（交通信息工程及控制专业论文）基于UML的CBTC轨旁设备的建模及实现.pdf

韭塞銮亟太堂亟圭丝堂位i 幺塞虫塞擅要 中文摘要 摘要：随着无线通信技术的飞速发展，无线通信的可靠性、可用性大大提高， 基于通信的列车运行控制系统( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，c b t c ) 是今后轨道交通列车运行控制系统的发展趋势。c b t c 是突破了固定闭塞的界限、 完全脱离轨道电路的新一代信号系统。它通过高精度的列车定位技术和不问断的 车地通信，通过提供更精确的列车控制、持续的列车安全分隔和超速防护，使得 列车可以在更短的运行间隔内实行安全运行。 本文详细介绍了基于通信的列车控制系统的组成及发展过程，阐述了开发和 完善区域控制中心( 轨旁设备z c ) 的必要性。区域控制中心系统( 轨旁设备z c ) 在保证列车安全运行方面发挥着重要作用，它负责实现列车安全间隔运行等功能。 区域控制中心系统( 轨旁设备z c ) 是基于通信的列车运行控制系统中保证行车安 全的关键设备，对于系统软硬件的实时性、安全可靠性要求很高。 本文引入了l v m l 以及基于u m l 的实时嵌入式系统软件开发环境r h a p s o d y ， 然后根据通信区域控制中心( 轨旁设备z c ) 软件设计所需可靠实时性的进行选型 应用分析，在这基础上，针对r h a p s o d y 在并发资源控制，事件调度以及实时测试 扩展等方面，对u m l 在实时嵌入式系统中的扩展机制进行了进一步的阐述。 本课题研究的是在c b t c 中起到核心地位的区域控制中心的系统软件开发， 结合自主研发的c b t c 系统，并且运用面向对象的开发方法，将系统从体系结构 到最后的详细设计进行了研究。 本文紧密结合c b t c 中列车运行控制的特殊要求，分析c b t c 对轨旁设备z c 安全子系统对可靠性、可用性要求，并对轨旁设备z c 子系统安全的可靠性等性能、 软件开发的复杂度，缩短开发时间、提高系统可移植性等方面做了深刻剖析，本 文作者引入u m l 统一开发语言，并利用快速面向嵌入式方法( r ) p e s ) 对基于安 全平台的轨旁设备z c 子系统进行了分析建模及测试，提出了基于模式构造的分步 的应用系统软件建模方法，完成了应用系统的软件设计以及软件分析。 关键词：区域控制中心、u m l 、建模、实时系统 分类号：u 4 9 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ep r o g r e s so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，l h e r e l i a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t y o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na b i g m yi m p r o v e d t h e c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ( c b t c ) i st h et r e n do f u r b a nr a i l w a yt r a f f i cc o n t r o l s y s t e mi nt h ef u t u r e c b t cs y s t e mi si n d e p e n d e n to fr a i l w a yc i r c u i t ，a p p l y i n gh i g h r e s o l u t i o nt r a i nl o c a t i o nd e t e r m i n a t i o na n dc o m i n u o u s ，h i g hc a p a c i t y ， b i - d i r e c t i o n a l w a i n - t o - w a y s i d e d a t ac o m m u n i c a t i o n s c o n t r o l l i n gt r a i nt h r o u g ht r a i n - b o r n ea n d w a y s i d ep r o c e s s o r s t h e p a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o n a n dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nb a s e d t r a i nc o n t r o l ，e x p l a i n st h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gt h ez o n ec o n t r o l l e r z cs h a l l g u a r a n t e et h es a f e t yo f c a i no p e r a t i o n ，i th a st h ef u n c t i o nt h