（计算机应用技术专业论文）机车交路系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 机车交路系统是全路列车运行图系统的三大系统之一，为全路列车 运行动力组织工作提供基础。随着我国铁路信息化水平的发展，为满足我 国铁路行业快速发展的需要，更大限度的发挥列车运行图编图系统的基础 性作用，以及充分利用计算机技术所带来的信息共享优势，建立一个以运 行图编国系统为基础的机车交路系统显得尤为迫切。 本文采用r u p ( r a t i o n a l u n i f i e dp r o c e s s ，r a t i o n a l 统一过程) 的软件开发 方式开发了一个机车交路系统。论文详细地阐述了如何采用r u p 方式来完 成整个系统的分析、设计以及实现；同时也介绍了机车交路系统的各功能 子系统和当前系统开发遇到的算法难点以及处理方法。系统采用r a t i o n a l r o s e i 具来建模，建立了包括用例图、类图、包图、j 顿序图以及数据库模 型图，最后采用了v c + + 完成了系统的编码实现。 论文组织如下：第一章主要介绍了当前国内对机车交路系统的研究和 应用现状，以及本论文的研究意义。第二章介绍了机车交路的一些理论基 础知识和算法难点，以及u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，统一建模语 言1 的相关知识。第三章结合u m l 建模技术完成了系统的需求分析，同时 介绍了系统总体方案的设计思路。第四章设计了系统的数据库和类，并采 用u m l 建立系统的类图、顺序图和包图以及采用r o s e 工具建立数据库 模型图。第五章介绍了系统开发中主要难点的解决方法，以及实现的相关 操作界面。最后总结全文，并指出论文所做工作以及系统需进一步改进之 处。 关键词：机车交路系统；系统分析与设计；u m l ：r u p ；r a t i o n a lr o s e ； v c + + 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t a so n eo ft h et h r e em a j o r s y s t e m s f o rt r a i no p e r a t i n g - d i a g r a m ，l o c o m o t i v e w o r k i n gs y s t e mo f f e r s b a s i cm o t i v ef o r c ef o ro r g a n i z a t i o nw o r ko ft r a i n o p e r a t i o n w i t ht h ee n h a n c e m e n to fr a i l w a yi n f o r m a t i o nl e v e lo fo u rc o u n t r y , i ti s u r g e n t t oc o n s t r u c tal o c o m o t i v e w o r k i n gs y s t e m b a s e do nt r a i n o p e r a t i n g - d i a g r a md r a w i n gs y s t e m ，t h u ss a t i s f y i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to f o u rr a i l w a yi n d u s t r y , b r i n g i n gt h et r a i no p e r a t i n g d i a g r a mi n t oaf u l lp l a ya n d m a x i m i z et h eu t i l i z a t i o no f c o m p u t e r i n f o r m a t i o ns h a r i n g t h i st h e s i s d e v e l o p s al o c o m o t i v es y s t e mb y a d o p t i n gr u pm e t h o d ( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s ) ，a n de x p l a i n si nd e t a i lh o w t or e a l i z et h ea n a l y s i s ， d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mw i t ht h eh e l po fr u em e a n w h i l e ， t h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e sv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h el o c o m o t i v e s y s t e m a sw e l la ss o m ea l g o r i t h m i cp r o b l e m sa r i s i n gf r o mt