模塊化計算機聯(lián)鎖軟件設(shè)計

賀云鵬

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 國際事業(yè)部，武漢 430063）

計算機聯(lián)鎖利用道岔、信號機、軌道區(qū)段等設(shè)備之間的相互關(guān)聯(lián)和相互制約關(guān)系，實現(xiàn)對車站作業(yè)的計算機集中控制。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對計算機聯(lián)鎖軟件進(jìn)行了大量的研究，謝保鋒對車站計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展作出了分析[1]；陳志穎等人提出了基于站場型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)路搜索算法[2]；陳曉偉應(yīng)用分布式控制系統(tǒng)和多Agent系統(tǒng)技術(shù)，提出了一種新型的分布式、智能化聯(lián)鎖軟件的設(shè)計方案[3]；Eugenio Roanes-Lozano等人提出一種新的計算機聯(lián)鎖決策機制[4]；Yildirim等人利用計算機代數(shù)工具箱自動生成鐵路聯(lián)鎖工作臺[5]；楊美娜等人采用二叉樹結(jié)構(gòu)的進(jìn)路搜索算法設(shè)計高速鐵路的計算機聯(lián)鎖軟件[6]；彭麗維提出了為各類信號設(shè)備建立圖元模型的設(shè)計思想[7]；孫曉光利用 CAD 圖塊方法提供統(tǒng)一的信號圖元，實現(xiàn)了信號平面布置圖標(biāo)準(zhǔn)化處理[8]。

以上對計算機聯(lián)鎖軟件的研究，主要針對某一具體過程（如進(jìn)路搜索、站場數(shù)據(jù)構(gòu)造），在設(shè)計時均需要先設(shè)計聯(lián)鎖表，后在軟件中配置大量聯(lián)鎖數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，進(jìn)路搜索以數(shù)據(jù)配置為基礎(chǔ)，消耗了大量時間。未來，便捷式聯(lián)鎖軟件表示層的繪制和聯(lián)鎖進(jìn)路搜索數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自動構(gòu)建將成為重要發(fā)展方向。

本文提出了一種模塊化計算機聯(lián)鎖軟件（簡稱：模塊化聯(lián)鎖軟件）設(shè)計方法，將道岔、信號機、軌道區(qū)段等設(shè)備設(shè)計為不同的程序模塊，用戶利用鼠標(biāo)拖動不同的程序模塊并輸入各設(shè)備的具體參數(shù)，繪制聯(lián)鎖軟件表示層，繪制完成后，軟件可自動建立二叉樹站場聯(lián)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無需手動配置大量聯(lián)鎖數(shù)據(jù)，并使用遞歸算法完成計算機聯(lián)鎖進(jìn)路搜索。在某車站，分別使用本文提出的設(shè)計方法和傳統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計聯(lián)鎖軟件，對比兩種方法的設(shè)計流程和設(shè)計用時，驗證了本文所提聯(lián)鎖軟件設(shè)計方法的優(yōu)越性。

1 程序模塊設(shè)計

聯(lián)鎖軟件的表示層顯示道岔、信號機、軌道區(qū)段的圖形、狀態(tài)和位置等信息。為完成聯(lián)鎖軟件表示層的設(shè)計，需要設(shè)計道岔、信號機、軌道區(qū)段的程序模塊。本文采用面向?qū)ο骩9]的思想，使用C#語言編程，WinForm作為用戶界面框架，分別設(shè)計道岔模塊、信號機模塊、軌道區(qū)段模塊。

建立Equip類（父類），再繼承父類，創(chuàng)建3個設(shè)備子類，分別為道岔模塊、信號機模塊和軌道區(qū)段模塊。每個設(shè)備子類建立各自的屬性參數(shù)，其中，道岔模塊包含道岔類別（單動/雙動/交叉渡線/復(fù)式交分等）、撇型/捺型、道岔圖號等，信號機模塊包含信號機類型、顯示顏色、信號機方向（向左/向右）等，軌道區(qū)段模塊包含長度、類型（一體化、25 Hz、高壓脈沖等）、占用/空閑等。

