（交通信息工程及控制专业论文）VxWorks在列控系统ATP车载设备中的应用研究.pdf

垄室塞堡查篓蹩圭皇垄矍奎篁篓! 垒| 量耋 摘要 城市轨邋交通因其客运量大、污染少等特点，在解决大城市的交通矛盾 中起饕越来越大弱接援。其中，列车运行控制系统程挺嵩运输效攀、爨迁牙 车安全及旅客舒适度等方面其有独特的作粥。而列车髓速防护系统楚整个控 制系统中最凝键的部分，在城市轨道交通中承担着确保行车安全的重要职 黉。困_ i 避，这榉一令安全懿臻系统，必须焱软硬磐设谤上都器证系缓熬安全。 近年来，随着各种先进技术的飞速教震，同时为了肖效地缩短开发时间、 降低开发费用，在安全控制软件的设计中采用c o t s 产品己成为种趋势。 本文主要磷突基予r sv 黜酶黉辩搡雩# 系统熬友疆车裁浚各较磐 设计方法。针对它的实时性、安全性和篾杂性等特点，在软件设计过程中应 用了基于c 仃r s 技术的安全苛求系统软件设计方法。作者以实际成用中的 联l 鳓鍪炎撑擎鼗设冬凳模型，结会蘩予v 酝l 黪焱入式实薅建穰援寒等 方法，采用软件工程学思想对整个系统从需求分析和概要设计的角度进行了 研究，规范了整个软件开发过程，并为下步的软件开发工作奠定了良好的 麓缓。 最终，作者结合已有的工作成果，在v x w b r k s 实时操作系统平台下完善 了躯个a r p 车载设备中间层软件设计工作，并在现谢环境下完成了调试验 程。 关键词：c o t s 产品，v x w b r k s ，u m l 实时建模，鲥p 车载设铸 北京交道 学鞭上学位沦史= u f b 飘f a i l w a y 拄a n 肄o n 戤i o ni s 毋a y i 糙as i 嚣呈董：i c a n r o l e 撖f e l e a s i n g 瞧e h e a v y 拄绷ci nl h eb i gc i i e s 。i th a s 啦ea d v a n l a g e ss u c ha sh i 曲c a p a c i t y ，l o w p o l l u t i o na n d s oo n 。n e 虹a i n o p 盯a t i o nc o n h o ls y s t e m i sap 趣n i c u l a rp a i 主妇t h e u r b a i im a s st r a 筋cn e t w o r k ，w h i c hc a ni f n p r o v e 协a f f i ce 倒c i e n c ya n da s s u f e o p e r a t i o ns a f e t ya i l dp f o v i d et h ep a s s e n g e r sm o r ec o m f o r t a b l ec o n d i t i o ni nt h e i r m pa sw e l l h o w e v e r ，a t p ( a u t o m a t i c1 蜘np f o t e c t i o n ) s y s t e mi st h em o s t p i v o t a l0 0 m p o n e n ti nj t ，w h i c hi su s e dt os u p e i s et h cs p e e do ft h eh i 曲一s p e e d t r a i ni nf e 稚t i m ea l l dc o n t i n u o s l y ，t oc o n n 勺lt h eb r a k es y s t e ma u 毫o m a t i c a l l ya n d 辆c a f f yo u ta 鞋| o m a t ct f i j i 珏p 难糖c 拄o 髓拍e 糟f o f et h i sk i n do fc o n t r o ls y s t e m 蘸e 霹s | o l l 壮l ys 疵。n o t i yt h eb a 嗣w a 辩s y s 量e m 堍la l s o 氆es o f | w a f em u s t 堍d e s i 铲翻骚糖l y t 删a y s ，矗主sa 溉珏d 强撤v 蛾o h sc o 赆淞珏p o n e 鹏瓣a d o p t e dt o 删l l c ct h ed e v e l 叩i n gc y c l ea i l dc o s ti nt h es o f 时a r ed e s i 黔o fs c s 逶遥安全势掇f 氛疆缝磐魏失效模式窃薤验程度分辑) ，奁c f s 产 品和安全苛求应用之间定义一个正式的获取合同。 ( 2 ) 合同条款作为选择和评估的标准。 疆) 每祭合霹条款黪癸求戆担缳缀爨溪示了箕终为逵择帮谖镰稼塔蕊 重要性，同时确窟了满足合同条款所需得论据数量和类型。 ( 4 ) c 0 1 s 获取合同( 预先确定了安全方面需要考虑的事项) + 所有的 通臻糠鲑c 湃s 搜怒薅其它方滋戆考惠，氛锩叛本舞级、爨方技寒 支持等1 作为c o t s 选择考虑因索f 。 c b c p s 选择方法的流程如图4 所示，其中灰色部分是其主要阶段。