朱愛(ài)鵬， 徐中偉， 牛 強(qiáng)

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性大大提高，基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制(Communication Based Train Control，CBTC)系統(tǒng)也隨之產(chǎn)生[1].CBTC 以其高速度、高密度的特點(diǎn)逐漸成為軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的首選解決方案.但是在研發(fā)的過(guò)程中，由于CBTC系統(tǒng)的復(fù)雜性和高安全性要求，在沒(méi)有得到一個(gè)符合工程化標(biāo)準(zhǔn)的CBTC系統(tǒng)之前，在實(shí)際線路上對(duì)CBTC進(jìn)行安全測(cè)試與評(píng)估的成本非常昂貴，需要消耗巨大的人力、物力和財(cái)力，還具有一定的安全隱患，而且會(huì)使整個(gè)CBTC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期大大延長(zhǎng).因此，CBTC半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)成為CBTC系統(tǒng)安全測(cè)試的重要手段.該仿真測(cè)試平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)能有效的降低安全測(cè)試與評(píng)估的成本，對(duì)于行業(yè)的發(fā)展具有很好的促進(jìn)作用.

軌旁設(shè)備仿真是CBTC仿真測(cè)試平臺(tái)不可或缺的重要組成部分，它能仿真軌旁設(shè)備的功能，為整個(gè)CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行和測(cè)試提供虛擬的軌道線路環(huán)境.針對(duì)不同的軌道線路，軌旁設(shè)備都有很大的差異，如果每條線路的軌旁仿真系統(tǒng)都要重新設(shè)計(jì)，將存在大量的重復(fù)勞動(dòng)，這將降低整個(gè)系統(tǒng)的可重用性和擴(kuò)展性.

本文利用組件技術(shù)設(shè)計(jì)軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn).使其能夠應(yīng)用于不同軌道線路的仿真，從而實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)的可重用性、加快整個(gè)CBTC測(cè)試平臺(tái)的效率、縮短開(kāi)發(fā)周期、減少系統(tǒng)錯(cuò)誤.

圖1

1 組件化程序設(shè)計(jì)方法

組件是一種可重復(fù)調(diào)用的軟件塊，它把維護(hù)及操作每一類(lèi)信息的程序集中在一起獨(dú)立成塊.應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)預(yù)先定義好的接口來(lái)調(diào)用執(zhí)行組件[2].組件可以簡(jiǎn)單如一個(gè)類(lèi)，也可以復(fù)雜如完整的應(yīng)用服務(wù)處理.組件化程序設(shè)計(jì)的核心是組件的產(chǎn)生和組裝[3].在組件模型下，通過(guò)對(duì)組件庫(kù)中的組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)組裝來(lái)提高軟件生成的效率和質(zhì)量.

組件技術(shù)的基本思想:將復(fù)雜的軟件系統(tǒng)分成幾個(gè)可先實(shí)現(xiàn)、易開(kāi)發(fā)、復(fù)用和修改的軟件模塊.它封裝屬性和方法，隱藏實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)細(xì)節(jié)，提供相應(yīng)的接口，開(kāi)發(fā)人員可以利用此接口調(diào)用組件來(lái)生成系統(tǒng).可以單獨(dú)的對(duì)某個(gè)組件進(jìn)行修改和升級(jí)，只要保持組件接口不變，就不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行.利用組件構(gòu)建模型的流程圖如圖1所示.

2 軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)

組件是軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)的基本單元，根據(jù)軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)需求的分析，軌旁設(shè)備組件包括區(qū)段組件、道岔組件、信號(hào)機(jī)組件、信標(biāo)組件、車(chē)站緊急停車(chē)組件、屏蔽門(mén)組件等[4].利用組件技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)完備的軌旁設(shè)備組件庫(kù)，對(duì)于不同的軌道線路，通過(guò)對(duì)組件庫(kù)中的組件動(dòng)態(tài)組裝，完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，如圖2所示.

