基于領(lǐng)域元模型的車載ATP子系統(tǒng)軟件建模研究

王錫奎，張國侯，田建兆，王若昆

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信信號學(xué)院，南京 210031）

列車自動防護（ATP， Automatic Train Protection）系統(tǒng)是用于監(jiān)控列車運行速度，保證列車安全間隔，提高運營效率的核心設(shè)備。車載ATP子系統(tǒng)屬于安全性苛求系統(tǒng)，為保證列車在不同場景中的運行安全，該系統(tǒng)需要完成復(fù)雜的安全控制過程，執(zhí)行不同的程序分支路徑。因此，車載ATP子系統(tǒng)的建模和軟件開發(fā)要求高、難度大，目前常用的建模、開發(fā)方法主要面臨的如下問題：

（1） 以過程式模塊開發(fā)和人工編碼為主，造成開發(fā)效率低下，且開發(fā)過程中產(chǎn)生的錯誤和安全隱患很難被發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重影響軟件質(zhì)量；

（2） 軟件的開發(fā)缺乏合理的生命周期管理，無法保障軟件開發(fā)各個階段的安全性，只能與系統(tǒng)硬件結(jié)合后才能完成軟件的測試和驗證；

（3） 現(xiàn)有軟件建模方法難以描述領(lǐng)域內(nèi)不同系統(tǒng)的相同或相似性特征，無法設(shè)計出在領(lǐng)域內(nèi)具有一定通用性的模型，模型不具備良好的重用性，造成系統(tǒng)重復(fù)設(shè)計和開發(fā)，顯著增加開發(fā)所需成本。

因此，只有提出更加適用于車載ATP子系統(tǒng)的開發(fā)方法，才能滿足其在開發(fā)效率、質(zhì)量、安全性等方面的要求。本文以車載ATP子系統(tǒng)為研究對象，提出一種基于領(lǐng)域元模型的模型構(gòu)建方法。

1 特定領(lǐng)域建模及元模型

1.1 特定領(lǐng)域建模

特定領(lǐng)域建模（DSM ，Domain-Specific Modeling）是指領(lǐng)域?qū)＜覍μ囟I(lǐng)域的需求和技術(shù)進行分析和抽象，定義特定領(lǐng)域建模語言（DSML ，Domain-Specific Modeling Language）及特定領(lǐng)域建模環(huán)境（DSME， Domain-Specific Modeling Environment），并使用DSML和DSME建立特定領(lǐng)域內(nèi)具體應(yīng)用的模型，借助代碼生成技術(shù)開發(fā)軟件產(chǎn)品的方法[1-2]。

在DSM中，建模概念源于領(lǐng)域概念、功能、物理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、待建系統(tǒng)的外觀、產(chǎn)品變化空間及生成目標(biāo)。DSML包含領(lǐng)域中的概念和規(guī)則，并說明二者與代碼生成器中代碼之間的映射關(guān)系。DSM已在嵌入式系統(tǒng)、移動終端、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，已成為有眾多指導(dǎo)和工具支持的提高軟件復(fù)雜度的方法。DSM直接提取領(lǐng)域中的概念，提高了軟件建模和開發(fā)的抽象度，使開發(fā)人員將工作重點放在系統(tǒng)模型設(shè)計中，不用編寫軟件代碼，使軟件開發(fā)的效率提高5～10倍[3]。

元建模技術(shù)為DSML和DSME的建立提供了支持[4]。元模型是對某一特定領(lǐng)域建模環(huán)境的規(guī)范定義，抽象等級高于模型。元模型主要給出模型定義、模型構(gòu)建方法、模型的集成及交互接口。元模型和模型的關(guān)系類似于類和實例的關(guān)系，將元模型實例化后即可得到特定的模型，如圖1所示。

圖1 元模型、模型、實際系統(tǒng)之間的關(guān)系

（1）元模型通過描述特定領(lǐng)域中的元素及其之間相互關(guān)系定義DSML的抽象語法、具體語法及語義，并定制出DSME[5-6]。定義抽象語法是建立DSML過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。DSML的抽象語法描述DSML中的基本元素及其之間的關(guān)系，可以用UML類圖表示，通用規(guī)則由某種約束語言描述（如OCL[7-8]等）。統(tǒng)一建模語言（UML ，Unified Modeling Language）和公共倉庫元模型（CWM，Common Warehouse Metamodel），以及本文討論的車載ATP子系統(tǒng)元模型均屬于元模型。

