基于分層架構(gòu)高可擴(kuò)展的地鐵列車顯示屏軟件系統(tǒng)研制

劉佳薇,楊 博,劉 琪

西安中車永電捷通電氣有限公司,陜西 西安 710018

0 引言

隨著我國城市軌道交通的高速發(fā)展,地鐵給人們的出行帶來了極大的便利,同時也加快了城市建設(shè)的進(jìn)度。在地鐵車輛中,列車控制與管理系統(tǒng)(train control and management system,TCMS)作為整輛車的核心,起到了中樞神經(jīng)的作用,控制并監(jiān)視著整個列車的運行[1],而人機(jī)接口單元(human machine interface,HMI)則方便地向司機(jī)和維修人員展示了整個列車的運行數(shù)據(jù),因此該部分對于列車行車安全有著重要的意義[2-4]。基于傳統(tǒng)的顯示屏軟件架構(gòu),系統(tǒng)研制面臨著開發(fā)周期長、維護(hù)成本較高等諸多挑戰(zhàn),已無法滿足下一代基于純國產(chǎn)化硬件平臺地鐵列車顯示屏系統(tǒng)的研制需求。為了滿足地鐵列車運行過程中的監(jiān)控需求,及時解決列車調(diào)試過程中的問題,提高列車調(diào)試效率,同時滿足國內(nèi)城市地鐵線路多期建設(shè)的特點,本文自主設(shè)計與開發(fā)了一種基于分層架構(gòu)高可擴(kuò)展插件式的地鐵列車顯示屏架構(gòu),具有易開發(fā)、易調(diào)試、易模塊化替換等的諸多特點。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 硬件配置

每列車配有2套HMI,其中所使用的顯示屏大小為12.1英寸,分辨率為1 024×768。該平臺采用Linux操作系統(tǒng),處理器為 ARM架構(gòu),主頻為800 MHz,512 MB DDR3內(nèi)存。全觸摸無按鍵電阻屏,對比度700：1。

1.2 相關(guān)開發(fā)技術(shù)

制動顯示屏的軟件開發(fā)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng),框架使用Qt框架,開發(fā)環(huán)境采用Qt Creator工具。Qt Creator提供了跨平臺、完整的Qt軟件開發(fā)環(huán)境(integrated development environment,IDE)[5-6]。

2 軟件設(shè)計

2.1 TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

列車控制與管理系統(tǒng)(train control and management system,TCMS)是專為軌道交通車輛的控制和通信而設(shè)計的一套車載計算機(jī)系統(tǒng)[7]。圖1為上海地鐵6號線網(wǎng)絡(luò)拓樸圖,整車由4節(jié)車組成,由帶司機(jī)室的拖車Tc車和帶受電弓的動車Mp車組成。而本文所介紹的地鐵列車顯示屏軟件則是搭載于Tc車的人機(jī)接口單元HMI中,它可以向列車司機(jī)以及維修人員展示列車運行數(shù)據(jù)及各種子設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)等。

圖1 上海地鐵6號線TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 界面和功能設(shè)計

該軟件主要由常規(guī)、維修、設(shè)置和檢查4個功能模塊組成。用戶可以使用點按顯示屏的方式自由切換。

常規(guī)模式如圖2所示,主要針對列車司機(jī)。在該模式下,列車司機(jī)可以掌握整輛車的運行數(shù)據(jù),包括列車速度、運行模式、報站方案以及一些子設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)等。

圖2 常規(guī)模式

而維修模式則主要向用戶展示TCMS系統(tǒng)中各個子設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、MVB硬線傳輸數(shù)據(jù)、TCMS系統(tǒng)各個軟件版本數(shù)據(jù)等。圖3為維修模式的畫面跳轉(zhuǎn)圖。

圖3 維修模式

進(jìn)入設(shè)置模式,用戶可以對時鐘、列車編號、車門、乘車率、顯示屏語言、按鍵音量和一些子設(shè)備的累計能耗進(jìn)行設(shè)置。圖4為設(shè)置模式的畫面跳轉(zhuǎn)圖。

圖4 設(shè)置模式

檢查模式則主要用于向用戶展示各種試驗數(shù)據(jù)。列車維護(hù)人員在列車駐車狀態(tài)下,可使用該模式進(jìn)行各項試驗。圖5為檢查模式的畫面跳轉(zhuǎn)圖。

圖5 檢查模式

2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計

地鐵列車顯示屏軟件目標(biāo)是在車載硬件和顯示屏硬件之間構(gòu)建數(shù)據(jù)通信及展示的能力,實現(xiàn)司機(jī)對列車運行狀態(tài)的監(jiān)控并及時感知各設(shè)備組件的告警信息,因此,軟件的系統(tǒng)邊界外有2個對象,分別是位于系統(tǒng)南側(cè)的車載硬件及位于系統(tǒng)北側(cè)的顯示屏,而該系統(tǒng)就是通過一系列能力,將車載硬件的信息及時、準(zhǔn)確、靈活地展示在顯示屏中。圖6為HMI軟件的架構(gòu)圖。

