基于层次状态机的列车广播控制器软件设计及实现

摘要

随着国内外地铁列车广播系统的飞速发展，列车广播系统的功能需求越来越多，软件设计也越来越复杂。目前，国内外列车广播控制系统多采用基于有限状态机的软件结构设计，其软件结构设计扁平，状态迁移过程冗余复杂。这样的设计既不方便后期对功能进行维护和拓展，也容易在列车长时间运行过程中发生程序异常崩溃的现象。因此如何改善现有的列车广播控制系统的低稳定性和低可拓展性，方便开发人员进行后期维护和二次开发，依旧是一个值得探讨的问题。 针对现有的列车广播控制器故障多，软件设计容错性不高的问题，本文对控制器软件设计做了优化，设计了一种基于层次状态机的列车广播控制软件系统。其中功能控制部分采用层次状态机的设计思想，将子状态对事件的共同处理交给顶层状态，而在子状态内部实现对事件的差异化处理。这样的一种类似树结构的软件设计架构，可以降低系统变化对功能子状态的影响，从而提升系统的可拓展性和可维护性。同时，为了提高列车在长时间运行过程中广播控制系统的稳定性和可靠性，本文对控制器进行了三级控制等级划分设计。这样的设计可以确保主控制器内程序发生异常崩溃后，其他备用控制器可以通过合理竞争，接替主控制器设备完成相应功能，确保列车广播控制系统的正常运转。 本文首先对列车广播控制器的特点及层次状态机理论进行了简要介绍，阐述了本次研究的意义。其次，本文针对芝加哥某条地铁线路的实际项目需求，对软件系统进行模块划分并设计了相应的通讯协议。之后，本文设计并实现了一套列车广播控制系统的软件控制程序，并对设计内容进行了详细描述。最后，通过搭建相关功能测试环境，并对各项广播功能进行全面测试，表明本设计能有效提高系统的稳定性和可拓展性。

目录

声明

1 绪论

1.1 列车广播信息显示系统发展现状

1.2 选题意义

1.3 本文结构

2 列车广播控制系统特点及状态机理论

2.1 列车广播控制系统的特点分析

2.2 状态机理论

2.2.1 有限状态机

2.2.2 扩展有限状态机

2.2.3 层次状态机

2.3 层次状态机的构建

2.4 层次状态机的事件处理及状态迁移

2.5 本章小结

3 芝加哥某条地铁线路列车广播控制器系统方案设计

3.1 系统方案设计

3.1.1 列车方案设计拓扑

3.1.2 硬件平台及主要设备简述

3.2 需求分析

3.2.1 广播与显示需求

3.2.2 冗余需求

3.2.3 通信需求

3.3 软件系统设计

3.3.1 操作系统

3.3.2 开发环境

3.3.3 模块划分

3.4 通讯协议设计

3.4.1 CCU与TMS通信协议设计

3.4.2 CCU与车载设备通信协议设计

3.5 本章小结

4 列车广播控制器软件设计及实现

4.1 状态机控制器设计

4.1.1 全车广播功能

4.1.2 门控广播功能

4.1.3 司机对讲功能

4.1.4 乘客与司机紧急对讲功能

4.1.5 紧急消息广播及显示功能

4.1.6 数字化广播报站功能

4.1.7 列车广播优先级划分

4.2 冗余设计

4.2.1 CCU设备冗余设计

4.2.2 OCP设备冗余设计

4.3 配置文件管理

4.3.1 路线语音文件配置

4.3.2 配置文件解析

4.4 本章小结

5.1 功能测试准备

5.1.1 测试系统环境的搭建

5.1.2 测试前准备

5.2 列车广播功能测试

5.2.1 数字化报站广播功能测试

5.2.3 其他广播功能测试

5.3 主从冗余测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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