地鐵列車車載監控顯示系統的仿真研究

李明智 錢雪軍

（同濟大學電氣工程系，200092，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生）

現代城市軌道交通系統的運營管理越來越注重對乘客的服務質量，讓乘客不但“走得了”，還要“走得好”。所以，在軌道交通的建設中，安全性與便捷性是重中之重，乘客信息系統（Passenger Information System，簡為PIS）也因此越來越受到重視。列車車載PIS是集引導、廣告、資訊、設備監控和客流監控為一體的綜合性系統，它的應用使乘客的出行更加方便快捷。

地鐵列車監控顯示系統（Monitor Display System，簡為 MDS）則是PIS的重要組成部分。MDS在列車正常行駛情況下提供自動發布通知并對車廂進行視頻監控等服務，在緊急狀況下還能實現乘客向駕駛員緊急報警通話，達到讓駕駛員對車廂情況和危險現場有第一手的了解。對MDS的仿真研究，可以完善駕駛仿真系統的功能，進而使駕駛員熟練掌握對MDS的操作，提高其應對駕駛中突發事件的處理能力。

1 MDS概述

MDS是車載PIS的重要子系統，是與列車駕駛員的人機交互部分，是實現PIS系統管理、數據傳輸、功能執行的重要組成部分。列車監控顯示技術是多種技術的融合，是在自動化技術不斷發展、自動化程度不斷提高的要求下發展起來的。

1.1 車載PIS的組成

PIS是運用網絡技術與多媒體技術進行信息多樣化顯示的系統，它通過控制中心、廣告編輯中心、車站控制等系統，對所需信息實時編輯、制作、傳遞，并通過車站或車上等離子或液晶顯示器，為地鐵乘客及地鐵員工提供以運營信息為主、商業廣告為副的多媒體綜合信息顯示。PIS從結構上可以分為中心控制系統、車站系統、車載系統、網絡系統。車載PIS主要包括以下幾個部分：

1）司機室監控顯示屏，主要用于接收和顯示視頻信息及輸出控制指令。

2）系統主機，主要用來存儲系統數據，包括列車行駛線路數據、一些音頻視頻數據、車載監控視頻數據、各類系統控制指令，以及管理系統內的所有功能設備，并執行與其他設備相互通信的功能。

3）外圍設備，包括監控攝像頭、對講機和交換機等設備，主要用于畫面捕捉、對講通話等功能。車載PIS系統在DT車（帶受電弓拖車）內的結構如圖1所示。

圖1 DT車體PIS結構圖

1.2 MDS實現功能

MDS監控顯示存在于每個駕駛室中，并且不同行駛方向的列車受到不同MDS的監控，但同一行駛列車的兩個駕駛室中MDS顯示的操作功能應同時完全可用。因此，根據實際列車運行時各種情況，MDS實現的主要功能如下：

1）自動播報監控。為操作人員列出所有站點信息，操作人員可以選擇或者取消某一站點的運行信息。

2）預設信息發布。操作人員有選擇地為乘客播放或顯示預定義的音頻或者文本文件。

3）視頻監控。通過設置在主要車廂中的攝像頭，監控車廂環境及乘客安全。

4）語言選擇。MDS的操作環境應該支持不同語言的使用。

5）緊急報警電話管理。當車廂中緊急情況發生時，允許乘客通過設置在車廂中的緊急通話設備與操作人員通話。操作人員可以同時處理多路通話，并從中了解緊急情況。

6）系統配置。操作人員可以通過此項設置來改變車廂內的廣播或音樂的可用度，或者調解音量大小。

7）自檢。使操作人員對與MDS相連的設備進行檢測，測試其的使用狀態。

2 MDS系統環境的搭建

本文研究的主要對象是應用于印度孟買地鐵1號線列車駕駛仿真系統上的MDS，因此圍繞對方的技術要求和指標，在硬件和軟件上做以下研究。

2.1 硬件平臺的選擇

MDS的人機交互顯示屏是一個可觸摸的擁有嵌入式操作系統的設備。為支持操作按鈕的信號輸入輸出，以及系統平臺上軟件的良好運行，系統采用IEI公司的eKINO－945GSE主板，CPU型號為Intel公司的 AtomN270，主頻為1.60GHz，一個533MHz前端總線和512KB的高速緩存，內存512MB，10PIN的數字輸入輸出接口（Digital Input／Output，簡為DIO），并采用PenMount公司的9000系列觸摸屏等硬件配置。

2.2 操作系統的構建

對于嵌入式設備，操作系統的選擇尤為重要。操作系統不僅關系到硬件與上層驅動之間的通信，而且它還是應用程序的承載平臺，對系統的穩定起到關鍵作用。

本MDS采用 Windows CE 6.0嵌入式技術進行系統平臺的開發。Windows CE 6.0相對于Linux系統而言是高度模塊化的嵌入式操作系統；Windows CE支持在多種不同的CPU硬件平臺上運行，包括x86、MIPS、SuperH、ARM 等嵌入式領域主流的CPU結構。Windows CE有著穩健的實時性和安全性的支持。

運用微軟強大的開發環境Visual Studio 2005 Platform Builder for Windows Embedded CE6.0來開發Windows CE嵌入式操作系統。這樣不僅可以快速生成操作平臺，而且可以通過從平臺導出的SDK來方便地開發能夠運行在目標設備上的應用程序。利用Windows CE提供的模板，可以快速地定制操作系統工程。

