduced by 14%, and the specific test steps can be reduced by 36.1%. Thetime for testing a small station is reduced from 1-2 days to about 7 hours. The time fortesting a medium station is reduced from 3-5 days to about 18 hours.

                         。奣he research results show that the interlocking simulation test method based ontimed automata model and firefly algorithm improves the automation of test whileensuring the test coverage, and reduces the repetitive operation of test. Compared withthe traditional test method, the interlocking simulation test method improves the testefficiency significantly.

                         。奒EYWORDS: Computer Interlocking Software; Simulation Test; Test Sequence; TimedAutomata; Firefly Algorithm
                         

                        目錄

                          1引言

                          1.1 研究背景及意義

                          鐵路信號技術己經經歷了一百多年的發展,形成了今天的現代鐵路信號系統.它是計算機技術、現代通信技術和控制技術在鐵路運輸生產過程中的具體應用[1].現代信號技術是衡量鐵路現代化程度的關鍵指標,是發展高鐵、提升速度的重要技術之一,同時可以有效控制列車、傳送實時數據至工作人員,極大地提高鐵路的通過能力.鐵路信號分為車站信號和區間信號,其中車站信號控制系統用于鐵路車站,用以實現站內行車指揮,使站內列車或調車車列運行時不發生追尾、迎面相撞、側面沖突等事故.為了保證行車安全,在進路、信號機、道岔和軌道區段之間建立一種相互制約的關系,我們稱之為聯鎖關系[2].因此,車站信號控制系統也稱為車站聯鎖控制系統.在計算機技術日益成熟的背景下,人們開始嘗試采用電子器件取代繼電器,于是計算機聯鎖系統應運而生.計算機聯鎖系統是高可靠、高安全的安全苛求系統,在投入實際使用之前,需要投入大量人力物力,對其嚴格測試.針對于此類系統,測試所用時間甚至高達全部研發時長的60%[3].另外,由于聯鎖系統涉及到的工程量十分龐大并涉及安全,依賴于現場試驗很難遍歷其功能發現漏洞.因此,如何在保證測試案例覆蓋度的前提下提高測試效率并降低成本,成為聯鎖軟件測試中亟待解決的問題.

                          利用計算機仿真測試技術可以有效降低人力和財力的損失,工作人員不需要涉足現場,在試驗場所搭建的仿真平臺中,模擬系統運轉情況即可發現和改正錯誤,高效率地完成系統測試.由于仿真平臺環境可控性強,可以進行一系列極端情況下無法在現場模擬的仿真測試.但由于計算機聯鎖的生產單位眾多,其軟件、硬件架構甚至編程語言都存在差異,導致仿真測試平臺很難適用全部系統.聯鎖軟件的具體性、復雜性和高安全性,大大增加了通用的可配置的計算機聯鎖仿真測試平臺的開發難度.

                          即便搭建完成仿真測試平臺,測試時依然需要測試人員進行大量重復性的操作,費時費力且十分依賴專家經驗,往往無法保證測試的全面有效,因此可以在軟件測試的過程中應用自動化,把聯鎖軟件測試根據進路控制過程的邏輯時序整理成規范化、程序化的流程逐個執行.其中,形式化地表達聯鎖需求是實現自動化測試的前提,而合理地組織測試序列則是提升測試效率的關鍵.

                          綜上,為了滿足工程中的實際需求,開發一套可以自動執行的聯鎖軟件仿真測試系統是十分有必要的.該系統依托于實驗室硬件設備,建立在自主開發的仿真平臺上,該平臺上運行的聯鎖軟件可以模擬車站工作人員輸入的控制指令以及現場設備狀態,而測試平臺可以解析對功能場景建立的時間自動機模型,自動產生測試序列,再通過優化算法,高效組織測試案例.這一工作將會極大地提升測試過程中的自動化程度,減少測試時間、提升測試的效率,通過對計算機聯鎖充分、高效的測試達到降低其安全風險的目的.