h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n dac o r r e s p o n d i n gm e t h o dt o s o l v et h e s ep r o b l e m s t h es y s t e m d e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，b ya d o p t i n gr a t i o n a lr o s et o o l ，d e s i g n sd i a g r a m s s u c h 船c a s ed i a g r a m ，c l a s sd i a g r a m ，s e q u e n c ed i a g r a m ，p a c k a g ed i a g r a ma n d d a t am o d e ld i a g r a m f i n a l l yi m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi s c o m p l e t e db y u s i n g v c + + t h et h e s i si s o r g a n i z e da sf o l l o w s ：c h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h ec u r r e n t s i t u a t i o no ft h ed o m e s t i cr e s e a r c ho nl o c o m o t i v ew o r k i n gs y s t e m ，a n dt h e s i g n i f i c a n c e s o ft h e p r e s e n ts t u d y c h a p t e r t w os e l v e sa sat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o r i n t r o d u c i n gl o c o m o t i v ew o r k i n gs y s t e ma n dc o r r e s p o n d i n g a r i t h m e t i c p r o b l e m s a sw e l la sb a s i c k n o w l e d g e a b o u t 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 ) c h a p t e rt h r e eg i v e sa l la n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n t so f t h es y s t e mb ya d o p t i n gu m l m o d e l i n gt e c h n o l o g y , a n da t t h es a m et i m e i n t r o d u c e sa l li d e ao f d e s i g n i n g t h eo v e r a l ls c h e m eo ft h es y s t e m c h a p t e rf o u r d e s i g n sad a t a b a s ea n dc l a s sf o rt h es y s t e m ；s e t su ps y s t e m a t i cc l a s sd i a g r a m ， s e q u e n c ed i a g r a m ，a n dp a c k a g ed i a g r a mb yu s i n gu m k a n dc o n s t r u c t sd a t a m o d e ld i a g r a mb y u s i n g r a t i o n a l r o s e c h a p t e r f i v ei n t r o d u c e sv a r i o u s m e t h o d st os o l v et h e p r o b l e m sa r i s i n g f r o m d e v e l o p i n gp r o c e s s a n dt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i n t e r f a c ed e m a n d e d b y t h e d e v e l o p i n gp r o c e d u r e s f i n a l l y , t h e t h e s i s c o n c l u d e sw i t has u m m a r yo ft h ew o r k s c o m p l e t e d i nt h i sp a p e ra n dw o r k st o b e c o m p l e t e d i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：l o c o m o t i v ew o r k i n gs y s t e m ；s y s t e m sa n a l y s i sa n dd e s i g n ； u m l ；r u p ；r a t i o n a lr o s e ；v c + + 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章序言 随着我国经济的快速发展，对铁路运输的需求也越来越大。