基于QT的6A系統(tǒng)軟件可靠性研究與檢測設(shè)備開發(fā)

申宇燕，延九磊，張瑞芳，戴 津

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

基于QT的6A系統(tǒng)軟件可靠性研究與檢測設(shè)備開發(fā)

申宇燕，延九磊，張瑞芳，戴 津

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

通過對機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）車載軟件可靠性需求的分析，構(gòu)建了6A系統(tǒng)軟件可靠性架構(gòu)。結(jié)合QT圖形用戶界面IDE實現(xiàn)了ARM嵌入式檢測設(shè)備的開發(fā)，從而實現(xiàn)了6A系統(tǒng)軟件檢測的人機交互，為6A系統(tǒng)軟件可靠性提高與維護提供了便攜式檢測平臺。

6A系統(tǒng)；軟件可靠性；檢測設(shè)備

機車車載安全防護系統(tǒng)（簡稱6A系統(tǒng)：ABDR：Air Brake safety monitoring and Data Record system，制動監(jiān)測子系統(tǒng)；AFDR：Fire Alarm and Data Record system，防火監(jiān)測子系統(tǒng)；AGDR：Anti-Ground Detection system for Resistance of high voltage equipment，高壓絕緣檢測子系統(tǒng)；APDR：Appliances train Power Diagnosis and Record system，列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)；ATDR：Advanced Truck Defect diagnosis and Record system，走行部監(jiān)測子系統(tǒng)；AVDR：Automatic Video Display and Record system，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。）是針對機車的制動系統(tǒng)、防火、高壓絕緣、列車供電（以下簡稱列供）、走行部、視頻等危及運行安全的重要事項、重點部件和部位，在前期已有的各獨立機車安全設(shè)備的基礎(chǔ)上，完善功能、綜合集成，形成完整的系統(tǒng)性、平臺化的安全防護裝置，用于提高機車防范安全事故的能力。

6A系統(tǒng)的組成與功能［1］如圖1所示：

圖1 6A系統(tǒng)組成與功能圖

6A系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計與以往機車上安裝的獨立監(jiān)測設(shè)備有本質(zhì)不同，6A系統(tǒng)將每個監(jiān)測子系統(tǒng)所需要的供電、存儲、顯示、報警等功能集成在一起，子系統(tǒng)共享中央處理平臺，進行信息流的交換，因此對6A系統(tǒng)的軟件可靠性提出了更高的要求。

1 6A系統(tǒng)車載軟件可靠性

系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計的實質(zhì)是在常規(guī)的軟件設(shè)計中，應(yīng)用各種必須的方法和技術(shù)，使程序設(shè)計在兼顧用戶各種需求的同時，全面滿足軟件的可靠性要求。如果軟件在使用中發(fā)生失效（不可靠）會導(dǎo)致任務(wù)的失敗，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，應(yīng)在軟件設(shè)計過程中，對可能發(fā)生的失效進行分析，采取必要的措施避免將可能失效的缺陷引入軟件，為失效糾正措施的制定提供依據(jù)，同時為避免類似問題的發(fā)生提供借鑒。特別是嵌入式軟件的可靠性問題關(guān)系到設(shè)備安全甚至于人員生命，其軟件可靠性問題是需要融入系統(tǒng)設(shè)計之初統(tǒng)籌考慮的，6A系統(tǒng)的車載軟件就是如此。因而軟件可靠性設(shè)計工作將會大大提高使用中軟件的可靠性，減少由于軟件失效帶來的各種損失。

6A系統(tǒng)中對機車的故障診斷采用多級診斷、逐級上報的方式實現(xiàn)。6大監(jiān)測子系統(tǒng)中，每個監(jiān)測子系統(tǒng)負責診斷本系統(tǒng)的機車設(shè)備故障，并將診斷結(jié)果上報至中央處理平臺，主機進行子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)診斷并將結(jié)果發(fā)送至音頻、視頻（簡稱：音視頻）顯示終端，終端通過界面顯示和語音提示報告給司乘人員，同時記錄到日志文件中。故障診斷流程如圖2所示。

