智能交通系統(tǒng)中的人機界面設(shè)計

摘要：為實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)中人與機器之間的靈活交互，分析人機界面的功能，詳細介紹了智能交通系統(tǒng)中基于多平臺的人機界面的設(shè)計過程。闡述了ARM－uClinux系統(tǒng)軟件構(gòu)架以及如何在進程間傳遞信息以實現(xiàn)多進程協(xié)調(diào)工作。設(shè)計了基于短消息服務(wù)人機交互方法。鑒于Web服務(wù)的廣泛性，提出了Web服務(wù)作為另一種交互平臺，在智能交通人機界面應(yīng)用的可行性和實現(xiàn)方法。試驗結(jié)果證明，基于多平臺的人機界面的可靠性，并可以改善智能交通系統(tǒng)的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng); 人機交互; Linux進程間通信; 短消息服務(wù)

中圖分類號：TP242.6文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0246-03

現(xiàn)有的城市交通方式中，地鐵、輕軌、公共汽車等密集公共交通系統(tǒng)在空間和時間上缺乏靈活性；私人汽車過度使用造成交通堵塞，能源大量消耗，在使用上存在一定的局限性（并非任何人都會駕駛）。為了彌補密集公共交通和非機動交通的不足，在歐盟和國家自然科學(xué)基金資助下，由上海交通大學(xué)機器人研究所研究的CyberC3(cybernetic technologies for cars in Chinese cities)項目，即自動控制技術(shù)在中國城市交通車輛系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠提供一套可運行的無人駕駛道路交通系統(tǒng)。

人機界面是涉及計算機科學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和人因工程學(xué)等的交叉學(xué)科。以人為本的人機界面設(shè)計思想力圖通過對人機交互中任務(wù)模型、個體行為、用戶模型等要素進行分析研究，縮短人與計算機之間的認(rèn)知距離，提供更友好的服務(wù)。

傳統(tǒng)交通系統(tǒng)中，乘客與交通工具之間基本沒有交互，不能為乘客提供人性化和個性化的服務(wù)。智能交通系統(tǒng)中的人機交互系統(tǒng)提供一個人與機器溝通的渠道。它由人機界面、通信介質(zhì)、中央控制室計算機系統(tǒng)構(gòu)成。其中人機界面直接決定了智能交通系統(tǒng)能夠提供的服務(wù)質(zhì)量。智能交通系統(tǒng)中，車輛在運營線路里自動駕駛，乘客可通過固定站點的人機界面向中央控制室發(fā)出乘車請求，亦可通過SMS方式，按照規(guī)定的格式向中央控制室發(fā)出短消息來呼叫車輛；更廣泛的，乘客可通過Web服務(wù)在世界的任何角落預(yù)訂將來的某個時間使用智能交通系統(tǒng)。人機交互系統(tǒng)的機構(gòu)如圖1所示。

1基于ARM－uClinux系統(tǒng)的人機界面設(shè)計

S3C44B0X是三星公司基于ARM7TDMI內(nèi)核推出的RISC處理器芯片，片內(nèi)無內(nèi)存控制器（MMU），自帶8 KB cache、LCD控制器、2通道UART、4通道DMA、8通道12位ADC、RTC、IIC/IIS總線、SIO和成對時鐘的PLL等，可工作在64 MHz頻率下，實現(xiàn)31．84 M BogoMIPS的運算速度^[2]。

uClinux是micro－control－Linux，可理解為“面向微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)”。其開放源代碼。uClinux內(nèi)核采用對libc作了精簡而得的uClibc，模塊化的設(shè)計使它通過對內(nèi)核的重新配置，實現(xiàn)系統(tǒng)運行所需要資源的最小化。uClinux自帶了完整的TCP/IP協(xié)議棧，方便基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)。uClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，它去除了標(biāo)準(zhǔn)Linux的虛擬存儲器管理功能，既減小了內(nèi)核的體積，又增強了系統(tǒng)的實時性能^[3]。