根 1 2 北京交通大学硕士学位论文 据下图可知，c b c p s 是一种有保护的c 0 t s 选择方法，因为最终c o t s 获 取合同是根据应用的安全性问题建立的，平衡了c 0 t s 功能方面可用性的考 虑。 ( ( ) t s 相关行为 i ；i k 图4c o t s 产品选择流程 2 2c o t sv x w o r b 在a t p 车载设备软件开发中的应用 2 2 1 r t o s 在a t p 车载设备软件设计中的应用分析 在传统的a t p 车载设各软件设计中，设计者除了要考虑应用程序本身 的实现外，还要花费很多的精力考虑实时多任务机制的实现、整个系统资源 的管理。这无疑大大提升了软件设计的复杂度、而且难以保证系统的性能。 随着科学技术的进步，同时为了降低开发难度、提高系统性能，在软件开发 中有必要引入实时操作系统对系统资源进行管理。由于r t c i s 内核精简，系 统调用是标准化、规格化，这使得软件设计人员不必再考虑多任务机制的实 现问题。而且实时操作系统提供了多种任务间通信方式、中断处理机制等， 这样开发人员有更多的精力用于应用程序的开发上。目前，基于r t o s 的嵌 13 蘸豪交逶文学壤学垃谚文 入式系统软件开发在国外融成为主流，在舀内也正在被越来越多的软件工程 师使用【劓。 基于刘黔s 戆系统戆囊礁运行不仅毅决于缍栗的正麓蛙薅虽遮依簇予结 梁产生的时间。在软件开发过程中采用r 1 的s 后，系统的正确运行将依赖于 实时操作系统提供的服务，r 1 o s 必须阱呵预见的方式处理随机发生的事件。 茄终，瓤s 其备毒效宠袋系统实霹蠖糁薤麴羁薅逐妊簇其舂缳撩系缓安全 性的特征。 从安全评估的国际标准来说，i e c6 1 5 0 8 对安全系统软件的要求包括： 凌麓牲( 篁l l 纛c | 鲤a l 秘) ，氆括容量秘蛹疲露阕；嚣囊整羁霹缭护毪 ( r e l i a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y ) ； 安全性( s a f e t y ) ，包括安全功能和它们 相关的软件安全完整性等级；效率性( e f f i c i e n c y ) ；可用性( u s a b n i t y ) ； 轻霞茬( 弦娃a 壤l 矗y ) 。 在a 1 1 p 车载设备软件设计中采用实时操作系统后，将能更大程度地满足 以上要求： f 1 ) 系统瞧移安全毪大大撵毫 实时操作系统可以成为整个软件系统的中间件，即实时操作系统通过驱 动程序和底殿硬件相结合，而上层应用程序通过a p l 和库函数与实时操作系 绞穗结合，实辩操雅系统宠藏系统多餐务豹凌度窝审獗嚣魏行。遨撑，系统 的安全模块和非安全模块将会得到有效的隔离，而且r t o s 可以很好的解决 硬件冗余模块的同步问题。 f 蛰满足系绞实薅经麴袋求 如果在软件设计中选用实时操作系统，将对该系统的实时性指标的提高 有很大帮助。 ( 3 充分笈簿实辩搽彳每琴统冒移穗赣、哥维护霞聚等优势 采用r t o s 后，一旦系统需要升级，只需改动少黛程序，而不像以前系 统需要重新进行设计，体现出r t o s 再丌发周期短，升级能力强的优点。 北京交通大学硕士学位论文 在a t p 车载设备软件开发中采用实时操作系统后，整个系统任务的调 度都是由r t 0 s 来完成，应用程序是构建在r t 0 s 之上的，它通过驱动程序 和库函数实现对底层硬件的调度。这样分工明确，系统的安全性和实时性就 得到了保证。 因此在町 p 车载设备开发过程中，应该在保证系统安全性的基础上，权 衡系统性能和开发费用，选择合适的实时操作系统。 2 2 2r t o s 选型分析 根据前面对应用c o t s 技术的分析，总结了在闰r p 车载设备软件开发 中引入r 1 d s 应考虑的问题。本节将针对系统的应用特点，分析比较现有的 各种c o t sr t 0 s ，最终选择最适合本课题使用的实时操作系统。 目前，己经开发的嵌入式实时操作系统种类非常多，如v x w o r k s ，p s o s ， q n x ，w i n d o w sc e 等，下面分别对这几种实时操作系统进行比较分析。 表1 常见的实时操作系统性能比较h r ! i 0 s 性任务调度对线 对任务问通信的中断 任务切任务优 能方式程的 支持程度 延迟换时间先级数 支持( u s )( u s )目 p s o s 基于优先多线共享内存、队 50 2 5 5 级抢占轮 程列 转调度 w i n d o w s 基于优先 多线共享内存、队 9 53 4 40 7 c e 级抢占和程列 混合调度 q n x 基于优先 单线消息、管道、 2o 3 1 级抢占和程队列 混合调度 v x w b r k s 基于优先多线共享内存、信 3 1 1 00 2 5 5 级抢占和程号量、套接字、 混合调度 队列、管道 从表1 对各种常见实时操作系统主要性能的比较可见，实时操作系统 1 5 北京交通大学顾士学位论义 p s o s ，v x w o r k s 具有较好的性能，但p s o s 的缺点是其采用的集成开发环境 与产品兼容性不好，部分关键功能无法使用，而且i s i 公司2 0 0 0 年己被 w i i l d r i v e r 公司合并，将不再对其维护和升级，因此操作系统v x w o r k s 占有 优势。 