1.1 道岔模塊設(shè)計

道岔模塊主要實現(xiàn)道岔的繪制、定反位轉(zhuǎn)換、拖動及縮放功能。

1.1.1 道岔繪制

在軟件設(shè)計中，道岔以定型組合的形式呈現(xiàn)，除了需要繪制道岔，還要繪制一段各岔尖對應(yīng)的軌道區(qū)段，用DrawLine方法繪制出道岔定型組合中的連接每個兩端端點的直線，需要使用畫筆Pen實例化一個道岔對象，定義單色畫筆來繪制道岔輪廓和基本形狀；使用從Brush類派生出的SolidBrush類畫刷對象，實現(xiàn)道岔顏色填充。以單動道岔（撇型）為例，道岔圖像如圖1所示。

圖1 單動道岔（撇型）圖像示意

由于整個設(shè)備在一張畫布上，需要實現(xiàn)道岔與畫布背景分離，且由于畫出的不是一個線性圖形，而是多條直線組成的復(fù)雜形狀，因此，利用GraphicsPath類記錄下繪圖的過程后將所有直線一起畫出。

1.1.2 道岔定反位轉(zhuǎn)換

由于道岔定反位顯示中只有岔尖部分的畫法與道岔的不同，其他均一致，因此，可用鼠標(biāo)點擊岔尖具體范圍的位置后，再用道岔直股或者彎股的畫法實現(xiàn)。根據(jù)上述單動道岔子類中所設(shè)置的鼠標(biāo)點擊事件，以及代碼中對單動道岔畫法及摳圖的不同，利用判斷語句實現(xiàn)道岔定反位轉(zhuǎn)換的表示。

1.1.3 道岔拖動及縮放

通過多態(tài)性實現(xiàn)道岔拖動及縮放功能。在實現(xiàn)道岔的縮放功能時，要求在鼠標(biāo)按下時記錄原始的鼠標(biāo)位置，鼠標(biāo)移動時要計算差值，鼠標(biāo)抬起時要記錄位置，這些是父類具備的功能。子類的鼠標(biāo)抬起的時候，刷新原來的基準(zhǔn)值，而子類的刷新基準(zhǔn)不相同，此時，將該事件對應(yīng)的功能函數(shù)設(shè)為多態(tài)，即同一操作作用于不同的對象可產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果，符合功能實現(xiàn)的要求。此外，由于需要能夠同時實現(xiàn)道岔的拖動及縮放功能，在鼠標(biāo)按下和移動時需要判斷是實現(xiàn)哪一種功能，兩者可用不同區(qū)域、不同鼠標(biāo)樣式進(jìn)行區(qū)分。

1.2 信號機模塊設(shè)計

信號機模塊在道岔模塊的基礎(chǔ)上完成，由于信號機不存在摳圖、轉(zhuǎn)換及縮放的要求，在信號機模塊設(shè)計時只需完成信號機的繪制、拖動及標(biāo)簽按鈕的配置，其中，拖動功能可參考道岔進(jìn)行設(shè)計。

1.2.1 信號機繪制

使用Graphics類DrawEllipse方法繪制信號機。由左上角坐標(biāo)、指定高度和寬度的正方形邊框定義信號機圓形燈位形狀；采用DrawLine方法，繪制兩端端點坐標(biāo)確定的信號機直線型基柱形狀；采用FillEllipse方法，填充由左上角坐標(biāo)、高度和寬度指定的正方形邊框所定義的信號機燈位的顯示顏色。

根據(jù)此畫法，將信號機整體外形畫出并填充好信號機的燈位顏色，以矮柱單燈位信號機為例，信號機圖像如圖2所示。

圖2 矮柱單燈位信號機圖像示意

1.2.2 信號機標(biāo)簽按鈕配置

如圖2所示，藍(lán)色燈位左側(cè)為信號機標(biāo)簽位置，上方為其按鈕位置，標(biāo)簽及按鈕為標(biāo)準(zhǔn)控件，其尺寸、位置及字體等的設(shè)計通過構(gòu)造函數(shù)實現(xiàn)。

