_动车论坛_基于UML的城轨列车超速防护系统建模

《_动车论坛_基于UML的城轨列车超速防护系统建模》由会员分享，可在线阅读，更多相关《_动车论坛_基于UML的城轨列车超速防护系统建模（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、基于基于 UMLUML 的城轨列车超速防护系统建模的城轨列车超速防护系统建模摘要：分析 I-Logix 公司的 Rhapsody 软件的主要特性在 Rhapsody 开发环境下 对北京地铁 1 号线的 ATP 系统车载设备进行 UML 建模,并介绍系统级调试功能。 统一建模语言 UML(UnifiedModelingLanguage)是迄今为止最好的面向对象的统 一建模语言,它取代了以往各种面向对象表示法,可以全面、细致地同时描叙业 务和软件系统,实现软件开发全生命周期建模的无缝统一。UML 与 OOAD(面向对 象分析和设计)工具的结合,更使软件工程思想的实现往前走了一大步。美国 I- Lo

2、gix 公司的 Rhapsody 是一种基于 UML2.0 的面向嵌入式应用开发的集成可视 化环境,它为嵌入式软件的开发提供了一个“四化”的支撑平台,即可视化、工 程化、自动化和团队化。Rhapsody 正在迅速成为国防/航空航天领域首选的 MDD(模型驱动开发,ModelDrivenDevelopment)开发环境,在一系列项目中(如 FutureCombatSystems(FCS)andF22 等)被作为主要开发工具来使用。列车自动 防护系统(ATP 系统)是城市轨道交通运行控制系统的组成部分之一。它主要保 证提供速度限制信息以保持列车间的安全间隔,使列车在符合限制速度的标准下 运行。AT

3、P 车载设备是列车自动防护系统的一个重要组成部分,负责完成 ATP 车 载部分的功能。北京地铁 1 号线所采用的 LCF100DT 型车载设备是保证列车运行 安全、提高运输能力的地铁信号专用技术的行车安全控制设备。本文首先介绍 了 Rhapsody 的主要特性实时框架,然后分析了 ATP 系统的工作原理,并在 Rhapsody 基础上对北京地铁 1 号线的 ATP 系统车载设备软件系统进行建模,最 后分析了系统级调试功能。 1 Rhapsody 框架特性 Rhapsody 的实时框架是一个 垂直框架,嵌入式和实时应用专门选择和优化的设计模板,实现了用于内务处理 (如状态机的实现、容器类的实现等

4、)代码的重写,实时框架使得设计的模型与操 作系统无关,通过实时框架,应用程序可以方便地从一个实时操作系统移植到其 他的操作系统。实时框架包含 4 个主要部分,如图 1 所示。对象执行框架提供 UML 模型执行的基本结构管理线程状态机的执行,对象间关联模式管理对象间的 一对多、多对多关系,抽象操作系统与框架自身和实时操作系统无关,便于框架 的移植动画,调试框架可以使用户进行基于模型的调试,如基于状态图的断点设 置、捕捉不同对象间消息映射等。下面分析对象执行框架中的主要元素。 2 自动超速防护系统 2.1 自动超速防护系统概要 ATP(AutomaticTrainProtection,列车自动防护

5、系统)具有超速防护、零速度检 测和车门限制等功能,提供速度限制信息,以保持列车间的安全间隔,使列车在符 合限制速度的标准下运行。超速防护车载设备是列车超速防护系统的一个重要 组成部分,它是依据从 ATP 地面设备接收到的列车运行控制命令,对列车进行实 时速度监督的一种安全保障设备。 2.2 北京地铁 1 号线 ATP 系统 ATP 子系统 实现所需的设备包括地面设备和车载设备。地面设备主要由集中设置的地面轨 道电路 FS2500 无绝缘轨道电路构成,由发送器、接收器、码发生器及调谐单元 组成;其发码由微机联锁设备及控制中心控制,以保证安全追踪间隔及临时限速 等。车载设备的功能由地面信息接收部分