经过对多种常见实时操作系统主要性能的比较，在本课题中最终选择 v x w b r k s 操作系统。原因有以下几个方面【”j ： ( 1 ) 支持丰富的开发工具。同时开发环境是开放的，可扩展的，目前 v x w b f k s 得到了许多第三方厂家的支持； ( 2 ) 对内存的要求与目标机无关的。开发人员能按照应用需求分配所需 的资源，而不是为操作系统分配资源； ( 3 ) 具有高度的可剪裁性，其最小内核结构只有8 k b ； ( 4 ) 支持多种嵌入式处理器，包括有x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u ns p a r c ，m 0 t o r o l a ， m c 6 8 x x 】【x ，m i p sr x o o o ，p o w e rp c ，a m 2 9 】【】【x 以及a r m 处理 器； ( 5 ) 为各种c p u 硬件平台提供了统一的接口，移植应用程序无需作过 多的改动； ( 6 ) 技术支持是完善的，v x w o r k s 一直保持着良好的声誉。 2 2 3v x w o r k s 实时操作系统简介 由美国w i i i d r i v e r 公司开发的嵌入式、多任务的实时操作系统v x w b r k s 是一个具有可伸缩、可裁剪和高可靠性的实时操作系统。它适用于所有流行 的c p u 平台。所谓可伸缩性指v x w o r k s 提供了超过1 8 0 0 个应用程序接口供 用户自行选择使用；可裁剪性是指用户可以根据自己应用需求对v x w b r k s 进行配置，产生具有各种不同功能集的操作系统映像；可靠性是指能够胜任 一些诸如飞行控制这样的关键性任务【1 7 】。 v x w o r k s 很适合于有限状态机机制的多任务软件系统的开发。v x w o r k s 北京交通人学硕士学位论文 系统结构目的是使各任务之间共享c p u 中央处理器资源，并提供机制保障 外部事件能最快地通知到处理该事件的任务，从而实现其实时性。其任务之 间可以按优先级和时间片轮转方式来共享c p u 资源，中断信号与任务的同 步是利用信号量机制进行的。任务之间的同步和数据交换可以使用信号量机 制、消息机制、以及f i f o ( 先进先出) 队列机制。任务之间临界资源可以 使用资源管理机制，同时系统还提供完善的定时器管理和能满足大多数应用 需要的内存管理机制。v x w o r k s 把这些机制称为系统对象，它为每一个系统 对象配置了一系列的系统调用，任务与核心的交互是在系统调用的界面上进 行的。 v x w o r l 【s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，为程序员 提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间 通信。应用程序员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。 2 3c o t s r h a p s o d y 在a t p 车载软件开发中应用的可行性分析 2 3 1 基于u m l 的实时建模技术在实时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。目前较成熟的是r 0 0 m ( r e a l - t i m e0 b j e c t 一0 r i e n t e dm o d e l i n g ) 技术【1 8 j 。 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。传统的软件工程技术着重软件的可移植性、可重用性、可伸缩性、易 北京交通人学硕士学位论文 维护和低成本，借助一个良好的开发平台，实现快速交付，同时能够支持业 务过程快速变革的高适应性系统。软件工程技术使平台以上的系统日臻完 善，发展了面向对象技术、构件技术乃至直接使用软件服务。 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， 不同实时操作系统问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【1 9 】。 嵌入式实时系统的软件设计面临着巨大的挑战，每个软件开发者都意识 到嵌入式系统在反应时间、吞吐量、可靠性和可用性等方面的要求远比通用 或商用软件系统更为严格。软件结构日益复杂、使得软件建筑和获取软件建 筑的技术也越来越重要。u m l 为嵌入式系统的设计提供了一套最好的工程 实践，并已经被用于很多复杂的嵌入式系统中，取得了成功。它能从不同角 度对系统进行观察分析，使得复杂嵌入式系统的结构、动作的完整定义能通 过对模型的不同观察点的组合来获取【2 0 】。 