2.2.1 精簡并生成支持MFC的系統鏡像文件

在選擇適當的設計模板創建成功操作系統工程之后，就是生成能夠運行于嵌入式仿真平臺的系統鏡像文件NK.bin并盡量使其精簡。

嵌入式設備的特點是可使用的存儲資源比臺式機來說少很多。因此，定制嵌入式系統采取的方法是盡量精簡內核鏡像文件的大小，只添加需要的組件功能。而定制中文系統時，內核鏡像文件相對英文系統大10MB左右，而且在啟動時將內核鏡像文件復制到內存中花的時間較長，同時占用較多的內存。因此，對內核鏡像文件的精簡，主要是在中文字體及其字庫的減少上。其核心思想是將默認選擇的中文字體SimSun ＆ NSimSun（SYSGEN＿FONTS＿SIMSUN）替換成SimSun 2.5版本，這樣既能滿足要求又能縮小文件體積；而后將字體庫保存到外部存儲器來減少內核鏡像的大小。

因為微軟公司消弱了MFC架構在應用軟件中的使用，但現實市場中大量應用程序都是由MFC構建的，所以，在 Windows CE 6.0上需要添加對MFC應用程序的支持。其方法是：將VisualStudio 2005安裝環境下的MFC框架動態支持庫文件添加到BSP安裝目錄下的平臺文件夾Platform中，并在注冊表中寫入，然后選擇相應的組件和Build Options選項，點擊Build，便生成了系統鏡像文件NK.bin。

2.2.2 生成軟件開發工具包

生成鏡像文件之后，MDS的顯示屏就可以加載鏡像文件，運行Windows CE操作系統了。下一步就是在這基礎上開發運行于Windows CE上的仿真應用程序。但在這之前，要生成適用于開發此環境應用程序的軟件開發工具包（Software Development Kit，簡為SDK）。

在Solution Explorer窗口中的SDKs文件夾中選擇Add new SDK選項，然后Build此SDK就生成了后綴為msi的文件。運行此文件，就可以在Visual Studio 2005IDE下開發適用于此硬件環境的應用程序了。

3 MDS應用程序的開發

本文主要是對印度孟買地鐵1號線列車車載MDS的仿真研究，所以，應用程序的開發過程實際上也是滿足和擴展列車MDS的現實功能的過程，如自動播報監控、預設信息發布、視頻監控和緊急報警電話管理等功能的實現，而在開發應用程序過程中，軟硬件結合實現鍵盤操控和OpenSceneGraph（OSG）實現視頻監控仿真是重點也是難點。

3.1 實現鍵盤操作

為了使孟買1號線的MDS人機界面的物理鍵盤實現不同的控制，運用eKINO－945GSE主板上的DIO的10個針腳對其進行管理。除了其中12V電源和接地的針腳外，一般情況下，它可以控制4路輸出電平和4路輸入電平；而在特殊情況下，也可將8個針腳全部設置成輸入或者輸出。因此，DIO完全可以對此MDS進行鍵盤管理。

想要使應用程序對鍵盤的狀態進行讀取和控制并反映在屏幕上，只需要利用上文生成的SDK建立應用程序工程，并在工程中添加智能系統管理模塊（Intelligent System Management Module，簡 為ISMM）庫文件，利用其中的DIO＿GetConfig（），DIO＿GetInput（），DIO＿GetOutput（）函數便可達到讀取和控制針腳狀態的目的。其效果如圖2。

3.2 OSG實現視頻監控仿真

OSG是一個跨平臺的C＋＋庫，它是基于OpenGL的開放源代碼，用于實現視景仿真、虛擬現實、圖形特效、可視化計算等方面的研究。該技術主要由兩大部分組成：一部分是場景的組織、管理和遍歷技術；另一部分是對場景的渲染技術，以及不可見的剔除和場景模型的連續層次細節的實現。對于MDS中視頻監控的仿真，關鍵點在于虛擬人的管理和視圖位置的選擇。

圖2 MDS人機界面顯示效果圖

3.2.1 虛擬人的管理

虛擬人的管理應該包括虛擬人幾何模型的創建和運動的控制兩個部分。運用 Multi－Paradigm公司的建模軟件Creator建立虛擬人模型，而要控制的虛擬人的關節都具有一定的自由度，因此需要把每個關節點都設為DOF節點。

虛擬人的控制，則通過利用OSG新建findNodeVistor類來訪問虛擬人模型中DOF節點，并在OnInitialUpdate函數中讀取.osg文件；然后通過構造類findNodeVistor的對象獲取虛擬人的每一部分，在虛擬人運動控制技術和經驗數據的基礎上使用參數化插值方法實現虛擬人的不同運動函數，來達到模擬列車運行環境下車廂中人物的運動。

3.2.2 視圖位置的選擇

世界坐標系中的虛擬人需經過一系列幾何變化（包括平移、旋轉等）：為了使顯示的虛擬人能以合適的位置、大小和方向顯示出來，必須要通過投影；然后定義一個三維視景體，對虛擬人進行裁剪只使投影在視景體內的部分顯示出來。下一步在屏幕窗口內定義一個矩形，稱為視口（Viewport）。視景投影后的圖形就在視口內顯示。最后做一些適當變換，使圖形在屏幕坐標系下顯示。通過以上視圖位置的選擇，模擬了車廂監控攝像頭的拍攝畫面，實現了對視頻監控功能的仿真。實現后的效果圖如圖3。

圖3 監控顯示仿真效果圖

4 結語

地鐵列車車載MDS系統的鍵盤操作實現及視頻監控功能的仿真模擬，可以使列車駕駛仿真系統功能不僅具備實際需要的功能，而且還能提供虛擬的監控畫面，使虛擬環境更加逼真，對提高受訓學員掌握MDS系統操作以及處理緊急報警事件能力有明顯的現實意義。

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