基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)研究

劉愛(ài)群，于 健，王 瑞，陳廣泰，杜海賓

（中國(guó)中車股份有限公司 中車大連機(jī)車研究所有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

伴隨著軌道交通行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，鐵路機(jī)車及其系統(tǒng)設(shè)備的綜合化、智能化、復(fù)雜程度不斷提升，系統(tǒng)設(shè)備種類更全、功能更完善，鐵路行業(yè)保有的機(jī)車種類越來(lái)越多、機(jī)車數(shù)量持續(xù)增加，所需維護(hù)的機(jī)車車載系統(tǒng)、設(shè)備及其應(yīng)用軟件的數(shù)量更加龐大，維護(hù)管理和運(yùn)用保障成本持續(xù)增長(zhǎng)。

近年來(lái)，在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的引領(lǐng)下信息技術(shù)日新月異，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征的信息化浪潮蓬勃興起，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用逐漸成為驅(qū)動(dòng)行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要方式，借助先進(jìn)技術(shù)、方案或平臺(tái)可以創(chuàng)造新的價(jià)值、體現(xiàn)新的發(fā)展生態(tài)。鐵路機(jī)車系統(tǒng)或設(shè)備應(yīng)用軟件的維護(hù)管理及保障工作同樣可以借助成熟的先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用高效便捷的通信方式和安全可靠的管理工具來(lái)開(kāi)展，這不僅能夠提高運(yùn)營(yíng)管理與運(yùn)用維護(hù)技術(shù)水平，而且顯著提高工作效率、降低相應(yīng)成本投入。

目前，鐵路機(jī)務(wù)部門對(duì)于機(jī)車車載應(yīng)用軟件的管理與維護(hù)主要采用分散控制管理和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用維護(hù)的傳統(tǒng)方式進(jìn)行，該方式按照機(jī)車型號(hào)與車載設(shè)備功能將各種應(yīng)用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單分類，并依據(jù)分類指派不同的機(jī)務(wù)人員分別開(kāi)展軟件版本記錄與跟蹤管理工作，涉及軟件修改、升級(jí)等維護(hù)工作時(shí)，則需要機(jī)務(wù)部門和軟件供應(yīng)廠商在獲得授權(quán)并做好安全防護(hù)的前提下，在機(jī)務(wù)整備現(xiàn)場(chǎng)對(duì)目標(biāo)機(jī)車設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)軟件維護(hù)處理。由于不同管理機(jī)構(gòu)的軟件控制管理要求不同、不同人員的工作習(xí)慣也存在差異，導(dǎo)致應(yīng)用軟件的記錄管理方式、運(yùn)用維護(hù)操作流程各不相同，無(wú)法做到有效統(tǒng)一集中管控。此外，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用維護(hù)需要多部門、多人員投入，消耗較大的人力、物力和時(shí)間成本，且現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境條件隱藏著巨大的人員安全隱患。針對(duì)以上問(wèn)題，基于成熟軟件版本Git 控制技術(shù)，提出一種機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)，從根本上改善運(yùn)用管理現(xiàn)狀。

1 Git 概述與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

Git 是一個(gè)開(kāi)源的分布式版本控制系統(tǒng)[1]，能夠高效、快速地處理各種軟件版本管理任務(wù)，早期主要應(yīng)用在Linux 內(nèi)核的軟件開(kāi)發(fā)管理過(guò)程中。其文件組織管理操作方便，邏輯控制流程清晰，控制功能命令豐富且易于操作。

基于分布式設(shè)計(jì)理念，Git 版本控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)和本地管理系統(tǒng)組成。遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)一般部署到地面統(tǒng)一管理服務(wù)器上，管理人員依據(jù)具體業(yè)務(wù)需求建立對(duì)應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)框架，繼而開(kāi)展不同功能、不同版本軟件產(chǎn)品的存儲(chǔ)和管理工作，為整個(gè)系統(tǒng)相互間的文件數(shù)據(jù)共享、操作管控和維護(hù)跟蹤提供統(tǒng)一平臺(tái)；本地管理系統(tǒng)以較少的資源占用在應(yīng)用設(shè)備系統(tǒng)環(huán)境中構(gòu)建軟件版本管理服務(wù)，用戶通過(guò)該服務(wù)提供的版本控制命令來(lái)實(shí)現(xiàn)本地系統(tǒng)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)的文件同步管理與維護(hù)工作。

