引 言 列車運行控制系統(tǒng)是對列車速度自動控制的各種裝置的統(tǒng)稱，根據(jù)對速度控制程度的不同，一般分為：列車自動停車（ATS）系統(tǒng)，列車超速防護（ATP）系統(tǒng)，列車自動控制系統(tǒng)，列車自動運行（ATC）系統(tǒng)和列車自動運行（ATO）系統(tǒng)。 列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面是車載設備與駕駛員進行信息交互的平臺，是列車運行控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。通過車載人機界面，司機可以對列車的相關參數(shù)進行設置，實時地得到有關列車和線路的相關狀態(tài)和數(shù)據(jù)，對車載設備發(fā)出的命令和警告及時地進行響應。 近年來隨著科技水平的不斷發(fā)展，鐵路裝各技術(shù)水平躍上了一個新臺階，高速鐵路的崛起和發(fā)展給世界鐵路的重新振興帶來了勃勃生機。作為高速鐵路的關鍵設備之一。列車自動控制系統(tǒng)具有以下三大特點：1，以車載顯示為行車憑證；2，用速度命令代替色燈含義：3，信號直接控制列車制動。正是因為這樣的特點，使得人機界面在整個系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。良好的界面設計可以將更多的信息清晰地顯示出來，有助于司機更好地了解要完成的任務，提高速度和精確性，減少人為失誤的可能性，在最大程度上保證列車的安全性。 對于一般交互式軟件系統(tǒng)來說，GUI設計和實現(xiàn)是軟件系統(tǒng)開發(fā)中的一個重要部分。人機界面是指軟件系統(tǒng)與使用者之間的交互。它為用戶提供各種形式的輸入，將用戶的輸入信息進行轉(zhuǎn)換后，傳給核心模塊進行處理，并將處理結(jié)果以可理解的方式反饋給用戶。它介于用戶和核心應用之間。設計既要針對使用者，義更適應核心模塊。用戶界面的設計質(zhì)量，直接影響用戶對軟件產(chǎn)品的評價，并最終影響軟件產(chǎn)品的競爭力和壽命。事實上，在很多軟件的設計階段，由于缺乏行之有效的用戶界面設計手段，界面設計由實現(xiàn)人員直接編碼完成，從而導致了實現(xiàn)與用戶需求之間的差距。 本文分析了列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面所要滿足的設計原則，設計了一種適合這種人機界面的GUI模型。選用UML來描述人機界面的功能需求、總體設計和詳細設計的過程并進行建模，并利用其工具Rational Rose加以嚴格定義的圖形化語言的描述。最后使用Microsoft公司的Visual C++開發(fā)工具進行了開發(fā)。 1、人機屏面設計的原則 1.1 人機界面設計的原則 人機界面設計要講究藝術(shù)性和科學性，利用圖形藝術(shù)家的見解和人性因素的研究者的發(fā)現(xiàn)，并考慮到用戶的直觀感覺。根據(jù)已有的用戶界面設計經(jīng)驗，針對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的特點，總結(jié)出了以下幾點設計原則： 1） 理解司機要進行的操作。典型的用戶界而設計都要進行任務分析來理解用戶任務的性質(zhì)。 2） 司機在與系統(tǒng)得交互過程中能夠掌握操作的控制權(quán)。無論何時用戶發(fā)起的操作都能夠可以被取消。 3） 提供多種方式來兜成每個與界面相關的動作（例如關閉一個顯示窗口）。 4） 當司機進行了錯誤的操作時，應能夠以醒目的方式及時進行提示。 5） 重視可讀性和可理解性。提示信息應該簡明概要，所州的圖形信息便丁=-州機理解。運用不同的顏色來表示信息的優(yōu)先級 6） 盡量保持界而構(gòu)件的尺寸相同。充分利用空間關系。屏幕上的圖形構(gòu)件之間的距離不要太遠，必要時可以用一個框?qū)⑺麄儼鼑饋怼? 