基于Python 3.6和PyQt5的中国铁路列车运行图系统

分手后的思念是犯贱 2024-02-20 12:06 53阅读 0赞

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## `pyETRC`列车运行图系统 ##

### 概述 ###

本项目是基于Python语言和PyQt5的非官方性质、简易的中国铁路列车运行图系统。本代码的发布遵循`GPLv3`协议。在协议允许范围内，作者保留一切权利和最终解释权。

本项目在Windows 10 操作系统下开发和测试。

#### 与`ETRC`的联系 ####

##### 渊源 #####

`pyETRC`项目的最初灵感来源和很多功能设置都来自由LGuo等前辈基于java语言开发的`ETRC`列车运行图系统。为致敬开发`ETRC`项目的前辈，本项目定名为\*\*`pyETRC`列车运行图系统\*\*，简称为`pyETRC`。

##### 交互支持 #####

本系统支持读取和导出`ETRC`列车运行图系统的运行图文件（`*.trc`）。但由于两软件支持的功能有差异，读取和导出过程可能造成一定的信息损失。

本系统与`ETRC`列车运行图系统的实现各有侧重。相比本系统，`ETRC`列车运行图系统有如下的特色比较突出：

*  **动态运行图**。本系统不支持此功能。
 *  对于精确到客运时刻的需求，**自带较完善的线路数据库和车次时刻数据库**。而本系统的线路和车次数据库依赖外部文件，且目前很不完整。
 *  较完善的车次切片功能。
 *  更简洁的操作和数据，或者说需要用户提供的数据更少。

相比`ETRC`列车运行图系统，本系统主要有如下的特色：

*  更准确、完整的数据支持，包括精确到秒的时刻和精确到三位小数的里程，允许上下行分设不同站点，标尺，天窗，交路等。
 *  做了一定的效率优化，对较大运行图的执行效果相对更好。
 *  提供了一些运行图快速微调工具和分析工具，例如调整某一站名（同时修改所有列车数据中引用的改站名），对比两运行图等。
 *  在`3.0.0`版本以后，提供了路网级的数据库管理模块，可以在更高层面上管理，更方便地查看、导出区段运行图。

两系统各有长短。因此我们建议，如果有需求，可以两套系统结合使用。

### 环境与运行 ###

使用**源代码**方式运行本项目，需要具有以下环境。

1.  `Python` 3.7及以上的版本。开发所用的版本是3.7.4.
    
    > 注：本项目使用了大量的`f-string`语法，该语法在`Python` 3.6以后的版本才被支持。一些较新的代码中利用了`Python` 3.7中`dict`键值对顺序与添加顺序一致的特性。如果使用3.6.\*版本，这部分代码可能出现一些问题。如果使用3.6以下版本，则会报错。
2.  下列的`Python`第三方库，都可以用`pip`安装。
    
     *  `PyQt5`。必须。推荐使用`5.10.1`版本。
     *  `xlwt`。可选。在涉及输出`.xls`的操作中需要用到。
     *  `xlrd`。可选。在涉及读取.`xls`的操作中需要用到。
     *  `xpinyin`。可选。在本系统`2.3.0`版本之前的线路数据库排序中用到。
     *  `NetworkX`。可选。在`3.0.0`版本引入的路网数据管理中，用于以图论算法计算经由给出的路径。
3.  作者开发的另一支持库`Timetable_new`。该库需要使用github上的源代码安装。

#### 第三方库安装 ####

在安装第三方库之前，需要配置好`python`环境，并将安装目录添加到`PATH`环境变量中，安装好`pip`库。相关教程可借助搜索引擎找到。

在shell中依次执行以下命令，无报错即可。

pip install PyQt5==5.10.1
    pip install xlwt
    pip install xlrd
    pip install xpinyin
    pip install networkx

#### `Timetable_new`的安装 ####

依次执行：

git clone https://github.com/CDK6182CHR/Timetable_new
    cd Timetable_new
    .\install.bat