1.3 軌道區(qū)段模塊設(shè)計

軌道區(qū)段模塊的設(shè)計內(nèi)容主要包括圖形繪制、標(biāo)簽設(shè)計和縮放，由于軌道區(qū)段在繪制時是一條直線，且不需摳圖，縮放只是對軌道區(qū)段進(jìn)行伸縮，因此，可參照道岔模塊的設(shè)計方法，軌道區(qū)段圖像如圖3所示。

圖3 軌道區(qū)段圖像示意

1.4 繪制界面設(shè)計

繪制界面包括兩部分：（1）左側(cè)為繪制站場按鈕工具欄；（2）右側(cè)為當(dāng)前站場繪制的界面。在使用時，用鼠標(biāo)點擊不同類型設(shè)備（信號機，道岔，軌道區(qū)段）按鈕并輸入其具體參數(shù)值，輸入完成后可對其進(jìn)行拖動以調(diào)整到正確位置，完成對該設(shè)備的繪制。對所有設(shè)備進(jìn)行繪制，完成聯(lián)鎖軟件表示層設(shè)計，為聯(lián)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的生成和進(jìn)路搜索的實現(xiàn)建立基礎(chǔ)。本文聯(lián)鎖軟件的繪制界面如圖4所示。

2 模塊化站場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與進(jìn)路搜索設(shè)計

2.1 二叉鏈表與站場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

二叉樹[10]由一個根節(jié)點和兩個互不相交的被稱為左子樹和右子樹的節(jié)點組成，其中，左子樹或右子樹可以為空，二叉樹的單鏈表鏈接如圖5所示。

圖5 二叉樹的單鏈表鏈接

利用站場形狀和二叉樹形狀的相似性[11]，站場中各設(shè)備分別作為道岔、信號機、軌道區(qū)段這3個子類的對象，依據(jù)二叉樹的單鏈表結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，將每個設(shè)備對象的指針存放在容器PointVector中，將PointVector設(shè)計為存放父類指針的容器。以某車站為例，站場部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 站場部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意

將道岔、信號機、軌道區(qū)段等模塊映射為二叉樹中的基本節(jié)點單元，繪制完成的設(shè)備自動進(jìn)行連接，并添加模塊化聯(lián)鎖軟件操作按鈕和操作表示燈，生成模塊化聯(lián)鎖軟件人機交互界面。仍以上述某車站為例，在圖4所示繪制界面中，將聯(lián)鎖軟件表示層繪制完成后，自動生成模塊化聯(lián)鎖軟件的人機交互界面，如圖7所示。

圖4 模塊化聯(lián)鎖軟件繪制界面

圖7 模塊化聯(lián)鎖軟件人機交互界面

2.2 進(jìn)路搜索設(shè)計

進(jìn)路是車站內(nèi)列車或調(diào)車車列在兩個地點之間運行的路線，由若干控制列車運行的設(shè)備（如道岔、信號機、軌道區(qū)段）組成。進(jìn)路搜索根據(jù)進(jìn)路的始端、終端（或始端、終端和變更按鈕），將組成進(jìn)路的所有設(shè)備對應(yīng)的節(jié)點搜索出來。

將道岔、信號機、軌道區(qū)段這3個模塊中每個對象的指針統(tǒng)一存放在PointVector容器中時，由于PointVector被設(shè)計為存放父類指針的容器，子類對象的指針將被隱式轉(zhuǎn)換為父類指針（子類對象可轉(zhuǎn)換成父類對象），可能導(dǎo)致進(jìn)路在搜索完成后，搜索出的各設(shè)備的指針不能調(diào)用其所屬類中的自身的操作（即子類對象不能轉(zhuǎn)換為父類對象）。因此，本文利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中的多態(tài)思想，用父類指針指向各設(shè)備對象，再將每個設(shè)備對應(yīng)的父類指針存儲到PointVector容器中。

采用遞歸算法實現(xiàn)進(jìn)路搜索[12]，根據(jù)遞歸算法的實現(xiàn)條件，進(jìn)路搜索函數(shù)SearchPoint可分為搜索保存部分和遞歸出口條件部分。