虽然有了 这些年的发展，我国的铁路还是不能满足社会的需求。我国的“十五规划” 明确指出：要以信息化、网络化为基础，加快智能型交通的发展。 当前所有传统行业的发展都离不开行业的信息化，信息化给所有的传 统行业带来了新的发展机遇。铁路行业是我国的一个庞大的传统行业，要 加快我国经济发展的步伐离不开铁路行业的发展，而铁路行业的发展离不 开铁路信息化的发展。这几年我国铁路实施了五次提速，大大提高了我国 铁路行业的运输能力并且创造了巨大的经济效益，为我国的经济发展奠定 了基础。可以说铁路系统的每一次提速都离不开铁路信息系统的建设，而 计算机编制列车运行图又是其中非常重要的信息系统之一。 计算机编制列车运行图包括三个部分：列车运行图编制系统、机车 交路系统以及列车编图数据资料管理系统。 机车交路系统是计算机编制列车运行图三大系统之一，它与列车运 行图编制系统密不可分。是铁路运输信息化的一个重要组成部分。机车交 路图与列车运行图是铁路组织列车运行的基础性文件和铁路运输工作的 综合计划。列车运行图的编制质量，对于提高铁路运输效率，保证行车安 全，改善铁路技术设备运用，加速机车、车辆周转和旅客、货物送达，适 应运输市场需要都有重要的意义。而机车交路图是机务部门组织运输生产 活动的基础，是机车运用和维修计划的重要组成部分。规范、清晰的机车 交路图，对实施列车运行图，提高生产效率和机车运用效率，具有重要意 义。 1 2 国内外动态 在日本，由于铁路系统发展的比较早，而且铁路行业的相关技术比 较先进，他们对使用计算机编制列车运行图的研究进行的比较早。在日本 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 中央铁路公司的要求下，日本建立了一套计算机辅助计划和营运系统，利 用该系统的计算机辅助编图系统提供数据来控制所有列车的运行。同时该 系统又为其它系统提供基础数据，例如时刻表编制、机车车辆调度和人员 安排等其它系统。这些系统提供了易于使用、人机交互的界面，大大优化 了列车运营组织的计划安排。近几年来，日本在研究“人工智能”的基础 上进行列车运行图专家系统的开发，把人的判断能力和计算机的高速运行 能力结合起来，开发了列车运行图编制系统( d i a d s ) ，并在实际工作中得 到了应用。 原苏联、美国、英国、德国、加拿大、法国等西方国家也先后在计 算机编制列车运行图方面进行了研究并且也取得了一些成果。 我国铁路系统利用计算机编制机车周转图开始于八十年代初期，进入 九十年代后，全路的许多科研院校和铁路局都开展了比较广泛的研究工 作。先后在应用计算机编制单肩回、双肩回机车周转图方面进行了大量的 理论和实践上的探索，并取得了不少的成果。机车交路系统作为与列车运 行图编制系统密不可分的系统，虽然在近几年中先后有路局、科研机构和 相关公司进行了研制，取得了许多成果；积累了丰富的经验，逐渐形成了 可行的开发思路。但是在以往的开发过程中，受到各种情况的影响，开发 人员侧重了单个功能的开发，而没有考虑与运行圈系统结合作为一个完整 的系统来开发各系统都是采用不同平台不同开发工具迸行的，无法实现 信息的综合运用。而且由于没有同运行圈系统结合开发，不能共享运行图 的基础数据，在现场的使用情况并不理想，虽然比原来手工绘制的方法有 了很大改善，但是仍然摆脱不了大量人工参与操作，在某些复杂的情况下， 编图人员还是不得不采用手工绘制的方法。 铁道部每次组织全路统一编图的时间都比较紧张，编图工作人员在采 用当前现有的相关编图系统编图时，由于系统功能欠缺，比如车次时刻需 要人工输入( 而这些数据在运行图系统中可以通过相关信息的设定就能快 速提取) ，统计工作需要人工计算等。这些工作非常烦琐而且工作量很大， 但是现有系统又不能自动完成，因此编图员经常需要连续长时间加班，工 作强度很大。 编制运行图的工作人员编图时不能及时看到机车交路的情况，而编制 交路图的工作人员由于数据不能自动提取，大量数据需要手工输入到交路 编图系统中。因此对运行图的不合理之处不能快速指出，只能在机车交路 编图员编完交路图后才能将结果反馈给运行圈编图员，运行图编图员再重 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 新修改运行图。因此现行的列车运行图编制和机车交路图的编制工作完全 脱节，工作效率很低。 由于编图时间紧并且编制结果要在规定的时间提交，工作人员经常由 于严重疲劳而产生计算错误导致编出的交路图不符合要求。并且由于编制 的工作主要由人工来完成，交路图编制效果取决于编图员的编图经验和身 体状况，有一定的随机性，很难保证编图的质量，交路图的编制结果直接 影响到铁路部门的经济效益，不利于我国当前铁路行业的快速发展。 当前，由于列车运行图编制系统在铁路各部门已经广泛使用，结合列 车运行图编制系统开发新一代机车交路系统的时机也已经成熟。当前我国 铁路行业正随着我国经济发展进入一个快速发展的时期，列车运行图和机 车交路图需要经常变更。因此各铁路局以及相关铁路科研设计单位希望拥 有一个功能更为完善、使用更为方便、自动化和智能化程度更高的机车交 路系统软件，以满足当前快速发展的铁路事业。 