（电力系统及其自动化专业论文）接触网及其状态修管理系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s 仃a c t o v e r h e a dc a t e n a r yi sa l li m p o r t a n tp o w e rs u p p l ys y s t e mf o rt h ee l e c t r i f i e d r a i l w a y i t sb r e a k d o w nw i l lc a u s es e r i o u sp r o b l e m so ft h ew h o l er a i l w a yl i n e a s c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c er e q u i r e sn u m e r o u sd a t aa n dl a r g ea m o u n to fa n a l y s i s ， t h et r a d i t i o n a lc a t e n a r ym a n a g e m e n ti sn o to n l yt i m e - c o n s u m i n g ，b u ta l s op r o n et o m i s t a k e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt om a n a g et h eo v e r h e a dc a t e n a r ys y s t e mw i t h c o m p u t e r t h u s ，w ed e v e l o pt h em a n a g e m e n ts y s t e mf o ro v e r h e a dc a t e n a r ya n di t s c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e t h er e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h em a n a g e m e n ts y s t e mi sc a r d e do u ta n dt h e s y s t e mi sm o d e l e db yu m l i nt h i st h e s i s ，b a s e do nw h i c ht h em a n a g e m e n ts y s t e m i sd e v e l o p e d r e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y ，t h e c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c ei 西t h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d , e s p e c i a l l yi t s s t r u c t u r ea n dt h ec o n t e n t so ft h em a i n t e n a n c e ，a n dt h eu n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g ea n di t sm o d e l i n gp r o c e s si ss t u d i e d s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so f t h ei n v e s t i g a t i o na b o u to v e r h e a dc a t e n a r yo p e r a t i o na n di t s c o n d i t i o n - b a s e d m a i n t e n a n c e ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dd i v i d e st h e m a n a g e m e n ts y s t e mi n t o f o u rm o d u l e s ：e q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，c o n t a c tl i n e m a n a g e m e n t ，o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n dc o n d i t i o n - b a s e dm a n a g e m e n t m o r e o v e r ， t h e a r c h i t e c t u r eo ft h em a n a g e m e n ts y s t e mi sa n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n de a c hm o d u l ea r em o