基于SCADE 的計算機聯(lián)鎖軟件開發(fā)研究

張 恬

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043）

計算機聯(lián)鎖（CBI，Computer Based Interlocking）系統(tǒng)通過技術(shù)手段建立信號機、軌道電路以及進路上道岔之間的相互制約關(guān)系[1]。隨著鐵路信號工程的集成化發(fā)展，CBI 系統(tǒng)接入和控制的設(shè)備種類不斷增加。目前，城市軌道交通的CBI 系統(tǒng)增加了屏蔽門、防淹門、車庫門等設(shè)備與接口，高速鐵路的CBI 系統(tǒng)增加了與列控中心（TCC）的接口[2]，以及與相鄰車站CBI 系統(tǒng)[3]等的信息交互接口。不斷擴展的功能要求使得CBI 系統(tǒng)軟件復(fù)雜度日益增加，給CBI系統(tǒng)的軟件開發(fā)和維護帶來很大的壓力。

CBI 系統(tǒng)應(yīng)工作可靠，符合故障-安全原則，滿足GB/T 28809-2012 規(guī)定的SIL4 安全等級要求[4]；其安全性除了依靠采用冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)硬件，還應(yīng)注重其軟件的安全性[5]。

高安全性應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境（SCADE，Safety Critical Application Development Environment）是由法國研制的一個高安全性應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，提供了一套由模型驅(qū)動的軟件開發(fā)工具包。目前，SCADE被廣泛應(yīng)用于高安全性需求的應(yīng)用領(lǐng)域，例如航空、軌道交通、核電等。近年來，SCADE 開始應(yīng)用于國內(nèi)鐵路行業(yè)信息系統(tǒng)開發(fā)。文獻[6] 對基于SCADE的安全軟件開發(fā)方法展開研究，文獻[7] 研究并實現(xiàn)了基于SCADE 的聯(lián)鎖列控一體化系統(tǒng)，文獻[8] 提出采用SCADE 實現(xiàn)閉塞分區(qū)邏輯功能的建模。

本文基于SCADE 的軟件開發(fā)流程，依據(jù)CBI 系統(tǒng)的軟件需求規(guī)約，研究利用SCADE 進行CBI 系統(tǒng)軟件的開發(fā)。

1 基于SCADE 的軟件開發(fā)流程簡介

SCADE 是一種由模型驅(qū)動的軟件開發(fā)方法，軟件開發(fā)過程圍繞形式化模型展開。為保證模型滿足功能需求，在各個開發(fā)階段可對所建立的模型進行仿真和驗證，避免功能實現(xiàn)出現(xiàn)偏離。

基于SCADE 的軟件開發(fā)流程見圖1 所示。

圖1 基于SCADE 的軟件開發(fā)流程

SCADE 提供了一組支持工具，覆蓋從軟件需求分析到代碼實現(xiàn)、驗證測試全過程的軟件開發(fā)工作，方便開發(fā)人員驗證模型實現(xiàn)的正確性。其中，SCADE Architect 為系統(tǒng)建模與驗證工具，SCADE Suite 為基于模型的控制軟件建模、仿真、驗證和自動代碼生成工具，SCADE Test 為模型級自動化測試工具，SCADE Simulation MTC 為模型覆蓋率測試和分析工具。SCADE 可根據(jù)經(jīng)過驗證的模型自動生成代碼，支持自動化單元測試。因此，在SCADE 環(huán)境下，軟件開發(fā)的核心工作是軟件需求規(guī)約和設(shè)計，軟件開發(fā)人員采用直觀的、易于理解的圖形化方式完成需求建模和軟件設(shè)計；此外，集成測試和系統(tǒng)測試是通過基于軟件結(jié)構(gòu)的覆蓋率分析和嚴格的形式化驗證實現(xiàn)，可保證軟件實現(xiàn)的正確性。

2 CBI 系統(tǒng)軟件需求規(guī)約

2.1 CBI 系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)功能

CBI 系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)視和控制進路上相關(guān)設(shè)備按照一定約束和程序動作，進而自動完成進路控制。信號機、道岔、軌道電路是主要室外設(shè)備，室內(nèi)設(shè)備主要包括人機交互層、聯(lián)鎖控制層及I/O 接口層[9]。CBI 通過車站室外現(xiàn)場設(shè)備、TCC 及調(diào)度集中（CTC）等其它子系統(tǒng)提供的信息進行邏輯運算，再向車站室外控制設(shè)備輸出控制指令，并將安全信息傳送給TCC 等其它子系統(tǒng)。CBI 系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)功能描述見表1。

表1 CBI 系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)功能

2.2 CBI 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

CBI 系統(tǒng)分為邏輯運算層、平臺層、子系統(tǒng)接口層，聯(lián)鎖軟件的開發(fā)主要是實現(xiàn)邏輯運算層。

對于具體的CBI 車站，車站配置的其它信號設(shè)備或有不同，如CTC、TCC、信號集中監(jiān)測（CSM）系統(tǒng)等。為此，除了實現(xiàn)通用基礎(chǔ)功能的處理邏輯，還需定義其具體的外部系統(tǒng)接口邏輯，形成適用于本站工程環(huán)境的CBI 邏輯。CBI 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 CBI 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意

3 基于SCADE 的CBI 系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 系統(tǒng)建模及控制軟件建模