1 3 本文的研究目标 本文的研究目标主要集中在以下几个方面； 第一，理解机车交路系统需要提供的功能，基于软件工程的方法将系 统分为几个部分。然后根据每部分的特点，给出系统的基本功能模块。 第二，采用u m l 建模机制和r u p 方法对机车交路系统进行系统分析、 设计与实现。重点在于系统的分析和设计上，充分展现采用面向对象的软 件工程方法开发面向对象应用软件的优势。 第三，实现机车交路图中使用的相关数据自动提取与生成，并生成相 应的图形。 第四，研究系统中需要使用的相关算法并且实现相关算法的设计。 第五，自动生成各种相关指标统计报表以及报表输出。 第六，数据上报与软件在线升级的实现。 1 4 本文主要工作和结构安排 本论文以机车交路系统为背景，综合运用u m l 、相关操作系统、数据 库、编程语言开发一个开放、可重用和可扩展的机车交路系统。在项目开 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 发过程中，本文作者主要负责系统的需求分析、概要设计、数据库设计、 详细设计以及相关的程序实现。研究这种系统的建模方法和实现方法，以 便使软件设计者设计和实现高质量的面向对象系统，从理论和实践两方面 对u m l 在软件系统建模方面的应用进行了研究。 在论文的研究过程中。一方面应用了u m l 的面向对象的分析和设计方 法，借助r a t i o n a lr o s e 作为辅助设计的工具，对机车交路系统进行了需 求收集、需求分析、系统设计，建立了系统相应的u m l 框图，从而建立了 系统的完整模型；并且依据设计的模型使用v c + + 6 o 作为开发工具完成了 系统的程序实现。 本文共分为五章。 第一章主要介绍当前国内对机车交路系统的研究和应用现状，以及当 前国内对机车交路系统的需求和本论文的研究意义。 第二章主要介绍论文相关的理论基础，包括机车交路的介绍、在铁路 运输系统中的作用、相关算法的介绍以及当前算法的难题；u m l 的语义、 语法、建模机制等相关内容的介绍。 第三章针对客户的需求进行分析，并结合u m l 建模技术建立系统的用 例图，同时介绍了设计系统总体方案设计的思路。 第四章设计系统的数据库和系统中使用的类，并且采用u m l 建模技术 建立系统的类图、包图和顺序图以及采用r o s e l 具建立数据库模型囤。 第五章介绍系统采用的开发工具，以及系统中的主要难点实现和相关 界面操作的实现。 最后是结束语，总结全文，并指出自己所做的工作以及系统还需要进 一步改进之处。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章涉及的基础知识 本章对论文中所涉及的基础理论知识作概要性介绍，包括机车交路、 机车交路类型、编制各种类型机车交路图的相关算法、当前算法的难点、 u m l 基本概念和建模机制的基础知识。它们都是本论文的基础。 2 1 机车交路概述 本节分两个部分对机车交路进行由浅入深的介绍。首先对机车交路进 行介绍，接着介绍机车交路在铁路运输系统中的重要作用。 2 1 1 机车交路的简介 机车交路是机车固定担当运输任务的周转区段。按用途分为客运机车 交路和货运机车交路；按区段分为一般机车交路和长交路；按机车运转制 分为循环运转制、半循环运转制、肩回式和环形小运转制交路等。 列车运行图和机车交路图是机务部门组织运输生产活动的基础。而机 车交路图是机车交路的核心部分。机车交路图分为：基本机车周转图、分 号机车周转图( 独立分号及一、二、三分号) 、旬间记名式机车周转图、 日计划机车周转图。基本机车周转图( 包括旅混、货物) 与列车运行图同 时编制。机车周转图编成后，应同时查定机车运转制、乘务员换班方式、 客( 货) 机车走行公里、使用台数、全周转时间( 包括纯运行、中间站停 留及机车在自外段、站停留时间) 、日车公里、旅行速度、技术速度、速 度系数、机车使用系数等技术指标，经铁道部批准，贯彻执行。 为了组织实现列车运行图和机车交路图，指挥日常机车运用工作，铁 道部、铁路局、铁路分局和机务段应分别设置机车调度室。机车调度工作 的基本任务是：正确编制日( 班) 计划机车周转图，并组织实施；与行车 调度员密切配合，组织均衡开车，保证各分界口盼机车供应；经济合理地 使用机车，提高机车运用效率；及时正确地处理日常运输生产工作中出现 的问题，维护安全正点：发生行车事故和重点列车运行晚点，要及时查明 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 情况，并逐级上报；正确填记各种表报和台帐；掌握回送机车动态及备用、 封存机车的加入与解除；加强与行车调度之间的联系，严格掌握机车乘务 员按规定时间换班，防止列车晚点和乘务员超劳；经常深入现场、添乘机 车、熟悉情况，不断提高工作能力和指挥水平。 该机车交路系统主要功能就是根据设定的机车交路，编制机车交路的 机车周转图，统计出相关的技术指标，并确保组织均衡开车，保证各分界 口的机车供应，提高机车运用效率，保证乘务员作业时间不会超劳。 2 1 2 机车交路在铁路运输系统中的作用 铁路系统是一个庞大的系统，是国家经济命脉。整个铁路系统的有序 进行需要运输调度系统的有序进行。 机车是整个铁路系统的动力提供者，而机车交路是机车实际运转的范 围、确定机车运转方式的基础。在机车交路基础上，编制出的机车周转图 则是机车调度执行系统的基础。