d e l e da c c 盘i n gt ou m l ，a n d t h e p h y s i c a l m o d e li se s t a b l i s h e df o rt h e m a n a g e m e n ts y s t e m f i n a l l y ，t h e m a n a g e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n gd e l p h i7a st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m , m i c r o s o f ts q ls e r v e rf o rt h ed a t a b a s e t h i sm a n a g e m e n ts y s t e mh a sc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n s ，c l e a rc o n f i g u r a t i o n a n dau s e r - f i i e n d l yi n t e r f a c e t h eo p e r a t i o no ft h em a n a g e m e n ts y s t e mi n d i c a t e s t h a ti th a sg o o dr e l i a b i l i t y ，i n t e l l i g i b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y ，a n di ts a t i s f i e sa l l r a t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h eu s e r s k e yw o r d s ：c a t e n a r ys y s t e m ；c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e ；m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ；u m l ；s q ls e r v e r ；d e l p h i 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密 曰，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：胡啼眇 指导老师签名： 日期： 渺a 甥 日期 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名：胡瞒1 【乳 日期： 硼玉、硝 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 近几年来，随着第六次铁路大提速和国家大力建设高速铁路，电气化铁路 的建设进入了一个新的阶段。截止到2 0 0 8 年底，我国铁路营业里程已经达到 8 万公里，其中电气化铁路已达2 5 0 0 0 多公里，位居世界第二。根据中长期 铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) ，预计到2 0 2 0 年全国铁路营业里程规划目标将达 到1 2 万公里以上，其中客运专线为1 6 万公里，电化率将达到6 0 。铁路 要向高速方向发展，就必须提高整个牵引供电系统的可靠性和供电质量，保 证其安全和高效运营。 接触网是电气化铁路的主要供电装置之一，受电弓与接触网的滑动接触将 电能传给电力机车。接触网与受电弓之间的良好接触，是保证电力机车取流 质量好坏的关键。接触网主要有以下三个特点眩1 ： 1 ) 沿铁路线路架设，是户外供电装置，工作条件恶劣； 2 ) 由于接触悬挂沿跨距的弹性不均匀、受电弓的惯性力以及空气动力的 影响，受电弓在垂直方向上产生一定振幅的振动，会使接触网的工作 状态变得非常恶劣，容易发生弓网事故； 3 ) 接触网是无备用设备，一旦损坏将中断行车，对运输生产带来影响。 可见，接触网作为电气化铁路的重要组成部分，却又是十分薄弱的环节， 尤其是其可靠性差，跳闸频繁、停电时间长、弓网故障多、牵涉面广，已成 为充分发挥电力牵引优越性的制约因素之一。因此，为保证电气化铁路的安 全运行，在电气化铁路的施工和管理中，必须加强对接触网设备和线路的管 理，以及其各项机械电气参数的检测，保证接触网处于良好的工作状态阳1 。 接触网设备维修方式的发展经历了事后维修( 事故修) 、定期预防维修( 周 期修) 以及状态检测预知维修( 状态修) 3 个阶段。状态修因为能够充分发挥 设备潜力，节省维修费用，保证设备安全，又能最大限度地减少维修工作量， 受到各有关部门的高度重视，并被作为维修体制改革的发展方向。铁路牵引 供电为适应铁路跨越式发展战略要求，须大力推行这种先进、科学的检修体 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 制1 。因此，发展接触网状态修是势在必行的。而进行状态修的基础，是对接 触网参数进行定期检测，利用检测结果对接触网的施工、运营质量进行评判， 为接触网的维护调整提供依据幅1 。 