隨著鐵路運輸速度的加快，實現(xiàn)鐵路電力調度的集中監(jiān)控和指揮變得越來越關鍵。模擬板可以直接反映出各項設備和供電線路的運行狀態(tài)，在電力調度作業(yè)中扮演了不可或缺的角色。然而，目前許多模擬板系統(tǒng)的設計仍舊采用了過程式編程語言，這導致了模型缺乏統(tǒng)一性，結果便是一旦需求展開或部分修改，就不可避免地進行大面積的重構和編程修改，從而增加了成本。
為了克服模擬板系統(tǒng)設計中的這些缺點，本研究探索了采用面向對象的統(tǒng)一建模語言（UML）來進行設計的原理、流程和方法，并將其與實際工程項目結合，進行了具體的開發(fā)和實踐應用。
1、UML設計原理
如今，許多尖端的應用系統(tǒng)開發(fā)團隊在分析、設計、編程和測試的各個階段都已全面采納了面向對象的開發(fā)方法，這一做法已經成為軟件應用開發(fā)領域的主導技術。統(tǒng)一建模語言（UML）僅是一套建模工具，且其設計思想與具體的編程語言無關。基于這一特性，就像可以將UML模型轉換為源代碼一樣，源代碼也可以被還原為UML模型，這個過程通常被稱為“逆向工程”。
1.1 UML語言介紹
在1997年，統(tǒng)一建模語言（UML）被提交給了對象管理組（OMG），并被接受作為面向對象分析和設計的標準建模語言。UML自那時起不斷地在進化和改進中，OMG發(fā)布的較新版是UML 2.0。在美國和西歐等地區(qū)，大批軟件開發(fā)機構已經開始采用UML進行系統(tǒng)建模，而在國內，也有越來越多的開發(fā)組織在探索和采納這種做法。
UML是一種專為軟件密集型系統(tǒng)的可視化、規(guī)范化、建構和文檔化而設計的建模語言，它主要被應用于系統(tǒng)的分析和設計階段。UML的能力在于它能夠以前所未有的方式表達系統(tǒng)模型，它提供了一種比以往任何面向對象的分析和設計方法都更為強大的系統(tǒng)表達能力。
UML特別適合于面向對象的分析和設計階段的系統(tǒng)建模，能夠深刻地描述和表達系統(tǒng)的結構與行為。UML的描述可以分為三個主要的視圖領域：結構視圖、行為視圖和模型管理視圖。其中，結構視圖包含了用例圖、類圖、對象圖、構件圖和部署圖；行為視圖涵蓋了順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動圖；而模型管理視圖則包括了模型、包和子系統(tǒng)等方面的描述。通過這些視圖和圖表，UML提供了一套全面的工具集，以支持復雜系統(tǒng)的分析和設計。
1.2 模型與設計
（1）增量迭代開發(fā)模式
在面向對象的方法論中，基本的理念是以天然的分區(qū)對問題域進行劃分，構建符合人類認知習慣的問題領域模型，以實現(xiàn)對實體的結構和行為進行仿真。這樣的方法意在讓設計工作更加貼合現(xiàn)實世界的情況，進而打造出模塊化、可復用且易于維護的系統(tǒng)架構。
利用UML建模工具的面向對象系統(tǒng)，可以應用一種遞增式的迭代開發(fā)模型，其工作流程分為以下幾個階段：1）需求收集，包含系統(tǒng)的基本功能要求及對計算機系統(tǒng)的具體需求；2）需求分析，任務是識別并描述系統(tǒng)的全部需求，以用例圖的形式體現(xiàn)系統(tǒng)的外部功能需求；3）系統(tǒng)設計，此階段的目標是拓展和精細化分析階段的模型，設計過程可以從序列圖入手，利用序列圖展現(xiàn)用例的行為序列，其中每個消息都對應類的操作或狀態(tài)的轉化；4）系統(tǒng)實現(xiàn)，即編碼階段，將設計轉化為程序代碼；5）系統(tǒng)測試，編碼完成后對系統(tǒng)進行測試，以驗證其功能的正確性。
（2）功能用例
模擬板系統(tǒng)的核心功能包括處理批量遙信、單個遙信的正常變位與事故變位、模擬板的復位、遙信全合閘亮屏、遙信全分閘暗屏、遙信燈閃光、亮盤運行、暗盤運行、停止閃光、調光操作、時間顯示、事故停表、安全生產日數的顯示、預告與事故聲音警報、單個遙信的閃光控制等。以下是該系統(tǒng)的功能用例圖的描述。
（3）交互設計
采用JAVA分布式技術，將模擬板的實體設計為一個分布式對象，命名為MMPApp，并將其綁定至模擬板控制機的端口上進行發(fā)布和訪問接口提供，以便與調度員工作站的遠程動作系統(tǒng)進行交互。此外，該對象也能夠實現(xiàn)與實時數據庫間的信息交互。
模擬板組件主要通過遠程調用與遠動調度實時數據庫組件和調度人機接口組件進行交互。實時數據庫組件用于提供常規(guī)遙信、遙測、事故觸發(fā)、GPS校時、記錄安全生產天數等信息。而調度人機接口組件則提供多級調光、事故清閃、報警復位、全屏操作等信息的功能。
2主要程序流程與技巧
2.1 基本遙信數據顯示過程的優(yōu)化描述
利用線程池技術，當線程激活時，流程首先在模擬板地址數據庫中定位顯示地址。隨后，該流程將從遠程實時數據庫中檢索要顯示的數據，并組織這些數據成為報文來驅動對應的信號燈。
