（控制理论与控制工程专业论文）轨道交通综合监控软件平台的研究与设计.pdf

， a b s t r a c t r a i lt r a f f i c i nc h i n ah a sd e v e l o p e dn e a r l y4 0y e a r s ，f r o mt h ee a r l i e s td a y so ft h e b e i j i n gs u b w a yl i n et ot h ep r e s e n t ，m o r et h a nad o z e nc i t i e sn a t i o n w i d ea l m o s t3 0m o r e t h a n6 0 0 0k i l o m e t e r so fr a i ll i n e sh a v eb ec o n s t r u c t e da n du s e d f o ri t sg r e a ta d v a n t a g e s ， r a i lt r a n s i tb e c o m et h em o s t i m p o r t a n tw a yo ft r a n s p o r ti nt h ed o m e s t i ca n dt h e i n t e m a t i o n a lc o m m u n i t y n o w , s u b w a ya n d l i g h tr a i lr e p r e s e n t e db yt h ed e v e l o p m e n to fa m o d e r nu r b a nt r a n s p o r t a t i o nh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n t s y m b o lo fm o d e r n i z a t i o n t h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fs u b w a yi s v e r ys p e c i a l an u m b e ro fe l e c t r i c a l e q u i p m e n t sw h i c hh a v ec o m p l e xc o n t r o lr e q u i r e m e n t sa r ew i d e l yd i s t r i b u t e di nab a d e n v i r o n m e n t s o ，w em o s t l yn e e da ni n t e g r a t e ds u p e r v i s i o nc o n t r o ls y s t e l nw h i c hi su s e d f o ra ni n t e g r a t e dm o n i t o ra n dc o n t r o lt h e o p e r a t i o no fa l le q u i p m e n t au n i f i e ds y s t e m s o f t w a r ep l a t f o r mw i l lb et h ev a r i o u ss u b u r b a nr a i lt r a n s p o r ts y n t h e s i so f t h ei n f o r m a t i o n t o g e t h e r i tn o to n l yc a ni m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o na n do p e r a t i o n a lm a i n t e n a n c eo f t h e e f f i c i e n c yb u ta l s or e p r e s e n t st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fl o c a l t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t i nt h i sp a p e r , im a k es o m eo ft h ec o n c e p t sd e s c r i b e do f r a i l t r a n s p o r t si n t e g r a t e d m o n i t o r i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，a n dm a k eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n