基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统研究

刘爱群，于 健，王 瑞，陈广泰，杜海宾

（中国中车股份有限公司 中车大连机车研究所有限公司，辽宁 大连 116000)

0 引言

伴随着轨道交通行业的持续发展，铁路机车及其系统设备的综合化、智能化、复杂程度不断提升，系统设备种类更全、功能更完善，铁路行业保有的机车种类越来越多、机车数量持续增加，所需维护的机车车载系统、设备及其应用软件的数量更加庞大，维护管理和运用保障成本持续增长。

近年来，在创新驱动的引领下信息技术日新月异，以数字化、网络化、智能化为特征的信息化浪潮蓬勃兴起，大数据、云计算、智联网等高新技术的广泛应用逐渐成为驱动行业创新发展的重要方式，借助先进技术、方案或平台可以创造新的价值、体现新的发展生态。铁路机车系统或设备应用软件的维护管理及保障工作同样可以借助成熟的先进技术，运用高效便捷的通信方式和安全可靠的管理工具来开展，这不仅能够提高运营管理与运用维护技术水平，而且显著提高工作效率、降低相应成本投入。

目前，铁路机务部门对于机车车载应用软件的管理与维护主要采用分散控制管理和现场运用维护的传统方式进行，该方式按照机车型号与车载设备功能将各种应用软件进行简单分类，并依据分类指派不同的机务人员分别开展软件版本记录与跟踪管理工作，涉及软件修改、升级等维护工作时，则需要机务部门和软件供应厂商在获得授权并做好安全防护的前提下，在机务整备现场对目标机车设备进行手动软件维护处理。由于不同管理机构的软件控制管理要求不同、不同人员的工作习惯也存在差异，导致应用软件的记录管理方式、运用维护操作流程各不相同，无法做到有效统一集中管控。此外，现场运用维护需要多部门、多人员投入，消耗较大的人力、物力和时间成本，且现场复杂的环境条件隐藏着巨大的人员安全隐患。针对以上问题，基于成熟软件版本Git 控制技术，提出一种机车车载应用软件集中控制系统，从根本上改善运用管理现状。

1 Git 概述与技术优势

Git 是一个开源的分布式版本控制系统[1]，能够高效、快速地处理各种软件版本管理任务，早期主要应用在Linux 内核的软件开发管理过程中。其文件组织管理操作方便，逻辑控制流程清晰，控制功能命令丰富且易于操作。

基于分布式设计理念，Git 版本控制系统由远程管理系统和本地管理系统组成。远程管理系统一般部署到地面统一管理服务器上，管理人员依据具体业务需求建立对应的组织结构框架，继而开展不同功能、不同版本软件产品的存储和管理工作，为整个系统相互间的文件数据共享、操作管控和维护跟踪提供统一平台；本地管理系统以较少的资源占用在应用设备系统环境中构建软件版本管理服务，用户通过该服务提供的版本控制命令来实现本地系统与远程系统的文件同步管理与维护工作。

较SVN，VSS，CVS 等版本控制系统而言，Git 版本控制系统主要具有4 点优势：①服务的部署、安装更加简单，操作更加便捷，更容易理解；②部分控制功能在本地管理系统即可实现，减轻了远程管理系统的访问压力；③相同带宽通路下服务通信响应速度更加快速；④支持离线管理维护操作。

与传统的铁路机车车载应用软件管理与维护方式相比，Git 版本控制系统主要具有以下优势：①便于实施更加统一性、规范化的应用软件控制与运用维护管理流程；②提供包括用户权限、访问权限、数据加密等多重安全访问机制；③具有应用软件版本回溯、软件信息查询等功能；④管理与维护时的工作环境更安全，同时降低资源成本开销。

综合Git 版本控制系统自身安全性、快速性、便捷性等特点，基于该技术设计的集中控制系统在机车车载应用软件管理与维护方面的应用，将有效解决当前铁路机车应用软件维护管理方式存在的无法统一管理和运用维护复杂等问题。

2 基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统构成

基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统采用软件版本Git 管理服务来提供应用软件版本管理的核心业务处理功能[1]，运用分布式控制模型框架搭建相应的地面Web 服务，结合成熟稳定的无线通信技术手段，实现机车车载系统或设备应用软件的集中统一管理和运用维护工作。该系统主要由车载控制子系统和地面综合管理服务器2 个子系统组成，系统构成示意图如图1 所示。

