軟件設(shè)計模式在鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 雋 張 輝

軟件設(shè)計模式在鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 雋*張 輝**

介紹設(shè)計模式的概念以及封裝變化的思想,結(jié)合鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)的特點(diǎn),詳細(xì)說明了工廠方法、觀察者和單件模式的典型應(yīng)用場景,以及設(shè)計模式的綜合應(yīng)用。

設(shè)計模式;鐵路調(diào)度指揮;系統(tǒng)

1 軟件設(shè)計模式

軟件設(shè)計模式(Design Patterns)是為解決軟件開發(fā)領(lǐng)域中多種重復(fù)出現(xiàn)的經(jīng)典問題而提出的解決方案,是面向?qū)ο缶幊探?jīng)驗(yàn)的總結(jié),是軟件設(shè)計技巧中最重要的方法和原則。軟件設(shè)計需要應(yīng)付不斷變化的需求,項目開發(fā)需要不斷的反復(fù)修改更新,解決之道就是封裝變化。設(shè)計模式是“封裝變化”思想的最佳闡釋,就是尋找軟件中可能存在的“變化”,然后利用抽象對這些變化進(jìn)行封裝。由于抽象沒有具體的實(shí)現(xiàn),代表了一種無限的可能性,使得軟件系統(tǒng)能夠以擴(kuò)展的方式滿足未來的需求變化。

鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)屬于企業(yè)級綜合性應(yīng)用系統(tǒng),包括信息化管理和實(shí)時執(zhí)行控制2大部分,即“管控結(jié)合”、“運(yùn)維融合”類型的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。其主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施監(jiān)視與控制,各類調(diào)度指揮計劃的編制、調(diào)整、執(zhí)行與反饋,以及調(diào)度系統(tǒng)自身的狀態(tài)維護(hù)。目前,中國鐵路已進(jìn)入高速發(fā)展時代,規(guī)章制度、指揮流程、調(diào)度崗位、線路、車輛總在變化,因此鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)也要與時俱進(jìn),適應(yīng)變化。這也恰好契合了軟件開發(fā)領(lǐng)域“擁抱變化”的主題。

設(shè)計模式從創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)、行為三方面提出了封裝變化的方案,而鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)經(jīng)常要面對設(shè)備種類與數(shù)量的變更、流程的改善、自身部署規(guī)模的增加。因此設(shè)計模式在鐵路專業(yè)軟件開發(fā)領(lǐng)域是有合適的切入點(diǎn)的。

筆者有幸參與過一些鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)項目,其中包括列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)、分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)、客運(yùn)專線運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)(TDS)、編組站綜合自動化系統(tǒng)(SAM)、動車基地調(diào)度集中系統(tǒng)(ACS)。下面總結(jié)設(shè)計模式在鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)中的一些典型應(yīng)用,與大家分享經(jīng)驗(yàn)。

2 設(shè)計模式的實(shí)際應(yīng)用

2.1 工廠方法模式(Factory M ethod)

工廠方法屬于創(chuàng)建型設(shè)計模式,用于封裝對象創(chuàng)建所引起的可能變化。工廠方法模式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工廠方法模式結(jié)構(gòu)

意圖:定義一個用于創(chuàng)建對象的接口,讓子類決定實(shí)例化哪一個類。工廠方法使一個類的實(shí)例化延遲到其子類。

適用性:當(dāng)一個類不知道其所必須創(chuàng)建的對象類的時候;當(dāng)一個類希望由其子類來指定所創(chuàng)建對象的時候;當(dāng)類將創(chuàng)建對象的職責(zé)委托給多個幫助子類中的某一個,并且希望將哪個幫助子類是代理者這一信息局部化的時候。

準(zhǔn)確的說,工廠方法模式是將創(chuàng)建對象實(shí)例的責(zé)任轉(zhuǎn)移到工廠類中,并利用抽象的原理將實(shí)例化行為延遲到具體工廠類。在鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)中,對設(shè)備的管理是一項主要功能,因而在軟件中創(chuàng)建設(shè)備對象就是實(shí)施管理的第一步。

在SAM系統(tǒng)中,電務(wù)維護(hù)服務(wù)器軟件需要從局域網(wǎng)中接收大量各種類型設(shè)備和操作的實(shí)時信息,在進(jìn)行歸類整理并生成數(shù)據(jù)對象后,或存儲,或轉(zhuǎn)發(fā),或圖形化展示。由于設(shè)備類型、操作內(nèi)容會隨用戶需求的發(fā)展而變化,為了將變化給軟件修改和維護(hù)帶來的影響減少至最低程度,應(yīng)該采用工廠方法對生成數(shù)據(jù)對象這一過程進(jìn)行封裝。