                          1.2研究現狀

                          1.2.1仿真測試平臺研究現狀

                          歐洲部分國家具備獨立于標準制定機構以外的測試機構,負責對鐵路相關的信號控制以及安全防護系統進行第三方檢測,對其質量進行安全認證15].其中德國宇航中心的RailSiTe是歐洲較為完備的測試機構,用來測試歐洲列車控制系統的組件.該實驗室能夠對鐵路控制和安全技術進行詳細的仿真測試,由于系統是模塊化的,模塊的類型和數量可以不同,因此可以適應大多數數量和類型的列車運行.但一個測試需要持續數周時間,生成上百個測試序列,每個測試序列都有幾百個測試步驟,耗時較長.西門子推出的SIMIT仿真測試平臺,支持對自動化項目的全面測試,該平臺基于虛擬調試技術,無需離開辦公室,即可對工程組態進行早期測試,在進行現場調試之前,虛擬調試技術可檢測出幾乎所有設計錯誤和功能錯誤.正因如此,調試時間降低約50%,確保系統及時甚至提前上線運行,但所有的程序和數據都保存在PLC中,不利于數據分析查閱.比利時的Muhitel公司下屬的鐵路認證部(MultiRailLab)是一個獨立的ERTMS認證實驗室,該實驗室創建了許多標準工具用于產生描述包和消息的語言、測試案例數據庫和測試序列,但其中大部分都沒有公開使用.

                          在國內,最早的計算機聯鎖檢驗站成立于1999年,由鐵道部牽頭,各個鐵路相關高校進行技術支持,最終在上海鐵道大學開發完成.經過長期的發展,其中自行研制的計算機聯鎖軟件通用自動測試平臺可以完成鐵路車站計算機聯鎖設備銷售許可證的資質測試、計算機聯鎖軟件監督抽查、地鐵及其他軌道交通信號控制軟件測試和其它各項安全系統測試檢驗,是通過國家實驗室認可和計量認證評審國內權威機構.西南交通大學針對SWJTU-II型聯鎖系統對其聯鎖邏輯核心采用UML (UnifiedModelingLanguage)方法建立了模型,通過對功能需求的抽象獲取測試案例,降低了人為參與比例.但是,由于該測試平臺只針對這一種類型的計算機聯鎖系統,并且處理道岔能力在20組以下,通用性較差.卡斯柯信號有限公司針對新一代計算機聯鎖控制系統ILOCK-200開發了一種自動化測試平臺使用腳本驅動聯鎖,自動執行用例,極大地提升了測試的準確性.但該測試平臺沒有人機交互界面,對測試人員仍然有較高要求,不利于快速上手操作.

                          1.2.2測試序列優化方法研究現狀

                          測試序列是一系列測試案例連接成的有序集合,如果未把測試案例整理成測試序列,每個測試案例的執行情況、執行次數都要在測試時不斷地核對,即使是在自動測試的情況下,依然會由于重復操作耗費大量的時間,嚴重降低測試效率.因此,對測試序列進行優化對提高測試效率具有重大意義.規劃測試案例的串聯順序問題可轉換為求解最短路徑問題,常用的求解算法可分為以下四種:

                          (1)基于圖論的算法.如Dijkstra算法、Floyd算法等.

                          (2)基于優化理論的數學規劃法.

                          (3)基于傳統人工智能的搜索算法.如A*算法、盲目搜索算法等.

                          (4)基于現代人工智能的搜索算法.如遺傳算法、蟻群算法等.

                          近年來,基于現代人工智能的搜索算法獲得了大家的青睞,國內外研宄人員進行了一系列的探索.

                          2012年SrivastavaPR提出了一種受蟻群算法啟發的最優測試序列生成解決方案[8],該算法假設信息素不隨時間蒸發,螞蟻選擇信息素水平最低的路徑,為了避免可能重復穿越路徑的情況,引入了根節點集合,每次迭代后修改可行集.通過在自動柜員機(ATM)中試用,在不損失精度和效率的前提下,得到了低冗余的解,但大輸入的髙運行時間是該算法的缺點.