如果不用`git`，也可以在[链接][Link 2]中下载并解压源代码，双击执行`install.bat`。

> 注：`install.bat`文件适合windows操作系统。如果是其他操作系统，请自行更改相关代码。

`install.bat`的代码如下。

python setup.py build
    python setup.py sdist
    python setup.py install
    pause

#### 运行 ####

运行`main.py`文件即可。

python main.py

### 项目结构 ###

这部分作为简单的扩展开发指南。

#### 可执行文件 ####

本项目目前有3个可执行文件。

1.  `main.py` 是主程序运行入口。
2.  `LineDB.py` 在`2.3.0`版本之后添加，是线路数据库维护系统的运行入口。
3.  `RailNetManager.py` 在`3.0.0`版本之后添加，相对独立的路网级运行图数据库管理系统。

#### 包结构 ####

本项目主要依赖的是`train_graph`包。下面简要说明包结构。

##### 运行图基础数据域 #####

以下类主要用于存储数据，一般不包含与`PyQt`交互的过程，一般涉及文件读写。如果要基于本项目进行扩展开发，**推荐直接调用这些类**。自`2.3.1`版本开始，这部分被封装为`data`包（package）。

*  `line.py` 铁路线路数据对象。
 *  `trainstation.py` `2.3.2`版本开始新增的列车时刻表中车站类。继承`dict`实现，并可以按需要新增功能。
 *  `linestation.py` 与`trainstation.py`类似，是对应`Line`中的车站数据。
 *  `train.py` 列车对象。
 *  `ruler.py` 标尺（时分标准）对象。
 *  `forbid.py` 天窗数据对象。
 *  `graph.py` 运行图对象，主要包括一条线路`Line`和一组车次`Train`。
 *  `circuit.py` 车底交路对象。每个交路包含若干车次`Train`的序列，每个车次可以属于至多一个交路。
 *  `route.py` 尚未开发完成的列车运行径路对象。

##### 公共工具域 #####

从大约`2.4.0`版本开始新增`utility`包，主要是通用的工具，以及对Qt既有组件的改进。目的在于，通过引进面向对象设计模式，提高代码复用能力。模块名、类名的前缀`pe`是`pyETRC`的简写，以区分于`Q`开头的Qt原生组件类。

*  `peCellWidget.py` 是对`QTableWidget`中的（通过`setCellWidget`方法设置的）单元格组件的改进。原生的`CellWidget`从没有包含所处的单元格位置信息，不能在其获得焦点时，同步修改`tableWidget.currentItem()`等属性。此模块用于解决这个问题。
    
    其中，`PECellWidget`类仅对RTTI有用，暂无其他意义。**请不要直接实例化这个类**。请使用`CellWidgetFactory.new()`工厂方法创建实例控件。
 *  `peCelledTable.py`与`PECellWidget`配套使用的支持单元格组件定位的表格。主要是重写了`setCellWidget`方法。
 *  `peControlledTable.py` 是对需要支持增删、上下移动行的表格的封装。引进Adapter设计模式。本身继承的是`QWidget`，但将有关方法调用转发给内置的`QTableWidget`实例对象。
    
    实例化时，也可以通过参数`meta`指定创建`QTableWidget`的某个子类实例，本项目中目前用到的是`PECelledTable`。

##### 绘图域 #####

在调用了`PyQt`的模块中，有一部分与底层的绘图（绘制运行线）直接相关，它们是本项目的核心，这里单独列出来。

*  `GraphicWidget.py` 核心绘图窗口。继承`QGraphicsWidget`实现，运行图的铺画在本类中完成。
 *  `trainItem.py` 列车运行线对象。包含了主要的运行线铺画逻辑。是`GraphicWidget`类中的图元。在`2.0.0`版本之后，每一趟列车（一个`Train`对象）允许拥有多个`TrainItem`对象。

##### 停靠面板域 #####

与运行图数据操作相关的类主要有两种形式，一是以**停靠面板**方式，长期显示和有效的面板；二是以对话框为主的操作交互界面。前者包含了本系统的核心操作功能，下面简要说明停靠面板类及其相关类。

