基于UML的列控系統車載人機界面設計和實現

引 言

列車運行控制系統是對列車速度自動控制的各種裝置的統稱，根據對速度控制程度的不同，一般分為：列車自動停車(ATS)系統，列車超速防護(ATP)系統，列車自動控制系統，列車自動運行(ATC)系統和列車自動運行(ATO)系統。

列車運行控制系統車載人機界面是車載設備與駕駛員進行信息交互的平臺，是列車運行控制系統的一個重要組成部分。通過車載人機界面，司機可以對列車的相關參數進行設置，實時地得到有關列車和線路的相關狀態和數據，對車載設備發出的命令和警告及時地進行響應。

近年來隨著科技水平的不斷發展，鐵路裝各技術水平躍上了一個新臺階，高速鐵路的崛起和發展給世界鐵路的重新振興帶來了勃勃生機。作為高速鐵路的關鍵設備之一。列車自動控制系統具有以下三大特點：1，以車載顯示為行車憑證；2，用速度命令代替色燈含義：3，信號直接控制列車制動

。正是因為這樣的特點，使得人機界面在整個系統中發揮更大的作用。良好的界面設計可以將更多的信息清晰地顯示出來，有助于司機更好地了解要完成的任務，提高速度和精確性，減少人為失誤的可能性，在最大程度上保證列車的安全性。

對于一般交互式軟件系統來說，GUI設計和實現是軟件系統開發中的一個重要部分。人機界面是指軟件系統與使用者之間的交互。它為用戶提供各種形式的輸入，將用戶的輸入信息進行轉換后，傳給核心模塊進行處理，并將處理結果以可理解的方式反饋給用戶。它介于用戶和核心應用之間。設計既要針對使用者，義更適應核心模塊。用戶界面的設計質量，直接影響用戶對軟件產品的評價，并最終影響軟件產品的競爭力和壽命。事實上，在很多軟件的設計階段，由于缺乏行之有效的用戶界面設計手段，界面設計由實現人員直接編碼完成，從而導致了實現與用戶需求之間的差距。

本文分析了列車運行控制系統車載人機界面所要滿足的設計原則，設計了一種適合這種人機界面的GUI模型。選用UML來描述人機界面的功能需求、總體設計和詳細設計的過程并進行建模，并利用其工具Rational Rose加以嚴格定義的圖形化語言的描述。最后使用Microsoft公司的Visual C++開發工具進行了開發。

1、人機屏面設計的原則

1.1 人機界面設計的原則

人機界面設計要講究藝術性和科學性，利用圖形藝術家的見解和人性因素的研究者的發現，并考慮到用戶的直觀感覺。根據已有的用戶界面設計經驗，針對列車運行控制系統車載人機界面的特點，總結出了以下幾點設計原則：

1) 理解司機要進行的操作。典型的用戶界而設計都要進行任務分析來理解用戶任務的性質。
2) 司機在與系統得交互過程中能夠掌握操作的控制權。無論何時用戶發起的操作都能夠可以被取消。
3) 提供多種方式來兜成每個與界面相關的動作(例如關閉一個顯示窗口)。
4) 當司機進行了錯誤的操作時，應能夠以醒目的方式及時進行提示。
5) 重視可讀性和可理解性。提示信息應該簡明概要，所州的圖形信息便丁=-州機理解。運用不同的顏色來表示信息的優先級
6) 盡量保持界而構件的尺寸相同。充分利用空間關系。屏幕上的圖形構件之間的距離不要太遠，必要時可以用一個框將他們包圍起來。

1.2 采用UML進行設計的優勢

UML采用的足一種圖形表示法，是一種可視化的圖形建模語言 UML定義了建模語言的文法， 運用元模型對語言中的基本概念、術語和表示法給出了統一且比較嚴格的定義和說明，給出了這些概念的準確含義。UML為人們提供了從不同的角度去觀察和展示系統的各種特征的一種標準方法。在UML中，從任何一個角度對系統所作的抽象都可能需要用幾種模型圖來描述，而這些來自不同角度的模型圖最終組成了系統的完整圖像。

UML語言提供了模型管理視圖，用以描述系統各種模型之間的關系。通過模型管理視圖提供的機制，系統設計者可以將各個模型元素有機地分解為各個不同層次的包，從而從不同的層次粒度上對系統模型問的關系進行描述，極大地提高了系統設計的可讀性和可維護性。UML這種層次化、模塊化的管理機制非常適合于對列車運行控制系統車載人機界面進行建模。但是，如果由開發人員手工地繪制這些圖形，不僅非常煩瑣，而且很難保證不同視圖之間的一致性，因此UML的支持環境在實際的軟件開發中是必不可少的。

