基于UML的列控系統(tǒng)車載人機(jī)界面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

引 言

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是對(duì)列車速度自動(dòng)控制的各種裝置的統(tǒng)稱，根據(jù)對(duì)速度控制程度的不同，一般分為：列車自動(dòng)停車(ATS)系統(tǒng)，列車超速防護(hù)(ATP)系統(tǒng)，列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，列車自動(dòng)運(yùn)行(ATC)系統(tǒng)和列車自動(dòng)運(yùn)行(ATO)系統(tǒng)。

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載人機(jī)界面是車載設(shè)備與駕駛員進(jìn)行信息交互的平臺(tái)，是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。通過車載人機(jī)界面，司機(jī)可以對(duì)列車的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)時(shí)地得到有關(guān)列車和線路的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，對(duì)車載設(shè)備發(fā)出的命令和警告及時(shí)地進(jìn)行響應(yīng)。

近年來(lái)隨著科技水平的不斷發(fā)展，鐵路裝各技術(shù)水平躍上了一個(gè)新臺(tái)階，高速鐵路的崛起和發(fā)展給世界鐵路的重新振興帶來(lái)了勃勃生機(jī)。作為高速鐵路的關(guān)鍵設(shè)備之一。列車自動(dòng)控制系統(tǒng)具有以下三大特點(diǎn)：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(hào)直接控制列車制動(dòng)

。正是因?yàn)檫@樣的特點(diǎn)，使得人機(jī)界面在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。良好的界面設(shè)計(jì)可以將更多的信息清晰地顯示出來(lái)，有助于司機(jī)更好地了解要完成的任務(wù)，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(duì)于一般交互式軟件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，GUI設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是軟件系統(tǒng)開發(fā)中的一個(gè)重要部分。人機(jī)界面是指軟件系統(tǒng)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(jìn)行轉(zhuǎn)換后，傳給核心模塊進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果以可理解的方式反饋給用戶。它介于用戶和核心應(yīng)用之間。設(shè)計(jì)既要針對(duì)使用者，義更適應(yīng)核心模塊。用戶界面的設(shè)計(jì)質(zhì)量，直接影響用戶對(duì)軟件產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，并最終影響軟件產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和壽命。事實(shí)上，在很多軟件的設(shè)計(jì)階段，由于缺乏行之有效的用戶界面設(shè)計(jì)手段，界面設(shè)計(jì)由實(shí)現(xiàn)人員直接編碼完成，從而導(dǎo)致了實(shí)現(xiàn)與用戶需求之間的差距。

本文分析了列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載人機(jī)界面所要滿足的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一種適合這種人機(jī)界面的GUI模型。選用UML來(lái)描述人機(jī)界面的功能需求、總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)的過程并進(jìn)行建模，并利用其工具Rational Rose加以嚴(yán)格定義的圖形化語(yǔ)言的描述。最后使用Microsoft公司的Visual C++開發(fā)工具進(jìn)行了開發(fā)。

1、人機(jī)屏面設(shè)計(jì)的原則

1.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)的原則

人機(jī)界面設(shè)計(jì)要講究藝術(shù)性和科學(xué)性，利用圖形藝術(shù)家的見解和人性因素的研究者的發(fā)現(xiàn)，并考慮到用戶的直觀感覺。根據(jù)已有的用戶界面設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載人機(jī)界面的特點(diǎn)，總結(jié)出了以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：

1) 理解司機(jī)要進(jìn)行的操作。典型的用戶界而設(shè)計(jì)都要進(jìn)行任務(wù)分析來(lái)理解用戶任務(wù)的性質(zhì)。
2) 司機(jī)在與系統(tǒng)得交互過程中能夠掌握操作的控制權(quán)。無(wú)論何時(shí)用戶發(fā)起的操作都能夠可以被取消。
3) 提供多種方式來(lái)兜成每個(gè)與界面相關(guān)的動(dòng)作(例如關(guān)閉一個(gè)顯示窗口)。
4) 當(dāng)司機(jī)進(jìn)行了錯(cuò)誤的操作時(shí)，應(yīng)能夠以醒目的方式及時(shí)進(jìn)行提示。
5) 重視可讀性和可理解性。提示信息應(yīng)該簡(jiǎn)明概要，所州的圖形信息便丁=-州機(jī)理解。運(yùn)用不同的顏色來(lái)表示信息的優(yōu)先級(jí)
6) 盡量保持界而構(gòu)件的尺寸相同。充分利用空間關(guān)系。屏幕上的圖形構(gòu)件之間的距離不要太遠(yuǎn)，必要時(shí)可以用一個(gè)框?qū)⑺麄儼鼑饋?lái)。