dt h el e v e lw h i c hs h o w st h ei m p o r t a n tr o l ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h ei n t e g r a t e d m o n i t o r i n gs y s t e mi nr a i lt r a n s i tc o n s t r u c t i o n s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ef u n a i o nm o d u l e p a r t i t i o no fm o n i t o r i n gs y s t e m ，id e s c r i b e dh m ig r a p h i c a li n t e r f a c e ，r e a l t i m ed a t a b a s e s y s t e m s ，a n do t h e rf u n c t i o n a lm o d u l ei nd e t a i l u s i n gm i c r o s o f t sv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，u m lm o d e l i n gl a n g u a g ea n do b j e c t - o r i e n t e dv i s u a l i z a t i o nc 撑 l a n g u a g e ，ic o m p l e t e dt h em o d e lb u i l d i n ga n dp r o g r a m m i n go fh m ig r a p h i c a li n t e r f a c e s y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h em a i nt h e s i sw o r ka n dt h es h o r t c o m i n g so ft h e i n t e g r a t e dm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n dm a k e sas i m p l ea n a l y s i so ff u n c t i o n a lm o d u l e sn e e dt o b ef u r t h e ri m p r o v e d k e yw o r d s ：r a i lt r a n s i t ；i n t e g r a t e ds u p e r v i s i o nc o n t r o ls y s t e m ；g r a p h i ci n t e r f a c e ； 0 b j e c t - o r i e n t e d ；r e a l - t i m ed a t a b a s e 11j-_， j一 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景及意义l 1 2 轨道交通综合监控系统的国内外发展现状l 1 3 课题研究内容和拟解决的主要问题2 第二章轨道交通综合监控系统软件平台总体架构3 2 1 系统功能及结构3 2 2 系统设计原则5 2 3 系统的数据流图6 2 4 丌发环境的选择7 2 5 图形界面系统概述8 第三章图形界面系统建模。9 3 1 图形界面系统设计思想9 3 2 图形界面系统建模10 3 2 1 系统对象模型的建立一1l 3 2 2 系统动态模型建立1 4 3 2 3 系统功能模型建立一1 6 第四章图形界面系统模型的编程实现1 9 4 1 图元对象模型实现1 9 4 1 1 基本图元类的实现一1 9 4 1 2 功能图元类的实现2 5 4 2 图元动画模型的实现。3 0 4 2 1 动画连接类的实现3 0 4 2 2 动画类型类的实现3 3 4 2 3 动画运行类的实现一3 6 4 3 图形操作工具模型实现3 8 4 4 图形界面系统的功能模型的实现4 0 4 4 1 系统对图元操作用例模型的实现一4 0 4 4 2 工程画面存储与管理功能的实现4 l 4 4 3 脚本功能的实现4 3 4 5 图形界面系统与其他模块的关联j 4 4 4 6 图形界面系统的模拟测试：4 5 4 6 1 图元动画测试一4 5 4 6 2 系统丌发环境测试4 6 4 6 3 系统运行环境测试一4 7 第五章软件平台其他关键技术分析5 1 5 1 轨道交通s c a d a 系统特点分析5l 5 2 数据库技术5l 5 2 1 实时数据库技术5 l 5 2 2 数据库访问编程接口技术5 4 5 3 负载均衡技术5 6 5 4 事件驱动技术5 6 5 5 时钟同步技术5 7 第六章总结与展望5 9 6 1 研究总结5 9 6 2 课题展望5 9 参考文献6 l 攻读学位期间的研究成果6 3 致谢。