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新型國(guó)外高鐵信息娛樂(lè)系統(tǒng)HMI的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2023-11-03 08:11:16張偉
中國(guó)新通信 2023年18期
關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

摘要:傳統(tǒng)的旅客信息系統(tǒng)主機(jī)已經(jīng)難以滿足日益發(fā)展的國(guó)外高鐵運(yùn)營(yíng)需求,因此,本文基于西班牙F070高鐵項(xiàng)目,介紹了一種新型信息娛樂(lè)系統(tǒng)的人機(jī)交互接口設(shè)計(jì),采用基于海思平臺(tái)的控制器,能夠充分考慮用戶的需求和使用習(xí)慣,完成線路信息、服務(wù)呼叫、顯示控制、多媒體、座位信息和監(jiān)控維護(hù)功能,最終實(shí)現(xiàn)F070高鐵信息娛樂(lè)系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)度和控制功能,從而有效滿足國(guó)外高鐵的運(yùn)營(yíng)需求。

關(guān)鍵詞:人機(jī)交互接口;F070高鐵;信息娛樂(lè)系統(tǒng);設(shè)計(jì)

旅客信息系統(tǒng)主要為高鐵列車(chē)用戶提供出行服務(wù),人機(jī)交互接口 (HMI, Human Machine Interface) 作為高鐵列車(chē)旅客信息系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器[1],主要具有如下功能:

①信息顯示。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)外信息顯示器完成行車(chē)線路的信息顯示。

②自動(dòng)報(bào)站。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)語(yǔ)音廣播完成對(duì)站點(diǎn)線路信息的提示。

③內(nèi)部通訊。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)電話和報(bào)警器等通信設(shè)備完成車(chē)內(nèi)通訊聯(lián)絡(luò)功能。

④系統(tǒng)間通訊。通過(guò)MVB或CAN總線方式完成與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的信息交互。

⑤娛樂(lè)控制。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)電視和揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)視頻、音樂(lè)等娛樂(lè)節(jié)目的播放。

此外,國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)主機(jī)和娛樂(lè)系統(tǒng)主機(jī)一般采用分離設(shè)計(jì),以滿足獨(dú)立設(shè)計(jì)以及對(duì)旅客信息系統(tǒng)和娛樂(lè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求。

基于用戶與人文習(xí)慣,海外高鐵項(xiàng)目在旅客信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與國(guó)內(nèi)高鐵存在較大差異。西班牙F070高鐵作為西班牙高鐵市場(chǎng)創(chuàng)新項(xiàng)目之一,與傳統(tǒng)的旅客信息系統(tǒng)相比,采用的新型信息娛樂(lè)系統(tǒng)主機(jī)具有如下功能:

①海思平臺(tái)設(shè)計(jì)。采用國(guó)產(chǎn)化海思3536作為主控芯片,避免出口海外產(chǎn)品的芯片限制和專(zhuān)利問(wèn)題。

②信息顯示。增加了多樣化的內(nèi)外顯顯示方式和控制模式。

③服務(wù)呼叫。提供了類(lèi)似航空領(lǐng)域的乘客乘車(chē)服務(wù)呼叫功能[2]。

④多媒體功能。提供了多樣化的音視頻播放服務(wù)功能。

⑤座位信息顯示。提供了列車(chē)座位號(hào)的自由編輯與顯示控制功能。

⑥多語(yǔ)言選擇。提供了HMI界面的英語(yǔ)、法語(yǔ)和西班牙語(yǔ)三種語(yǔ)言的顯示以及對(duì)內(nèi)外顯和客室電視等終端設(shè)備顯示不同語(yǔ)言的控制模式。

一、HMI的組成和功能

(一)系統(tǒng)架構(gòu)與外部接口

F070項(xiàng)目信息娛樂(lè)系統(tǒng)由視頻點(diǎn)播系統(tǒng)和旅客信息系統(tǒng)組成。

旅客信息系統(tǒng)由系統(tǒng)控制器(HMI屏)、內(nèi)外顯、車(chē)號(hào)顯示器和客室電視組成,具備內(nèi)外顯顯示功能,與TCMS系統(tǒng)、PA系統(tǒng)、座位系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的交互通信。視頻點(diǎn)播系統(tǒng)由媒體服務(wù)器與娛樂(lè)終端組成,用于為列車(chē)上的乘客提供視頻點(diǎn)播、娛樂(lè)、資訊服務(wù)等多種功能。其中,媒體服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)接入骨干網(wǎng),需要同時(shí)支持視頻娛樂(lè)終端、手機(jī)、PAD、電腦等多種終端的接入。