圖2

圖3

構(gòu)建軌旁設(shè)備組件最重要的是設(shè)計(jì)組件的屬性.考慮到軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)一方面要能仿真真實(shí)的軌旁設(shè)備功能，另一方面要能給測(cè)試人員提供良好的人機(jī)交互界面，因此軌旁設(shè)備組件的屬性可以劃分為:功能屬性、視圖屬性.所謂功能屬性，是組件對(duì)真實(shí)軌旁設(shè)備功能的模擬，它能給CBTC系統(tǒng)運(yùn)行提供所需軌旁設(shè)備功能，主要是一些狀態(tài)信息，如區(qū)段的占用和空閑、信號(hào)機(jī)的亮燈狀態(tài)、熔絲的通斷、道岔的定位和反位、屏蔽門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉等.組件的視圖屬性，是指在創(chuàng)建人機(jī)交互界面繪制站場(chǎng)圖時(shí)所需的位置屬性，它主要包括軌旁設(shè)備組件在站場(chǎng)圖中的位置坐標(biāo)信息、名稱信息、軌道區(qū)段的長(zhǎng)度、信號(hào)機(jī)的種類(lèi)信息、站臺(tái)方向信息等.以道岔組件為例:

1)功能屬性(道岔定位狀態(tài)、道岔反位狀態(tài)、道岔鎖閉狀態(tài)、道岔到定位延時(shí)(ms)、道岔到反位延時(shí)(ms));

2)視圖屬性(道岔中心軸坐標(biāo)、道岔定位點(diǎn)坐標(biāo)、道岔反位點(diǎn)坐標(biāo)、道岔名稱);

以道岔屬性為例，道岔組件屬性代碼如下:

3 基于組件的軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)首先需要構(gòu)建一個(gè)完備的軌旁設(shè)備組件庫(kù)，然后根據(jù)不同軌道線路配置的XML文件信息，從軌旁設(shè)備組件庫(kù)中提取所需的組件，生成對(duì)應(yīng)的組件對(duì)象，初始化組件數(shù)據(jù)，最后調(diào)用相應(yīng)的繪圖函數(shù)生成整個(gè)系統(tǒng).其開(kāi)發(fā)流程如圖3所示.

軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)由組件生成、站場(chǎng)圖繪制、故障注入三大功能模塊構(gòu)成.其中組件生成是基礎(chǔ)，站場(chǎng)圖的繪制是以組件生成的對(duì)象為參數(shù)，故障注入是改變組件對(duì)象屬性值的手段.

圖4

圖5

3.1 組件生成

在開(kāi)發(fā)軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)的過(guò)程中，需要根據(jù)組件“清單”從軌旁設(shè)備組件庫(kù)中提取相應(yīng)的組件，產(chǎn)生相應(yīng)的組件對(duì)象.其中的“清單”就是利用XML語(yǔ)言的描述的軌旁設(shè)備信息，將所有組件的相關(guān)屬性值寫(xiě)入配置的XML文件中，在軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)啟動(dòng)后，選擇不同軌道線路所對(duì)應(yīng)的XML配置文件，然后根據(jù)XML配置文件從組件庫(kù)中生成所需的組件對(duì)象，同時(shí)給組件對(duì)象的部分屬性賦值[5].最后，生成對(duì)應(yīng)軌道線路的軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)用性和快速開(kāi)發(fā).以道岔為例子，某道岔信息的XML語(yǔ)言描述如下:

圖6

3.2 站場(chǎng)圖繪制

站場(chǎng)圖是整個(gè)軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)提供的人機(jī)交互界面，它能顯示真?zhèn)€軌道線路的信息，提供所有軌旁設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)給測(cè)試人員能通過(guò)它進(jìn)行故障注入，觀測(cè)測(cè)試結(jié)果.可見(jiàn)站場(chǎng)圖在整個(gè)軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)中的重要性.本文利用GDI+(Graphics Device Interface，圖形設(shè)備接口)技術(shù)，采用基于函數(shù)的設(shè)計(jì)方法對(duì)每一類(lèi)軌旁設(shè)備編寫(xiě)一個(gè)獨(dú)立的繪圖函數(shù)，所有函數(shù)的集合就是整個(gè)軌旁設(shè)備組件庫(kù)的函數(shù)庫(kù)[6].在繪制站場(chǎng)圖時(shí)，只要把組件對(duì)象作為函數(shù)的參數(shù)，利用組件對(duì)象的繪圖屬性繪制站場(chǎng)圖，根據(jù)組件對(duì)象的功能屬性動(dòng)態(tài)更新軌旁設(shè)備在站場(chǎng)圖中的狀態(tài)信息.整個(gè)流程如圖4所示:

