蔣 捷

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

城軌列車司機駕駛控制臺模擬與仿真

蔣 捷

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，對列車司機駕駛控制臺的人機交互界面的要求也越來越高，希望通過人機交互界面可以查看列車運行狀態(tài)信息并做出相應的操作動作。為了設計一個簡單、自然、友好的司機駕駛控制臺交互界面，屏蔽車載系統(tǒng)復雜的結(jié)構，通過分析系統(tǒng)結(jié)構需求、系統(tǒng)功能需求、系統(tǒng)性能需求，在Windows操作系統(tǒng)下的Visual C++ 6.0編程環(huán)境下，使用其封裝的MFC程序編寫代碼，以成都地鐵一號線為例對系統(tǒng)進行運行及調(diào)試，實現(xiàn)了列車司機駕駛控制臺模擬與仿真系統(tǒng)。

駕駛控制臺；人機交互界面；MFC

具有運量大、速度快、安全可靠、準點、保護環(huán)境、受其他交通方式干擾小等特點的城市軌道交通[1]在城市公共交通中起著越來越重要的作用。

近年來，隨著我國的城市軌道交通隨著城市規(guī)模的不斷擴大以及城市化進程的快速發(fā)展，政府也在不斷增加對軌道交通運輸基礎建設的投資。城市軌道交通列車可運行在不同的駕駛模式下，而司機可通過城市軌道交通列車駕駛控制臺界面查看列車運行狀態(tài)信息并做出相應的操作動作。

司機室是司機獲取信息、做出正確、安全駕駛操作的特定作業(yè)場所，提供了司機駕駛控制臺界面[2]。該界面的操作與顯示界面器件的設置于布置是否科學合理，對司機能否全面、安全完成駕駛職能具有重大影響。

司機駕駛控制臺界面的設計對于列車的安全運行有特別的意義，是列車設計技術的重要組成部分。目前，司機駕駛控制臺的設計思想經(jīng)歷了從“以機器為本”到“以人為本”的轉(zhuǎn)變，逐步引入了人機方面的設計思想[3]。

1 系統(tǒng)結(jié)構

1.1 系統(tǒng)結(jié)構劃分

司機駕駛控制臺是司機和CBTC系統(tǒng)對話的窗口，需為司機提供列車運行狀態(tài)機監(jiān)控信息，并提示相關的操作動作。要求對列車安全運行所必須的信息進行詳細、準確、可靠的顯示。

進入司機駕駛控制臺界面時，通過認證模塊進行司機駕駛認證，驗證司機的駕駛資格。驗證成功后，列車處于激活狀態(tài)，啟動并給與最大牽引力。列車開始運行后，通過圖形、文字等方式顯示列車運行的總體信息，即系統(tǒng)時間、司機認證等；列車運行監(jiān)督信息，即列車運行速度以及目標距離等信息；列車車門控制和監(jiān)督信息，即車門狀態(tài)以及屏蔽門狀態(tài)等；ATS監(jiān)督信息，即列車ID，列車是否停站，下站站名，本站站名，目標站臺，停站時間等；列車信息，即運行狀態(tài)等；并提供列車運行操作的功能按鈕[4]。

因此，為設計一個功能齊全、簡單、自然、友好的司機顯示界面，將界面劃分為6個功能模塊區(qū)，如圖1所示。

圖1 結(jié)構圖

1.2 系統(tǒng)模塊構成

根據(jù)列車運行控制系統(tǒng)的結(jié)構和功能以及司機駕駛控制臺模擬與仿真界面的結(jié)構劃分，對司機駕駛控制臺模擬與仿真界面進行了簡化，主要包含以下模塊：登錄對話框模塊、離線數(shù)據(jù)讀取模塊、司機駕駛控制臺模擬與仿真界面模塊。

2 系統(tǒng)功能

2.1 離線數(shù)據(jù)讀取模塊

由于屏蔽了車載設備的復雜結(jié)構，取消了地面信息接收及處理模塊，因此事先將仿真的數(shù)據(jù)放入文件中，然后通過離線數(shù)據(jù)讀取模塊實現(xiàn)。