a tg i v e si m p l e m e n tt h es a f e o p e r a t i o nh e a d w a yo ft r a i n s z ci st h ek e yd e v i c ew h i c hg u a r a n t e e ss a f e t yo ft r a i n o p e r a t i o ni nc b t c ，i th a sah i 曲r e q u i r e m e n tw i t hs y s t e ms o r w a r ea n dh a r d w a r e s r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n ds a f e t yr e l i a b i l i t y ht l l e p a p e r ，t h ea u t h o rb r i n g si nu m l a n dt h er e a l - t i m ee m b e d d e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tr h a p s o d y ，t h e na n a l y s e st h ea p p l i c a t i o na c c o r d i n gt ot h ez cs o f t w a r e s r e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e o nt h i sb a s e ，t h ea u t h o rg i v e s f u r t h e rd e s c r i p t i o n i nr e a l - t i m ee m b e d d e ds y s t e m su m le x t e n dm e c h a n i s m ，w h i c ha r ec o n c u r r e n c y c o n t r o l ，e v e n td i s p a t c ha n dr e a l - t i m er e s te x t e n da s p e c t s ， i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rm a i n l yr e s e a r c h e st h ed e v e l o p m e n to f z c ss y s t e ms o f t w a r e w h i c hp l a y st h er o l ep o s i t i o ni nc b t cs y s t e m ，a n da n a l y s ez cf r o ms y s t e m a r c h i t e c t u r e st od e t a i ld e s i g nb a s e do no b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d t of o l l o wt h es p e c i a lr e q u i r e m e n to f w d i no p e r a t i o ni nc b t c ，t h ea u t h o ra n a l y s e s t h ez cs u b s y s t e m sr e l i a b i l i t y ，a v a i l a b i l i t y ，d o i n gai i c e pr e s e a r c hi na s p e c t so ft h e c o m p l e x i t yo f s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，s h o r t e n i n gt h el i f ec i r c l eo f r e s e a r c h ，i m p r o v i n g t h e s y s t e m sp o r t i n g u s i n g u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ( u 舰) a n dr a p i d o b j e c t - o r i e n t e dp r o c e s sf o re m b e d d e ds y s t e m ( r o p e s ) t o o l s , m o d e l i n gt h ez c s u b s y s t e mb a s e d o ns a f e t yp l a t f o r m ，e x p l o r e sam e t h o do f a p p l i c a t i o ns y s t e ms o f t w a r e m o d e l i n gb a s e dp a t t e r ns t r u c t u r e c o m p l e t i n gt h ea p p l i c a t i o ns y s t e m ss o f t w a r ed e s i g n a n da n a l y s i s k e y w o r d s = z o n ec o n t r o l l e r ，“? 