实时u m u u m lf o rr e a l t i m e ) 是由o b j e c t t i m e 和r a t i o n a l 公司合作开 发的实时建模标准，它合并了u m l 、角色建模、面向对象建模语言r o o m 中的概念，开发出一个新的、比较完善的可用于复杂实时系统建模的标准。 实时u m l 主要引入了三个概念，即胶囊( c a p s u l e ) 、端口( p o n ) 与连接器 ( c o n n e c t o r ) 。 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，其安全等级为4 ，要求最高【2 2 l 。 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 趣袁交鹱大学醺 j 学位埝戈 形式纯静箍述。霞忿，为傈泛最螽开发褥裂静系统麓安全等级满足要求、褪 高系统质凝，必须保诫设计规范、软件实现、文档之间的相关性。由此可见， 在本课题串辱 入基于l j m l 瓣实对嵌入式软静秀发工其意义重大。 2 3 2 纂予u m l 的宾时嵌入式软件湃发环境选黧分析 基予侧l 静实露嵌入式蓑箨曩：发垮囊魏建鍪袄搓骞主要鼓宋搓蠡、毪 能、先进程度及与三稀 盖上同类产晶的比较等。 u m l 2 0 有四个主嚣的销售商一1 - b 曲x 僻h a p s o d y ) ，t e l e l o 酗c m u g 2 ) ， 越疆s 矗骝僻e 啦趣嚣s 媳d 嗡臻醚承鑫i 釉8 l 黎o s 搴嚣黔。必讨论趁受，露蓍遥器 这四家来说明它们如何校严格支持u m l 2 o 标准的间时又能使蒸提供的产晶 与众不同。 下嚣姨产嚣 灞生成、搂型我璐襁关链、遂魏工檬、穰型执行等方嚣薅 以上几种产品进行 b 较，如表2 所示。 表2 常见的几种基于u m l 模型驱动的实时嵌入斌软件开发环糍性能比较 开发醛境捉褥皇藏代羁凄鬣支持语言 v 眭能 支持嵌入式c + + 构造 代码是不西读豹。代 予集豹语言，不缝生或 生盛鼯9 0 褥囊量缀楚无法避1 e 语言静行为( 获态 嚣l l ( 、2 的 弋鹞 行质量认诞。 液) 代礤。 支持生成c 、c + + 、a d a 生成8 0 9 0 代码是可读的，看起 和j a v a 等语螽的完整 戳l 警辩 翡霞强寒与手写代鹤裙弱。 钱羁。 代码是可读懿，毽熟 果对产晶没有详细 生成8 0 9 0 理解不能直观看出 支持生成c 、c + + 和 r o s e 谨 的我码 霞羁热簿囊接映射 j 舸a 等语离的完整我 委模型上瀚。 秘。 没有实时构 r e a l - t i m e 架，不能生 s t u d i o 成代码。 9 北京交通大学硕士学位论文 由于r h a p s o d y 是基于u m l 的模型驱动的实时嵌入式软件开发环境，它 支持产品级代码生成、模型执行等多个功能，大大缩短了嵌入式软件的开发 周期。对于该开发工具的介绍及应用将在下一章中详细描述。 本课题首次尝试将r h a p s o d y 与v x w b r k s 实时操作系统结合起来，建立 符合软件工程要求的a r p 车载设备嵌入式软件开发平台，研究a t p 车载设 备软件开发的相关问题。 2 4 本章小结 近年来由于计算机技术在a r p 车载设备中的广泛应用，并且随着硬件可 靠性的提高，实现各种复杂功能的软件质量对系统的安全性影响随之增大。 提高软件可靠性和安全性成为开发各种安全苛求系统的聚焦点。由于 c 0 t s 技术所具有的诸多优势，软件开发人员越来越多地将c o t s 组件应用 于安全苛求系统中，以达到缩短开发周期、减少开发成本的目的。 本章首先介绍了c o t s 技术的定义以及基于c 0 t s 技术的系统分类，分 析了在安全苛求系统中采用c 0 t s 产品时的选择方法及其相关安全性问题。 最后分析了v x w b 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 这两种c o t s 产品在a r p 车载设备软件开发中的应用。 靶衰变逶大学矮学位论文 第三章基于u m l 的列控a t p 车载系统安全设计分析 到车囊葫貉护溶糟) 车载子系统在傈涯弼车安全运幸亍方嚣发辉着重要作 用，它负责实现列车运行安全间隔控制以及超速防护等功能。制r p 车载设备 是列车运行控制系统中保证行车安全的关键设备，对于系统软硬件静实时 性、安全可靠住要求狠窝。 本课题以大连快轨三号线l c f 1 0 0 ( d u ) t ) 烈a 坤车载设备为模型， 莱用u m l 统一建模语盏对其系统戆结构、性能以及工彳乍流程避行描述，结 合现场应用研究a 露系统车载设备的工作祝理，弼辩雩l 入u m l 统一建模语 言对其系统的结构、性能以及工作流稷进行建模分析。然后，采用r h a p s o d y 实时框架按术对三模冗余结聿鼋的a 糟车载设备进行了详细豹设计分雾亍，为下 一步盼软l 串开发工俸打下了良好静基础。 3 1 u m l 统一建模语畜及其在现代软件工程巾的重要性分析 目前，在软件编程过程特别是大烈软件工程中，怎样使开发人员对整个 工程有一致的、全面的理解，从而更加紧密的团结协作，成为开发过程中最 重要夔霹熬。