系統(tǒng)控制器HMI作為信息娛樂(lè)系統(tǒng)的控制核心,與其他設(shè)備之間通過(guò)以太網(wǎng)總線連接,其負(fù)責(zé)協(xié)同視頻點(diǎn)播系統(tǒng)與旅客信息系統(tǒng)交互,以完成整體的調(diào)度和控制功能,其通信拓?fù)淙鐖D1所示。

①列車(chē)控制管理系統(tǒng)(TCMS):HMI接收TCMS的數(shù)據(jù),用于行車(chē)信息管理和旅客信息服務(wù),還可以將信息娛樂(lè)系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備診斷信息發(fā)送給TCMS,用于設(shè)備狀態(tài)查詢和故障診斷。TCMS與HMI之間通過(guò)以太網(wǎng)接口完成數(shù)據(jù)交互。

②公共廣播系統(tǒng)(PA):HMI將線路報(bào)站所需音頻信息和乘務(wù)員服務(wù)音頻信息以數(shù)字音頻流的方式發(fā)送給PA系統(tǒng),再以數(shù)字音頻方式完成聲音的播放。

③地面控制系統(tǒng)(On-Board Platform):HMI接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送文本給內(nèi)顯進(jìn)行顯示;接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送圖片和視頻信息給客室電視顯示。

④座位顯示系統(tǒng)(Seat System):通過(guò)讀取用戶傳輸?shù)紿MI中的座位信息配置文件,HMI將配置信息傳送給座位顯示系統(tǒng),從而完成對(duì)不同車(chē)型不同車(chē)廂座位信息顯示器的控制。

⑤媒體服務(wù)器:媒體服務(wù)器內(nèi)搭建MQTT通信的服務(wù)器,HMI作為MQTT服務(wù)器的客戶端,需要連接媒體服務(wù)器完成與其他MQTT客戶端的信息交互。

⑥信息顯示子系統(tǒng):控制客室電視顯示溫度、速度和廁所服務(wù)等相關(guān)服務(wù)類(lèi)信息;控制車(chē)內(nèi)顯示器顯示車(chē)廂號(hào)、車(chē)次、區(qū)間和下一站等線路信息和禁煙等服務(wù)信息;控制車(chē)外顯示器顯示車(chē)次、車(chē)廂號(hào)、當(dāng)前站、終點(diǎn)站和中途站信息;控制娛樂(lè)終端和手機(jī)移動(dòng)端顯示HMI發(fā)送的線路信息和服務(wù)類(lèi)信息。

(二)HMI的功能

HMI作為信息娛樂(lè)系統(tǒng)的中央控制單元,需要實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客信息系統(tǒng)的管理和控制功能以及對(duì)娛樂(lè)信息的管理功能。主要功能如下:

1.行車(chē)管理:根據(jù)TCMS發(fā)送的門(mén)信號(hào)、GPS坐標(biāo)、列車(chē)行進(jìn)方向、列車(chē)速度等信息,可以觸發(fā)相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)和顯示屏顯示功能,起到引導(dǎo)乘客的作用,完成旅客信息系統(tǒng)的基本功能。

2.服務(wù)呼叫:乘客可以通過(guò)座椅后背娛樂(lè)終端發(fā)起服務(wù)呼叫,HMI接收服務(wù)呼叫指令后,在HMI界面上顯示座位號(hào)和呼叫提示,以便乘務(wù)員及時(shí)為乘客提供服務(wù)。

3.文本與顯示控制:HMI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外顯和客室電視的文字滾動(dòng)速度、顯示亮度和顯示語(yǔ)言的控制,并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同車(chē)廂顯示 不同文本信息的控制功能。

4.多媒體功能:HMI可以滿足對(duì)不同車(chē)廂播放不同音視頻的播放需求,并可按車(chē)廂等級(jí)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)播放。

5.座位顯示功能:HMI可以實(shí)現(xiàn)顯示不同車(chē)型不同車(chē)廂的座位信息的控制功能,還可以在HMI界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)座位信息的實(shí)時(shí)編輯。

二、HMI的硬件設(shè)計(jì)

HMI基于海思平臺(tái)設(shè)計(jì)為一體機(jī)式結(jié)構(gòu),采用“10.1”標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示屏,USB接口在前面板,DB9調(diào)試口、M12網(wǎng)口和電源口在面板下部。主要包括以下模塊:

①電源轉(zhuǎn)換模塊:采用DC110V-DC24V電源模塊,再由24V轉(zhuǎn)化為12V、5V、3.3V、-12V。

②底板接口模塊:底板為載板,主要是對(duì)外提供各種接口,包括USB接口、網(wǎng)口、DB9串行總線接口和LVDS輸出口。其中,USB接口用于用戶更新資源類(lèi)文件,網(wǎng)口用于外部通信,DB9口用于系統(tǒng)調(diào)試,LVDS口用于連接LCD顯示屏輸出圖像畫(huà)面。

