胡凱 郭新蘭

(南京交通職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 南京 211188)

HMI在公共交通候車服務中的應用研究

胡凱 郭新蘭

(南京交通職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 南京 211188)

人機界面(HMI)是現(xiàn)代自動化控制領(lǐng)域中應用最廣泛的人機界面技術(shù),其在廠礦、冶金、交通等行業(yè)中的工程解決方案尤為豐富。針對目前公共交通候車服務中存在的檢票混亂、候車環(huán)境惡劣等普遍問題,研究了以iFix和PAC為基礎(chǔ)的HMI平臺,詳細闡述了該平臺的硬件配置、軟件組態(tài)及人機界面設(shè)計方法,并開發(fā)出一套集自助檢票、通道指引、室溫調(diào)節(jié)、燈光調(diào)節(jié)、尋人尋物和安全報警功能于一體的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)有效解決了公共候車服務中存在的弊端,并為HMI技術(shù)在公共服務中的應用提供參考。

人機界面(HMI) 可編程自動控制器(PAC) iFix 公共交通 候車服務 管理系統(tǒng)

0 引言

目前,公路、鐵路仍是大眾主要的公共交通出行方式,承接旅客的候車場所是其不可或缺的重要部分。候車場所在晝夜面對數(shù)量眾多、流動性較大的旅客群體時,僅依靠車站有限的工作人員以及傳統(tǒng)的服務設(shè)施,已遠不能提供高質(zhì)量高標準的候車環(huán)境。候車場所內(nèi)的溫度、照明、安全等因素直接影響著候車旅客的候車質(zhì)量和滿意度。在檢票、問詢及突發(fā)事件處理服務中的普遍弊病也是當今公共交通候車管理亟待解決的問題。

“智能交通”順應當代交通行業(yè)發(fā)展的趨勢,它按照智能化、綜合化和人性化的要求,推進信息技術(shù)在城市交通運營管理、服務監(jiān)管和行業(yè)管理等方面的應用[1]。人機界面(human machine interface,HMI)技術(shù)在推廣“智能交通”方面具備優(yōu)勢,通過iFix和可編程自動控制器(programmable automation controller,PAC)為基礎(chǔ)的HMI平臺,開發(fā)一套公共交通候車管理系統(tǒng),能有效改善和優(yōu)化候車場所服務質(zhì)量。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 開發(fā)平臺概述

HMI技術(shù)是隨著計算機和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。它主要作為機器(系統(tǒng))與人(操作員)進行溝通和信息傳遞的媒介,并實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式和操作員可接受形式之間的轉(zhuǎn)換[2]。HMI技術(shù)結(jié)合了計算機、自動控制及通信等技術(shù),具備可視化水平高、數(shù)據(jù)傳輸快、人機交互可靠等優(yōu)點。它通過畫面表現(xiàn)各種設(shè)備的靜態(tài)和動態(tài)信息,被各大行業(yè)廣泛使用[3]。公共交通候車管理系統(tǒng)以iFix和PAC作為主要的HMI平臺進行開發(fā)和試驗。

1.2 硬件系統(tǒng)

公共交通候車管理系統(tǒng)中的硬件部分主要包括PC、PAC、溫度傳感器、照度傳感器、煙霧報警器、火焰探測器、檢票閘機、候車室照明燈、空調(diào)風機、候車室音響等。

1.2.1 硬件配置

硬件系統(tǒng)如圖1所示。其中,PC的配置一般要求為:Pentium II 300 MHz以上處理器,Windows XP及以上操作系統(tǒng),512 MB以上內(nèi)存,500 MB以上硬盤空間的臺式個人計算機或是相當配置的工控機。

可編程自動控制器(PAC)是繼PLC以后發(fā)展起來的新一代的工業(yè)自動化控制器,代表著可編程自動化控制發(fā)展的未來[4-5]。本文選用的PAC是GE公司的RX3i系列自動化控制器。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的需要,控制器配置了包括機架(IC695CHS012)、電源模塊(IC695PSD040)、CPU模塊(IC695CPU310)、以太網(wǎng)通信模塊(IC695ETM001)、模擬量輸入模塊(IC694ALG600)、模擬量輸出模塊(IC694ALG392)、數(shù)字量輸入模塊(IC694MDL645)和數(shù)字量輸出模塊(IC694MDL754)等主要模塊。

系統(tǒng)中還包括了必要的外部輸入設(shè)備,如溫度傳感器、光照傳感器、煙霧報警器、火焰探測器等,作為監(jiān)視環(huán)境變化和安全報警的主要檢測元件。同時還需要外部輸出設(shè)備作為控制對象,如檢票閘機的開閉、候車室照明燈的開關(guān)、空調(diào)風機的風量及候車室音響的輸出等。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system hardware