*  `circuitWidget.py` 交路编辑停靠面板，快捷键为`ctrl+4`。
 *  `colorWidget.py` 默认颜色设置面板。在`1.4.0`之后的版本中，被集成到`运行图设置`面板中。
 *  `configWidget.py` 运行图设置面板。包含关于运行图铺画比例、运行图备注等设置。快捷键为`ctrl+G`
 *  `currentWidget.py` 当前车次编辑面板。包含对当前选中的列车的车次、运行线管理、时刻表编辑等功能。这是最集中的修改列车信息的面板。快捷键为`ctrl+I`。
 *  `forbidWidget.py` 天窗编辑面板。快捷键为`ctrl+1`。
 *  `interactiveTimetable.py` 交互式时刻表。与时刻表面板布局类似，但支持更改列车时刻表， 且更改**立即生效**，立即体现在运行图上。
 *  `lineWidget.py` 线路编辑面板，可编辑线路名称和站表。快捷键为`ctrl+X`。
 *  `rulerWidget.py` 标尺编辑面板。可管理标尺（增删改）。标尺数据属于线路数据的一部分，但其编辑功能是独立的。快捷键为`ctrl+B`。
 *  `trainTimetable.py` 当前车次时刻表面板。将当前车次时刻表以只读方式、占用宽度尽量小的形式展示，建议可以长期开启的停靠面板。快捷键为`ctrl+Y`。
 *  `trainWidget.py` 车次列表面板。展示基本的车次信息，并可增删。快捷键为`ctrl+C`。
 *  `typeWidget.py` 显示类型面板。提供简洁的界面来快速选择显示或不显示某一类列车的运行线。快捷键为`ctrl+L`。
 *  `typeDialog.py` 是由`ConfigWidget`调用的列车类型管理对话框。管理默认情况下用于识别列车种类的车次正则表达式，是否为客车。

##### 操作窗口域 #####

其他文件名形如`*Dialog.py` `*Widget.py`的大多数是与操作相关的窗口。下面简单说明。

*  `mainGraphWindow.py` 主窗口类。程序启动后首先产生本类实例。
 *  `batchChangeStationDialog.py` 批量调整站名，快捷键为`ctrl+shift+U`。
 *  `changeStationDialog.py` 修改站名。快捷键为`ctrl+U`。
 *  `changeTrainIntervalDialog.py` 列车区间时刻表重排功能。快捷键为`ctrl+shift+R`。
 *  `correctionWidget.py` 提供对当前车次时刻表重新排序的功能。快捷键为`ctrl+V`。
 *  `detectWidget.py` 根据标尺，推定列车区间通过时刻。快捷键为`ctrl+2`。
 *  `exchangeIntervalDialog.py` 区间换线。交换两车次指定区间的运行线。快捷键为`ctrl+5`。
 *  `helpDialog.py` 内置的简明功能表。快捷键为`F1`。
 *  `importTrainDialog.py` 导入车次对话框。快捷键为`ctrl+D`。
 *  `intervalCountDialog.py` 区间对数表。快捷键为`ctrl+3`。
 *  `intervalTrainDialog.py` 区间车次表。快捷键为`ctrl+shift+3`。
 *  `intervalWidget.py` 当前车次区间性质计算。支持计算选定区间的停站次数，旅速等。快捷键为`ctrl+shift+Q`。
 *  `rulerPaint.py` 标尺排图向导类。按标尺，指定开始站点和方向、各站停站时长，自动铺画运行线。这是本系统亮点功能之一。快捷键为`ctrl+R`。
 *  `stationTimetable.py` 车站时刻表，快捷键为`ctrl+E`。
 *  `stationvisualize.py` 车站时刻表可视化。根据车站时刻等信息，提供一种股道安排方案并可视化。
 *  `trainComparator.py` 两车次时刻对照。快捷键为`ctrl+shift+W`。
 *  `trainDatabase.py` 为导入车次功能中的相关设定提供支持。功能快捷键为`ctrl+D`。
 *  `graphDiffDialog.py` 提供两运行图数据对比功能。`2.3.2`版本新增。
 *  `trainDiffDialog.py` 提供两车次对比功能，主要由`GraphDiffDialog`调用。`2.3.2`版本新增。