高速情况下的弓网接触压力、弓网冲击、受电弓的高度变化、接触网的弹 性及其均匀系数等是反映弓网运行状况的重要参数哺1 。利用这些参数可以对弓 网关系进行综合评判，判断接触网的缺陷，为状态修提供数据基础。这就要 求接触网检测设备能够满足高速情况下的接触网检测，而且需要具备有功能 全面、性能优良的配套数据处理软件，对检测结果进行统计分析，以满足接 触网状态修的需求。 国内对牵引供电管理信息系统进行了一些研究和开发，而且对作为牵引供 电系统中一个重要环节的接触网来说，也进行了相应的管理系统和软件的研 制，但是这些系统和软件大多只是对接触网的运营进行管理，对接触网的状 态修没有进行研究。其次，由于技术条件等诸多因素的制约，国内过去研制 的接触网检测车的参数检测项目不全，检测结果不能全面反映接触网的运行 状态；此外，对于检测结果的处理不能自动完成、处理功能单一、不能进行 用户可选的多种条件和多种形式的显示、统计和报表哺1 。 基于上述背景，提出了本研究课题。 本文在以往牵引供电管理信息系统的基础上，基于u m l 开发了接触网及 其状态修管理系统，对接触网的设备、运营和线路管理进行了建模，同时建 立了接触网的模型；对接触网运行参数进行统计分析，确定接触网状态，下 达电子工单。 1 2 状态修介绍 1 2 1 接触网状态修的概念 状态修是以设备的实际运行状态作为控制目标的预防性维修方式。具体的 说就是在接触网设备工作寿命期内，对运行设备按照规定的安全运行值来监 测运行状态，只要设备在规定的安全运行值内，就不进行检修；当运行状态 值超出规定的安全运行值及状态限界值时，则按规定的工艺检修，使其恢复 到规定的安全运行值内，并尽可能接近标准值继续运行；超出工作寿命期时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 及时予以更换( 如图1 1 ) ，从而在确保安全的前提下，充分发挥设备质量的 内在潜力，利用其本身固有的可靠性，通过周期监测，状态维修，限度管理 和寿命管理达到经济合理地利用设备的使用寿命，有针对性的、适时的组织 维修，最大限度的减少维修工作量的目的。此检修体制较接触网以往长期实 行定期检修体制有了更强的针对性，避免了人力物力的浪费，同时也减少了 人为对设备的损伤。接触网线路的状态修一般采用“梯车巡检、定期测量、 检测车检查、缺陷处理”模式，接触网设备一般采用寿命管理模式。状态修 是中国高速铁路接触网检修的重要发展方向h 1 。 工作 l e 寿命j 及时更换厂麸外 声 ：寿命 rl 内 一 标准运行安全运行状态限界值量值 状态值状态值 1 超出状态限界值时，立即组织检修，使其恢复到规定的安全运行值内，并尽可能接 近标准值继续运行； 2 超出安全运行值时，按照超限恢复时间规定组织检修，使其恢复到恢复到规定的安 全运行值内，并尽可能接近标准值继续运行 图1 1 接触网状态修的特点h 1 1 2 2 状态修的主要内容 接触网状态修主要包括设备寿命管理和线路参数限值管理。 1 设备寿命管理 接触网的主要设备包括接触网隔离开关、分段分相绝缘器等。设备的寿命 管理是通过描述设备的寿命特征曲线来实现的。图1 2 概念性地表示产品的 故障率与时间相对应的寿命特征曲线。由于此曲线形状似浴盆形，故常称为 “浴盆曲线 。该曲线明显地分为三段：即i 早期故障期、偶发故障期和i i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 耗损故障期。 i 早期故障期设备从投入使用到时刻t 】为止，这个阶段的特点是：开始 时故障率很高，但随着运转时间的增加，故障率很快又减小下来，进入故障 率恒定阶段。 i i 偶发故障期设备从时刻t l 转到时刻t 2 这一阶段的故障率最低，而且 故障率恒定。一般情况下这一阶段不应该发生故障；属产品的最佳工作时期。 故 障 i i i i 一一一 l。， t l t 2 时i 问 图1 2 设备寿命特征曲线剐 i i i 耗损故障期当设备使用到t 2 时刻以后故障率再度上升。这是由于零 件的正常磨损、化学腐蚀、物理性质变化以及材料的疲劳等老化过程所引起 的。 对于接触网设备，通过定期观察其寿命特征曲线，掌握其耗损期的开始时 间，在零部件达到其寿命的稍前一点时间就采取维修或更换措施，便可以把 即将上升的故障率降下来。可见，采用寿命管理技术对于降低损耗故障期的 故障率是非常有效的。采用这种预防性措施不但可以避免耗损故障的发生， 而且还可以延长产品的实际寿命n 副。这正是接触网状态修的主要目的。 对于接触网器材生产厂家应利用自身具备的试验条件，模拟现场，提供准 确可靠的使用寿命特征曲线；对于运营单位在使用过程中应了解该部件设计 寿命期的试验条件，并与现场实际相结合进行合理修订，同时针对这些进行 寿命管理的设备建立卡片，将其具体安装地点、生产厂家、投运时间以及使 用寿命一并登记，以便到期更换。 2 接触网线路参数限值管理 接触网线路参数是在梯车巡检中，接触网参数检测车所检测的参数。接触 网参数检测车的检测实际上是在列车运行中检测接触网自身结构及受流系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的各项机械和电气参数、借以评价接触悬挂性能、受电弓性能，检查接触网 工程质量和运营质量。