1.2 采用UML進行設計的優(yōu)勢 UML采用的足一種圖形表示法，是一種可視化的圖形建模語言 UML定義了建模語言的文法， 運用元模型對語言中的基本概念、術(shù)語和表示法給出了統(tǒng)一且比較嚴格的定義和說明，給出了這些概念的準確含義。UML為人們提供了從不同的角度去觀察和展示系統(tǒng)的各種特征的一種標準方法。在UML中，從任何一個角度對系統(tǒng)所作的抽象都可能需要用幾種模型圖來描述，而這些來自不同角度的模型圖最終組成了系統(tǒng)的完整圖像。 UML語言提供了模型管理視圖，用以描述系統(tǒng)各種模型之間的關系。通過模型管理視圖提供的機制，系統(tǒng)設計者可以將各個模型元素有機地分解為各個不同層次的包，從而從不同的層次粒度上對系統(tǒng)模型問的關系進行描述，極大地提高了系統(tǒng)設計的可讀性和可維護性。UML這種層次化、模塊化的管理機制非常適合于對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面進行建模。但是，如果由開發(fā)人員手工地繪制這些圖形，不僅非常煩瑣，而且很難保證不同視圖之間的一致性，因此UML的支持環(huán)境在實際的軟件開發(fā)中是必不可少的。 Rational公司的Rose是目前在國際上應用雖廣泛、功能最強大的支持UML的CASE工具，在軟件開發(fā)過程的幾個階段都很有用。在項目開始階段，Rose可以產(chǎn)生用況模型；在細化與構(gòu)造階段，Rose可以開發(fā)活動框圖，顯示事件流程；順序圖和協(xié)作圖則顯示要開發(fā)的對象及其相互問的交互；Rose開發(fā)的類圖顯示對象間的相互關系：組件圖顯示系統(tǒng)組件間的相關性。此外Rational Rose最強大的特性之一是具有生成表示模型的代碼和逆向轉(zhuǎn)出工程代碼的能力，保證了代碼與對象模型的同步性。 2、使用UML對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面進行分析和建模 2.1 常用GUI模型簡介 通常GUI模型抽象為三個部分：界面的表現(xiàn)模型，即與使用者問的接口；界面構(gòu)件的對話過程，即用戶界而構(gòu)件之間的交互以完成用戶任務；核心應用，即完成應用業(yè)務邏輯的功能模塊。幾種主要的GUI模型如，Seeheim模犁，MVC（Model-View-Controller）模型和PAC （Presentation—Abstraction．Controller都基于這樣的基本思想。F面對最基本的Seeheim模型進行簡要說明。 Seeheim模型將軟件體系結(jié)構(gòu)分為4個部分：核心模塊（Functional Core），核心應用接口（Functional Core Adapter），對話控制器（Dialogue Contro1ler），界面構(gòu)件（Presentation Component）。Function Core對領域應用進行建模。Functional Core Adapter為用戶界面與核心應用之間建立一個緩沖區(qū)，以減少二者之間的耦合。它通過一些交互協(xié)議為用戶界面與核心應用之間提供同步或者異步的數(shù)據(jù)交換。Dialogue Controller是Seeheim模型中的核心部分。它通過界面構(gòu)件接收來自用戶的各種輸入請求，通過轉(zhuǎn)換后利用核心應用接口與核心模塊進行數(shù)據(jù)交換，保證多個視圖間的一致性，以完成特定的用戶任務在Dialogue Contro11er中可以嵌套定義Seeheim子模型。這樣可以從不同粒度上對GUI系統(tǒng)進行建模。Presentation Component對界面構(gòu)件的具體交互動作和輸入輸出進行設計。 2.2 車載人機界面建模 （1） 系統(tǒng)需求分析 需求分析就是明確從外圍系統(tǒng)的角度要求車載人機界面提供什么功能。