地鐵列車車載監(jiān)控顯示系統(tǒng)的仿真研究

李明智 錢雪軍

（同濟大學電氣工程系，200092，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)的運營管理越來越注重對乘客的服務質(zhì)量，讓乘客不但“走得了”，還要“走得好”。所以，在軌道交通的建設中，安全性與便捷性是重中之重，乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，簡為PIS）也因此越來越受到重視。列車車載PIS是集引導、廣告、資訊、設備監(jiān)控和客流監(jiān)控為一體的綜合性系統(tǒng)，它的應用使乘客的出行更加方便快捷。

地鐵列車監(jiān)控顯示系統(tǒng)（Monitor Display System，簡為 MDS）則是PIS的重要組成部分。MDS在列車正常行駛情況下提供自動發(fā)布通知并對車廂進行視頻監(jiān)控等服務，在緊急狀況下還能實現(xiàn)乘客向駕駛員緊急報警通話，達到讓駕駛員對車廂情況和危險現(xiàn)場有第一手的了解。對MDS的仿真研究，可以完善駕駛仿真系統(tǒng)的功能，進而使駕駛員熟練掌握對MDS的操作，提高其應對駕駛中突發(fā)事件的處理能力。

1 MDS概述

MDS是車載PIS的重要子系統(tǒng)，是與列車駕駛員的人機交互部分，是實現(xiàn)PIS系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)傳輸、功能執(zhí)行的重要組成部分。列車監(jiān)控顯示技術(shù)是多種技術(shù)的融合，是在自動化技術(shù)不斷發(fā)展、自動化程度不斷提高的要求下發(fā)展起來的。

1.1 車載PIS的組成

PIS是運用網(wǎng)絡技術(shù)與多媒體技術(shù)進行信息多樣化顯示的系統(tǒng)，它通過控制中心、廣告編輯中心、車站控制等系統(tǒng)，對所需信息實時編輯、制作、傳遞，并通過車站或車上等離子或液晶顯示器，為地鐵乘客及地鐵員工提供以運營信息為主、商業(yè)廣告為副的多媒體綜合信息顯示。PIS從結(jié)構(gòu)上可以分為中心控制系統(tǒng)、車站系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)。車載PIS主要包括以下幾個部分：

1）司機室監(jiān)控顯示屏，主要用于接收和顯示視頻信息及輸出控制指令。

2）系統(tǒng)主機，主要用來存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括列車行駛線路數(shù)據(jù)、一些音頻視頻數(shù)據(jù)、車載監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)、各類系統(tǒng)控制指令，以及管理系統(tǒng)內(nèi)的所有功能設備，并執(zhí)行與其他設備相互通信的功能。

3）外圍設備，包括監(jiān)控攝像頭、對講機和交換機等設備，主要用于畫面捕捉、對講通話等功能。車載PIS系統(tǒng)在DT車（帶受電弓拖車）內(nèi)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DT車體PIS結(jié)構(gòu)圖

1.2 MDS實現(xiàn)功能

MDS監(jiān)控顯示存在于每個駕駛室中，并且不同行駛方向的列車受到不同MDS的監(jiān)控，但同一行駛列車的兩個駕駛室中MDS顯示的操作功能應同時完全可用。因此，根據(jù)實際列車運行時各種情況，MDS實現(xiàn)的主要功能如下：

