基于Python 和Qt 的車載乘客信息系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測平臺

龔建生，許麗金

（武漢地鐵運營有限公司，湖北武漢 430030）

0 引言

隨著我國軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展[1]，地鐵能夠提供的安全體系越來越完善，給乘客提供的娛樂享受越來越全面，極大地提高了軌道交通服務(wù)質(zhì)量，同時也給車載通信技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。列車乘客信息系統(tǒng)[2]主要由語音廣播系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控（CCTV）、視頻信息顯示（PIS）等子系統(tǒng)構(gòu)成。列車乘客信息系統(tǒng)依靠多媒體和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以嵌入式設(shè)備為軸心進行工作[3]，由多種設(shè)備協(xié)調(diào)工作，具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時，考慮車內(nèi)布局、乘客舒適性、設(shè)備美觀等因素，設(shè)備采用嵌入式安裝，設(shè)備接口隱蔽，安全性高[4]。但是設(shè)備種類數(shù)量繁雜、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，會導(dǎo)致運維困難、設(shè)備檢測效率低下，同時檢測維護過程中會影響服務(wù)質(zhì)量等問題。

本文通過對多硬件設(shè)備、多網(wǎng)段層次的列車乘客信息系統(tǒng)進行研究，開發(fā)了一種設(shè)備狀態(tài)檢測平臺，該檢測平臺使用多線程網(wǎng)絡(luò)編程等技術(shù)，采用Python 和Qt 編程語言，實現(xiàn)與設(shè)備進行通信，以達(dá)到對列車乘客信息系統(tǒng)中各種設(shè)備狀態(tài)檢測維護。該檢測平臺為設(shè)備維護檢測工作提供了極大的便利，減輕了維護人員的勞動強度，提高了工作效率。

1 列車乘客信息系統(tǒng)架構(gòu)

列車乘客信息系統(tǒng)主要為乘客服務(wù)，設(shè)備安裝在地鐵列車中，一列車通常分幾節(jié)車廂編組，在一套系統(tǒng)中，包括幾十個板卡和設(shè)備?？紤]到車內(nèi)布局、設(shè)備接口安全、設(shè)備美觀舒適等要求，通常設(shè)備采用嵌入式安裝，如攝像機嵌入列車頂棚、顯示器嵌入車體、其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備嵌入車廂設(shè)備柜內(nèi)等，同時這些設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口一般安裝隱蔽，不方便維護。

以武漢軌道交通7 號線為例，列車乘客信息系統(tǒng)主要由車載無線設(shè)備（含車載無線單元、車載POE 及車載通信控制器）、車載局域網(wǎng)、車載CCTV 主機、車載PIS 主機、車載廣播主機、車載攝像頭及車載顯示屏組成（圖1）。

圖1 列車乘客信息系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同時為了提高設(shè)備安全性，減小網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴對設(shè)備的影響[7]，保證數(shù)據(jù)安全、可靠、實時地在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間進行傳輸，列車乘客信息系統(tǒng)將同一物理局域網(wǎng)內(nèi)的不同子系統(tǒng)邏輯地劃分成不同的廣播域，構(gòu)成多個虛擬局域網(wǎng)絡(luò)（VLAN）。其中，車載無線設(shè)備通過以太網(wǎng)線接入車載局域網(wǎng)中，完成車載子系統(tǒng)無線資源管理和調(diào)度。車載PIS、CCTV 和廣播系統(tǒng)通過車載局域網(wǎng)與車載無線系統(tǒng)相連進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。列車乘客信息系統(tǒng)各設(shè)備分屬于多個局域網(wǎng)的不同VLAN 內(nèi)，跨VLAN 無法互通，傳統(tǒng)方法每次對設(shè)備進行維護時，需要接入不同VLAN 的端口對相應(yīng)設(shè)備進行檢測。

2 Python 和Qt 開發(fā)系統(tǒng)

2.1 Python

Python 由荷蘭數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)研究學(xué)會的Guido van Rossum 于1990 年代初設(shè)計[5]，作為一門稱為ABC 語言的替代品，Python 提供了高效的高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還能簡單有效地面向?qū)ο缶幊?。Python 語言誕生至今，已被逐漸廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)管理任務(wù)的處理和Web 編程。