6 5 学位论文独创性声明6 7 学位论文知识产权权属声明6 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 城市轨道交通综合监控系统( i s c s ) 【i 】是以现代计算机技术、网络技术、自动 化技术和信息技术为基础，集成了多个地铁自动化专业子系统包括消防系统、乘客 信息系统、电力系统监控与数据采集系统、广播系统、屏蔽门系统、自动售检票系 统和闭路监控系统等【2 h 4 1 ，并在集成平台支持下对地铁各专业进行统一监控，实现 各专业系统的信息共享及系统之问的联动控制功能，从而提高运营效率，为实现城 市轨道交通现代化运营管理提供信息化基础。 i s c s 的主要目的是将各分散孤立的自动化系统联结为一个有机的整体，实现地 铁各专业系统之间的信息互通、资源共享和系统问的联动，提高地铁全线的整体自 动化水平，增强地铁对各种突发事件的应变能力和对各种灾害的抵御能力，建立与 城市轨道交通指挥中心的信息高速通道。i s c s 系统是实现城市地铁现代化管理必不 可少的，而s c a d a ( 数据采集与监控系统) 5 1 平台又是i s c s 中最为关键的组成部 分，利用s c a d a 平台通过实例化配置和编写工程脚本进行工程设计，完成轨道交 通综合监控系统的部分功能组态，主要满足轨道交通综合监控系统需求。 城市轨道交通综合监控系统工程差异很大，每个工程都存在特定的功能需求， 因此需要丌发一个综合监控系统软件平台，利用综合监控软件平台，我们就可以通 过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，通过简单的工程配置可 以支持系统规模的扩展，可解决长期以来控制工程人员缺乏计算机专业知识与计算 机专业人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾，可以极大地提高自动化工程 的工作效率，保障系统在进行“二次开发”时做到快速、可靠。 轨道交通综合监控系统作为轨道交通行业的最有竞争产品，综合监控系统的一 体化、智能化、规范化、集约化、信息化特性使其成为轨道交通机电系统中最关键 的环节之一，其所具备的面向调度、面向乘客、面向设备的特性使得其在地铁运营 管理中将会发挥着越来越重要的作用。 1 2 轨道交通综合监控系统的国内外发展现状 轨道交通s c a d a 平台是实现轨道交通综合监控系统的基础和核心，国内目前 仍没有很成熟的用于i s c s 的s c a d a 产品，关键技术只被少数几家国外公司所掌握， 如法国泰雷兹，澳大利亚西屋等。近几年，北京和利时、国电南瑞等国内的厂商依 托各自在自动化控制方面的技术积累，也开始进行轨道交通综合监控系统软件平台 的研发，但目前都处于起步阶段。 青岛人学硕十学位论文 和利时率先推出的轨道交通综合监控系统软件平台m a c s s c a d a 已经成功应 用到了北京城铁1 3 号线供电、环控及防灾报警综合监控系统和北京地铁1 0 号线( 含 奥运支线) 电力监控与环控系统。但在计算机软件、网络和通讯技术同新月异的今 天，用户要求越来越高，数据采集量及存储量巨大，m a c s s c a d a 系统在进一步 发展上存在瓶颈。南瑞主要是以澳大利亚西屋的r a i l s c a d a 作为i s c s 的核心参与 竞标，2 0 0 8 年推出了r t 2 1 i s c s 轨道交通综合监控系统软件v 1 1 ，成功应用在广州 地铁2 号线电力监控系统、北京地铁5 号线电力监控与环控集成系统、重庆地铁3 号线综合监控系统等。 泰雷兹集团公司的s c a d a s o f t 系统是一套应用于城市交通控制的通用软件，通 过功能强大的人机界面为操作人员提供全面的设备运营状态，使整个运营管理从原 先的面向事件的应急处理转向面向运营状态的全面管理，为提高整体运营水平创造 条件。此外还有西班牙泰尔文特的o a s y ss c a d a 系统、德国西门子的w i n c c 、 美国通用( g e ) 自动化的i f i x 等等都已经分别应用在多个工控领域。 1 3 课题研究内容和拟解决的主要问题 轨道交通s c a d a 平台是一个大型的分布式软件，由人机界面( h m i ) ，实时数 据库系统( r t d b ) ，数据采集系统( d a q p r o t o c o l s ) 构成，具有数据采集、存储、 操作、处理、应用、显示、打印、输出、安全、与第三方交换和第三方访问等功能 o 】。