6、、测速部分、速度比较控制部分等完 成,当列车运行速度超过允许速度时,自动完成减速控制,车载设备由以微处理器 为基础的安全子系统和非安全子系统、速度表、天线及装在不同轴上的测速电机组成。 ATP 系统的功能包括:在设置区间闭塞分区时,保证列车追踪运行时的 最小安全间隔,防止列车尾追事故;列车按线路最大允许安全速度运行,防止列车 超速运行;确保所排进路正确、安全;确保提供车门正确开闭条件;区间临时限速。2.3 利用软件 Rhapsody 对 ATP(车载设备)建模为了使系统软件具有较高的可 靠性、可维护性,结构化、模块化是系统软件设计的关键,软件模块的划分应尽 量明确、相对独立,入口参数、出口参数

7、意义范围明确。软件 Rhapsody 只支持 英文环境,图中英文都有相应的解释。 2.3.1 需求分析需求分析就是明确从外 围系统的角度,要求列车运行控制仿真系统提供什么功能。在以往的需求分析中,始 终没有一种合适的工具来保证系统需求的完整表达,所以直接导致了系统在完成 后的检测中发现与真实情况不符。在分析阶段引入全面支持 UML 的 Rhapsody 这 个有效的形式化工具,以完整的、无歧义的语言表达上述功能需求,减少了设计人员的理解偏差,简化了开发过程中的交流。 图 2 为本案例的用例图,该图 形象地表示了各个对象和用例之间的关系。driver(司机)启动是否进行 ATP 的 操作,一旦启

8、动 ATP 超速防护系统,ATPdevice(ATP 车载设备)就处于超速防护状 态,接受目标速度和实时运行速度,进行比较;如果司机按照允许速度操纵列车, 速度监督设备不干预司机的正常操作。当司机违章操作或列车运行超过允许速 度时,ATP 车载设备将自动实施制动。其中,车载设备主要实现以下几个功能: initialtrain(自检并初始化车载设备),acquireactualspeed(获得实际速度), acquireactualspeed(获得列车实际运行的实时速度),acquirelmiitedspeed(获 得允许速度,即入口区段的列车速度),acquiregoalspeed(获得出口区

9、段的目标 速度),protectspeed(对列车运行进行速度防护及监督),announceemergency(超 速告警),braketrain(当发现列车超过允许速度,强行制动列车),司机要实现的 功能是:brakebyhuman(人工制动)以及 activitateATP(模式开关的选择和司控 开关状态的采集)。 2.3.2 类的划分和处理由功能需求分析确定,利用面向对象 设计思想,将各个部分用对象来描述,将具有一定属性和操作的对象聚集成类的 表现形式。从逻辑上看,一个对象是独立存在的模块,从外界来看,只需要了解它 具有哪些功能,至于如何实现这些功能对外界都是屏蔽的。系统中的各个对象通

10、过消息激活机制被动态联系在一起,并可利用面向对象建模中类的继承性,简化 类和对象的生成。如果不同的类有共同的属性和方法,依据类的层次把这些共同性概括为总类。图 3 为本系统的对象模型图。 北京地铁 1 号线使用的控制 方式是分级速度控制方式的出口检查方式:在一个闭塞分区中,只按照一种允许 速度判断列车是否超速,并且要求司机在闭塞分区内将列车运行降低到目标速度,设 备在闭塞分区出口检查列车运行速度,这个过程主要通过 ProtectSpee(防护速 度)类来实现。列车的允许速度为该区段的入口速度,机车信号显示器给出目标 速度。本区段的目标速度就是下个闭塞分区的允许速度,各种速度的获得是在 Sign