坦，m o d e l ，r e a l - t w n es y s t e m c l a s s n o ：u 4 9 致谢 本论文的工作是在我的导师唐涛教授的悉心指导下完成的。在相处的2 年半 里，唐涛教授严谨的治学态度、平易近人的学者风范，使我受益匪浅，严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。学业上的谆谆教导，生活上 的热情关心，令人感动。最重要的，唐老师可贵的对待工作的敬业精神，这是会 让我受益终身的财富。在此衷心感谢三年来唐老师对我的关心和指导。 感谢实验室老师郐春海、李开成、马连川、王海峰、刘波教授悉心指导我完 成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此 向他们表示衷心的谢意。还要感谢实验室张建民、黄友能、袁磊、燕飞、周达天、 马琳、王悉等老师对我的悉心指导，他们对我的科研工作和论文都提出了许多的 宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛儒、梁敬敏、周大鹏、吕继东、王猛等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢 另外，还要感谢刘雨、陆启进、陈树泉、陈磊、刘宏杰等师弟师妹对我的帮助和 鼓励。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 l 引言 1 1 选题的目的和意义 现代社会发展至今，城市轨道交通已经成为都市生活中密不可分的一部分。 在中国乃至世界上许多发展中国家，城市轨道交通的发展大都是处于发展高峰的 朝阳产业，作为一种高科技手段，它以全新的运载模式改变着我们原有的出行方 式。城市轨道交通系统作为一种安全、可靠、清洁、快捷的公共交通运输方式， 是解决我国人口密集的大城市解决日益严重的交通拥挤问题的重要手段之一。 随着无线通信技术的飞速发展，无线通信的可靠性、可用性大大提高，基于 通信的列车运行控制系统( c o m m 试c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，c b t c ) 是今 后轨道交通列车运行控制系统的发展趋势。c b l 是突破了固定闭塞的界限、完全 脱离轨道电路的新一代信号系统。它通过高精度的列车定位技术和不间断的车地 通信通过提供更精确的列车控制、持续的列车安全分隔和超速防护，使得列车 可以在更短的运行间隔内实行安全运行。 c b t c 系统是一个包含地砸设备、车载设备的安全苛求系统1 3 7 1 ，是大规模集 成电路、计算机、网络通信及自动化控制等多项技术在轨道交通中的综合应用。 c b t c 的轨旁设备大规模集成电路、计算机的系统相当复杂，从硬件方面，即使是 最简单的计算机系统，也包含数以万计的元器件和非常复杂的行为状态；对软件 来说，比较简单的软件程序也可能有数以千计的执行路径。而复杂性对于系统安 全的保证是一个难题，复杂的系统很难设计开发，寻找错误和安全隐患也比较困 难，传统的基于黑箱测试的安全认证方法根本无法满足需要。在c b t c 系统中， 轨旁设备( 又称区域控制中心，z o n ec o n t r o l l e r ) 是整个列控系统的核心，区域控 制中心运行系统控制软件，负责列车安全间隔、列车允许速度和进路联锁等逻辑 运算。在这里，轨旁设备z c 系统以列车定位以及通信数据传输为基础的，其运算 结果以通信报文的形式通过通信子系统发送给执行单元，该子系统影响到整个 c b t c 系统的运行效率以及行车安全性，在整个系统中起到了至关重要的作用。 轨旁设备z c 系统运行控制软件系统的体系结构是否合理，直接关系到区域控 制中心系统能否稳定运行，甚至关系到c b t c 控制系统能否正常进行。因此，对 轨旁设备z c 软件系统的体系结构，即软件模型，进行研究具有重要的意义。本论 文遵循面向对象软件工程的思想【l 刚，采用统一建模语言u m l ( u n i i 目e am o d e l i n g l a n g u a g e ) ，紧密结合c b t c 中列车运行控制的特殊要求，分析c b t c 对轨旁设 备z c 安全子系统对可靠性、可用性要求，并对轨旁设备z c 子系统安全的可靠性 等性能、软件开发的复杂度，缩短开发时间、提高系统可移植性等方面做了深刻 剖析，提出了基于模式构造的分步的应用系统软件建模方法，利用快速面向嵌入 式方法( r o p e s ) 详细描述轨旁设备z c 系统分析和设计过程，并建立软件系统的 模型，完成了应用系统的软件设计以及软件分析。 1 2基于通信的列车控制系统的发展概况及技术研究 1 2 1 基于通信的列车控制系统( c b t c ) 简介 为满足经济增长的需求，许多国家都在大力发展高速铁路。在我国，铁路运 输是国民经济的大动脉，铁路的运能必须适应国民经济不断增长的对铁路运量的 需求。为此，在大力建设新线路的同时，我国铁路部门一直致力于增加列车重量、 提高列车的行车速度和增大行车密度，提高既有线路的列车通过能力。