1.2.2 硬件連接

PC中的以太網(wǎng)網(wǎng)卡和PAC中的以太網(wǎng)通信模塊通過網(wǎng)線連接。PC中的iFix組態(tài)軟件和PAC中的CPU模塊通過驅(qū)動建立連接,并通過過程數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換。溫度傳感器和光照傳感器是模擬量輸出元件,通過三芯電纜與PAC中的模擬量輸入模塊連接。煙霧報警器和火焰探測器都是數(shù)字量輸出裝置,它們分別通過雙芯電纜與PAC中的數(shù)字量輸入模塊進行連接。PAC中的模擬量輸出模塊分別通過雙芯電纜與空調(diào)風機的調(diào)溫模擬端口和風量調(diào)節(jié)模擬端口連接。PAC中的數(shù)字量輸出模塊通過雙芯電纜分別與檢票閘機開關(guān)和候車照明燈開關(guān)以及空調(diào)風機開關(guān)連接。PC中的音頻接口與音響輸出通過音頻線相連。

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要是由iFix組態(tài)軟件、PAC專用編程軟件(proficy machine edition,PME)和字音轉(zhuǎn)換軟件構(gòu)成。其中iFix組態(tài)軟件是一套工業(yè)自動化軟件,適用于對過程控制和可視化數(shù)據(jù)監(jiān)控。iFix可為操作人員提供實時的數(shù)據(jù)傳遞和信息交流,并利用其強大的人機界面開發(fā)功能、靈活豐富的編輯工具,設(shè)計出可視化程度高、動畫流暢的監(jiān)控畫面。同時它還使用微軟的應用程式視覺化Basic語言(visual basic for applications,VBA)作為腳本語言,集成了面向?qū)ο蠛褪录?qū)動的開發(fā)環(huán)境[6]。此外,它還具有歷史數(shù)據(jù)查詢、報表、報警等附加功能。

可編程自動控制器專用編程軟件(PME)用來配置PAC控制器和人機界面數(shù)據(jù)庫中的軟元件。通過PME編程軟件可以將現(xiàn)場信號提供給人機界面數(shù)據(jù)庫處理,并根據(jù)人機界面的操作要求和PAC程序的邏輯運算,實現(xiàn)對現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備的控制。PME軟件編程主要是以傳統(tǒng)的梯形圖來實現(xiàn),其指令中既包括了如繼電器、定時器等大量的通用命令,也包括了加法器、比較器等特殊功能指令,便于設(shè)計出復雜的控制程序。

字音轉(zhuǎn)換軟件是一個運行在Windows環(huán)境下的第三方應用軟件,它可以方便地將錄入字符轉(zhuǎn)換為音頻輸出,從而實現(xiàn)管理系統(tǒng)中相關(guān)功能。

2 系統(tǒng)功能描述

根據(jù)目前公共候車服務中存在的普遍問題,設(shè)計的管理系統(tǒng)集成如下功能。

2.1 自助檢票

自助檢票人機界面示意圖如圖2所示。首先工作人員要預先將允許進入候車室的車票信息錄入管理系統(tǒng)當中,即通過功能界面將車票信息數(shù)據(jù)輸入PAC中。候車人員在通過閘機前,必須先要在管理系統(tǒng)中錄入自己的車票信息,該車票信息隨即進入PAC中處理,與工作人員輸入的車票信息進行比對。根據(jù)比對結(jié)果,在人機界面上通過門的開閉動畫提示旅客是否允許進入,同時檢票閘機也根據(jù)PAC數(shù)字量輸出的結(jié)果打開或關(guān)閉,允許合法旅客通過,阻擋非法旅客,實現(xiàn)旅客進站自助檢票[7]。

圖2 自助檢票人機界面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the self ticket checking HMI

2.2 通道指引

系統(tǒng)在通道指引人機界面中設(shè)置了常用通道的指引功能,諸如問訊處、逃生通道以及洗手間等。旅客可以使用系統(tǒng)自助查詢常用通道的所在位置。當旅客選擇功能界面上不同的通道指引按鈕,界面中將通過不同的動畫形式演示出路線軌跡。

2.3 室溫調(diào)節(jié)

工作人員首先在如圖3所示的功能界面示意圖里,選中需要控制的空調(diào)風機,然后在界面中輸入需要的溫度和風量,此時輸入的信息將傳送給PAC。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,通過PAC中的模擬量輸出模塊將模擬控制信號分別傳送給空調(diào)風機的溫度調(diào)節(jié)模擬端口和風量調(diào)節(jié)模擬端口。同時工作人員也可以在界面中選擇啟動或停止風機運行,該啟停信號最終將通過PAC的數(shù)字量輸出模塊控制空調(diào)風機開關(guān)的打開與關(guān)斷。此外,溫度傳感器也會及時將現(xiàn)場實測的溫度信號傳遞給PAC,實現(xiàn)自動恒溫控制。