11、alConditionIn(信号输入)中实现的,另外还设立了 DriverCommand(驾驶命 令)类以及 BrakeControlle(制动控制)类来完成 ATP 启动列车制动的动作。各 个类中的函数及其事件在这里就不再详细描述。 2.3.3 状态图分析 UML 编程 过程是在状态图中定义的,由于状态图的表达性和可伸缩性都很好,UML 用它们 作为正式的 FSM(有限状态机)表示。有限状态机是由已存在的条件(称为“状态” )的有限集定义的机器,同样也是状态间因事物触发的状态转移有限集。本案例 的行为是通过各个类的状态和转换关系进行定义的,为了使状态图不趋于复杂化,并方便以后的更精确化,我们

12、将各个类分配状态图。在这里,我们将主要类 ProtectSpeed(防护速度类)进行讨论(见图 4),包括 CompareSpeed(防护区段内 列车速度控制在允许速度之下)、GetdownActualSpeed(保证列车在区段出口时 速度降低到目标速度)、RefreshActualSpeed(不断得到列车实际运行速度)。比如,在 RefreshActualSpeed(刷新实际速度)中需要获得处理好的数字速度,在该状态中加入 Actual-Speed=SignalConditionerIn-GetActualSpeed(),这样就可以从 SignalConditionIn(信号输入)中得到最大

13、列车实际运行速度。在 CompareSpeed(速度比较)中 对得到的实际速度和最大允许速度比较,若超出规则进入制动状态,状态图进入 BrakeController(制动控制)的状态图中。 2.4 代码生成及系统级调试当以上设计完成时,我 们能够产生代码并测试系统模型。我们需要用 Component 组件来告诉 Rhapsody 产生什么 样的环境。通常我们使用的是 Microsoft 环境(Windows 操作系统和 VisualC+编译器),这样 Rhapsody 可以产生 VisualC+6.0 和基于 VxWorks 的 C+程序。 Rhapsody 通过动态化状 态图和顺序图促进了建

14、模级的调试。用户可以在一个“面向对象”尺度上(操作调用,单个事件 处理,整个事件队列)单步调试应用,并可以观察状态图的影响(如活动图的变化)。Rhapsody 提供了 3 种不同层次的动画控制指令(在 conf iguration 中进行设置添加)。第 1 种是 none,即 要生成的是可发布的代码;第 2 种是 tracing,它能够随着执行过程在主机的标准输出设备上 显示文本的执行跟踪信息,第 3 个层次是 anmiation(图形动画),以动画形式进行演示。 Rhapsody 代码在目标机上运行的同时,运行情况动态反馈到设计模型中来,例如基于状态图 的断点设置、在顺序图上捕捉不同对象之间

15、的消息映射等。在进行设计级调试的同时,与代 码级调试工具联合调试。Rhapsody 通过模型级/代码级联合调试、验证,能够直观地尽早发 现系统的设计错误或缺陷,从而较早地确定或降低项目风险。另外,Rhapsody 可以生成高质 量的中文文档,可以生成软件应用所需的框架结构、运行库、编译文件、通讯方式、实施策 略等。而且模型和代码的一致性更保证了文档和代码的一致性,为我们顺利地完成开发、后 期经验的累积提供了很好的平台。可以通过定制模板,生成适合具体工作要求的文档。 3 结论通过对北京地铁 1 号线的 UML 建模,可以缩短车载设备软件的开发周期。本文针对北 京地铁 1 号线的 LCF-100DT 型车载设备进行 UML 建模,利用了 Rhapsody 这个基于 UML 语言的开发环境,UML 的状态机模型与车载设备极好地对应,且便于借助 CASE 工具实现代 码自动生成,能够极大地提高车载设备软件的开发效率和项目可管理性。Rhapsody 采用基于 模型的开发方式,为系统的开发提供了清晰的结构以及可复用的软件模块,能够切实提高实时 软件的开发效率和可维护性,并可在系统级进行调试,从而提高系统的可靠性和实时性。 Rhapsody 提供了一个完整的用于复杂实时嵌入式的应用软件,是从分析、设计一直到代码实 现和软件测试的开发环境。