杜苗苗，任富爭(zhēng)，杜 飛

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心, 河北唐山 063035)

隨著城市建設(shè)步伐的加快，軌道交通也得到了快速發(fā)展，對(duì)于列車性能、資源利用以及成本控制有了更高的要求，為了滿足這些需求，對(duì)于列車的設(shè)計(jì)更加智能化。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為列車控制的核心，對(duì)于列車系統(tǒng)有著十分重要的作用，人機(jī)交互接口單元作為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的重要組成部分，簡(jiǎn)稱HMI，為了節(jié)省空間和資源，簡(jiǎn)化操作，特將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顯示屏與乘客信息系統(tǒng)顯示屏融合為一體。

多系統(tǒng)融合列車顯示屏具有監(jiān)視和控制系統(tǒng)信息的作用，可提供車輛狀態(tài)信息、故障信息、故障安全措施提示等功能，同時(shí)根據(jù)攝像機(jī)的相關(guān)協(xié)議，實(shí)時(shí)調(diào)取乘客信息系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱PIS系統(tǒng))攝像機(jī)的監(jiān)控畫面，另外根據(jù)界面操作可調(diào)取硬盤錄像機(jī)的存儲(chǔ)視頻進(jìn)行視頻回放，司機(jī)和維護(hù)人員也可在HMI上進(jìn)行內(nèi)部照明、空調(diào)操作以及自檢測(cè)試等功能。

多系統(tǒng)融合列車顯示屏的設(shè)計(jì)[1]風(fēng)格獨(dú)特，界面美觀，操作簡(jiǎn)單，大大提升了空間和資源的利用率，對(duì)于列車行車安全及性能提升有著十分重要的意義。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 硬件配置

基于多系統(tǒng)融合的需求上，特采用尺寸17.3寸的顯示屏，分辨率達(dá)到了1 920×1 080，色彩鮮明，操作流暢，反應(yīng)靈敏，其主頻為1.4 GHz，內(nèi)存為2 G，具有2路以太網(wǎng)，1路USB，1路RS232通訊接口，軟件平臺(tái)為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)，五線電阻式觸摸屏。

1.2 開發(fā)環(huán)境

HMI軟件開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)工具使用Qt Creator跨平臺(tái)的圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，采用C++軟件編程語言[2]，它是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾拇a生成擴(kuò)展以及一些宏，易于擴(kuò)展，允許組件編程。

1.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

本列車設(shè)計(jì)有5輛編組，2輛動(dòng)車，1輛拖車，2輛懸浮車，列車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過Modbus以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信，各子系統(tǒng)間通過MVB網(wǎng)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

Mc-動(dòng)車模塊；F-懸浮模塊；Tp-拖車模塊；VCU-列車中央控制單元；HMI-人機(jī)接口單元；RIOM-數(shù)字輸入輸出模塊；TCU-牽引控制單元；ACU-輔助控制單元；EDCU-門控制單元；HVAC-空調(diào)控制單元；PIS-乘客信息系統(tǒng)；FAS-火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；ESW-網(wǎng)關(guān)。圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 開發(fā)框架

多系統(tǒng)融合列車人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)主要包括界面功能、視頻功能、數(shù)據(jù)通訊以及故障診斷，軟件開發(fā)框架如圖2所示。

圖2 多系統(tǒng)融合列車顯示屏軟件開發(fā)框架

文中多系統(tǒng)融合列車顯示屏不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)顯示屏，另外集成了PIS系統(tǒng)的視頻功能，該功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控和視頻回放，都是通過獨(dú)立的以太網(wǎng)線同PIS系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.2 界面實(shí)現(xiàn)

根據(jù)多系統(tǒng)融合列車顯示屏本身的特點(diǎn)，增加視頻顯示功能，在界面層級(jí)上采用兩級(jí)界面切換，主要包括司機(jī)模式和維護(hù)模式，方便司機(jī)及維護(hù)人員更快捷的查找目標(biāo)信息，以主界面為例，設(shè)計(jì)HMI列車運(yùn)行狀態(tài)主界面如圖3所示。

圖3 運(yùn)行狀態(tài)界面

在主運(yùn)行界面，顯示具體內(nèi)容如下：

①司機(jī)室兩側(cè)后置攝像頭監(jiān)控信息；

②以文本形式顯示的運(yùn)行模式、工況、牽引力、制動(dòng)力、限速、故障信息；

③以圖標(biāo)形式顯示受電弓升弓、降弓、主斷路器閉合、斷開、封鎖狀態(tài)；

圖4 視頻顯示界面

④以圖標(biāo)形式顯示牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、充電機(jī)和空壓機(jī)等；