基于ARM－uClinux系統(tǒng)的人機界面安裝于固定的車站。乘客可通過該人機界面向中央控制室計算機系統(tǒng)發(fā)出乘車請求，中央控制室在收到該請求時，將該信息記錄于本地乘客需求數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)當(dāng)前車輛運行狀態(tài)和乘客需求情況作出派遣決策；作為人機交互的回饋，中央控制室及時通過人機界面提供當(dāng)前的交通運營信息，乘客可通過人機界面得知預(yù)訂的車輛最快到達時間等信息。為實現(xiàn)這些功能，人機界面必須具備識別乘客請求的能力、與中央控制室計算機通信的能力、將交通信息顯示出來的能力等。在本文的工作中，筆者在車站人機界面與中央控制室之間架設(shè)了局域網(wǎng)，車站人機界面采用按鈕作為乘客發(fā)出請求的媒質(zhì)，采用點陣式液晶顯示屏（LCD）作為顯示接口，從而形成可實現(xiàn)預(yù)訂功能的基本平臺。該平臺上運行的軟件構(gòu)架如圖2所示。

在ARM－uClinux系統(tǒng)中，uClinux內(nèi)核（包含顯示LCD的驅(qū)動程序）存放于norFlash，改flash上的文件系統(tǒng)為Romfs文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)速度快、穩(wěn)定可靠，但只能讀。JFFS2是由Red Hat公司開發(fā)專門面向flash設(shè)備的日志文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立在Axis通信公司的JFFS的基礎(chǔ)之上，可實現(xiàn)文件在flash介質(zhì)上的讀和寫。在uClinux啟動完成后，自動掛載nandFlash中的JFFS2文件系統(tǒng)，讀取其中的shell腳本和應(yīng)用程序，并通過該腳本啟動四個主要的進程，即uRecoSend、 uTTYs1、urFIFOsNet和urNetsFIFO。由于需要在不同的進程間傳遞信息，以協(xié)同工作，故需要采用Linux進程間通信機制。Linux進程間通信機制主要有：

a）無名管道及有名管道（pipe）。前者用于具有親緣關(guān)系進程間的通信，后者允許無親緣關(guān)系進程間的通信。

b）信號（signal）。基于定義好的信號集合，用于通知接受進程（自身或其他進程）有某種事件發(fā)生。

c）消息隊列（message FIFO）。用于在被賦予權(quán)限的進程間通過隊列的方式傳遞少量的消息。

d）共享內(nèi)存（shared memory）。使多個進程可以訪問同一塊內(nèi)存空間，是最快的可用IPC形式。

e）信號量（semaphore）。協(xié)調(diào)資源的訪問，作為進程間以及同一進程不同線程之間的同步手段^[4]。

本系統(tǒng)中需要在非親緣關(guān)系的進程間傳遞小數(shù)據(jù)量的信息，選用其中的命名管道方式。于是分別建立三個命名管道，即FIFO_TTYS、FIFO_NETI和FIFO_NETO。

S3C44B0X一共有71個通用可編程I/O口，大多是功能復(fù)用的端口。由于不用IIC/IIS總線，選用其中的GPF0、1、5、6、7、8口作為按鈕的輸入口。uRecoSend以固定的時間間隔檢測按鈕對應(yīng)管腳的狀態(tài)，以識別用戶的請求，并在間隔時間內(nèi)通過usleep函數(shù)掛起進程，讓出CPU控制權(quán)，從而實現(xiàn)多任務(wù)。uTTYs1負責(zé)從命名管道中讀取一條消息，并將消息寫入運行于內(nèi)核態(tài)的LCD驅(qū)動程序，由LCD驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)LCD的刷新和動態(tài)顯示。urFIFOsNet負責(zé)從命名管道中讀取信息，并將該信息通過TCP協(xié)議發(fā)送到遠程的計算機。urNetsFIFO負責(zé)從遠程計算機接收信息，并將給信息寫入命名管道。多任務(wù)協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)了基于ARM－uClinux的人機界面功能。