1）自動播報監(jiān)控。為操作人員列出所有站點信息，操作人員可以選擇或者取消某一站點的運行信息。

2）預設信息發(fā)布。操作人員有選擇地為乘客播放或顯示預定義的音頻或者文本文件。

3）視頻監(jiān)控。通過設置在主要車廂中的攝像頭，監(jiān)控車廂環(huán)境及乘客安全。

4）語言選擇。MDS的操作環(huán)境應該支持不同語言的使用。

5）緊急報警電話管理。當車廂中緊急情況發(fā)生時，允許乘客通過設置在車廂中的緊急通話設備與操作人員通話。操作人員可以同時處理多路通話，并從中了解緊急情況。

6）系統(tǒng)配置。操作人員可以通過此項設置來改變車廂內(nèi)的廣播或音樂的可用度，或者調(diào)解音量大小。

7）自檢。使操作人員對與MDS相連的設備進行檢測，測試其的使用狀態(tài)。

2 MDS系統(tǒng)環(huán)境的搭建

本文研究的主要對象是應用于印度孟買地鐵1號線列車駕駛仿真系統(tǒng)上的MDS，因此圍繞對方的技術(shù)要求和指標，在硬件和軟件上做以下研究。

2.1 硬件平臺的選擇

MDS的人機交互顯示屏是一個可觸摸的擁有嵌入式操作系統(tǒng)的設備。為支持操作按鈕的信號輸入輸出，以及系統(tǒng)平臺上軟件的良好運行，系統(tǒng)采用IEI公司的eKINO－945GSE主板，CPU型號為Intel公司的 AtomN270，主頻為1.60GHz，一個533MHz前端總線和512KB的高速緩存，內(nèi)存512MB，10PIN的數(shù)字輸入輸出接口（Digital Input／Output，簡為DIO），并采用PenMount公司的9000系列觸摸屏等硬件配置。

2.2 操作系統(tǒng)的構(gòu)建

對于嵌入式設備，操作系統(tǒng)的選擇尤為重要。操作系統(tǒng)不僅關(guān)系到硬件與上層驅(qū)動之間的通信，而且它還是應用程序的承載平臺，對系統(tǒng)的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。

本MDS采用 Windows CE 6.0嵌入式技術(shù)進行系統(tǒng)平臺的開發(fā)。Windows CE 6.0相對于Linux系統(tǒng)而言是高度模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)；Windows CE支持在多種不同的CPU硬件平臺上運行，包括x86、MIPS、SuperH、ARM 等嵌入式領(lǐng)域主流的CPU結(jié)構(gòu)。Windows CE有著穩(wěn)健的實時性和安全性的支持。

運用微軟強大的開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2005 Platform Builder for Windows Embedded CE6.0來開發(fā)Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)。這樣不僅可以快速生成操作平臺，而且可以通過從平臺導出的SDK來方便地開發(fā)能夠運行在目標設備上的應用程序。利用Windows CE提供的模板，可以快速地定制操作系統(tǒng)工程。

2.2.1 精簡并生成支持MFC的系統(tǒng)鏡像文件

在選擇適當?shù)脑O計模板創(chuàng)建成功操作系統(tǒng)工程之后，就是生成能夠運行于嵌入式仿真平臺的系統(tǒng)鏡像文件NK.bin并盡量使其精簡。

嵌入式設備的特點是可使用的存儲資源比臺式機來說少很多。因此，定制嵌入式系統(tǒng)采取的方法是盡量精簡內(nèi)核鏡像文件的大小，只添加需要的組件功能。而定制中文系統(tǒng)時，內(nèi)核鏡像文件相對英文系統(tǒng)大10MB左右，而且在啟動時將內(nèi)核鏡像文件復制到內(nèi)存中花的時間較長，同時占用較多的內(nèi)存。因此，對內(nèi)核鏡像文件的精簡，主要是在中文字體及其字庫的減少上。其核心思想是將默認選擇的中文字體SimSun ＆ NSimSun（SYSGEN＿FONTS＿SIMSUN）替換成SimSun 2.5版本，這樣既能滿足要求又能縮小文件體積；而后將字體庫保存到外部存儲器來減少內(nèi)核鏡像的大小。

因為微軟公司消弱了MFC架構(gòu)在應用軟件中的使用，但現(xiàn)實市場中大量應用程序都是由MFC構(gòu)建的，所以，在 Windows CE 6.0上需要添加對MFC應用程序的支持。其方法是：將VisualStudio 2005安裝環(huán)境下的MFC框架動態(tài)支持庫文件添加到BSP安裝目錄下的平臺文件夾Platform中，并在注冊表中寫入，然后選擇相應的組件和Build Options選項，點擊Build，便生成了系統(tǒng)鏡像文件NK.bin。

2.2.2 生成軟件開發(fā)工具包

生成鏡像文件之后，MDS的顯示屏就可以加載鏡像文件，運行Windows CE操作系統(tǒng)了。下一步就是在這基礎上開發(fā)運行于Windows CE上的仿真應用程序。但在這之前，要生成適用于開發(fā)此環(huán)境應用程序的軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，簡為SDK）。

在Solution Explorer窗口中的SDKs文件夾中選擇Add new SDK選項，然后Build此SDK就生成了后綴為msi的文件。運行此文件，就可以在Visual Studio 2005IDE下開發(fā)適用于此硬件環(huán)境的應用程序了。