                          2013年Yang X S等提出了一種改進蠻火蟲算法的最優測試序列生成方法[9],通過定義合適的目標函數,并在遍歷圖時引入引導矩陣,在迭代后,將亮度均值最高的路徑優化為關鍵路徑,并按路徑亮度規定其優先級順序.該算法對比上述蟻群算法,收斂速度更快,但圈復雜度增大時導致節點之間的依賴性很強,從而使一些轉換路徑冗余.

                          2015年Khurana N等提出了一種使用UML模型和遺傳算法優化測試序列的方法[1()],將序列圖與狀態圖集成為一個系統圖,它將覆蓋最大數量的測試用例,然后用遺傳算法對其進行優化,但有一些序列圖和狀態圖組合的有關問題沒有得到解決,不能實現完全的自動化.

                          國內方面,2013年梁茨提出了一種基于路徑優化算法的測試序列優化方法[11],為了獲取狀態可達圖,采用基于Petri網的方法對RBC場景進行了建模,可以遍歷模型中的所有路徑產生測試子序列,在對序列進行優化,以RBC切換的基本功能場景進行應用驗證,表明該方法在保證測試充分性的同時能顯著降低測試序列的重復操作.

                          2017年,上官偉提出了一種基于螢火蟲?免疫算法的測試序列優化算法[12],對車路協同系統進行建模,運用改進算法縮短了測試時間,說明通過降低測試序列冗余度來提升測試效率具有可行性.

                          2018年,袁磊提出了一種基于深度學習與遺傳算法的測試序列優化方法[13],用于自動安全防護設備接口試驗,構建了基于深度學習算法的測試項決策網絡,再使用遺傳算法通過母測試序列以迭代的方式,先優化再更新,兩種算法相輔成,生成新的測試序列集合,最終通過仿真試驗證明了策略的有效性.

                          1.2.3研究現狀分析

                          綜上所述,目前國內外針對計算機聯鎖軟件仿真測試方法的研究和實際應用是非常多樣的.大家在推動聯鎖測試自動化、提髙測試效率的同時,也都面臨著類似的問題,諸如:聯鎖軟件是安全苛求的,應用自動測試的手段難以分析測試結果,也無法對測試質量做出評價,這導致了聯鎖測試依然依賴有經驗的專業人員,自動化程度難以提高;鐵路系統所獨有的具體性和復雜性往往導致了聯鎖測試軟件通用性差,經常會出現更換一個聯鎖軟件,之前所設計的測試工具便無法繼續使用的情況,這導致了開發測試平臺耗時長,工作量巨大;另外,在測試序列優化方面,更多的是理論分析而非工程實踐,由于軟件測試工程性很強,理論研宂大于實際測試顯然是不合理的,所以需要總結前輩們的科研成果以確實能應用到實際情況中去;等等.

                          1.3論文組織架構

                          本文以計算機聯鎖軟件為研宄對象,將研究重點放在計算機聯鎖仿真測試方法上.首先搭建了基于進路控制的自動測試框架,然后重點闡述聯鎖功能的形式化表達方法、基于模型的測試序列生成方法和測試序列的優化方法,為后續自動執行測試序列打下良好基礎,最后開發了聯鎖軟件的仿真測試平臺,通過導入聯鎖功能的形式化模型并注入測試數據實現自動測試.

                          論文共分為六章,其組織架構如下:

                          第一章是引言部分,概述了計算機聯鎖軟件測試的研宄背景及意義,分析了提高測試效率的可行方案,提出一種基于仿真測試平臺產生、優化測試序列的自動化測試方案,介紹了國內外計算機聯鎖仿真平臺和測試序列優化方法的研宄現狀,并總結其不足之處.

                          第二章是計算機聯鎖軟件測試基礎,對聯鎖軟件的測試需求進行分析,并把聯鎖功能按照場景分類根據其時序邏輯串聯成適合自動測試的流程,闡述了基于模型的測試方法的優勢,介紹petri網、UML和時間自動機等適用于于聯鎖的形式化建模方法以及基于遺傳算法、螢火蟲算法和蟻群算法的求解最優測試序列理論.

