多系統(tǒng)融合列車顯示屏的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

杜苗苗，任富爭，杜 飛

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心, 河北唐山 063035)

隨著城市建設(shè)步伐的加快，軌道交通也得到了快速發(fā)展，對于列車性能、資源利用以及成本控制有了更高的要求，為了滿足這些需求，對于列車的設(shè)計更加智能化。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為列車控制的核心，對于列車系統(tǒng)有著十分重要的作用，人機(jī)交互接口單元作為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的重要組成部分，簡稱HMI，為了節(jié)省空間和資源，簡化操作，特將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)顯示屏與乘客信息系統(tǒng)顯示屏融合為一體。

多系統(tǒng)融合列車顯示屏具有監(jiān)視和控制系統(tǒng)信息的作用，可提供車輛狀態(tài)信息、故障信息、故障安全措施提示等功能，同時根據(jù)攝像機(jī)的相關(guān)協(xié)議，實(shí)時調(diào)取乘客信息系統(tǒng)(簡稱PIS系統(tǒng))攝像機(jī)的監(jiān)控畫面，另外根據(jù)界面操作可調(diào)取硬盤錄像機(jī)的存儲視頻進(jìn)行視頻回放，司機(jī)和維護(hù)人員也可在HMI上進(jìn)行內(nèi)部照明、空調(diào)操作以及自檢測試等功能。

多系統(tǒng)融合列車顯示屏的設(shè)計[1]風(fēng)格獨(dú)特，界面美觀，操作簡單，大大提升了空間和資源的利用率，對于列車行車安全及性能提升有著十分重要的意義。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 硬件配置

基于多系統(tǒng)融合的需求上，特采用尺寸17.3寸的顯示屏，分辨率達(dá)到了1 920×1 080，色彩鮮明，操作流暢，反應(yīng)靈敏，其主頻為1.4 GHz，內(nèi)存為2 G，具有2路以太網(wǎng)，1路USB，1路RS232通訊接口，軟件平臺為Linux操作系統(tǒng)，五線電阻式觸摸屏。

1.2 開發(fā)環(huán)境

HMI軟件開發(fā)基于Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)工具使用Qt Creator跨平臺的圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，采用C++軟件編程語言[2]，它是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾拇a生成擴(kuò)展以及一些宏，易于擴(kuò)展，允許組件編程。

1.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

本列車設(shè)計有5輛編組，2輛動車，1輛拖車，2輛懸浮車，列車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過Modbus以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信，各子系統(tǒng)間通過MVB網(wǎng)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

Mc-動車模塊；F-懸浮模塊；Tp-拖車模塊；VCU-列車中央控制單元；HMI-人機(jī)接口單元；RIOM-數(shù)字輸入輸出模塊；TCU-牽引控制單元；ACU-輔助控制單元；EDCU-門控制單元；HVAC-空調(diào)控制單元；PIS-乘客信息系統(tǒng)；FAS-火災(zāi)報警系統(tǒng)；ESW-網(wǎng)關(guān)。圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 人機(jī)交互界面設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 開發(fā)框架

多系統(tǒng)融合列車人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)主要包括界面功能、視頻功能、數(shù)據(jù)通訊以及故障診斷，軟件開發(fā)框架如圖2所示。

圖2 多系統(tǒng)融合列車顯示屏軟件開發(fā)框架

文中多系統(tǒng)融合列車顯示屏不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)顯示屏，另外集成了PIS系統(tǒng)的視頻功能，該功能包括實(shí)時監(jiān)控和視頻回放，都是通過獨(dú)立的以太網(wǎng)線同PIS系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.2 界面實(shí)現(xiàn)

根據(jù)多系統(tǒng)融合列車顯示屏本身的特點(diǎn)，增加視頻顯示功能，在界面層級上采用兩級界面切換，主要包括司機(jī)模式和維護(hù)模式，方便司機(jī)及維護(hù)人員更快捷的查找目標(biāo)信息，以主界面為例，設(shè)計HMI列車運(yùn)行狀態(tài)主界面如圖3所示。

圖3 運(yùn)行狀態(tài)界面

在主運(yùn)行界面，顯示具體內(nèi)容如下：

①司機(jī)室兩側(cè)后置攝像頭監(jiān)控信息；

②以文本形式顯示的運(yùn)行模式、工況、牽引力、制動力、限速、故障信息；

③以圖標(biāo)形式顯示受電弓升弓、降弓、主斷路器閉合、斷開、封鎖狀態(tài)；

圖4 視頻顯示界面

④以圖標(biāo)形式顯示牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、充電機(jī)和空壓機(jī)等；

