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換后，傳給核心模塊進行處理，并將處理結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。用戶界面的設計質量，直接影響用戶對軟件產品的評價，并最終影響軟件產品的競爭力和壽命。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性和科學性，利用圖形藝術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驗，針對列車運行控制系統(tǒng)車載人機界面的特點，總結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。

　　2) 司機在與系統(tǒng)得交互過程中能夠掌握操作的控制權。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) 盡量保持界而構件的尺寸相同。充分利用空間關系。屏幕上的圖形構件之間的距離不要太遠，必要時可以用一個框將他們包圍起來。

　　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可以產生用況模型;在細化與構造階段，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;界面構件的對話過程，即用戶界而構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—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模型將軟件體系結構分為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。它通過界面構件接收來自用戶的各種輸入請求，通過轉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。

　　圖1 車載人機界面模型用況圖

　　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。考慮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。

　　圖2 車載人機界面模型活動圖

　　(2) GUI模型框架

　　根據(jù)人機界面設計的原則。考慮到實際的應用背景，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，是一種面向對象的GUI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進行調度。由View Controller來實現(xiàn)在不同的視圖之間的轉換。

　　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。

　　圖3 車載人機界面設計模型

　　從圖3中可以看出，View Controller負責在各個視圖問的切換調度。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)調各個視圖問的調用。運用UML的順序圖可以對調度的過程進行描述(圖4)。

　　圖4 View Controller的調度順序圖

　　(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構 包圖是用況圖歸納分類的結果，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)。

　　圖5 視圖模塊包圖

　　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。

　　圖6 操作界面中功能模塊的分布圖

　　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對面向對象設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)作關系以及模塊內部的狀態(tài)轉移順序。車載人機界面的層次化和模塊化結構可以較好地與UML各個粒度的設計工具相結合，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，可以產生框架代碼。在此，我們采用c++這種面向對象的編程語言，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，可以產生操作界面的框架代碼，將圖7中描述的操作界面類轉化為用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。

　　圖7 操作界面和Core Interface類圖

　　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，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。

　　圖8 駕駛操作界面

　　View內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。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)。

　　圖9 制動時的操作界面

　　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)活動圖和調度順序圖的描述， 來實現(xiàn)View Controller的功能。View Controller對不同View的調度如圖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。

　　圖10 初始數(shù)據(jù)輸入界面

　　4、結論

　　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、界面結構化和層次化設計，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、類的結構與關系、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。