                          第三章是基于聯鎖模型的測試序列自動生成,選取時間自動機方法并使用UPPAAL作為建模工具對聯鎖的進路建立和進路解鎖場景分別建立模型,最后對整個模型進行仿真驗證,生成不同場景的初始測試序列.

                          第四章是聯鎖軟件測試序列優化,選取了螢火蟲算法和遺傳算法兩種路徑優化方法,分別介紹了他們的數學描述和在優化測試序列中的應用,最后對兩種算法生成的結果進行了對比分析,選取效果更為優越的螢火蟲算法應用于仿真測試平臺.

                          第五章是仿真測試平臺開發與應用驗證,介紹了仿真測試平臺的總體架構,并針對具體站場進行實際測試,實現了讀取聯鎖模型、配置數據和生成優化序列并自動執行序列的功能,分析了本文所使用的測試方法的優勢.

                          第六章是總結與展望,對本文的研究工作進行了總結,提出了存在的問題作為進一步研宄內容.

                          1.4本章小結

                          本章介紹了國內外計算機聯鎖仿真測試平臺的應用情況,分析了用基于現代人工智能的算法求解測試序列的理論發展,指出現階段針對于聯鎖軟件的仿真測試或多或少存在著自動化程度不足、通用性差或者先進的理論方法沒有應用于實際工程等問題,得出本文的研究意義在于提出一種對聯鎖功能進行形式化建模的方法自動產生測試序列,并應用先進的理論方法優化測試序列,提高測試的通用性,在保證充分測試的同時減少測試的重復操作.最后,對論文的組織架構進行了說明.