1.2 采用UML進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

UML采用的足一種圖形表示法，是一種可視化的圖形建模語(yǔ)言 UML定義了建模語(yǔ)言的文法， 運(yùn)用元模型對(duì)語(yǔ)言中的基本概念、術(shù)語(yǔ)和表示法給出了統(tǒng)一且比較嚴(yán)格的定義和說(shuō)明，給出了這些概念的準(zhǔn)確含義。UML為人們提供了從不同的角度去觀察和展示系統(tǒng)的各種特征的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。在UML中，從任何一個(gè)角度對(duì)系統(tǒng)所作的抽象都可能需要用幾種模型圖來(lái)描述，而這些來(lái)自不同角度的模型圖最終組成了系統(tǒng)的完整圖像。

UML語(yǔ)言提供了模型管理視圖，用以描述系統(tǒng)各種模型之間的關(guān)系。通過模型管理視圖提供的機(jī)制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以將各個(gè)模型元素有機(jī)地分解為各個(gè)不同層次的包，從而從不同的層次粒度上對(duì)系統(tǒng)模型問的關(guān)系進(jìn)行描述，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可讀性和可維護(hù)性。UML這種層次化、模塊化的管理機(jī)制非常適合于對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載人機(jī)界面進(jìn)行建模。但是，如果由開發(fā)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(huán)境在實(shí)際的軟件開發(fā)中是必不可少的。

Rational公司的Rose是目前在國(guó)際上應(yīng)用雖廣泛、功能最強(qiáng)大的支持UML的CASE工具，在軟件開發(fā)過程的幾個(gè)階段都很有用。在項(xiàng)目開始階段，Rose可以產(chǎn)生用況模型；在細(xì)化與構(gòu)造階段，Rose可以開發(fā)活動(dòng)框圖，顯示事件流程；順序圖和協(xié)作圖則顯示要開發(fā)的對(duì)象及其相互問的交互；Rose開發(fā)的類圖顯示對(duì)象間的相互關(guān)系：組件圖顯示系統(tǒng)組件間的相關(guān)性。此外Rational Rose最強(qiáng)大的特性之一是具有生成表示模型的代碼和逆向轉(zhuǎn)出工程代碼的能力，保證了代碼與對(duì)象模型的同步性。

2、使用UML對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載人機(jī)界面進(jìn)行分析和建模

2.1 常用GUI模型簡(jiǎn)介

通常GUI模型抽象為三個(gè)部分：界面的表現(xiàn)模型，即與使用者問的接口；界面構(gòu)件的對(duì)話過程，即用戶界而構(gòu)件之間的交互以完成用戶任務(wù)；核心應(yīng)用，即完成應(yīng)用業(yè)務(wù)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(duì)最基本的Seeheim模型進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

Seeheim模型將軟件體系結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分：核心模塊(Functional Core)，核心應(yīng)用接口(Functional Core Adapter)，對(duì)話控制器(Dialogue Contro1ler)，界面構(gòu)件(Presentation Component）。Function Core對(duì)領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行建模。Functional Core Adapter為用戶界面與核心應(yīng)用之間建立一個(gè)緩沖區(qū)，以減少二者之間的耦合。它通過一些交互協(xié)議為用戶界面與核心應(yīng)用之間提供同步或者異步的數(shù)據(jù)交換。Dialogue Controller是Seeheim模型中的核心部分。它通過界面構(gòu)件接收來(lái)自用戶的各種輸入請(qǐng)求，通過轉(zhuǎn)換后利用核心應(yīng)用接口與核心模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證多個(gè)視圖間的一致性，以完成特定的用戶任務(wù)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(duì)GUI系統(tǒng)進(jìn)行建模。Presentation Component對(duì)界面構(gòu)件的具體交互動(dòng)作和輸入輸出進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 車載人機(jī)界面建模