圖2中的CCodeData、COperationData和CStatusData分別代表聯(lián)鎖碼位信息類、用戶操作信息類和設(shè)備狀態(tài)信息類,工廠方法通過對應(yīng)的CCodeDataFactory、COperationDataFactory和CStatusData-Factory這些工廠類以抽象方法來創(chuàng)建具體的信息類對象。再結(jié)合反射、配置文件、表啟動法等輔助技術(shù),最終就可以徹底達(dá)到解除對具體對象依賴的目標(biāo)。

圖2 SAM系統(tǒng)中的工廠方法模式類圖

假設(shè)未來需要電務(wù)維護(hù)服務(wù)器接收并處理一種新類型的實(shí)時信息,那么只需為其增加一個CData-Base的子類和一個對應(yīng)的CDataFactoryBase子類即可,軟件的其他部分無需改動。

2.2 觀察者(Observer)模式

觀察者屬于行為型設(shè)計模式,對可能變化的行為進(jìn)行抽象,通過封裝達(dá)到整個架構(gòu)的可擴(kuò)展性。圖3是觀察者模式結(jié)構(gòu)。

意圖:定義對象間的一種一對多的依賴關(guān)系,當(dāng)一個對象的狀態(tài)發(fā)生改變時,所有依賴于它的對象都得到通知并被自動更新。

圖3 觀察者模式結(jié)構(gòu)

適用性:當(dāng)一個抽象模型有2個方面,其中一個方面依賴于另一方面,將這二者封裝在獨(dú)立的對象中,以使它們可以各自獨(dú)立地改變和復(fù)用;當(dāng)一個對象的改變需要同時改變其他對象,而不知道具體有多少對象有待改變;當(dāng)一個對象必須通知其他對象,而它又不能假定其他對象是誰。換言之,不希望這些對象是緊密耦合的。

觀察者模式中最關(guān)鍵的一點(diǎn)是需要對觀察者角色進(jìn)行抽象,解除觀察者與被觀察者之間的依賴關(guān)系。此外,被觀察者即主體(Subject)角色,還需要維護(hù)一個集合對象,它是一個觀察者對象的列表集合,在消息通知時,被觀察者將遍歷該集合內(nèi)的觀察者對象,并調(diào)用它們的相關(guān)方法。

在.NET框架中,由于引入了委托與事件機(jī)制,為實(shí)現(xiàn)觀察者模式提供了一個更簡捷的方案。事件的發(fā)布者就是主體角色;事件的訂閱者則為觀察者角色。

在調(diào)度指揮系統(tǒng)的用戶需求中,要求系統(tǒng)軟件對鐵路設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行不間斷監(jiān)視,比如在部署CTCS-2級和CTCS-3級列控系統(tǒng)的線路上,TDCS、CTC和ACS等系統(tǒng)都能夠動態(tài)顯示列控中心的綜合狀態(tài)。需求分析的結(jié)果是,系統(tǒng)終端能夠收到列控中心發(fā)來的狀態(tài)信息;依據(jù)狀態(tài)信息在相關(guān)窗體界面上查找到對應(yīng)的控件;找到控件后,根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)信息修改控件的顏色。

這里存在一個問題:終端應(yīng)該在更新時查詢窗體是否已被關(guān)閉,如果已關(guān)閉則無需查找并更新控件。但是,這樣勢必要增加狀態(tài)信息處理模塊對窗體模塊的依賴關(guān)系,這是軟件設(shè)計者不希望看到的情況。如果使用觀察者模式來實(shí)現(xiàn)這一功能,就會大大減弱這種依賴關(guān)系,達(dá)到事半功倍的效果。

綜合狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊是主體,其中定義了更新事件,并能夠主動引發(fā)事件;監(jiān)視窗體是觀察者,能夠主動訂閱/取消訂閱更新事件,而被動接收事件通知來更新顯示內(nèi)容。二者之間具體的交互過程:監(jiān)視窗體會在啟動后訂閱更新事件,在關(guān)閉前取消訂閱;通信模塊依據(jù)收到的狀態(tài)信息來更新數(shù)據(jù)模塊,然后調(diào)用數(shù)據(jù)模塊中的事件引發(fā)方法;事件被引發(fā)后,訂閱事件的窗體即獲得了通知,它會按照數(shù)據(jù)模塊中的內(nèi)容來刷新控件顯示;無論窗體是否啟動,通信模塊都要更新數(shù)據(jù)模塊,如果窗體未啟動或者已關(guān)閉,事件對象維護(hù)的觀察者列表中就沒有記錄,因此事件通知就不會發(fā)給窗體。

從上述過程中可以看出,通信模塊和數(shù)據(jù)模塊根本不需要知道窗體是否存在,這樣就達(dá)到了解耦依賴關(guān)系,以及動態(tài)確定是否刷新控件的目的。

2.3 單件模式(Singleton)

單件屬于創(chuàng)建型設(shè)計模式,它是將創(chuàng)建單件對象的實(shí)現(xiàn)邏輯封裝起來。圖4是單件模式結(jié)構(gòu)。

