城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)與分析

陳寶軍++湯旻安

摘 要：城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)高度集成的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，主要是利用統(tǒng)一的監(jiān)控層硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)控對(duì)象集中監(jiān)控和管理，系統(tǒng)主要集成電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、門(mén)禁系統(tǒng)（ACS）等子系統(tǒng)。人機(jī)界面（HMI）是運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員與綜合監(jiān)控系統(tǒng)交流的窗口，文章就人機(jī)界面（HMI）的合理布局、菜單項(xiàng)設(shè)計(jì)、按鈕操作等方面進(jìn)行了探討與分析。

關(guān)鍵詞：綜合監(jiān)控；人機(jī)界面；城市軌道交通；監(jiān)控系統(tǒng)

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)工作原理介紹

主要城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成和網(wǎng)絡(luò)通信、信號(hào)、供電、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的操作平臺(tái)和集中監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的基本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，從而實(shí)現(xiàn)信息的交換；在地鐵集中監(jiān)控管理功能的主要電氣設(shè)備，實(shí)施鐵路客運(yùn)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)調(diào)。通過(guò)統(tǒng)一的用戶(hù)界面綜合監(jiān)控系統(tǒng)，操作管理人員可以更方便、更有效的監(jiān)控和管理整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)高效率的地鐵或輕軌運(yùn)營(yíng)。

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級(jí)管理，三級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的控制。兩個(gè)層次的管理是中央和站級(jí)，三級(jí)控制是中央級(jí)，站級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)?；谡w結(jié)構(gòu)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式控制結(jié)構(gòu)，由三層組成：中央級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)層、站級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)層和底層設(shè)備級(jí)分散控制網(wǎng)絡(luò)層。中央級(jí)和站級(jí)通過(guò)通信骨干網(wǎng)連接。電站綜合深度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PSCADA）、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）和訪(fǎng)問(wèn)控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)收音機(jī)界面集成（PA）、閉路電視（CCTV）、抑郁（PSD）、乘客信息（PIS），亞足聯(lián)（AFC）、火災(zāi)報(bào)警（FAS），時(shí)鐘（CLK）分散體系。車(chē)站級(jí)綜合監(jiān)控將集成與互聯(lián)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息采集到車(chē)站級(jí)ISCS，再通過(guò)通信主干網(wǎng)將車(chē)站級(jí)數(shù)據(jù)信息上傳到中央級(jí)控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)的收集和處理監(jiān)測(cè)對(duì)象集中在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)車(chē)站級(jí)上，調(diào)度員工作站等各種終端，大屏幕顯示的派遣員工，圖形，圖像，表格和文字形式為調(diào)度運(yùn)行人員監(jiān)視和控制的工作人員和為。并根據(jù)命令自動(dòng)分配的傳輸模式或系統(tǒng)中的某一邏輯監(jiān)控各現(xiàn)場(chǎng)控制，控制和其他控制點(diǎn)，或由調(diào)度控制命令，從而完成集中監(jiān)控、乘客信息所有的設(shè)備和環(huán)境。本文主要是在綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)人機(jī)界面（HMI）平臺(tái)上的按鈕、菜單布局、報(bào)警等進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

2 人機(jī)界面（HMI）研發(fā)設(shè)計(jì)

2.1 軟件界面介紹

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能向運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員提供一種簡(jiǎn)潔、直觀(guān)的交互式的圖形化界面工具，通過(guò)該工具可以向操作員直觀(guān)地顯示設(shè)備狀態(tài)信息、運(yùn)行信息、故障信息、報(bào)警信息、統(tǒng)計(jì)報(bào)表信息等，同時(shí)，操作員可通過(guò)該人機(jī)界面工具，在操作員工作站上對(duì)遠(yuǎn)程的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、設(shè)置、控制等等。

本次人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)是以綜合監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件平臺(tái)為依托，基于CORBA通信中間件，該中間件采用了軟件業(yè)流行的分布式對(duì)象結(jié)構(gòu)，使各個(gè)軟件模塊“即插即用”。