③核心板模塊:核心板采用基于Hisi芯片的CPU集成電路,完成對(duì)外圍設(shè)備的控制功能。

④顯示屏模塊:采用“10.1”用 TFT-LCD顯示屏,觸摸屏采用光學(xué)全貼合方式。

三、HMI的軟件設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)環(huán)境和開(kāi)發(fā)平臺(tái)

HMI采用Hisi3536 CPU芯片,基于CortexA17四核操作系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)接口豐富,運(yùn)行效率高,性能穩(wěn)定,能夠提供優(yōu)質(zhì)的視頻和圖像質(zhì)量[3],也能夠避免windows系統(tǒng)帶來(lái)的病毒問(wèn)題和海外產(chǎn)品可能引發(fā)的芯片限制和專(zhuān)利等問(wèn)題。

應(yīng)用軟件采用QT開(kāi)發(fā)。在Linux操作系統(tǒng)下,QT具備良好的可重用性,開(kāi)發(fā)效率高,基于QML的框架可以快速搭建友好的人機(jī)交互界面。同時(shí),QT具備優(yōu)良的跨平臺(tái)特性,代碼移植效率高,可以避免后期平臺(tái)遷移帶來(lái)的兼容性問(wèn)題[4]。

(二)軟件模塊化設(shè)計(jì)

HMI的軟件采用模塊化的開(kāi)發(fā)模式,能夠有效提高軟件開(kāi)發(fā)效率,增強(qiáng)軟件的穩(wěn)定性、可讀性和易維護(hù)性。軟件共分為4層,自上而下進(jìn)行調(diào)用,如圖2所示。在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能,并對(duì)外開(kāi)放公有接口。

①Q(mào)T運(yùn)行庫(kù):QT提供了豐富的功能類(lèi)庫(kù)和人性化的接口封裝。在QT運(yùn)行庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā),可以提高開(kāi)發(fā)效率,縮短開(kāi)發(fā)周期并保證軟件質(zhì)量。

②協(xié)議分析層:包括TCMS通信模塊、MQTT通信模塊、座位信息模塊、PA系統(tǒng)通信模塊、車(chē)內(nèi)外顯示模塊、音視頻播放模塊和地面控制平臺(tái)通信模塊。協(xié)議通信模塊用于與外圍設(shè)備進(jìn)行接口通信和數(shù)據(jù)收發(fā)的協(xié)議解析。

③邏輯處理層:包含自動(dòng)報(bào)站、座位信息配置、行程管理、多媒體配置、車(chē)內(nèi)外顯示和日志記錄六個(gè)邏輯功能模塊。邏輯處理層是一個(gè)中間層,需要接收來(lái)自界面的控制命令完成對(duì)外圍設(shè)備的控制,同時(shí)連接并處理不同通信模塊之間的邏輯關(guān)系,將相應(yīng)的處理結(jié)果上傳到QML人機(jī)交互層。

④QML人機(jī)交互層:人機(jī)操作界面,能夠識(shí)別用戶的操作,產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令,還可以顯示相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)信息和用戶信息。

四、HMI的優(yōu)化提升

(一)基于MQTT的通信服務(wù)

目前,國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)主機(jī)均作為所有設(shè)備的服務(wù)器,外圍子設(shè)備作為客戶端連接旅客信息系統(tǒng)主機(jī)以獲取數(shù)據(jù)信息和控制命令,通訊方式以TCP或UDP為主。然而,此種工作模式導(dǎo)致旅客信息系統(tǒng)主機(jī)負(fù)載繁重,客戶端連接數(shù)量多、通信流量大且穩(wěn)定性差。

MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級(jí)協(xié)議,該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議之上,其最大優(yōu)點(diǎn)在于可以使用極少的代碼和有限的帶寬為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[5]。

F070項(xiàng)目信息娛樂(lè)系統(tǒng)采用媒體服務(wù)器作為MQTT的服務(wù)代理,HMI作為發(fā)布者,只需要將子設(shè)備所需的消息發(fā)布出去,外圍子設(shè)備再根據(jù)自身需求選擇訂閱不同的主題消息即可。此種工作模式減輕了HMI作為服務(wù)器時(shí)的連接數(shù)量處理,并方便對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)量和功能需求擴(kuò)展。當(dāng)外圍設(shè)備增加時(shí),只需要修改外圍設(shè)備,HMI主機(jī)則只需要微小的改動(dòng)甚至不需要改動(dòng),進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(二)乘客服務(wù)呼叫