CBI 系統(tǒng)由室外現(xiàn)場設(shè)備的輸入驅(qū)動，且需要與CTC、TCC 進行實時通信，是一種典型的面向數(shù)據(jù)流和變化傳播的反應(yīng)式系統(tǒng)。對于這樣的系統(tǒng)，系統(tǒng)建模不僅需要考慮系統(tǒng)各個狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，還需考慮在同一步驟中狀態(tài)與環(huán)境之間復(fù)雜的約束關(guān)系，CBI 系統(tǒng)的總體功能模型如圖3 所示。

圖3 CBI 系統(tǒng)總體功能模型

總體功能采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計，按照基礎(chǔ)功能可劃分為進路控制模塊、信號控制模塊、道岔控制模塊，各個子功能模塊間相互獨立。邏輯處理模塊通過對子功能模塊接口函數(shù)的調(diào)用來完成各模塊的輸入、輸出和邏輯處理，實現(xiàn)聯(lián)鎖基礎(chǔ)邏輯功能。

SCADE 提供數(shù)據(jù)流圖和安全狀態(tài)機2 種圖形化建模方法[9-10]。其中，數(shù)據(jù)流圖是一種基于LUSTRE語言的建模語言，以圖形化方式展現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動和處理過程，主要用于連續(xù)性系統(tǒng)的建模。安全狀態(tài)機是一種基于同步假設(shè)的可視化建模語言，能直觀的描述系統(tǒng)控制流和邏輯判定功能，主要用于離散系統(tǒng)的建模。

以進路鎖閉模塊為例，在SCADE 中建立其對應(yīng)的數(shù)據(jù)流圖模型，包括“鎖閉檢查”和“鎖閉執(zhí)行”2 部分。其中，進路鎖閉檢查數(shù)據(jù)流見圖4。

圖4 進路鎖閉檢查數(shù)據(jù)流

在鎖閉條件檢查階段，重復(fù)檢查進路上各個控制對象的狀態(tài)，要求軌道電路區(qū)段處于空閑狀態(tài)、所有道岔位置正確、本咽喉區(qū)沒有建立敵對進路，且另一咽喉區(qū)也沒有建立迎面敵對進路。在圖4 中，輸入的現(xiàn)場道岔、敵對信號、道岔及照查數(shù)據(jù)，分別 由CheckSecZy、Check Opp Signal Open、Check Switch Position 完成邏輯運算后，輸出結(jié)果Lock Con；若Lock Con=ture，表示滿足進路鎖閉條件；反之，表示進路鎖閉條件不滿足。

鎖閉執(zhí)行功能的狀態(tài)圖如圖5 所示，包含初始狀態(tài)（init）、進路鎖閉成功（RouteLockSucc）、進路鎖閉失?。≧outeLockfail）3 個狀態(tài)。

圖5 進路鎖閉執(zhí)行功能的狀態(tài)

當(dāng)進路鎖閉條件滿足，轉(zhuǎn)移到RouteLockSucc 狀態(tài)，同時將進路標(biāo)志設(shè)置為信號開放（opening），并將信號機、道岔、區(qū)段鎖閉到規(guī)定位置，發(fā)送進路鎖閉成功命令（LockSuccess）；當(dāng)進路鎖閉條件不滿足（LockCon==false），則轉(zhuǎn)移到RouteLockfail狀態(tài)，發(fā)送進路鎖閉失敗命令。

3.2 代碼生成及模型覆蓋率分析

SCADE Simulation MTC 可檢查和分析狀態(tài)圖和數(shù)據(jù)流圖模型具體實現(xiàn)的需求以及未覆蓋的需求。以聯(lián)鎖邏輯模型中的任意節(jié)點為例，對該節(jié)點進行MTC 覆蓋率分析。當(dāng)節(jié)點插裝完畢后，運行一個周期，得到該節(jié)點初始測試用例結(jié)果的MTC 覆蓋率分析情況。按照MC/DC 覆蓋準則，需增加7 個輸入條件分別有且僅有一個為假的情況，依據(jù)提示信息增加或修改測試案例，最終使得覆蓋率達到100%。測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 SCADE Suite 測試結(jié)果

SCADE Suite 中KCG 工具能夠自動生成聯(lián)鎖系統(tǒng)工程的C 語言代碼，如圖7 所示。C 語言代碼覆蓋系統(tǒng)模型的所有輸入、輸出和功能邏輯，保證模型與代碼的一致性。

圖7 SCADE Suite 中KCG 工具自動生成的C 語言代碼文件

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的CBI 軟件開發(fā)方法中，需求規(guī)約、概要設(shè)計與詳細設(shè)計多為自然語言描述，易出現(xiàn)定義模糊和二義性問題，且軟件開發(fā)以耗時費力的代碼編寫和測試為主，代碼的準確性和可讀性難以保證，加重后期維護的難度。此外，單元測試和集成測試需要借助第三方驗證工具和編寫大量測試用例，工作量大，存在驗證不充分的問題。

SCADE 提供的開發(fā)工具涵蓋需求管理、模型建立、模型驗證、代碼生成、驗證測試全過程，開發(fā)過程清晰、直觀、連貫；利用SCADE 開發(fā)軟件，開發(fā)工作的重點集中在前期階段，且確認工作與開發(fā)過程能夠同步進行，支持V 模型軟件快速開發(fā)模式，幫助開發(fā)人員有效管控軟件開發(fā)風(fēng)險；SCADE 代碼生成器可快速產(chǎn)生面向工程的C 語言代碼，自動生成的代碼規(guī)范、可讀性好，且可追溯。

經(jīng)過初步測試驗證，利用SCADE 工具開發(fā)的CBI 系統(tǒng)軟件功能符合預(yù)期，可大幅縮短開發(fā)時間。