图1 系统构成示意图Fig.1 System composition diagram

车载控制子系统是对机车车载系统或设备的应用软件进行集中维护管理的终端执行部分。利用既有铁路无线通信平台，车载控制子系统同地面综合管理服务器进行双向交互。通过控制指令解析、应用软件数据收发、软件维护执行等操作，实现应用软件的维护管理工作。该子系统既可作为一个独立的车载设备存在，也可作为一个模块集成到其他车载系统或设备中。

地面综合管理服务器由分布式Git 版本控制服务单元、安全防火墙单元、运行维护管理单元和数据处理中心组成。地面综合管理服务器组成如图2 所示。该服务器具有高性能、双冗余、校验容错、高网络防护等级等特征，为机车车载系统或设备提供高效、安全、稳定的软件升级、软件检测和软件回溯等功能服务[2]，可实现不同区域划分、不同型号机车、同型号不同编号机车、同一机车不同车载设备的应用软件的日常运用维护及软件版本集中控制管理。

图2 地面综合管理服务器组成Fig.2 System composition about local management server

铁路无线通信平台是车地无线通信的桥梁，依托现有先进无线通信技术，为地面综合管理服务器与车载控制子系统提供安全稳定的双向无线通信交互通道服务。无线通信平台以独立模块的形式对外提供3 种无线网络通信方式，分别为GSM-R 铁路移动通信专用网络、5G/4G/3G/2G 公共移动网络和WLAN 无线局域网络[3]。通常情况下，优先使用GSM-R铁路专用网络，在GSM-R 未覆盖的线路区域，则检索指定WLAN 网络状况，若WLAN不符合要求，系统路由最终导向5G/4G/3G/2G 无线服务。

3 系统功能特点

通常情况下，各型号机车不同系统或设备的功能作用不同，这种差异造成应用软件版本的多样化，进而加大了分散控制管理和现场运用维护工作的劳动强度和难度。针对传统运用维护管理方式的不足，基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统提供了包括机车车载应用软件统一集中管理和运用维护操作管理在内的多种控制功能。

3.1 统一集中管理

传统分散管理方式一般存在维护记录不及时、跟踪管理不同步、操作不规范、组织协调成本高、无法宏观掌握总体信息等问题，而基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统将不同组织机构和不同区域划分的所有机车软件进行统一管理，围绕机车车载应用软件的数据存储、维护记录、运维操作、管理权限等搭建了地面综合管理服务器，并依据铁路局集团公司、机务段、机务段配属机车、机车车载设备、设备应用软件5 个层级结构，以文件目录的形式组织应用软件的版本管理，组织管理目录结构如图3 所示。

图3 组织管理目录结构Fig.3 Directory structure of organizations

基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统的统一集中管理功能充分发挥其在分布部署、智能运维、集中监控管理、大数据存储、权限授权控制、流程化实施、简易化操作、多级安全保障等多个方面的优势，其统一集中管理方式包括5 个方面：①维护管理单台机车某个车载系统或设备中使用的多个应用软件；②维护管理单台机车的多种车载系统或设备的应用软件；③维护管理同一型号多台机车的车载系统或设备的应用软件；④维护管理不同型号多台机车的车载系统或设备的应用软件；⑤维护管理不同区域划分的机车车载系统或设备的应用软件。

3.2 运用维护操作

对于机车车载应用软件的运用维护操作功能，主要包括应用软件更新、应用软件版本回溯、应用软件版本查询及其他功能等。

（1）应用软件更新。机车车载系统或设备日常使用过程中，经常进行运用维护改造、功能优化升级等工作，并需要对相关应用软件进行同步修改与更新升级[4-8]。运用维护人员通过操作地面综合管理服务器进行维护信息录入、最新版本软件上传、目标机车系统或设备选定等流程工作后，即可方便快捷地实现机车应用软件在线更新工作。应用软件更新操作流程如图4 所示。

图4 应用软件更新操作流程图Fig.4 Flow chart of application software update

（2）应用软件版本回溯。系统或设备的开发、应用、升级等过程中会发布不同版本的应用软件，特别是为了满足新功能、新需求而在稳定版软件基础上进行的修改，在上线运用过程中容易出现新问题或安全隐患，为确保机车运用安全，需要将应用软件恢复至上一版本或更早期版本。而基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统的应用软件回溯功能，使得运用维护人员通过地面综合管理服务器能够将指定机车车载系统或设备中当前使用的应用软件回退至前一版本或指定版本。应用软件回溯操作流程如图5 所示。

