列車運行控制系統(tǒng)是對列車速度自動控制的各種裝置的統(tǒng)稱貌矿，根據(jù)對速度控制程度的不同炭菌，一般分為：列車自動停車(ATS)系統(tǒng)，列車超速防護(ATP)系統(tǒng)逛漫，列車自動控制系統(tǒng)位满，列車自動運行(ATC)系統(tǒng)和列車自動運行(ATO)系統(tǒng)。

列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面是車載設(shè)備與駕駛員進行信息交互的平臺土霞，是列車運行控制系統(tǒng)的一個重要組成部分些脐。通過車載人機界面，司機可以對列車的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置每访，實時地得到有關(guān)列車和線路的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)盘肺，對車載設(shè)備發(fā)出的命令和警告及時地進行響應。

近年來隨著科技水平的不斷發(fā)展康蚯，鐵路裝各技術(shù)水平躍上了一個新臺階灾纱，高速鐵路的崛起和發(fā)展給世界鐵路的重新振興帶來了勃勃生機。作為高速鐵路的關(guān)鍵設(shè)備之一侦纳。列車自動控制系統(tǒng)具有以下三大特點：1时损，以車載顯示為行車憑證；2，用速度命令代替色燈含義：3脾膨，信號直接控制列車制動愕炸。正是因為這樣的特點，使得人機界面在整個系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用幔嫂。良好的界面設(shè)計可以將更多的信息清晰地顯示出來辆它，有助于司機更好地了解要完成的任務，提高速度和精確性婉烟，減少人為失誤的可能性娩井，在最大程度上保證列車的安全性。

對于一般交互式軟件系統(tǒng)來說似袁，GUI設(shè)計和實現(xiàn)是軟件系統(tǒng)開發(fā)中的一個重要部分洞辣。人機界面是指軟件系統(tǒng)與使用者之間的交互。它為用戶提供各種形式的輸入昙衅，將用戶的輸入信息進行轉(zhuǎn)換后扬霜，傳給核心模塊進行處理，并將處理結(jié)果以可理解的方式反饋給用戶而涉。它介于用戶和核心應用之間著瓶。設(shè)計既要針對使用者，義更適應核心模塊啼县。用戶界面的設(shè)計質(zhì)量材原，直接影響用戶對軟件產(chǎn)品的評價，并最終影響軟件產(chǎn)品的競爭力和壽命献凫。事實上猎递，在很多軟件的設(shè)計階段，由于缺乏行之有效的用戶界面設(shè)計手段攘宗，界面設(shè)計由實現(xiàn)人員直接編碼完成乡试，從而導致了實現(xiàn)與用戶需求之間的差距。

本文分析了列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面所要滿足的設(shè)計原則猾蔫，設(shè)計了一種適合這種人機界面的GUI模型吻蟹。選用UML來描述人機界面的功能需求、總體設(shè)計和詳細設(shè)計的過程并進行建模瀑乡，并利用其工具Rational Rose加以嚴格定義的圖形化語言的描述果邢。最后使用Microsoft公司的Visual C++開發(fā)工具進行了開發(fā)。

1橙挽、人機屏面設(shè)計的原則

1.1 人機界面設(shè)計的原則

人機界面設(shè)計要講究藝術(shù)性和科學性在贸，利用圖形藝術(shù)家的見解和人性因素的研究者的發(fā)現(xiàn)，并考慮到用戶的直觀感覺泼司。根據(jù)已有的用戶界面設(shè)計經(jīng)驗绑莺，針對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的特點暖眼，總結(jié)出了以下幾點設(shè)計原則：

1) 理解司機要進行的操作。典型的用戶界而設(shè)計都要進行任務分析來理解用戶任務的性質(zhì)纺裁。

2) 司機在與系統(tǒng)得交互過程中能夠掌握操作的控制權(quán)诫肠。無論何時用戶發(fā)起的操作都能夠可以被取消。

3) 提供多種方式來兜成每個與界面相關(guān)的動作(例如關(guān)閉一個顯示窗口)欺缘。

4) 當司機進行了錯誤的操作時栋豫，應能夠以醒目的方式及時進行提示。

5) 重視可讀性和可理解性谚殊。提示信息應該簡明概要丧鸯，所州的圖形信息便丁=-州機理解。運用不同的顏色來表示信息的優(yōu)先級

6) 盡量保持界而構(gòu)件的尺寸相同嫩絮。充分利用空間關(guān)系丛肢。屏幕上的圖形構(gòu)件之間的距離不要太遠，必要時可以用一個框?qū)⑺麄儼鼑饋怼?