其检测的参数主要包括以下四项： 接触线拉出值的检测 在电气化铁路上，为了延长受电弓的使用寿命，使滑板磨耗均匀，接触线 在线路的直线区段被布置成之字形，在曲线段被布置成折线的形式，而且此 折线一般与受电弓中心的行迹相割或相切。这种折线在定位点处接触线距受 电弓中心线行迹的距离称为拉出值。在直线区段上，接触线在定位点处相对 于线路中心的偏移距离，称为之字值。为简便起见，统称为接触线拉出值幢。 显然，接触线拉出值如果设置得太小，则达不到均匀滑板磨耗和延长受电 弓寿命的目的。如果拉出值设置很太大，在某些情况下、如遇到最大风时， 接触线在某些部位就会超出受电弓的有效工作长度，而造成刮弓或钻弓事故。 同时，在接触网架设以后，有时也会因为金具零件的松动、气温的变化以及 支柱倾斜等，而使得接触线拉出值超出设计值( 标准值) ，在某些偶然条件下， 就会出现事故。为了避免上述现象的发生，要经常检测接触线拉出值的大小 及其变化。 接触网导线高度的测量 接触线高度测量有两个方便的意义。首先是在静止状态下，测量接触线保 持的应有高度，其最高位置不能超过6 4 5 0 c m ，最低位置应满足能通过国家规 定的最大超限货物而保持5 3 7 0 c m 门3 。静态测量首先是为工程和维修单位提供 参考数据；其次是在运行状态下，即在列车运行中测量受电弓沿接触线的运 行轨迹，为研究接触悬挂的质量和受电弓的性能以及受流状态提供分析资料。 接触压力的检测 受电弓和接触网在工作状态下是一个共生体，只有它们相互接触和作用时 才能完成电力机车从接触网获取电能的目标。在受电弓和接触线的接触中， 其压力过大，会增加受电弓和接触线的异常磨损，缩短其使用寿命；其压力 过小，会使它们接触不良，使供电时断时续，甚至引起火花或电弧，以至烧 毁接触线。在高速接触网运行过程中，要经常了解接触线悬挂的工作状态， 以保持良好、安全运行，所以经常检测受电弓和接触线的接触压力是十分必 要的。 悬挂硬点的检测 力、位置、速度或加速度等量值的突然变化，引起系统的瞬态变化过程称 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 为冲击。在力学领域，冲击是一种过渡现象，属于非周期运动的范畴。接触 网的硬点，是接触悬挂不均质状态的系统。接触悬挂的_ 个重要指标就是弹 性均匀。如果在接触悬挂或接触线上的某些部分，如在跨距两端的定位点处 弹性变差或有附加重量时，在列车高速运行的情况下，这些部分都会出现不 正常升高( 或降低) ，甚至出现撞弓、碰弓现象，也就是说在这些部位会出现 力、位置、速度或加速度的突然变化。形成这种客观现象的本征状态，称为 硬点。所以，硬点是一种结构的本征缺欠，并且是相对的。越是高速时，表 现越明显n 引。硬点是一种有害的物理现象，它会加快导线和受电弓滑板的异 常磨耗和撞击性损害。同时，破坏弓网间的正常接触和受流，常在这些部位 造成火花或拉弧。所以，对于高速电气化铁路接触网，其硬点的检测是十分 重要的。 这4 个接触网参数的限值管理是接触网状态修的重要组成部分。限值标准 的界定问题是限度管理的基础，也是检测、检修的关键问题。整个检测过程都 是围绕标准、对照标准而开展的活动，而对于不同量值范围内的问题，检修( 处 理) 的方案是不一样的。 接触网限值管理的关键是确定接触网检钡! 参数的限值。标准运行状态值是 设备的最佳运行状态值，该值一般根据设计规定的技术条件及规程规定的标 准制来确定；安全运行状态值是指设备在该值内运行是绝对安全的，该值一 般根据技术条件规定的允许偏差范围来确定；状态限界值为临界值，当设备 运行状态超过安全运行状态值，但仍在状态限界值内运行时，其出故障的概 率应小于事先规定的值。 通过将接触网检测参数与预先设定好的接触网检测参数限值进行比对，对 超限参数进行统计，给出参数报表，为判定接触网缺陷提供数据支持。 1 2 3 接触网状态修的体制 接触网状态修的流程与传统的周期修不同。周期修是由供电段制定的年 度检修计划，领工区、工区只能按照设备的检修周期在规定的时间就去检修， 不管设备的实际运行状态，不能改变检修计划，检修没有针对性，不能发挥 工区、班组的积极性、主动性。 接触网状态修由供电段制定年度检测计划，领工区根据年度检测计 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 划结合工区设备检修情况及设备实际运行情况，每月制定下达月度检修 计划和月度检测计划，检测组提前一个月完成工区将要进行的车梯巡检 设备的检测任务，经领工区审核后给工区下达维修任务书和般缺陷 通知单，工区根据领工区下达的月度检修计划、维修任务书、一般缺 陷通知单合理安排设备检修，检修具有针对性，能充分发挥工区、班组的 积极性、主动性。 1 3 国内外现状 1 3 1 接触网状态修现状 国外发达国家对于接触网的养护维修基本采用状态维修。德国高速铁路实 行的是状态维护、寿命管理模式。对于接触网设备的状态按照周期来进行检 测，包括状态检测、性能检测、全面检测，根据设备检测所确定的设备状态， 再进行检修。日本、法国、奥地利等国家，也采用状态修这种维修方式。 国内的接触网状态修始于二十世纪八十年代。郑州铁路局牵引供电系统自 1 9 8 6 年7 月起开展接触网状态修第一阶段试点工作，提出了状态修的指导思 想、管理方式以及接触线高度、拉出值、线岔、绝缘子等几个试点检修项目。 第一阶段试点工作开展以来情况良好，半年内没有发生任何责任事故，取得 了初步效果。