铁路部门 已先后3 此大规模列车提速，提速总里程近1 万公里，覆盖了全国铁路主要线路。 我国现有铁路控制系统主要为基于轨道电路的列车控制系统( t b t c t r a c k c i r c u i tb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 该方式为保障行车安全，提高行车效率发挥了巨大作 用，但由于t b t c 利用轨道电路传输地面至车上的信息、检测固定闭塞分区的占 用情况，它存在信息量不足、轨道电路工作稳定性易受环境影响、线路通过能力 易受损、维护费用大等， 由于t b t c 存在的上述问题使其难以满足铁路发展的要求，因此世界各国的 铁路科技工作者在改进、完善现有t b t c 的同时，一直在积极努力地寻求新的列 车运行控制系统。由此本文引进基于通信的列车控制( c o m m u n i c a t i o n s - - b a s e d t r a i n c o n t r 0 1 ) c b t c ，c b t c 系统采用高精度的列车定位和连续、高速、双向的数 据通信，通过车载和地面安全设备实现对列车的控制。 经过长期以来的发展，对于c b t c 系统出现过不同的定义，到1 9 9 9 年i e e e 将c b t c 定义为：利用高精度的列车定位( 不依赖于轨道电路) ，双向连续、大容 量的车一地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控 制系统。定义中指出c b t c 的通信必须是连续的，这样才能实现连续自动列车控 制，利用查询应答器和环线装置只能实现车，地信息的点式不连续传送，因此， 首先出现的严格意义上的c b t c 应是德国的l z b 。 c b t c 技术发源于欧洲连续式列车控制系统，经过多年的发展，取得了长足的 进步。包括阿尔卡特，阿尔斯通等对家列车控制系统设备提供商均研发出了自己 的c b t c 系统，并在温哥华、伦敦、巴黎、香港、武汉等多个城市的轨道交通线 2 路上运行，迄今为止最大的，实现不同厂商c b t c 系统设备互连互通的c b t c 项 目正在纽约地铁进行，并准备将该技术纽约地铁信号系统。 自80 年代初北美推出a t c s 以来，受到一些经济发达国家的普遍重视，欧 洲、日本等国相继探索和研制类似的系统，如北美的u 也s ，欧洲的e t c s 、法国 的a s t r e e ，德国的f z b ，日本的c a r a t ，形成了世界性趋势。9 0 年代前后，这 些系统分别在各国铁列车控制领域中逐步得到实施，有的已投入应用，显示出其 巨大的优越性和强大的生命力。 1 2 2 基于通信的列车控制系统( c b l ) 发展概况 自8 0 年代初北美推出a t c s 以来，受到一些经济发达国家的普遍重视，欧洲， 日本等国相继探索和研制类似的系统，如北美的a r e s ，欧洲的e t c s 、法国的 a s t r e e ，德国的f z b 、日本的c a r a t ，形成了世界性趋势。9 0 年代前后，这些 系统1 8 1 分别在各国铁路列车控制领域中逐步得到实施，有的已投入应用，显示出其 巨大的优越性和强大的生命力。 a 德国的无线列车控制系统f f z b ) 德国铁路早在6 0 年代就开始研究用于最高行车速度2 0 0 k m h 的连续式列车运 行控制系统l z b ，7 0 年代后期开始推广。通过铺设轨间感应电缆传递车、地信息， 信息量大，抗干扰能力强，适用于混运型区间，但由于需要全程铺设轨间电缆、 造价高且易受工务作业干扰。 b 法国实时追踪自动化系统( a s t r e e ) 法国国营铁路公司( s n c f ) 于1 9 8 6 年开始了a s t r e e 的研究工作，目标是提 高线路通过能力、提供统一的安全级别、降低运转费用。a s t r e e 通过车载多普 勒雷达和查询应答器实现列车位置、速度的测定，其系统概念与a t c s 类似。 c 日本计算机和无线通信辅助列车控制系统( c a r a t ) c a r a t 中，运行列车连续测定自身的位置、速度，并通过无线发送给地面系 统地面系统接收信息后，跟踪列车运行、监视车站咽喉区道岔位置和沿线平交道 口的状态。根据列车位置，前方道岔和道口的状态，判断允许列车进入的区段， 并将允许区段末端的位置信息通过无线发送给相应列车。 1 2 3 基于通信的列车控制系统分( c b t c ) 的基本特征及优点 传统的列车控制系统主要通过轨道电路检测列车占用情况：通过道旁信号、机 车信号为机车司机提供前方线路信息；通过司机操纵、自动停车装置、超速防护装 置控制列车按照信号指示运行。传统列控系统能够有效地保障行车安全，但主要 由于以下限制，不能最大限度、高效地利用铁路运输的基础设施 1 ) 列车定位精度取决于轨道电路长度，列车占用轨道电路某一部分则表示列车 占用整个轨道电路区段。 2 ) 通过数目非常有限的道旁信号显示或速度编码的机车信号为列车提供最大 允许行车信息。 与传统列控系统相比，c b t c 具有如下基本特征： 1 ) 不依赖于轨道电路实现高精度的列车定位。 2 1 通过连续覆盖的车、地双向数据通信网络，实现与传统列控系统相比容量显 著增加的控制、状态信息的传递。 