李春明，高春兵，楊逸凡

根據(jù)公共交通國(guó)際聯(lián)會(huì)（UITP）發(fā)布的《World Metro Figures·2018》報(bào)告，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（fully automatic operation，F(xiàn)AO）將是未來(lái)城市軌道交通的主要發(fā)展方向和主流趨勢(shì)［1-3］。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的快速發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)地鐵車輛運(yùn)行過(guò)程中乘客的安全防護(hù)措施提出了更高的要求，相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也隨之陸續(xù)出臺(tái)。如《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51298—2018）中提到，行駛于地下區(qū)間的列車車頭和車尾需設(shè)置緊急疏散門［4］。對(duì)于B型地鐵列車（地鐵列車按車輛規(guī)格分為A、B、C、D、L共5種類型）［5］，其車體寬度較A型車窄、司機(jī)室更狹小，而FAO列車較傳統(tǒng)有人駕駛車輛，需要安裝的設(shè)備和元器件數(shù)量更多［6］。因此，車頭處的空間設(shè)計(jì)需更加合理、智能。

目前，應(yīng)用FAO系統(tǒng)的蘇州軌道交通6號(hào)線車輛車頭處需設(shè)置4塊顯示屏，分別為列車控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的司機(jī)顯示單元（Driver Display Unit，DDU）、信號(hào)系統(tǒng)的人機(jī)界面（Man Machine Interface，MMI）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)車臺(tái)控制盒。若完全按照4塊顯示屏布置，則沒(méi)有緊急疏散門的設(shè)置位置，這將大大增加運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)［7］。為此，本文創(chuàng)新性地提出顯示屏融合設(shè)計(jì)方案，旨在將MMI顯示的信號(hào)系統(tǒng)信息通過(guò)特定的通信方式，融合至車輛DDU中，使司機(jī)可以直接通過(guò)DDU同時(shí)查看列車控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)的顯示信息。該方案的提出不僅提升了駕駛室空間的利用率、降低了運(yùn)營(yíng)成本，而且為在車頭處設(shè)置緊急疏散門提供了可能，為乘客提供緊急情況下的逃生通道，對(duì)后續(xù)FAO的應(yīng)用有著十分重要的借鑒指導(dǎo)意義。

1 融合方案

1.1 系統(tǒng)環(huán)境

基于信號(hào)MMI與車輛DDU融合的需求，在系統(tǒng)環(huán)境上做了如下配置。

1）車輛DDU硬件技術(shù)參數(shù)：12.1吋彩色液晶顯示器，電容式觸摸屏；4核1 GHz處理器，1 GB內(nèi)存；110 V電源，額定功率5 W；1對(duì)DSUB9型MVB通信接口；2個(gè)10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)通信接口，M12-D Code母座；2路USB通信接口；1路RS-485通信接口。

2）DDU軟件使用C語(yǔ)言編程和 Qt Creator 開(kāi)發(fā)工具，在Linux操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)。這種程序框架易于擴(kuò)展，允許組件編程［8］。

1.2 通信連接

考慮到信號(hào)系統(tǒng)與DDU之間冗余通信需求，信號(hào)系統(tǒng)的車載ATP同時(shí)通過(guò)以下2種方式，將需要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送給車輛DDU顯示屏：①M(fèi)VB（multifunction vehicle bus）方式，ATP插箱通過(guò)通信板1、通信板2新增的MVB口，采用MVB協(xié)議將顯示信息發(fā)送到車輛控制單元（vehicle control unit，VCU），然后由VCU將收到的信息顯示到DDU上；② TRDP（train real-time date protocol）以太網(wǎng)方式，ATP插箱通過(guò)內(nèi)部TRDP板卡的以太網(wǎng)口與DDU設(shè)備直接連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送給DDU。通信連接方式見(jiàn)圖1。2種通信方式互為冗余，MVB通信鏈路為主用，TRDP通信鏈路為備用。

圖1 通信連接方式

1.3 軟硬件修改

為實(shí)現(xiàn)本方案，車輛和信號(hào)系統(tǒng)需要對(duì)原有產(chǎn)品的軟硬件進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

1）硬件上，對(duì)通信板卡內(nèi)部電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，增加MVB信息接收口、發(fā)送口、復(fù)位口和中斷發(fā)送口，所增接口具備MVB通信能力。信號(hào)方面，原TRDP板卡擁有2個(gè)10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)通信接口，為雙網(wǎng)口冗余，僅供信號(hào)內(nèi)部通信使用，現(xiàn)將其施行內(nèi)部禁用，改為直接與車輛DDU連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)與車輛DDU的冗余通信。車輛方面，原DDU的以太網(wǎng)口用于車輛DDU運(yùn)行日志下載，現(xiàn)亦將其內(nèi)部禁用，改為直接連接至信號(hào)的TRDP板卡。