1.2 采用UML進行設(shè)計的優(yōu)勢

UML采用的足一種圖形表示法剿干，是一種可視化的圖形建模語言 UML定義了建模語言的文法蜂怎， 運用元模型對語言中的基本概念、術(shù)語和表示法給出了統(tǒng)一且比較嚴格的定義和說明置尔，給出了這些概念的準確含義登彪。UML為人們提供了從不同的角度去觀察和展示系統(tǒng)的各種特征的一種標準方法。在UML中城搀，從任何一個角度對系統(tǒng)所作的抽象都可能需要用幾種模型圖來描述标狼，而這些來自不同角度的模型圖最終組成了系統(tǒng)的完整圖像。

UML語言提供了模型管理視圖诞茶，用以描述系統(tǒng)各種模型之間的關(guān)系屑墓。通過模型管理視圖提供的機制，系統(tǒng)設(shè)計者可以將各個模型元素有機地分解為各個不同層次的包昨把，從而從不同的層次粒度上對系統(tǒng)模型問的關(guān)系進行描述，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計的可讀性和可維護性谒电。UML這種層次化臼格、模塊化的管理機制非常適合于對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面進行建模。但是冗呀，如果由開發(fā)人員手工地繪制這些圖形瘦涵，不僅非常煩瑣，而且很難保證不同視圖之間的一致性钠锉，因此UML的支持環(huán)境在實際的軟件開發(fā)中是必不可少的雪隧。

Rational公司的Rose是目前在國際上應用雖廣泛、功能最強大的支持UML的CASE工具员舵，在軟件開發(fā)過程的幾個階段都很有用脑沿。在項目開始階段藕畔，Rose可以產(chǎn)生用況模型；在細化與構(gòu)造階段庄拇，Rose可以開發(fā)活動框圖注服，顯示事件流程；順序圖和協(xié)作圖則顯示要開發(fā)的對象及其相互問的交互措近；Rose開發(fā)的類圖顯示對象間的相互關(guān)系：組件圖顯示系統(tǒng)組件間的相關(guān)性溶弟。此外Rational Rose最強大的特性之一是具有生成表示模型的代碼和逆向轉(zhuǎn)出工程代碼的能力，保證了代碼與對象模型的同步性瞭郑。

2辜御、使用UML對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面進行分析和建模

2.1 常用GUI模型簡介

通常GUI模型抽象為三個部分：界面的表現(xiàn)模型，即與使用者問的接口屈张；界面構(gòu)件的對話過程擒权，即用戶界而構(gòu)件之間的交互以完成用戶任務；核心應用渡铲，即完成應用業(yè)務邏輯的功能模塊钾独。幾種主要的GUI模型如，Seeheim模犁楞澳，MVC(Model-View-Controller)模型和PAC (Presentation—Abstraction．Controller都基于這樣的基本思想访跛。F面對最基本的Seeheim模型進行簡要說明。

Seeheim模型將軟件體系結(jié)構(gòu)分為4個部分：核心模塊(Functional Core)堡扳，核心應用接口(Functional Core Adapter)秩漾，對話控制器(Dialogue Contro1ler)，界面構(gòu)件(Presentation Component）侄脂。Function Core對領(lǐng)域應用進行建模冯峭。Functional Core Adapter為用戶界面與核心應用之間建立一個緩沖區(qū)，以減少二者之間的耦合烫毡。它通過一些交互協(xié)議為用戶界面與核心應用之間提供同步或者異步的數(shù)據(jù)交換谁汤。Dialogue Controller是Seeheim模型中的核心部分。它通過界面構(gòu)件接收來自用戶的各種輸入請求弄萨，通過轉(zhuǎn)換后利用核心應用接口與核心模塊進行數(shù)據(jù)交換殉俗，保證多個視圖間的一致性，以完成特定的用戶任務在Dialogue Contro11er中可以嵌套定義Seeheim子模型瓣颅。這樣可以從不同粒度上對GUI系統(tǒng)進行建模倦逐。Presentation Component對界面構(gòu)件的具體交互動作和輸入輸出進行設(shè)計。

2.2 車載人機界面建模

(1) 系統(tǒng)需求分析

需求分析就是明確從外圍系統(tǒng)的角度要求車載人機界面提供什么功能宫补。在以往的需求分析中檬姥，始終沒有一種合適的工具來保證系統(tǒng)需求的完整表達，所以直接導致了系統(tǒng)在完成后的檢測中發(fā)現(xiàn)與真實情況小符粉怕。從分析階段引入全面支持UML的Rational Rose這個有效的形式化上具健民，以完整的抒巢，無歧義的語言來表達需求，簡化開發(fā)過程中的交流荞雏。