目前,國(guó)內(nèi)高鐵僅為一等座或商務(wù)座配置相應(yīng)的娛樂(lè)平板,并且?jiàn)蕵?lè)平板僅用于提供音視頻播放等娛樂(lè)功能,無(wú)法實(shí)現(xiàn)與乘務(wù)員室的信息互動(dòng)[6]。而旅客信息系統(tǒng)的控制主機(jī)一般只實(shí)現(xiàn)基本的車(chē)內(nèi)外顯示和自動(dòng)報(bào)站功能,也無(wú)法提供服務(wù)呼叫提示功能,只能靠乘務(wù)員人工輪詢各個(gè)車(chē)廂來(lái)為乘客提供服務(wù),大大降低了乘務(wù)員提供服務(wù)的效率和乘客的乘車(chē)體驗(yàn)。

F070項(xiàng)目的信息娛樂(lè)系統(tǒng)HMI安裝在乘務(wù)員室,娛樂(lè)終端屏安裝在各車(chē)廂乘客座椅后,用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊每個(gè)娛樂(lè)終端界面上的服務(wù)器呼叫按鈕發(fā)起呼叫。HMI接收娛樂(lè)終端發(fā)送的呼叫命令并將用戶的座位號(hào)顯示在界面上,從而提醒乘務(wù)員及時(shí)為乘客提供服務(wù)。主要功能如下:

①座位號(hào)顯示功能:顯示乘客呼叫的車(chē)廂號(hào)與座位號(hào),以便乘務(wù)員及時(shí)定位乘客位置,盡快響應(yīng)乘客的服務(wù)請(qǐng)求。

②服務(wù)呼叫開(kāi)關(guān)功能:乘務(wù)員可以通過(guò)HMI開(kāi)啟和禁用服務(wù)呼叫。當(dāng)乘務(wù)員離開(kāi)時(shí),可以通過(guò)禁用方式告訴乘客當(dāng)前暫時(shí)不能提供服務(wù)。

③整車(chē)響應(yīng)請(qǐng)求:當(dāng)發(fā)起呼叫請(qǐng)求的用戶分散在多個(gè)車(chē)廂時(shí),乘務(wù)員可以通過(guò)整車(chē)響應(yīng)按鈕響應(yīng)乘客請(qǐng)求,然后分別去不同車(chē)廂進(jìn)行服務(wù)。

④按車(chē)廂響應(yīng)請(qǐng)求:當(dāng)發(fā)起服務(wù)呼叫請(qǐng)求的用戶集中于1個(gè)車(chē)廂時(shí),可以通過(guò)按車(chē)廂響應(yīng)按鈕響應(yīng)該車(chē)廂的乘客請(qǐng)求,然后針對(duì)此車(chē)廂進(jìn)行服務(wù)。

⑤按單個(gè)座位響應(yīng)請(qǐng)求:當(dāng)個(gè)別用戶發(fā)起呼叫請(qǐng)求時(shí),乘務(wù)員可以根據(jù)單個(gè)用戶進(jìn)行請(qǐng)求響應(yīng),然后針對(duì)該用戶進(jìn)行服務(wù),此功能多用于商務(wù)艙和一等座。

⑥重置功能:當(dāng)列車(chē)到達(dá)終點(diǎn)站時(shí),對(duì)全列娛樂(lè)終端的功能進(jìn)行重置初始化,防止乘客和乘務(wù)員產(chǎn)生不必要的誤解。同時(shí),當(dāng)服務(wù)呼叫的功能發(fā)生異常時(shí),使用此功能進(jìn)行重置,讓HMI和娛樂(lè)終端回歸初始狀態(tài),使功能回歸正常。

⑦座位號(hào)自適應(yīng):當(dāng)列車(chē)的行駛方向發(fā)生變化后,乘客娛樂(lè)終端所代表的座位號(hào)也會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)在HMI中預(yù)錄不同行車(chē)方向的座位號(hào),HMI將自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)方向的座位號(hào),從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)上下行時(shí)自適應(yīng)座位號(hào)顯示功能。

(三)分車(chē)廂控制應(yīng)用

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)和娛樂(lè)功能相對(duì)單一,通常只向不同車(chē)廂內(nèi)的信息顯示器和客室電視提供統(tǒng)一的服務(wù)文本和視頻內(nèi)容,靈活性和體驗(yàn)性較差[7]。

而在F070項(xiàng)目的信息娛樂(lè)系統(tǒng)中,HMI提供了單車(chē)廂文本信息控制和單車(chē)廂音視頻控制功能。乘務(wù)員可以通過(guò)HMI界面選擇不同車(chē)廂播放各自的文本滾動(dòng)信息和音視頻。此外,HMI還提供了按車(chē)廂類(lèi)型控制的功能,包括旅游車(chē)廂、商務(wù)車(chē)廂和餐車(chē),乘務(wù)員可以根據(jù)不同的車(chē)廂類(lèi)型來(lái)控制相應(yīng)的文本顯示和音視頻播放,從而為不同車(chē)廂的乘客提供不同的乘車(chē)服務(wù)體驗(yàn)。