在以往的需求分析中，始終沒有一種合適的工具來保證系統(tǒng)需求的完整表達，所以直接導致了系統(tǒng)在完成后的檢測中發(fā)現(xiàn)與真實情況小符。從分析階段引入全面支持UML的Rational Rose這個有效的形式化上具，以完整的，無歧義的語言來表達需求，簡化開發(fā)過程中的交流。 列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面是車載設備與司機進行信息交互的平臺。車載人機界面要保證司機可以對列車的相關參數(shù)進行設置，實時地得到有關列車和線路的相關狀態(tài)和數(shù)據(jù)，對車載設備發(fā)出的命令和警告及時地進行響應。運用UML的用例圖可以清晰的表示出以上需求。 接下來對用況進行形式化 的描述。司機在進行操作時，首先可以根據(jù)需要來調(diào)整界而的背景色，分辨率等參數(shù)，這時執(zhí)行了界面設置用況。當司機需要對列車長度等參數(shù)進行配置時，則要使用數(shù)據(jù)操作用況。在數(shù)據(jù)用況中還可以顯示列車的初始化信息?？紤]到司機需要響應車載設備發(fā)出的指令以及進行人工干預。所以命令操作用況也是必不可少的。司機操作人機界面的過程采用UML的活動圖做了描述。 （2） GUI模型框架 根據(jù)人機界面設計的原則?？紤]到實際的應用背景，本文在Seeheim模型的基礎上，提出了一種適用于列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的GUI模型，如圖3所示。模型由視圖模塊（View Mode1），視圖控制器（View Controller）和核心應用接口（Core Interface）三部分組成，是一種面向?qū)ο蟮腉UI設計模型。 視圖模塊（View Model）對用戶界面的可視部分進行描述。它接受司機的輸入，并為司機提供可視化信息，是GUI模型中唯一直接與司機打交道的部分。它的設計采用多級遞階的設計思想，從邏輯功能上分解為各個視圖（view），每個視圖又可以分解為多個子視（Sub—View）。子視圖是對上一層視圖的進一步分解和細化。視圖的靜態(tài)特性可以包含視圖的大小、位置和可見性等與視圖自身表現(xiàn)形式有關的屬性。它的動態(tài)行為包括視圖內(nèi)部的動作和與其他視圖問的協(xié)作，以及與司機之間進行的交互。視圖模塊的建模以消息響應為核心，通過消息響應過程對用戶事件進行處理。例如響應車載設備命令或改變界面樣式等。當View與其他視圖進行交互時。將用戶消息發(fā)送給View Controller進行調(diào)度。由View Controller來實現(xiàn)在不同的視圖之間的轉(zhuǎn)換。 當用戶完成一項任務涉及到若干視圖時，View Controller負責各個視圖間的切換調(diào)度。它接受從View Model發(fā)送來的消息，由消息響應函數(shù)負責對相關的視圖進行控制。相對于View Model，View Controller是一種粗粒度的用戶交互模型。它負責將用戶要完成的任務分解，然后映射到用戶界面的各個視圖中去。視圖內(nèi)部的用戶交互動作則由View Model去描述。 Core Interface為用戶界面中的視圖（View）提供了與車載設備進行數(shù)據(jù)交互的接口。車載設備把列車相關信息通過這個接口傳送給用戶界面，向司機進行顯示；當需要司機進行操作時，也通過該接口向車載設備進行信息發(fā)送。Core Interface在用戶界面與車載設備之間建立起一個緩沖區(qū)，減少了兩者之間的相互耦合，提高了代碼的可維護性和可重用性。 從圖3中可以看出，View Controller負責在各個視圖問的切換調(diào)度。它接收來自各個視圖的事件。View Controller在系統(tǒng)中是非可視化的，它只負責協(xié)調(diào)各個視圖問的調(diào)用。