⑤以圖標(biāo)形式顯示門狀態(tài)、火警狀態(tài)；

⑥以圖標(biāo)形式顯示列車行駛方向、司機(jī)占用端。

在HMI上輪巡顯示各攝像頭的圖像(切換時間可調(diào))，司機(jī)可通過HMI屏隨時調(diào)看本列車的任意一個攝像機(jī)圖像，并且最多可進(jìn)行12分屏的視頻顯示，可以使司機(jī)更好地實(shí)時觀察列車各車廂的狀態(tài)。除此之外，當(dāng)列車發(fā)生乘客緊急報警時，HMI可聯(lián)動顯示相關(guān)報警攝像機(jī)畫面，迅速使司機(jī)查看現(xiàn)場情況，以便采取應(yīng)急處理措施。

另外在維護(hù)模式下可訪問硬盤錄像機(jī)歷史視頻，進(jìn)行視頻回放，HMI通過FTP協(xié)議訪問硬盤錄像機(jī)并獲取錄像文件，登錄FTP后即可以查詢，下載FTP服務(wù)器上的錄像文件。

3 數(shù)據(jù)融合

多系統(tǒng)融合列車顯示屏顯示的信息來源包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及PIS系統(tǒng)，通過兩路以太網(wǎng)通道分別讀取兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照MODBUS協(xié)議進(jìn)行交互，而PIS系統(tǒng)信息則通過RTSP協(xié)議實(shí)時調(diào)取攝像機(jī)視頻流以及FTP協(xié)議訪問硬盤錄像機(jī)文件內(nèi)容，具體數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 視頻功能實(shí)現(xiàn)

列車HMI通過以太網(wǎng)實(shí)時訪問列車PIS系統(tǒng)攝像機(jī)內(nèi)容，需要經(jīng)過一系列的操作處理才能進(jìn)行播放，視頻處理過程如圖6所示。

圖6 視頻處理過程

PIS系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)通過以上過程在HMI上播放，通過解協(xié)議將流媒體協(xié)議的數(shù)據(jù)，解析為標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)的封裝格式數(shù)據(jù)；通過解封裝將輸入的封裝格式的數(shù)據(jù)，分離成為音頻流壓縮編碼數(shù)據(jù)和視頻流壓縮編碼數(shù)據(jù)；通過視頻解碼將視頻/音頻壓縮編碼數(shù)據(jù)，解碼成為非壓縮的視頻/音頻原始數(shù)據(jù)，最后通過視頻同步到視頻驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行播放。

5 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊

項(xiàng)目中HMI采用以太網(wǎng)與VCU進(jìn)行通信，按照MODBUS通訊協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，MODBUS 是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)，MODBUS 以表1中的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行通信。

表1 MODBUS通信數(shù)據(jù)表

通訊數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程圖

6 故障診斷

列車故障診斷功能是保障列車行車安全的重要組成部分。當(dāng)列車發(fā)生故障時，故障信息在HMI主界面上彈出提示，每條記錄都有唯一的故障代碼，根據(jù)故障代碼索引數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的操作指南，以協(xié)助司機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮鳎椭S護(hù)人員更容易地查找并解決故障。另外用戶還可以通過維護(hù)以太網(wǎng)下載故障記錄，進(jìn)行長期存儲以及更深入的分析。

故障記錄通過數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行存儲，包括列車運(yùn)行實(shí)時故障以及歷史故障，故障處理部分軟件流程圖如圖8所示。

圖8 故障處理程序流程圖

當(dāng)HMI檢測到網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)發(fā)生時，首先判斷該故障是否存在現(xiàn)有當(dāng)前故障列表中，若該故障為新生故障，則在當(dāng)前故障列表文件中記錄該條故障，若不是新生故障則不對其進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，以免數(shù)據(jù)重復(fù)；當(dāng)檢測到故障數(shù)據(jù)消失時，判斷該條數(shù)據(jù)是否為故障列表數(shù)據(jù)記錄，若是當(dāng)前故障數(shù)據(jù)消失，則將該條數(shù)據(jù)從當(dāng)前故障列表中刪除，記錄到歷史故障列表中。故障線程每500 ms循環(huán)一次，輪詢檢測故障數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)界面顯示信息的刷新，達(dá)到對司機(jī)和維護(hù)人員的提示作用。

7 結(jié)束語

介紹了多系統(tǒng)融合顯示屏的界面設(shè)計和實(shí)現(xiàn)完整流程，取消傳統(tǒng)PIS屏，將其與司機(jī)屏融合為一體，采用大尺寸大分辨率的顯示屏是一大亮點(diǎn)，大大節(jié)省了列車的空間和資源，降低了成本及能耗，同時顯示屏較大的屏幕空間能夠顯示更加豐富的車輛信息和列車狀態(tài)，給司機(jī)及維護(hù)人員帶來了極大的便捷，使信息更加直觀，操作更加簡單。

界面一體化的設(shè)計風(fēng)格獨(dú)特新穎，人機(jī)交互靈敏流暢，軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，給后續(xù)列車顯示屏的開發(fā)帶來了很大的參考價值，是以后列車顯示屏設(shè)計的趨勢。