2）軟件上，同步修改相關(guān)軟件，使ATP通信板與車輛VCU能夠正常通信。同時(shí)車輛系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)需要共同開(kāi)發(fā)基于TRDP通信協(xié)議的軟件，以保障DDU能夠與信號(hào)TRDP板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸

DDU優(yōu)先采用ATP通信板卡MVB接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行顯示，當(dāng)MVB通信鏈路中斷時(shí)，再采用TRDP板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)傳輸示意見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸示意

ATP插箱與車輛DDU之間每200 ms向?qū)Ψ桨l(fā)送一次數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為100 B。協(xié)議約定當(dāng)超過(guò)1 s未接收到對(duì)方發(fā)送的有效報(bào)文時(shí)，就判斷與對(duì)方通信中斷。

1.5 界面設(shè)計(jì)

將原信號(hào)人機(jī)交互界面和車輛人機(jī)交互界面進(jìn)行融合，融合后的車輛DDU人機(jī)交互界面見(jiàn)圖3。通過(guò)顯示屏底部的導(dǎo)航鍵（軟按鈕），可分別切換到“主界面”以及“車輛”“牽引”“制動(dòng)”等界面。當(dāng)DDU啟動(dòng)完成并進(jìn)入正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將默認(rèn)顯示“主界面”內(nèi)容。

圖3 融合后的車輛DDU人機(jī)交互界面

融合后的DDU界面顯示簡(jiǎn)潔明了，在一塊顯示屏上可同時(shí)顯示信號(hào)交互界面與車輛交互界面。圖3中數(shù)字標(biāo)注1部分為車輛的車門信息以及站臺(tái)門顯示等，用于為司機(jī)提供車門及站臺(tái)門的工作狀態(tài)顯示；數(shù)字標(biāo)注2部分，將原本信號(hào)界面的列車運(yùn)行速度信息直接通過(guò)數(shù)字顯示，可將列車的運(yùn)行速度實(shí)時(shí)告知司機(jī)，有利于司機(jī)對(duì)列車進(jìn)行更好的控制；數(shù)字標(biāo)注3部分，將原本信號(hào)界面的速度表盤(pán)重新設(shè)計(jì)，縮小了表盤(pán)的顯示范圍，使司機(jī)能夠更加方便地看到信號(hào)推薦速度（表盤(pán)中的黃標(biāo)）以及緊急制動(dòng)觸發(fā)速度（表盤(pán)中的紅標(biāo)），便于司機(jī)按照推薦速度駕駛列車，且不超過(guò)緊急制動(dòng)觸發(fā)速度。

2 故障場(chǎng)景

與原有2塊屏的顯示方式相比，新設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生一系列新的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。為避免DDU非正常顯示對(duì)司機(jī)造成影響，下面探討運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能發(fā)生的故障場(chǎng)景。

2.1 DDU與ATP通信異常

1）DDU與ATP主機(jī)通信閃斷，DDU界面信號(hào)圖標(biāo)不能正常顯示，并在該區(qū)域顯示“ATP無(wú)信息顯示”字樣。

2）DDU收到的ATP數(shù)據(jù)取值超出正常范圍，DDU界面相應(yīng)信息狀態(tài)顯示“？”，并在“故障”清單顯示“ATP數(shù)據(jù)錯(cuò)誤”。

3）DDU與ATP主機(jī)通信中斷，DDU界面的故障文本處顯示“DDU與ATP通信故障”；其余信號(hào)系統(tǒng)顯示區(qū)信息用“？”顯示。

上述3種場(chǎng)景僅影響DDU界面顯示，考慮到車輛在正常運(yùn)行時(shí)DDU不需要進(jìn)行人機(jī)交互，因此不會(huì)對(duì)列車的正常運(yùn)行造成影響。當(dāng)ATP系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，將向DDU發(fā)送系統(tǒng)故障信息，并DDU在主界面信息欄顯示。若故障影響列車正常運(yùn)行，信號(hào)系統(tǒng)將控制列車?yán)^續(xù)運(yùn)行至站臺(tái)后，打開(kāi)車門不關(guān)閉，等待司機(jī)上車處理；若故障導(dǎo)致列車無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行至站臺(tái)停車，則列車將在區(qū)間實(shí)施緊急制動(dòng)，等待司機(jī)上車處理。