運用UML的順序圖可以對調(diào)度的過程進行描述（圖4）。 （3） 包和類的劃分和處理 對用況進行詳細的描述后，可以進一步對系統(tǒng)的功能模型和車載人機界面模型進行定義和描述。UML提供了在設計初期描述對象總體框架的工具——包（package）。包就是對象組，借助包圖，可以描述出系統(tǒng)的對象組之間的聯(lián)系，確定出系統(tǒng)對象集合之間的層次和結(jié)構(gòu) 包圖是用況圖歸納分類的結(jié)果，它往往可從用況圖直接導出。作為GUI模型中唯一直接與司機打交道的部分，視圖模塊包由配置界面、數(shù)據(jù)界面和操作界面三部分組成（圖5）。 對于包圖中的每一部分進一步分析可以得出類圖。為了便于司機進行操作，在操作界面中，把相關的信息放在一起進行顯示，分成了五個不同的類。速度類向司機提供有關列車目標速度，允許速度，緩解速度和當前速度等相關速度信息；計劃信息類提供司機選定的距離區(qū)域內(nèi)的提示信息例如車站的位置，坡度信息，起始位置信息，速度曲線相關信息和地理信息，并且能夠顯示最大限制曲線。列車進行制動時，監(jiān)督距離信息類提供目標停車點的預告距離，干涉預告時問信息。車載設備向司機發(fā)出的命令以及司機進行的人工干預，通過輔助駕駛信息類和監(jiān)測信息類來實現(xiàn)。每個類負責相關的信息顯示，在人機界面中分成了五個相對集中的部分。它們在的分布如圖6所示。 對每一個類，我們還應識別屬性和操作。操作界面類和Core Interface類的一些屬性和方法定義如圖7所示。 UML對面向?qū)ο笤O計的表述能力相當強大，可以較好地描述車載人機界面模型的各個層面。通過UML用例圖可以很清晰地導出View Model，View Controller以及Core Interface。利用UML 的包圖和類圖對模型進行分解細化。創(chuàng)建順序圖和活動圖描述了模塊之問的協(xié)作關系以及模塊內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序。車載人機界面的層次化和模塊化結(jié)構(gòu)可以較好地與UML各個粒度的設計工具相結(jié)合，較好地融入到整個軟件的設計過程中。 3、列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的實現(xiàn) Rose在構(gòu)造階段根據(jù)對象設計創(chuàng)建組件。組件圖顯示組件間的編譯相關性，選擇每個組件的語言后，可以產(chǎn)生框架代碼。在此，我們采用c++這種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，并用Microsoft公司的Visual C++工具進行了軟件開發(fā)。 根據(jù)建立的GUI模型，采用Visual c++中基于對話框的程序架構(gòu)來開發(fā)軟件系統(tǒng)。整個軟件系統(tǒng)由多個對話框（Dialogue）組成。View Model由多個Dialogue組成，每個Dialogue分別表示不同的View。Dialogue之間的轉(zhuǎn)換，由View Controller來控制，通過消息映射來完成這樣功能。 在開發(fā)過程中，首先根據(jù)包圖和類圖的描述對界面中的各種視圖進行實現(xiàn) 人機界面的視圖中操作界面是最重要也是最復雜的，下面以操作界面為例來說明開發(fā)的過程。首先利用Rational Rose自動生成表示模型代碼的能力，可以產(chǎn)生操作界面的框架代碼，將圖7中描述的操作界面類轉(zhuǎn)化為用c++描述的代碼，操作界面基類和各個子類得到了很好的封裝，保證了代碼與對象模型的同步性。有了界面的框架代碼，我們只需要在函數(shù)體中。添加實現(xiàn)具體功能的代碼就可以了，采用這種方法避免了設計人員與實現(xiàn)人員之間的理解偏差，提高了軟件的整體性。 