（2）模型層是元模型層的實例，如本文所構(gòu)建的ATP-ML（ATP-Modeling Language）是用于描述車載ATP子系統(tǒng)的領(lǐng)域語言。

（3）實際系統(tǒng)層是模型層的實例化，如車載ATP子系統(tǒng)即是使用ATP-ML所生成的實際系統(tǒng)。

1.2 基于領(lǐng)域元模型的車載ATP子系統(tǒng)建模方法

列車運行控制系統(tǒng)（簡稱：列控系統(tǒng)）地面ATP子系統(tǒng)根據(jù)每列列車當(dāng)前的前方行車條件，以無線通信方式向其提供實時行車許可。車載ATP子系統(tǒng)實時接收行車許可，并根據(jù)行車許可和列車運行狀態(tài)計算出速度控制曲線，當(dāng)列車速度超過限制速度時觸發(fā)制動指令，使列車降速或停車，防止發(fā)生追尾等事故。列控系統(tǒng)工作原理，如圖2所示。

圖2 列控系統(tǒng)原理示意

車載ATP子系統(tǒng)領(lǐng)域元模型是基于該系統(tǒng)的共性特征和變化特征抽象的模型，而非對某一種車載ATP子系統(tǒng)的抽象模型。通過該元模型刻畫車載ATP子系統(tǒng)建模語言ATP-ML的語義和語法，從而實現(xiàn)鐵路信號系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)車載ATP子系統(tǒng)的建模需求。綜上，提出一種車載ATP軟件特定領(lǐng)域建模方法，給出了從車載ATP子系統(tǒng)領(lǐng)域出發(fā)開發(fā)車載ATP軟件的過程，如圖3所示，該方法中包含3個關(guān)鍵步驟。

圖3 基于元模型車載的ATP子系統(tǒng)軟件開發(fā)過程

（1）建立車載ATP子系統(tǒng)領(lǐng)域元模型，分析車載ATP子系統(tǒng)的特征，用領(lǐng)域元模型描述該系統(tǒng)的主要特征，形成ATP-ML語言特有的語義和語法，再用元模型解釋器轉(zhuǎn)化為可視化的車載ATP建模環(huán)境。

（2）應(yīng)用ATP-ML構(gòu)建車載ATP子系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用模型，為某一基于特定平臺的車載ATP子系統(tǒng)構(gòu)建模型。

（3）生成車載ATP軟件。通過模型解釋器將車載ATP子系統(tǒng)的應(yīng)用模型轉(zhuǎn)換程序代碼，并應(yīng)用編程環(huán)境，將轉(zhuǎn)換所得程序編譯成可執(zhí)行的應(yīng)用程序。

2 車載ATP子系統(tǒng)領(lǐng)域特征分析

2.1 功能方面

車載ATP子系統(tǒng)以不斷更新的行車許可（MA，Movement Authority）和列車運行狀態(tài)為輸入，實時輸出列車速度監(jiān)控命令，保證列車運行安全。車載ATP子系統(tǒng)需要完成的功能包括：地面信息收發(fā)及處理、列車運行計算（速度和位置計算）、超速防護駕駛操作及信息顯示、運行記錄等，如圖4所示。

圖4 車載ATP子系統(tǒng)功能

2.2 控制對象方面

車載ATP子系統(tǒng)的控制對象為列車，而列車具有大量相同或相似的特性。如列車的長度、重量、牽引制動性能，以及軌道線路等均具備一維性。以上共性勢必會使得不同的車載ATP子系統(tǒng)軟件存在相似性。例如，列車速度和位置計算中使用的列車受力分析模型等。

2.3 控制原理方面

車載ATP子系統(tǒng)的核心功能是對列車速度的實時監(jiān)控。對列車速度的監(jiān)控有2種依據(jù)，分別是分級速度控制曲線和速度—距離模式曲線。分級速度控制曲線要求列車速度逐級降低，直至低于限制速度；速度—距離模式曲線要求持續(xù)輸出制動指令，直至速度下降至限制速度以下。后者能夠更好地利用列車的制動性能，縮短制動距離，提高行車效率，因而得到了廣泛采用。