以成都一號(hào)線為例，根據(jù)成都一號(hào)線信息配置對(duì)應(yīng)的XML文件，軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)通過(guò)加載XML文件生成關(guān)于成都一號(hào)線的軌旁設(shè)備仿真，其中部分站場(chǎng)圖如圖5所示:

3.3 故障注入模塊

故障注入實(shí)際上是一種測(cè)試技術(shù)，按照測(cè)試案例要求或者故障模型，人為地產(chǎn)生故障施加在被測(cè)系統(tǒng)中，同時(shí)觀測(cè)被測(cè)系統(tǒng)對(duì)注入的故障所作出地響應(yīng).真實(shí)CBTC系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境不可預(yù)知的因素非常多，因此故障注入的功能在整個(gè)仿真測(cè)試平臺(tái)中是必不可少的.軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)可以通過(guò)人機(jī)交互界面，點(diǎn)擊所需注入故障的軌旁設(shè)備，改變對(duì)應(yīng)組件對(duì)象的屬性值，來(lái)仿真真實(shí)軌旁設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障情況.以道岔為例，如圖6所示，可以人為改變道岔組件對(duì)象的功能屬性值，如道岔的定位狀態(tài)、反位狀態(tài)、鎖閉狀態(tài)、到定位延時(shí)的值、到反位延時(shí)的值等等.

4 結(jié)語(yǔ)

基于組件技術(shù)的城市軌道交通軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)完備的軌旁設(shè)備組件庫(kù)，對(duì)于不同的軌道線路，配置對(duì)應(yīng)的XML文件，然后從組件庫(kù)中加載不同的軌道線路所需的組件生成對(duì)應(yīng)的組件對(duì)象并初始化組件對(duì)象的屬性值.將組件對(duì)象的屬性值作為參數(shù)傳入對(duì)應(yīng)設(shè)備封裝好的的GDI+繪圖方法，快速準(zhǔn)確地繪制站場(chǎng)圖界面，實(shí)現(xiàn)軌旁系統(tǒng)的可復(fù)用性、可擴(kuò)展性和動(dòng)態(tài)配置.測(cè)試人員能從站場(chǎng)圖中看到整條線路上的信號(hào)機(jī)、道岔、區(qū)段、站臺(tái)等軌旁設(shè)備的位置和名稱，以及他們的時(shí)時(shí)狀態(tài)信息，更主要的是測(cè)試人員能直接通過(guò)站場(chǎng)圖通過(guò)點(diǎn)擊各個(gè)軌旁設(shè)備對(duì)軌旁設(shè)備注入一系列的故障，并能反饋給被測(cè)系統(tǒng)，為測(cè)試人員提供一個(gè)良好的人機(jī)交互界面，也為CBTC系統(tǒng)的測(cè)試提供各種運(yùn)行場(chǎng)景.基于組件技術(shù)的軌旁設(shè)備系統(tǒng)的軌旁設(shè)備仿真系統(tǒng)已經(jīng)完成并且完成部分CBTC系統(tǒng)的測(cè)試.

[1]魯也傳，陳永生，郭玉臣.基于通信的列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，12:152 －154.

[2]王君，樊治平.一種基于角色的組件動(dòng)態(tài)組裝模型[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2003，2:5 －8.

[3]雒翠萍.面向組件技術(shù)的鐵路通信資源DSS的研發(fā)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2012，8:40 －43.

[4]王野，郭秀清.基于組件技術(shù)的列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，12:286 －288.

[5]陳偉嘉，陳永生.OT系統(tǒng)的可復(fù)用站場(chǎng)圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，8:52 －55.

[6]俞家文，陳空軍，高立群.基于GDI+和.NET組件技術(shù)的MIS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，5:552 －555.