較SVN，VSS，CVS 等版本控制系統(tǒng)而言，Git 版本控制系統(tǒng)主要具有4 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①服務(wù)的部署、安裝更加簡(jiǎn)單，操作更加便捷，更容易理解；②部分控制功能在本地管理系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，減輕了遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的訪問(wèn)壓力；③相同帶寬通路下服務(wù)通信響應(yīng)速度更加快速；④支持離線管理維護(hù)操作。

與傳統(tǒng)的鐵路機(jī)車車載應(yīng)用軟件管理與維護(hù)方式相比，Git 版本控制系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)勢(shì)：①便于實(shí)施更加統(tǒng)一性、規(guī)范化的應(yīng)用軟件控制與運(yùn)用維護(hù)管理流程；②提供包括用戶權(quán)限、訪問(wèn)權(quán)限、數(shù)據(jù)加密等多重安全訪問(wèn)機(jī)制；③具有應(yīng)用軟件版本回溯、軟件信息查詢等功能；④管理與維護(hù)時(shí)的工作環(huán)境更安全，同時(shí)降低資源成本開(kāi)銷。

綜合Git 版本控制系統(tǒng)自身安全性、快速性、便捷性等特點(diǎn)，基于該技術(shù)設(shè)計(jì)的集中控制系統(tǒng)在機(jī)車車載應(yīng)用軟件管理與維護(hù)方面的應(yīng)用，將有效解決當(dāng)前鐵路機(jī)車應(yīng)用軟件維護(hù)管理方式存在的無(wú)法統(tǒng)一管理和運(yùn)用維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題。

2 基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)采用軟件版本Git 管理服務(wù)來(lái)提供應(yīng)用軟件版本管理的核心業(yè)務(wù)處理功能[1]，運(yùn)用分布式控制模型框架搭建相應(yīng)的地面Web 服務(wù)，結(jié)合成熟穩(wěn)定的無(wú)線通信技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)機(jī)車車載系統(tǒng)或設(shè)備應(yīng)用軟件的集中統(tǒng)一管理和運(yùn)用維護(hù)工作。該系統(tǒng)主要由車載控制子系統(tǒng)和地面綜合管理服務(wù)器2 個(gè)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 System composition diagram

車載控制子系統(tǒng)是對(duì)機(jī)車車載系統(tǒng)或設(shè)備的應(yīng)用軟件進(jìn)行集中維護(hù)管理的終端執(zhí)行部分。利用既有鐵路無(wú)線通信平臺(tái)，車載控制子系統(tǒng)同地面綜合管理服務(wù)器進(jìn)行雙向交互。通過(guò)控制指令解析、應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)收發(fā)、軟件維護(hù)執(zhí)行等操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的維護(hù)管理工作。該子系統(tǒng)既可作為一個(gè)獨(dú)立的車載設(shè)備存在，也可作為一個(gè)模塊集成到其他車載系統(tǒng)或設(shè)備中。

地面綜合管理服務(wù)器由分布式Git 版本控制服務(wù)單元、安全防火墻單元、運(yùn)行維護(hù)管理單元和數(shù)據(jù)處理中心組成。地面綜合管理服務(wù)器組成如圖2 所示。該服務(wù)器具有高性能、雙冗余、校驗(yàn)容錯(cuò)、高網(wǎng)絡(luò)防護(hù)等級(jí)等特征，為機(jī)車車載系統(tǒng)或設(shè)備提供高效、安全、穩(wěn)定的軟件升級(jí)、軟件檢測(cè)和軟件回溯等功能服務(wù)[2]，可實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域劃分、不同型號(hào)機(jī)車、同型號(hào)不同編號(hào)機(jī)車、同一機(jī)車不同車載設(shè)備的應(yīng)用軟件的日常運(yùn)用維護(hù)及軟件版本集中控制管理。