零谋瑟在戮究舞车麓甲车羲系统较髂舞发熬过程中弓| 入了 u m l 实时建模技术目的在于进一步规范软件开发过程，同时使开发的软件 易于维护和升级。另外，根据本课题所嚣设计软件的特点，结台淀时设计模 式理论最终选择了安全鼗耧季靠毪模式中戆霹蒺三搂茏余模式。 3 1 1u m l 统一建模语窗概述 统一建模语言田n 添e 畦m o d e l n gl a n g u a g e ，0 fu m l ) 是一静软侔建模语 言，1 9 9 7 年被0 m g 组织定为标准，是实现软件工程和软件设计自动化的基础 拉3 l 。 2 l 北京交通人学硕士学位论文 模型是对事物的一种抽象。人们在建造实物之前，首先建立一个简化的 模型，以便更透彻地了解它的本质，抓住问题的要害。在模型中，人们总是 剔除那些与问题无关的、非本质的东西，从而使模型与真实的实体相比更加 简单明了、易于把握。 u m l 采用的是一种图形表示法，是一种可视化的图形建模语言。该语 言定义良好，易于表达，功能强大，且适用普遍。它溶入了软件工程领域的 新思想、新方法和新技术，不仅可以支持面向对象的分析与设计，更重要的 是能够有力地支持从需求分析开始的软件开发的全过程。 u m l 为人们提供了从不同的角度去观察和展示系统的各种特征的一种 标准方法。在u m l 中，从任何一个角度对系统所作的抽象都可能需要用几 种模型图来描述，而这些来自不同角度的模型图最终组成了系统的完整图像 瑚j 。u m l 语言提供了模型管理视图，用以描述系统各种模型之间的关系。 通过模型管理视图提供的机制，系统设计者可以将各个模型元素有机地分解 为各个不同层次的包，从而从不同的层次角度对系统模型间的关系进行描 述，极大地提高了系统设计的可读性和可维护性。相反，由开发人员手工地 绘制这些视图，不仅非常烦琐，而且很难保证不同视图之间的一致性。因此 u m l 的支持环境在实际的软件开发中是必不可少的。 u m l 设计了扩展机制，这使它很容易适应某些特定的方法。譬如，在 对实时系统的建模分析中，可以使用u m l 提供的版类s t e r e o t y p e 标签值 t a g g e dv a i u e 和约束c o n s t r a _ n t 三种扩展机制，提供表示并发、通信、同步、 时间等的版类、标签、约束等表达符号。 3 1 2u m l 在现代软件工程中的重要作用 使用u m n 荭行建模过程是：首先从功能需求出发建立用案模型，得到系 统的功能；其次对用案模型和功能需求进行分析，得到系统的整个结构，即 建立静态模型；然后将整个系统要完成的功能在类之间进行分配，得到个各 北京交通大学硕十学位论文 个对象的责任，即类的操作；再建立系统的动态模型，描述各个对象是如何 完成这些功能的；最后是检查模型之间的一致性。实际上，u m l 作用域不只 限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析丌始的软件开发的全过 程，从需求分析到系统完成之后的测试都可以有相应的具体方案与之对应。 由于u m l 建模过程具有正向功能和反向功能的特性，可以实现模型与代码之 间的相互转化：当完成一次原型系统的开发后，如果对原型系统不满意，可 以通过程序代码返回分析设计阶段进行修改和调整，快速实现模型的再应 用，有利于软件的复用与逆向工程。 归纳地说，u m l 的建模过程为初始阶段一细化阶段一构造阶段一移交阶 段，它与软件工程的生存期可以有如图5 所示的映射关系。 柄髂魏擘卜纲化懿数构选黔段硝交输毁 图5 软件生存期与u m l 的映射关系 综上所述，u m l 是一种建模语言，它本身并不包括对过程的描述。因此， 必须通过某种语言转换为可执行的程序代码。无论采用何种过程都可以用 u m l 来记录最终的分析和结果。应用实践表明，u m l 是一种优秀的建模语 言，它适用于大型的复杂而需求不明确的应用系统，借助u m l 开发工具，根 据软件工程设计原则，对系统进行快速准确的分析和设计，并扩展到测试与 维护阶段，解决了长久以来困扰软件工程师进行系统性地开发软件的问题 【2 卯 嚣塞交逐丈举蟥士学位赴空 3 2 基于硐垤l 的大纛快辘3 号线a t p 车载系统分析及麓摸 大连市快速轨道交通三三号线从大连站至金石滩淤共计1 4 个车站，全长 4 6 公里，为圭| 鏊蠢、隧遘霜赢架缰台方式。正线采弼w g 一2 l a 移狻茏绝缘鞔 道电路，固定闭塞方式，地面至列车信息传输采用移频方式。该系统满足列 攀最高运行速度为1 0 0 公擞，j 、时的运行安全控制。其中，a r p 系统莱用由北 窳交通大学逡输自动纯掰蠢主磅涮酶聪f 1 型弼攀越速防护系统。 3 2 1 总体功熊分析 l c f - l o o 凝a t p 系统采用分级( 台阶式) 速度控制方式。其车载设备是该 a t p 系统中的个重要组成部分，主要包括主机箱内的电源模块、机车信号 模块、羲入模块、输出模块、记录和显示模块，越及夕 嚣部锌鹃测逡抟惑器、 a t p 接收天线等。该车载设备采用双机热备的冗余容锚结构来保诞系统的安 全可靠性。