張繼光

（上海電氣集團(tuán)智能交通科技有限公司,上海 200233）

0 引言

隨著近年來(lái)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在我國(guó)的軌道交通領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新的類型的制式和技術(shù)，數(shù)字軌道電車有別于傳統(tǒng)的有軌電車，它是一種新的交通技術(shù)，利用地埋無(wú)源磁釘形成數(shù)字化軌道，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)導(dǎo)向和精確控制。相比有軌電車，數(shù)字軌道電車新建基礎(chǔ)設(shè)施少、對(duì)原有市政設(shè)施破壞少、綜合費(fèi)用低、建設(shè)周期短。

上海臨港中運(yùn)量公交系統(tǒng)是臨港地區(qū)公共交通骨干網(wǎng)絡(luò)，規(guī)劃共6線成網(wǎng)，主要服務(wù)地區(qū)各功能性組團(tuán)之間民眾的快捷出行，全網(wǎng)線路總長(zhǎng)約105 km。T1線是示范線工程，線路全長(zhǎng)21.75 km，初期設(shè)站10座，配車11列，采用數(shù)字軌道技術(shù)和膠輪多編組列車，項(xiàng)目已于2021年6月30日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。

數(shù)字軌道電車的車載交互系統(tǒng)是一種以人機(jī)界面為載體的列控車載系統(tǒng)的重要的組成部分[1-2]。人機(jī)交互的歷史是使計(jì)算機(jī)適應(yīng)人類的歷史，交互信息也從準(zhǔn)確的輸入/輸出信息改變不準(zhǔn)確的輸入/輸出信息[3-4]。人機(jī)交互的技術(shù)是計(jì)算機(jī)用戶界面設(shè)計(jì)中的非常重要的內(nèi)容之一[5]。

1 基于無(wú)源磁釘定位的數(shù)字軌道電車車載交互系統(tǒng)

該文所述的車載交互系統(tǒng)具體包括：系統(tǒng)通信子系統(tǒng)、人機(jī)交互硬件平臺(tái)以及人機(jī)界面軟件系統(tǒng)[6]。同時(shí)還提供了一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字軌道電車主機(jī)系統(tǒng)與車載人機(jī)交互系統(tǒng)間雙向穩(wěn)定通信的具體通信方法，該文提供設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和方法可以實(shí)現(xiàn)軌道車輛智能化、道路信息化、運(yùn)營(yíng)智能化和成本最優(yōu)化。

數(shù)字軌道電車車載人機(jī)交互系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、人機(jī)交互平臺(tái)，人機(jī)界面軟件系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)，其目的是通過(guò)提供一種基于無(wú)源磁釘定位的數(shù)字軌道電車車載交互系統(tǒng)及通信控制方法，以克服現(xiàn)有軌道列車顯示系統(tǒng)和界面操作繁瑣和人的主觀干預(yù)性強(qiáng)的缺點(diǎn)，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字軌道電車的準(zhǔn)確控制和穩(wěn)定運(yùn)行。所述的基于數(shù)字軌道電車的車載人機(jī)交互系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1，數(shù)字軌道電車車載人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括：

圖1 數(shù)字軌道電車車載人機(jī)交互系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）用于產(chǎn)生、發(fā)送定位信息的無(wú)源磁釘定位模塊是一種新型的埋設(shè)于預(yù)行駛數(shù)字軌道電車線路上的無(wú)源磁釘裝置，磁釘在行駛線路上的埋設(shè)深度為5 cm左右。包含該磁釘所處線路區(qū)段的位置坐標(biāo)信息、線路狀況、路面狀況、坡度信息等線路基礎(chǔ)信息，并且在其所處區(qū)段線路中具有唯一標(biāo)識(shí)碼，可作為傳感器的定向識(shí)別和訪問(wèn)依據(jù)。

（2）接收實(shí)時(shí)定位的傳感器接收模塊是安裝部署于數(shù)字軌道電車底部的特定傳感器接收裝置，可以對(duì)安裝于線路路面上的無(wú)源磁釘進(jìn)行識(shí)別和信號(hào)接收，獲取磁釘所在位置的實(shí)時(shí)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字軌道電車的實(shí)時(shí)定位；完成由無(wú)源磁釘信標(biāo)到服務(wù)器發(fā)送采集端的完整雙向通信鏈路。

