動(dòng)車組統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張順廣， 王隆龍， 袁 濤

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

“復(fù)興號(hào)”CR400BF動(dòng)車組配裝同一公司的牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)和安全監(jiān)測產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品都有自己獨(dú)特的PTU(Portable Test Unit，便攜式測試單元)服務(wù)軟件。由于各產(chǎn)品的研制基于不同產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，各產(chǎn)品的服務(wù)軟件只是為了解決各自的問題而設(shè)計(jì)，在開發(fā)期間并沒有采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模式和開發(fā)框架，目標(biāo)機(jī)通信、變量監(jiān)視和控制、程序更新、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能設(shè)計(jì)沒有依據(jù)統(tǒng)一的規(guī)范，造成這些服務(wù)軟件雖然完成的功能相同或相似，但是使用界面和操作風(fēng)格迥異。

眾多產(chǎn)品不同的服務(wù)軟件，對(duì)于用戶操作比較繁瑣，給用戶帶來諸多不便。終端用戶在維護(hù)同一公司的產(chǎn)品時(shí)，既要安裝不同的服務(wù)軟件，還要學(xué)習(xí)不同服務(wù)軟件的操作使用，適應(yīng)不同服務(wù)軟件的操作風(fēng)格。既給產(chǎn)品的維護(hù)工作帶來復(fù)雜性，影響了工作效率，又對(duì)終端用戶的基本素質(zhì)要求更高。為了提高效率，減輕終端用戶的工作，研制統(tǒng)一操作風(fēng)格和操作界面的統(tǒng)型PTU軟件工作已經(jīng)迫在眉睫。

1 需求分析

服務(wù)軟件統(tǒng)型的設(shè)備包括CCU(Central Control Unit，中央控制單元)、TCU(Traction Control Unit，牽引控制單元) 、BCU(Brake Control Unit，制動(dòng)控制單元)、失穩(wěn)/平穩(wěn)裝置、GW(Gateway，網(wǎng)關(guān))、WTD(Wireless Transmission Device，無線傳輸裝置)、HMI(Human Machine Interface，人機(jī)接口單元)和ACU(Auxiliary Control Unit，輔助控制單元)。對(duì)各設(shè)備的服務(wù)軟件進(jìn)行了調(diào)研和需求分析，深入了解每個(gè)設(shè)備服務(wù)軟件的功能及操作需求，統(tǒng)一和歸類了各設(shè)備服務(wù)軟件的功能需求，形成了表 1所示的各設(shè)備服務(wù)軟件的功能需求列表。

注：√：有該功能需求；-：無該功能需求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)概述

研制的統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件目標(biāo)：兼容已有的目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，保證已有各目標(biāo)機(jī)既有軟件不變的情況下，統(tǒng)一設(shè)計(jì)和開發(fā)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)的PTU服務(wù)軟件。

為了兼容現(xiàn)有設(shè)備的PTU軟件功能，并考慮擴(kuò)展未來新設(shè)備的PTU軟件，統(tǒng)型PTU軟件采用模塊化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)思想，將模塊分為通用和專用模塊，通過配置動(dòng)態(tài)生成新的PTU應(yīng)用系統(tǒng)。為了能夠動(dòng)態(tài)生成PTU軟件，統(tǒng)型PTU軟件使用本體架構(gòu)作為系統(tǒng)基本框架，基于本體框架的功能整合和靈活配置，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備PTU應(yīng)用模塊的統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一樣式和統(tǒng)一功能的整合。在本體框架的基礎(chǔ)上，為每個(gè)設(shè)備PTU應(yīng)用模塊生成通用模塊和專用模塊，通用模塊設(shè)計(jì)共有的屬性達(dá)到通用功能，專用模塊設(shè)計(jì)個(gè)性化屬性達(dá)到個(gè)性化功能。

2.2 總體架構(gòu)圖

統(tǒng)型PTU軟件的系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖 1所示。以數(shù)據(jù)層為支撐，類、屬性、關(guān)系和實(shí)體的本體架構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)建通用模塊類、專用模塊類等邏輯層，邏輯層的類實(shí)例化后為具體的功能模塊，再通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換插件、變量解析插件和其他定制插件的適配層，組合構(gòu)成各設(shè)備的PTU軟件功能。

圖1 系統(tǒng)體架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件的功能由PTU應(yīng)用功能、通用模塊管理功能、專用模塊管理功能、用戶管理和本體維護(hù)功能組成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖 2所示。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 總體樣式

按三欄式樣式設(shè)計(jì)整體布局，上面為主菜單和工具欄，中間為功能菜單和主操作界面，最下面為狀態(tài)欄。其中功能菜單使用樹狀控件，便于瀏覽所有PTU應(yīng)用和功能項(xiàng)，主操作界面采用tab頁顯示方式，方便對(duì)同時(shí)使用多個(gè)功能界面。系統(tǒng)總體樣式如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)的總體功能圖

圖3 系統(tǒng)總體樣式

3.2 本體維護(hù)

