基于MCGS的地鐵培訓(xùn)模擬裝置列車監(jiān)控器的設(shè)計

張春光，姚 旺，薄 樂

（大連交通大學(xué)，遼寧 大連1160280）

隨著社會的進步，城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)取得長足的進步，機車車輛數(shù)量也進一步遞增，同時對機車司機的需求也大大增加。由于初期的培訓(xùn)方式單一，司機要將傳統(tǒng)教學(xué)中所學(xué)的知識應(yīng)用于實踐是非常困難的，所以司機在上崗后經(jīng)常因為操作不當(dāng)引發(fā)事故。為了確保機車行駛安全，使駕駛員培訓(xùn)高效、準(zhǔn)確和快速地學(xué)習(xí)到駕駛技能，利用組態(tài)軟件MCGS成本低、靈活多樣、形象直觀的優(yōu)點來完成機車模擬運行過程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、處理和控制，設(shè)計了地鐵培訓(xùn)模擬裝置列車監(jiān)控顯示器。利用地鐵培訓(xùn)模擬裝置列車監(jiān)控顯示器可以把列車模擬運行中的各類數(shù)據(jù)傳送到司機操作臺，駕駛員可以實時掌握各機車設(shè)備的工作狀態(tài)，從而減少手動操作的復(fù)雜性。利用MCGS嵌入式平臺完成機車模擬運行過程中車門、牽引系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)等信息的組態(tài)顯示設(shè)計，駕駛員通過顯示器觸屏操作查詢相關(guān)信息，完成對機車的監(jiān)控和控制，完成各項任務(wù)，保證機車車輛的安全運行。

1 MCGS軟件介紹

MCGS嵌入式系統(tǒng)是一種專門應(yīng)用于嵌入式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。MCGS嵌入式版本分為配置環(huán)境與運行環(huán)境結(jié)構(gòu)這兩個部分。它可以在基于Microsoft運行在32位Windows平臺上運行。在自動化領(lǐng)域，MCGS組態(tài)軟件有著廣泛的應(yīng)用。

此外，MCGS的嵌入式版本為方便用戶調(diào)試配置還具有用于模擬項目運行的模擬環(huán)境，?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)以進行處理，用戶通過報警處理、過程控制、動畫顯示、報表輸出等多種方式對前端采集的數(shù)據(jù)進行處理。MCGS嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別是：配置環(huán)境、仿真運行環(huán)境和運行環(huán)境組成。配置環(huán)境和仿真運行環(huán)境相互配合，組成了一套完整的可以在PC機上運行的工具軟件，MCGS組態(tài)軟件的工作臺組成如如圖1所示。

圖1 MCGS系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

使用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計的列車監(jiān)控顯示器可以利用豐富生動的多媒體圖片，通過運行事先編譯好的MCGS仿真程序，通過圖形動畫來顯示機車各部分的運行狀態(tài)，通過顯示器來觀察控制過程與結(jié)果，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 列車監(jiān)控顯示器的設(shè)計

列車監(jiān)控顯示器是整個模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的重要組成部分，主要利用組態(tài)軟件MCGS進行機車模擬運行過程中各機車設(shè)備運行狀態(tài)的顯示，使駕駛員實時了解機車運行狀況。整個顯示單元主要包括以下幾部分：顯示界面的設(shè)計、運行策咯、數(shù)據(jù)配置、運行和調(diào)試。

3.1 顯示界面設(shè)計

利用MCGS豐富的圖元資源運用于機車駕駛員培訓(xùn)，可以通過電腦動畫顯示反映機車運行狀態(tài)，使整個培訓(xùn)過程具有真是性、直觀性和生動性。

（1）仿真畫面。為了能夠更加生動形象地表示機車模擬運行過程，監(jiān)控界面需要通過平面或立體圖形來反映各機車設(shè)備運行狀態(tài)。在組態(tài)軟件MCGS中的用戶窗口進行顯示界面的制作。圖3為機車監(jiān)控顯示的仿真畫面。

圖3 司機顯示單元主要界面

（2）組建數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫的組建是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，仿真界面中的各個單元模塊的動態(tài)顯示、動畫過程、運行策略，以及對操作者操作指令的應(yīng)答都需要以實時數(shù)據(jù)庫作為中間環(huán)節(jié)來進行。所以，上位機與下位機之間通過實時數(shù)據(jù)庫進行聯(lián)系。在組態(tài)軟件中建立一個工程，在導(dǎo)航器的實時數(shù)據(jù)庫中根據(jù)單元各部分輸入輸出狀態(tài)顯示建立對應(yīng)變量如表1（部分），每個變量定義專屬的名稱，確定變量類型，并把定義的變量連接到已經(jīng)定義好的外部設(shè)備上，就可以在利用在組態(tài)軟件MCGS上編譯好的仿真系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換了。

表1 數(shù)據(jù)對象定義表（部分）

（3）數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象是對象的一個重要組成部分，作為一個整體，由實時數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。對象的屬性包括基本屬性、存盤屬性和報警屬性?；緦傩詣t包含對象的名稱、類型、初值、界限（最大最小）值、工程單位和對象內(nèi)容注釋等項內(nèi)容。