因此，机车交路是铁路运输系统的基本元 素，每一个机车交路的有序合理安排才能保证整个铁路运输系统有序高效 地运转。 2 2 机车交路类型 机车交路按用途分为客运机车交路和货运机车交路；按区段分为一般 机车交路和长交路：按机车运转制分为循环运转制、半循环运转制、肩回 式和环形运转制等，其中肩回式又可l ；l 划分为单肩回和双肩回式。 日常的机车交路勾画时采用的划分方式按机车运转制来分，当前我国 铁路主要采用后三种运转制。 循环运转制是铁路中机车运转方式中最节约机车的方法，机车在驶出 机务段后可以不间断地牵引列车，只到累计完成一定里程的运输任务后才 返回到机务段进行检修。但是当前我国铁路的运行机车以及管理水平还没 有达到这种要求。 半循环运转制是指机车由机务本段向一个交路出发，经折返段( 点) 返回机务本段所在站时不入段整各( 可在车站进行补给燃料、水等作业) ， 继续向另一个交路运行，经第二个交路折返段，再返回机务本段所在站入 段整备的运转制“”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 肩回式运转制是机车在担当机务本段所在站两侧的两个区段上的列 车作业时，每次往返担当一个区段上的列车作业，机车回到本段所在站后， 与列车摘钩，并进入机务本段进行整备作业的运转制m 1 。 环形运转制是指机车从机务段出发，不需转头，在交路上运行两个或 两个以上折返后才入机务本段一次的运转制。这种运转制适用于距离短而 运量大的交路嘲。 各种机车运转制可以采用相关运行图示意图来表示。图2 - 1 、图2 2 、 图2 3 所示分别是单肩回式、双肩回式和半循环式机车运转方式的运行 图。 1 单肩回式 机务本段 折返段 2 双肩回式 折返段1 机务本段 折返段2 图2 一l 单肩回式 图2 - 2 双肩回式 说明：图2 - 1 与图2 - 2 之间的区别在于图2 - 2 中从折返段1 返回机务 本段的机车, - p a 往折返段1 也可以往返折返段2 开行，即图2 - 1 的机车只 在一个区段上运行，而图2 2 的机车可以在两个区段上运行。 3 半循环式 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 ，3 交路算法 2 3 1 概述 图2 - 3 半循环式 勾画机车交路是铁路机车调度工作最为重要的一步，也是最难的一 步。人工勾画机车交路的方法，往往是根据给定的列车到发时刻进行勾 画。对于工作经验丰富的人来说，在运行图成对并且运行线对数比较少的 情况下，勾画出的机车交路方案通常来说就是最优的方案。如果机车折返 时最大停留时间受到限制，以及在运行线对数比较多、运行图不成对、区 段内有多个折返点等复杂情况下，人工勾画就难以保证达到最优方案， 尤其在进行大量编制方案比较时，人工编制交路图就更显得力不从心，而 且当编图时间比较紧和编图人员比较疲劳时，编出的机车交路图质量就更 难保证了。 针对不同的交路类型和不同情况，当前研究人员微了大量的相关工 作，但是主要都是针对成对的单肩回和双肩回情况，并且已经有了成熟的 算法。而对于相对要复杂得多的不成对情况，首先要确定机车的附挂方案， 将机车配为成对后再采用成对算法处理，所以关键是确定机车的附挂方 案。附挂方案生成的好坏对交路勾画结果会产生一定影响。不过当前研究 人员已经研究了相关算法来解决这个问题，并且通过数学方法证明使用该 算法能够得到最优解。 半循环机车交路运转方式，当前还没有查阅到相关的资料来证明已经 解决该问题。半循环机车交路问题可以简化成如下描述： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 1 ) 交路中有三个车站； 2 ) 所有机车在每通过中间车站两次必须在中间车站进行检修； 3 ) 现有n 对列车车次需要机车来完成牵引任务； 4 ) 求如何安排机车的使用，使得每天需要使用的机车台数最少。 交路勾画过程中，关键是处理本段车站的机车交路勾画方案。由于前 面的勾画结果对后面的勾画有直接影响，因此要解决该问题第一步就需要 确定从中间车站的n 对列车中挑选哪个车次作为勾画起点，以及选定起点 后是先入段还是先直接牵引列车。从理论上来说，全搜索肯定能得到最优 解。但是考虑到搜索的次数，该搜索算法的时间复杂度为0 ( ( 2 n ) ! ) ，对于 这样复杂度的算法目前计算机还是不能解决的。举例来说：假如图中有1 5 对列车运行，在交路中这已经是属于比较少的对数了。可以计算时间复杂 度为3 0 l ，即l o ”次。假如计算机每秒执行速度为1 0 “次，每年约为4 千万 秒，即1 0 ”次年，也就是说完成1 0 ”次运算需要1 0 ”年。所以可以证明当 前全搜索算法是完全不适用的。但是如何才能使用计算机来解决实际生产 中的问题，这是我们目前需要解决的问题，本论文中根据现场工作人员目 前人工采用的方法总结了一些实际工作过程中的简化处理方法，并且结合 计算机的高速处理能力，设计了一些简化处理算法集来解决实际问题，通 过结合不同场合采用相应算法或采用多个算法计算比较得出最佳方案。该 算法勾画出的结果虽然不是最优但是从实际使用效果来看，基本上满足要 求。 全循环交路勾画的问题就更加复杂，由于目前国内还没有这样的机车 交路运转方式，所以对该问题的研究还处于问题的提出阶段，没有相关的 实际解决方案。随着我国高速铁路和城际轨道交通事业的发展，该问题也 迫切需要得到解决，由于当前系统还暂时不需要涉及这种运转方式的机车 交路，所以在此只是提出该问题，没有具体深入的讨论。 