(1) 系統(tǒng)需求分析

需求分析就是明確從外圍系統(tǒng)的角度要求車載人機(jī)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(lái)保證系統(tǒng)需求的完整表達(dá)，所以直接導(dǎo)致了系統(tǒng)在完成后的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)與真實(shí)情況小符。從分析階段引入全面支持UML的Rational Rose這個(gè)有效的形式化上具，以完整的，無(wú)歧義的語(yǔ)言來(lái)表達(dá)需求，簡(jiǎn)化開發(fā)過程中的交流。

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載人機(jī)界面是車載設(shè)備與司機(jī)進(jìn)行信息交互的平臺(tái)。車載人機(jī)界面要保證司機(jī)可以對(duì)列車的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)時(shí)地得到有關(guān)列車和線路的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，對(duì)車載設(shè)備發(fā)出的命令和警告及時(shí)地進(jìn)行響應(yīng)。運(yùn)用UML的用例圖可以清晰的表示出以上需求。

圖1 車載人機(jī)界面模型用況圖

接下來(lái)對(duì)用況進(jìn)行形式化的描述。司機(jī)在進(jìn)行操作時(shí)，首先可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)整界而的背景色，分辨率等參數(shù)，這時(shí)執(zhí)行了界面設(shè)置用況。當(dāng)司機(jī)需要對(duì)列車長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行配置時(shí)，則要使用數(shù)據(jù)操作用況。在數(shù)據(jù)用況中還可以顯示列車的初始化信息。考慮到司機(jī)需要響應(yīng)車載設(shè)備發(fā)出的指令以及進(jìn)行人工干預(yù)。所以命令操作用況也是必不可少的。司機(jī)操作人機(jī)界面的過程采用UML的活動(dòng)圖做了描述。

圖2 車載人機(jī)界面模型活動(dòng)圖

(2) GUI模型框架

根據(jù)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的原則。考慮到實(shí)際的應(yīng)用背景，本文在Seeheim模型的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載人機(jī)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(yīng)用接口(Core Interface)三部分組成，是一種面向?qū)ο蟮腉UI設(shè)計(jì)模型。

視圖模塊(View Model)對(duì)用戶界面的可視部分進(jìn)行描述。它接受司機(jī)的輸入，并為司機(jī)提供可視化信息，是GUI模型中唯一直接與司機(jī)打交道的部分。它的設(shè)計(jì)采用多級(jí)遞階的設(shè)計(jì)思想，從邏輯功能上分解為各個(gè)視圖(view)，每個(gè)視圖又可以分解為多個(gè)子視(Sub—View)。子視圖是對(duì)上一層視圖的進(jìn)一步分解和細(xì)化。視圖的靜態(tài)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(xiàn)形式有關(guān)的屬性。它的動(dòng)態(tài)行為包括視圖內(nèi)部的動(dòng)作和與其他視圖問的協(xié)作，以及與司機(jī)之間進(jìn)行的交互。視圖模塊的建模以消息響應(yīng)為核心，通過消息響應(yīng)過程對(duì)用戶事件進(jìn)行處理。例如響應(yīng)車載設(shè)備命令或改變界面樣式等。當(dāng)View與其他視圖進(jìn)行交互時(shí)。將用戶消息發(fā)送給View Controller進(jìn)行調(diào)度。由View Controller來(lái)實(shí)現(xiàn)在不同的視圖之間的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)用戶完成一項(xiàng)任務(wù)涉及到若干視圖時(shí)，View Controller負(fù)責(zé)各個(gè)視圖間的切換調(diào)度。它接受從View Model發(fā)送來(lái)的消息，由消息響應(yīng)函數(shù)負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)的視圖進(jìn)行控制。相對(duì)于View Model，View Cont