基于無源磁釘定位的數字軌道電車人機交互系統設計

張繼光

（上海電氣集團智能交通科技有限公司,上海 200233）

0 引言

隨著近年來城市軌道交通運營管理的進步和科學技術的不斷發展，在我國的軌道交通領域不斷出現新的類型的制式和技術，數字軌道電車有別于傳統的有軌電車，它是一種新的交通技術，利用地埋無源磁釘形成數字化軌道，實現列車自動導向和精確控制。相比有軌電車，數字軌道電車新建基礎設施少、對原有市政設施破壞少、綜合費用低、建設周期短。

上海臨港中運量公交系統是臨港地區公共交通骨干網絡，規劃共6線成網，主要服務地區各功能性組團之間民眾的快捷出行，全網線路總長約105 km。T1線是示范線工程，線路全長21.75 km，初期設站10座，配車11列，采用數字軌道技術和膠輪多編組列車，項目已于2021年6月30日開通運營。

數字軌道電車的車載交互系統是一種以人機界面為載體的列控車載系統的重要的組成部分[1-2]。人機交互的歷史是使計算機適應人類的歷史，交互信息也從準確的輸入/輸出信息改變不準確的輸入/輸出信息[3-4]。人機交互的技術是計算機用戶界面設計中的非常重要的內容之一[5]。

1 基于無源磁釘定位的數字軌道電車車載交互系統

該文所述的車載交互系統具體包括：系統通信子系統、人機交互硬件平臺以及人機界面軟件系統[6]。同時還提供了一種實現數字軌道電車主機系統與車載人機交互系統間雙向穩定通信的具體通信方法，該文提供設計的系統和方法可以實現軌道車輛智能化、道路信息化、運營智能化和成本最優化。

數字軌道電車車載人機交互系統包括數據通信系統、人機交互平臺，人機界面軟件系統三個子系統，其目的是通過提供一種基于無源磁釘定位的數字軌道電車車載交互系統及通信控制方法，以克服現有軌道列車顯示系統和界面操作繁瑣和人的主觀干預性強的缺點，從而最終實現對數字軌道電車的準確控制和穩定運行。所述的基于數字軌道電車的車載人機交互系統的系統結構圖如圖1所示。

如圖1，數字軌道電車車載人機交互系統的數據通信系統包括：

圖1 數字軌道電車車載人機交互系統的系統結構圖

（1）用于產生、發送定位信息的無源磁釘定位模塊是一種新型的埋設于預行駛數字軌道電車線路上的無源磁釘裝置，磁釘在行駛線路上的埋設深度為5 cm左右。包含該磁釘所處線路區段的位置坐標信息、線路狀況、路面狀況、坡度信息等線路基礎信息，并且在其所處區段線路中具有唯一標識碼，可作為傳感器的定向識別和訪問依據。

（2）接收實時定位的傳感器接收模塊是安裝部署于數字軌道電車底部的特定傳感器接收裝置，可以對安裝于線路路面上的無源磁釘進行識別和信號接收，獲取磁釘所在位置的實時信息，從而實現對數字軌道電車的實時定位；完成由無源磁釘信標到服務器發送采集端的完整雙向通信鏈路。

（3）信號通信模塊是通過服務器終端對傳感器接收到的磁釘定位信息進行實時接收和儲存的系統單元，既能作用于系統周期性的數據接收和傳輸，又能實現系統非周期性的數據接收和傳輸；在列車運行過程中，服務器終端會向車載交互系統發送在數字軌道電車在行進過程中由傳感器接收模塊通過無源磁釘定位模塊時的列車行駛狀態信息、駕駛員工作狀態信息及磁釘定位信息發送給該系統的界面顯示系統。

人機交互硬件平臺由數據通信系統構成，人機界面軟件系統具體由按鈕響應系統及界面顯示系統組成。系統中包含的數據通信系統包括用于產生、發送定位信息的無源磁釘定位模塊，接收實時定位的傳感器接收模塊，以及信號通信模塊。完成由無源磁釘信標到服務器發送采集端的完整雙向通信鏈路。數字軌道電車車載主機與人機界面間的數據傳輸和通信關系如圖2所示。

圖2 主機和DMI的數據傳輸及通信關系

如圖2，數字軌道電車車載主機與人機界面采用modbus協議完成通信。數字軌道電車車載主機作為modbus協議的服務端，DMI作為modbus協議的客戶端。DMI每隔1 s向主機請求狀態顯示數據和維護數據。所述的數字軌道電車車載人機交互系統的數據處理系統包括接收數據分析和發送數據包。分析來自車輛主機的周期性數據和偶發數據，供車輛人機界面軟件應用層使用。同時將車載人機界面軟件應用層的周期性數據包發送給車載主機，并將駕駛員按下按鈕產生的偶發按鈕信息數據包發送給車載主機。