接下來分別對操作界面中的五個子類進行實現(xiàn)。在實現(xiàn)時，要充分結(jié)合上文論述的人機界面原則，例如在輔助駕駛信息類中顯示當前命令和提示以及系統(tǒng)狀態(tài)時，遇到要求司機進行操作，將用黃色顯示并加上一個黃色閃爍的邊框。當操作正確時，閃爍停止。在情況發(fā)生后（如離開隧道）或情況開始后（當列車的前端通過命令或提示指出的位置后，如降低受電弓），命令或提示符號從這個區(qū)域被刪除。當操作不正確時，符號以紅色顯示并加上一個紅色不閃爍的邊框，直到命令被正確回應為止。這樣可以利于司機及時觀察到提示信息，采取相應的措施。 考慮到界面可理解性和美觀性的需要，在計劃信息類內(nèi)，采用了特定的圖形符號來表示命令和提示信息與速度曲線信息，同時 司機可以激活圖形符號來獲取第二層信息。在表示距離時，應用對數(shù)表示距離范圍。因為用純對數(shù)無法顯示接近零的距離值，所以在O到100之間線性插值。圖8為駕駛操作界面。 View內(nèi)部的動作以及與司機之間進行的交互以消息響應為基礎，通過消息響應過程對用戶事件進行處理。例如操作界面收到車載設備發(fā)出的制動消息后，觸發(fā)位于操作界面左上方的制動信息類信息顯示。干涉預告時間顯示在屏幕左上角的正方形區(qū)域內(nèi)。正方形的尺寸按照距離干涉的時間進行相應的動態(tài)變化。豎直的矩形條用來指示距離列車將要停車點的預告距離（見圖9）。 按照同樣的方法，可以對View Model中其他的View進行開發(fā)。在View Model的基礎上，為了實現(xiàn)不同View之間的交互，根據(jù)活動圖和調(diào)度順序圖的描述， 來實現(xiàn)View Controller的功能。View Controller對不同View的調(diào)度如圖l0所示。司機首先對界面的參數(shù)進行設置，接下來通過數(shù)據(jù)輸入界面對列車的初始數(shù)據(jù)進行配置 配置完成后，進行確認，進入駕駛操作界面。當司機需要查看或者從新配置初始數(shù)據(jù)時，也可以根據(jù)狀態(tài)圖的描述在不同的View間相互轉(zhuǎn)換。 對于GUI模型中Core Interface，在程序中建立了專用的緩沖區(qū)來實現(xiàn)，緩沖區(qū)中設置了不同的容器（Vector）來存放View與車載設備之間交互的數(shù)據(jù)。車載設備把列車相關信息存放在Vector中，用戶界面可以從這里提取相應的數(shù)據(jù)進行顯示。因為空間的原因，某些信息不能完全表示在操作界面中。例如檢測信息區(qū)域可能不能夠完全顯示出檢測信息類中的信息。Core Interface可以使用戶通過功能鍵從Vector中選擇相應的信息顯示，避免了重要的信息被忽略或覆蓋，提高了代碼的完整性。 4、結(jié)論 本文深入分析了列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面所要實現(xiàn)的功能，設計了一種能夠很好的完成需求的GUI模型。這種模型為車載人機界面的需求分析、界面結(jié)構(gòu)化和層次化設計，以及界面動態(tài)交互任務設計提供了逐步細化的設計框架。 在建模過程中，使用UML及其工具Rational Rose建立了靜態(tài)模型和動態(tài)模型的各種視圖，描述了系統(tǒng)的功能需求、功能流程、類的結(jié)構(gòu)與關系、對象之間的交互。對軟件進行了整體的規(guī)劃和設計，有效地彌合界面設計與核心應用之間的分歧，提高了軟件設計的質(zhì)量和效率，減少了設計人員對需求的理解偏差、設計人員之間的理解偏差，以及設計人員與實現(xiàn)人員之間的理解偏差，提高了設計的一致性、完整性和可維護性。這種方法的優(yōu)勢，在對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的實現(xiàn)過程中充分的顯示了出來。