本课题的背景是以海信网络科技有限公司新项目h i s c a d a 为借鉴，主要采用 v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 平台和基于m i c r o s o t t 最新操作平台n e t 的设计时支持架构 ( d e s i g n t i m e a r c h i t e c t u r e ) 技术搭建并实现综合监控通用h m i 平台的建立。由于 时间和知识掌握的局限性，课题将侧重于h m i 平台的设计和实现，对于数据库和数 据采集平台只做适当的理论研究和局部实现。具体分为以下几部分： ( 1 ) 对完成课题所应用的工具软件和技术进行系统介绍，包括v i s u a ls t u d i o 2 0 0 8 开发平台、c 撑编程语言、g d i + 图形设计接口、平台开发所需建模思想、u m l 图形等做出说明并给出数据流图。 ( 2 ) 完成部分h m i 图形界面系统的设计和编程，具体包括对图元模型、动画 模型和操作工具模型的编程实现以及脚本语言、动画连接的实现技术，给出数据的 表示和存储方法、图形界面组态程序和运行程序的程序框架。 ( 3 ) 研究分析了轨道交通s c a d a 监控系统的特点和所用到的其他关键技术， 具体包括数据库技术、负载平衡技术、事件驱动技术、时钟同步技术等 ( 4 ) 完成h m i 图形界面系统的测试和各个系统单元的完善，通过模拟测试来 检测平台的运行情况。 2 第二章轨道交通综合监控系统软件平台总体架构 第二章轨道交通综合监控系统软件平台总体架构 2 1 系统功能及结构 综合监控系统软件平台是实现一个适应于轨道交通综合监控的大型分布式 s c a d a 软件平台，实现s c a d a 所必须的各种底层设施，包括面向对象的实时数据 库，通用h m i 、通信、命令系统、报警事件系统、日志系统、历史库、诊断、校时、 冗余和应用开发框架以及应用开发工具等【5 】，未来通过系统配置和应用开发可以扩 展到其他领域。利用此平台通过实例化配置和编写工程脚本进行工程设计，完成轨 道交通综合监控系统的功能组态和系统搭建，其结构大致由图形界面系统，数据库 系统( 包括实时数据库和历史数据库) ，数据采集系统( d a q p r o t o c o l s ) 三部分构 成，具有数据采集、存储、操作、处理、应用、显示、打印、输出、安全、与第三 方交换和第三方访问等功能。平台结构组成如图2 1 所示： 图2 1s c a d a 软件平台结构及组成 如果按照系统环境划分，软件平台又可分为图形系统开发环境和运行环境。 图形化开发环境是一个重要的目标系统生成工具，是自动化工程师一个最常用的监 测软件组件，所有在屏幕画面的操作都是在开发环境制作产生的。它按照操作系统 的图形标准，采用面向对象的图形方式为工程师提供了丰富且强大的图形编辑、动 画编辑和脚本编辑工具，设计和开发环境如图2 2 所示。图形运行环境是目标系统 3 l-7、- 青岛人学硕+ 学位论文 的运作环境。目标通过运行环境，以图形方式显示设备的数据和运行情况汜忆操作 条件，实现系统的监控功能。图形运行环境接受系统操作员的指令并发送到控制模 块，实现底部硬件等控制设备的控制功能。 在系统开发环境，工程师可以使用与各种功能部件系统构成不同图形画面，通 过配置各种参数，以形成一个完整的应用监控系统；然后提交编译开发环境文件配 置运行环境，形成人机交互界面。开发环境和运行环境共同构成了用户自己的监测 系统，它们之间的关系，如图2 3 所示。 图2 2 软件集成开发环境 r1 、 必甏帮谚 r、 开发环境组态生产运行环境解释执行 应用程序配置文件 l 图2 3 平台开发环境和运行环境关系 事实上，系统开发环境就是一个完整的配置工具，配置过程是用户在开发环境 中完成的，它是自动化工程师为控制轨道交通各子系统的设计实现所必须依靠的工 作环境。通过生成数据文件或配置文件以供目标运行环境编译使用。 在开发时，运行环境是独立运行的系统。运行环境本身不能运行，必须和配置 文件并作为一个整体才能构成一个目标应用系统。只要在配置完成后，运行环境可 以独立运行于计算机而脱离系统开发环境，然后在计算机内存中运行实时目标程序 u 引。当然，这个平台还需要支持在线配置文件技术，指的是在不退出开发环境条件 4 第二章轨道交通综合监控系统软件平台总体架构 下直接访问和修改开发环境的配置参数信息，并快速直接作用于开发环境【2 0 l 。 2 2 系统设计原则 由于地铁系统在地域上的分散性，具有子系统较多、监控的数据量大、采样速 度快、安全性能要求高等特点。在设计的原则上确保系统是具有以下特征的大型的 分布式s c a d a 系统。 ( 1 ) 先进性：使用目前先进的、成熟的、标准的通讯，网络和计算机软硬件技 术开放性。 ( 2 ) 开放性：产品设计标准化、模块化，以实时数据库为核心，具有良好的 开放式接口，并提供开放式应用软件开发平台，实现与通用的硬件，软件及数据接 口。 ( 3 ) 可靠性：成熟的，高可靠性的软硬件配置和冗余技术。 ( 4 ) 安全性：系统具有完善的硬件、软件及信息安全防范措施。 ( 5 ) 实用性：系统具备正常运行模式和紧急运行模式；具备完善、实用的各集 成互联系统联动功能；报警管理功能，报警可分级配置、可过滤；完善的历史数据 记录、分类、查询、转储、显示、统计分析等功能；便于组态、调试。 ( 6 ) 可扩展性：系统是可扩展的，能适应未来系统扩展的需要；应采用标准的、 开放的通信协议；软件和硬件采用模块化结构，可按需灵活配置。采用面向对象技 术，提高系统的可复用性。 ( 7 ) 可维护性：系统配置适当的测试点及诊断措施，具有自身设备( 如计算机、 网络设备、u p s 电源等) 的监视管理系统。 ( 8 ) 经济性：具有较高的性价比。 ( 9 ) 可实施性：项目提供完整的工厂验收和现场验收的测试文档和工具。充分 考虑地铁i s c s 系统的复杂性，系统各部分相对独立，在项目实施中分阶段进行调试 和开通。 5 一i i 青岛人学硕十学位论文 2 3 系统的数据流图 s o u n d li g h t t e x ta l a r mm m e s s a g e 图2 3 系统的数据流图 图2 3 为综合监控系统的数据流图，虚线框中表示的是图形界面子系统的数据 流图。 d a t af r o ms u b w a ya p pf o rd i s p l a y 是指由各个地铁应用程序发来的，需要通过 h m i 向用户显示的数据。 d a t af r o mh i s d b 需要通过h m i 向用户显示的各类历史数据。如：各种事件数 据、各种采集控制点数据。 c o n f i g u r a t i o nd a t af r o mr t d b 是指所有从实时数据库得来的组态数据或查询结 果将通过h m i 系统显示给用户。如：用户的组态数据、采集控制点的组态数据、 系统的组态数据。 c o n f i g u r a t i o nd a t at or t d b 是指h m i 系统将用户输入的组态数据存入实时数据 库。如：用户的所有数据、采集控制点的组态数据、数据采集所需的通讯协仪组态 数据等，以及系统的组态数据。 6 第二章轨道交通综合监控系统软件平台总体架构 c o n t r o lc m dt od a t aa c q u i s i t i o n 是指h m i 系统将用户输入的各种命令发往数据 采集系统。如：控制命令、数据采集命令、向r t u 发出的时钟同步命令等。 a u t hr e q u e s tt oa u t h p e r m i t 是指h m i 系统将所有用户的登陆或控制操作请求发 往用户权限系统。如：用户i d 及级别、登陆或操作工作站的权限等。 a p p r o v eo rr e j e c tf r o ma u t h p c r m i t 是指从用户权限系统反馈回来的有关用户对 系统进行登陆或操作请求的结果，并经由h m i 系统显示给用户。如：准许拒绝或其 它信息。 m e s s a g e a l a r mt oo p e r a t o r 是指s c a d a 系统通过h m i 向用户展示的各种声、光 或文字信息。如：各类报警信息、各类数据信息。 c o n f i g u r a t i o nf r o mo p e r a t o r 是指用户通过h m i 向s c a d a 系统输入的各种组态 数据。如：用户的所有数据、采集控制点的组态数据、数据采集所需的通讯协仪组 态数据等，以及系统的组态数据。 c o n t r o lc m df r o mo p e r a t o r 是指用户通过h m i 向s c a d a 系统输入的各种命令。 如：控制命令、数据采集命令、向r t u 发出的时钟同步命令等。 2 4 开发环境的选择 因为w i n d o w s 操作系统的稳定性、实时性和多任务处理性能比较好，其软件资 源也比较丰富，同时还支持多种i o 设备，图形界面直观标准，所以w i n d o w sx p 是 监控平台运行的理想环境，u n i x 和l i n u x 操作系统在稳定性、安全性和实时性多任 务性能上也很好，但是在界面上较微软的窗口系统还逊色，综合各方面考虑，采用 较为熟悉的w i n d o w sx p 系统为开发环境。 在设计开发监控平台时，选择合适的开发工具和语言也很重要，w i n d o w s 平台 下的v i s u a ls t u d i o 程序开发环境由于其软件设计的高智能型和对多种c o m 组件的 支持，及其可视化设计器使之成为最流行的软件开发工具，其集成的基于m i c r o s o i t 的n e t 平台具有更好的稳定性和扩展性。