(四)座位系統(tǒng)自適應(yīng)

F070項(xiàng)目要求對(duì)于不同車(chē)型的座位系統(tǒng)提供不同的座位指示效果,座位顯示的效果包括車(chē)廂號(hào)、座位號(hào)、是否靠窗、文本是否滾動(dòng)和座位號(hào)是否需要閃爍。

不同的車(chē)型代表著不同車(chē)廂具有不同的座位設(shè)備數(shù)量和顯示要求。為了確保對(duì)不同車(chē)型的兼容性,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)配置文件,包含不同車(chē)型的不同要求,用戶可以提前在地面配置不同車(chē)型的座位號(hào)和顯示要求,然后將其導(dǎo)入HMI設(shè)備。HMI通過(guò)接收TCMS發(fā)送的列車(chē)類(lèi)型,自動(dòng)選擇讀取相應(yīng)車(chē)型的座位號(hào),從而自動(dòng)控制不同的座位顯示效果。

同時(shí),系統(tǒng)還為乘務(wù)員預(yù)留了任意修改座位號(hào)的功能,當(dāng)發(fā)現(xiàn)座位號(hào)顯示不對(duì)或者需要調(diào)整座位顯示效果時(shí),乘務(wù)員可以及時(shí)修正座位顯示數(shù)據(jù)。

(五)餐車(chē)屏視頻控制

在餐車(chē)上,F(xiàn)070項(xiàng)目為乘客提供了3合1顯示屏videowall,在國(guó)內(nèi)外高鐵上為首次應(yīng)用,能夠?yàn)槌丝吞峁└尤诵曰某塑?chē)體驗(yàn)。HMI可以控制videowall進(jìn)行整屏視頻播放或分3個(gè)畫(huà)面播放不同的視頻,同時(shí)支持3路1920*1080P的視頻播放,或支持1路3840*1080的視頻播放。

(六)顯示屏參數(shù)控制

為了靈活控制車(chē)內(nèi)外顯示設(shè)備,HMI設(shè)計(jì)融合了不同顯示屏的參數(shù)控制功能。

①文本滾動(dòng)速度:HMI可以控制外顯、內(nèi)顯和客室電視文字,使文本以不同的速度滾動(dòng)。

②亮度設(shè)置:HMI可以調(diào)節(jié)外顯、內(nèi)顯和客室電視的不同亮度值,還可以打開(kāi)或關(guān)閉不同設(shè)備的自動(dòng)感光功能。

③語(yǔ)言控制:HMI可以自由控制終端設(shè)備顯示不同語(yǔ)言的文本信息,以滿足不同國(guó)家的使用需求。

④時(shí)區(qū)控制:為了保證對(duì)不同時(shí)區(qū)的兼容性,HMI在接收列車(chē)網(wǎng)絡(luò)時(shí)總是以接收零時(shí)區(qū)作為基準(zhǔn),然后通過(guò)圖13所示時(shí)區(qū)操作按鈕自由調(diào)節(jié)時(shí)區(qū)。

五、結(jié)束語(yǔ)

西班牙F070高鐵信息娛樂(lè)系統(tǒng)采用了新型HMI設(shè)計(jì),在滿足高鐵旅客信息基礎(chǔ)應(yīng)用需求的前提下,提供了智能化、個(gè)性化和人性化的服務(wù)功能。通過(guò)MQTT服務(wù)搭建穩(wěn)定可靠且易于擴(kuò)展的通信架構(gòu);通過(guò)設(shè)計(jì)服務(wù)呼叫功能完成乘務(wù)員與乘客之間的服務(wù)交互;通過(guò)提供單節(jié)車(chē)廂和按車(chē)廂類(lèi)型分類(lèi)的文本與音視頻控制來(lái)為不同用戶提供不同的乘車(chē)體驗(yàn);通過(guò)餐車(chē)3合1融合屏實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的大屏顯示效果;通過(guò)精細(xì)化控制完成對(duì)不同設(shè)備的滾動(dòng)速度、亮度和語(yǔ)言的控制。新型HMI的設(shè)計(jì)具有通用性和可擴(kuò)展性,對(duì)于國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息和娛樂(lè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠起到一定的借鑒作用。

作者單位:張偉 中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司 電氣電子事業(yè)部

旅客信息系統(tǒng)主要為高鐵列車(chē)用戶提供出行服務(wù),人機(jī)交互接口 (HMI, Human Machine Interface) 作為高鐵列車(chē)旅客信息系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器[1],主要具有如下功能:

①信息顯示。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)外信息顯示器完成行車(chē)線路的信息顯示。

②自動(dòng)報(bào)站。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)語(yǔ)音廣播完成對(duì)站點(diǎn)線路信息的提示。

③內(nèi)部通訊。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)電話和報(bào)警器等通信設(shè)備完成車(chē)內(nèi)通訊聯(lián)絡(luò)功能。