列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面是車載設(shè)備與司機進行信息交互的平臺虐秦。車載人機界面要保證司機可以對列車的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，實時地得到有關(guān)列車和線路的相關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)凤优，對車載設(shè)備發(fā)出的命令和警告及時地進行響應悦陋。運用UML的用例圖可以清晰的表示出以上需求。

圖1 車載人機界面模型用況圖

接下來對用況進行形式化的描述筑辨。司機在進行操作時俺驶，首先可以根據(jù)需要來調(diào)整界而的背景色，分辨率等參數(shù)殊精，這時執(zhí)行了界面設(shè)置用況协黑。當司機需要對列車長度等參數(shù)進行配置時，則要使用數(shù)據(jù)操作用況诽檬。在數(shù)據(jù)用況中還可以顯示列車的初始化信息脏拦。考慮到司機需要響應車載設(shè)備發(fā)出的指令以及進行人工干預殿扮。所以命令操作用況也是必不可少的摇昌。司機操作人機界面的過程采用UML的活動圖做了描述。

圖2 車載人機界面模型活動圖

(2) GUI模型框架

根據(jù)人機界面設(shè)計的原則篓围【凰＃考慮到實際的應用背景，本文在Seeheim模型的基礎(chǔ)上培按，提出了一種適用于列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的GUI模型嘉警，如圖3所示。模型由視圖模塊(View Mode1)沪识，視圖控制器(View Controller)和核心應用接口(Core Interface)三部分組成拼缝，是一種面向?qū)ο蟮腉UI設(shè)計模型。

視圖模塊(View Model)對用戶界面的可視部分進行描述彰亥。它接受司機的輸入咧七，并為司機提供可視化信息，是GUI模型中唯一直接與司機打交道的部分剩愧。它的設(shè)計采用多級遞階的設(shè)計思想，從邏輯功能上分解為各個視圖(view)娇斩，每個視圖又可以分解為多個子視(Sub—View)仁卷。子視圖是對上一層視圖的進一步分解和細化。視圖的靜態(tài)特性可以包含視圖的大小犬第、位置和可見性等與視圖自身表現(xiàn)形式有關(guān)的屬性锦积。它的動態(tài)行為包括視圖內(nèi)部的動作和與其他視圖問的協(xié)作芒帕，以及與司機之間進行的交互。視圖模塊的建模以消息響應為核心丰介，通過消息響應過程對用戶事件進行處理背蟆。例如響應車載設(shè)備命令或改變界面樣式等。當View與其他視圖進行交互時哮幢。將用戶消息發(fā)送給View Controller進行調(diào)度带膀。由View Controller來實現(xiàn)在不同的視圖之間的轉(zhuǎn)換。

當用戶完成一項任務涉及到若干視圖時市黔，View Controller負責各個視圖間的切換調(diào)度诅订。它接受從View Model發(fā)送來的消息，由消息響應函數(shù)負責對相關(guān)的視圖進行控制插棱。相對于View Model乡羹，View Controller是一種粗粒度的用戶交互模型。它負責將用戶要完成的任務分解肘何，然后映射到用戶界面的各個視圖中去矫震。視圖內(nèi)部的用戶交互動作則由View Model去描述。

Core Interface為用戶界面中的視圖(View)提供了與車載設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互的接口艰膀。車載設(shè)備把列車相關(guān)信息通過這個接口傳送給用戶界面控屡，向司機進行顯示；當需要司機進行操作時岁且，也通過該接口向車載設(shè)備進行信息發(fā)送阴默。Core Interface在用戶界面與車載設(shè)備之間建立起一個緩沖區(qū)，減少了兩者之間的相互耦合乃楣，提高了代碼的可維護性和可重用性稚补。

圖3 車載人機界面設(shè)計模型

從圖3中可以看出，View Controller負責在各個視圖問的切換調(diào)度框喳。它接收來自各個視圖的事件课幕。View Controller在系統(tǒng)中是非可視化的，它只負責協(xié)調(diào)各個視圖問的調(diào)用五垮。運用UML的順序圖可以對調(diào)度的過程進行描述(圖4)乍惊。