2.2 Qt

Qt 是一個由Qt Company 于1991 年開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI 程序[6]，也可用于開發(fā)非GUI 程序。Qt 是面向?qū)ο蟮目蚣?，使用特殊的代碼生成擴展以及一些宏，Qt 很容易擴展，并且允許真正地組件編程。

3 系統(tǒng)總體方案

因為列車乘客信息系統(tǒng)各設(shè)備分屬于不同VLAN，如果需要檢測設(shè)備狀態(tài)，就必須逐一檢測或接入到不同VLAN 中進行檢測。如果能用一個檢測平臺通過網(wǎng)絡(luò)跨VLAN 將這些工作完成，會減輕現(xiàn)場維護工作量，提高維護效率，方便系統(tǒng)分析故障。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)武漢地鐵列車乘客信息系統(tǒng)的維護需求，設(shè)計一個城市軌道交通列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測平臺。該平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 檢測平臺的實現(xiàn)過程

平臺基于Windows 系統(tǒng)，采用Python 語言作為基本結(jié)構(gòu)框架，通過ICMP（因特網(wǎng)報文控制）協(xié)議與列車乘客信息系統(tǒng)各設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。檢測平臺采用多線程編程技術(shù)，可同時向多個設(shè)備發(fā)送ICMP 請求報文，極大提高了測試效率。根據(jù)本檢測平臺的設(shè)計思想，包含設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址存儲模塊、跨VLAN 互通模塊、設(shè)備檢測模塊、設(shè)備狀態(tài)顯示模塊、檢測信息顯示模塊、時間顯示模塊及日志存儲模塊等。

（1）設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址模塊：該模塊主要實現(xiàn)不同車次號列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址（IP）的存儲、修改及配置。通過該模塊，可設(shè)置對應(yīng)車次號的相關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址（IP），并且可以非常方便地修改。

（2）跨VLAN 互通模塊：因為列車乘客信息系統(tǒng)各設(shè)備分屬于不同VLAN 中，不同VLAN 間的設(shè)備不互通。該模塊主要通過Telnet 協(xié)議遠(yuǎn)程登錄車載局域網(wǎng)中的交換機寫入配置文件設(shè)置VLAN 互通，從而實現(xiàn)只需接入交換機某一端口，便可ping通所有隸屬于不同VLAN 中的設(shè)備。

（3）設(shè)備檢測模塊：采用多線程編程技術(shù)，當(dāng)維護人員選擇車次號并點擊開始檢測后，從設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址模塊中讀取設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址，并同時向多個設(shè)備發(fā)送ICMP 請求報文，待報文回復(fù)后，讀取回復(fù)報文中的設(shè)備IP、設(shè)備丟包率及設(shè)備平均時延并保存。

（4）檢測信息顯示模塊：將設(shè)備檢測模塊獲取的設(shè)備IP、設(shè)備丟包率及設(shè)備平均時延顯示在軟件界面下部文本框中。

（5）設(shè)備狀態(tài)顯示模塊：通過設(shè)備IP、設(shè)備丟包率及設(shè)備平均時延等信息，自動與軟件設(shè)置的閾值進行比對，計算出設(shè)備的狀態(tài)為正常、丟包或故障，同時將設(shè)備的狀態(tài)顯示在軟件下部設(shè)備狀態(tài)區(qū)域。其中顯示綠色表示設(shè)備正常；顯示紅色表示設(shè)備故障，需要排查設(shè)備故障點；顯示黃色表示設(shè)備丟包，需要排查設(shè)備網(wǎng)絡(luò)鏈路。

（6）時間顯示模塊：可顯示當(dāng)前的時間。

（7）日志存儲模塊：將檢測時間、ICMP 請求報文、ICMP 回復(fù)報文等數(shù)據(jù)保存在運行日志中，便于出現(xiàn)異常時維護人員進行分析。

