崔靖元，魏春光，曾 潔

（1.大連交通大學 電氣信息工程學院，大連116028；2.中車大連機車車輛有限公司，大連116022）

網(wǎng)絡和信息技術的發(fā)展大大提高了地鐵系統(tǒng)的智能化程度，目前地鐵司機操縱臺結構復雜，存在指示燈和機械按鈕較為繁多且分散，司機顯示單元（DDU）提供的信息不夠形象直觀，傳統(tǒng)機械式儀表誤差較大等問題[1-2]，增加了司機高效、準確、全方位地完成駕駛作業(yè)的勞動強度，不利于列車安全運行。

本文基于地鐵司機操縱臺的布局結構和功能，采用Kinco HMIware 軟件設計了一種人機交互界面，通過ModSim32 軟件建立Modbus TCP 服務器端，開發(fā)了一個基于以太網(wǎng)的車載信息顯示與控制系統(tǒng)，并通過VNC（virtual network computing）協(xié)議實現(xiàn)了人機界面的遠程監(jiān)控。

1 總體方案設計

為了向司機提供簡潔、直觀的可視化界面，減少接收信息的視覺疲勞和時間，主駕駛界面采用圖形化設計。下位機采集到的車載數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字或圖像顯示在屏幕中各區(qū)域，操縱臺的可控按鈕通過軟件中的各功能元件表示，而界面中的形象圖標則用來表示列車各子系統(tǒng)的設備狀態(tài)和信息。該系統(tǒng)總體設計如圖1所示，從功能上劃分為顯示區(qū)、控制區(qū)和子系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)3 部分。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖Fig.1 Block diagram of system overall design

1.1 顯示區(qū)

司機在列車啟動前可設置車次編號、司機工號和行駛路線。運行過程中主界面實時顯示列車到站、位置、速度、軸溫、牽引功率、制動缸壓力、網(wǎng)壓和網(wǎng)流等主要車載信息，當數(shù)據(jù)異常則觸發(fā)報警顯示。

1.2 控制區(qū)

本設計采用6 節(jié)編組地鐵列車，界面中車廂與車門均為觸控元件，采用圖形化設計，通過編寫宏指令，點擊某一節(jié)車廂即可進入該車廂狀態(tài)界面，點擊車門可實現(xiàn)車門開關，左右司機室圖標下方分別設置了左側/右側車門全部開啟元件，方便司機集中控制。功能區(qū)主要包括列車啟動、緊急制動、廣播、鳴笛、各指示燈和駕駛模式切換等元件，設置在界面左側防止司機誤觸[3-5]。牽引制動控制區(qū)可進行電機控制，在非自動駕駛模式下實現(xiàn)列車速度的人工控制。

1.3 子系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)

主界面下方的圖標為各子系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)，通過對列車實時數(shù)據(jù)進行顯示、分析和存儲，實現(xiàn)相應的功能需求，保證列車高效且安全地行駛；同時各子系統(tǒng)界面頂部保留了顯示區(qū)界面，幫助司機在子模塊操作的同時也能實時監(jiān)測重要行車數(shù)據(jù)。

2 各子系統(tǒng)功能設計

2.1 牽引與制動系統(tǒng)

設置滾動條元件，按壓滑塊移動可以改變控制器字寄存器的值，進而控制電機轉速與轉矩，上推滑塊時電磁轉矩與轉子轉速同向，實現(xiàn)電機牽引；下拉滑塊時電磁轉矩為負，電機處于再生制動狀態(tài)（異步發(fā)電狀態(tài)）[6]。編寫宏文件，根據(jù)乘車率、電機轉速和轉矩，計算出牽引功率和制動功率。設置位狀態(tài)指示燈和數(shù)值顯示元件，車廂乘車率、電機轉速、電機功率、制動功率、高速斷路器狀態(tài)和空壓機狀態(tài)分別顯示在對應車廂下方，便于司機檢查。其中牽引功率和制動缸壓力的顯示采用表針元件，以儀表圖的方式顯示在主界面，代替了傳統(tǒng)的機械儀表。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示區(qū)結構如圖2所示。

圖2 牽引制動系統(tǒng)顯示區(qū)結構框圖Fig.2 Block diagram of display area of traction braking system

2.2 路線設置系統(tǒng)

設計采用數(shù)值輸入元件登記列車編號與司機工號，通過多狀態(tài)設定元件選擇線路和上行（下行）方向，若站臺變動也可在下拉菜單中另行設置始發(fā)站和終到站?；凇肮收蠈虬踩痹瓌t和列車的節(jié)能減耗，選擇多狀態(tài)切換元件實現(xiàn)自動駕駛（AM）、信號保護下的人工駕駛（PM）、自動防護駕駛（SM）、限制式人工駕駛（RM）和非限制式人工駕駛（NRM）5 種列車駕駛模式[7]的切換。