2.2 登錄對話框模塊

在主界面外，創(chuàng)建登錄對話框。在系統(tǒng)運行時，彈出登錄對話框，要求輸入司機號、列車號、密碼進行驗證，驗證司機的駕駛資格。若驗證成功，則彈出消息對話框，并進入主界面；否則，彈出提示對話框，并清零重新輸入驗證，從而可根據(jù)運營和安全控制要求對輸入數(shù)據(jù)進行有效性檢查，確保系統(tǒng)的保密性及列車的運行安全。

2.3 司機駕駛控制臺模擬與仿真界面模塊

工作狀態(tài)信息區(qū)主要負責顯示列車運行過程中相關狀態(tài)或停站信息。包括：列車當前控制模式，列車在站臺狀態(tài)，本站、下一站名稱，前方距離。同時，顯示到站信息，若到站為YES，否則為NO。在速度信息區(qū)，用一個環(huán)形速度表盤來顯示相應的速度信息，指針指向位置為當前列車運行實際速度，并用數(shù)字顯示出實際速度。同時，表盤上用黃色三角形標注出ATO速度與最大允許速度之間的區(qū)域，紅色三角形標注出列車在該區(qū)域最大允許速度。在警示信息區(qū)，提供列車運行的目標距離信息。通過進度條控件，動態(tài)顯示列車運行進度，刻度采用自然數(shù)標尺來標識距離及站名。

在功能信息區(qū)，顯示列車車門狀態(tài)、站臺屏蔽門狀態(tài)以及列車運行計劃信息。在該模塊中，列車車門和屏蔽門狀態(tài)簡化為打開、關閉兩種狀態(tài)。列車運行計劃信息主要包括：司機號、列車號、起點站、終點站、停戰(zhàn)時間、是否啟動等。

為了保證行車任務的正確，必須設置登錄信息區(qū)，主要是在執(zhí)行行車任務前，驗證司機的行車資格許可和任務的正確性。在該區(qū)設置兩個登錄區(qū)，一個為司機ID驗證，一個為運行任務驗證（車次號驗證），系統(tǒng)收到驗證信息后，驗證正確后，T顯示出駕駛司機的司機號和運行任務。文本信息則主要是顯示系統(tǒng)時間等。該系統(tǒng)時間與實際時間同步，包括日期和時間。

在司機手動操作設備區(qū)，設置6個功能鍵，利用圖形按鈕仿真模擬司機手動操作設備部分，包括啟動、常規(guī)制動、緊急制動、制動緩解、牽引仿真、語音播報按鈕。點擊啟動按鈕時，系統(tǒng)啟動；點擊常規(guī)制動按鈕時，系統(tǒng)進行常規(guī)制動，列車速度減小，速度儀表盤上的指針逆時針轉(zhuǎn)動；點擊緊急制動按鈕時，列車速度迅速減小為0，速度儀表盤上的指針指向0，然后點擊制動緩解按鈕，列車速度恢復正常，速度儀表盤上的指針正常轉(zhuǎn)動；點擊牽引仿真按鈕時，系統(tǒng)進行牽引仿真；點擊語音播報按鈕時，系統(tǒng)到站時自動播放音樂，以提醒乘客到站。

2.4 系統(tǒng)功能圖

系統(tǒng)運行功能圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)性能需求

3.1 可靠性

系統(tǒng)中所有設備應保持每天24 h連續(xù)工作，關鍵設備冗余配置，平均無故障時間（MTBF）應不小于5×104 h。

圖2 系統(tǒng)功能圖

3.2 可用性

系統(tǒng)可用性指標應到達99.99%。

3.3 可維護性

應實時監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各設備的工作狀態(tài)，并提供設備故障報警功能。通過制定維修/更換策略、在線維修措施及維修支持設備的最佳運用來減少設備停機時間。本系統(tǒng)軟件需按現(xiàn)有的計算機軟件相關規(guī)范要求的開發(fā)流程進行，軟件源代碼可讀性強，方便軟件維護。

3.4 擴展性

系統(tǒng)軟件、硬件應采用標準的模塊化設計，易于系統(tǒng)功能和控制范圍的擴展。在線路延伸時，系統(tǒng)應在盡量不更改系統(tǒng)設計的情況下通過添加硬件或軟件來擴展。

3.5 實時性

系統(tǒng)信息顯示時延應小于1.5 s，系統(tǒng)控制輸出時延應小于1 s。

4 司機駕駛控制臺模擬與仿真界面設計及實現(xiàn)