圖2 地面綜合管理服務(wù)器組成Fig.2 System composition about local management server

鐵路無(wú)線通信平臺(tái)是車地?zé)o線通信的橋梁，依托現(xiàn)有先進(jìn)無(wú)線通信技術(shù)，為地面綜合管理服務(wù)器與車載控制子系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的雙向無(wú)線通信交互通道服務(wù)。無(wú)線通信平臺(tái)以獨(dú)立模塊的形式對(duì)外提供3 種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式，分別為GSM-R 鐵路移動(dòng)通信專用網(wǎng)絡(luò)、5G/4G/3G/2G 公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WLAN 無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)[3]。通常情況下，優(yōu)先使用GSM-R鐵路專用網(wǎng)絡(luò)，在GSM-R 未覆蓋的線路區(qū)域，則檢索指定WLAN 網(wǎng)絡(luò)狀況，若WLAN不符合要求，系統(tǒng)路由最終導(dǎo)向5G/4G/3G/2G 無(wú)線服務(wù)。

3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

通常情況下，各型號(hào)機(jī)車不同系統(tǒng)或設(shè)備的功能作用不同，這種差異造成應(yīng)用軟件版本的多樣化，進(jìn)而加大了分散控制管理和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用維護(hù)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度和難度。針對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)用維護(hù)管理方式的不足，基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)提供了包括機(jī)車車載應(yīng)用軟件統(tǒng)一集中管理和運(yùn)用維護(hù)操作管理在內(nèi)的多種控制功能。

3.1 統(tǒng)一集中管理

傳統(tǒng)分散管理方式一般存在維護(hù)記錄不及時(shí)、跟蹤管理不同步、操作不規(guī)范、組織協(xié)調(diào)成本高、無(wú)法宏觀掌握總體信息等問(wèn)題，而基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)將不同組織機(jī)構(gòu)和不同區(qū)域劃分的所有機(jī)車軟件進(jìn)行統(tǒng)一管理，圍繞機(jī)車車載應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、維護(hù)記錄、運(yùn)維操作、管理權(quán)限等搭建了地面綜合管理服務(wù)器，并依據(jù)鐵路局集團(tuán)公司、機(jī)務(wù)段、機(jī)務(wù)段配屬機(jī)車、機(jī)車車載設(shè)備、設(shè)備應(yīng)用軟件5 個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)，以文件目錄的形式組織應(yīng)用軟件的版本管理，組織管理目錄結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 組織管理目錄結(jié)構(gòu)Fig.3 Directory structure of organizations

基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)的統(tǒng)一集中管理功能充分發(fā)揮其在分布部署、智能運(yùn)維、集中監(jiān)控管理、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、權(quán)限授權(quán)控制、流程化實(shí)施、簡(jiǎn)易化操作、多級(jí)安全保障等多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，其統(tǒng)一集中管理方式包括5 個(gè)方面：①維護(hù)管理單臺(tái)機(jī)車某個(gè)車載系統(tǒng)或設(shè)備中使用的多個(gè)應(yīng)用軟件；②維護(hù)管理單臺(tái)機(jī)車的多種車載系統(tǒng)或設(shè)備的應(yīng)用軟件；③維護(hù)管理同一型號(hào)多臺(tái)機(jī)車的車載系統(tǒng)或設(shè)備的應(yīng)用軟件；④維護(hù)管理不同型號(hào)多臺(tái)機(jī)車的車載系統(tǒng)或設(shè)備的應(yīng)用軟件；⑤維護(hù)管理不同區(qū)域劃分的機(jī)車車載系統(tǒng)或設(shè)備的應(yīng)用軟件。

3.2 運(yùn)用維護(hù)操作

對(duì)于機(jī)車車載應(yīng)用軟件的運(yùn)用維護(hù)操作功能，主要包括應(yīng)用軟件更新、應(yīng)用軟件版本回溯、應(yīng)用軟件版本查詢及其他功能等。