圖4 View Controller的調(diào)度順序圖

(3) 包和類的劃分和處理

對用況進行詳細的描述后，可以進一步對系統(tǒng)的功能模型和車載人機界面模型進行定義和描述放仗。UML提供了在設(shè)計初期描述對象總體框架的工具——包(package)润绎。包就是對象組，借助包圖诞挨，可以描述出系統(tǒng)的對象組之間的聯(lián)系莉撇，確定出系統(tǒng)對象集合之間的層次和結(jié)構(gòu) 包圖是用況圖歸納分類的結(jié)果，它往往可從用況圖直接導出惶傻。作為GUI模型中唯一直接與司機打交道的部分棍郎，視圖模塊包由配置界面其障、數(shù)據(jù)界面和操作界面三部分組成(圖5)。

圖5 視圖模塊包圖

對于包圖中的每一部分進一步分析可以得出類圖恃感。為了便于司機進行操作斜曾，在操作界面中，把相關(guān)的信息放在一起進行顯示侦需，分成了五個不同的類南椒。速度類向司機提供有關(guān)列車目標速度，允許速度座序，緩解速度和當前速度等相關(guān)速度信息估宏；計劃信息類提供司機選定的距離區(qū)域內(nèi)的提示信息例如車站的位置，坡度信息耗膊，起始位置信息芙卸，速度曲線相關(guān)信息和地理信息，并且能夠顯示最大限制曲線八察。列車進行制動時后摧，監(jiān)督距離信息類提供目標停車點的預告距離，干涉預告時問信息浙鞋。車載設(shè)備向司機發(fā)出的命令以及司機進行的人工干預咙驾，通過輔助駕駛信息類和監(jiān)測信息類來實現(xiàn)。每個類負責相關(guān)的信息顯示驼卖，在人機界面中分成了五個相對集中的部分氨肌。它們在的分布如圖6所示。

圖6 操作界面中功能模塊的分布圖

對每一個類酌畜，我們還應識別屬性和操作怎囚。操作界面類和Core Interface類的一些屬性和方法定義如圖7所示。

UML對面向?qū)ο笤O(shè)計的表述能力相當強大桥胞，可以較好地描述車載人機界面模型的各個層面恳守。通過UML用例圖可以很清晰地導出View Model，View Controller以及Core Interface贩虾。利用UML 的包圖和類圖對模型進行分解細化催烘。創(chuàng)建順序圖和活動圖描述了模塊之問的協(xié)作關(guān)系以及模塊內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序。車載人機界面的層次化和模塊化結(jié)構(gòu)可以較好地與UML各個粒度的設(shè)計工具相結(jié)合缎罢，較好地融入到整個軟件的設(shè)計過程中伊群。

3、列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的實現(xiàn)

Rose在構(gòu)造階段根據(jù)對象設(shè)計創(chuàng)建組件策精。組件圖顯示組件間的編譯相關(guān)性舰始，選擇每個組件的語言后，可以產(chǎn)生框架代碼。在此滋箫，我們采用c++這種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，并用Microsoft公司的Visual C++工具進行了軟件開發(fā)哩晕。

根據(jù)建立的GUI模型箕径，采用Visual c++中基于對話框的程序架構(gòu)來開發(fā)軟件系統(tǒng)。整個軟件系統(tǒng)由多個對話框(Dialogue)組成冯爷。View Model由多個Dialogue組成迅督，每個Dialogue分別表示不同的View。Dialogue之間的轉(zhuǎn)換昆畜，由View Controller來控制胃症，通過消息映射來完成這樣功能。

在開發(fā)過程中向瓶，首先根據(jù)包圖和類圖的描述對界面中的各種視圖進行實現(xiàn) 人機界面的視圖中操作界面是最重要也是最復雜的肢椅，下面以操作界面為例來說明開發(fā)的過程。首先利用Rational Rose自動生成表示模型代碼的能力脱每，可以產(chǎn)生操作界面的框架代碼害唧，將圖7中描述的操作界面類轉(zhuǎn)化為用c++描述的代碼，操作界面基類和各個子類得到了很好的封裝忽孽，保證了代碼與對象模型的同步性绑改。有了界面的框架代碼，我們只需要在函數(shù)體中兄一。添加實現(xiàn)具體功能的代碼就可以了厘线，采用這種方法避免了設(shè)計人員與實現(xiàn)人員之間的理解偏差，提高了軟件的整體性出革。