該系統(tǒng)以成都地鐵一號線為例進行模擬與仿真。通過VC++ 6.0封裝的MFC程序?qū)ctive控件編程實現(xiàn)控件化，主要采用進度條控件、按鈕控件、靜態(tài)文本[5]。

4.1 離線數(shù)據(jù)讀取模塊的設計及實現(xiàn)

由于簡化系統(tǒng)模塊，因此數(shù)據(jù)由離線讀取。在本文中，以成都地鐵一號線的站間距離、列車實際運行速度作為離線數(shù)據(jù)進行該系統(tǒng)的模擬與仿真。

4.2 登錄對話框模塊的設計及實現(xiàn)

在該仿真系統(tǒng)運行前，彈出登錄對話框，需輸入司機號、列車號、密碼，點擊登錄按鈕進行驗證，從而確保系統(tǒng)的保密性及列車的運行安全。驗證成功后，彈出消息對話框“歡迎進入司機駕駛控制臺”。點擊確定后，進入系統(tǒng)初始化界面。否則彈出提示信息“輸入錯誤，請重新輸入”并清零重新輸入。

4.3 司機駕駛控制臺模擬與仿真界面模塊的設計及實現(xiàn)

進入系統(tǒng)初始化界面時，如圖3所示。此時，6大功能區(qū)呈未激活狀態(tài)，即警示信息區(qū)的列車進度控件初始化位置為零；司機手動操作設備區(qū)的按鈕顯示灰色位圖；其余功能區(qū)不顯示任何信息。

圖3 系統(tǒng)初始化界面

在登陸信息區(qū)輸入列車號、司機號，驗證成功，點擊啟動按鈕，如圖4所示。此時，工作狀態(tài)信息區(qū)、功能信息區(qū)的顯示內(nèi)容為初始化內(nèi)容；司機手動操作設備區(qū)的按鈕顯示相應的位圖。

圖4 系統(tǒng)運行狀態(tài)1

點擊牽引仿真按鈕，系統(tǒng)運行，該系統(tǒng)正常運行，如圖5所示。速度儀表盤根據(jù)讀取的離線數(shù)據(jù)動態(tài)顯示實際運行速度，而列車運行進度控件顯示列車當前位置。當點擊常規(guī)制動按鈕時，速度儀表盤的速度會迅速減小，速度指針逆時針方向轉(zhuǎn)動；當點擊緊急制動按鈕時，速度儀表盤的速度會迅速變?yōu)?，速度指針指向0；點擊制動緩解按鈕時，速度儀表盤的速度恢復正常顯示；當點擊語音播報按鈕時，列車到站時刻會自動播放音樂，列車啟動后會自動停止播放音樂。

圖5 系統(tǒng)運行狀態(tài)2

5 結(jié)束語

本文對城市軌道交通列車司機駕駛控制臺進行了模擬仿真，該系統(tǒng)為列控系統(tǒng)的研究提供一個模擬與仿真平臺，有助于節(jié)省人力、物力資源，用于培訓司機的正常操作和事故演習，保證鐵路運營實施的安全性。

[1] 張國寶.城市軌道交通運營組織[M]. 2版.上海：上?？茖W技術出版社，2012.

[2] 郭北苑. 高速列車駕駛界面人因適配性設計理論與方法研究[D]. 北京：北京交通大學，2010.

[3] 李 洋. 基于乘務員特性的機車駕駛界面優(yōu)化設計研究[D].成都：西南交通大學， 2012.

[4] 唐 濤.列車運行控制系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2012：149-160.

[5] 孫 鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：660-699.

責任編輯 徐侃春

Simulation on driver console for train of Urban Transit

JIANG Jie
( School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China )

With the rapid development of Urban Transit, requirements to interactive interface of the train drivers console’s were more and more high, it was expected to check the information of train running status through the interactive interface and make the relevant operation. In order to design a simple, natural, friendly driver’s console interface, and shield complex structures of vehicle system, the paper analyzed the system architecture requirements, system functional requirements, system performance requirements, used the package MFC program to write code under the Visual C++ 6.0 programming environment of the Windows Operating System. Chengdu Metro Line was taken as an example to implement the simulation of driver consol.

driving console; interactive interface; MFC

U260.38

A

1005-8451（2015）04-0058-04

2014-09-20

蔣 捷，在讀碩士研究生。