1 9 8 7 年7 月，开始进行为期一年的第二阶段试点工作，制定了 接触网状态修暂行规定( 试行稿) ，作为这一阶段试点工作的指南，并调 整扩大了试点范围和项目，并增加了“锚段关节 一个项目。1 9 8 9 年7 月起， 试点工作顺利进入第三阶段，将试点检测项目扩大到十项关系到接触网设备 安全供电的运行状态，即弓网间、绝缘件及主导电回路等三种主要运行状态 涉及到的项目都列入了试点项目，并于1 9 9 9 年正式在全路开展了接触网设备 的状态修工作训。此外，兰州铁路局、沈阳铁路局、西安铁路局等都相继开 展了状态修的研究工作。西安铁路局建立了一整套接触网状态修管理体系， 包括由段、领工区、班组组成的站段三级状态修管理的组织模式，状态修实 施工作的阶段和步骤，以及实施方法等协。目前，我国接触网状态修正处于快 速发展阶段。 然而，与接触网状态修体制和管理相对应的接触网状态修管理软件的发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 比较缓慢。现有的接触网管理软件只是进行了接触网设备、线路以及人员值 班的管理，并没有涉及到接触网状态修管理方面。 1 3 2 u m l 的发展及现状 u m l 是面向对象的分析和设计( o o a d ) 方法发展到2 0 世纪8 0 年代末至 9 0 年代中的产物，它提供了描述软件系统模型的概念和图形表示法，同时由 于它采用面向对象的技术、方法，因此能准确方便地表达面向对象的概念， 体现面向对象的分析与设计风格。 在国外，对u m l 建模语言的研究相对比较深入，也有很多研究成果发表。 这些研究成果表明，已存在很多把u m l 成功应用到具体项目开发中的经验， 而且，国外对u m l 的研究并不仅仅局限于如何应用u m l ，更深入到如何发 展u m l 本身，比如精化u m l 的语义、扩展u m l 中原有的图形、利用一种 规范化的语言来对u m l 中的图形作描述等。除了对u m l 本身的研究外，国 外的一些专家学者还提出了不少基于u m l 的软件开发过程。 在国内，主要研究方向与国外有所不同。由于我国软件业起步比较晚，科 研力量主要分散在各大专院校及科研所，所面临的系统开发的压力比较大， 在i i l 语言本身的改进上很少有人关注。虽说我国也有许多技术文档与论文 发表，但大部分是介绍面向对象开发方法与u m l 建模语言的，这些文章大体 来说比较简单。在建模工具方面，国内也出现了一些支持u m l 建模的工具， 例如北大青鸟软件工程有限公司( 北京大学软件工程国家工程中4 l , ) 2 0 0 2 年开 发出的j b 0 0v e r 3 o 、t r u f u n 公司的中文u m l 建模工具t r u f u np l a t o2 0 0 4 等。 但是，这些工具所提供的功能有限，还不能支持系统开发的整个过程。尽管 u m l 建模语言获得了大多数人的认可，但是针对u m l 的批评还是没有停止。 有一些业界的人士认为：u m l 过于庞大复杂，用户要全面、熟练掌握它必须 要耗费大量的时间及精力，大多数用户事实上对u m l 的理解仅限于一些简单 的概念，但另一些稍显复杂或本身就含糊不清的概念往往会给用户带来很大 的困惑；还有一些人认为u m l 在理论上存在缺陷和错误，在语言体系结构、 语法、语义等方面存在诸多问题n 引。 总的来说，u m l 语言及其建模技术还处在不断完善、不断发展的过程中 【拍】 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 论文的主要工作 本论文根据接触网状态修的发展，提出了基于u m l 的将接触网管理与接 触网状态修管理相结合的管理系统。该系统本论文的主要工作如下： 1 ) 介绍了u m l 的概念，学习如何利用u m l 这种标准的图形化建模语言进 行适合于本系统的应用建模； 2 ) 分析当前接触网管理部门以及维修部门的需求，对系统的功能模块进行了 划分； 3 ) 对接触网及其状态修管理系统进行了详细的功能分析和结构分析，并在此 分析的基础上对其进行了u m l 建模； 4 ) 分析了c s 模式和b s 模式，最终确定接触网及其状态修管理系统采用 c s 模式。 5 ) 对开发平台d e l p h i 7 和s q ls e r v e r 数据库进行系统的学习研究。 6 ) 介绍了数据结构和数据库，以及接触网及其状态修系统的实现。 本论文可分为五个部分： 第一部分绪论，介绍论文的背景和结构，介绍了接触网状态修的概念和 u m l 的发展及现状： 第二部分对统一建模语言( u m l ) 的内容和建模机制进行阐述； 第三部分介绍系统总体设计，进行系统需求分析、使用对象分析来确定 系统的功能模块，介绍各个子模块的功能。 第四部分对接触网及其状态修管理系统进行u m l 建模，包括需求建模过 程、每个功能模块的建模，并且建立了系统物理模型。 第五部分接触网及其状态修管理系统编码实现与试运行，包括分析了系 统使用的开发工具、运行环境、数据库设计和系统界面。 第六部分结论与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章统一建模语言u m l 简介 2 1 u m l 的概述 2 1 1o m l 定义及特点 u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，统一建模语言) 是一个通用的可视化建 模语言，记录了对必须构造系统的决定和理解，可用于对系统的理解、设计、 浏览、配置、维护和信息控制。 