根據(jù)對6A系統(tǒng)整個故障診斷流程分析，日志文件需要記錄如下內(nèi)容，可以涵蓋軟件運行的整個過程，并可有效定位系統(tǒng)失效發(fā)生點，以便及時修正。6A系統(tǒng)軟件可靠性的架構(gòu)設(shè)計如下：

如圖3結(jié)構(gòu)圖所示，在該架構(gòu)設(shè)計中，系統(tǒng)可靠性及狀態(tài)記錄包括從系統(tǒng)上電加載、進程啟動、運行、信息相互交換及異常處理等各個方面。狀態(tài)監(jiān)控與過程記錄融合到軟件實現(xiàn)的全流程之中，因而各子系統(tǒng)與中央處理平臺的數(shù)據(jù)交互，中央處理平臺工作狀態(tài)完全在系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控下進行，記錄結(jié)果見表1。

圖2 6A系統(tǒng)故障診斷流程圖

圖3 6A系統(tǒng)軟件可靠性框架結(jié)構(gòu)圖

表1 6 A系統(tǒng)部分運行狀態(tài)記錄

2 便攜式檢測設(shè)備與6A系統(tǒng)車載軟件使用可靠性

車載設(shè)備可靠性記錄的數(shù)據(jù)源可實現(xiàn)6A系統(tǒng)的綜合維護，包括機車配置信息維護、6A系統(tǒng)配置信息維護、6A系統(tǒng)軟件可靠性運行記錄分析與整理。

開發(fā)相應(yīng)的嵌入式設(shè)備是實現(xiàn)上述信息人機交互的有效方式。目前基于ARM的嵌入式設(shè)備由于具備低功耗、數(shù)據(jù)安全、便攜式等優(yōu)良特性使得完成上述功能成為可能。基于ARM平臺的圖形界面GUI系統(tǒng)開發(fā)，將6A系統(tǒng)軟件可靠性的維護通過裝車過程的信息配置、運用過程狀態(tài)數(shù)據(jù)的下載分析、圖形化顯示6A系統(tǒng)的軟/硬件運行狀態(tài)來實現(xiàn)。

3 嵌入式圖形界面技術(shù)——Qt

Qt是諾基亞開發(fā)的一個跨平臺的C＋＋圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立圖形用戶界面所需的所有功能。Qt Creator是支持Qt的跨平臺集成開發(fā)環(huán)境。它包括高級C＋＋代碼編輯器；集成的圖形用戶界面外觀和板式設(shè)計器Qt Desinger；項目和生成管理工具；圖形化調(diào)試器等［2］。

Qt-Embedded是Qt的嵌入式版本，它在原Qt的基礎(chǔ)上做了許多調(diào)查以適合嵌入式環(huán)境成為Linux 4大主流GUI系統(tǒng)之一。Qt/Embedded是一個多平臺的C＋＋圖形用戶界面的應(yīng)用程序框架，具有易擴展、可移植性好等特點，支持多個GUI平臺的交互開發(fā)，廣泛地應(yīng)用于個人消費電子、工業(yè)控制設(shè)備等嵌入式產(chǎn)品和設(shè)備中。

在6A軟件檢測設(shè)備的開發(fā)過程中，程序開發(fā)步驟為：

（1）在linux系統(tǒng)下利用Qt Creator和Qt Desinger設(shè)計整個程序，并完成與6A主機的連接功能測試。

（2）然后在PC機的Linux下搭建交叉編譯環(huán)境，配置環(huán)境變量。

（3）在交叉編譯環(huán)境下編譯源程序，生成能在ARM開發(fā)板上運行的可執(zhí)行文件，等待移植到開發(fā)板上。

（4）在ARM開發(fā)板上搭建好程序運行的Qt－Embedded環(huán)境，包括程序運行所需的Qt－Embedded庫等。

（5）串口連接PC機和ARM開發(fā)板，將可執(zhí)行文件下載到開發(fā)板上，實現(xiàn)程序從PC機到ARM板的移植。

4 6A系統(tǒng)便攜式檢測設(shè)備的開發(fā)