（3）信號(hào)通信模塊是通過(guò)服務(wù)器終端對(duì)傳感器接收到的磁釘定位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)接收和儲(chǔ)存的系統(tǒng)單元，既能作用于系統(tǒng)周期性的數(shù)據(jù)接收和傳輸，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)非周期性的數(shù)據(jù)接收和傳輸；在列車運(yùn)行過(guò)程中，服務(wù)器終端會(huì)向車載交互系統(tǒng)發(fā)送在數(shù)字軌道電車在行進(jìn)過(guò)程中由傳感器接收模塊通過(guò)無(wú)源磁釘定位模塊時(shí)的列車行駛狀態(tài)信息、駕駛員工作狀態(tài)信息及磁釘定位信息發(fā)送給該系統(tǒng)的界面顯示系統(tǒng)。

人機(jī)交互硬件平臺(tái)由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成，人機(jī)界面軟件系統(tǒng)具體由按鈕響應(yīng)系統(tǒng)及界面顯示系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中包含的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生、發(fā)送定位信息的無(wú)源磁釘定位模塊，接收實(shí)時(shí)定位的傳感器接收模塊，以及信號(hào)通信模塊。完成由無(wú)源磁釘信標(biāo)到服務(wù)器發(fā)送采集端的完整雙向通信鏈路。數(shù)字軌道電車車載主機(jī)與人機(jī)界面間的數(shù)據(jù)傳輸和通信關(guān)系如圖2所示。

圖2 主機(jī)和DMI的數(shù)據(jù)傳輸及通信關(guān)系

如圖2，數(shù)字軌道電車車載主機(jī)與人機(jī)界面采用modbus協(xié)議完成通信。數(shù)字軌道電車車載主機(jī)作為modbus協(xié)議的服務(wù)端，DMI作為modbus協(xié)議的客戶端。DMI每隔1 s向主機(jī)請(qǐng)求狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)和維護(hù)數(shù)據(jù)。所述的數(shù)字軌道電車車載人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括接收數(shù)據(jù)分析和發(fā)送數(shù)據(jù)包。分析來(lái)自車輛主機(jī)的周期性數(shù)據(jù)和偶發(fā)數(shù)據(jù)，供車輛人機(jī)界面軟件應(yīng)用層使用。同時(shí)將車載人機(jī)界面軟件應(yīng)用層的周期性數(shù)據(jù)包發(fā)送給車載主機(jī)，并將駕駛員按下按鈕產(chǎn)生的偶發(fā)按鈕信息數(shù)據(jù)包發(fā)送給車載主機(jī)。

車載信號(hào)主機(jī)發(fā)送給DMI的數(shù)據(jù)信息主要包括速度、列車偏移磁軌的偏移量、列車駕駛模式等狀態(tài)值。每隔1 s，DMI主動(dòng)請(qǐng)求主機(jī)查詢數(shù)據(jù)，主機(jī)根據(jù)DMI的請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)給DMI顯示。

該文所提出的人機(jī)交互系統(tǒng)通信方法流程圖具體是：由數(shù)字軌道主機(jī)系統(tǒng)和數(shù)字軌道人機(jī)交互系統(tǒng)（DMI）間的雙向數(shù)據(jù)通信和響應(yīng)方法，其主要通信方法的過(guò)程為車載信號(hào)主機(jī)發(fā)送給數(shù)字軌道人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，主要包括速度、列車偏移磁軌的偏移量、列車駕駛模式等狀態(tài)值，并且每隔1 s，數(shù)字軌道人機(jī)交互系統(tǒng)主動(dòng)請(qǐng)求主機(jī)查詢數(shù)據(jù)，主機(jī)根據(jù)數(shù)字軌道人機(jī)交互系統(tǒng)的請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)字軌道人機(jī)交互系統(tǒng)顯示。

人機(jī)交互平臺(tái)模塊中的語(yǔ)音處理系統(tǒng)是指在列車的運(yùn)行期間，車載人機(jī)界面接收聲音和文本信息數(shù)據(jù)包，并使驅(qū)動(dòng)播放器的聲音根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序從高到低播放，以提醒司機(jī)列車運(yùn)行狀態(tài)的變化或讓車載主機(jī)對(duì)命令作出及時(shí)的反應(yīng)。