本體框架的維護(hù)是保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行的關(guān)鍵，包括有根類、子類的維護(hù)，類屬性的管理等，用于定義通用模塊、專用模塊和PTU應(yīng)用。

3.2.1根類維護(hù)

統(tǒng)型PTU系統(tǒng)的根類分模塊和應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際需求情況定義通用模塊、專用模塊和PTU應(yīng)用根類。模塊類樣例如圖4所示。

3.2.2子類維護(hù)

子類從根類繼承了根類的屬性和屬性默認(rèn)值，同時(shí)子類也可以建立私有屬性。子類維護(hù)與根類維護(hù)操作相同。

PTU應(yīng)用模塊需要特殊操作模塊，在通用模塊下建立子類模塊，并建立私有屬性。連接配置子類樣例如圖5所示。

3.2.3類屬性維護(hù)

類屬性是模塊的需要保存的數(shù)據(jù)描述，根據(jù)各模塊的需要可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。類屬性具有往下繼承的特點(diǎn)，子類繼承父類屬性和屬性默認(rèn)值，在子類的屬性維護(hù)中不可修改繼承屬性，可修改私有屬性。類屬性的類型有TCP通信、UDP通信、Ping、Telnet、FTP通信、整數(shù)、文本、日期、時(shí)間、單選、多選、數(shù)值、浮點(diǎn)數(shù)、雙精度、文件、多文件、圖片、實(shí)體類型、視頻、布爾和未定義類型，其中具有TCP通信、UDP通信、Ping、Telnet、FTP通信屬性的實(shí)體將啟動(dòng)通信插件，以便與目標(biāo)機(jī)連接。建立模塊類時(shí)根據(jù)模塊需要的數(shù)據(jù)類型選擇適合的屬性類型。

圖4 模塊類樣例

圖5 連接配置子類樣例

3.2.4類關(guān)系維護(hù)

本體的類不是孤立的，類關(guān)系是將類與子類之間建立各種關(guān)系，目的是將各類建成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用關(guān)系描述各類之間的邏輯關(guān)系，便于針對(duì)某個(gè)類深入的研究。定義類關(guān)系是為實(shí)體關(guān)系建立關(guān)系模板，實(shí)體之間的關(guān)系只能在類關(guān)系的基礎(chǔ)上建立。

統(tǒng)型PTU系統(tǒng)使用類將模塊與PTU的應(yīng)用進(jìn)行搭配組合，將模塊化的功能加入到PTU應(yīng)用中，與PTU應(yīng)用建立關(guān)系，每個(gè)PTU應(yīng)用運(yùn)行的操作、數(shù)據(jù)的組織、結(jié)果的存放等模塊都通過關(guān)系互相串聯(lián)起來，組合完成PTU應(yīng)用的功能。例如，WTD無線傳輸裝置包含數(shù)據(jù)下載、軟件更新、連接配置、雙向通信、IP搜索和數(shù)據(jù)解析的通用模塊功能。用類關(guān)系樣式圖表示如圖6所示。

圖6 WTD無線傳輸裝置類關(guān)系樣式

3.2.5實(shí)體維護(hù)

實(shí)體是將類實(shí)體化，類中定義有屬性和關(guān)系，實(shí)體依據(jù)這些類屬性和關(guān)系建立屬性值和實(shí)體關(guān)系。

統(tǒng)型PTU應(yīng)用由PTU應(yīng)用類實(shí)例化才能生成真實(shí)應(yīng)用，PTU應(yīng)用實(shí)體依據(jù)其類關(guān)系與相應(yīng)的模塊實(shí)體建立關(guān)系，啟動(dòng)這些模塊關(guān)系，最終形成實(shí)體PTU應(yīng)用。

例如，在“WTD無線傳輸裝置”類建立“標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組無線傳輸1.0”實(shí)體，維護(hù)實(shí)體的屬性，并建立其與模塊實(shí)體的關(guān)系。根據(jù)上述的過程配置生成具有模塊實(shí)體功能的“標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組無線傳輸1.0”的應(yīng)用。通過實(shí)體關(guān)系的維護(hù)同時(shí)維護(hù)PTU應(yīng)用的版本。WTD無線傳輸裝置實(shí)體列表樣式如圖7所示。

圖7 WTD無線傳輸裝置實(shí)體列表樣式

3.2.6實(shí)體屬性維護(hù)

實(shí)體屬性是基于類屬性約束建立的，是PTU模塊實(shí)體所使用的參數(shù)值。例如，PTU軟件的連接配置包括通過TCP連接、UDP連接、Ping和連接4種方式，在“連接配置”模塊中建立4個(gè)子類：TCP連接配置、UDP連接配置、Ping連接配置和FTP連接配置4個(gè)子類。它們有共同的屬性就是IP地址，同時(shí)具有私有屬性，TCP和UDP具有通信端口和通信協(xié)議，F(xiàn)TP連接具有設(shè)備FTP目錄屬性。在“連接配置”類建立IP地址屬性，在TCP和UDP連接子類創(chuàng)建端口和通信協(xié)議屬性，在FTP連接創(chuàng)建FTP目錄屬性，再維護(hù)這些子類實(shí)體和實(shí)體屬性值即可區(qū)分不同的連接配置。