⑤以圖標(biāo)形式顯示門狀態(tài)、火警狀態(tài)；

⑥以圖標(biāo)形式顯示列車行駛方向、司機(jī)占用端。

在HMI上輪巡顯示各攝像頭的圖像(切換時(shí)間可調(diào))，司機(jī)可通過HMI屏隨時(shí)調(diào)看本列車的任意一個(gè)攝像機(jī)圖像，并且最多可進(jìn)行12分屏的視頻顯示，可以使司機(jī)更好地實(shí)時(shí)觀察列車各車廂的狀態(tài)。除此之外，當(dāng)列車發(fā)生乘客緊急報(bào)警時(shí)，HMI可聯(lián)動(dòng)顯示相關(guān)報(bào)警攝像機(jī)畫面，迅速使司機(jī)查看現(xiàn)場(chǎng)情況，以便采取應(yīng)急處理措施。

另外在維護(hù)模式下可訪問硬盤錄像機(jī)歷史視頻，進(jìn)行視頻回放，HMI通過FTP協(xié)議訪問硬盤錄像機(jī)并獲取錄像文件，登錄FTP后即可以查詢，下載FTP服務(wù)器上的錄像文件。

3 數(shù)據(jù)融合

多系統(tǒng)融合列車顯示屏顯示的信息來源包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及PIS系統(tǒng)，通過兩路以太網(wǎng)通道分別讀取兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照MODBUS協(xié)議進(jìn)行交互，而PIS系統(tǒng)信息則通過RTSP協(xié)議實(shí)時(shí)調(diào)取攝像機(jī)視頻流以及FTP協(xié)議訪問硬盤錄像機(jī)文件內(nèi)容，具體數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 視頻功能實(shí)現(xiàn)

列車HMI通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問列車PIS系統(tǒng)攝像機(jī)內(nèi)容，需要經(jīng)過一系列的操作處理才能進(jìn)行播放，視頻處理過程如圖6所示。

圖6 視頻處理過程

PIS系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)通過以上過程在HMI上播放，通過解協(xié)議將流媒體協(xié)議的數(shù)據(jù)，解析為標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)的封裝格式數(shù)據(jù)；通過解封裝將輸入的封裝格式的數(shù)據(jù)，分離成為音頻流壓縮編碼數(shù)據(jù)和視頻流壓縮編碼數(shù)據(jù)；通過視頻解碼將視頻/音頻壓縮編碼數(shù)據(jù)，解碼成為非壓縮的視頻/音頻原始數(shù)據(jù)，最后通過視頻同步到視頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行播放。

5 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊

項(xiàng)目中HMI采用以太網(wǎng)與VCU進(jìn)行通信，按照MODBUS通訊協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，MODBUS 是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)，MODBUS 以表1中的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行通信。

表1 MODBUS通信數(shù)據(jù)表

通訊數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程圖

6 故障診斷

列車故障診斷功能是保障列車行車安全的重要組成部分。當(dāng)列車發(fā)生故障時(shí)，故障信息在HMI主界面上彈出提示，每條記錄都有唯一的故障代碼，根據(jù)故障代碼索引數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的操作指南，以協(xié)助司機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮?，并幫助維護(hù)人員更容易地查找并解決故障。另外用戶還可以通過維護(hù)以太網(wǎng)下載故障記錄，進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)以及更深入的分析。

故障記錄通過數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行存儲(chǔ)，包括列車運(yùn)行實(shí)時(shí)故障以及歷史故障，故障處理部分軟件流程圖如圖8所示。

圖8 故障處理程序流程圖

當(dāng)HMI檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)，首先判斷該故障是否存在現(xiàn)有當(dāng)前故障列表中，若該故障為新生故障，則在當(dāng)前故障列表文件中記錄該條故障，若不是新生故障則不對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，以免數(shù)據(jù)重復(fù)；當(dāng)檢測(cè)到故障數(shù)據(jù)消失時(shí)，判斷該條數(shù)據(jù)是否為故障列表數(shù)據(jù)記錄，若是當(dāng)前故障數(shù)據(jù)消失，則將該條數(shù)據(jù)從當(dāng)前故障列表中刪除，記錄到歷史故障列表中。故障線程每500 ms循環(huán)一次，輪詢檢測(cè)故障數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)界面顯示信息的刷新，達(dá)到對(duì)司機(jī)和維護(hù)人員的提示作用。

7 結(jié)束語

介紹了多系統(tǒng)融合顯示屏的界面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)完整流程，取消傳統(tǒng)PIS屏，將其與司機(jī)屏融合為一體，采用大尺寸大分辨率的顯示屏是一大亮點(diǎn)，大大節(jié)省了列車的空間和資源，降低了成本及能耗，同時(shí)顯示屏較大的屏幕空間能夠顯示更加豐富的車輛信息和列車狀態(tài)，給司機(jī)及維護(hù)人員帶來了極大的便捷，使信息更加直觀，操作更加簡(jiǎn)單。

界面一體化的設(shè)計(jì)風(fēng)格獨(dú)特新穎，人機(jī)交互靈敏流暢，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，給后續(xù)列車顯示屏的開發(fā)帶來了很大的參考價(jià)值，是以后列車顯示屏設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。