                        圖2-1 計算機聯鎖系統軟件結構


                        圖2-2 聯鎖仿真測試系統輸入輸出模型


                        圖2-4測試關鍵檢查項目


                        圖2-5人工測試和腳本測試流程


                        圖2-6 基于模型測試圖解


                        圖2-7 傳統測試與基于模型測試對比


                        圖3-5 進路選排流程圖


                        圖3-13 人工解鎖流程圖


                        圖4-10 不同算法的時間復雜度對比


                        圖5-12 測試過程記錄界面

                          2 計算機聯鎖軟件測試基礎

                          2.1 聯鎖軟件測試分析

                          2.1.1 測試需求分析

                          2.1.2 基于進路控制的自動測試流程

                          2.2 基于模型的軟件測試方法

                          2.2.1 測試方法對比分析

                          2.2.2 聯鎖測試模型的選取

                          2.3 測試序列優化方法分析

                          2.3.1 蟻群算法

                          2.3.2 遺傳算法

                          2.3.3 螢火蟲算法

                          2.4 本章小結
                         

                          3 基于聯鎖模型的測試序列自動生成

                          3.1 UPPAAL建模方法

                          3.2 聯鎖進路控制過程建模

                          3.2.1 模型交互分析

                          3.2.2 進路建立模型

                          3.2.3 進路解鎖模型

                          3.3 聯鎖測試序列的生成方法

                          3.3.1 模型的正確性保障方法

                          3.3.2 測試序列生成

                          3.4 本章小結
                         

                          4 聯鎖軟件測試序列優化

                          4.1 聯鎖軟件測試序列分析

                          4.2 螢火蟲算法的實現

                          4.2.1 螢火蟲算法的數學描述

                          4.2.2 螢火蟲算法優化測試序列

                          4.2.3 螢火蟲算法優化的編程實現

                          4.3 遺傳算法的實現

                          4.3.1 遺傳算法的數學描述

                          4.3.2 遺傳算法優化測試序列

                          4.3.3 遺傳算法優化的編程實現

                          4.4 算法對比分析

                          4.5 本章小結
                         

                          5 仿真測試平臺開發與應用驗證

                          5.1 仿真測試環境

                          5.1.1 總體結構設計

                          5.1.2 測試數據配置

                          5.2 測試方法應用驗證

                          5.3 測試結果分析

                          5.4 本章小結

                          6總結與展望

                          6.1總結

                          計算機聯鎖系統是高可靠、高安全的安全苛求系統,在投入實際使用之前,需要投入大量人力物力,對其嚴格測試.由于聯鎖系統的復雜性,使得現有仿真測試平臺往往存在通用性差或自動化程度不足的缺陷,另外,執行測試的過程中存在許多重復操作,使得測試耗時長,難以提高效率.在此背景下,本文提出了一種基于模型的仿真測試方法自動產生測試序列、利用螢火蟲算法優化測試序列并最終自動執行測試序列的測試方法,減少了以往測試流程中無意義的重復操作,提高了測試效率.本文的主要工作如下:

                          (1)論文分析了計算機聯鎖系統的測試需求,結合傳統測試文檔,根據聯鎖進路控制的邏輯時序將其基本測試項分類,整合成適合自動測試執行的流程,該流程不僅能減少一定程度的重復操作,也為后續對聯鎖測試關鍵項目進行形式化建模奠定了基礎.

                          (2)論文對聯鎖系統功能項進行了基于時間自動機的建模,利用建模工具UPPAAL實現,構建了符合進路控制時序的六個子模型,包括測試驅動模型、進路建立模型、進路自動解鎖模型、進路取消模型、人工解鎖模型和區段故障解鎖模型,同時通過仿真與驗證對模型正確性進行了說明,保證了后續利用模型生成測試序列的合理性,最后利用CoVer輔助軟件自動生成了原始測試子序列集,對生成的序列選取了三個基本場景進行了說明.

                          (3)論文利用基于群智能優化的螢火蟲算法設計了針對聯鎖系統的測試序列優化方法,以前文選取的三個基本場景子序列為例對算法總體流程進行了詳細解釋,最后加以聯鎖邏輯的限制使螢火蟲算法優化測試序列得到了編程實現.論文同時選取遺傳算法作為對比算法進行了闡述,通過分析優化結果證明了螢火蟲算法的降低冗余度和快速收斂方面的優越性,最終選取螢火蟲算法作為聯鎖軟件測試平臺的優化算法.

                          (4)論文開發了聯鎖仿真測試平臺,編寫了仿真程序和測試通信程序實現了聯鎖測試的自動執行.本文通過測試實際站場,對前文所述的仿真測試方法進行了驗證,詳細說明了測試平臺工作流程,包括利用螢火蟲算法產生優化后的抽象測試序列、選擇測試站場數據執行具體測試序列、測試過程記錄和測試結果分析等等.

                          測試結果分析表明,本文所述的仿真測試方法所產生的測試序列是全覆蓋的,測試的充分性得到了保證,與傳統測試相比不會引入安全風險;同時,優化后的測試序列,僅僅以單條進路全功能測試為例,冗余度就降低了M%,測試舉例站場1的時間由1~2天縮短到了7個小時,測試舉例站場2的時間由3~5天縮短到了18個小時,證明了本文開發仿真測試平臺的通用性,同時顯著提升了測試效率,表明了論文提出的計算機聯鎖軟件仿真測試方法的有效性.

                          6.2展望

                          聯鎖系統所含邏輯十分豐富,由于開發時間原因和作者水平的限制,本文所述的聯鎖仿真測試僅僅是對提高測試效率的一次嘗試,仍存在許多不足之處,有許多問題亟待解決,主要體現在以下幾個方面:

                          (1)本文所搭建的聯鎖模型比較粗糙,部分遷移和狀態節點可作進一步細化,以便更好地指導后期測試工作.

                          (2)本文僅選取了聯鎖的基本功能進行測試,暫未考慮實際工程中占比不低的特殊聯鎖邏輯,如何將特殊聯鎖功能引入自動測試可成為下一步工作的重點.

                          (3)本文對優化測試序列加以聯鎖邏輯限制時僅考慮進路控制過程時序順序,未深入探索其他復雜邏輯,可作為下一步研究的內容進行改進.

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