下面将介绍该系统中用到的相关算法。 2 3 2 成对的机车交路勾画算法 要使勾画出的机车交路为最优方案有两个要求：总机车消耗时间最少 和机车使用的均衡性。所谓均衡性就是所有投入使用机车的工作时间要基 本一致，要尽量避免出现有些机车运行时间很长而有些机车长时间地等待 牵引任务。总机车消耗时间最少就要求投入使用机车数台数最少。总机车 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 消耗时间由以下三部分组成，假设当前交路中有两个车站a 、b ： ( 1 ) 所有机车牵引列车在区段内运行时间t ，它等于列车运行图中所 有列车的旅行时问之和。 ( 2 ) 所有机车在基本段所在站a 的总停留时间t ：。 ( 3 ) 所有机车在折返段所在站b 的总停留时间t 3 。 由于列车在区段内运行时间t i 是固定的，因此要使总机车消耗时间最 少，就要使机车在所有车站机车总停留时间l 和t 3 最短，可以证明只要 机车的使用台数最少，停留时间t 2 加t 。之和就最小。现在算法研究对象 转移到如何通过计算使机车使用台数最少，即能使总机车消耗时间最少。 采用先到先发的原则就能使机车消耗时间最少，即先到达该车站机车优先 勾画出发车次，相关证明可以查阅文献 1 。均衡机车交路图的确定方法 如图2 - 4 、图2 - 5 、图2 - 6 所示，图中x 。，x 2 代表车站到达车次的到达 时刻，s ，s 。代表车站出发车次的出发时刻。到达车次、出发车次删除 方法：先找到第一个到达车次，假如紧挨的下一车次为出发车次则删除该 对车次，依此类推迭代运算，直至到达车次右边没有出发车次，剩余车次 中第一个到达车次即为均衡点，假如剩余车次数为0 ，则说明任意到达车 次都可以作为均衡点。最后从均衡点开始按规则勾画交路。 图2 4 列车运行图 s 1s 3x 3s 7s 8x 6x 8x 9 图2 - 5 第一次删除结果图 s ls 3s 8x 6x 8x 9 图2 - 6 第二次删除结果图 图2 7 结果图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 3 不成对机车交路处理算法 对于不成对机车交路图的解决方案，首先确定该交路的附挂方案，使 该交路变成成对后，再采用成对处理交路算法来处理，这样就能得到最优 的机车交路勾画方案。因此处理不成对机车交路的关键在于附挂方案的确 定。 当前，对于附挂方案的生成算法有两种思路，一种是把机车周转图问 题归结为网络流问题，再利用最小费用最大流算法来求解机车交路问题， 具体内容可以查阅文献 2 。另一种方法是采用线性配置算法来确定附挂 方案，可参考文献e 3 。 以上两种方法都能确定最佳的机车附挂方案，但是在实际使用过程中 由于机车交路的现场情况比较复杂而第二种解决方法适应能力比较强并 且计算机编程更加容易实现，因此本机车交路系统中采用第二种方法。文 献 3 中说明了该算法的可行性并且给出了具体的数学证明和该算法的时 间复杂度0 ( m + n ) 。它不仅从理论上解决了机车交路图配置这一优化问题， 而且在实际中即使由手工按此方法配置不成对列车运行图的机车交路图， 也非常简单而迅速，它特别适用于对大量列车运行图铺画方案分别求解其 最少机车使用台数。 2 3 4 半循环机车交路算法的相关解决方案 由于当前半循环交路还没有相关的算法，系统处理时采用一些简化处 理方式，即通过人工参与设定少量的约束条件，再采用相关算法自动处理 的方式，通过多个勾画方案的比较，得到相对最优的勾画方案。 2 4u m l 概述 标准建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是面向对象技术 领域内占主导地位的标准建模语言，代表了面向对象方法的软件开发技术 的发展方向。u m l 可消除一些潜在的不必要的差异，还可通过统一语义和 符号表示，使项目根植于一个成熟的标准建模语言，从而可以拓宽所研制 与开发的软件系统的适用范围，并提高其灵活程度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 4 1 u m l 的基本概念 作为一种建模语言。u m l 的定义包括u m l 语义和u m l 表示法2 个部分 2 7 1 0 1 ) u m l 语义描述基于u m l 的精确元模型定义。元模型为u m l 的所 有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者 能在语义上取得一致，消除了因人而异的最佳表达方法所造成的影响。此 外u m l 还支持对元模型的扩展定义。 2 ) u m l 表示法定义u m l 符号的表示法，为开发者或开发工具使用这 些图形符号和文本语法为系统建模提供了标准。这些图形符号和文字所表 达的是应用级的模型，在语义上它是u m l 元模型的实例。 u m l 由视图、图、模型元素和通用机制等几个部分构成。视图用来表 示被建模系统的各个方面，视图由多个图构成，它是在某一抽象层上对系 统的抽象表示：图由各种图片构成，用来描述一个视图的内容；模型元素 代表面向对象中的类、对象、消息和关系等概念，是构成图的最基本的常 用概念；通用机制用于表示其他信息，比如注释、模型元素的语义等。另 外，它还提供扩展机制，使u m l 语言能够适应一个特殊的方法( 或过程) 、 或扩充至一个组织或用户。 