3 ) 通过道旁、车载安全处理器处理列车状态和控制数据，可根据具体应用提供 自动列车防护饿r p - a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) ，自动列车驾驶( a t o - a u t o m a t i c t r a i no p e r a t i o n ) 、自动列车监督( a t s - a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ) 基于通信的列车控制( c b l ) 系统，由于像上文提到的从根本上将基于轨道 电路的单向信息传输，改变为基于无线的双向、连续、大容量信息传输，从而具 有以下几个方面的突出优点【2 7 1 ，于是越来越受到人们的关注： 1 更加安全。通过车载设备的自动报警和强制性措施，可以增大防止危险的 范围，例如避免列车碰撞、避免伤害轨道工人以及防止超速行驶等。 2 提高运营效率。通过移动闭塞区( 也称动态闭塞) 控制机制，可以减少列 车间隔时间，实现单线上动态列车会车、超车、阻塞等的运输管理，以及确保列 午运行与按一定运输管理规则制定的运行计划保持一致。其结果不仅是大幅度地 提高线路能力和列车平均运行速度，而且提高了列车运行的可靠性和设备运用 率。 3 降低生存期成本。由于减少或取消了轨道电路和地面色灯信号机等从而安 装和维修费用降低。 4 操作具有通用性和灵活性，包括在司机室进行信号显示、全自动无人驾 驶运行等。 1 2 4 系统列车定位技术以及通信技术 列车定位精度是列车运行间隔、线路通过能力计算的重要参数，传统信号系 统通过轨道电路实现列车位置检测，轨道电路长度成为缩短列车运行间隔、提高 线路通过能力的系统设计计算目标。前行列车及追踪列车的位置、速度是计算列 车最大允许速度的重要参数。对于高密度、高速度运行的列车，列车的位置、速 4 度的测定一定要非常精确。 各国推出的c b t c 项目主要通过以下几种方式实现高精度的列车定位1 8 1 。 1 ) 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s m o n i n gs y s t e m ) ：g p s 由2 4 颗卫星和地面控制 部分构成，在地球表面收到4 颗以上卫星发射的伪距信号则可进行3 维定位。利 用g p s 实现列车定位，优点是设备简单、成本低、体积小缺点是在隧道中无法接 收卫星信号；无法区分并行股道；定位采用经度、纬度标识。 劲查询，应答器和里程计相结合的定位系统：在线路旁按一定间隔安装无源查 询应答器。当列车驶过应答器，由列车底部( 侧面) 的感应线圈向地面感应线圈发射 高频电磁波。应答器通过整流将车上提供的激励功率转换成直流电源驱动时钟、 信源编码器、调制放大器等工作，将存储于记忆芯片内的数据以无线方式向列车 发送。通过里程计铡定列车在查询应答器间的走行距离。 3 ) 惯性导航系统：利用惯性元件如：加速度计、机制陀螺、光纤陀螺、激光陀螺 等测量列车的加速度，经过积分运算获得列车的速度、位置，还可以测出行驶线 路的坡度、曲率等。 钔车载多普勒雷达定位系统：利用多普勒效应实现列车速度测量。在沿线安装 多普勒雷达，当列车占用区段时，雷达天线向运动车辆发射超高频电磁波，经车 体反射的电磁波由同一天线接收，根据多普勒原理，该差频与列车运行速度成正 比。实际应用中，该定位方法的精度还受天气、环境的影响。 5 ) 利用轨间电缆实现列车定位：如德国的l z b ，在钢轨间铺设感应电缆回线， 每隔1 0 0 m 进行交叉。 6 ) 无线测距定位系统：在车上和沿线分别安装扩频无线电设备，通过测量车上 设备同道旁设备间无线电的传播时间实现列车定位。该方法的优点是定位精度高： 当无线设备开始与车站进行通信时就可以知道列车的位置，利于系统的故障恢复： 车上无需安装里程标识别装置。 c b t c 系统利用无线通信传递双向大容量车、地信息，无线数据通信是c b t c 的支柱，一旦无线数据通信系统发生故障，调度指挥与控制的信息便中断了，将 对列车控制系统产生影响，导致列车运行延误，影响运输效率。为保证行车安全、 提高运输效率必须建立一个功能完善、技术先进的专用移动通信系统。铁路专用 移动通信系统不同于公用移动通信系统，为满足铁路高速化、信息化发展的要求， 应具备以下特点： 1 ) 具备组呼、优先呼叫、紧急呼叫等铁路专用调度功能 2 ) 在网络结构、硬件、软件算法等方面适应列车高速运行时的要求。 3 ) 除保留传统话音业务外，所提供的数据通信业务必须满足列车运行控制对信 息量、信息传输实时性、可靠性、可用性的要求 4 1 如频率切换方式，必须具有快速、可靠的越区切换机制。 5 ) 具有一定的加密措施，防止人为破坏和干扰。 旬能够适应铁路沿线不同的地形环境( 高原、丘陵、山区、桥梁、隧道、城市) 。 7 ) 系统采用模块化结构和公共标准，维护简单。 8 ) 充分利用频谱资源，适用于不同运量、列车密度的线路。 目前已在各国c b t c 项目中得到应用的铁路专用移动通信系统有：日本的多信 道系统、欧洲的t e t r a ( t e r r e s t r i a l t r u n k e d r a d i o ) ，g s m - r ( g s mf o rr a i l w a y ) 。 