3.2.7實(shí)體關(guān)系維護(hù)

統(tǒng)型PTU軟件的具體功能通過類關(guān)系的約束連接模塊實(shí)體最終形成具體功能操作。實(shí)體與實(shí)體通過類之間的關(guān)系建立連接。

關(guān)系名稱為類關(guān)系建立時(shí)的名稱。建立實(shí)體關(guān)系時(shí)需要選擇關(guān)系另一方的實(shí)體，例如，為“標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組無線傳輸1.0”增加“連接配置”功能，需要在“連接配置”關(guān)系中選擇“WTD無線傳輸裝置連接配置http:∥58.19.239.212/Entity/javascript:removerelation(‘138’,‘596’)”實(shí)體。WTD無線傳輸裝置的實(shí)體關(guān)系樣式如圖8所示。

圖8 WTD無線傳輸裝置的實(shí)體關(guān)系樣式

3.3 通用模塊和專用模塊

連接配置是所有PTU應(yīng)用的通用模塊，用戶需要輸入設(shè)備名稱、IP地址或域名，測試連接是否成功，成功后可保存配置項(xiàng)，保存連接配置的目的是為用戶以后使用保存歷史配置數(shù)據(jù)，方便用戶快速找到以往檢測過的目標(biāo)機(jī)。

在已保存的目標(biāo)機(jī)配置列表中可使目標(biāo)機(jī)處于在線狀態(tài)，并可同時(shí)在線多臺(tái)目標(biāo)機(jī)，目標(biāo)機(jī)與PTU應(yīng)用發(fā)送心跳包以確定在線。CCU連接模塊的樣式圖如圖 9所示。

圖9 連接模塊的樣式圖

參照總體樣式，結(jié)合統(tǒng)型PTU軟件的功能需求，采用3.2節(jié)描述的本體維護(hù)對(duì)統(tǒng)型PTU軟件的PTU應(yīng)用、通用模塊和專用模塊進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。

3.4 角色

為了便于管理和功能授權(quán)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了默認(rèn)用戶和其他用戶角色，一般打開系統(tǒng)時(shí)使用的默認(rèn)用戶，默認(rèn)用戶無需登錄，在必要時(shí)可切換到其他用戶，其他用戶是否需要登錄由其設(shè)置決定，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶記錄使用日志。

4 方案實(shí)現(xiàn)

根據(jù)統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件。軟件系統(tǒng)中各子系統(tǒng)包括業(yè)務(wù)功能子模塊、數(shù)據(jù)處理子模塊、通信子模塊、插件和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖 10所示。

圖10 統(tǒng)型PTU軟件子系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

業(yè)務(wù)功能子模塊實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的功能界面操作，各子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能模塊相互獨(dú)立。數(shù)據(jù)處理子模塊實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析、組裝和處理，給業(yè)務(wù)功能子模塊提供數(shù)據(jù)支撐，各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊相互獨(dú)立。通信子模塊實(shí)現(xiàn)與相關(guān)目標(biāo)機(jī)的通信交互，各子系統(tǒng)的通信模塊相互獨(dú)立。

統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)了CCU、TCU、BCU、失穩(wěn)/平穩(wěn)裝置、WTD、HMI、GW和ACU服務(wù)功能的集成，操作界面和風(fēng)格一致，與各子系統(tǒng)現(xiàn)有目標(biāo)機(jī)設(shè)備兼容，軟件一次安裝就具有上述設(shè)備維護(hù)服務(wù)的功能，方便用戶使用。實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件界面如圖 11所示。

圖11 統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件

5 結(jié)束語

由中國鐵路總公司牽頭組織研制和批量運(yùn)用的“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組，動(dòng)車組主要控制系統(tǒng)具有以太網(wǎng)接口且使用以太網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)，具有單點(diǎn)維護(hù)功能，為統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件工作提供了統(tǒng)一的通信接口。但受限于動(dòng)車組已有裝車運(yùn)用的產(chǎn)品穩(wěn)定性的要求，統(tǒng)型PTU的工作僅在操作界面和操作風(fēng)格上進(jìn)行統(tǒng)一和集成。統(tǒng)型PTU服務(wù)軟件需深入開展的工作，統(tǒng)一上位機(jī)PTU服務(wù)運(yùn)行軟件和目標(biāo)機(jī)軟件交互的通信協(xié)議，形成統(tǒng)一的通信規(guī)范。PTU服務(wù)軟件與各產(chǎn)品目標(biāo)機(jī)交互遵循統(tǒng)一的通信接口和通信協(xié)議，基于統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思想和操作風(fēng)格，便于擴(kuò)展集成其他產(chǎn)品的服務(wù)功能，真正實(shí)現(xiàn)PTU服務(wù)軟件統(tǒng)型。