面向对象的编程语言如c | i 或c _ 阡可以使 程序能够比较直接地反映客观世界的本来存在面貌，且可以使软件研发人员能够运 用人类认识事物的最一般思维方法进行软件开发。在图形界面系统建模时，考虑采 用面向对象的方法。这样的系统模型如果在编程实现时也采用面向对象的编程语言， 将会大大降低程序员理解和实现系统模型的难度。针对图形系统的实现，论文采用 面向对象的编程方法，基于m i c r o s o f t n e t 平台技术，以v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 为开发 工具，以c 撑为编程语言，依据图形系统的模型，实现监控软件平台的图形界面系统 的基本功能。 7 青岛人学硕十学位论文 2 5 图形界面系统概述 图形界面系统( g u i ) 是监控系统与工程人员交互的最直接接口，是监控软件 系统的调度和控制中心，在自动化系统中发挥着重要作用。g u l 系统一般由两部分 组成：图形开发平台和图形运行平台【1 1 】。图形开发平台是目标系统生成工具，所有 图形画面都在开发平台上制作生成的，它按照用户操作系统的图形标准，利用面向 对象的图形技术，为客户提供丰富强大的图形编辑、动画和脚本编辑工具1 。 图形运行平台是目标系统投入运行后的平台环境。目标通过运行环境，以图形 方式显示设备的数据和运行条件状况，实现了系统监控功能。图形运行环境还可以 接收系统操作员的操作指令，并将操作员的指令发送到控制模块，实现底部硬件等 控制设备的控制功能【_ ”。 针对图形对象的建模问题，论文采用了面向对象的建模技术，借助u m l ( u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 建模语言【2 7 1 ，实现了图形系统的建模。论文在后面章节 中将具体介绍软件图形界面系统的设计与实现。 8 第二章图形界面系统建模 第三章图形界面系统建模 图形界面系统的作用就是通过最为直观的图形组件方式显示出工业现场的运行 情况。一个完整的监控系统就是通过一个或多个画面组成，同一个窗口可以表示一 个系统或者多个系统，画面可以表示一个运行车间、一副报表、一个报警窗或者一 个具体的设备，工程师正是通过组态这些个画面形成一个监控系统，而每个画面都 由不同的图元组成。 图元分为基本图元、组合图元、功能图元和w i n d o w s 控件【8 】，基本图元包括直 线、曲线、折线、弧线、圆、椭圆、多边形、扇形、矩形、切、按钮等，组合图元 是由基本图形组合产生的，功能图元包括显示报警的报警窗、实时趋势曲线、历史 趋势曲线、报表、仪表、时钟和开关等。这些功能图元在设计中应用了微软的g d i + 技术【9 l ，图3 1 中列出了温度计、实时曲线和仪表等一些典型的功能图元： 3 1 图形界面系统设计思想 图3 1 功能图元 图形界面主要用来设置画面、图元、变量、脚本、数据源、对象用户和系统级 参数，在设置对象的各种参数时都是包括添加、删除、修改、插入等其他操作，基 本图形编辑部分包括图形的移动、组合、缩放、旋转等操作。在内存中把窗口、图 元、数据源和用户对象以类作为记录类型，并把它们信息的一部分按照指定格式保 存到配置文件中( x m l 文件或i n i 格式) 。 图形界面的设计，是通过每个子系统的图形显示画面展现各子系统的监控画面。 画面主要有三种简单的对象组成：线( 直线，曲线，线，弧) 、封闭图形( 圆，椭圆， 多边形，扇形，长方形，切) 和文本。每个基本图形都有自己的可调特性，包括线 和封闭图形的填充颜色、高度、宽度、位置等。这些属性有动态的和静态之分，动 态属性是根据表达式的值改变而实时变化，就是根据工业现场的状态配置画面对象 的各种动画。 9 青岛人学硕十学位论文 另外，h m i 还应具备报警通知及响应、报表组态打印、历史数据查询和趋势显 示等功能。其中报警报表和趋势显示的变量都是动画要关联的对象，其数据源通过 组态来指定。这样每个子系统的画面都可以根据现场情况由技术人员来灵活组态设 计。为了扩充组念功能，h m i 中还提供一种脚本语言来灵活实现各种组态，脚本语 言程序可由事件驱动方式执行，它是与对象密切相关的。比如当按下某个按钮即可 执行某段脚本程序来完成特定控制功制1 0 l 。 控制功能组件以基于逻辑控制的组件( 也可称为软逻辑或软p l c ) 为代表，它 是监控软件的重要组成部分，虽然脚本语言程序能够完成一些控制功能，但毕竟不 是很直观，对于习惯使用梯形图或其它标准编程语言的自动化工程师来说，是很不 方便的，可以通过借鉴组念软件的组件功能来实现对现场的监控，而目前大多数组 态软件都提供了基于i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) l1 3 1 3 标准 的策略编辑生成控制组件，它是面向对象的且不唯一地由时问触发，可以像p l c 中的梯形图一样顺序周期地执行。