在模擬板通信程序啟動期間，批量報文會被構建并發(fā)送以初始化顯示。系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，對于收到的單個遙信，會根據其狀態(tài)是正常還是事故，分別發(fā)送相應的單個遙信正常或事故變位報文。安全天數和GPS時間同步報文也采取類似的發(fā)送機制。
2.2 供電網絡拓撲狀態(tài)指示流程的簡化描述
傳統(tǒng)的遠動系統(tǒng)著重于四遙（遙測、遙信、遙控、遙調）功能，并通過RTU直接傳輸現(xiàn)場信息以反映設備狀態(tài)。隨著調度自動化系統(tǒng)的演進以及用戶需求的增長，調度模擬板系統(tǒng)需要顯示供電網絡的拓撲狀態(tài)，這為調度員提供了很大的便利以確認哪些線路是通電或斷電狀態(tài)。
由于線路狀態(tài)不是通過傳感器采集而是通過計算得出的，這些數據稱為拓撲量。在實時數據庫的拓撲量計算模塊中完成所有線路狀態(tài)的計算后，結果被存儲在內存中的實時數據庫。模擬板系統(tǒng)隨后組織這些計算結果成報文，發(fā)送至模擬板進行解析和顯示。實時數據的轉發(fā)、計算和協(xié)作過程如圖4所示。
模擬板系統(tǒng)提供了八級調光功能，從一級（較暗）到八級（較亮）。默認情況下，系統(tǒng)在三級亮度下啟動。白天通常使用三級亮度，但在夜間，由于三級亮度可能過于刺眼，調度員通常會將屏幕調至暗盤模式以降低亮度。
2.3 事故變位閃爍和清除閃爍過程的概述
一旦發(fā)生事故，實時數據庫會自動向MNPApp對象發(fā)送影響的屏號和站號信息。收到這些數據后，MNPApp對象會立刻暫停相應屏幕的遙信線程，并以優(yōu)先級順序發(fā)送事故報文、事故停止報文，并激活事故閃光和聲音報警。如果屏幕處于暗盤模式，它會立即被點亮至默認的三級亮度。事故處理完畢后，遙信線程會自動恢復，等待調度員進行后續(xù)的事故處理。
當調度員發(fā)出事故恢復指令時，MNPApp對象同樣會暫停相應屏幕的遙信線程，并以優(yōu)先級順序發(fā)送事故恢復報文、時間同步報文以及用于清除事故狀態(tài)指示的報文。這些處理完成后，遙信線程會自動恢復。
3工程開發(fā)與應用
3.1 工程背景改寫
西安鐵路局電力調度中心的隴海線歷來依賴日本日立公司提供的遠動監(jiān)控系統(tǒng)進行運行管理。但由于鐵路運輸業(yè)務的快速發(fā)展，以及對速度提升和運輸能力擴增的需求，原系統(tǒng)的一些部件日益難以更換和維護。為了適應這些新的要求，西安鐵路局決定采用新一代電氣化鐵道遠動自動化系統(tǒng)，并對既有的電力調度模擬板系統(tǒng)進行徹底的升級改造。本項目就是在現(xiàn)有遠動實時數據庫系統(tǒng)的基礎上，研發(fā)了一套先進的模擬板系統(tǒng)。
3.2 系統(tǒng)功能改寫
新系統(tǒng)包括一個在模擬板控制機上運行的通訊程序，它負責實時數據庫與配備NSMJ型智能接口盒的模擬板之間的串行通信。系統(tǒng)不僅能實時更新遙信和遙測數據，并在模擬板上直觀地展示牽引供電系統(tǒng)的接線圖以及線路的電流狀態(tài)，還能進行事故報警和信號閃爍指示。此外，操作人員可以通過調度主機對模擬板執(zhí)行屏幕控制，包括全屏點亮或熄滅、事故閃爍和清除閃爍、屏幕亮度的多級調節(jié)，以及在遠動系統(tǒng)發(fā)生事故時自動激活全屏點亮等多個功能。
3.3 投入運營改寫
在實際的運行環(huán)境中，模擬板系統(tǒng)采用了多屏幕的分布式布局和安裝策略。各模擬板通過智能接口盒利用RS232接口與通信終端服務器相連，該服務器負責將串行通信數據轉換為網絡通信數據，如圖6所示。三個操作臺分別控制1#屏、2#屏和3#屏。通過配置有多串口功能的DeviceMaster終端服務器，模擬板控制機能夠同時與三個模擬板進行通信，實現(xiàn)數據的實時顯示和控制操作。
UML是制定系統(tǒng)架構圖的標準化語言。它使得構建復雜系統(tǒng)的視覺模型成為可能，不僅支持功能用例的建模，還可以用于精細化的業(yè)務流程建模。利用UML進行反向工程有助于確保模型與代碼保持同步。UML設計的核心技術在于使用基于用例驅動的UML增量迭代模型方法進行設計。本研究所設計的模擬板系統(tǒng)，改善了在復雜系統(tǒng)中存在的用例數量龐大、用例間交互復雜和工作量大等問題，減少了用例生成的重復性。實現(xiàn)的關鍵流程包括基本遙信數據顯示、供電網絡拓撲的光帶展示、模擬板亮度調節(jié)控制、以及事故指示閃爍和清除等流程。
采用UML迭代模型進行改進的鐵路電力調度模擬板系統(tǒng)已投入使用很過兩年。在這段時間內，虢鎮(zhèn)牽引變電所的饋出線路進行了改造。由于系統(tǒng)采用了UML設計，即使在進行物理改造時，模擬板系統(tǒng)的軟件也無需進行任何調整，這證明了UML設計方法的統(tǒng)一性和可持續(xù)性，且實際應用效果證明其優(yōu)勢顯著。
