基于Python的天文软件命令行界面设计与实现

基于Python的天文软件命令行界面设计与实现计算机软件技术的不断发展，推动了人机交互技术的长足进步。从传统的命令行(Command Line Interface,CLI)，到图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)，再发展到当前的自然用户界面(Natural User Interface,NUI)。界面技术使得用户与计算机之间的交互过程越来越简单，越来越便捷。

无论界面技术如何发展，命令行技术作为一种基于文本命令的模式，一直被广大软件开发人员所喜爱，这是由命令行技术的特点决定的[1, 2]。一是命令行可以通过纯字符完成命令的输入，不需要频繁地使用鼠标等其它交互手段；二是在熟练记忆命令的前提下，命令行的效率是所有的交互手段中最高的，特别是对大量重复处理、批处理的时候，命令行优势明显。因此，无论图形界面技术如何发展，命令行均是主流软件考虑并保留的基本交互方式。

在天文数据处理领域，交互式数据语言(Interactive Data Language,IDL)、CASA(Common Astronomy Software Applications)等天文软件均提供了命令行接口。CASA软件在原有的AIPS、AIPS++基础上发展起来，目前已经是射电天文领域最为常用的数据处理软件，其操作完全需要通过命令行实现，在使用中不难发现仍有一些不方便之处，主要表现在：

(1)联机帮助功能不完备，不能分级提示。当用户不熟悉该软件时，联机帮助过程不详尽，不能获知命令参数的类型及格式，导致用户无法正确使用该命令。

(2)命令库没有进行有效分类。CASA命令复杂，数量庞大，在没有分类的情况下，在大量的命令中查找所需要的命令，对于操作人员非常困难。

从当前各类命令行界面的设计与特点来看，最为著名的是美国思科公司在其路由、交换机上实现的命令行界面，可以实现命令的联机帮助、自动命令补全、全程命令参数提示、严格的数据校验等。在其推出后，迅速成为全世界命令行交互软件的一个参考标准。国内外的后续产品都参考借鉴了思科公司(CISCO)的命令行风格。

本文借鉴思科公司命令行的设计思路[3, 4]，在新一代中国太阳射电日像仪[5, 6](Chinese Solar Radio Heliograph,CSRH)数据处理系统的开发中，设计并实现了命令行界面系统-CSRHOS。该软件基于射电天文当前流行的Python语言，以太阳射电日像仪数据处理系统为应用背景，通过多个视图实现不同的命令分类，在交互过程中可以进行有效的权限控制，并可以实现命令的自动补全和联机帮助，使用者无需记忆复杂的命令即可快速地输入命令，取得了较好的应用效果。

1 系统设计

1.1 设计的需求分析

天文软件与其它计算机应用软件相比并没有很大的特殊性，但针对一个望远镜的观测与数据处理软件系统，软件的使用与交互仍有较明确的单一需求。包括：(1)交互命令要直观，输入的命令应尽可能简短；

(2)对输入的数据必须有较强的检验，确保数据输入的合法性，避免影响最终的数据处理结果；(3)由于操作

人员众多，尽可能不要让操作人员记忆太多的命令；(4)由于功能变化较大，要具有较好的可扩展性等；(5)

系统的鲁棒性要好，用户输入错误不会导致系统异常或崩溃；(6)输入顺序的不同不应该影响数据的处理；

(7)在输入命令时，为了避免命令歧义，要求命令关键字部分严格区分大小写，但用户输入的各类参数应具有较好的灵活性，比如可以不区分大小写，要适应人的自然等。为此，CSRHOS-CLI的设计与实现应该达到如下要求：

(1)为天文学家提供最为简单的交互方式。输入时，支持正常的光标移动，可以利用上下光标键翻转已经发过的命令，避免重复输入；输入一个命令时，只要输入的内容可以完整且唯一地表明一个命令，则不需要再输入下去，比如，如果命令是enable，当输入en后，如果没有其它命令以en开头，则en就可以唯一地表示enable，用这样的技术简化用户输入。

(2)支持自动补全。在用户输入一个命令的部分后，可以用Tab按键实现自动命令补全，比如用户输入en后，按Tab键，则屏幕应自动出现enable。

(3)在输入过程中，随时允许用户输入问号(？)实现联机帮助。用户在命令行提示符下，如果直接按？号，则应该列出所有的可用命令；如果用户输入了e，在后面再按？号，则应显示所有的以e开头的命令，用这样的方式，可以让用户即使没有看操作手册，也可以根据提示内容进行操作。

(4)在输入时要严格进行数据类型的匹配与校验，比如，如果要求用户输入一个观测时间，则应该判断用户输入的是不是HH∶MM∶SS格式，输入的内容必须是数字，不能是字符，输入的范围要合理，HH 必须在00-23之间，MM必须在00-59之间。同时，也必须满足人们的使用习惯，上午8∶30分，则可以输入8∶30∶0，这也是正确的格式。

(5)能够提供不同的视图，将不同类型的命令分布在不同的视图下，以帮助用户快速地找到命令，避免大量的命令在一起不容易查找。比如针对星表计算的命令均放在一个视图下，把数据处理的均放在另一个视图等，就可以达到很好的命令分类效果。

(6)在输入命令时要严格区分命令关键字部分大小写，而参数部分不需要区分大小写。例如，在计算某星体在某一时刻的视位置信息，命令“planet 2012-11-22 0∶0∶0 sun”计算太阳在2012-11-22零点的视位置，其中planet为命令关键字，sun为其中的一个参数，用户如果输入命令“PLANET 2012-11-22 0∶0∶0 sun”则错误，用户如果输入命令“planet 2012-11-22 0∶0∶0 Sun”是正确的。

(7)采用Python语言开发完成，这是考虑到当前在射电天文领域，Python语言正在成为最主流的语

言，SunPy等大量的基础支撑包的出现给Python在天文软件中的开发带来了有力的支撑。

1.2 系统构架

根据上述需求，CSRHOS-CLI的系统架构设计如图1，命令行系统主要分为4大部分，分别是：命令输入与联机帮助，命令解析、校验与执行，权限与视图控制，模块载入。(1)命令输入与联机帮助：通过在Unix/Linux平台下的Readline[7]实现用户命令输入，提供Tab键自动补全和问号(?)联机帮助功能。CSRHOS-CLI命令繁多，为用户提供自动补全和联机帮助功能，可以使用户快速输入命令，即使不熟悉本系统，也能根据帮助内容进行操作。(2)命令解析、校验与执行：对用户输入命令进行匹配、补全，实现参