动车组统型PTU服务软件的设计与实现

张顺广， 王隆龙， 袁 涛

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081;2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

“复兴号”CR400BF动车组配装同一公司的牵引、制动、网络和安全监测产品，每个产品都有自己独特的PTU(Portable Test Unit，便携式测试单元)服务软件。由于各产品的研制基于不同产品开发平台，各产品的服务软件只是为了解决各自的问题而设计，在开发期间并没有采用统一的设计模式和开发框架，目标机通信、变量监视和控制、程序更新、数据存储等功能设计没有依据统一的规范，造成这些服务软件虽然完成的功能相同或相似，但是使用界面和操作风格迥异。

众多产品不同的服务软件，对于用户操作比较繁琐，给用户带来诸多不便。终端用户在维护同一公司的产品时，既要安装不同的服务软件，还要学习不同服务软件的操作使用，适应不同服务软件的操作风格。既给产品的维护工作带来复杂性，影响了工作效率，又对终端用户的基本素质要求更高。为了提高效率，减轻终端用户的工作，研制统一操作风格和操作界面的统型PTU软件工作已经迫在眉睫。

1 需求分析

服务软件统型的设备包括CCU(Central Control Unit，中央控制单元)、TCU(Traction Control Unit，牵引控制单元) 、BCU(Brake Control Unit，制动控制单元)、失稳/平稳装置、GW(Gateway，网关)、WTD(Wireless Transmission Device，无线传输装置)、HMI(Human Machine Interface，人机接口单元)和ACU(Auxiliary Control Unit，辅助控制单元)。对各设备的服务软件进行了调研和需求分析，深入了解每个设备服务软件的功能及操作需求，统一和归类了各设备服务软件的功能需求，形成了表 1所示的各设备服务软件的功能需求列表。

注：√：有该功能需求；-：无该功能需求。

2 系统总体设计方案

2.1 总体设计概述

研制的统型PTU服务软件目标：兼容已有的目标机系统，保证已有各目标机既有软件不变的情况下，统一设计和开发实现上位机系统的PTU服务软件。

为了兼容现有设备的PTU软件功能，并考虑扩展未来新设备的PTU软件，统型PTU软件采用模块化动态设计思想，将模块分为通用和专用模块，通过配置动态生成新的PTU应用系统。为了能够动态生成PTU软件，统型PTU软件使用本体架构作为系统基本框架，基于本体框架的功能整合和灵活配置，实现各个设备PTU应用模块的统一平台、统一样式和统一功能的整合。在本体框架的基础上，为每个设备PTU应用模块生成通用模块和专用模块，通用模块设计共有的属性达到通用功能，专用模块设计个性化属性达到个性化功能。

2.2 总体架构图

统型PTU软件的系统总体架构图如图 1所示。以数据层为支撑，类、属性、关系和实体的本体架构为基础，构建通用模块类、专用模块类等逻辑层，逻辑层的类实例化后为具体的功能模块，再通过通信协议转换插件、变量解析插件和其他定制插件的适配层，组合构成各设备的PTU软件功能。

图1 系统体架构图

2.3 系统总体功能结构

统型PTU服务软件的功能由PTU应用功能、通用模块管理功能、专用模块管理功能、用户管理和本体维护功能组成。系统的总体架构如图 2所示。

3 系统功能设计

3.1 总体样式

按三栏式样式设计整体布局，上面为主菜单和工具栏，中间为功能菜单和主操作界面，最下面为状态栏。其中功能菜单使用树状控件，便于浏览所有PTU应用和功能项，主操作界面采用tab页显示方式，方便对同时使用多个功能界面。系统总体样式如图3所示。

图2 系统的总体功能图

图3 系统总体样式

3.2 本体维护

本体框架的维护是保证系统能正常运行的关键，包括有根类、子类的维护，类属性的管理等，用于定义通用模块、专用模块和PTU应用。

3.2.1根类维护

统型PTU系统的根类分模块和应用，根据实际需求情况定义通用模块、专用模块和PTU应用根类。模块类样例如图4所示。

3.2.2子类维护

子类从根类继承了根类的属性和属性默认值，同时子类也可以建立私有属性。子类维护与根类维护操作相同。

PTU应用模块需要特殊操作模块，在通用模块下建立子类模块，并建立私有属性。连接配置子类样例如图5所示。

3.2.3类属性维护

类属性是模块的需要保存的数据描述，根据各模块的需要可以动态调整。类属性具有往下继承的特点，子类继承父类属性和属性默认值，在子类的属性维护中不可修改继承属性，可修改私有属性。类属性的类型有TCP通信、UDP通信、Ping、Telnet、FTP通信、整数、文本、日期、时间、单选、多选、数值、浮点数、双精度、文件、多文件、图片、实体类型、视频、布尔和未定义类型，其中具有TCP通信、UDP通信、Ping、Telnet、FTP通信属性的实体将启动通信插件，以便与目标机连接。建立模块类时根据模块需要的数据类型选择适合的属性类型。

图4 模块类样例

图5 连接配置子类样例

3.2.4类关系维护

本体的类不是孤立的，类关系是将类与子类之间建立各种关系，目的是将各类建成网状结构，用关系描述各类之间的逻辑关系，便于针对某个类深入的研究。定义类关系是为实体关系建立关系模板，实体之间的关系只能在类关系的基础上建立。