2.2.1 搜索保存部分

搜索保存部分指在保證節(jié)點不為空且未找到目標(biāo)節(jié)點指針的情況下，按根節(jié)點、右子樹和左子樹（或根節(jié)點、左子樹和右子樹）的順序依次進(jìn)行搜索并保存節(jié)點指針至父類指針容器PointVector中。在搜索左子樹之前，從父類指針容器尾部開始刪除各模塊中設(shè)備節(jié)點指針至根節(jié)點（不包括根節(jié)點），剔除進(jìn)路外的無關(guān)節(jié)點指針。

2.2.2 遞歸出口條件部分

遞歸出口條件分以下兩種情況。

（1）當(dāng)進(jìn)路中無變更按鈕時，進(jìn)路的始、終端對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點指針將作為進(jìn)路搜索函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行搜索。在搜索到尾節(jié)點仍未搜索到目標(biāo)節(jié)點時，保存該尾節(jié)點指針至PointVector，并讓搜索函數(shù)返回；搜索到目標(biāo)節(jié)點時，將搜索標(biāo)識FindPoint置為true，保證搜索函數(shù)在返回過程中不會繼續(xù)保存或刪除容器PointVector中已存在的節(jié)點指針，再將搜索函數(shù)返回。

（2）當(dāng)進(jìn)路中有變更按鈕時，可將始端、變更按鈕和變更按鈕、終端兩組設(shè)備節(jié)點指針依次作為進(jìn)路搜索函數(shù)的參數(shù)，逐次進(jìn)行搜索。

以圖7中舉例站D1—IIG調(diào)車進(jìn)路的進(jìn)路搜索過程為例，采用遞歸算法進(jìn)行進(jìn)路搜索的軌跡如圖8所示，PointVector中節(jié)點指針變化如表1所示。在本次搜索中，共進(jìn)行了7次遞歸調(diào)用。

圖8 舉例站D1—IIG調(diào)車進(jìn)路搜索軌跡

表1 PointVector中節(jié)點指針變化

3 軟件分析與比較

傳統(tǒng)聯(lián)鎖軟件設(shè)計方法要求先設(shè)計聯(lián)鎖表，并對大量聯(lián)鎖數(shù)據(jù)進(jìn)行手動配置，聯(lián)鎖表由設(shè)計單位設(shè)計，聯(lián)鎖數(shù)據(jù)由設(shè)備廠家配置，兩項內(nèi)容的設(shè)計和交接消耗了大量時間和人力。本文所提聯(lián)鎖軟件設(shè)計方法將設(shè)備進(jìn)行模塊化處理，使用拖動方式完成聯(lián)鎖軟件表示層繪制，軟件即可自動生成二叉樹數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)連接，完成進(jìn)路搜索，得到最終的模塊化聯(lián)鎖軟件，省去了大量時間。

以圖7中舉例站為例，使用本文所提方法和傳統(tǒng)方法設(shè)計聯(lián)鎖軟件，所需時間如表2所示。

由表2可知，本文所提設(shè)計方法在聯(lián)鎖表設(shè)計及聯(lián)鎖數(shù)據(jù)配置與生成兩項上節(jié)省了大量時間，總時間節(jié)省了約30%。

表2 聯(lián)鎖軟件設(shè)計所需時間對比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于遞歸算法的模塊化計算機聯(lián)鎖軟件，將不同的設(shè)備設(shè)計為不同的程序模塊，實現(xiàn)在軟件里拖動相關(guān)模塊完成聯(lián)鎖軟件表示層的繪制，并利用二叉樹和遞歸算法完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立、進(jìn)路搜索。該模塊化計算機聯(lián)鎖軟件設(shè)計方法擺脫了傳統(tǒng)聯(lián)鎖軟件需要手動配置大量聯(lián)鎖數(shù)據(jù)和設(shè)計聯(lián)鎖表的困擾，節(jié)省了大量時間，提高了設(shè)計效率。