意圖:保證一個類僅有一個實(shí)例,并提供一個訪問它的全局訪問點(diǎn)。

適用性:當(dāng)類只能有一個實(shí)例,而且客戶可以從一個眾所周知的訪問點(diǎn)訪問時;當(dāng)這個惟一實(shí)例應(yīng)該是通過子類化可擴(kuò)展的,并且客戶應(yīng)該無需更改代碼就能使用一個擴(kuò)展的實(shí)例時。

單件模式將那些可能重復(fù)的實(shí)現(xiàn)邏輯封裝為方法或單獨(dú)的類,則可以避免因這些實(shí)現(xiàn)的變化而導(dǎo)致代碼所謂“霰彈式修改”(Shotgun Surgery)。

鐵路領(lǐng)域的許多設(shè)備是惟一標(biāo)識的,在調(diào)度指揮系統(tǒng)中對應(yīng)的映像也應(yīng)該具有惟一性,調(diào)度指揮系統(tǒng)也需要對一類資源或數(shù)據(jù)以獨(dú)占的方式進(jìn)行使用。在這2個場景中,都可以用到單件模式。

調(diào)度指揮系統(tǒng)一般都提供語音提示功能,而且系統(tǒng)中的不同功能模塊都需要向使用者發(fā)出語音提示,比如聯(lián)鎖和列控設(shè)備的管理模塊要廣播設(shè)備報警信息,調(diào)度作業(yè)模塊要播放執(zhí)行進(jìn)度。為了避免互相干擾,不同模塊的語音提示不能同時并發(fā)播出,而應(yīng)該按照一定的優(yōu)先級順序播出。

為滿足上述需求,應(yīng)該為系統(tǒng)設(shè)計一個以單件形式存在的通用語音提示模塊。所有需要播出語音提示的模塊都通過惟一的訪問點(diǎn)來調(diào)用它,并且要由該模塊獨(dú)立地維護(hù)多條語音提示的播放時機(jī)和順序。如果未來對語音提示有新的需求,只需對這個單一的通用模塊進(jìn)行修改即可。

在.NET平臺上,可以運(yùn)用靜態(tài)類、靜態(tài)數(shù)據(jù)成員,結(jié)合靜態(tài)構(gòu)造器的初始化能力來實(shí)現(xiàn)單件模式。如果再輔以多線程技術(shù),就可以得到一個具備后臺播放功能的通用語音提示模塊。

3 設(shè)計模式綜合應(yīng)用

為了應(yīng)對某個復(fù)雜的需求,有時需要將多種設(shè)計模式組合起來,形成復(fù)合的設(shè)計模式。這個過程需要根據(jù)項目的實(shí)際需求,逐步演化設(shè)計。

SAM系統(tǒng)電務(wù)維護(hù)服務(wù)器中,不僅應(yīng)用了工廠方法設(shè)計模式,而且為了確保那些具體的工廠類具有惟一的訪問點(diǎn),節(jié)省計算資源,可以對這些工廠類施加單件模式。同樣地,在采用觀察者模式設(shè)計的列控中心綜合狀態(tài)數(shù)據(jù)模塊上,也可以疊加單件模式,這樣就能夠保證列控中心在系統(tǒng)中具有惟一的映像。

4 結(jié)束語

學(xué)習(xí)并使用設(shè)計模式是為了改善設(shè)計,讓軟件能夠經(jīng)受需求不斷變化的考驗(yàn)。設(shè)計模式不是衡量軟件開發(fā)者水平的一把標(biāo)尺,不用設(shè)計模式同樣可以做出好的設(shè)計。不過,若能掌握并合理運(yùn)用設(shè)計模式,對提高設(shè)計能力、增強(qiáng)鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性是非常有益的。

[1] 張逸.軟件設(shè)計精要與模式.第2版[M].北京:電子工業(yè)出版社.

[2] Eric Gamma,Richard Helm,Ralph Johnson,John Vlissides(GOF)著.李英軍等譯.設(shè)計模式——可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[3] Martin Fowler.UML Distilled:A Brief Guide to the Standard Object Modeling Language(3rd Edition).Addison-Wesley.

[4] Martin Fowler.Refactoring:Improving the Design of Existing Code.Addison-Wesley

[5] JAVA愛好者h(yuǎn)ttp://www.javafan.net.

[6] Jeffrey Richter著.李建忠譯.Microsoft.NET框架程序設(shè)計(修訂版)[M].北京:清華大學(xué)出版社.

[7] Daniel Solis著.Illustrated C#2008.Apress

The authors firstly introduced the concept of design patterns and the thoughtof change of encapsulation.Based on the features of railway dispatching＆command systems,the model scenario of three design patterns,namely factory method,observer,and singleton were illustrated and the synthetic application of design patterns were dealtwith.

Design Patterns;Railway Dispatching＆Command;System

中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所 100081 北京

*助理研究員 **研究實(shí)習(xí)員

2011-01-21

(責(zé)任編輯:諸紅)