l - c f 1 0 0 型a t p 系统车载设铸艇有以下功能模块： 主辍楚璞模块 a t p 监督功能模块一负责保证列车远行安全 测速测躐功能模块一提供列车位置和速度 车载接收凌毙模块一接莰建嚣虢遁魄鼹售恩 a d u 功能模块一提供信号设备与司机的接口 记录功能 萁楚功旋 其中，主机处理模块鼹整个a r p 车载设备的核心，它的任务怒实时检测 列车的实际速度和允许速鹰，并根据列车运行状态控制系统的制动、缓解状 态。吴葵完袋戮下死凄楚臻往务： 通过独立的通信模块完成系统的信息交换、管理： 完成两个c p u 间相互梭测，达到相互监督的目的； 冀京燮透大擎预圭学位论文 完戒鼹三遥运濑速任务，逶过遥信模块搂滚胰记录缓键送戆是一嬉速 度信息，由主机比较，然后按照“高位优先”的原则输出速度信息； 完成设备熬辩溺没鼹粒轮径矜髅处理。 3 2 2l c n l 0 旺型a t p 章载系统需求分析 勰p 系统龟瑟逮溪凌釜窝车载设器。遣嚣设备主要是鞔遂奄龉。车载设 备由缝丽信息接收部分、测速部分、速度比较撩蒲i 部分等组戚。车载设备的 需求是： 当列车实际运孬速度超逑矗卯蕊霆夔辫割薅凄簿，蠡动实魏紧急裁动； 列车运行实际逮菠接近a t p 规定的限帝4 速魔时，音响并警告：司祝减速， 如未熊减速时，自动启动常用制潮使列车减道 裂车释芷露移凄对紧急赣穗； 轮饪磨损进行自韵补偿； 故障自诊断及告警，运行状态记娥。 露6 为茁露系统镬况器，一共奄鼹令参与卷，黉稳( 斑l v e f ，拿轮诗辍 器( s h 脯) ，a t p 处理系统( a t 【p ) 和机车信号( l 0 c o m o t i v os i 蛐a 1 ) 。 图6a t p 系统用况图 北京交通大学硕上学位论文 3 2 3 系统的工作流程 a t p 车载设备通过安装在列车底部得接收天线接收地面发送给列车得 行车控制命令和线路信息，接收到得信息经地面信息单元译码、处理，然后 传送给主机处理单元。主机单元实时计算列车得运行速度，并将从速度传感 器测量得列车实际速度与列车允许速度进行比较，当列车实际速度接近地面 传送的允许速度，车载设备通过司机台上显示给出报警指示；当列车速度超 过允许速度时，主机处理单元则给出制动命令，通过控制输出接口单元东芝 列车制动机实施制动，使列车降低运行速度或停车，从而确保列车的行车安 全。为提高设备的实用性和可维护性，并且为可能出现的事故提供分析的依 据，a t p 车载系统还备有运行记录模块。 综上所述，可得出l c f 1 0 0 型a t p 系统中各子系统的关系图如图7 所示。 d r & 8 d d s u b s m a t p p a c k 鹎e c _ o m c v l m a t p p m m s i g l l a i s 山8 灿m is 岬协m 侧n br a k e s 山s 巾m 图7a t p 系统结构关系图 a t p 车载设备的速度监督与控制是基于微处理器完成的。一方面，它对 来自2 个速度传感器的信息进行安全处理和轮径补偿，形成一个实际速度； 另一方面，通过a t p 接收天线接收从轨道电路发来的a t p 速度命令或驾驶模 式给出的允许速度。经比较，当列车速度接近允许速度时向司机报警，提醒 减速，如未减速或操作不当，列车超过最大允许速度时，实施常用制动，使 列车实际速度降至规定速度以下。若在一定的时间内减速度小于规定的减速 2 、专 s 一 北京交通大学硕十学位论文 度，则实施紧急制动直至停车。 a t p 车载设备制动输出模块控制一个常用制动继电器、一个紧急制动继 电器和一个零速继电器。常用制动继电器经常处于失磁状态，一旦列车实际 速度超过允许速度即励磁，列车实施常用制动。紧急制动继电器经常处于励 磁状态，一旦车载发出紧急命令即失磁，列车实施紧急制动。当a t p 车载设 备故障时，切断安全输出电源，引起紧急制动直至停车。 为了更好地描述该系统中各个对象之间的消息传递关系及其控制逻辑， 经分析得出a t p 系统协作图和a t p 系统的控制流程图，如下图8 、图9 所示。 ：栅l g m 5 ：碱b 柏 迅 ：e 嘴旧 6 ：b m k e 燃 噌舻r ：响忡u 1 2 b 每、9 ：c o n “io 、 、 v b ：溢、 l ， 、 f 。”嚣产：咖南蕊选。 ：d r 1 3 ：c o m m 由b 曙k e 7。 1 1 一万 、。8 咋叭4 ：埘蜊，7 1 1 ：”忡 o 。 三螋蛆 、_ l 一 一“t p 1 0 ：o u l t 3 ：m o 幽，2 ：著目m l 。：s i 口n a 唧堪 i ：m 0 d e b l l 【0 n ： 图8a t p 系统协作图 托寰交运丈学颟士学短键文 图9a 1 1 p 系统的控制流程图 该车载设番可以选择烈孝中驾驶模式，邸限制人工驾驶模式( 镝称r m 模 式) 、j 限露入工驾驶模式( 包括正常菲隈露l 和紧急蒋袋制嚣释) ( 麓称e u 麓 模式) 、编码人工驾驶模式( 简称c m 模式) 和自动驾驶模式( 简称 t o 模 式) 。列车驾驶模式的状惫躅( u m l ) 如图l o 所示。 