控制功能组件在现场总线的控制系统中是大有可 为的，可以大幅度地减低成本i j 。 3 2 图形界面系统建模 模型是在构造某种事物前为了理解事物而做出对事物的一种抽象，是现实系统 的简化。建模就是对现实系统进行适当过滤，开发人员用适当的表现规则描绘出简 洁的模型。通过模型，人们可以了解所研究事物的本质，而且在形式上便于人们对 之进行分析和处理。u m l ( 统一建模语言) 是一种通用的建模语言，它已经获得了 工业界和学术界的广泛支持，目前已成为建模语言事实标准。 为了提高开发软件的稳定性、可维护性和可重用性，软件开发者们在实践中逐 渐创造出软件建模的一种新方法，即o m t ( o b j e c tm o d e l i n gt e c h n i q u e ，o m t ) 面 向对象建模方法。o m t 是一种面向对象的软件开发设计方法，这种方法对实际应用 的对象进行建模并利用这个模型去构造一种围绕那些对象且与程序语言无关的设 计。对象建模技术采用一组面向对象的概念和与程序语言无关的图形符号来统一表 达软件开发人员在分析、设计直到实现的整个软件开发过程中的分析设计。这样， 软件开发人员不必像采用其它方法那样，需要在每个开发阶段将一个阶段的表示符 号转换成另一个阶段的符号。o m t 采用三种模型来描述一个系统，这三种模型是： 对象模型、动态模型和功能模型。这三种模型从不同的但又密切相关的角度模拟目 标系统，它们分别从不同的侧面反映了系统的内容，综合起来则全面的反映了对目 标系统的需求。对任何复杂系统而言，三种模型都是必须的。而且在任何情况下， 对象模型都是最重要、最基本、最核心的【1 2 h 1 3 】。 l o 第三章图形界面系统建模 3 2 1 系统对象模型的建立 图形界面系统主要有三大对象组成：图元对象、动画对象、图形工具对象。三 类对象即相互联系又各自有着独立功能。借助面向对象方法的封装、继承和多态的 特点实现这三类对象模型的建立，这样的模型具有可重用性和可扩展性，图3 2 描 述了图元对象的静态类图关系，图中以g 开头代表的是类，以i 开头代表的是类要 实现的接1 2 1 ( i n t e r f a c e ) ，方向箭头代表继承关系： ql s u p o 曲m a l i 糟9 段r o i 【曲i e z g u i ( ) e r v i c l s u p p o r t b u f 。f e r t o r e n d e f。r , r o u p i 亭 蠹瘤o r e s 飞一碧自1 c t 錾 色 j b 目l x t c 瞄 ；嚣一 j ；溉：一覃蕊j 洄b ，夏 j r 、一一一一 n 、l ，l 单 ，孽国蓐1【麓1 e 巴1 墨 1 i f l l a b l l：薰ll 恤二l 恤 一警!毛1 i汹 飞 l 8 9 6 “。槲。l + tl +l o c b i h 黉雨p lg a _ 塌- p l 。 虐nk ，h k j j 嬲茹e 一 罕葺茜篇一串啤9 i 删u 龇 n 霸 f。嚣一l ( i i 乏ll暑霸 暮国】 ；帅l 图2 图元对象静态类图 从概念上讲类是具有相同特性和行为的对象集合，简单说来，“类”就 是一种类型的对象的表示形式，对象就是根据类这个模板，生成的所谓”实例”，就 是像用模子造零件一样，所有的对象都拥有和类一样的结构，但是对象里储存的数 据都是独立的互不干扰的。 从图中可以看到在这众多类中，类是所有类的基类且是抽象类，它不表 示具体的对象，而是定义了所有图元共有的属性和接口，其他类都是继承自此类。 类有三个子类：( 带有画笔的图元基类) 、( 组合图形 基类) 、( 位图基类) 。继承白类的有( 线类) 、 ( 弧类) 、( 文本类) 、( 封闭图形类) ，封闭图形类下分椭 圆、矩形、圆角矩形等类，弧类下分扇形、圆切封闭曲线等类，线类下分直线、折 线、曲线和不规则曲线等类。每个类都有自己要实现的或重写基类方法的接口功能， 比如位图类定义对位图的操作，并可以使系统载入由其他程序生成或其他 格式的位图文件；类实现文本的显示功能，包括静态文本和动态文本。静态 文本即以一定格式显示事先预置好的文本，动态文本即显示系统运行后实时数据文 本。组合图形类可以实现将多个基本图元组合成复杂图元。 在运行的过程中由于改变了图形的固有属性，比如：位置、填充色、边框色等 l l 青岛人学硕十学位论文 引起的图元在视觉上的变化称为动画连接，另外不改变图元的固有属性也能够产生 视觉上的变化( 较少) ，比如：百分比填充等，也同样称为动丽j 连接。由于被动改变 图元属性称为输出动画连接；由于主动改变图元属性称为输入动画连接。动画连接 就是把图元对象的属性与数据变量或表达式建立联系的关联过程。 在建立连接并运行系统时，图元对象就会根据数据变量或表达式的变化而变化。 