圖7 操作界面和Core Interface類圖

接下來分別對操作界面中的五個子類進行實現(xiàn)造壮。在實現(xiàn)時，要充分結(jié)合上文論述的人機界面原則蹋盆，例如在輔助駕駛信息類中顯示當前命令和提示以及系統(tǒng)狀態(tài)時费薄，遇到要求司機進行操作，將用黃色顯示并加上一個黃色閃爍的邊框栖雾。當操作正確時楞抡，閃爍停止。在情況發(fā)生后(如離開隧道)或情況開始后(當列車的前端通過命令或提示指出的位置后析藕，如降低受電弓)召廷，命令或提示符號從這個區(qū)域被刪除。當操作不正確時诱紫，符號以紅色顯示并加上一個紅色不閃爍的邊框二焰，直到命令被正確回應為止。這樣可以利于司機及時觀察到提示信息，采取相應的措施谣旨。

考慮到界面可理解性和美觀性的需要泌位，在計劃信息類內(nèi)，采用了特定的圖形符號來表示命令和提示信息與速度曲線信息尘蟋，同時 司機可以激活圖形符號來獲取第二層信息酒妄。在表示距離時，應用對數(shù)表示距離范圍巍也。因為用純對數(shù)無法顯示接近零的距離值蜜硫，所以在O到100之間線性插值。圖8為駕駛操作界面兵蟹。

圖8 駕駛操作界面

View內(nèi)部的動作以及與司機之間進行的交互以消息響應為基礎(chǔ)谚碌，通過消息響應過程對用戶事件進行處理。例如操作界面收到車載設(shè)備發(fā)出的制動消息后笆抱，觸發(fā)位于操作界面左上方的制動信息類信息顯示广料。干涉預告時間顯示在屏幕左上角的正方形區(qū)域內(nèi)。正方形的尺寸按照距離干涉的時間進行相應的動態(tài)變化幼驶。豎直的矩形條用來指示距離列車將要停車點的預告距離(見圖9)性昭。

圖9 制動時的操作界面

按照同樣的方法，可以對View Model中其他的View進行開發(fā)县遣。在View Model的基礎(chǔ)上糜颠，為了實現(xiàn)不同View之間的交互，根據(jù)活動圖和調(diào)度順序圖的描述萧求， 來實現(xiàn)View Controller的功能其兴。View Controller對不同View的調(diào)度如圖l0所示。司機首先對界面的參數(shù)進行設(shè)置夸政，接下來通過數(shù)據(jù)輸入界面對列車的初始數(shù)據(jù)進行配置 配置完成后元旬，進行確認，進入駕駛操作界面守问。當司機需要查看或者從新配置初始數(shù)據(jù)時匀归，也可以根據(jù)狀態(tài)圖的描述在不同的View間相互轉(zhuǎn)換。

對于GUI模型中Core Interface耗帕，在程序中建立了專用的緩沖區(qū)來實現(xiàn)毯舞，緩沖區(qū)中設(shè)置了不同的容器(Vector)來存放View與車載設(shè)備之間交互的數(shù)據(jù)。車載設(shè)備把列車相關(guān)信息存放在Vector中番艳，用戶界面可以從這里提取相應的數(shù)據(jù)進行顯示沥院。因為空間的原因，某些信息不能完全表示在操作界面中尚和。例如檢測信息區(qū)域可能不能夠完全顯示出檢測信息類中的信息篇胰。Core Interface可以使用戶通過功能鍵從Vector中選擇相應的信息顯示泳唇，避免了重要的信息被忽略或覆蓋，提高了代碼的完整性殃描。

圖10 初始數(shù)據(jù)輸入界面

4夜勋、結(jié)論

本文深入分析了列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面所要實現(xiàn)的功能，設(shè)計了一種能夠很好的完成需求的GUI模型扒哩。這種模型為車載人機界面的需求分析趋大、界面結(jié)構(gòu)化和層次化設(shè)計，以及界面動態(tài)交互任務設(shè)計提供了逐步細化的設(shè)計框架咏肠。

在建模過程中，使用UML及其工具Rational Rose建立了靜態(tài)模型和動態(tài)模型的各種視圖相种，描述了系統(tǒng)的功能需求威恼、功能流程、類的結(jié)構(gòu)與關(guān)系寝并、對象之間的交互箫措。對軟件進行了整體的規(guī)劃和設(shè)計，有效地彌合界面設(shè)計與核心應用之間的分歧衬潦，提高了軟件設(shè)計的質(zhì)量和效率斤蔓，減少了設(shè)計人員對需求的理解偏差、設(shè)計人員之間的理解偏差镀岛，以及設(shè)計人員與實現(xiàn)人員之間的理解偏差弦牡，提高了設(shè)計的一致性、完整性和可維護性漂羊。這種方法的優(yōu)勢驾锰，在對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的實現(xiàn)過程中充分的顯示了出來。

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