圖6 HMI軟件架構(gòu)

為了完成數(shù)據(jù)的展示,本系統(tǒng)首先構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集層。該采集層通過硬件中的驅(qū)動模塊,將車載硬件的信息通過MVB總線采集至系統(tǒng)內(nèi)。數(shù)據(jù)采集層中針對不同設(shè)備分別設(shè)置了多個數(shù)據(jù)采集器,這些采集器采集的硬件設(shè)備包括但不限于空調(diào)、車門、牽引、輔助及廣播等設(shè)備。

在數(shù)據(jù)采集層上,系統(tǒng)構(gòu)建了邏輯處理層,負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集層獲取的數(shù)據(jù)按照預(yù)先定義的范式進(jìn)行加工,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可顯示的形式。在邏輯處理層中,實現(xiàn)多個對數(shù)據(jù)處理的通用組件,如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件、數(shù)據(jù)計算組件、端口映射組件等,及各硬件設(shè)備特有的專用組件,如車門異常檢測組件等。

在邏輯處理層上,系統(tǒng)構(gòu)建了頁面加載層,負(fù)責(zé)將處理好的數(shù)據(jù)繪制到顯示屏系統(tǒng)中。在頁面加載層,首先構(gòu)建了組件層,實現(xiàn)了頁面所需的公用組件,減少了開發(fā)成本并降低了后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)成本。在組件層上實現(xiàn)了繪制層,將處理好的數(shù)據(jù)按照界面設(shè)計中已規(guī)范化的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)加載,并完成最終的頁面渲染,同時,將異常告警及時展示在顯示屏中。

系統(tǒng)通過引入數(shù)據(jù)采集層、邏輯處理層及頁面加載層極大地提升了系統(tǒng)擴(kuò)展的能力,當(dāng)后續(xù)有新的硬件設(shè)備安裝并接入MVB總線后,只需在數(shù)據(jù)采集層擴(kuò)展出對應(yīng)的采集器,在邏輯處理層中實現(xiàn)硬件特有組件,并在頁面加載層繪制對應(yīng)的設(shè)備頁面,即可完成新增硬件設(shè)備的顯示功能,即新引入的設(shè)備實現(xiàn)不對原有設(shè)備的實現(xiàn)進(jìn)行修改,提高了系統(tǒng)整體的魯棒性,同時,在出現(xiàn)功能缺陷時,也可避免出現(xiàn)霰彈式修改。軟件通過構(gòu)建數(shù)據(jù)采集層,邏輯處理層和頁面加載層,構(gòu)建了高內(nèi)聚、低耦合HMI軟件系統(tǒng)。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

地鐵列車顯示屏軟件主要服務(wù)于列車駕駛?cè)藛T以及列車維修人員,因此其畫面需要清晰明了地展示列車運行狀態(tài)以及列車歷史運行數(shù)據(jù)等。

3.1 顯示界面

圖7為上海地鐵6號線列車司機(jī)室顯示屏中的“常規(guī)-總體”界面,該界面的主要作用是向列車司機(jī)詳盡展示了列車的部分基本運行數(shù)據(jù)。

圖7 “常規(guī)-總體”畫面

3.2 邏輯處理

為獲取到3.1中填充的BC壓力數(shù)據(jù),須將從數(shù)據(jù)采集層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。從MVB總線獲取的BC壓力長度為8 bits,取值范圍為0～255,而BC對應(yīng)的壓力值為0～10 bar,須將8 bits代表的BC壓力轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制后,再進(jìn)行運算,規(guī)范化為可理解的壓力值。

3.3 MVB數(shù)據(jù)通信

為從MVB總線獲取到BC壓力對應(yīng)的8 bits數(shù)據(jù),需要按照預(yù)先定義的設(shè)備信息、字偏置及位置從MVB總線返回的數(shù)據(jù)流中獲取。

4 結(jié)束語

HMI對于整個TCMS系統(tǒng)來說十分重要,它就像是TCMS系統(tǒng)的眼睛一樣,司機(jī)和維護(hù)人員可以通過HMI了解到列車綜合的數(shù)據(jù)信息,包含其運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)等。本文提出的這種基于分層架構(gòu)高可擴(kuò)展的地鐵列車顯示屏軟件目前已經(jīng)應(yīng)用在上海地鐵6號線和8號線項目中,經(jīng)過多次試驗和調(diào)試,列車現(xiàn)已進(jìn)入運營階段。目前,軟件運行穩(wěn)定,操作畫面友好,方便維護(hù)人員下載數(shù)據(jù)。該軟件架構(gòu)方法對今后其他HMI應(yīng)用軟件的開發(fā)具有很好的參考價值。