蔻京交建大学孬 学链论文 圈1 0 列车驾驶模式的状态图 其中，勰r o 为空档位，e u m 代表驾驶模式为e u m ，r m 代液r m 模式， c m 代表c m 模式。驾驶横式的切换条件完全按照斛p 设计规范确定。设备上 龟蓐，褥嚣l 掇手耩救在“紧急”位，列车速痉为零遮( 速凄低予3 l 【m m ) ，可 建立r m 模式。r m 模式下，如果能骖按收至i 地面信息，可以将模斌转换为c m 模式。e u m 为切除a r p 率载设备驾驶模式，由司机操纵列车并由词机保证列 车运行安全。 3 3 三模冗余结构的a ，r p 车载设备应用研究 盘予大涟抉鞔三号线行车蜜废较低，囊翅夔逡黥瓣隔鬟羝为4 分镑，最 高行车速度不超过1 0 0 妇l l l ，a t p 车载设备主机处理单元采用采用双套系统 构成热各冗余容错结构，提高可靠性和安全性，每粪主机之间进行关键信息 检查，囊予彼噩乏知遂霹方翁设冬装态。该结稳基零上笺够满是系统安全缝要 求。但是从信号系统安众技术的发展和国外先进的a t p 系统来看，高可靠、 高安全性冗余结构一三模冗余结构( t m r ，t r i p l em o d u l a rr e d u n d a n c v ) 是 来来发震豹憝势。蘩蠢本瓣期陀系绞车载设备齑德鞫豹l z b 8 0 翅系统车载 设备均采用了三模冗余结构。 三模冗余结构系统的基本原理是三个模块同时执行一样的掇 乍，以多数 北京交通大学硕土学位论文 相同的输出作为该表决系统的正确输出，通常称为三取二，这是基于“少数 服从多数”的纠错原理。 采用该结构的设备不仅有较高的可靠性，而且有很高的安全性。对于计 算机这种非故障安全的设备，设备故障( 包括软、硬件故障) 可能错误输出。 而三取二冗余结构不出现两个性质完全相同的错误，就能保证系统正确。而 出现两种同样性质错误的概率是非常小的。对于安全性输出通过故障安全电 路和故障一安全比较器可以保证系统的故障安全性。 因此，为了提高a r p 车载设备的可靠性、安全性，在本课题的研究过程 中，作者采用三模冗余结构的a t p 车载设备代替双机热各a t p 车载设备来提 高系统的可靠性，其功能框图如图1 1 所示。 输 出 图1 1a t p 车载设备的三模冗余功能框图 列车a t p 车载设备主机包括如下功能模块：主机板( a 、b 、c ) ，输入 板、输出板、速度板、通信板和电源板( a 、b 、c ) 。 主机板功能模块包括： 双路冗余o n 总线、通信速率为8 0 0 k b p s 输入到m c 6 8 3 3 2 t p u 的6 路速度脉冲 与报文信息译解板接口用的双口r a m 压力等模拟信号a d 转换器 对报文信息模拟信号进行放大的模拟电路 3 n l l 京交逶犬掌硬学短逾文 输入板主要完成开关蹩的隔离输入和模拟量的隔离放大。输出板完成来 自3 块主机板的输出命令的表决，并究成对表决电路的监督，通过总线将监 督绩号分别遴给主辊扳。速度叛完成6 路速度豹隔藏敷丈、于扰滤除、整形 的功能，并分涮提供给3 映主机板，速度板还向主枧板提供三重冗余的时钟 嗣步校正信母。3 块电源檄为整个“三取二”系统提供电源【2 。 辜载设舔圭枧巍艘车载设鍪熬核心，它受赛接毂竣入信息、测量戮车 运行速度及剐车走行距离、计算最大限制速度、实时监控列车运静速度，并 在列车超遮时通过输出板输出安全制动命令，驱动a 1 甲继电器箱的安全继电 器控潮到车蜜楚裁动。在零潆题魏研究设诗中采蠲浆3 2 寝c p um 8 3 3 2 的主要特点：功能强、运髯速度快、鼹有自我保护功能、定时器处理单元 t p u ( 专门用于进行定时控制的半独立微处理器) 采用t p u 测速能够有效提 麓溺速魏耱发，实瑷多遥逶密l 速，提褰溅速系统熬霹嚣蛙；支持怒缓语言开 发。结合m c6 8 3 3 2 的特点可以确定，m c 6 8 3 3 2 作为成用于工业控制的微处 理器，满足列车超速防护车载设备对处理器的各项要求【l j 。 3 | 基于薹t l l a p s o d y 实时框架技术的三模容佘结梅期限率载设备 设计分析 3 1 1r h a p s o d y 实时框架技术简介 由于本溅题爵究的埘p 系统车载设餐是一个硬实瓣系统，虽然u m l 对 软件系统建横非常合适，倦是它对于安时系统某些方蕊缺少支持，譬如，对 实时系统所按有的时间约束、信号和独立组件等不能提供相应的语义和符号 来攒述积表遮矧。当蓊基予u m l 的实瓣系统建摸王舆主要有r 越i 雠毽l 公司 的r o s er e a l 稍m e 、l 一王o g i x 公司的确a p s o d y 、t e l e l o g i c 公司的_ i 飘g 2 以及 a r r n s a n 公词的r e a l t i m es t u d i o 。 根据第二警辑舟绍静关予e o t s 产鼹鹣选择方法，偻考通过对叹主这死 3 l 冀衷交运丈举颓士学篷论文 种常见的叁予u m l 的实辩嵌入式软讳开发环境静主要技术指标、性能、先 进程度等进行比较，最终选择美国1 l o 西x 公司基于纯u m l 的实时嵌入式系 统软件开发黟璜r h 砷s o d y 传为本课题的恁谚究实时系统豹建模王舆。 