2基于SMS的人機界面設(shè)計

SMS(short message service，短消息服務(wù)）就是通過GSM網(wǎng)絡(luò)提供的傳輸有限長度的文本數(shù)字或文字信息的服務(wù)。這種信息的傳輸是在GSM手機之間或手機與其他短消息實體之間通過業(yè)務(wù)中心進行文字信息收發(fā)實現(xiàn)的。為實現(xiàn)計算機與GSM網(wǎng)絡(luò)的通信，采用西門子MC35i的GPRS模塊，該modem模塊與計算機通過RS－232通信，支持雙頻900/1800 MHz，支持文本和PDU(protocol description unit)編碼方式。文本模式是基于字符的協(xié)議，應(yīng)用將消息按簡單文本傳遞到手機組成TPDU，它僅支持英文字符。PDU模式將組裝短消息TPDU的任務(wù)留給應(yīng)用完成，比起文本模式可以提供更為強大的功能，但其較文本模式復(fù)雜。

AT指令是Hayes公司建立的對modem進行操作的指令集，現(xiàn)已成為所有modem事實上的標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的modem均支持AT指令集。通過AT命令可設(shè)置SMS中心號碼，查詢、讀取、發(fā)送短消息。

人機界面設(shè)計主要工作在于開發(fā)與modem通信的軟件，基于此實現(xiàn)人機交互的功能。該人機界面提供用戶通過手機短信呼叫車輛的接口，故需要約定短信的格式?？紤]到短消息的長度和信息量的需要，本文采用了如下的格式：[CC預(yù)訂人姓名YYYYMMDD(預(yù)訂日期) HHMM(預(yù)訂時間) 上海(起始站點) 北京(目標(biāo)站點) 2(人數(shù)) 附言]。SMS服務(wù)軟件運行的流程圖如圖3所示。

在收到用戶發(fā)出的正確呼叫請求后，SMS軟件將用戶發(fā)來的信息重新組織，形成確認(rèn)消息，并附加一個該請求的序列號，用戶可根據(jù)該序列號刪除掉該請求。用戶也可以用其他平臺（如接下來的基于Web服務(wù)的人機界面）查詢、修改、刪除已經(jīng)發(fā)出的呼叫請求。

3基于Web服務(wù)的人機界面設(shè)計

Web服務(wù)是一種可以用來解決跨網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用集成問題的開發(fā)模式，實現(xiàn)了最廣泛的應(yīng)用軟件集成，彌補了傳統(tǒng)軟件開發(fā)模型的限制。Web服務(wù)的主要特點之一是，客戶端訪問Web服務(wù)只需要通過因特網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如HTTP或XML，以及SOAP，不需要專門的協(xié)議，如RPC或IIOP。因為HTTP協(xié)議和XML都是與平臺無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以被任何主流操作系統(tǒng)正確理解和解釋。用戶可以通過個人電腦或帶有Web瀏覽功能的智能終端訪問服務(wù)站點，實現(xiàn)人機界面的功能。

為了能夠根據(jù)不同的用戶動態(tài)的生成與之相關(guān)的網(wǎng)頁，需要使用到動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)。JSP（Java server pages）是由Sun Microsystems公司倡導(dǎo)、許多公司參與建立的一種動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Web服務(wù)器在遇到訪問JSP網(wǎng)頁的請求時，首先執(zhí)行其中的程序段，然后將執(zhí)行結(jié)果連同JSP文件中的HTML代碼一起返回給客戶。插入的Java程序段可以操作數(shù)據(jù)庫、重新定向網(wǎng)頁等，以實現(xiàn)建立動態(tài)網(wǎng)頁所需要的功能^[7]。

基于Web服務(wù)的人機界面由一系列JSP網(wǎng)頁構(gòu)成Web站點實現(xiàn)。筆者采用開源的Apache軟件作為Web服務(wù)器，Tomcat作為JSP容器，MySQL作為后臺服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。每個JSP網(wǎng)頁基本均需連接和操作數(shù)據(jù)庫，所以需添加如下代碼：