作为一种通用的建模语言，u m l 可创建系统的静态结构和动态行为等多 种结构模型，具有可扩展性和通用性，适合为各种多变的系统建模。它是一 种绘制软件蓝图的标准语言，可以用u m l 对软件密集型系统的制品进行可视 化、详述、构造和文档化。从企业信息系统到基于w e b 的分布式应用，甚至 严格的实时嵌入式系统都适合用u m l 来建模。u m l 具有以下特点： ( 1 ) u m l 是一种标准语言 作为建模语言，它的词汇表和规则注重于对系统进行概念上和物理上的 描述，像u m l 这样的建模语言正是用于设计软件蓝图的标准语言。u m l 的 词汇表和规则可以告诉你如何创建或理解结构良好的模型。 ( 2 ) u m l 是一种可视化的语言 u m l 是一组图形符号，且其中的每个符号都有明确语义。这样，一个开 发者可以用u m l 绘制一个模型，而另一个开发者( 甚至工具) 可以无歧义地解 释这个模型。 ( 3 ) u m l 是一种可用于详细描述的语言 详细描述意味着所建的模型是精确的、无歧义的和完整的。u m l 适于对 所有重要的分析、设计和实现决策进行详细描述，这些是软件密集型系统在 开发和部署时所必需的。 ( 4 ) u m l 语言是一种构造语言 u m l 是一种可视化的编程语言，但u m l 描述的模型可与各种编程语言 直接相连。这意味着一种可能，即可把用u m l 描述的模型映射成编程语言， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 甚至映射成关系数据库的表或面向对象数据库的永久存储。这种映射可以进 行正向工程，也可以进行逆向工程。 ( 5 ) u m l 语言是一种文档语言 u m l 适于建立系统体系结构及其所有的细节文档。u m l 还提供了用于 表达需求的语言、用于测试的语言、用于对项目计划和发布管理活动进行建 模的语言。 2 1 2 u m l 的组成 u m l 主要由视图( v i e w ) 、图( d i a g r a m ) 、模型元素( m o d e le l e m e n t s ) 、通用 机制( g e n e r a lm e c h a n i s m ) 、扩展机制( e x t e n s i b i l i t ym e c h a n i s m ) 等几个部分 构成心引。 其中，视图是用来描述模型的，可以描述系统的结构或静态特征以及行 为或动态特征，从不同的视角为系统建模，形成不同的视图。常用的视图有： 用例视图、逻辑视图、并发视图、构件视图和部署视图。 u m l 中的图是一组元素的图形表示，是系统构架在某个侧面的表示。主 要包括以下9 种图： 1 ) 用例图( u s ec a s ed i a g r a m ) ：用例图用来显示参与者、用例及它们之 间的关系。用例表示一个系统或子系统等的功能。一个角色可能是 一类用户，或其他系统。它描述了外部执行者所理解的系统功能。 2 ) 类图( c l a s sd i a g r a m ) ：类图描述系统中类的静态结构。不仅定义系 统中的类，表示类之间的联系，如关联、依赖、聚合等，也包括类 的内部结构( 类的属性和操作) 。类图描述的是一种静态关系，在系 统的整个生命周期都是有效的。 3 ) 对象图( o b j e c td i a g r a m ) ：对象图是类图的一种实例，它描述系统在 某个时刻的静态结构。对象图中所使用的符号基本与类图相同。对 象图并不像类图那样具有重要的地位，但是利用它可以帮助我们通 过具体的实例分析，更具体地了解复杂系统的类图所表示的丰富内 涵。对象图还常常被用作合作图的一部分，用以展示一组对象实例 之间的动态协作关系。 、 4 ) 状态图( s t a r t c h a r td i a g r a m ) ：状态图是对类的补充描述，它描述类 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 的对象的所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件。 5 ) 活动图( a c t i v i t yd i a g r a m ) ：活动图描述系统中元素的活动，它通常 用来描述一个操作中所要进行的各项活动的执行流程。同时，它也 常被用来描述一个用例的处理流程，或者某种交互流程。描述满足 用例要求所要进行的活动以及活动件的约束。 6 ) 顺序图( s e q u e n c ed i a g r a m ) ：顺序图描述几个对象之间的动态协作关 系，体现了对象之间传递消息的时间顺序，反映了对象之间的一次 特定的交互过程。顺序图由一组对象构成，每个对象分别带有一条 竖线，称为对象的生命线，它代表时间轴，时间沿竖线向下延伸。 顺序图描述了这些对象随着时间的推移相互之间交换消息的过程。 消息用从一条垂直的对象生命线指向另一个对象的生命线的水平 消息箭头表示乜。 7 ) 协作图( c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m ) ：协作图与顺序图的作用相同，也是 用来描述系统中对象之间的动态协作关系。