首先登陸主界面，然后用戶可在主界面選擇車次號并點擊開始測試，平臺將自動讀取保存在配置文件中該列車的列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址，并向車載局域網(wǎng)中的交換機寫入配置文件設(shè)置VLAN 互通。設(shè)置完成后，以多線程形式同時向多設(shè)備發(fā)送ICMP 請求報文。待報文回復(fù)后，讀取報文中的設(shè)備IP、設(shè)備丟包率及設(shè)備平均時延并顯示在軟件界面中，并根據(jù)設(shè)備IP、設(shè)備丟包率及設(shè)備平均時延等信息，判斷設(shè)備的狀態(tài)為正常、丟包或故障，并顯示在軟件界面中。同時將當(dāng)前的時間、發(fā)送的ICMP 報文及報文回復(fù)寫入至運行日志中并存儲。該平臺通過向設(shè)備發(fā)送因特網(wǎng)報文控制協(xié)議請求報文，測試設(shè)備是否可達(dá)，從而及時了解其狀態(tài)，能實現(xiàn)對設(shè)備IP、設(shè)備丟包率、設(shè)備平均時延等數(shù)據(jù)的采集、記錄和顯示，并根據(jù)采集的結(jié)果，分析設(shè)備的狀態(tài)（正常、丟包或故障）。系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖3 所示。

圖3 設(shè)計流程

3.3 檢測平臺界面的實現(xiàn)

檢測平臺界面設(shè)計基于Qt 開發(fā)，首先打開本檢測平臺便可看到列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測的相關(guān)信息界面，該界面實現(xiàn)了當(dāng)前時間的顯示，并且有車次號的選擇、檢測信息的顯示、設(shè)備狀態(tài)的顯示等功能。平臺界面設(shè)置了開始檢測按鈕，點擊該按鈕，開始自動檢測當(dāng)前設(shè)備（圖4）。

圖4 設(shè)備狀態(tài)檢測平臺界面

界面上面顯示了名稱及當(dāng)前時間；中間下拉框內(nèi)是所有車次號，選擇好要測試的車次號后，點擊右邊開始測試按鈕可自動開始測試；下面左邊是一個文本框，顯示的內(nèi)容為檢測信息，包含設(shè)備名稱、設(shè)備IP、設(shè)備丟包率及設(shè)備平均時延，右邊的色塊顯示的為設(shè)備狀態(tài)，其中顯示綠色表示設(shè)備正常；顯示紅色表示設(shè)備故障，需要進一步排查設(shè)備故障點；顯示黃色表示設(shè)備丟包，需要進一步排查設(shè)備網(wǎng)絡(luò)鏈路。

4 檢測平臺實現(xiàn)效果

檢測平臺設(shè)計完成后，選擇列車車次號，點擊開始測試，等待約2 min 測試完畢后，界面便可顯示設(shè)備狀態(tài)檢測情況。通過對比傳統(tǒng)設(shè)備檢測方法與該平臺檢測方法（表1）可以發(fā)現(xiàn)，維護一列車的乘客信息系統(tǒng)設(shè)備，采用傳統(tǒng)檢測方法進行檢測作業(yè)時間需要約40 min，使用本平臺檢測僅需2 min，極大提高檢測效率。

表1 傳統(tǒng)設(shè)備檢測方法與檢測平臺檢測方法對比

該檢測平臺能將列車乘客信息系統(tǒng)中所有設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系到一起，通過軟件與設(shè)備進行通信，對設(shè)備進行維護檢測，發(fā)現(xiàn)故障情況。通過對比分析，本文開發(fā)的列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測平臺，能夠快速獲取系統(tǒng)中設(shè)備的故障情況，避免頻繁的在列車上拆卸設(shè)備和電纜連接設(shè)備端口進行檢測，方便維護人員操作。同時能夠獲取系統(tǒng)中全部設(shè)備的狀態(tài)，利于系統(tǒng)的分析問題，解決問題，使得整個系統(tǒng)的維護體系更加完善。

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的城市軌道交通列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測平臺，能夠通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對多設(shè)備、多網(wǎng)段內(nèi)的設(shè)備進行檢測，避免傳統(tǒng)方式檢修時間過長的問題，同時不必頻繁地接入設(shè)備端口，提高了設(shè)備的安全性和可靠性[8]。經(jīng)過嚴(yán)格、系統(tǒng)的測試，該檢測平臺性能穩(wěn)定可靠，目前已應(yīng)用于武漢地鐵列車乘客信息系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)檢測。該平臺可以作為地鐵通信工培訓(xùn)教學(xué)使用，可以使員工深入了解列車乘客信息系統(tǒng)的知識和設(shè)備檢測操作流程，有廣泛的應(yīng)用前景，值得推廣普及。