〈%@ page import=\"java.sql.*\" %〉

〈%@ page import=\"java.util.*\" %〉

〈%@ page import=\"java.io.*\" %〉

〈%@ page import=\"java.text.DateFormat\" %〉

〈%@ page contentType=\"text/html;charset=GB2312\" %〉

〈%

Class.forName(\"org.gjt.mm.mysql.Driver\").newInstance();

String url =

\"jdbc:mysql://localhost/cyberc3?user=rootpassword=root\";

Connection conn= DriverManager.getConnection(url);

Statement stmt=conn.createStatement(ResultSet.TYPE_SCROLL_SENSITIVE，ResultSet.CONCUR_UPDATABLE);

%〉

用戶可以通過本地瀏覽器訪問智能交通網(wǎng)絡(luò)人機界面的站點。網(wǎng)絡(luò)人機界面提供給用戶注冊用戶、呼叫車輛、查詢記錄，跨平臺查詢修改的接口。用戶登錄網(wǎng)絡(luò)人界面后，可進入呼叫界面，如圖4所示。

在該交互頁面中，采用JavaScript腳本檢查用戶的輸入是否合法，并給予適當(dāng)提示。用戶可根據(jù)智能交通運行的線路圖，預(yù)訂某具體時間使用智能交通系統(tǒng)的源站點和目標(biāo)站點。對于智能交通人機界面本身的不足，也可以通過用戶留言提交給智能交通系統(tǒng)管理員，從而提供更完善的人機交互服務(wù)。

4多平臺人機界面的數(shù)據(jù)共享

智能交通系統(tǒng)人機界面基于不同的平臺。為了便于管理和方便用戶，需要在不同平臺之間共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫是以某種文件結(jié)構(gòu)存儲的一系列信息表。采用運行于后臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為共享數(shù)據(jù)的倉庫，為各平臺提供存儲、查詢、刪除等功能接口。中央控制室基于C#開發(fā)的管理員軟件負責(zé)與ARM－uClinux人機界面通信，C#軟件可以通過ADO.NET應(yīng)用程序接口連接MySQL數(shù)據(jù)庫?；赟MS的人機界面的服務(wù)軟件基于Visual C++開發(fā)，可以通過開放數(shù)據(jù)庫互連（ODBC）方式連接MySQL數(shù)據(jù)庫?；赪eb服務(wù)的人機界面使用JSP動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)，故采用Java數(shù)據(jù)庫連接（JDBC）接口連接MySQL數(shù)據(jù)庫。管理員可以通過MySQL的外殼，以控制臺的方式，管理共享數(shù)據(jù)庫。整個數(shù)據(jù)共享的軟件層次如圖5所示。

中央控制室管理員在MySQL的外殼上通過SQL語句建立表cyberc3_user_table和user_request_table。前者用于存放智能交通所有注冊用戶的信息；后者存放用戶通過各平臺發(fā)來呼叫請求和相關(guān)信息。多平臺在中央控制室計算機上的服務(wù)程序?qū)⑵浣邮盏降挠脩粽埱髮懭雞ser_request_table，故而可以統(tǒng)一管理。

5結(jié)束語

在實驗中，基于ARM－uClinux平臺的人機界面可以準(zhǔn)確識別乘客的呼叫請求并提示乘客，來自中央控制室的交通信息也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至車站人機界面并顯示?；赟MS平臺的人機界面可以通過公用GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)中央控制室與用戶之間的交互。用戶也可以通過個人電腦的瀏覽器訪問和使用智能交通的網(wǎng)絡(luò)人機界面。乘客也可通過網(wǎng)絡(luò)人機界面查詢和修改來自于各平臺的呼叫請求。實驗證明了基于多平臺人機界面的可行性。為適應(yīng)大規(guī)模的更廣泛的應(yīng)用，該人機界面的功能還需進一步完善。

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“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”