图5 应用软件回溯操作流程图Fig.5 Flow chart of application software trace back

（3）应用软件版本查询。不同于以往通过机车司机显示单元(DDU)来查看获取软件版本信息，基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统具有更加完善的软件版本信息查询功能。运用维护人员通过地面综合管理服务器的版本信息页面，能够轻松获取包括当前软件版本号、版本发布日期、软件开始使用日期、发布者信息、授权者信息、本版本较上一版本修改内容、其他应用机车车号等详细统计信息。软件版本查询操作流程如图6 所示。

图6 软件版本查询操作流程图Fig.6 Querying flow chart of application software version

（4）其他功能。系统还具有其他丰富的应用控制功能。①配置文件管理。对机车车载应用软件运行需要的各种配置文件进行维护管理的功能。②并发处理。支持并行进行多个运用维护操作处理。③批量执行。当某一型号多辆机车需要进行相同的运用维护操作时，能够对这些机车以批量处理的方式实施统一维护。④维护撤销。运用维护执行过程中，能够随时停止操作；执行停止操作后应用软件还原至原有版本状态。⑤历史记录查询。可通过维护历史列表查询详细历史维护管理信息。

4 应用效果对比分析

2019 年5 月，中国铁路西安局集团有限公司立项基于L5 级的铁路机车智能驾驶技术—HXD2机车自动驾驶技术研究，项目研制的HXD2 机车自动驾驶系统采用基于Git 技术的机车车载应用控制系统进行软件升级、软件回溯等维护管理工作。截至2021 年2 月底，该型号机车实际自动驾驶安全运行里程近4 万km，基于Git 技术的机车车载应用控制系统工作稳定，提高了应用软件的维护管理工作效率，为自动驾驶系统的成功应用发挥了重要保障作用。结合HXD2 机车自动驾驶系统车载优化控制器的应用软件运用维护工作，从操作流程、资源需求、操作环境与便利性、安全性等方面，对比分析采用传统现场运用维护方式和基于Git 技术的机车车载应用控制系统方式在应用效果上的区别。

（1）操作流程方面。现场维护方式需要与机务多个部门沟通协调，并且需严格遵守和落实现场操作流程与规范要求，因而涉及的流程环节较多。而基于Git 技术的机车车载应用控制方式只需遵循地面服务器操作流程要求即可。现场维护操作流程与本系统维护操作流程对比如图7 所示。

图7 现场维护操作流程与本系统维护操作流程对比Fig.7 Comparison of operation flow chart between two maintenance modes

（2）资源需求方面。鉴于现场维护方式所执行的操作流程复杂，涉及的人员较多，因而需要占用较多人力资源、耗费较长时间，这也直接降低了机车使用率和运输效率，并带来其他隐形成本消耗。而采用基于Git 技术的机车车载应用控制系统只需占用地面服务器资源即可实现相同目标。资源需求情况对比如表1 所示。

表1 资源需求情况对比Tab.1 Comparison of resource requirement

（3）操作环境与便利性方面。现场维护方式需要克服机车内部空间狭小、设备噪声大、卫生条件差，特别是冬/夏季极端温度环境等恶劣条件；同时，需携带特定通信线、操作笔记本电脑、安装与拆卸工具等，在多机车、多设备维护时，需要频繁进行设备连线与复原操作。而基于Git 技术的机车车载应用控制系统只需在恒温恒湿的专用机房内，操作地面综合管理服务器即可达到多机车和多设备集中维护管理的目的。

（4）安全方面。现场维护方式一般在机务段整备场或编组站进行，相应的地理位置较为偏僻，外加周围受电弓网高压环境、其他机车车辆并行作业因素等，势必带来众多潜在人员安全风险。而基于Git 技术的机车车载应用控制系统方式操作环境优于一般办公环境，基本不存在潜在安全风险。

（5）其他方面。较传统现场维护方式，基于Git 技术的机车车载应用控制方式还具有自动生成历史维护记录、支持机车临时停车维护、机车运行时软件版本查询等功能。

经过对比分析，基于Git 技术的机车车载应用控制系统实现了铁路机车应用软件的统一管理和规范化、流程化运用维护，操作方式更加快速、便捷和安全，并大大降低了人力、物力和时间等资源成本耗费。

5 结束语

铁路改革的不断深化和机务事业的不断发展，机务智能化、信息化、规范化工作在多个应用领域已经取得一定效果。基于Git 技术的机车车载应用软件集中控制系统综合运用最新无线通信技术、智慧管理工具、高性能数据管理服务等技术，构建了更加便利、高效、稳定和安全的机车应用软件维护管理平台，为种类和数量日益庞大的软件管理工作提供了更加规范化和统一化的流程保障服务，满足机务管理信息趋向信息化、统一化、规范化管理的发展要求。