青島地鐵11號線車輛段內股道信息系統開發

左元堃

（青島地鐵集團運營分公司 車輛檢修工 山東 青島 266207）

車輛段股道圖是確認列車停放位置以及股道狀態的重要工具，檢修調度使用股道圖記錄列車的停放位置、作業內容、列車狀態等。作業人員則根據圖上列車的位置、狀態判斷能否進行作業，或以此為依據開展作業前的各項準備工作。

初期青島地鐵11號線使用EXCEL表格公示股道信息，但存在顯示效果不佳、變更信息繁瑣、功能單一等問題。本文開發的車輛段內股道信息顯示系統，重點對顯示效果、操作模式等進行優化，旨在提升檢修調度辦公自動化、高效化、智能化水平。

1 系統架構

該信息顯示系統由主機、顯示器、執行軟件、專用控制器、鼠標、鍵盤等組成，其中執行軟件和專用控制器為現在所研究軟件和設備，其余均使用檢修調度現有設備。該系統共有兩種接口，一是通過鍵盤鼠標進行操作，二是使用專用控制器進行操作，本信息顯示系統架構如圖1所示。

圖1 段內股道信息顯示系統架構圖

2 軟件系統

2.1 開發語言 考慮到系統的開發周期不宜過長，界面的設計應盡可能簡便，結合以上特點，系統界面選用易語言。易語言作為一款國產編程語言，在界面設計的靈活性上有著明顯優勢，一定程度上減少了工作量。

系統控制器以STM32F103C8T6單片機為核心，單片機程序使用Keil μVision5集成開發環境，C++語言進行編寫。

2.2 界面布局 主界面共有正線列車表、日期時間、股道信息表等三個區域。其中，界面左上角為正線列車表，共有21個表項，用于顯示正線運行列車車號。界面右上角為日期時間。界面中間部分為段內股道圖，每條股道占用一行，顯示股道號、車輛號、車輛狀態、修程、鐵鞋放置情況、庫門狀態等信息。主界面如圖2所示。

圖2 股道信息顯示系統主界面

2.3 數據儲存 系統信息以MDB(Microsoft Database)本地數據庫的形式儲存，對系統數據的修改最終都會體現在數據庫的讀寫上，系統啟動時讀入數據庫信息進行預載，用戶更改界面內容后，會將新數據寫入數據庫，然后重新載入數據，刷新顯示。本系統采用了一種閉環的以數據庫為核心的顯示方式，用戶的操作首先不體現在界面的變化上，而是操作數據庫，數據庫操作完成后，將數據庫的信息載入到界面。數據庫操作流程如下圖3所示。

圖3 數據庫操作流程圖

3 系統控制器

3.1 硬件架構 控制器部件主要由STM32F103C8T6單片機、nRF24L01無線模塊、3.5英寸觸摸屏、外殼組成。nRF24L01作為無線通信部件，使用SPI(Serial Peripheral Interface)協議與單片機連接，3.5英寸電阻式觸摸屏使用串口與單片機通訊。

控制器外殼使用PLA(聚乳酸)材料3 D打印制成，分為上下兩個部分，通過M 3.5自攻螺絲釘固定，上部外殼有觸摸屏安裝位，通過四個M 2.6自攻螺絲釘固定，下部外殼用于安裝單片機與無線模塊，設計有1.5 mm凹槽固定PCB板，其余空間預留用于升級改造。控制器整體尺寸為121 mm×67 mm×39 mm，重量約130.9 g。控制器組成如圖4所示。

圖4 控制器組成

3.2 無線通信 本系統采用nRF24L01無線通信芯片進行無線數據傳輸，nRF24L01工作在ISM-2.4GHz公共頻段，有125個可選工作頻道，通過SPI接口實現與單片機通訊[1]。主機端采用USB轉nRF24L01模塊與單片機進行無線通信。

nRF24L01芯片單次有效傳輸1-31字節，其中0字節由系統保留，用于每次傳輸的數據包長度統計。此外nRF24L01無全雙工模式，同一時刻下，僅允許數據從發射方到接收方，模塊間的雙向通訊需要不斷切換模塊的收發模式。

為確認通信可靠，進行數據傳輸實驗。控制器與主機相距3米，控制器向主機每1 s發送1個長度為7字節的數據包，共發送1 000次，在主機端統計數據包的接收時間(接收時間由timeGetTime函數獲得的系統時間表示)，若一個數據包到達之前，上一個數據包沒有到達，則將上一個數據到達時間寫0。若數據到達時間為0，即丟包，勢必在折線圖上會有明顯歸零的表現。

3.3 控制器通信 控制器觸摸屏使用串行接口與單片機進行收據收發，當用戶在觸摸屏上點擊按鈕或者編輯文本框時候，串口觸摸屏會發送一組結尾為 0xFF，0xFF，0xFF 數據給單片機，單片機通過USART1中斷接收8bit數據包[2]，若數據包以0xFF，0xFF，0xFF結尾則判斷為有效數據，隨即操作SPI將數據包借由nRF24L01無線通信芯片發送給主機上的USB轉nRF24L01模塊。

主機與nRF24L01模塊通信采用USB轉串口方式，轉換芯片使用CH340T，串口波特率為9 600 bps。

本系統下也可以實現主機到控制器的數據傳輸，在控制器主界面點擊正線，進入正線頁面，控制器此時會發送一個查詢命令給主機，主機收到查詢命令后，會直接發送串口屏的控制指令操作串口屏，將串口屏上已上線列車的底色修改為綠色。

3.4 控制器供電 控制器使用Micro-USB接口供電，供電電壓5 V，使用UM 24 C測量控制器功耗，測得使用和待機電流均為0.167+0.002-0.002A，遠小于電腦USB接口500 mA的最大電流，則此控制器可以連接到電腦USB接口正常使用。

4 交互方式

4.1 鍵鼠模式 本信息顯示系統界面有鼠標鍵盤和控制器兩種操作方式。使用鼠標在正線列車表與股道信息圖上單擊即可彈出“命令”對話框，對話框顯示執行命令名稱以及當前參數，可通過鍵盤上的數字鍵修改參數，回車鍵確認并執行當前命令，過程中無需再次操作鼠標。

4.2 控制器模式 控制器接通電源后，默認顯示的頁面為主界面，如下圖5所示，在此頁面可對股道進行選擇，點擊股道號即可進入股道信息修改界面，如下圖6所示。

圖5 控制器上電后默認顯示頁面

圖6 股道信息修改頁面

在此頁面上可對停放的列車號、列車狀態、修程、鐵鞋放置情況進行修改，修改的數據在大屏幕上同步顯示并且寫入數據庫。

在界面上點擊正線，切換至正線頁面，控制器發出檢索命令，系統主機查詢正線列車表后通過命令更改控制器上的正線列車表，實現控制器與系統大屏幕的同步顯示。

5 結束語

本車輛段內股道信息顯示系統對顯示方式與控制方式進行改良后有以下改進：

1）較傳統EXCEL顯示方式更加清晰，可根據需要調整主界面布局。

2）操作方式更加多樣化，鼠標鍵盤和專用控制器兩種人機接口互為冗余。

3）專用控制器的使用使得檢修調度的空間得以高效利用，減少桌面物品布置。

4）專用控制器提高了人機配合效率，同時程序語言的使用可以實現信息的批量化處理。

系統軟硬件均有預留接口，后期可根據需要拓展功能。

5）系統制造成本極低，相對于委外軟件開發節省了資金開支。