其中数据变量的值和图元对象的属性基本是线性关联的。动画关联按照实现的动画 效果可以分为：鼠标操作相关动画、颜色变化动画、位置移动( 包括缩放旋转倾斜 流动等) 动画、数值输入输出显示动画。 动两动作连接定义 鼠标相关动作 颜色相关动作 旋转倾斜移动 数值输入显示 拖功卜i包抓乖 水甲眄个方向拖动 击动作和窗l l 盟爪 包括边线、文本，闪烁等颜色变化 债输入卜一 模拟最、离散最、字符串值输入 图3 3 动画连接分类图 动画对象模型描述的是图形开发环境中图元支持的所有动画的类关系图，动画 对象定义了图元对象是以何种方式动态反应监控设备运行情况，还定义了图元对象 要关联的数据源。动画对象模型静态类关系图如图3 4 所示： 图3 4 动画对象模型静态类图 动画对象模型可以抽象成九大类：a _ - j i f o ( 动画信息基类) ，a n i l n f o l i n e a r ( 线 性动画连接信息类) ，a n i i n f o n o n l i n e a r ( 非线性动画连接信息类) ，a n i i n f o i n p u t ( 输 入动画信息类) ，a n i i n f o o u t p u t ( 输出动画信息类) ，a n i l n f o f l o w ( 流动动画信息类) ， 1 2 一一一一一一黝一斛 第二章图形界面系统建模 a n i h f o r o t a t e ( 旋转动画信息类) ，a n i l n f o t e x t o u t p u t ( 文本动画连接信息类) ， a n i l n f o d i s c ( 离散动画信息类) ，还有很多继承基类的派生类由于过于繁琐没在图中 标出。其中a i n l n f o 是所有动画的基类，线性动画类又派生了线性流动类、线性缩 放类和线性百分比填充类；输入动画类派生了鼠标点击输入动画类、滑动输入动画 类、旋转输入动画类、文本输入动画类、图元属性输入动画类；输出动画类派生了 模拟值输出类、离散值输出类、同期时间输出类等。 在开发环境中经常需要对图元进行生成、编辑、移动、撤销等控制操作，这些 操作就需要建立图形操作工具对象模型。简而言之，图形工具对象就是把用代码实 现的图元编译成能在工程画面可视和可编辑的图元的编译工具。由于图元类型繁多， 每种图元都有着不同的属性和操作，这就使得操作工具也会很多，不过通过面向对 象的继承、封装和多态来实现建模可大大简化建模难度。图3 5 表示了图形工具对 象模型的类关系图： 誊= ? 汁 艺咽j 尹二白髫d 爸b 匝删篁 ：。h 。槲。幽。“ 一瓮：黧：螈。h 。，。酬“一。l ；a b 时n l dc i m 0 + b _ 打种i 锰j v m m i 删蔓 c 卅，y 错怕k c o 一 掣 cl*j鞋一1ja b , t r a r l g e r m u l l ：m i n i _ 0一毫 巯1 t a u 叫删一彗1c i ，|c m _ h t n c 喀州憎d h 厶一 b l t ，k 坪吖m - h ， “”瑚n 一j # h 脚嘲射脯c o m m n d 境 蹦细i c 眦甘c 一筻 c l h ，k 一箕= l 7 和h d 鲥k m m 一髫 lc i n s c i ，c l a n s k “ a b s t r a c t f g r m a t m e k_ - b t r d h 刖n _ t m 。+ a b s t r 一1 。- 一j j j fh o r l 垤m w c z m m m m l f # f l i p l u g 篇 c l “- k 一 ( 芝c b s s = 簦艺2 习 ：麓t r c t f 一 c l b t r 牡嵋冒m 一 b i t r d h n 啊晒4 伸一l 0 i t o o l t ， 墨h o h f o n m 雌蔓 k一neheightco跳classabstr一。广1 艺鼍 厂i 二d t o 升o n 憾固 c i 甜c k 、 b l t r * 蚌_ 件 - 。# + a b 。t r m 辱 _ 蠊- k ! 嬲a 3 r a c t l r a s - 弱h “；d k r a w r e c t t o o l 国j u s - s h , m , c o m _ 弱甜“| i l h n i 弱l i 细l f 啪i 一量 童o a l 一一暑l i “t r l c t a s 埘一 l a 器 b ，t | d f a t m 蠕4 一 h - l r “坪群m 删n l 0 。一l b n f * 球嘲_ 一i l，霉 0 k _j 图3 5 图形操作工具对象模型静态类图 图中设置了两个抽象基类，一个基类是t 0 0 l 类，派生了s e l e e t i o n t o o l 选择工具 类( 定义选中操作) 、