2.2 DDU與VCU通信故障

VCU與DDU通信故障時(shí)，DDU上只顯示信號(hào)界面內(nèi)容，而不顯示車輛界面內(nèi)容，相關(guān)圖標(biāo)顯示未知。此時(shí)工作人員只能操作信號(hào)相關(guān)按鈕。該場(chǎng)景僅影響MVB通信鏈路，ATP與DDU之間的通信還可采用TRDP鏈路，因此，ATP與DDU之間的通信不會(huì)受到影響。

2.3 DDU硬件故障

DDU顯示器僅設(shè)置了一塊顯示屏，長(zhǎng)期使用可能導(dǎo)致硬件本身故障。當(dāng)DDU硬件設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，由于沒(méi)有冗余顯示屏，因此DDU上的內(nèi)容均無(wú)法正常顯示。但因?yàn)榱熊囋谡＿\(yùn)行時(shí)采用的是全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式，在功能實(shí)現(xiàn)上不需要進(jìn)行人機(jī)交互，因此，當(dāng)DDU故障時(shí)，不會(huì)對(duì)列車的正常運(yùn)營(yíng)造成影響，列車依然可以正常運(yùn)行至車站或場(chǎng)段停車，等待工作人員上車檢修。

3 室內(nèi)模擬驗(yàn)證

為保障融合后的DDU實(shí)時(shí)顯示，運(yùn)行穩(wěn)定，需對(duì)傳輸協(xié)議、硬件接口和顯示功能等進(jìn)行室內(nèi)模擬測(cè)試驗(yàn)證。本次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試使用真實(shí)的FAO車載機(jī)柜、ATP軟硬件、DDU軟硬件，以及蘇州地鐵6號(hào)線線路數(shù)據(jù)和仿真環(huán)境，且充分考慮使用場(chǎng)景，編制了完整的測(cè)試用例。

3.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境與真實(shí)的蘇州地鐵6號(hào)線軟硬件環(huán)境一致（如室內(nèi)外軟件通信方式、車輛電路控制方式、ATP與DDU連接方式等），采用冗余的通信方式，通過(guò)車載VOBC機(jī)柜內(nèi)部的TRDP板和ATP通信板與車輛DDU連接。

在工作站上搭建模擬駕駛臺(tái)和TCMS仿真系統(tǒng)。模擬駕駛臺(tái)可仿真真實(shí)車輛在線路上運(yùn)行的情況［8］，為DDU界面的信號(hào)顯示信息提供輸入來(lái)源，其界面見(jiàn)圖4。TCMS仿真系統(tǒng)可模擬車輛向信號(hào)系統(tǒng)發(fā)送車輛狀態(tài)信息，以便信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行控制。

圖4 模擬駕駛臺(tái)界面

3.2 測(cè)試用例執(zhí)行

根據(jù)測(cè)試指導(dǎo)書(shū)要求，本次模擬測(cè)試共需執(zhí)行199條測(cè)試用例。其中實(shí)驗(yàn)室可執(zhí)行163條，測(cè)試通過(guò)率為100%；剩余的36條受室內(nèi)測(cè)試環(huán)境無(wú)真實(shí)站臺(tái)門、真實(shí)站臺(tái)按鈕等限制，不具備執(zhí)行條件。通過(guò)分析，該36條測(cè)試用例僅是對(duì)界面顯示不同設(shè)備圖標(biāo)的測(cè)試，對(duì)顯示區(qū)顯示圖標(biāo)的功能驗(yàn)證已由其他測(cè)試用例覆蓋，因此不影響融合方案實(shí)施。

通過(guò)測(cè)試可知，MVB和TRDP通信鏈路均能正常收發(fā)信息并達(dá)到預(yù)期結(jié)果，證明本方案可行，能滿足FAO系統(tǒng)的功能需求。部分測(cè)試用例執(zhí)行情況見(jiàn)表1。

表1 部分測(cè)試用例執(zhí)行情況

4 結(jié)語(yǔ)

從融合方式、故障場(chǎng)景和室內(nèi)模擬驗(yàn)證3方面闡述了信號(hào)與車輛顯示屏融合方案。該方案將信號(hào)數(shù)據(jù)融合至車輛DDU進(jìn)行顯示，提高了駕駛艙的空間利用率，為設(shè)置緊急疏散門提供了可能，為降低運(yùn)營(yíng)成本提供了現(xiàn)實(shí)的幫助［9-10］。目前該方案已完成室內(nèi)仿真測(cè)試，下一階段將在蘇州地鐵6號(hào)線車輛真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，預(yù)計(jì)2024年1月調(diào)試完成并投入使用。