标准建模语言u m l 定义了下列5 类，共l o 种模型图t 第一类是用例视图( u s ec a s e ) ，用于描述系统外部的各类执行者与系 统提供的各种用例之间的关系。所谓用例是指对系统提供的功能( 或称系 统的用途) 的一种描述。它着重于从系统外部执行者的角度来描述系统需 要提供那些功能，并且指明了这些功能的执行者是谁。 第二类是静态视图( s t a t i cd i a g r a m ) ，包括类图、对象图和包图。其 中，类图描述系统中类的静态结构。不仅定义系统中的类，表示类之间的 联系如相互关联( 如消息的传递等) 、依赖性( 一个类依赖或使用另一个 类) 、特化( 一个类是另一个类的特例或子集) 和包( 将一些类并入一个 包中) 等，也包括类的内部结构( 类的属性和操作) 。类图描述的是一种静 态关系，在系统的整个生命周期都是有效的。对象图是类图的实例，所使 用的符号与类图基本相同。= 者的区别在于对象图展示的是类的实例，而 不是类本身。因此，对象图是对类图的一种实例化。由于对象存在生命周 期，因此对象图只能在系统某一时间段存在。包由包或类组成，表示包与 包之间的关系。包图用于描述系统的分层结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第三类是行为视图( b e h a v i o rd i a g r a m ) ，描述系统的动态模型和组成 对象问的交互关系。其中，状态图是对类的一个补充描述，它展示此类对 象所具有的所有可能的状态以及某些事件发生时其状态的转移情况。在实 用上并不需要为所有的类画状态图，仅为那些有多个状态、其行为受外界 环境的影响并且发生改变的类画状态图。而活动图描述满足用例要求所要 进行的活动以及活动问的约束关系，有利于识别并行活动。 第四类是交互视图( i n t e r a c t i v ed i a g r a m ) ，描述对象间的交互关系。 其中，顺序图描述几个对象之间的动态协作关系。它的重要特点在于它非 常直观地展示了对象之间传送消息的时间顺序，反映了对象之间的一次特 定的交互过程，即在系统执行过程中某个特定时刻所发生的事情。合作图 与顺序图的作业相同，也是用来描述系统中对象之间的动态协作关系，它 侧重于描述各个对象之间存在的消息收发关系( 或称交互关系) 。而不专 门突出这些消息发送的时间顺序。如果强调时间和顺序，则使用顺序图； 如果强调对象间关系，则选择合作图。这两种图合称为交互图。 第五类是实现视图( i m p l e m e n t a t i o nd i a g r a m ) ，其中构件图描述程 序代码的组织结构。构件可以是源代码构件、二进制目标码构件、可执行 构件或者文档型构件。构件图说明各种构件之间的依赖关系，有助于分析 和理解部件之间的相互影响程度。配置图描述系统中硬件和软件的物理配 置情况和系统体系结构。它可以显示实际的计算机和设备( 用结点表示) 以及它们之间的连接关系，也可显示连接的类型及部件之间的依赖性。在 结点内部，放置可执行部件和对象以显示结点跟可执行软件单元的对应关 系。 2 4 2u l 的建模机制 从应用的角度看，当采用面向对象技术设计系统时，首先是描述需求； 其次根据需求建立系统的静态模型，以构造系统的结构；第三步是描述系 统的行为。 在第一步与第二步中建立的模型都是静态的，包括用例图、类图( 包 含包) 、对象图、组件图和配置图等五个图形，是标准建模语言u m l 的静 态建模机制。而第三步中所建立的模型或者可以执行，或者表示执行时的 时序状态或交互关系，它包括状态图、活动图、顺序图和合作图等四个图 形，是标准建模语言u m l 的动态建模机制。因此，标准建模语言u m l 的主 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 要内容也可以归纳为静态建模机制和动态建模机制两大类。 在实际应用中，u m l 适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统， 而且适用于系统开发过程中从需求规格描述到系统完成后测试的不同阶 段。 在需求分析阶段，可以用用例图来捕获用户需求。通过用例建模，描 述对系统感兴趣的外部角色及其对系统( 用例) 的功能要求。 分析阶段主要关心问题域中的主要概念( 如抽象、类和对象等) 和机 制，需要识别这些类以及它们相互阃的关系，并用u m l 类图来描述。为实 现用例，类之间需要协作，这可以用u m l 动态模型来描述。在分析阶段， 只对问题域的对象( 现实世界的概念) 建模，而不考虑定义软件系统中技 术细节的类( 如处理用户接口、数据库、通讯和并行性等问题的类) 。 软件系统中的技术细节将在设计阶段引入，因此设计阶段为构造阶段 提供更详细的规格说明。 在实现阶段，其具体工作就是进行编码，同时对已构造的模型作相应 的修正。 配置阶段通过模型描述所开发系统的软硬件配置情况。 测试阶段使用前几个阶段所构造的模型来指导和协助测试工作。 编程( 构造) 是个独立的阶段，其任务是用面向对象编程语言将来 自设计阶段的类转换成实际的代码。在用u 札建立分析和设计模型时，应 尽量避免考虑把模型转换成某种特定的编程语言。因为在早期阶段，模型 仅仅是理解和分析系统结构的工具，过早考虑编码问题十分不利于建立简 单正确的模型。 u m l 模型还可以作为测试阶段的依据。系统通常需要经过单元测试、 集成测试、系统测试和验收测试。