目前應(yīng)用的系統(tǒng)，車載ATP子系統(tǒng)在列車運行過程中周期性20 ms計算當(dāng)前監(jiān)控速度，速度—距離模式曲線是將行車許可范圍內(nèi)所有位置的監(jiān)控速度連接起來而形成的。圖5為1種常用的速度—距離模式曲線，該曲線包括頂棚速度監(jiān)督區(qū)和目標(biāo)速度監(jiān)督區(qū)。

圖5 速度-距離模式曲線

綜上，可以從業(yè)務(wù)特征、功能特征、實現(xiàn)技術(shù)特征和領(lǐng)域技術(shù)特征抽象車載ATP子系統(tǒng)的特征。

3 車載ATP子系統(tǒng)的領(lǐng)域元模型設(shè)計

元模型中應(yīng)用較為廣泛的建模工具包括MetaEdit+，DOME、EMF/GMF、通用建模環(huán)境（GME，General Modeling Environment）[9]等。GME具備元模型構(gòu)建所需的平臺，支持多層次、多角度進行領(lǐng)域分析和建模，如類圖、元素、引用、屬性、約束等。本文采用GME構(gòu)建車載ATP子系統(tǒng)的元模型。

3.1 車載ATP子系統(tǒng)的元模型

元模型車載ATP中采用層次化的方式將車載ATP子系統(tǒng)中的重要概念及規(guī)則組織為模型中的元素，各層元素之間為整體—部分的關(guān)系。如圖6所示，該模型包含人機顯示界面（DMI，Driver Machine Interface）和Logic兩部分，分別代表了車載ATP子系統(tǒng)的人機交互和邏輯功能。DMI和Logic都是Model類型的元素，即二者均有各自的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖6 車載ATP子系統(tǒng)元模型

（1）從人機交互角度，車載ATP子系統(tǒng)采用DMI為司機提供駕駛過程中的參考信息，便于司機觀察和操作。

（2）DMI劃分為界面顯示（Display）、司機操作（DriverCommand）、數(shù)據(jù)輸入（DataInput）、按鈕菜單（Button_Menu）及文本信息（TextInfo）5個部分。

（3）界面顯示中的信息包括距離信息（DistanceInfo）、速度信息（SpeedInfo）、補充駕駛信息（supDrivingInfo）、運行計劃信息（Planning）、監(jiān)控信息（SupervisingInfo）、功能鍵信息（Function-Key）等。因此，按上述劃分方式，將人機交互方面的功能組織為車載ATP子系統(tǒng)中DMI部分中的模型元素。

3.2 車載ATP子系統(tǒng)的邏輯元模型

從列車安全控制過程分析，車載ATP子系統(tǒng)的功能是根據(jù)地面ATP子系統(tǒng)的行車許可信息，計算速度控制曲線并監(jiān)控列車運行速度，實現(xiàn)列車的超速防護和安全間隔控制。因此，可以從車載ATP子系統(tǒng)中提取出的領(lǐng)域概念包括列車、線路、行車許可、臨時限速、速度曲線、制動距離等。圖6為車載ATP子系統(tǒng)的Logic部分的結(jié)構(gòu)。

如圖7所示，Logic模型部分包含Model、Atom、Connection3種類型的元素。

圖7 車載ATP子系統(tǒng)的邏輯元模型

（1）Atom類型的元素包括模式（Mode）、列車（Train），Mode表示車載ATP的工作模式，Train表示OnboardATP所控制的列車。其中，元素Train包含列車結(jié)構(gòu)及性能的靜態(tài)屬性，如列車重量（trainWeight）、列車長度（trainLength）、列車最大允許速度（trainMaxPerSpeed）、列車最大牽引力（trainMaxTraction）、列車最大制動力（trainMax Braking）等；列車當(dāng)前速度（trainSpeed）、列車加速度（trainAcc）、列車運行狀態(tài)（trainState）等說明列車在運行過程中的動態(tài)屬性。