4.1 功能與通信原理

6A系統(tǒng)便攜式檢測設(shè)備功能模塊主要有：軟件檢測、修改車號、統(tǒng)計信息、下載數(shù)據(jù)，時間校準，見圖4。

本項目中采用UDP傳輸協(xié)議來實現(xiàn)檢測設(shè)備與6A主機的通信。UDP主要用于基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間離散信息包的傳輸，與TCP傳輸協(xié)議相比，它有輕量級、面向數(shù)據(jù)報文，傳輸速度快，系統(tǒng)開銷小的特點，所以在有些對數(shù)據(jù)安全性要求不是很高的情況下，如檢測設(shè)備與主機是短距離相連，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的環(huán)境下，采用UDP協(xié)議是一個不錯的選擇。

基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，實現(xiàn)起來比較簡單，并且基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序在運行時，受到環(huán)境影響較小，所以不容易出錯。

圖4 檢測設(shè)備顯示屏

一般地一個UDP數(shù)據(jù)包的大小被設(shè)定為小于512字節(jié)的信息，同時IP地址與端口號被包含在發(fā)送端與接收端的數(shù)據(jù)中。如圖5所示檢測軟件的發(fā)送數(shù)據(jù)代碼函數(shù)中帶有3個參數(shù)，分別為發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)送目的地IP地址和發(fā)送目的地端口號。

將功能窗口綁定預(yù)設(shè)的IP和端口號，準備接收6A主機發(fā)送的數(shù)據(jù)文件。如圖6所示。

圖5 UDP發(fā)送數(shù)據(jù)文件代碼

圖6 UDP接收數(shù)據(jù)文件代碼

4.2 功能實現(xiàn)

（1）建立連接

便攜式檢測設(shè)備通過網(wǎng)線與6A主機相連后，首先要建立與6A主機的連接。如圖7所示。

圖7 檢測設(shè)備連接主機界面

不同的車型與CPU的組合對應(yīng)不同的IP。

選擇車型（6軸機車、8軸A機車、8軸B機車）和CPU（CPU1、CPU2），點擊“建立連接”，發(fā)送連接請求報文給主機，主機經(jīng)過校驗同意連接并發(fā)送動態(tài)密碼給檢測設(shè)備。檢測設(shè)備此時顯示“連接成功”。此后對6A主機的任何操作都需要發(fā)送密碼校驗才能成功。

（2）軟件檢測

在6A主機的日志記錄文件中，見圖8所示，已詳細記錄了6A系統(tǒng)各組成部分、各子系統(tǒng)工作時的狀態(tài)參數(shù)。當其中某一個功能模塊發(fā)生故障或異常時，日志文件都會有明確體現(xiàn)。通過篩查日志故障記錄可以確認6A系統(tǒng)軟件是否工作正常，并及時修正。

（3）修改車號

通過點擊“修改車號”，在車號設(shè)置界面使用觸摸屏點擊方式，輸入車號編碼，發(fā)送給6A主機，主機確認后車號設(shè)置成功。

（4）數(shù)據(jù)下載

通過點擊“數(shù)據(jù)下載”，在下載數(shù)據(jù)界面選擇所需下載數(shù)據(jù)的起始日期和結(jié)束日期，將6A主機數(shù)據(jù)下載到檢測設(shè)備的CF卡中，檢測設(shè)備軟件監(jiān)測界面見圖9。

（5）統(tǒng)計信息

檢測設(shè)備可通過對報警數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，給出各個子系統(tǒng)發(fā)送報文統(tǒng)計：圖10中黑色為接收報文數(shù)、灰色為錯誤報文數(shù)、白色為不連續(xù)幀數(shù)。

圖8 6A主機日志文件

圖9 檢測設(shè)備軟件監(jiān)測界面

5 結(jié)束語

機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）從概念設(shè)計到全路推廣運用歷時短短3年，在設(shè)計之初，軟件可靠性設(shè)計和功能設(shè)計的有機融合是取得這些成績的重要因素之一。模塊化的設(shè)計使得任何一個子系統(tǒng)可以全國范圍內(nèi)統(tǒng)籌開發(fā)，軟件可靠性為系統(tǒng)集成提供了堅實的平臺基礎(chǔ)。

U269.32＋2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.23

1008－7842（2014）03－0094－03

9—）女，助理研究員（

2014－01－07）