（4）動畫連接。顯示界面設(shè)計完成后，還需要動態(tài)顯示每個顯示單元的變化過程，所以需要對顯示單元的圖像進行動畫設(shè)計，生動形象的展示被控對象的變化過程，達到對被控對象實時監(jiān)控的目的。在組態(tài)軟件MCGS中通過把用戶窗口中的各個模塊與實時數(shù)據(jù)庫中的預(yù)先建立好的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性連接，并設(shè)置數(shù)據(jù)變換時相對應(yīng)的圖元變換。在系統(tǒng)模擬運行過程中，圖形的變化和狀態(tài)能夠直接地反映其對應(yīng)的實時數(shù)據(jù)的變換和狀態(tài)，從而實現(xiàn)了顯示界面動態(tài)監(jiān)測的目的，動畫連接窗口如圖4所示。

圖4 動畫鏈接設(shè)計窗口

（5）報警顯示。報警屬性是數(shù)據(jù)對象的基本屬性，是數(shù)據(jù)對象的組成部分，由實時數(shù)據(jù)庫自動進行處理。當(dāng)數(shù)據(jù)對象的值發(fā)生改變時，實時數(shù)據(jù)庫判斷對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象的改變是否構(gòu)成報警或消除已有報警，進行下一步處理。

（6）報表顯示。監(jiān)控系統(tǒng)需要對設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，然后對符合條件的數(shù)據(jù)進行存儲，并根據(jù)實際情況輸出數(shù)據(jù)報表。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)報表分為三部分：

a．實時故障報表：實時報表是對實時采集數(shù)據(jù)的反映，通常用于將實時數(shù)據(jù)變量按設(shè)定的報告格式（用戶組態(tài)）顯示出來。實時報表可以通過組態(tài)軟件MCGS系統(tǒng)的自由表格構(gòu)件來組態(tài)顯示。

b．歷史故障報表：歷史報表通常是對一段時間內(nèi)實時報表的匯總，并以一定的格式顯示歷史數(shù)據(jù)，有利于后期對歷史信息的查看，其構(gòu)建方式與實時故障報表相同。

c．維修人員登錄報表：制作方式與事實故障報表相同，主要用來記錄登錄系統(tǒng)的人員信息。

3.2 運行策略

運行策略是用戶為實現(xiàn)對系統(tǒng)流程自動運行而組態(tài)生成的一系列功能模塊的總稱。組態(tài)軟件MCGS為用戶提供了進行策略組態(tài)的專用窗口和工具箱，如圖5所示。建立運行策略，使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的條件和相應(yīng)的順序，通過實時數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)的變化，控制用戶窗口和系統(tǒng)中各個模塊的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)工作過程精確控制及有序調(diào)度管理的目的。通過MCGS組態(tài)軟件，用戶可以利用簡單的策略組態(tài)就可以完成大多數(shù)復(fù)雜工程項目的監(jiān)控軟件。

3.3 通訊設(shè)計

如圖6，在工作臺的“設(shè)備窗口”頁中，通過添加設(shè)備工具箱內(nèi)自帶的軟件或預(yù)先定制的相關(guān)設(shè)備構(gòu)件對下位機進行配置，才能與下位機進行連接。MCGS組態(tài)軟件的設(shè)備構(gòu)件需不斷增加，使組態(tài)軟件能夠連接更多的硬件設(shè)備。設(shè)備構(gòu)件是組態(tài)軟件MCGS系統(tǒng)對外部設(shè)備進行實時監(jiān)控的中間媒介，把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與監(jiān)控對象進行連接，進行數(shù)據(jù)交換，達到對監(jiān)控對象的實時監(jiān)測與控制的目的。

圖5 運行策略組態(tài)

圖6 設(shè)備工具箱與設(shè)備組態(tài)窗口

3.4 運行和調(diào)試

工程建立完成后，進入運行和調(diào)試階段。此階段主要分為兩個部分：模擬運行和連機運行。

（1）模擬運行：通過組態(tài)軟件MCGS自帶的模擬運行環(huán)境可以進行模擬狀態(tài)的仿真，主要觀察不同用戶窗口之間的切換和動畫的顯示是否符合預(yù)期效果，符合教學(xué)的目的。

（2）連機運行：通過TCP／IP的方式進行連機運行，通過上位機與下位機之間通信，運用Modsim32仿真軟件發(fā)送指令，模擬機車在運行過程中出現(xiàn)的故障，增加模擬培訓(xùn)設(shè)備的真實性，達到培訓(xùn)的目的。

4 結(jié) 論

基于組態(tài)軟件MCGS的機車模擬培訓(xùn)司機顯示單元的設(shè)計充分利用了組態(tài)軟件MCGS的強大的數(shù)據(jù)處理能力、圖元轉(zhuǎn)換能力和抗干擾能力，是機車司機培訓(xùn)的一種進步與創(chuàng)新，解決了以往培訓(xùn)形式單一的缺點?；诮M態(tài)軟件MCGS的機車模擬培訓(xùn)司機顯示單元的優(yōu)點在于：仿真過程簡單易懂、仿真環(huán)境接近于真實狀態(tài)、仿真設(shè)備簡單、仿真現(xiàn)象直觀，使培訓(xùn)過程生動形象，提高學(xué)習(xí)者的興趣，使學(xué)習(xí)者對于機車的操作流程更加熟悉的掌握，保證了機車的安全駕駛。