统型PTU系统使用类将模块与PTU的应用进行搭配组合，将模块化的功能加入到PTU应用中，与PTU应用建立关系，每个PTU应用运行的操作、数据的组织、结果的存放等模块都通过关系互相串联起来，组合完成PTU应用的功能。例如，WTD无线传输装置包含数据下载、软件更新、连接配置、双向通信、IP搜索和数据解析的通用模块功能。用类关系样式图表示如图6所示。

图6 WTD无线传输装置类关系样式

3.2.5实体维护

实体是将类实体化，类中定义有属性和关系，实体依据这些类属性和关系建立属性值和实体关系。

统型PTU应用由PTU应用类实例化才能生成真实应用，PTU应用实体依据其类关系与相应的模块实体建立关系，启动这些模块关系，最终形成实体PTU应用。

例如，在“WTD无线传输装置”类建立“标准动车组无线传输1.0”实体，维护实体的属性，并建立其与模块实体的关系。根据上述的过程配置生成具有模块实体功能的“标准动车组无线传输1.0”的应用。通过实体关系的维护同时维护PTU应用的版本。WTD无线传输装置实体列表样式如图7所示。

图7 WTD无线传输装置实体列表样式

3.2.6实体属性维护

实体属性是基于类属性约束建立的，是PTU模块实体所使用的参数值。例如，PTU软件的连接配置包括通过TCP连接、UDP连接、Ping和连接4种方式，在“连接配置”模块中建立4个子类：TCP连接配置、UDP连接配置、Ping连接配置和FTP连接配置4个子类。它们有共同的属性就是IP地址，同时具有私有属性，TCP和UDP具有通信端口和通信协议，FTP连接具有设备FTP目录属性。在“连接配置”类建立IP地址属性，在TCP和UDP连接子类创建端口和通信协议属性，在FTP连接创建FTP目录属性，再维护这些子类实体和实体属性值即可区分不同的连接配置。

3.2.7实体关系维护

统型PTU软件的具体功能通过类关系的约束连接模块实体最终形成具体功能操作。实体与实体通过类之间的关系建立连接。

关系名称为类关系建立时的名称。建立实体关系时需要选择关系另一方的实体，例如，为“标准动车组无线传输1.0”增加“连接配置”功能，需要在“连接配置”关系中选择“WTD无线传输装置连接配置http:∥58.19.239.212/Entity/javascript:removerelation(‘138’,‘596’)”实体。WTD无线传输装置的实体关系样式如图8所示。

图8 WTD无线传输装置的实体关系样式

3.3 通用模块和专用模块

连接配置是所有PTU应用的通用模块，用户需要输入设备名称、IP地址或域名，测试连接是否成功，成功后可保存配置项，保存连接配置的目的是为用户以后使用保存历史配置数据，方便用户快速找到以往检测过的目标机。

在已保存的目标机配置列表中可使目标机处于在线状态，并可同时在线多台目标机，目标机与PTU应用发送心跳包以确定在线。CCU连接模块的样式图如图 9所示。

图9 连接模块的样式图

参照总体样式，结合统型PTU软件的功能需求，采用3.2节描述的本体维护对统型PTU软件的PTU应用、通用模块和专用模块进行了具体的设计。

3.4 角色

为了便于管理和功能授权，系统设计了默认用户和其他用户角色，一般打开系统时使用的默认用户，默认用户无需登录，在必要时可切换到其他用户，其他用户是否需要登录由其设置决定，系统会根据用户记录使用日志。

4 方案实现

根据统型PTU服务软件系统总体设计方案和功能设计，实现统型PTU服务软件。软件系统中各子系统包括业务功能子模块、数据处理子模块、通信子模块、插件和数据存储，其逻辑结构如图 10所示。

图10 统型PTU软件子系统逻辑结构图

业务功能子模块实现各子系统的功能界面操作，各子系统的业务功能模块相互独立。数据处理子模块实现各子系统的数据解析、组装和处理，给业务功能子模块提供数据支撑，各子系统的数据处理模块相互独立。通信子模块实现与相关目标机的通信交互，各子系统的通信模块相互独立。

统型PTU服务软件实现了CCU、TCU、BCU、失稳/平稳装置、WTD、HMI、GW和ACU服务功能的集成，操作界面和风格一致，与各子系统现有目标机设备兼容，软件一次安装就具有上述设备维护服务的功能，方便用户使用。实现的统型PTU服务软件界面如图 11所示。

图11 统型PTU服务软件

5 结束语

由中国铁路总公司牵头组织研制和批量运用的“复兴号”动车组，动车组主要控制系统具有以太网接口且使用以太网进行维护，具有单点维护功能，为统型PTU服务软件工作提供了统一的通信接口。但受限于动车组已有装车运用的产品稳定性的要求，统型PTU的工作仅在操作界面和操作风格上进行统一和集成。统型PTU服务软件需深入开展的工作，统一上位机PTU服务运行软件和目标机软件交互的通信协议，形成统一的通信规范。PTU服务软件与各产品目标机交互遵循统一的通信接口和通信协议，基于统一的设计思想和操作风格，便于扩展集成其他产品的服务功能，真正实现PTU服务软件统型。