④系統(tǒng)間通訊。通過(guò)MVB或CAN總線方式完成與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的信息交互。

⑤娛樂(lè)控制。通過(guò)控制車(chē)內(nèi)電視和揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)視頻、音樂(lè)等娛樂(lè)節(jié)目的播放。

此外,國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)主機(jī)和娛樂(lè)系統(tǒng)主機(jī)一般采用分離設(shè)計(jì),以滿足獨(dú)立設(shè)計(jì)以及對(duì)旅客信息系統(tǒng)和娛樂(lè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求。

基于用戶與人文習(xí)慣,海外高鐵項(xiàng)目在旅客信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與國(guó)內(nèi)高鐵存在較大差異。西班牙F070高鐵作為西班牙高鐵市場(chǎng)創(chuàng)新項(xiàng)目之一,與傳統(tǒng)的旅客信息系統(tǒng)相比,采用的新型信息娛樂(lè)系統(tǒng)主機(jī)具有如下功能:

①海思平臺(tái)設(shè)計(jì)。采用國(guó)產(chǎn)化海思3536作為主控芯片,避免出口海外產(chǎn)品的芯片限制和專(zhuān)利問(wèn)題。

②信息顯示。增加了多樣化的內(nèi)外顯顯示方式和控制模式。

③服務(wù)呼叫。提供了類(lèi)似航空領(lǐng)域的乘客乘車(chē)服務(wù)呼叫功能[2]。

④多媒體功能。提供了多樣化的音視頻播放服務(wù)功能。

⑤座位信息顯示。提供了列車(chē)座位號(hào)的自由編輯與顯示控制功能。

⑥多語(yǔ)言選擇。提供了HMI界面的英語(yǔ)、法語(yǔ)和西班牙語(yǔ)三種語(yǔ)言的顯示以及對(duì)內(nèi)外顯和客室電視等終端設(shè)備顯示不同語(yǔ)言的控制模式。

一、HMI的組成和功能

(一)系統(tǒng)架構(gòu)與外部接口

F070項(xiàng)目信息娛樂(lè)系統(tǒng)由視頻點(diǎn)播系統(tǒng)和旅客信息系統(tǒng)組成。

旅客信息系統(tǒng)由系統(tǒng)控制器(HMI屏)、內(nèi)外顯、車(chē)號(hào)顯示器和客室電視組成,具備內(nèi)外顯顯示功能,與TCMS系統(tǒng)、PA系統(tǒng)、座位系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的交互通信。視頻點(diǎn)播系統(tǒng)由媒體服務(wù)器與娛樂(lè)終端組成,用于為列車(chē)上的乘客提供視頻點(diǎn)播、娛樂(lè)、資訊服務(wù)等多種功能。其中,媒體服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)接入骨干網(wǎng),需要同時(shí)支持視頻娛樂(lè)終端、手機(jī)、PAD、電腦等多種終端的接入。

系統(tǒng)控制器HMI作為信息娛樂(lè)系統(tǒng)的控制核心,與其他設(shè)備之間通過(guò)以太網(wǎng)總線連接,其負(fù)責(zé)協(xié)同視頻點(diǎn)播系統(tǒng)與旅客信息系統(tǒng)交互,以完成整體的調(diào)度和控制功能,其通信拓?fù)淙鐖D1所示。

①列車(chē)控制管理系統(tǒng)(TCMS):HMI接收TCMS的數(shù)據(jù),用于行車(chē)信息管理和旅客信息服務(wù),還可以將信息娛樂(lè)系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備診斷信息發(fā)送給TCMS,用于設(shè)備狀態(tài)查詢和故障診斷。TCMS與HMI之間通過(guò)以太網(wǎng)接口完成數(shù)據(jù)交互。

②公共廣播系統(tǒng)(PA):HMI將線路報(bào)站所需音頻信息和乘務(wù)員服務(wù)音頻信息以數(shù)字音頻流的方式發(fā)送給PA系統(tǒng),再以數(shù)字音頻方式完成聲音的播放。

③地面控制系統(tǒng)(On-Board Platform):HMI接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送文本給內(nèi)顯進(jìn)行顯示;接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送圖片和視頻信息給客室電視顯示。

④座位顯示系統(tǒng)(Seat System):通過(guò)讀取用戶傳輸?shù)紿MI中的座位信息配置文件,HMI將配置信息傳送給座位顯示系統(tǒng),從而完成對(duì)不同車(chē)型不同車(chē)廂座位信息顯示器的控制。

⑤媒體服務(wù)器:媒體服務(wù)器內(nèi)搭建MQTT通信的服務(wù)器,HMI作為MQTT服務(wù)器的客戶端,需要連接媒體服務(wù)器完成與其他MQTT客戶端的信息交互。