2.3 供電系統(tǒng)

該界面可實時監(jiān)測列車供電系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)，保障運行安全。通過多狀態(tài)設定元件的數(shù)值加減功能，控制下位機設備實現(xiàn)車頂受電弓的升降。受電弓、牽引逆變器（VVVF）、輔助逆變器（SIV）工作狀態(tài)由位狀態(tài)指示燈元件表示。通過設置數(shù)值顯示元件，司機可查看列車運行中SIV 電壓、VVVF 電壓、蓄電池溫度與電壓、網(wǎng)壓和網(wǎng)流的實時數(shù)據(jù)。設置報警值，當數(shù)值達到上限則狀態(tài)指示燈和數(shù)據(jù)顯示變成紅色，并觸發(fā)報警。

2.4 速度系統(tǒng)

選用表針元件，將下位機采集的速度實時數(shù)據(jù)通過儀表顯示。本設計設置速度最大值為120 km/h，當速度達到80 km/h 觸發(fā)報警；采用淺藍色主背景、深藍色報警上限區(qū)、白色刻度值和黑色表針，色調(diào)柔和且有辨識度，為司機提供美觀的界面和形象直觀的速度信息。

2.5 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)的設計，按功能劃分為控制模塊和顯示模塊。在控制模塊中，設置位狀態(tài)切換元件，圖形設計為車廂，司機可點擊車廂圖標開啟或關閉空調(diào)；每個車廂下方設有4 個位狀態(tài)設定元件和2 個多狀態(tài)設定元件，通過宏指令編寫，分別實現(xiàn)當前車廂空調(diào)制冷、制熱、加濕或通風模式的切換與空調(diào)溫度的升降。在顯示模塊中，將下位機采集到的溫度、濕度實時數(shù)據(jù)分別在對應車廂下方的數(shù)值顯示元件中表示；每節(jié)車廂的壓縮機、通風機和冷凝風機狀態(tài)通過多狀態(tài)顯示元件表示，綠色為正常，黃色為故障，紅色為停止[8]。該系統(tǒng)功能組成如圖3所示。

圖3 空調(diào)系統(tǒng)功能組成框圖Fig.3 Functional composition block diagram of air conditioning system

2.6 消息記錄系統(tǒng)

通過對人機界面內(nèi)部寄存器地址進行分配，建立車載事件信息數(shù)據(jù)庫，登記并存儲列車運行的控制指令、設備狀態(tài)信息和故障信息。采用事件顯示元件和報警顯示元件表示狀態(tài)信息，并將歷史事件存儲到配方寄存器或外部設備中，以便于行車實時數(shù)據(jù)的分析與記錄。

2.7 車廂狀態(tài)系統(tǒng)

主界面點擊某一車廂圖標即車廂狀態(tài)可進入該車廂的狀態(tài)界面。該界面上方實時顯示重要行車信息；左側采用攝像頭元件，通過外接攝像頭實時監(jiān)測車廂內(nèi)部狀態(tài)，便于司機觀察車廂突發(fā)情況；下方的數(shù)值顯示元件反映車廂溫度、濕度和乘車率；界面右側設置位狀態(tài)切換開關元件，用于執(zhí)行車廂內(nèi)部的空調(diào)、廣播、緊急電話、車廂照明燈和報警指示燈的開啟或關閉操作，并選用多狀態(tài)設定元件實現(xiàn)內(nèi)部溫度控制。該系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 車廂狀態(tài)系統(tǒng)結構圖Fig.4 Compartment state system structure diagram

2.8 軸溫系統(tǒng)

車廂圖標下方設置多狀態(tài)顯示元件，圖形設計為地鐵輪對。該系統(tǒng)將軸箱的溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在各輪對圖標下方，同時在數(shù)據(jù)庫中建立軸溫報警閾值，當軸溫在50 ℃以下時，輪對為灰色（正常狀態(tài)）；50 ℃～80 ℃為黃色（預警狀態(tài)），使司機提高警惕；80 ℃以上為紅色（報警狀態(tài)），司機應立即減速或停車檢查。該系統(tǒng)為地鐵司機提供了簡潔、直觀的軸溫顯示信息，保障其高效完成駕駛作業(yè)。

2.9 定位系統(tǒng)