1 3c b t c 以及轨旁设备结构介绍 1 3 1 基于通信的列车控制系统( c b t c ) 结构 i e e e l 4 7 4c b t c 标准列举了典型c b t c 系统的功能框图网，如下图l 整个系统包括“c b t c 地面设备”和“c b t c 车载设备”，地面和车载设备通 过“数据通信网络”连接起来，构成系统的核心。功能框图还单独列出了“联锁” 功能模块，该功能模块与c b t c 地面设备连接。考虑到不同的线路长度可能需要 多套的c b t c 地面设备，所以在典型框图中还列出了“相邻的c b t c 地面设备” 模块。最后，在c b t c 设备的基础上，增加了a t s 模块，用于实现系统的a t s 功 能。以上所列举的c b t c 系统的典型结构，实际的系统可能由于不同的设备提供 商、不同的工程需要而有所差异。但是，所有c b t c 系统均采用数据通信网络， 连接c b t c 地面和车载设备，实现a t p 功能，控制列车安全运行的核心是一致的。 6 图l 典型c b t c 系统的功能框图 1 3 2 轨旁设备z c 系统结构以及功能介绍 北京交通大学自主开发的c b t c 系统的初步设计方案是在参照a l c a t e l 、 s i e m e n s 、a l s t o m 等国际信号公司典型c b t c 系统的技术方案基础上提出的。 不管在什么系统中，轨旁设备z c 系统联系着各个子系统，其可靠性和可用性关系 到整个c b t c 的顺利运营以及运性效率，若因为小故障导致列车停运或系统瘫痪， 所造成的经济损失是不可估量的，因此我们对轨旁设备z c 系统的可靠性有着更加 苛刻的要求，要求轨旁设备z c 系统保证整个系统的安全、可靠、连续运行。轨旁 设备z c 系统的结构如下图所示： 为了满足c b l 中对于安全完整性等级( s 几) 的要求，轨旁设备z c 安全计 算机平台从硬件设计上采用了2 * 2 取2 结构，其基本结构如图2 所示。 7 图2 轨旁设备z c 安全计算机平台基本结构 轨旁设备z c 系统实时地与d s u 、v o b c 、c i 、a t s 子系统进行信息交互， 周期性地通过d c s 系统向其管辖区域内运行列车的v o b c 发送m a 。轨旁设备 z c 处理m a 需要根据地面联锁设备的状态来进行，还要依据辖区内所有列车的运 行情况，同时还要考虑各种异常情况的影响。 1 4 面向对象的建模方法 面向对象技术( 0 0 ) t 1 】自8 0 年代初问世以来，由于它的模块性、封装性、继 承性、多态性和动态性等特点，能够满足软件工程要求的局部化、易维护、可重 用、易扩充以及当今多媒体和分布式计算的诸多要求，一时成为计算机各项领域 争相采用的新技术焦点。面向对象的方法认为客观世界是由各式各样的对象组成， 每种对象都有各自的内部状态与运动规律，不同对象间相互作用的联系构成不同 的系统。可见，对象是一种普遍适用的基本逻辑结构，是包含了大量信息的实体。 它既可表示抽象概念，也可表示具体模型、软件或者硬件。 面向对象设计方法模拟了人类认识问题中较高、较广层次的过程，即分类过 程，并且综合了功能抽象和数据抽象，将解决问题看作是一个分类演绎过程。 面向对象设计方法是一种直观的方法，它通常可归纳下面三步。 ( 1 ) 发现对象 所有的对象都有唯一的标识，对象之间是可区分的。具有共同特性的对 象组成了类。 ( 2 ) 发现对象间的关系 对象之间存在着许多关系，主要要寻找的有两种；委托关系和继承关系。 ( 3 ) 发现类 类所描述的是具有相似性质的一组对象，这组对象具有相似的行为模 式、相似的关系和相似的语义；识别类可用直观的方法，即将现实世界 中的类映射到软件解空间的类；也可以用抽象的方式识别类，通过观察 多个对象或多个类之问的共同特性，抽象出新的类；还有一种发现类的 方法为特殊化方法，即通过找出在积累中并未出现的某些附加特性来发 现派生类。 面向对象的系统分析采用从特殊到一般的归纳方法，对现实世界中的实体进 行分类，区分对象及其属性，整理对象及其组成部分，并划分成不同的对象类， 从而得到现实系统中对象及其关系，进而分析并掌握系统运行的规律。 在众多建模语言中，统一建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 2 1 是最 广泛使用的面向对象建模语言，是信息技术的蓝图，是详细描述系统结构的方法。 它为面向对象的分析与设汁提供详细描述系统结构的方法。它为规范化、可视化、 文档化软件系统提供了一致的建模语言。它跨越历史上的各种方法与符号；跨越 软件开发的整个生命过程；跨越各个应用领域；跨越实现语言与平台；跨越内部 概念。 u 1 沮。尽可能地结合了世界范围内面向对象项目的成功经验，因而它的价值在 于体现了世界上面向对象方法实践的最好经验，并以建模语言的形式把它们打包， 以适应开发大型复杂系统的要求。 u m l 的应用范围非常广泛，可以应用于多种类型的系统，它也可以用来系统 开发的不同阶段，从需求规格说明到已完成系统的测试。 u m l 的目标是面向对象的方式描叙任何类型的系统，最直接的是用u m l 为 软件系统创造模型，但u m l 也可以用来描叙其他非计算机软件的系统。