基于MCGS的地鐵培訓模擬裝置列車監控器的設計

張春光，姚 旺，薄 樂

（大連交通大學，遼寧 大連1160280）

隨著社會的進步，城市軌道交通系統建設取得長足的進步，機車車輛數量也進一步遞增，同時對機車司機的需求也大大增加。由于初期的培訓方式單一，司機要將傳統教學中所學的知識應用于實踐是非常困難的，所以司機在上崗后經常因為操作不當引發事故。為了確保機車行駛安全，使駕駛員培訓高效、準確和快速地學習到駕駛技能，利用組態軟件MCGS成本低、靈活多樣、形象直觀的優點來完成機車模擬運行過程中的現場數據采集、監測、處理和控制，設計了地鐵培訓模擬裝置列車監控顯示器。利用地鐵培訓模擬裝置列車監控顯示器可以把列車模擬運行中的各類數據傳送到司機操作臺，駕駛員可以實時掌握各機車設備的工作狀態，從而減少手動操作的復雜性。利用MCGS嵌入式平臺完成機車模擬運行過程中車門、牽引系統、空調系統、過程數據和消息數據等信息的組態顯示設計，駕駛員通過顯示器觸屏操作查詢相關信息，完成對機車的監控和控制，完成各項任務，保證機車車輛的安全運行。

1 MCGS軟件介紹

MCGS嵌入式系統是一種專門應用于嵌入式計算機監控系統的組態軟件。MCGS嵌入式版本分為配置環境與運行環境結構這兩個部分。它可以在基于Microsoft運行在32位Windows平臺上運行。在自動化領域，MCGS組態軟件有著廣泛的應用。

此外，MCGS的嵌入式版本為方便用戶調試配置還具有用于模擬項目運行的模擬環境，。現場采集的數據以進行處理，用戶通過報警處理、過程控制、動畫顯示、報表輸出等多種方式對前端采集的數據進行處理。MCGS嵌入式系統的體系結構由三部分組成，分別是：配置環境、仿真運行環境和運行環境組成。配置環境和仿真運行環境相互配合，組成了一套完整的可以在PC機上運行的工具軟件，MCGS組態軟件的工作臺組成如如圖1所示。

圖1 MCGS系統組成圖

2 系統構成

使用MCGS組態軟件設計的列車監控顯示器可以利用豐富生動的多媒體圖片，通過運行事先編譯好的MCGS仿真程序，通過圖形動畫來顯示機車各部分的運行狀態，通過顯示器來觀察控制過程與結果，系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

3 列車監控顯示器的設計

列車監控顯示器是整個模擬培訓系統的重要組成部分，主要利用組態軟件MCGS進行機車模擬運行過程中各機車設備運行狀態的顯示，使駕駛員實時了解機車運行狀況。整個顯示單元主要包括以下幾部分：顯示界面的設計、運行策咯、數據配置、運行和調試。

3.1 顯示界面設計

利用MCGS豐富的圖元資源運用于機車駕駛員培訓，可以通過電腦動畫顯示反映機車運行狀態，使整個培訓過程具有真是性、直觀性和生動性。

（1）仿真畫面。為了能夠更加生動形象地表示機車模擬運行過程，監控界面需要通過平面或立體圖形來反映各機車設備運行狀態。在組態軟件MCGS中的用戶窗口進行顯示界面的制作。圖3為機車監控顯示的仿真畫面。

圖3 司機顯示單元主要界面

（2）組建數據庫。實時數據庫的組建是整個系統的關鍵環節，仿真界面中的各個單元模塊的動態顯示、動畫過程、運行策略，以及對操作者操作指令的應答都需要以實時數據庫作為中間環節來進行。所以，上位機與下位機之間通過實時數據庫進行聯系。在組態軟件中建立一個工程，在導航器的實時數據庫中根據單元各部分輸入輸出狀態顯示建立對應變量如表1（部分），每個變量定義專屬的名稱，確定變量類型，并把定義的變量連接到已經定義好的外部設備上，就可以在利用在組態軟件MCGS上編譯好的仿真系統進行數據交換了。