⑥信息顯示子系統(tǒng):控制客室電視顯示溫度、速度和廁所服務(wù)等相關(guān)服務(wù)類(lèi)信息;控制車(chē)內(nèi)顯示器顯示車(chē)廂號(hào)、車(chē)次、區(qū)間和下一站等線路信息和禁煙等服務(wù)信息;控制車(chē)外顯示器顯示車(chē)次、車(chē)廂號(hào)、當(dāng)前站、終點(diǎn)站和中途站信息;控制娛樂(lè)終端和手機(jī)移動(dòng)端顯示HMI發(fā)送的線路信息和服務(wù)類(lèi)信息。

(二)HMI的功能

HMI作為信息娛樂(lè)系統(tǒng)的中央控制單元,需要實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客信息系統(tǒng)的管理和控制功能以及對(duì)娛樂(lè)信息的管理功能。主要功能如下:

1.行車(chē)管理:根據(jù)TCMS發(fā)送的門(mén)信號(hào)、GPS坐標(biāo)、列車(chē)行進(jìn)方向、列車(chē)速度等信息,可以觸發(fā)相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)和顯示屏顯示功能,起到引導(dǎo)乘客的作用,完成旅客信息系統(tǒng)的基本功能。

2.服務(wù)呼叫:乘客可以通過(guò)座椅后背娛樂(lè)終端發(fā)起服務(wù)呼叫,HMI接收服務(wù)呼叫指令后,在HMI界面上顯示座位號(hào)和呼叫提示,以便乘務(wù)員及時(shí)為乘客提供服務(wù)。

3.文本與顯示控制:HMI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外顯和客室電視的文字滾動(dòng)速度、顯示亮度和顯示語(yǔ)言的控制,并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同車(chē)廂顯示 不同文本信息的控制功能。

4.多媒體功能:HMI可以滿足對(duì)不同車(chē)廂播放不同音視頻的播放需求,并可按車(chē)廂等級(jí)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)播放。

5.座位顯示功能:HMI可以實(shí)現(xiàn)顯示不同車(chē)型不同車(chē)廂的座位信息的控制功能,還可以在HMI界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)座位信息的實(shí)時(shí)編輯。

二、HMI的硬件設(shè)計(jì)

HMI基于海思平臺(tái)設(shè)計(jì)為一體機(jī)式結(jié)構(gòu),采用“10.1”標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示屏,USB接口在前面板,DB9調(diào)試口、M12網(wǎng)口和電源口在面板下部。主要包括以下模塊:

①電源轉(zhuǎn)換模塊:采用DC110V-DC24V電源模塊,再由24V轉(zhuǎn)化為12V、5V、3.3V、-12V。

②底板接口模塊:底板為載板,主要是對(duì)外提供各種接口,包括USB接口、網(wǎng)口、DB9串行總線接口和LVDS輸出口。其中,USB接口用于用戶更新資源類(lèi)文件,網(wǎng)口用于外部通信,DB9口用于系統(tǒng)調(diào)試,LVDS口用于連接LCD顯示屏輸出圖像畫(huà)面。

③核心板模塊:核心板采用基于Hisi芯片的CPU集成電路,完成對(duì)外圍設(shè)備的控制功能。

④顯示屏模塊:采用“10.1”用 TFT-LCD顯示屏,觸摸屏采用光學(xué)全貼合方式。

三、HMI的軟件設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)環(huán)境和開(kāi)發(fā)平臺(tái)

HMI采用Hisi3536 CPU芯片,基于CortexA17四核操作系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)接口豐富,運(yùn)行效率高,性能穩(wěn)定,能夠提供優(yōu)質(zhì)的視頻和圖像質(zhì)量[3],也能夠避免windows系統(tǒng)帶來(lái)的病毒問(wèn)題和海外產(chǎn)品可能引發(fā)的芯片限制和專(zhuān)利等問(wèn)題。

應(yīng)用軟件采用QT開(kāi)發(fā)。在Linux操作系統(tǒng)下,QT具備良好的可重用性,開(kāi)發(fā)效率高,基于QML的框架可以快速搭建友好的人機(jī)交互界面。同時(shí),QT具備優(yōu)良的跨平臺(tái)特性,代碼移植效率高,可以避免后期平臺(tái)遷移帶來(lái)的兼容性問(wèn)題[4]。

(二)軟件模塊化設(shè)計(jì)

HMI的軟件采用模塊化的開(kāi)發(fā)模式,能夠有效提高軟件開(kāi)發(fā)效率,增強(qiáng)軟件的穩(wěn)定性、可讀性和易維護(hù)性。軟件共分為4層,自上而下進(jìn)行調(diào)用,如圖2所示。在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能,并對(duì)外開(kāi)放公有接口。