协作图侧重于描述收发 消息对象的组织结构关系，主要用来对单调的、顺序的控制流建模， 而不专门突出这些消息发送的时间顺序。 8 ) 构件图( c o m p o n e n td i a g r a m ) ：构件图显示软件构件之间的依赖关 系，构件是系统中遵从一组接口并提供其实现的物理的、可替换的 部分。它包含逻辑类或实现类的有关信息。部件图有助于分析和理 解部件之间的相互影响程度。 9 ) 部署图( d e p l o y m e n td i a g r a m ) ：部署图定义系统中软硬件的物理体 系结构。它可以显示实际的计算机和设备( 用节点表示) 以及它们之 间的连接关系，也可显示连接的类型及部件之间的依赖性。在节点 内部，放置可执行部件和对象以显示节点跟可执行软件单元的对应 关系。 2 1 3 u m l 的应用领域 u m l 是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有很广泛的应用 领域。它可以描述很多类型的系统，也可以用作系统开发的不同阶段。其中 最常用的是建立软件系统模型，同时它还可以用于描述非软件领域的系统心7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 u m l 在不同类型系统中的应用主要有l 嬲1 ： 信息系统：向用户提供信息的储存、检索、转换和提交。处理存放 在关系或对象数据库中大量具有复杂关系的数据。 技术系统：处理和控制技术设备，如电信设备、军事系统或工业过 程。技术系统通常是实时系统。 嵌入式实时系统：在嵌入到其它设备如移动电话、汽车、家电的硬 件系统。通常是通过低端编程进行的，需要实时支持。 分布式系统：分布在一组机器上运行的系统，数据很容易从个机 器传送到另一台机器上。需要同步通信机制来确保数据完整性，通 常是建立在对象机制上的，如c o r b a c o m d c o m 或j a v a b e a n s r m i 上。 系统软件：定义了其它软件使用的技术基础设施，如操作系统、数 据库和在硬件上完成底层操作的用户接口等，同时提供一般接口供 其它软件使用。 商业系统：描述目标、资源、规则和商业中的实际工作过程。 此外，u l 适用于系统开发过程中从需求到测试的软件开发生命周期的 全过程。在系统开发中应用主要有： 需求分析 u m l 的用例图表示用户的需求，活动图对每个用例进行需求说明。 分析 类图描述系统的静态结构，协作图、状态图、顺序图、活动图描述 ”系统的动态特征。 设计 设计阶段的任务是通过综合考虑所有的技术限制，扩展和细化分析 阶段的模型，并得到可行的技术解决方案。 实现 构造或实现阶段是对类进行编程的过程。可以选择某种面向对象编 程语言作为实现系统的软件环境。 测试 完成系统编码后，需要对系统进行测试，它通常包括：单元测试、 集成测试、系统测试和验收测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 综上所述，u m l 可以描述许多类型的系统，也可以用于描述系统从需求 到测试的软件开发的全过程。 2 2 u m l 建模机制及建模过程 2 2 1 静态建模 u m l 的静态建模机制包括用例模型、类和对象模型。用例模型用于需求 分析阶段，它的建立是系统开发者和用户反复讨论的结果，表明了开发者和 用户对需求规格达成的共识。该模型用用例图表示。类和对象模型分别由类 图和对象图表示嘲1 。 2 2 2 动态建模 动态建模描述系统中的对象在执行期间不同的时间点的动态交互，它贯 穿于整个开发过程。主要包括状态图、时序图、协作图和活动图等。对象与 对象之间的交互是通过消息来完成旧1 。 2 2 3 物理架构建模 系统架构是对系统各部分构成( 结构、接口、通信机制) 的框架性描述。 在u m l 中，系统的架构又可分成逻辑架构和物理架构。逻辑架构主要指定系 统的功能特点，通过系统的功能需求来描述；物理架构则描述系统的非功能 部分，如资源使用和系统分布等。物理架构建模主要包括构件图和配置图1 。 2 2 4 建模过程 u m l 是一种通用的可视化建模语言，它本身是独立于过程的。只有将 u m l 有效的应用于适当的软件建模过程中才能最大程度的发挥其优势啪1 。 1 描述需求：需求分析的任务是采集和评价系统的需求，其重点是充 分考虑系统的实用性。需求分析的结果可以用一个u s e c a s e 模型来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表达。模型中的参与者代表外部与系统交互的单元，u s e c a s e 代表交 互的事务序列，它为参与者提供可度量的结果值。在这个阶段主要 是通过对用户的需求进行分析，建立系统的用例模型。 2 系统分析：分析的任务是找出系统的所有需求并加以描述，同时进 行交互建模。 3 系统设计：设计阶段的任务是通过综合考虑所有的技术限制，以扩 展和细化分析阶段的模型。 4 系统实现：实现阶段就是对类进行编程的过程。 2 3 本章小结 作为通用建模语言，u m l 已被公认为一种最优秀的面向对象的建模语 言。本章主要介绍了u m l 的基本原理，包括其基本概念、应用领域以及其建 模机制和过程。