表1 數據對象定義表（部分）

（3）數據對象。數據對象是對象的一個重要組成部分，作為一個整體，由實時數據庫統一管理。對象的屬性包括基本屬性、存盤屬性和報警屬性。基本屬性則包含對象的名稱、類型、初值、界限（最大最小）值、工程單位和對象內容注釋等項內容。

（4）動畫連接。顯示界面設計完成后，還需要動態顯示每個顯示單元的變化過程，所以需要對顯示單元的圖像進行動畫設計，生動形象的展示被控對象的變化過程，達到對被控對象實時監控的目的。在組態軟件MCGS中通過把用戶窗口中的各個模塊與實時數據庫中的預先建立好的數據進行相關性連接，并設置數據變換時相對應的圖元變換。在系統模擬運行過程中，圖形的變化和狀態能夠直接地反映其對應的實時數據的變換和狀態，從而實現了顯示界面動態監測的目的，動畫連接窗口如圖4所示。

圖4 動畫鏈接設計窗口

（5）報警顯示。報警屬性是數據對象的基本屬性，是數據對象的組成部分，由實時數據庫自動進行處理。當數據對象的值發生改變時，實時數據庫判斷對應的數據對象的改變是否構成報警或消除已有報警，進行下一步處理。

（6）報表顯示。監控系統需要對設備采集的數據進行統計分析，然后對符合條件的數據進行存儲，并根據實際情況輸出數據報表。本系統數據報表分為三部分：

a．實時故障報表：實時報表是對實時采集數據的反映，通常用于將實時數據變量按設定的報告格式（用戶組態）顯示出來。實時報表可以通過組態軟件MCGS系統的自由表格構件來組態顯示。

b．歷史故障報表：歷史報表通常是對一段時間內實時報表的匯總，并以一定的格式顯示歷史數據，有利于后期對歷史信息的查看，其構建方式與實時故障報表相同。

c．維修人員登錄報表：制作方式與事實故障報表相同，主要用來記錄登錄系統的人員信息。

3.2 運行策略

運行策略是用戶為實現對系統流程自動運行而組態生成的一系列功能模塊的總稱。組態軟件MCGS為用戶提供了進行策略組態的專用窗口和工具箱，如圖5所示。建立運行策略，使系統能夠按照設定的條件和相應的順序，通過實時數據庫中采集數據的變化，控制用戶窗口和系統中各個模塊的工作狀態，從而實現對系統工作過程精確控制及有序調度管理的目的。通過MCGS組態軟件，用戶可以利用簡單的策略組態就可以完成大多數復雜工程項目的監控軟件。

3.3 通訊設計

如圖6，在工作臺的“設備窗口”頁中，通過添加設備工具箱內自帶的軟件或預先定制的相關設備構件對下位機進行配置，才能與下位機進行連接。MCGS組態軟件的設備構件需不斷增加，使組態軟件能夠連接更多的硬件設備。設備構件是組態軟件MCGS系統對外部設備進行實時監控的中間媒介，把實時數據庫中的數據與監控對象進行連接，進行數據交換，達到對監控對象的實時監測與控制的目的。

圖5 運行策略組態

圖6 設備工具箱與設備組態窗口

3.4 運行和調試

工程建立完成后，進入運行和調試階段。此階段主要分為兩個部分：模擬運行和連機運行。

（1）模擬運行：通過組態軟件MCGS自帶的模擬運行環境可以進行模擬狀態的仿真，主要觀察不同用戶窗口之間的切換和動畫的顯示是否符合預期效果，符合教學的目的。

（2）連機運行：通過TCP／IP的方式進行連機運行，通過上位機與下位機之間通信，運用Modsim32仿真軟件發送指令，模擬機車在運行過程中出現的故障，增加模擬培訓設備的真實性，達到培訓的目的。

4 結 論

基于組態軟件MCGS的機車模擬培訓司機顯示單元的設計充分利用了組態軟件MCGS的強大的數據處理能力、圖元轉換能力和抗干擾能力，是機車司機培訓的一種進步與創新，解決了以往培訓形式單一的缺點。基于組態軟件MCGS的機車模擬培訓司機顯示單元的優點在于：仿真過程簡單易懂、仿真環境接近于真實狀態、仿真設備簡單、仿真現象直觀，使培訓過程生動形象，提高學習者的興趣，使學習者對于機車的操作流程更加熟悉的掌握，保證了機車的安全駕駛。