以下是 u m l 最常见的应用1 3 6 1 ： 夺信息系统( i n f o r m a t i o ns y s t e m ) ：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。 夺技术系统( t e c h n i c a ls y s t e m ) ：处理和控制技术设备，如电信设备、军事系统 或工业过程。它们必须处理设计的特殊接口，标准软件很少。技术系统通常 是实时系统。 夺嵌入式系统( e m b e d d e dr e a l - t i m es y s t e m ) ：在嵌入式到其它设备如移动电话， 汽车、家电上的硬件上执行的系统。通常是通过低级程序设计进行的，需要 实时支持。 分布式系统( d i s t r i b u t e ds y s t e m ) ：分布在一组机器上运行的系统，数据很容 易从一个机器传送到另一个机器上。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，如c o r b a ，c 蚴c o m ，或j a v a b e a n s r m i 上。 9 商业系统( b u s i n e s ss y s t e m ) ：描叙目标、资源( 人、计算机等) ，规则( 法 规、商业策略、政策等) 和商业中的实际工作( 商业过程) 。 在本论文中，通过面向对象的思想，利用u m l 统一建模语言对c b t c 系统的 轨旁z c 设备进行建模开发，侧重更高层次的规划和描述来分析和设计城市轨道交 通中的关键系统，使所建立的轨旁z c 设备系统易于理解、易于扩展、易于维护， 更有利于进一步对整个运行控制系统的研究探讨。 1 5 论文研究基础以及研究目的 本课题研究的是在c b t c 系统中起到核心地位的区域控制中心的系统软件开 发，结合自主研发的c b t c 系统，并且运用面向对象的开发方法，将系统从体系 结构到最后的详细设计进行了研究。 本课题对于系统软件的开发是基于v x w o r k s 实时操作系统平台以及建模开发 工具r h a p s o d y 之上的，在这基础上，作者所做的研究工作可分为以下几方面： 1 。详细介绍了基于通信的列车控制系统的组成及发展过程，阐述了开发和完善 区域控制中心( 轨旁设备z c ) 的必要性。 2 分析了轨旁设备z c 系统基本原理，着重探讨了基于嵌入式系统的快速面向 对象过程( r o p e s ) 在轨旁设备z c 系统中的应用，并且给出了基于u m l 软件开 发方法和步骤。提出了开发高效轨旁设备z c 系统的可靠方法，并对影响系统性能 方面提出了建议。 3 运用嵌入式系统的快速面向对象( r o p e s ) 过程的方法和步骤，尤其是结 合开发过程中的微周期概念，完成了基于u m l 的区域控制系统( 轨旁设备z c ) 的建模和实现。 4 对系统软件进行测试并且评估，对轨旁设备z c 应用系统的安全性进行分析。 通过前期的测试验证，通过不断迭代增量式开发，保证系统满足系统对安全方面 的需求，提高了实际系统的安全性。 1 6本章小节 1 1 阐明了选题的目的和意义； 2 ) 介绍了基于通信的列车控制系统( c b t c ) 的原理以及发展技术概况； 3 ) 介绍了区域控制中心的结构以及功能实现； 4 ) 介绍了本文的主要研究内容。 1 0 2 面向对象的通信区域控制中心建模设计分析方法 众所周知，实时和嵌入式系统软件由于其开发层次较低，直接在硬件上开发 时间紧要、安全紧要、高可靠性的系统，传统上是c 语言和汇编语言的天下。在 过去的十多年里，嵌入式技术得到飞速发展。然而芯片性能的提高，不同实时操 作系统间进行程序移植的需求以及产品推出时间的缩短都使得嵌入式系统的软件 开发人员面临日益增加的软件复杂度的挑战。面向对象技术由于内在地支持了对 系统的抽象、分层和复用技术，能够很好的控制系统的复杂性，因此在嵌入式领 域得到越来越广泛的应用。 在本课题的研究过程中，作者将v x w o r k s 实时操作系统和基于u m l 的实时 嵌入式系统软件开发环境r h a p s o d y 引入到区域控制中心软件设计中，目的在于节 省开发时间和开发费用、提高系统可移植性，同时保障系统的实时性以及高利用 性。 2 1面向对象的统一建模语言 无论计算机学术界、软件工业界、还是在商业界，u m l 9 成为人们用来为各 种系统建模、描述系统架构、商业架构和商业过程的统一工具。它是国际统一的 标准，用它表示的产品符合国际标准，产品能够得到广泛的认可，这将提高产品 在市场上的竞争力。作为国际标准，国际软件业和商业界对u m l 的支持是普遍的， 因而采用它，将得到最广泛的技术支持和工具支持。并且，u m l 采用图来描述系 统的视图，以及图形化易于理解的特点有利于不同知识背景的客户、用户、领域 专家、系统分析、开发、设计人员之间的交流，促进他们的互相理解。 2 1 1 统一建模语言( t r m l ) 简介 概括起来，首先，u m l 是一种标准的表示方法，任何方法或过程都可以采用 u m l ，它与具体的方法和过程无关，具有通用性，且它具有很好的扩展性，可适 用于不同的领域，在具有通用性的同时，还具有使自己专业化的能力。u m l 与最 好的软件实践经验集成。它虽然没有描述任何方法或过程，但却要求使用它的过 程具有以下特征：以架构为中心、用例驱动、支持迭代和递增地开发。这些特征体 现了软件开发的成功经验。