人機(jī)界面（HMI）圖形軟件包是為實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，運(yùn)用簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的圖形格式編輯器，使得畫(huà)面開(kāi)發(fā)快速完成。可以根據(jù)不同用戶(hù)的喜好和要求，創(chuàng)建圖形化的交互畫(huà)面，而且，所創(chuàng)建畫(huà)面中的對(duì)象可以根據(jù)所接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地變化。

通常而言，用戶(hù)界面代碼都嵌入在應(yīng)用程序的代碼中，如果開(kāi)發(fā)人員需要調(diào)整用戶(hù)界面，就必須對(duì)所有的應(yīng)用程序代碼進(jìn)行重新編譯。而本次開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面將用戶(hù)界面代碼部分與應(yīng)用程序代碼部分完全地分離，從而使得用戶(hù)界面和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)可以同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)而縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

系統(tǒng)所支持的特性主要包括：

強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力和跨平臺(tái)性。該特性使得用戶(hù)可以輕松地集成分布在網(wǎng)絡(luò)上的、多個(gè)不同操作系統(tǒng)上的應(yīng)用，其支持的操作系統(tǒng)有Linux、Unix、Windows XP/2000/NT等；

圖層的可選擇性。該特性使得圖形組件能分置在不同的圖層上，其中，每個(gè)圖層能夠根據(jù)操作員命令、縮放程度以及數(shù)據(jù)庫(kù)的改變而隱藏或顯示。這種方式也使得操作員在使用或操作圖形界面時(shí)，可以盡可能少地點(diǎn)擊用戶(hù)界面；

圖符庫(kù)的自定義性。允許用兼容且經(jīng)檢驗(yàn)的圖形對(duì)象來(lái)進(jìn)行圖元的開(kāi)發(fā)；

畫(huà)面縮放、漫游、逐層消隱和多窗口等功能特性；

系統(tǒng)工具包是由多個(gè)組件組成的，主要的組件有圖形編輯器、運(yùn)行環(huán)境、應(yīng)用編程接口（API）等。

2.2 圖形界面建模

模型是一種對(duì)事物進(jìn)行理解的抽象概念，是對(duì)事物的理解，是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。建模是適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾的真正的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員使用適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)規(guī)則來(lái)描述一個(gè)簡(jiǎn)單的模型。通過(guò)該模型，人們可以了解學(xué)習(xí)的本質(zhì)，人們很容易分析和處理它。UML（統(tǒng)一建模語(yǔ)言）是一種通用的建模語(yǔ)言，它得到了廣泛的支持，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，并成為標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言。

為了提高軟件開(kāi)發(fā)人員在實(shí)踐中的軟件維護(hù)和可重用性的穩(wěn)定性，逐步創(chuàng)建了一種新的軟件建模方法（建模技術(shù)，面向?qū)ο蠼７椒ǎ嫦驅(qū)ο蠓椒ǎ?。OMT是一種面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)方法。該方法用于模擬實(shí)際應(yīng)用。該模型用于構(gòu)建獨(dú)立于編程語(yǔ)言的設(shè)計(jì)。面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)的分析和設(shè)計(jì)，以及一套面向?qū)ο蟮膱D形符號(hào)概念，編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)，統(tǒng)一軟件開(kāi)發(fā)人員在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的分析，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這樣，軟件開(kāi)發(fā)人員不需要使用其他方法，需要在每個(gè)階段的階段將開(kāi)發(fā)階段的符號(hào)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)符號(hào)。OTM三個(gè)模型描述一個(gè)系統(tǒng)，三個(gè)模型：對(duì)象模型，動(dòng)態(tài)模型和功能模型。這三個(gè)模型分別從不同的，但與模擬系統(tǒng)密切相關(guān)，分別從不同方面對(duì)系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行了全面反映目標(biāo)系統(tǒng)的要求。對(duì)于任何復(fù)雜的系統(tǒng)，這三個(gè)模型是必要的。無(wú)論如何，對(duì)象模型是最重要的，最基本的，核心。