圖3 室溫調(diào)節(jié)人機界面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the indoor temperature regulation HMI

2.4 燈光調(diào)節(jié)

正常情況下候車室的照明照度在73.2～113.6 lx之間,人體感覺較為舒適,因此照明燈光調(diào)節(jié)應遵循此規(guī)范進行設(shè)計[8]。工作人員首先在燈光調(diào)節(jié)人機界面中選中需要調(diào)節(jié)燈光的區(qū)域,然后在該區(qū)域中選擇不同的照明模式,諸如節(jié)能、舒適或明亮等模式。此時,界面中的選擇狀態(tài)通過數(shù)據(jù)傳輸進入到PAC中進行邏輯運算。結(jié)合光照傳感器在當前環(huán)境下實測的光線照度,最終將運算結(jié)果送到PAC數(shù)字量輸出模塊,從而控制相應區(qū)域不同數(shù)量的候車照明燈開啟和關(guān)閉,以實現(xiàn)不同照明模式的運行,且能夠保證照明被控制在合理的照度范圍之內(nèi)。

2.5 自助找尋

工作人員和旅客可以在自助找尋操作界面中啟動找尋語音功能和緊急報警功能。它可以實時地播報尋人尋物信息,一旦發(fā)現(xiàn)緊急狀況,雙方都可以第一時間啟動報警程序,以警示人群。除此之外,工作人員還可以啟動背景音樂和音量管理程序,根據(jù)環(huán)境要求進行調(diào)整。界面中的所有功能都是通過編寫VBA腳本程序啟動第三方應用來實現(xiàn)的。

2.6 安全報警

安全報警功能界面中具有煙霧報警、火焰報警及報警一覽表等三種報警功能。當煙霧報警器檢測到煙霧或者火焰探測器檢測到火情時,檢測元件將開關(guān)量信號輸出給PAC的數(shù)字量輸入模塊,經(jīng)過PAC內(nèi)部邏輯運算后,將輸出結(jié)果通過功能界面中的報警動畫顯示,以警示人群。報警一覽表不但可以記錄系統(tǒng)在運行中由于過程變量引起的越限報警,同時還能記錄系統(tǒng)運行中的內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)錯誤,大大提高了管理系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。

此外,管理系統(tǒng)中還設(shè)置了管理員權(quán)限和操作員權(quán)限,其中管理員權(quán)限供候車工作人員使用,可以操作和監(jiān)控所有的功能界面。操作員權(quán)限供普通旅客使用,只能使用諸如自助檢票、通道指引、尋人尋物等全部或部分功能。

3 系統(tǒng)特性

3.1 工作原理

PAC是系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和邏輯運算的核心單元,它是根據(jù)程序的設(shè)計要求來實現(xiàn)運行。PC是用來實現(xiàn)系統(tǒng)人機界面的重要裝置,其內(nèi)部的以太網(wǎng)網(wǎng)卡和PAC中的以太網(wǎng)通信模塊通過TCP/IP協(xié)議進行通信。PC中安裝的組態(tài)軟件iFix可以實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和操作,它通過相應的驅(qū)動軟件與PAC實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。iFix用來開發(fā)出人機監(jiān)控界面,可以通過動畫的形式顯示出各監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài),并作為操作人員給PAC下達指令的直觀參考。PAC根據(jù)指令的要求,進行數(shù)據(jù)處理和邏輯運算,最終通過其內(nèi)部的數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸出模塊,控制外部執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài),包括檢票閘機開閉狀態(tài)、候車照明燈開關(guān)狀態(tài)以及空調(diào)風機的風量大小和溫度高低。煙霧報警器和火焰探測器在檢測到煙霧和火情時,將其輸出的開關(guān)信號送入PAC內(nèi)部的數(shù)字量輸入模塊進行處理,并最終在人機界面上以動畫和報警的形式警示人群。人機界面中所包括的語音、音樂、報警等所有發(fā)聲功能都是通過候車室音響輸出實現(xiàn),從而起到擴大音量的作用。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)點