（1）應(yīng)用軟件更新。機(jī)車車載系統(tǒng)或設(shè)備日常使用過(guò)程中，經(jīng)常進(jìn)行運(yùn)用維護(hù)改造、功能優(yōu)化升級(jí)等工作，并需要對(duì)相關(guān)應(yīng)用軟件進(jìn)行同步修改與更新升級(jí)[4-8]。運(yùn)用維護(hù)人員通過(guò)操作地面綜合管理服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)信息錄入、最新版本軟件上傳、目標(biāo)機(jī)車系統(tǒng)或設(shè)備選定等流程工作后，即可方便快捷地實(shí)現(xiàn)機(jī)車應(yīng)用軟件在線更新工作。應(yīng)用軟件更新操作流程如圖4 所示。

圖4 應(yīng)用軟件更新操作流程圖Fig.4 Flow chart of application software update

（2）應(yīng)用軟件版本回溯。系統(tǒng)或設(shè)備的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、升級(jí)等過(guò)程中會(huì)發(fā)布不同版本的應(yīng)用軟件，特別是為了滿足新功能、新需求而在穩(wěn)定版軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行的修改，在上線運(yùn)用過(guò)程中容易出現(xiàn)新問(wèn)題或安全隱患，為確保機(jī)車運(yùn)用安全，需要將應(yīng)用軟件恢復(fù)至上一版本或更早期版本。而基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件回溯功能，使得運(yùn)用維護(hù)人員通過(guò)地面綜合管理服務(wù)器能夠?qū)⒅付C(jī)車車載系統(tǒng)或設(shè)備中當(dāng)前使用的應(yīng)用軟件回退至前一版本或指定版本。應(yīng)用軟件回溯操作流程如圖5 所示。

圖5 應(yīng)用軟件回溯操作流程圖Fig.5 Flow chart of application software trace back

（3）應(yīng)用軟件版本查詢。不同于以往通過(guò)機(jī)車司機(jī)顯示單元(DDU)來(lái)查看獲取軟件版本信息，基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)具有更加完善的軟件版本信息查詢功能。運(yùn)用維護(hù)人員通過(guò)地面綜合管理服務(wù)器的版本信息頁(yè)面，能夠輕松獲取包括當(dāng)前軟件版本號(hào)、版本發(fā)布日期、軟件開(kāi)始使用日期、發(fā)布者信息、授權(quán)者信息、本版本較上一版本修改內(nèi)容、其他應(yīng)用機(jī)車車號(hào)等詳細(xì)統(tǒng)計(jì)信息。軟件版本查詢操作流程如圖6 所示。

圖6 軟件版本查詢操作流程圖Fig.6 Querying flow chart of application software version

（4）其他功能。系統(tǒng)還具有其他豐富的應(yīng)用控制功能。①配置文件管理。對(duì)機(jī)車車載應(yīng)用軟件運(yùn)行需要的各種配置文件進(jìn)行維護(hù)管理的功能。②并發(fā)處理。支持并行進(jìn)行多個(gè)運(yùn)用維護(hù)操作處理。③批量執(zhí)行。當(dāng)某一型號(hào)多輛機(jī)車需要進(jìn)行相同的運(yùn)用維護(hù)操作時(shí)，能夠?qū)@些機(jī)車以批量處理的方式實(shí)施統(tǒng)一維護(hù)。④維護(hù)撤銷。運(yùn)用維護(hù)執(zhí)行過(guò)程中，能夠隨時(shí)停止操作；執(zhí)行停止操作后應(yīng)用軟件還原至原有版本狀態(tài)。⑤歷史記錄查詢?？赏ㄟ^(guò)維護(hù)歷史列表查詢?cè)敿?xì)歷史維護(hù)管理信息。

4 應(yīng)用效果對(duì)比分析

2019 年5 月，中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司立項(xiàng)基于L5 級(jí)的鐵路機(jī)車智能駕駛技術(shù)—HXD2機(jī)車自動(dòng)駕駛技術(shù)研究，項(xiàng)目研制的HXD2 機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采用基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)、軟件回溯等維護(hù)管理工作。截至2021 年2 月底，該型號(hào)機(jī)車實(shí)際自動(dòng)駕駛安全運(yùn)行里程近4 萬(wàn)km，基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，提高了應(yīng)用軟件的維護(hù)管理工作效率，為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的成功應(yīng)用發(fā)揮了重要保障作用。結(jié)合HXD2 機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)車載優(yōu)化控制器的應(yīng)用軟件運(yùn)用維護(hù)工作，從操作流程、資源需求、操作環(huán)境與便利性、安全性等方面，對(duì)比分析采用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用維護(hù)方式和基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制系統(tǒng)方式在應(yīng)用效果上的區(qū)別。