該模塊主要分為列車位置實時顯示和站臺動態(tài)信息顯示兩部分。實時位置顯示采用棒圖元件，通過讀取控制器中寄存器的數(shù)據(jù)，將讀取的實際值與設定的最大值/最小值之間的百分比關系用柱狀圖形式表示，實現(xiàn)車與站臺之間距離關系變化。下位機控制器將讀取到的站臺信息發(fā)送到人機界面，通過數(shù)值顯示和文本顯示元件，動態(tài)顯示當前站和下一站，為司機提供實時信息。

2.10 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

本設計選用VNC 協(xié)議實現(xiàn)司機室人機界面的遠程監(jiān)控，該系統(tǒng)流程如圖5所示。人機界面作為VNC Server 端，設置其IP 地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關[9]，本地寄存器LB9290 置1 開啟VNC 功能，寄存器LB9292 置1 使能操作密碼，寄存器LB10146 設置操作密碼，實現(xiàn)服務器端的設定。在局域網(wǎng)監(jiān)控中，PC 和智能手機使用VNC Viewer 軟件作為客戶端，輸入IP 地址和密碼即可與人機界面建立連接；瀏覽器在網(wǎng)址欄輸入IP 地址以及端口號，子頁面輸入密碼，實現(xiàn)實時監(jiān)控。在互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中，對觸摸屏所在地的路由器進行IP 地址和端口號的映射動作，使用外網(wǎng)PC 或其他移動終端的VNC Viewer 軟件，按照局域網(wǎng)訪問的操作方法即可顯示遠程人機界面。

圖5 遠程監(jiān)視系統(tǒng)流程Fig.5 Remote monitoring system flow chart

3 通訊模塊設計

3.1 Modbus TCP 通訊協(xié)議

Modbus TCP 是基于TCP/IP 協(xié)議的工控應用協(xié)議，通訊采用主/從方式，該協(xié)議通過以太網(wǎng)實現(xiàn)控制器和設備之間的通信，易于集成不同設備[10]，具有良好的網(wǎng)絡傳輸能力，解決了Modbus 總線協(xié)議傳輸距離短的問題，其數(shù)據(jù)幀格式如表1所示[11]。

表1 Modbus TCP 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Modbus TCP data frame format

3.2 人機界面通信的實現(xiàn)

Kinco HMIware 軟件完成界面設計和C 語言代碼編寫后，對程序進行編譯和離線模擬，模擬界面如圖6所示。

圖6 主界面離線模擬圖Fig.6 Offline simulation map of the main interface

本設計中人機界面模擬Modbus TCP 客戶端，選用ModSim32 軟件模擬服務器端，設置起始地址0x0001、數(shù)據(jù)長度208、設備ID 為1，寄存器類型選擇線圈寄存器和保持寄存器，連接方式為Modbus/TCP Svr，端口號默認為502。

通過ModSim32 切換線圈寄存器和保持寄存器類型，修改寄存器的數(shù)值，實現(xiàn)了主界面和各子系統(tǒng)元件的數(shù)值顯示、狀態(tài)顯示和儀表顯示功能；點擊觸摸屏中的功能元件和位、字設定元件，ModSim32寄存器的數(shù)值動態(tài)地變化，執(zhí)行控制指令；點擊攝像頭元件，對應的位寄存器數(shù)值變?yōu)?，車廂狀態(tài)界面實時顯示外接攝像頭輸入的視頻畫面；點擊VNC 功能元件，設置操作密碼與查詢密碼，內(nèi)部寄存器數(shù)值發(fā)生變化，筆記本電腦和手機通過局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)均可控制與監(jiān)測人機界面，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。

使用科來網(wǎng)絡分析系統(tǒng)11 軟件，對本次Modbus TCP 傳輸性能進行研究，分析結果如圖7所示。觸摸屏不斷的向下位機發(fā)送TCP 請求，當Modsim32 返回數(shù)據(jù)，則建立Modbus TCP 通信。結果顯示，通訊過程中數(shù)據(jù)傳輸性能良好，實現(xiàn)了系統(tǒng)中各模塊的顯示與控制功能。

圖7 系統(tǒng)傳輸性能分析Fig.7 System transmission performance analysis

4 結語

本文根據(jù)地鐵司機室操縱臺功能需求與發(fā)展現(xiàn)狀，設計了一種多功能人機監(jiān)控界面，并通過Modbus TCP 通訊仿真，實現(xiàn)了主界面和各子系統(tǒng)的儀表、實時行車數(shù)據(jù)以及設備狀態(tài)的顯示與控制。本系統(tǒng)界面設計簡潔美觀，易于操作，有效提高了司機操縱臺的智能化程度，便于司機高效地完成駕駛作業(yè)。