此外，所述人機(jī)界面軟件系統(tǒng)包括按鈕響應(yīng)系統(tǒng)和界面顯示系統(tǒng)。其中，按鈕響應(yīng)系統(tǒng)包括車載人機(jī)界面及兩個(gè)可操縱鍵盤(pán)，可擴(kuò)展功能鍵在屏幕右側(cè)，固定功能鍵在屏幕底部。界面顯示系統(tǒng)包括地面界面顯示系統(tǒng)，地面界面顯示系統(tǒng)包括車距監(jiān)控信息顯示模塊、車速信息顯示模塊、輔助行車信息顯示模塊、運(yùn)行計(jì)劃信息顯示模塊、功能輔助顯示模塊等。

2 車載人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的數(shù)字軌道電車車載人機(jī)交互系統(tǒng)的人機(jī)交互軟件包括監(jiān)控信息顯示模塊和功能信息顯示模塊，其中監(jiān)控信息顯示模塊包括第一信息顯示模塊和第二信息顯示模塊。

2.1 人機(jī)界面軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人機(jī)交互車載控制系統(tǒng)的功能輔助顯示模塊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

如圖3，監(jiān)控信息顯示模塊的第一信息顯示模塊包括列車自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（ATS），是列車的自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)，其核心設(shè)備位于信號(hào)系統(tǒng)的中心層；網(wǎng)絡(luò)控制單元（NCU）是網(wǎng)絡(luò)中可獨(dú)立運(yùn)作的信息收集和處理設(shè)備，負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸與網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行；通信狀態(tài)檢驗(yàn)單元（RSU）表示車載信號(hào)主機(jī)與車輛處于連接狀態(tài)，當(dāng)主機(jī)和車輛連接正常時(shí)，該圖標(biāo)點(diǎn)亮；第二信息顯示模塊包括自動(dòng)駕駛狀態(tài)顯示單元、人工駕駛狀態(tài)顯示單元、列車時(shí)刻表顯示單元、登錄狀態(tài)顯示單元及列車故障顯示單元。

另一方面，圖3中所示界面顯示系統(tǒng)的功能鍵信息顯示模塊包括選擇交路功能子模塊、列車司機(jī)登錄功能子模塊、系統(tǒng)設(shè)置子模塊和列車維護(hù)功能子模塊，用于實(shí)現(xiàn)司機(jī)對(duì)數(shù)字軌道電車的人機(jī)交互控制和功能操作。所述的選擇交路功能子模塊，當(dāng)列車需要選擇進(jìn)路時(shí)，點(diǎn)擊此按鈕可以選擇所需進(jìn)路，當(dāng)在司機(jī)顯示界面按下此按鈕時(shí)會(huì)彈出新對(duì)話框，其界面顯示的內(nèi)容是可選擇的進(jìn)路，具體顯示哪些交路信息，可以通過(guò)配置更新。

圖3 功能輔助顯示模塊通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

關(guān)于軟件架構(gòu)，對(duì)于每個(gè)操作模式定義了五個(gè)模塊（啟動(dòng)、配置、正常、可疑和安全模式），當(dāng)DMI從一種模式轉(zhuǎn)換到另一種模式時(shí)，這些模塊被激活/停用。全局監(jiān)視執(zhí)行監(jiān)視器、軟件看門(mén)狗、日志管理器和診斷管理器的角色；它識(shí)別導(dǎo)致DMI操作模式更改的條件，并在發(fā)生模式更改時(shí)執(zhí)行重新配置系統(tǒng)所需的操作，檢查和測(cè)試執(zhí)行檢查和測(cè)試活動(dòng)。

操作模塊包含了實(shí)現(xiàn)操作模式功能要求所涉及的軟件對(duì)象，如可視化和音頻發(fā)射程序。通信模塊處理診斷、維護(hù)和EVC相關(guān)的通信，I/O管理器包含DMI硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字軌道電車人機(jī)交互系統(tǒng)軟件界面示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字軌道電車車載人機(jī)交互系統(tǒng)界面示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于上海臨港中運(yùn)量示范線項(xiàng)目，項(xiàng)目于2021年6月正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，經(jīng)過(guò)1年多的運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證和迭代優(yōu)化，該設(shè)計(jì)方案得到了使用單位的認(rèn)可。

同時(shí)，數(shù)字軌道電車是膠輪交通系統(tǒng)，是軌道交通和汽車技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，隨著汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，人機(jī)協(xié)同、人機(jī)共駕和人機(jī)界面方面都有了較大的進(jìn)步，在后續(xù)的數(shù)字軌道電車人機(jī)界面設(shè)計(jì)上，應(yīng)主動(dòng)借鑒汽車自動(dòng)駕駛的成熟設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高易用性。