2.3 圖形界面設(shè)計(jì)

圖形界面用于設(shè)置圖片、圖表、變量、腳本、數(shù)據(jù)源對(duì)象的各種參數(shù)設(shè)置下的目標(biāo)用戶(hù)和系統(tǒng)級(jí)的參數(shù)，包括添加、刪除、修改、插入等操作基本的圖形編輯部分，包括移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)和圖形的組合。在類(lèi)中的窗口、圖元、數(shù)據(jù)源和用戶(hù)對(duì)象作為記錄類(lèi)型，并根據(jù)指定的格式對(duì)內(nèi)存中的配置文件有一些消息。圖形界面設(shè)計(jì)是通過(guò)每個(gè)子系統(tǒng)的圖形顯示屏幕來(lái)顯示各子系統(tǒng)的控制畫(huà)面。這幅畫(huà)主要是由三個(gè)簡(jiǎn)單的物體組成的：線(xiàn)（直線(xiàn)，曲線(xiàn)，直線(xiàn)，圓弧，封閉圖形圓、橢圓、多邊形、扇形、矩形）和文本。每個(gè)基本圖形都充滿(mǎn)了顏色、高度、寬度和位置的線(xiàn)條和數(shù)據(jù)包的傳輸特性，封閉的圖形自己。這些屬性分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屬性是基于價(jià)值的表達(dá)變化和實(shí)時(shí)變化是根據(jù)狀態(tài)配置畫(huà)工業(yè)場(chǎng)人臉動(dòng)畫(huà)圖像。

此外，人機(jī)界面還應(yīng)當(dāng)報(bào)告通知和響應(yīng)功能，配置報(bào)告打印，歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，趨勢(shì)顯示等功能。報(bào)警報(bào)告和趨勢(shì)顯示，變量是動(dòng)畫(huà)對(duì)象，其數(shù)據(jù)源由配置指定。這樣，每個(gè)子系統(tǒng)的圖片可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活配置。為了擴(kuò)展HMI配置功能，還提供了各種腳本語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活配置，腳本語(yǔ)言可以通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行編程，對(duì)象密切相關(guān)。例如，當(dāng)您按下按鈕時(shí)，可以執(zhí)行特定的程序來(lái)執(zhí)行特定的控制任務(wù)。

控制模塊是基于邏輯控制單元，它是監(jiān)控軟件的重要組成部分，雖然腳本語(yǔ)言程序可以完成控制功能，但它不是很直觀(guān)，編程語(yǔ)言自動(dòng)化學(xué)工程師使用梯子或其他標(biāo)準(zhǔn)的習(xí)慣，非常方便，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參考軟件組件的配置和組態(tài)軟件的監(jiān)控功能，目前提供策略編輯器/基于IEC的標(biāo)準(zhǔn)生成組件，它是面向?qū)ο蟮模粌H造成的，可循環(huán)的執(zhí)行順序是在PLC階梯一樣?？刂乒δ苣K在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)中有著輝煌的未來(lái)，可以大大降低成本。

（1）圖元數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)集成監(jiān)控系統(tǒng)的城市軌道交通量主要包括四種類(lèi)型：遠(yuǎn)程控制體積（DO）、遙調(diào)量（AO），遙測(cè)（AI），遠(yuǎn)程信號(hào)（DI），使用四個(gè)數(shù)據(jù)，可以反映設(shè)備子系統(tǒng)的狀態(tài)，報(bào)警，溫度，濕度，流量，壓力等信息。遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，有必要設(shè)計(jì)一些防止誤用的保護(hù)措施。這些保護(hù)措施包括：控制鎖設(shè)計(jì)條件，設(shè)置保持時(shí)間控制，確定控制失效時(shí)間。

