青島地鐵11號線車輛段內股道信息系統(tǒng)開發(fā)

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(tài)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(yè)內容、列車狀態(tài)等。作業(yè)人員則根據(jù)圖上列車的位置、狀態(tài)判斷能否進行作業(yè)，或以此為依據(jù)開展作業(yè)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(fā)的車輛段內股道信息顯示系統(tǒng)，重點對顯示效果、操作模式等進行優(yōu)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(tǒng)架構

該信息顯示系統(tǒng)由主機、顯示器、執(zhí)行軟件、專用控制器、鼠標、鍵盤等組成，其中執(zhí)行軟件和專用控制器為現(xiàn)在所研究軟件和設備，其余均使用檢修調度現(xiàn)有設備。該系統(tǒng)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(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 段內股道信息顯示系統(tǒng)架構圖

2 軟件系統(tǒng)

2.1 開發(fā)語言 考慮到系統(tǒng)的開發(fā)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(tǒng)界面選用易語言。易語言作為一款國產(chǎn)編程語言，在界面設計的靈活性上有著明顯優(yōu)勢，一定程度上減少了工作量。

系統(tǒng)控制器以STM32F103C8T6單片機為核心，單片機程序使用Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)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(qū)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(tài)、修程、鐵鞋放置情況、庫門狀態(tài)等信息。主界面如圖2所示。

圖2 股道信息顯示系統(tǒng)主界面

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

圖3 數(shù)據(jù)庫操作流程圖

3 系統(tǒng)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(xié)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(tǒng)采用nRF24L01無線通信芯片進行無線數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jié)，其中0字節(jié)由系統(tǒng)保留，用于每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度統(tǒng)計。此外nRF24L01無全雙工模式，同一時刻下，僅允許數(shù)據(jù)從發(fā)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(fā)模式。

為確認通信可靠，進行數(shù)據(jù)傳輸實驗。控制器與主機相距3米，控制器向主機每1 s發(fā)送1個長度為7字節(jié)的數(shù)據(jù)包，共發(fā)送1 000次，在主機端統(tǒng)計數(shù)據(jù)包的接收時間(接收時間由timeGetTime函數(shù)獲得的系統(tǒng)時間表示)，若一個數(shù)據(jù)包到達之前，上一個數(shù)據(jù)包沒有到達，則將上一個數(shù)據(jù)到達時間寫0。若數(shù)據(jù)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(xiàn)。

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(jù)收發(fā)，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(fā)送一組結尾為 0xFF，0xFF，0xFF 數(shù)據(jù)給單片機，單片機通過USART1中斷接收8bit數(shù)據(jù)包[2]，若數(shù)據(jù)包以0xFF，0xFF，0xFF結尾則判斷為有效數(shù)據(jù)，隨即操作SPI將數(shù)據(jù)包借由nRF24L01無線通信芯片發(fā)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(tǒng)下也可以實現(xiàn)主機到控制器的數(shù)據(jù)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(fā)送一個查詢命令給主機，主機收到查詢命令后，會直接發(fā)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(tǒng)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(zhí)行命令名稱以及當前參數(shù)，可通過鍵盤上的數(shù)字鍵修改參數(shù)，回車鍵確認并執(zhí)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(tài)、修程、鐵鞋放置情況進行修改，修改的數(shù)據(jù)在大屏幕上同步顯示并且寫入數(shù)據(jù)庫。

在界面上點擊正線，切換至正線頁面，控制器發(fā)出檢索命令，系統(tǒng)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(xiàn)控制器與系統(tǒng)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(tǒng)對顯示方式與控制方式進行改良后有以下改進：

1）較傳統(tǒng)EXCEL顯示方式更加清晰，可根據(jù)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(xiàn)信息的批量化處理。

系統(tǒng)軟硬件均有預留接口，后期可根據(jù)需要拓展功能。

5）系統(tǒng)制造成本極低，相對于委外軟件開發(fā)節(jié)省了資金開支。