并且它对软件设计和分析实践中涌现的新思想和新方 法提供了很好的支持，它支持模式、框架和组件等概念，提供从“概念模型到实 现代码”的可跟踪性。因而，表示方法的标准化有效地促进了不同背景的人们的 交流，有效地促进软件设计、开发和测试人员的相互理解。 无论分析、设计和开发人员采取何种不同的方法或过程，他们提交的设计产 品都是用u m l 来描述的，这有利地促进了相互理解。u m l 代表了面向对象方法 的软件开发技术发展方向，具有巨大的市场前景，也具有重大的经济价值和国防 价值。 2 1 2 基于u m l 的实时嵌入式开发环境r h a p s o d y i - l o g i x 公司的r h a p s o d y 系列产品将实时嵌入式应用软件的设计和开发带入了 革命性的新阶段。r h a p s o d y 是一种基于统一建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a - n g u a g e ) 的可视化编程环境。通过特有的把u m l 各类视图映射为具体目标机程序 语言的技术，r h a p s o d y 提供给了一个完整的用于复杂实时嵌入式应用软件从分析、 设计一直到代码实现和软件测试的开发环境。r h a p s o d y 采用基于u m l 模型的开 发方法，通过从设计模型中直接生成高质量的代码，将开发的重心从编码转移到 设计上来，这种自动化的软件开发方法有效的促进了团队合作，极大的提高了软 件重用率和代码质量，大大缩短了整体的开发时间，代表了软件开发自动化的发 展方向f l l 】。 由上图3 可知，r h a p s o d y 是一个开放的系统，可以很容易的用r h a p s o d y 作为 核心，构造一个协同的适合团队开发的和强实时性要求的嵌入式软件开发环境。 r h a p s o d y 是一个开放的、可定制的、可扩展的设计平台。r h a p s o d y 提供与市场上 提供的优秀的配置管理工具、需求管理跟踪工具和测试分析工具的接口，如 c l e a r c a s e 、p v c s 、c v s 、d o o r s 等。加上r h a p s o d y 提供的可视化的模型区分与 合并功能，真正使团队协作成为可能。总之，开发人员对于合作设计和远程团队 开发的选择不会因为r h a p s o d y 而受到任何限制。 根据第三方的报告，r h a p s o d y 正在迅速成为国防，航空航天领域首选的m d d ( 模型驱动开发，m o d e ld r i v e nd e v e l o p m e n t ) 开发环境，在一系列项目中被作为 主要开发工具来使用，如j o i n ts t r i k ef i g h t e ro s f ) ， f u t u r ec o m b a ts y s t e m s ( f c s ) a n d f 2 2 等，同时在通讯、医疗、汽车和消费电子等领域赢得快速持续的增长。 2 2 r h a p s o d y 在通信区域控制中心软件设计的可行性分析 2 2 1 基于u m l 的建模技术在嵌入式软件开发中的应用分析 开发实时系统软件通常会遇到一些特别的困难，这是因为实时软件与一般的 商业软件相比，在实时性、可靠性和实用性上往往具有更高的要求。对于实时系 统的开发者而言，想要完全理解系统结构设计和通信机制所产生的效果将是艰难 的任务。为了能够有效的建立系统结构，一个良好的结构设计模式是必需的。 区域控制中心( 轨旁设备z c ) 在c b t c 中是一个安全可靠系统，它控制整个系 统中所有列车的运行，是一个实时性要求很高的系统。为了提高系统性和安全性， 并进一步满足系统的实时性要求，在区域控制中心( 轨旁设备z c ) 的软件设计中 采用v x w o r k s 操作系统，该操作系统一个具有可伸缩、可裁剪和高可靠性的实时 操作系统，适用于所有流行的c p u 平台。选用该实时操作系统之后，我们可以将 尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必再去关心系统资源的管理。 u m l 融合了面向对象方法中的数据驱动和行为驱动两种方式，就是说，用 u m l 可以从各方面描述实时系统的功能，及时反映实时系统的约束条件。因此， 将面向对象的u m l 用于实时系统的建模是非常适合的。 对于铁路或城市轨道交通的信号系统，其安全等级【9 】为4 ，要求最高。因此在 信号系统的软硬件开发的整个过程都需要经过安全评估体系来验证。国际标准 ( e n 5 0 1 2 9 ) 要求其系统开发的前期必须使用u m l 对系统进行半形式化的描述。 因此，为保证最后开发得到的系统的安全等级满足要求、提高系统质量，必须保 证设计规范、软件实现、文档之间的相关性。由此可见，在本课题中引入基于u m l 1 3 的实时嵌入式软件开发工具意义重大。 2 2 2 基于u m l 的实时嵌入式软件开发环境选型分析 r h a p s o d y 是依据u m l 标准使用以下特有的关键技术实现实时嵌入式软件开 发的： 1 可视化建模 建模是面向对象分析和设计的核心，是分析和设计过程中最基本和最关键的 活动之一。面向对象的分析和设计应该从建模开始。r h a p s o d y 支持基