##### 线路数据库 #####

`2.3.0`版本彻底的重构了线路数据库这个模块，因而重新设计了有关代码，写成一个包（package），名为`linedb`。它主要包含这些类（文件）。

*  `category.py` 线路“分类”的类。新版本的线路数据库中支持对库中的线路做任意多级别的分类，其中分类的数据部分 由本类实现。本类继承`dict`。
 *  `lineLib.py` 是`Category`的派生类，在顶层分类的基础上添加了文件io部分，并作为与GUI部分通信的主要接口。
 *  `lineTreeWidget.py` 对话框左侧的文件树类。继承`QtWidgets.QTreeWidget`实现。关于线路、类别的增删逻辑，全都在本类实现。
 *  `lineLibDialog.py` 线路数据库对话框。在主界面中由`ctrl+H`快捷键直接打开的就是这个对话框。

##### 路网管理模块 #####

自`3.0.0`版本新增路网级数据库管理模块，简称“路网管理模块”。本模块提供比区段运行图高一个级别的运行图管理，可以直接管理线路数据库和车次数据库，并不局限于既有线路，而是可以（基于铁路网的有向图模型）导出有数据的任一区段运行图。本部分的代码构成 `railnet`包，从根目录下的`RailNetManager.py`可以运行。

考虑到`NetworkX`编译代价问题，目前`win64`发行版暂不包含这部分功能。

*  `railnet.py` 铁路网络的数据模型。主要基于第三方库`NetworkX`建立有向图模型，并能导出区段运行图。线路（`Line`）数据模型与主程序一致。
 *  `trainManager.py` 车次数据库管理页面，主要显示和维护`*.pyetdb`文件包含的数据。
 *  `sliceManager.py` 区段（切片）运行图管理页面，显示当前程序打开的所有区段运行图，并可输入经由，生成新的区段运行图。
 *  `mainNetWindow.py` 路网管理模块的主窗口。

##### 交路相关窗口 #####

由于交路部分涉及到的窗口较多，现在将和交路有关的窗口都合并到`circuitwidgets`包中，除`circuitWidget.py`停靠面板类之外。

*  `circuitDialog.py` 单个交路数据的编辑对话框，在`CircuitWidget`中发起编辑操作后弹出。
 *  `circuitDiagram.py` 绘制交路图的面板。在`CircuitDialog`中发起查看交路图操作后产生。
 *  `circuitDiagramWidget.py` 绘制交路图的对话框。
 *  `ParseTextDialog.py` 解析交路文本的对话框。从`CircuitDialog`中的按钮触发，只解析一个交路。
 *  `BatchParseCircuit.py` 批量解析交路文本的对话框。对应快捷键`ctrl+P`。
 *  `AddTrainWidget.py` 添加车次的对话框，主要是封装的外层`QTabWidget`。
 *  `AddRealTrain.py` 添加实体车次，是`AddTrainWidget`中的一个页面。
 *  `AddVirtualTrain.py` 添加虚拟车次，是`AddTrainWidget`中的一个页面。所谓虚拟车次，是指仅有车次，但不指向本线一个具体`Train`对象的车次，它仅仅为了保持交路完整性而存在。但如果导入了那个车次的`Train`对象，则可以尝试识别虚拟车次。

##### 其他杂项 #####

*  `trainFilter.py` 车次筛选器。在全局用快捷键`ctrl+shift+L`启动“高级显示车次设置”时，会调用本类。在车次编辑、车站时刻表等处也有使用。

### 文件格式 ###

`pyETRC`依赖的数据文件全部是基于`JSON`格式的。所有文件，无论扩展名，都是基于`UTF-8`的无签名（不带`BOM`，否则会出错）编码。使用Python标准库`json`读取和写入。下面简要说明本系统的各种文件所要求的格式、内容及其生成方法。