3 MDS應用程序的開發(fā)

本文主要是對印度孟買地鐵1號線列車車載MDS的仿真研究，所以，應用程序的開發(fā)過程實際上也是滿足和擴展列車MDS的現(xiàn)實功能的過程，如自動播報監(jiān)控、預設信息發(fā)布、視頻監(jiān)控和緊急報警電話管理等功能的實現(xiàn)，而在開發(fā)應用程序過程中，軟硬件結(jié)合實現(xiàn)鍵盤操控和OpenSceneGraph（OSG）實現(xiàn)視頻監(jiān)控仿真是重點也是難點。

3.1 實現(xiàn)鍵盤操作

為了使孟買1號線的MDS人機界面的物理鍵盤實現(xiàn)不同的控制，運用eKINO－945GSE主板上的DIO的10個針腳對其進行管理。除了其中12V電源和接地的針腳外，一般情況下，它可以控制4路輸出電平和4路輸入電平；而在特殊情況下，也可將8個針腳全部設置成輸入或者輸出。因此，DIO完全可以對此MDS進行鍵盤管理。

想要使應用程序?qū)︽I盤的狀態(tài)進行讀取和控制并反映在屏幕上，只需要利用上文生成的SDK建立應用程序工程，并在工程中添加智能系統(tǒng)管理模塊（Intelligent System Management Module，簡 為ISMM）庫文件，利用其中的DIO＿GetConfig（），DIO＿GetInput（），DIO＿GetOutput（）函數(shù)便可達到讀取和控制針腳狀態(tài)的目的。其效果如圖2。

3.2 OSG實現(xiàn)視頻監(jiān)控仿真

OSG是一個跨平臺的C＋＋庫，它是基于OpenGL的開放源代碼，用于實現(xiàn)視景仿真、虛擬現(xiàn)實、圖形特效、可視化計算等方面的研究。該技術(shù)主要由兩大部分組成：一部分是場景的組織、管理和遍歷技術(shù)；另一部分是對場景的渲染技術(shù)，以及不可見的剔除和場景模型的連續(xù)層次細節(jié)的實現(xiàn)。對于MDS中視頻監(jiān)控的仿真，關(guān)鍵點在于虛擬人的管理和視圖位置的選擇。

圖2 MDS人機界面顯示效果圖

3.2.1 虛擬人的管理

虛擬人的管理應該包括虛擬人幾何模型的創(chuàng)建和運動的控制兩個部分。運用 Multi－Paradigm公司的建模軟件Creator建立虛擬人模型，而要控制的虛擬人的關(guān)節(jié)都具有一定的自由度，因此需要把每個關(guān)節(jié)點都設為DOF節(jié)點。

虛擬人的控制，則通過利用OSG新建findNodeVistor類來訪問虛擬人模型中DOF節(jié)點，并在OnInitialUpdate函數(shù)中讀取.osg文件；然后通過構(gòu)造類findNodeVistor的對象獲取虛擬人的每一部分，在虛擬人運動控制技術(shù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎上使用參數(shù)化插值方法實現(xiàn)虛擬人的不同運動函數(shù)，來達到模擬列車運行環(huán)境下車廂中人物的運動。

3.2.2 視圖位置的選擇

世界坐標系中的虛擬人需經(jīng)過一系列幾何變化（包括平移、旋轉(zhuǎn)等）：為了使顯示的虛擬人能以合適的位置、大小和方向顯示出來，必須要通過投影；然后定義一個三維視景體，對虛擬人進行裁剪只使投影在視景體內(nèi)的部分顯示出來。下一步在屏幕窗口內(nèi)定義一個矩形，稱為視口（Viewport）。視景投影后的圖形就在視口內(nèi)顯示。最后做一些適當變換，使圖形在屏幕坐標系下顯示。通過以上視圖位置的選擇，模擬了車廂監(jiān)控攝像頭的拍攝畫面，實現(xiàn)了對視頻監(jiān)控功能的仿真。實現(xiàn)后的效果圖如圖3。

圖3 監(jiān)控顯示仿真效果圖

4 結(jié)語

地鐵列車車載MDS系統(tǒng)的鍵盤操作實現(xiàn)及視頻監(jiān)控功能的仿真模擬，可以使列車駕駛仿真系統(tǒng)功能不僅具備實際需要的功能，而且還能提供虛擬的監(jiān)控畫面，使虛擬環(huán)境更加逼真，對提高受訓學員掌握MDS系統(tǒng)操作以及處理緊急報警事件能力有明顯的現(xiàn)實意義。

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