基于QT的6A系統軟件可靠性研究與檢測設備開發

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系統軟件可靠性研究與檢測設備開發

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（6A系統）車載軟件可靠性需求的分析，構建了6A系統軟件可靠性架構。結合QT圖形用戶界面IDE實現了ARM嵌入式檢測設備的開發，從而實現了6A系統軟件檢測的人機交互，為6A系統軟件可靠性提高與維護提供了便攜式檢測平臺。

6A系統；軟件可靠性；檢測設備

機車車載安全防護系統（簡稱6A系統：ABDR：Air Brake safety monitoring and Data Record system，制動監測子系統；AFDR：Fire Alarm and Data Record system，防火監測子系統；AGDR：Anti-Ground Detection system for Resistance of high voltage equipment，高壓絕緣檢測子系統；APDR：Appliances train Power Diagnosis and Record system，列車供電監測子系統；ATDR：Advanced Truck Defect diagnosis and Record system，走行部監測子系統；AVDR：Automatic Video Display and Record system，視頻監控子系統。）是針對機車的制動系統、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備的基礎上，完善功能、綜合集成，形成完整的系統性、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系統的組成與功能［1］如圖1所示：

圖1 6A系統組成與功能圖

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

1 6A系統車載軟件可靠性

系統軟件可靠性設計的實質是在常規的軟件設計中，應用各種必須的方法和技術，使程序設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生失效（不可靠）會導致任務的失敗，甚至導致災難性的后果。因此，應在軟件設計過程中，對可能發生的失效進行分析，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，同時為避免類似問題的發生提供借鑒。特別是嵌入式軟件的可靠性問題關系到設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設計之初統籌考慮的，6A系統的車載軟件就是如此。因而軟件可靠性設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系統中對機車的故障診斷采用多級診斷、逐級上報的方式實現。6大監測子系統中，每個監測子系統負責診斷本系統的機車設備故障，并將診斷結果上報至中央處理平臺，主機進行子系統之間的關聯診斷并將結果發送至音頻、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。

根據對6A系統整個故障診斷流程分析，日志文件需要記錄如下內容，可以涵蓋軟件運行的整個過程，并可有效定位系統失效發生點，以便及時修正。6A系統軟件可靠性的架構設計如下：

如圖3結構圖所示，在該架構設計中，系統可靠性及狀態記錄包括從系統上電加載、進程啟動、運行、信息相互交換及異常處理等各個方面。狀態監控與過程記錄融合到軟件實現的全流程之中，因而各子系統與中央處理平臺的數據交互，中央處理平臺工作狀態完全在系統狀態監控下進行，記錄結果見表1。

圖2 6A系統故障診斷流程圖

圖3 6A系統軟件可靠性框架結構圖

表1 6 A系統部分運行狀態記錄

2 便攜式檢測設備與6A系統車載軟件使用可靠性

車載設備可靠性記錄的數據源可實現6A系統的綜合維護，包括機車配置信息維護、6A系統配置信息維護、6A系統軟件可靠性運行記錄分析與整理。

開發相應的嵌入式設備是實現上述信息人機交互的有效方式。目前基于ARM的嵌入式設備由于具備低功耗、數據安全、便攜式等優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系統開發，將6A系統軟件可靠性的維護通過裝車過程的信息配置、運用過程狀態數據的下載分析、圖形化顯示6A系統的軟/硬件運行狀態來實現。

3 嵌入式圖形界面技術——Qt

Qt是諾基亞開發的一個跨平臺的C＋＋圖形用戶界面應用程序框架。它提供給應用程序開發者建立圖形用戶界面所需的所有功能。Qt Creator是支持Qt的跨平臺集成開發環境。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計器Qt Desinger；項目和生成管理工具；圖形化調試器等［2］。

Qt-Embedded是Qt的嵌入式版本，它在原Qt的基礎上做了許多調查以適合嵌入式環境成為Linux 4大主流GUI系統之一。Qt/Embedded是一個多平臺的C＋＋圖形用戶界面的應用程序框架，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，廣泛地應用于個人消費電子、工業控制設備等嵌入式產品和設備中。

在6A軟件檢測設備的開發過程中，程序開發步驟為：

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

（2）然后在PC機的Linux下搭建交叉編譯環境，配置環境變量。

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

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

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

4 6A系統便攜式檢測設備的開發

4.1 功能與通信原理

6A系統便攜式檢測設備功能模塊主要有：軟件檢測、修改車號、統計信息、下載數據，時間校準，見圖4。

本項目中采用UDP傳輸協議來實現檢測設備與6A主機的通信。UDP主要用于基于網絡節點間離散信息包的傳輸，與TCP傳輸協議相比，它有輕量級、面向數據報文，傳輸速度快，系統開銷小的特點，所以在有些對數據安全性要求不是很高的情況下，如檢測設備與主機是短距離相連，網絡穩定的環境下，采用UDP協議是一個不錯的選擇。

基于UDP協議的網絡應用程序，實現起來比較簡單，并且基于UDP協議的網絡應用程序在運行時，受到環境影響較小，所以不容易出錯。

圖4 檢測設備顯示屏

一般地一個UDP數據包的大小被設定為小于512字節的信息，同時IP地址與端口號被包含在發送端與接收端的數據中。如圖5所示檢測軟件的發送數據代碼函數中帶有3個參數，分別為發送數據包，發送目的地IP地址和發送目的地端口號。

將功能窗口綁定預設的IP和端口號，準備接收6A主機發送的數據文件。如圖6所示。

圖5 UDP發送數據文件代碼

圖6 UDP接收數據文件代碼

4.2 功能實現

（1）建立連接

便攜式檢測設備通過網線與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 檢測設備連接主機界面

不同的車型與CPU的組合對應不同的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”，發送連接請求報文給主機，主機經過校驗同意連接并發送動態密碼給檢測設備。檢測設備此時顯示“連接成功”。此后對6A主機的任何操作都需要發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系統各組成部分、各子系統工作時的狀態參數。當其中某一個功能模塊發生故障或異常時，日志文件都會有明確體現。通過篩查日志故障記錄可以確認6A系統軟件是否工作正常，并及時修正。

（3）修改車號

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

（4）數據下載

通過點擊“數據下載”，在下載數據界面選擇所需下載數據的起始日期和結束日期，將6A主機數據下載到檢測設備的CF卡中，檢測設備軟件監測界面見圖9。

（5）統計信息

檢測設備可通過對報警數據的統計分析，給出各個子系統發送報文統計：圖10中黑色為接收報文數、灰色為錯誤報文數、白色為不連續幀數。

圖8 6A主機日志文件

圖9 檢測設備軟件監測界面

5 結束語

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

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）