Rational公司的Rose是目前在國際上應用雖廣泛、功能最強大的支持UML的CASE工具，在軟件開發過程的幾個階段都很有用。在項目開始階段，Rose可以產生用況模型；在細化與構造階段，Rose可以開發活動框圖，顯示事件流程；順序圖和協作圖則顯示要開發的對象及其相互問的交互；Rose開發的類圖顯示對象間的相互關系：組件圖顯示系統組件間的相關性。此外Rational Rose最強大的特性之一是具有生成表示模型的代碼和逆向轉出工程代碼的能力，保證了代碼與對象模型的同步性。

2、使用UML對列車運行控制系統車載人機界面進行分析和建模

2.1 常用GUI模型簡介

通常GUI模型抽象為三個部分：界面的表現模型，即與使用者問的接口；界面構件的對話過程，即用戶界而構件之間的交互以完成用戶任務；核心應用，即完成應用業務邏輯的功能模塊。幾種主要的GUI模型如，Seeheim模犁，MVC(Model-View-Controller)模型和PAC (Presentation—Abstraction．Controller都基于這樣的基本思想。F面對最基本的Seeheim模型進行簡要說明。

Seeheim模型將軟件體系結構分為4個部分：核心模塊(Functional Core)，核心應用接口(Functional Core Adapter)，對話控制器(Dialogue Contro1ler)，界面構件(Presentation Component）。Function Core對領域應用進行建模。Functional Core Adapter為用戶界面與核心應用之間建立一個緩沖區，以減少二者之間的耦合。它通過一些交互協議為用戶界面與核心應用之間提供同步或者異步的數據交換。Dialogue Controller是Seeheim模型中的核心部分。它通過界面構件接收來自用戶的各種輸入請求，通過轉換后利用核心應用接口與核心模塊進行數據交換，保證多個視圖間的一致性，以完成特定的用戶任務在Dialogue Contro11er中可以嵌套定義Seeheim子模型。這樣可以從不同粒度上對GUI系統進行建模。Presentation Component對界面構件的具體交互動作和輸入輸出進行設計。

2.2 車載人機界面建模

(1) 系統需求分析

需求分析就是明確從外圍系統的角度要求車載人機界面提供什么功能。在以往的需求分析中，始終沒有一種合適的工具來保證系統需求的完整表達，所以直接導致了系統在完成后的檢測中發現與真實情況小符。從分析階段引入全面支持UML的Rational Rose這個有效的形式化上具，以完整的，無歧義的語言來表達需求，簡化開發過程中的交流。

列車運行控制系統車載人機界面是車載設備與司機進行信息交互的平臺。車載人機界面要保證司機可以對列車的相關參數進行設置，實時地得到有關列車和線路的相關狀態和數據，對車載設備發出的命令和警告及時地進行響應。運用UML的用例圖可以清晰的表示出以上需求。

圖1 車載人機界面模型用況圖

接下來對用況進行形式化的描述。司機在進行操作時，首先可以根據需要來調整界而的背景色，分辨率等參數，這時執行了界面設置用況。當司機需要對列車長度等參數進行配置時，則要使用數據操作用況。在數據用況中還可以顯示列車的初始化信息?？紤]到司機需要響應車載設備發出的指令以及進行人工干預。所以命令操作用況也是必不可少的。司機操作人機界面的過程采用UML的活動圖做了描述。

圖2 車載人機界面模型活動圖

(2) GUI模型框架

根據人機界面設計的原則?？紤]到實際的應用背景，本文在Seeheim模型的基礎上，提出了一種適用于列車運行控制系統車載人機界面的GUI模型，如圖3所示。模型由視圖模塊(View Mode1)，視圖控制器(View Controller)和核心應用接口(Core Interface)三部分組成，是一種面向對象的GUI設計模型。

視圖模塊(View Model)對用戶界面的可視部分進行描述。它接受司機的輸入，并為司機提供可視化信息，是GUI模型中唯一直接與司機打交道的部分。它的設計采用多級遞階的設計思想，從邏輯功能上分解為各個視圖(view)，每個視圖又可以分解為多個子視(Sub—View)。子視圖是對上一層視圖的進一步分解和細化。視圖的靜態特性可以包含視圖的大小、位置和可見性等與視圖自身表現形式有關的屬性。它的動態行為包括視圖內部的動作和與其他視圖問的協作，以及與司機之間進行的交互。視圖模塊的建模以消息響應為核心，通過消息響應過程對用戶事件進行處理。例如響應車載設備命令或改變界面樣式等。當View與其他視圖進行交互時。將用戶消息發送給View Controller進行調度。由View Controller來實現在不同的視圖之間的轉換。

當用戶完成一項任務涉及到若干視圖時，View Controller負責各個視圖間的切換調度。它接受從View Model發送來的消息，由消息響應函數負責對相關的視圖進行控制。相對于View Model，View Cont