（2）Model類型的元素包括MA和速度曲線（SpeedCurve）等。MA包含Section和臨時限速（TSR，Temporary Speed Restriction），分別表示行車許可范圍內(nèi)的軌道區(qū)段和臨時限速。Section包含區(qū)段長度（secLength）、區(qū)段起點位置（secStart Pos）、區(qū)段固定限速（secLimitSpeed）等屬性，TSR包含臨時限速長度（TSRLength）、臨時限速值（TSRLimitSpeed）等屬性。SpeedCurve為由行車許可計算得來的速度控制曲線，包含最限制速度曲線（MRSP，Most Restrictive Speed Profile）和動態(tài)速度曲線（DSP，Dynamic Speed Profile）。DSP內(nèi)包含允許速度（PBSpeed）、報警速度（WSpeed）、常用制動出發(fā)速度（SBISpeed）和緊急制動觸發(fā)速度（EBISpeed）等。DSP分為頂棚監(jiān)視區(qū)（CSM）和目標(biāo)監(jiān)視區(qū)（DSM）2個區(qū)域，故將CSM和TSM定義為DSP的2個元素，繼承其4個屬性。Onboard ATP中的一些元素包含枚舉類型的屬性，如表1所示。

表1 車載ATP子系統(tǒng)元模型中的枚舉類型

（3）Connection類型的元素代表元模型中各元素之間的關(guān)系。車載ATP子系統(tǒng)元模型中包含8個Connection類型的元素，其中MRSP_Section、MRSP_TSR、MRSP_Train和MRSP_Mode分別是最限制速度曲線（MRSP）的計算應(yīng)考慮線路固定限速、線路臨時限速、列車構(gòu)造限速及模式限速；DSP_MA、DSP_MRSP和DSP_Train分別是DSP的計算中考慮的行車許可、MRSP和列車的制動性能；Train_DSP是車載ATP子系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)速度曲線監(jiān)控列車運行速度，列車超速時通過輸出報警提示、切斷牽引及制動的方式控制列車速度，保障列車安全。

上述分析過程給出了車載ATP子系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的重要概念及其相互之間的關(guān)系，其功能的實現(xiàn)依賴于一些領(lǐng)域規(guī)則，具體如下：

（1）當(dāng)MRSP的構(gòu)成要素發(fā)生變化時，要重新計算MRSP；MRSP的速度監(jiān)控應(yīng)考慮列車遵守的最小靜態(tài)速度限制和列車長度。

（2）當(dāng)列車進入降速區(qū)段，MRSP計算要考慮安全距離；當(dāng)列車進入升速區(qū)段，MRSP計算要考慮車尾保持。

（3）列車收到的新臨時限速若與先前收到的臨時限速編號相同，新的臨時限速應(yīng)取代舊的臨時限速。

（4）報警提示產(chǎn)生后應(yīng)持續(xù)有效，應(yīng)在列車減速至允許速度以下后關(guān)閉。

（5）如果常用制動命令被觸發(fā)，應(yīng)在列車速度降至允許速度以下后緩解。

（6）緊急制動是常用制動的后備，如果常用制動無法達到控車安全要求時，則應(yīng)觸發(fā)緊急制動命令。

（7）如果列車速度大于緊急制動限制速度，應(yīng)觸發(fā)緊急制動命令。

（8）緊急制動命令被觸發(fā)后，只能在列車停穩(wěn)且司機按下制動緩解按鍵后才能緩解。

以上領(lǐng)域規(guī)則只是車載ATP子系統(tǒng)領(lǐng)域規(guī)則的一部分，可以根據(jù)需要進行擴展和細化，這些領(lǐng)域規(guī)則無法用UML類圖表示。在利用GME構(gòu)建元模型時，將領(lǐng)域規(guī)則以O(shè)CL約束的形式組織起來。OCL是一種施加在指定模型元素上的形式化語言。OCL表達式以附加在模型元素上的條件和限制來表現(xiàn)對該對象的約束，包括附加在模型元素上的不變量或約束的表達式，以及附加在操作和方法上的前置條件和后置條件。

4 結(jié)束語

分析和抽象列控系統(tǒng)車載ATP子系統(tǒng)的共性特征，并應(yīng)用元模型理論和建模工具構(gòu)建其領(lǐng)域元模型。該模型可以描述車載ATP子系統(tǒng)的共性特征和組織結(jié)構(gòu)，從而刻畫了該系統(tǒng)的建模語言ATP-ML的語義和語法。ATP-ML具有較強的通用性，可以刻畫面向不同硬件平臺和操作系統(tǒng)的車載ATP子系統(tǒng)的軟件模型，發(fā)揮了模型的可重用性，提高了軟件的質(zhì)量和開發(fā)效率，顯著縮短開發(fā)周期。