SITAF：用于机器人软件组件的基于仿真的接口测试自动化框架

### SITAF：用于机器人软件组件的基于仿真的接口测试自动化框架 #### 1. 引言 在机器人领域，许多研究人员提出了基于组件的软件工程（CBSE）方法来解决机器人软件开发中的问题。在基于组件的机器人系统中，系统质量依赖于每个组件的质量，因为任何有缺陷的组件都会对整个系统产生不良影响。因此，组件接口测试对于检查组件功能的正确性至关重要。然而，测试机器人软件组件面临两个主要难题：一是准备与机器人软件相关的所有硬件模块并配置测试环境非常耗时费力；二是难以定义或生成用于测试机器人软件组件的测试用例。 仿真在机器人软件开发过程中起着重要作用。它允许在将机器人软件组件部署到实际机器人之前对其进行测试，并尝试不同的配置。传统的基于仿真的方法主要关注架构或方法，而非测试。许多软件工程研究人员研究了软件组件测试，但未考虑仿真环境。仿真可以在基于规范的测试机制中使用，这有助于机器人软件开发人员定义和应用有效的测试用例。生成测试用例是自动化测试领域的重要方法。 本文提出了一种用于机器人软件组件的基于仿真的接口测试自动化框架（SITAF）。SITAF 通过应用基于规范的测试技术并考虑与仿真相关的参数，自动生成测试用例。它还通过与仿真交互，在分布式测试环境中执行接口测试。在测试过程中，SITAF 控制测试参数，这些参数会影响被测组件（CUT）的行为，例如与仿真相关的参数、CUT 提供/所需接口的输入/输出参数。该技术的主要优点是能够识别由 CUT 与外部环境交互引起的错误。本文的主要贡献是将基于规范的测试集成到仿真中，以实现机器人软件组件的自动接口测试。 #### 2. SITAF 架构 SITAF 的主要目标是尽可能自动化机器人软件组件的测试过程。为实现这一目标，该框架的架构由基于 Web 的接口测试自动化引擎服务器（ITAES）、测试构建代理（TBA）和机器人模拟器组成，如下图所示： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(ITAES):::process --> B(TBA):::process A --> C(机器人模拟器):::process B --> C ``` ITAES 是框架的核心，用户可通过 Web 服务访问它。它为机器人软件组件的接口测试生成测试用例，还生成测试驱动组件、测试桩组件和仿真控制组件，并将这些生成的组件相互链接。此外，ITAES 以测试活动为单位管理测试资源，如测试用例、测试应用程序、测试结果和测试日志，测试活动是执行测试操作的工作空间。ITAES 由三个主要模块组成： - **接口测试用例生成器（ITCG）**：通过基于规范的测试技术（如等价划分、边界值分析、随机测试和成对测试）的扩展测试方案自动生成测试用例。它接收接口定义语言（IDL）或可扩展标记语言（XML）形式的接口表示信息，并在自动生成测试用例之前验证 CUT 的规范信息。测试用例以 XML 文件的形式存储在数据库中，用户可通过 Web 界面修改数据库中的测试用例，并为每个测试用例输入预期结果值。 - **接口测试应用程序生成器（ITAG）**：生成测试应用程序的源代码。测试应用程序由测试驱动组件、测试桩组件和仿真控制组件组成，所有源代码与 TBA 共享。 - **自动测试构建管理器（ATBM）**：与分布式 TBA 连接，管理测试构建（即测试应用程序的编译和执行），并为测试构建提供三种测试时间：即时、预留和定期。 单个 TBA 可以存在于不同的测试环境中，并与 ITAES 中的 ATBM 通信。TBA 负责自动构建测试应用程序，包含三个模块： - **测试构建代理管理器（TBAM）**：管理 TBA，接收 ITAES 中 ATBM 的测试构建请求，然后下载测试应用程序和测试用例文件。 - **测试应用程序编译器（TAC）**：自动编译测试应用程序。 - **测试应用程序执行器（TAE）**：自动执行测试应用程序。编译和执行完成后，这些模块将日志和测试结果上传到 ITAES。 用于接口测试的机器人模拟器提供了仿真控制 API 和虚拟机器人硬件 API。仿真控制 API 用于控制仿真中的虚拟测试环境，测试应用程序中的仿真控制组件通过该 API 为每个测试用例动态修改或控制虚拟测试环境。虚拟机器人硬件 API 用于控制虚拟机器人硬件或接收数据。如果测试组件是与硬件相关的组件，则该组件使用该 API 进行仿真，控制虚拟机器人硬件或接收数据。仿真控制数据用于生成有效的测试用例。 #### 3. 机器人软件组件的自动接口测试操作 ##### 3.1 接口测试用例的自动生成 通过仿真，将基于规范的测试技术应用于机器人软件组件测试用例的生成。机器人软件组件的测试用例由输入向量组成，该向量需要输入测试数据（TDI）、与仿真相关的测试数据（TDSD）和测试桩的测试数据（TDTS），因为这些测试数据会影响 CUT 的行为。TDI 是被测接口的输入参数，TDSD 是用于接口测试的仿真控制数据，它通过仿真影响 CUT，TDTS 是 CUT 所需接口的输出数据。 自动接口测试用例生成过程有两个步骤： 1. **定义测试规范**：ITCG 中的接口解析器模块解析 CUT 的接口表示，并提取 CUT 的输入测试参数信息。接口表示的主要元素包括 type_name、method 和 param，type_name 表示接口类型，method 和 param 描述接口中方法的原型。测试规范包括每个测试参数的有效范围值、特定候选值、前置/后置条件等。测试模型是一组测试规范，其基本元素包括名称、输入规范列表和组合顺序。输入规范列表包括 TDI、TDSD 和 TDTS 的测试规范，组合顺序是对每个测试参数进行成对组合的交互强度数量。 以下是简化的接口表示 XML 模式： ```xml <xs:schema> <xs:element name="service_port_type"> <xs:complexType> <xs:sequence> <xs:element name="type_name" type=”NCName”/> <xs:element ref="method" maxOccurs="unbounded" /> </xs:sequence> </xs:complexType> </xs:element> <xs:element name="method"> <xs:complexType> <xs:attribute name="name" type="xs:NCName" use="required"/> <xs:attribute name="return_type" type="xs:NCName" use="required"/> <xs:attribute name="call_type" type="xs:NCName" default="blocking"/> <xs:sequence> <xs:element maxOccurs="unbounded" ref="param"/> </xs:sequence> </xs:complexType> </xs:element> <xs:element name="param"> <xs:complexType> <xs:sequence> <xs:element name="type" type="xs:NMTOKEN"/> <xs:element name="name" type="xs:NCName"/> </xs:sequence> <xs:attribute name="index" type="xs:integer" use="required"/> </xs:complexType> </xs:element> </xs:schema> ``` 以下是简化的测试模型 XML 模式： ```xml <xs:schema> <xs:element name=”test_model”> <xs:complexType> <xs:sequence> <xs:element name=”name” type=”xs:string” use=”required” /> <xs:element name=”description” type=”xs:string/> <xs:element ref=”pre_condition_spec_list” /> <xs:element ref=”input_spec_list” use=”required”/> <xs:element ref=”output_spec_l ```