#### 系统文件`system.json` ####

包含上次打开的文件，系统默认运行图文件，上次关闭时的停靠面板等。一般情况下不需要手动处理。

生成方法：程序每次正常退出时都会生成。参见：`mainGraphWindow.py`中的函数`mainGraphWindow._checkSystemSetting()`。

#### 配置文件`config.json` ####

包含用户设置的系统默认参数，例如运行图铺画大小，颜色，列车种类等。当用户新创建或者打开的运行图中不包含配置数据时，将自动使用（并复制）这一套数据。当文件缺失或某些字段缺失时，系统配置由`Graph.checkSysConfig()`函数补全，见`graph.py`。

生成方式：当程序正常运行时，用户若在“系统默认设置”（`ctrl+shift+G`）面板中保存数据，或者在“线路数据库”（`ctrl+H`）中更改默认文件时，自动保存`config.json`文件。

如果要手工读取，请使用`Graph.readSysConfig()`，手工保存请使用`Graph.saveSysConfig()`，调用其数据请使用`Graph.sysConfigData()`，该函数返回`dict`类型。

#### 列车运行图文件`*.pyetgr;*.json` ####

包含列车运行图所需的所有数据，此部分的支持见`graph.py`。文件最核心的数据结构大致是：

{
        
        "line":{
        
            "name":"宁蓉线成渝段",
            "stations":[
                {
        
                    "zhanming":"重庆北渝利场",
                    "licheng":0.0,
                    "dengji":0,
                },
            ]
        },
        "trains":[
            {
        
                "checi":[full,down,up],
                "timetable":[
                    {
        
                        "zhanming":"成都东",
                        "ddsj":"00:00:00",
                        "cfsj":"00:01":
                    },
                    ...
                ],
            },
            ...
        ]
    }

最基础的数据是`line`和`trains`两个字段，分别是线路基础数据和车次数据表。前者由`Line`对象管理，后者由一系列`Train`对象管理。

如果要通过代码调用，请使用`Graph.loadGraph()`方法来读取文件，`Graph.save()`方法来保存。数据的修改、使用，请参阅`Graph` `Line` `Train`等数据类的类定义。

`2.3.0`以后版本建议车次数据库文件使用`*.pyetdb`后缀，但其结构与`*.pyetgr`的列车运行图文件是完全一致的，这意味着完全可以用`pyETRC`直接打开它们，但由于车次数据库往往有非常多的数据量和不完整的线路数据，打开它们通常是很慢且没有意义的过程，故新版本中予以区分。

#### 线路数据库文件`*.pyetlib;*.json` ####

这里只介绍`2.3.0`以后版本所用的线路数据库文件。新版本可以读取老版本的文件，但反之一般不行。线路数据库文件为任意多级嵌套的js对象，或者Python字典。字段名是分类名或者线名，而**字段值属于一条线，当且仅当它存在`str`类型的`name`字段和`list`类型的`stations`字段**。这意味着，如果在同一个分类下给两个子线路或者分类其名为`"name"`和`"stations"`，将导致不可预知的后果。

正常运行时，使用“线路数据库”（`ctrl+H`）功能中的“保存”将创建或者保存`*.pyetlib`文件。

如果要通过代码操作，相关支持在`linedb/lineLib.py`文件中。使用`LineLib.loadLib()`方法来读取文件，使用`LineLib.saveLib()`方法来保存文件；更多具体的操作，请阅读`lineLib.py`和`category.py`的源代码。

#### 网络模块工作区配置文件`*.pnconf` ####

在`3.0.0`版本后添加的网络数据库管理模块中使用。保存的是工作区配置的信息，具体包括：

*  打开的线路数据库文件名（`*.pyetlib`）
 *  打开的车次数据库文件名（`*.pyetdb`）
 *  打开的所有运行图切片的经由表。

但不会包含上述信息里的具体内容。

> 也就是说，只记录线路数据库文件名，但不包含线路数据库的内容。

一般情况下，没有必要编程处理这种数据格式。

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