系統(tǒng)優(yōu)點如下。

①能夠?qū)⒐芾砗蜍噲鏊枰闹饕δ芗稍诮y(tǒng)一的管理系統(tǒng)中,方便使用和管理。

②管理系統(tǒng)通過設(shè)定用戶權(quán)限,方便專業(yè)管理人員和普通操作人員共同使用,靈活性較高。

③管理系統(tǒng)中各個功能的運行狀態(tài)可以在統(tǒng)一的監(jiān)控界面下顯示,便于觀察和控制。

④管理系統(tǒng)中集成的自助功能可以完全替代人工服務,節(jié)約勞動力資源和成本。

⑤管理系統(tǒng)中有專門的安全報警功能及界面,可以較大幅度地提高安全防護的實時性及針對突發(fā)事件的響應快速性。

4 組態(tài)與仿真

iFix和GE PAC的數(shù)據(jù)通信是依靠GE9 PowerTool驅(qū)動軟件實現(xiàn)的。在驅(qū)動軟件的樹形欄里,Channel0是添加與iFix通信的PLC數(shù)量,Device0是設(shè)定PLC的IP地址及代號。要確保iFix和PAC通信正常,在設(shè)置時需要將安裝iFix的計算機和PAC的IP地址設(shè)置在同一網(wǎng)段下。

樹形欄中Datablock是添加PAC中的過程變量,將其與iFix過程數(shù)據(jù)庫中對應的變量建立關(guān)聯(lián),使PAC中變化的數(shù)據(jù)信息及時反饋到iFix的過程數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)設(shè)計需要,驅(qū)動軟件中建立了兩種數(shù)據(jù)塊通道,其中Datablock0專門建立模擬量信號關(guān)聯(lián), Datablock1專門建立數(shù)字量信號關(guān)聯(lián)。在使用過程中也可以方便地添加和刪除不同的數(shù)據(jù)塊通道。

打開如表1所示的過程數(shù)據(jù)庫(其中,掃描時間為1 s,I/O設(shè)有為GE9),將iFix監(jiān)控界面中的控制按鈕等軟元件與過程數(shù)據(jù)庫中的變量信息建立一一對應的關(guān)系,完成數(shù)據(jù)從iFix驅(qū)動映像表經(jīng)過SAC(過程報警與控制)到達PDB[9]。

表1 過程數(shù)據(jù)庫Tab.1 Process database

表1中,“標簽名”中需要填寫監(jiān)控界面中軟元件的標簽名,“類型”中需要填寫過程數(shù)據(jù)的類型,如DI (數(shù)字量)或AI(模擬量),“I/O地址”中需要填寫與iFix對應的PAC中的I/O地址。這樣以過程數(shù)據(jù)庫為中間聯(lián)系節(jié)點,實現(xiàn)了iFix人機界面與PAC的實時數(shù)據(jù)傳遞。人機界面中的畫面就可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)源的變化,動態(tài)改變對象屬性,實現(xiàn)動畫效果[10]。

通過上述組態(tài)步驟的操作,可以成功實現(xiàn)iFix人機界面與GE PAC之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系。通過點擊人機界面上的功能按鈕,仿真操作流程,界面上將顯示相應動畫,并觸發(fā)PAC中相關(guān)聯(lián)的輸出控制,同時PAC中相應輸出端口的指示燈也會點亮。這樣既實現(xiàn)了系統(tǒng)的仿真運行,又可以驗證程序的正確性和可靠性。

5 結(jié)束語

目前,公共候車場所的服務質(zhì)量雖已得到較高重視,在檢票、照明及室溫控制等方面均采取了一定的優(yōu)化措施,但是由于這些因素的控制主體不統(tǒng)一,如此分散的管理系統(tǒng)將大大影響工作的實時性和高效性,降低了管理系統(tǒng)的靈活性和快速響應性。因此,將HMI技術(shù)應用到公共候車管理系統(tǒng)當中,開發(fā)出集多種功能于一身的自動化管理系統(tǒng),將能更好地處理候車場所中絕大部分的管理和服務工作。此外,還可以通過功能的調(diào)整和優(yōu)化,將其拓展到更廣泛的公共場所管理與服務當中。

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Research on the Application of HMI in Public Transportation Passenger Services

HMI is the most widely applied man machine technology in the field of modern automation control;its engineering solutions are particularly rich in various industries,such as factory,mine,metallurgy and transportation,etc.At present,chaotic ticket checking,poor waiting environment are widespread problems in public transportation passenger services,against these situations,the HMI platform based on iFix and PAC has been researched,and the management system is developed,which integrates functions of self ticket checking,channel guidelines,indoor temperature regulation,light regulation,missing person tracing,looking for lost and security alarm,etc.The hardware and software configuration and design method of man machine interface are described in detail.The system effectively solves the disadvantages existing in public transportation passenger services;it provides reference for applying HMI technology in public services.

Human machine interface(HMI) Programmable automation controller(PAC) iFix Public transportation Passenger service Management system

TP29

A

江蘇省交通運輸科技基金資助項目(編號:2012Y21-3);

南京交通職業(yè)技術(shù)學院院級重點科研基金資助項目(編號:JY1203)。

修改稿收到日期:2014-06-12。

胡凱(1979-),男,2012年畢業(yè)于東南大學電氣工程專業(yè),獲碩士學位,講師;主要從事電氣自動化、自動控制方面的研究。