不同的测试小组使用不同的u m l 图作为 测试依据：单元测试使用类图和类规格说明；集成钡0 试使用部件图和协作 图；系统测试使用用例图来验证系统的行为；验收测试由用户进行，以验 证系统测试的结果是否满足在分析阶段确定的需求。 在系统开发过程中，不同阶段使用u m l 进行系统建模，可以通过建立 相应的模型，从不同的方面，以不同的详略程度对系统进行描述。u m l 实 际建模过程如下： 1 需求 系统的需求说明应由系统用户提供。通过用例建模，描述对系统感兴 趣的外部角色和用户对系统功能的需求。由于r u p 软件开发方式是一个增 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 量和迭代的开发过程，系统需求阶段仅需描述系统的基本功能，而具体功 能的需求在开发过程中完成。 2 分析 分析阶段主要关心问题域中的主要概念( 如抽象、类、和对象) 和机 制，识别这些类以及它们之间的关系并采用u m l 类圈来描述。在分析阶段， 只对问题域的对象建模，而不考虑定义技术细节的类。 需求分析的目的是通过分析客户需求描述系统应该实现的功能，并和 用户就所描述的内容达成共识。在需求分析过程中，通过分析客户需求， 识别系统中的参与者和用例。并建立用例模型来描述系统的功能需求。用 例模型的主要构件是用例、参与者及其之间的关系。描述用例、类之间的 协作关系，除了使用用例图外还可以用u m l 动态模型来描述。 3 设计 系统设计是从构建新系统的角度来描述、组织、构造系统部件的过程， 设计阶段详细说明了系统是如何使用专门的技术来工作的。根据分析阶段 得到的结果并对其进行细化。即进一步细化分析阶段所抽象的类，并且设 计数据库、应用程序结构、网络、系统界面、用户界面等。设计阶段分为； 总体设计和详细设计。 ( 1 ) 总体设计总体设计是对整个系统结构做广泛设计。其任务是定 义子系统以及子系统之间的依赖性和信息交互方式。通过使用u m l 中的包 图，将相似或相关功能的用例归结成一个包，进而将整个系统分成几个相 互关联的包( 子系统) 。 ( 2 ) 详细设计是底层设计，包括具体程序细节的设计。总体设计中 每个包的内容是比较概括的，在详细设计阶段通过细化包中的内容，使得 包所包含的所有类都有一个详细的描述。同时，可以通过使用u m l 中的动 态模型，描述这些类的实例之间的行为关系。详细设计的目的是通过创建 新的类图、状态圈和动态图，来扩展和细化分析阶段所产生的类。新建图 中有些可能在分析阶段已创建，但是在详细设计阶段，它们从技术层面上 对系统进行了更为详细的描述。 4 ，实现 实现或构造阶段是对前面设计类进行编程实现的过程。根据系统的需 求，选择种合适的面向对象编程语言( 如v c 、j a v a 等) 作为实现系统的 软件开发工具。 5 测试和配置 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 系统编码完成后，需要对系统进行测试和配置。 总之，u m l 是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有很宽 的应用领域。其中最常用的是建立软件系统的模型，但它还可以用于描述 不带任何软件的机械系统、一个企业的机构或企业过程等，如处理复杂数 据的信息系统、具有实时性要求的工业系统或工业过程等。u m l 是一个通 用的标准建模语言，可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建 模。 2 4 3u m l 建模工具 在应用标准建模语言u m l 时，需要有相应的开发工具来支持。如果 由开发人员手工地绘制这些图形，不仅非常繁琐，而且也很难保证不同图 形之间的一致性，也无法通过模拟来预测系统的行为。此外，如果客观需 求发生变化，就要重画这些图，这不仅工作量大，而且对开发人员的心理 有极为不利的负面影响。因此，建造标准建模语言u m l 的支持环境也势在 必行。 目前，支持u m l 的工具也很多，如r a t i o n a lr o s e 、t o g e t h e r 、a r g o u m l 、 m a g i c d r a wu m l 、v i s i o 和p o s e i d o nf o ru m l 等。r o s e 是当前应用最广泛 的u m l 建模工具之一，在本系统中也采用r a t i o n a lr o s e 作为u m l 建模工 具，主要是因为r a t i o n a lr o s e 具有以下特点： ( 1 ) 支持u m l 对象建模符号标准r a t i o n a lr o s e 提供完整的u m l 资 源。从系统分析、设计，到程序设计，均可用u m l 来表示。u m l 让系统开 发的所有参与者，在此世界通用的建模语言的基础上沟通。 ( 2 ) 支持构件化软件开发对复杂系统而言，构件式的软件开发已 跃升为最有效率的模式。r a t i o n a lr o s e 允许使用者藉由构件图 ( c o m p o n e n td i a g r a m ) ，清楚地表达构件及其介面之间的关联。 ( 3 ) 支持多种语言的软件开发在大型软件开发中，使用数种程序 语言是很常见的。r a t i o n a lr o s e 企业版提供了多种语言的支持，让使用 者可以开发不同程序语言的构件。r a t i o n