為了便于操作和維修人員查看、記錄和子系統(tǒng)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成之間的差異，對(duì)報(bào)警子系統(tǒng)生成一組不同數(shù)據(jù)量的四，數(shù)據(jù)報(bào)警信息屬于特定組的報(bào)警量。根據(jù)不同的子系統(tǒng)定義不同的報(bào)警組，如“環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)”，“平臺(tái)門(mén)報(bào)警組”，“火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)”，“中國(guó)中央電視臺(tái)”等。同時(shí)，還可以增加重要設(shè)備的數(shù)量，如“事故風(fēng)扇報(bào)警組”，“冷卻器報(bào)警組”等，以方便報(bào)警過(guò)濾器查找。通過(guò)使用預(yù)警系統(tǒng)，我們可以建立整個(gè)報(bào)警和保護(hù)系統(tǒng)。

（2）圖形畫(huà)面

圖形屏幕是人機(jī)界面的基礎(chǔ)和核心，每個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可以直接通過(guò)圖形界面進(jìn)行監(jiān)控。要建立功能的屏幕，操作和維護(hù)人員通過(guò)圖形圖像可以非常直觀(guān)的操作，在固定區(qū)域的界面上顯示軌道交通控制和標(biāo)志圖標(biāo)。

在圖形圖像中，建立了人機(jī)界面導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，使得操作者可以容易地瀏覽集成和互連子系統(tǒng)的圖像。導(dǎo)航結(jié)構(gòu)可以使用反向樹(shù)結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)航樹(shù)所示，以?xún)蓚€(gè)步驟訪(fǎng)問(wèn)監(jiān)視器屏幕。第一步，選擇需要查看的子系統(tǒng)，如“火災(zāi)報(bào)警”；第二步，選擇子系統(tǒng)屏幕的具體功能，如“車(chē)站層”等。

在屏幕上的圖形中，您應(yīng)該創(chuàng)建“首選項(xiàng)”，“趨勢(shì)”和“報(bào)告”和“報(bào)警”事件。瀏覽“瀏覽”和“密碼”，如圖片條目，可以使用下拉菜單或按鈕。在圖形設(shè)計(jì)完成后，還需要人機(jī)界面（如報(bào)警屏幕，事件屏幕，趨勢(shì)曲線(xiàn)和報(bào)告）的特殊功能和子系統(tǒng)（大屏幕系統(tǒng)，小系統(tǒng)，如環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)）。人機(jī)界面系統(tǒng)是用C++和Qt界面庫(kù)開(kāi)發(fā)的，它可以運(yùn)行在Unix，Linux和Windows操作系統(tǒng)。眾所周知，Unix平臺(tái)的高效和穩(wěn)定，這對(duì)計(jì)算機(jī)病毒的影響小，安全系數(shù)高，成本高，使用方便，成本低，安全性低，但是PC使用方便。

使用Qt創(chuàng)建用戶(hù)界面包含了基本的用戶(hù)界面元素可以分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示對(duì)象。動(dòng)態(tài)顯示對(duì)象包含了輸入輸出域（部分）域（writekey）、數(shù)據(jù)表（dobjs），數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)表和圖形表達(dá)域，從動(dòng)畫(huà)、靜態(tài)顯示對(duì)象和用戶(hù)終端交互中完成對(duì)報(bào)警和事件數(shù)據(jù)傳輸和處理命令的處理。如框、行、文本、位圖等都是靜態(tài)的顯示對(duì)象，創(chuàng)建這些對(duì)象時(shí)，這些對(duì)象不影響用戶(hù)的輸入、命令和事件，只是固定在一個(gè)位置上，顯示圖形。這些靜態(tài)對(duì)象只能被一個(gè)特定的事件激活，并可以顯示動(dòng)畫(huà)效果，如：圖形顏色的變化和閃爍，圖形的變化和位移的外觀(guān)等。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，從綜合監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行原理，人機(jī)界面的畫(huà)面顯示、人機(jī)界面的軟件模型建立、圖元、圖形畫(huà)面等多個(gè)方面對(duì)人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員通過(guò)綜合監(jiān)控人機(jī)界面可以對(duì)集成和互聯(lián)的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，進(jìn)一步的提高了軌道交通的自動(dòng)化運(yùn)行水平，為乘客提供一個(gè)更加舒適的乘車(chē)環(huán)境。

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