（1）操作流程方面?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方式需要與機(jī)務(wù)多個(gè)部門溝通協(xié)調(diào)，并且需嚴(yán)格遵守和落實(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作流程與規(guī)范要求，因而涉及的流程環(huán)節(jié)較多。而基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制方式只需遵循地面服務(wù)器操作流程要求即可?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作流程與本系統(tǒng)維護(hù)操作流程對(duì)比如圖7 所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作流程與本系統(tǒng)維護(hù)操作流程對(duì)比Fig.7 Comparison of operation flow chart between two maintenance modes

（2）資源需求方面。鑒于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方式所執(zhí)行的操作流程復(fù)雜，涉及的人員較多，因而需要占用較多人力資源、耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，這也直接降低了機(jī)車使用率和運(yùn)輸效率，并帶來(lái)其他隱形成本消耗。而采用基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制系統(tǒng)只需占用地面服務(wù)器資源即可實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)。資源需求情況對(duì)比如表1 所示。

表1 資源需求情況對(duì)比Tab.1 Comparison of resource requirement

（3）操作環(huán)境與便利性方面?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方式需要克服機(jī)車內(nèi)部空間狹小、設(shè)備噪聲大、衛(wèi)生條件差，特別是冬/夏季極端溫度環(huán)境等惡劣條件；同時(shí)，需攜帶特定通信線、操作筆記本電腦、安裝與拆卸工具等，在多機(jī)車、多設(shè)備維護(hù)時(shí)，需要頻繁進(jìn)行設(shè)備連線與復(fù)原操作。而基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制系統(tǒng)只需在恒溫恒濕的專用機(jī)房?jī)?nèi)，操作地面綜合管理服務(wù)器即可達(dá)到多機(jī)車和多設(shè)備集中維護(hù)管理的目的。

（4）安全方面。現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方式一般在機(jī)務(wù)段整備場(chǎng)或編組站進(jìn)行，相應(yīng)的地理位置較為偏僻，外加周圍受電弓網(wǎng)高壓環(huán)境、其他機(jī)車車輛并行作業(yè)因素等，勢(shì)必帶來(lái)眾多潛在人員安全風(fēng)險(xiǎn)。而基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制系統(tǒng)方式操作環(huán)境優(yōu)于一般辦公環(huán)境，基本不存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

（5）其他方面。較傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方式，基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制方式還具有自動(dòng)生成歷史維護(hù)記錄、支持機(jī)車臨時(shí)停車維護(hù)、機(jī)車運(yùn)行時(shí)軟件版本查詢等功能。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，基于Git 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鐵路機(jī)車應(yīng)用軟件的統(tǒng)一管理和規(guī)范化、流程化運(yùn)用維護(hù)，操作方式更加快速、便捷和安全，并大大降低了人力、物力和時(shí)間等資源成本耗費(fèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路改革的不斷深化和機(jī)務(wù)事業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)務(wù)智能化、信息化、規(guī)范化工作在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得一定效果?；贕it 技術(shù)的機(jī)車車載應(yīng)用軟件集中控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用最新無(wú)線通信技術(shù)、智慧管理工具、高性能數(shù)據(jù)管理服務(wù)等技術(shù)，構(gòu)建了更加便利、高效、穩(wěn)定和安全的機(jī)車應(yīng)用軟件維護(hù)管理平臺(tái)，為種類和數(shù)量日益龐大的軟件管理工作提供了更加規(guī)范化和統(tǒng)一化的流程保障服務(wù)，滿足機(jī)務(wù)管理信息趨向信息化、統(tǒng)一化、規(guī)范化管理的發(fā)展要求。