这也是整个论文研究内容的理论支撑。在后续章节中，将基 于u m l 建立接触网管理及状态修系统的软件模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章接触网及其状态修管理系统需求分析 需求分析是软件开发的第一步，也是非常关键的一步，它直接影响软件 的开发质量和开发进度。并且随着软件规模的扩大和日益复杂化，需求分析 越发显得重要豫。需求分析就是抽取和整理用户需求并建立问题域精确模型 的过程，识别出问题域内的类与对象，分析确定它们之间的关系，最终建立 问题域的模型、动态模型、功能模型，是软件需求规格的重要组成部分。 3 1 需求分析概述 3 1 1 需求分析层次 需求分析阶段研究的对象是软件项目的用户要求。一方面，必须全面理 解用户的各项要求，但又不能全盘接受所有的要求，另一方面，要准确地表 达被接受的用户要求。只有经过确切描述的软件需求才能成为软件设计的基 础，所以接触网及其状态修管理系统开发之前，首先要对系统进行分析和设 计。 软件需求分析m 1 通常包括三个不同的层次业务需求、用户需求和功 能需求。不同的层次从不同角度与不同程度反映细节问题。业务需求反映了 组织机构或客户对系统、产品高层次的目标要求，它们在项目视图与范围文 档中予以说明。功能需求定义了开发人员必须实现的软件功能，使得用户能 完成他们的任务，从而满足了业务需求。用户需求文档描述了用户使用产品 必须要完成的任务，这在使用例文档或方案脚本说明中予以说明。软件需求 关系图如图3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 1 软件需求关系图m 1 3 1 2 需求分析的阶段划分 需求分析划分为以下5 个阶段口3 1 ： ( 1 ) 需求获取：通过与用户的交流，对现有系统的观察及对任务进行分析，从 而开发、捕获和修订用户的需求。 ( 2 ) 需求建模：为最终用户所看到的系统建立一个概念模型，作为对需求的抽 象描述，并尽可能多的捕获现实世界的语义。 ( 3 ) 形成需求规格：生成需求模型构件的精确的形式化的描述，作为用户和开 发者之间的一个协约。 ( 4 ) 需求验证：以需求规格说明为输入，通过符号执行、模拟或快速原型等途 径，分析需求规格的正确性和可行性。 ( 5 ) 需求管理：支持系统的需求演进，如需求变化和可跟踪性问题。 3 2 接触网及其状态修管理系统的需求分析 接触网及其状态修管理系统为接触网业务管理提供了一个信息化的平 台，将接触网线路、部件、设备参数和图形资料电子化，可大幅度地提高接 触网运营管理工作的效率。接触网及其状态修管理系统是对接触网设备、维 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 修和运营的各种原始数据提供组织、录入、存储、报表、维护等管理功能的 信息系统。它的数据维护涉及量大，处理和分析功能复杂，数据维护、发布 和查询等操作与数据库之间的交互频繁，所以对如何应用面向对象分析与设 计技术进行分析与设计提出了较高要求。首先要了解接触网部门的职责和业 务，以便对接触网及其状态修管理系统的功能进行分析。 3 2 1 接触网需求分析 3 2 1 1 接触网相关部门职责 接触网相关部门主要包括接触网技术室、接触网领工区、接触网工区和接 触网检测组协5 1 。 接触网技术室：是供电段业务的主要管理部门，负责管理全段接触网 设备、技术资料，制定检修计划，为其他业务提供技术支持。 接触网领工区：是供电段下级单位，管辖数个接触网工区。领工区的 主要职责是负责管理接触网几个工区的日常运行，以及对接触网检修 的管理。接触网领工区根据供电段的指示结合接触网设备实际运行情 况，制定下达每个接触网工区的检修计划和检测计划。 接触网工区：对供电段所辖线路内的接触网进行巡视、检修和事故抢 修的部门，主要工作职能为线路供电运行故障检查、巡视、线路保养、 测试，进行相应得高空作业、带电作业、停电作业、倒闸作业等，其 地理上的管辖范围一般为3 0 l 【i i l 左右。在接触网状态修体制下，接触 网的巡检工作主要由接触网检测组来完成，接触网工区主要进行维修 工作。 接触网检测组是为了进行接触网状态修而特别设立的、与接触网工区 平级的部门。其主要职责是根据接触网领工区下达的接触网月度检 测计划，提前一个月完成工区将要进行的车梯巡检设备的检测任务。 3 2 1 2 接触网相关业务 接触网是电气化铁道中的主要供电装置之一，其功用是通过它与受电弓 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 的直接接触，将电能传送给电力机车。接触网相关部门的业务包括接触网线 路和设备的管理以及接触网的检修和维护。主要如下旧卜n 别： 接触网线路和设备业务 主要内容有： 制作接触网设备履历簿； 管理和维护接触网线路的各种设计信息； 制作和维护接触网报表。 接触网检修业务 主要内容有： 制定接触网检测计划及检修计划； 制定检修标准，进行日常的接触网维护； 对接触网事故进行抢修； 对接触网进行车梯巡检，为状态修提供数据支持； 对接触网缺陷进行恢复； 统计各类接触网技术数据并上报； 制作接触网工区履历簿等。 3 2 2 接触网及其状态修管理系统总体功能模块 根据用户调查和系统需求分析，研究分析确定接触网及其状态修管理系 统的主要需求为m 1 ： 对接触网沿线设备(