車載信號主機發送給DMI的數據信息主要包括速度、列車偏移磁軌的偏移量、列車駕駛模式等狀態值。每隔1 s，DMI主動請求主機查詢數據，主機根據DMI的請求發送數據給DMI顯示。

該文所提出的人機交互系統通信方法流程圖具體是：由數字軌道主機系統和數字軌道人機交互系統（DMI）間的雙向數據通信和響應方法，其主要通信方法的過程為車載信號主機發送給數字軌道人機交互系統的數據信息，主要包括速度、列車偏移磁軌的偏移量、列車駕駛模式等狀態值，并且每隔1 s，數字軌道人機交互系統主動請求主機查詢數據，主機根據數字軌道人機交互系統的請求發送數據給數字軌道人機交互系統顯示。

人機交互平臺模塊中的語音處理系統是指在列車的運行期間，車載人機界面接收聲音和文本信息數據包，并使驅動播放器的聲音根據優先級順序從高到低播放，以提醒司機列車運行狀態的變化或讓車載主機對命令作出及時的反應。

此外，所述人機界面軟件系統包括按鈕響應系統和界面顯示系統。其中，按鈕響應系統包括車載人機界面及兩個可操縱鍵盤，可擴展功能鍵在屏幕右側，固定功能鍵在屏幕底部。界面顯示系統包括地面界面顯示系統，地面界面顯示系統包括車距監控信息顯示模塊、車速信息顯示模塊、輔助行車信息顯示模塊、運行計劃信息顯示模塊、功能輔助顯示模塊等。

2 車載人機界面軟件設計

該系統中的數字軌道電車車載人機交互系統的人機交互軟件包括監控信息顯示模塊和功能信息顯示模塊，其中監控信息顯示模塊包括第一信息顯示模塊和第二信息顯示模塊。

2.1 人機界面軟件整體結構設計

人機交互車載控制系統的功能輔助顯示模塊系統的結構圖如圖3所示。

如圖3，監控信息顯示模塊的第一信息顯示模塊包括列車自動運行監控系統（ATS），是列車的自動監管系統，其核心設備位于信號系統的中心層；網絡控制單元（NCU）是網絡中可獨立運作的信息收集和處理設備，負責控制網絡數據的傳輸與網絡的運行；通信狀態檢驗單元（RSU）表示車載信號主機與車輛處于連接狀態，當主機和車輛連接正常時，該圖標點亮；第二信息顯示模塊包括自動駕駛狀態顯示單元、人工駕駛狀態顯示單元、列車時刻表顯示單元、登錄狀態顯示單元及列車故障顯示單元。

另一方面，圖3中所示界面顯示系統的功能鍵信息顯示模塊包括選擇交路功能子模塊、列車司機登錄功能子模塊、系統設置子模塊和列車維護功能子模塊，用于實現司機對數字軌道電車的人機交互控制和功能操作。所述的選擇交路功能子模塊，當列車需要選擇進路時，點擊此按鈕可以選擇所需進路，當在司機顯示界面按下此按鈕時會彈出新對話框，其界面顯示的內容是可選擇的進路，具體顯示哪些交路信息，可以通過配置更新。

圖3 功能輔助顯示模塊通信系統結構圖

2.2 人機界面軟件設計

關于軟件架構，對于每個操作模式定義了五個模塊（啟動、配置、正常、可疑和安全模式），當DMI從一種模式轉換到另一種模式時，這些模塊被激活/停用。全局監視執行監視器、軟件看門狗、日志管理器和診斷管理器的角色；它識別導致DMI操作模式更改的條件，并在發生模式更改時執行重新配置系統所需的操作，檢查和測試執行檢查和測試活動。

操作模塊包含了實現操作模式功能要求所涉及的軟件對象，如可視化和音頻發射程序。通信模塊處理診斷、維護和EVC相關的通信，I/O管理器包含DMI硬件設備的驅動程序。最終設計實現的數字軌道電車人機交互系統軟件界面示意圖如圖4所示。

圖4 數字軌道電車車載人機交互系統界面示意圖

3 結語

該設計方案應用于上海臨港中運量示范線項目，項目于2021年6月正式開通運營，經過1年多的運營驗證和迭代優化，該設計方案得到了使用單位的認可。

同時，數字軌道電車是膠輪交通系統，是軌道交通和汽車技術結合的產物，隨著汽車自動駕駛技術的快速發展，人機協同、人機共駕和人機界面方面都有了較大的進步，在后續的數字軌道電車人機界面設計上，應主動借鑒汽車自動駕駛的成熟設計，進一步提高易用性。