美国l ，轴鐾i x 公司是圈筒难一解决了在实对系统中完全运用u m l 语言 的公司，其相袋产品r h a p s o d y 在业界享有盛誉。n a s a 的火星探路者航天器 就是运用融a 黔翻y 在弧w o 哦s 上开发疲翅程序豹。 r h a p s o d y 是基于u m l 的面向嵌入式实时应用软件的集成可视化开发环 境，软件开发者可以在这个环境里进行分析、设计、实现和验证。r h a p s o d y 基于u m l 及u m l 实时扩簇熬有关援念实理了一个专门为实孵袋入式应用 设计的可执行框架，基予这个框架实现了根据状态图、活动图、淡圈等的自 勘代码生成功能，可以产生基于v x w b r k s 等多种操作系统的c 语言、“+ 港言、j a v a 添言熬源程彦 2 s 。 r h a p s o d y 实时框架包含瞪个主要部分，如图1 2 所示。 图1 2 r h a p s o d y 实时框架结构 对象魏行摇桀提供溅l 模型获行斡蒸奉结稼，管壤线程，获态撬鸵执行。 对象间关联模式管理对象间的一对多、多对多关系。抽象操作系统与框架自 身和实时操作系统无关，便予框架的移植。动画调试撰架可以使用户进行基 北京交通大学硕士学位论文 于模型的调试，如基于状态图的断点设置、捕捉不同对象间消息映射等等【2 9 】。 另外，r h a p s o d y 使得系统设计师和软件开发工程师可以在统一的可视化 环境中使用标准的图形化的表示方法对客户需求进行分析和建模。高度直观 和高度关联的图形化用户接口极大方便了用户的使用。u m l 与直观的图形用 户接口的结合可使得项目无风险地快速启动。在r h a p s o d y 中，用例是进行功 能需求分析的主要手段，而非功能性方面的需求，即某种功能被实现的程度， 它可以通过u m l 中的对象约束语言轻松实现。因此，系统和软件工程师可以 准确的捕获系统的需求，从而驱动模型的实现。用例和它们对应的行为可以 通过其它的图来进一步细化，这些图有顺序图、协作图、状态图和活动图。 r h a p s o d y 允许工程师在白板方式下应用这些图描述系统结构，而不用涉及细 节，从而使系统和开发工程师在开发过程中的每一步都能自由和充分的表达 自己的想法。 3 4 2 根据需求分析建立用例图 用例在需求提出和分析中用来表示系统的功能。用例从外部的角度关注 系统的行为。一个用例描述系统提供的一个功能，而系统对执行者产生一个 可见的结果。这里所说的执行者代表的是与系统交互的任意实体( 例如：用 户、其他系统、系统的物理环境) 。用例和执行者的识别产生了系统界限的 定义，执行者处在系统界限的外围，而用例处在系统界限的内部1 3 0 j 。图1 3 从 用户的观点描述了整个2 0 0 3 结构的a t p 车载系统的功能。 北衷交通大学硕士学位涎文 图1 3a t po n b o a r ds y s l e m f o r u s e c 鹊ev j 甘w ) 轶塑1 3 可班看出，期曙率薮设备为熬个 即系统的挨心，它受责接收输a 信息、测量列车运行速度及列车走行距离、计算最大限制速度、实时监控列 车运行速度，并在列车超速时通过输出扳输出安余制动命令，驱动戌r p 系统 露动装矍控翻列车实施翻动。 用例图提供开发者确认需求使用，并为下一步开发打下基础。 3 4 3 疆序隧瓣建立 顺序图既用束形式化系统的行为，也用来可视化对象间的通信。它们对 泌测用例中的附加对象搬霄用。如图1 4 所示顺序图表示发生在率研究系统对 象悯酶颓净逻辑。 北京交通大学硕士学位论文 厂葡训面甜l t p 3 v 2 广酥 i c c l | h - 一r m ；u m | l j 照蛾一 l + d ：鬻m 撇强娑 么、 ， ， 笋父 2 t h 口p 0 蝤! 她! ! ! 哟， 瓣絮荔 鬣；徽 荔广、一 鬻糯： ；“”叫l = 御m # y o 雾 l ， 蛳n e 。 彭么 刍剌擎篷瞳蛔琏竞f 键夕 蹬艘热4 摩时，机蛙崔t i 吁 h e m 岫 好擞$ 嘲瘴 ，恿过盎7 i 一， 女龋擞凄。蕾置束芝9 ，z 女【动拂盛蝽 融，世， t v 日r * c | n * b 自l 麓陆把旌椭基靡盎停z 茬_ 咿_ l 壮并，0 车盎童。 n c c e i er 糊 3 4 4 状态图的建立 图1 4顺序图 如图1 5 是a r p 车载设备牵引模型的u m 呶态图，e m p t y 是空档位，s e v i c e b r a k e 是常用制动，a c c e l e r a t o r 是牵引位，e m e r b r a i 【e 是紧急制动。 在列车启动之前，手柄位于紧急制动位，紧急制动解除( e m p t y ) 之后，列 车可以开始运行，进入牵引前进或是制动状态。无论处于何种状态，要进入 牵引状态( a c c e l e r a t o r ) ，必须的条件是列车当前速度( v ) 小于限制速度( l ) 。 当列车速度超过最高限制速度后，实施紧急制动( e m e r b r a l 【e ) 。 北京交通大学硕士学位