①Q(mào)T運(yùn)行庫(kù):QT提供了豐富的功能類(lèi)庫(kù)和人性化的接口封裝。在QT運(yùn)行庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā),可以提高開(kāi)發(fā)效率,縮短開(kāi)發(fā)周期并保證軟件質(zhì)量。

②協(xié)議分析層:包括TCMS通信模塊、MQTT通信模塊、座位信息模塊、PA系統(tǒng)通信模塊、車(chē)內(nèi)外顯示模塊、音視頻播放模塊和地面控制平臺(tái)通信模塊。協(xié)議通信模塊用于與外圍設(shè)備進(jìn)行接口通信和數(shù)據(jù)收發(fā)的協(xié)議解析。

③邏輯處理層:包含自動(dòng)報(bào)站、座位信息配置、行程管理、多媒體配置、車(chē)內(nèi)外顯示和日志記錄六個(gè)邏輯功能模塊。邏輯處理層是一個(gè)中間層,需要接收來(lái)自界面的控制命令完成對(duì)外圍設(shè)備的控制,同時(shí)連接并處理不同通信模塊之間的邏輯關(guān)系,將相應(yīng)的處理結(jié)果上傳到QML人機(jī)交互層。

④QML人機(jī)交互層:人機(jī)操作界面,能夠識(shí)別用戶的操作,產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令,還可以顯示相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)信息和用戶信息。

四、HMI的優(yōu)化提升

(一)基于MQTT的通信服務(wù)

目前,國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)主機(jī)均作為所有設(shè)備的服務(wù)器,外圍子設(shè)備作為客戶端連接旅客信息系統(tǒng)主機(jī)以獲取數(shù)據(jù)信息和控制命令,通訊方式以TCP或UDP為主。然而,此種工作模式導(dǎo)致旅客信息系統(tǒng)主機(jī)負(fù)載繁重,客戶端連接數(shù)量多、通信流量大且穩(wěn)定性差。

MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級(jí)協(xié)議,該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議之上,其最大優(yōu)點(diǎn)在于可以使用極少的代碼和有限的帶寬為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[5]。

F070項(xiàng)目信息娛樂(lè)系統(tǒng)采用媒體服務(wù)器作為MQTT的服務(wù)代理,HMI作為發(fā)布者,只需要將子設(shè)備所需的消息發(fā)布出去,外圍子設(shè)備再根據(jù)自身需求選擇訂閱不同的主題消息即可。此種工作模式減輕了HMI作為服務(wù)器時(shí)的連接數(shù)量處理,并方便對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)量和功能需求擴(kuò)展。當(dāng)外圍設(shè)備增加時(shí),只需要修改外圍設(shè)備,HMI主機(jī)則只需要微小的改動(dòng)甚至不需要改動(dòng),進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(二)乘客服務(wù)呼叫

目前,國(guó)內(nèi)高鐵僅為一等座或商務(wù)座配置相應(yīng)的娛樂(lè)平板,并且?jiàn)蕵?lè)平板僅用于提供音視頻播放等娛樂(lè)功能,無(wú)法實(shí)現(xiàn)與乘務(wù)員室的信息互動(dòng)[6]。而旅客信息系統(tǒng)的控制主機(jī)一般只實(shí)現(xiàn)基本的車(chē)內(nèi)外顯示和自動(dòng)報(bào)站功能,也無(wú)法提供服務(wù)呼叫提示功能,只能靠乘務(wù)員人工輪詢各個(gè)車(chē)廂來(lái)為乘客提供服務(wù),大大降低了乘務(wù)員提供服務(wù)的效率和乘客的乘車(chē)體驗(yàn)。

F070項(xiàng)目的信息娛樂(lè)系統(tǒng)HMI安裝在乘務(wù)員室,娛樂(lè)終端屏安裝在各車(chē)廂乘客座椅后,用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊每個(gè)娛樂(lè)終端界面上的服務(wù)器呼叫按鈕發(fā)起呼叫。HMI接收娛樂(lè)終端發(fā)送的呼叫命令并將用戶的座位號(hào)顯示在界面上,從而提醒乘務(wù)員及時(shí)為乘客提供服務(wù)。主要功能如下:

①座位號(hào)顯示功能:顯示乘客呼叫的車(chē)廂號(hào)與座位號(hào),以便乘務(wù)員及時(shí)定位乘客位置,盡快響應(yīng)乘客的服務(wù)請(qǐng)求。

②服務(wù)呼叫開(kāi)關(guān)功能:乘務(wù)員可以通過(guò)HMI開(kāi)啟和禁用服務(wù)呼叫。當(dāng)乘務(wù)員離開(kāi)時(shí),可以通過(guò)禁用方式告訴乘客當(dāng)前暫時(shí)不能提供服務(wù)。

③整車(chē)響應(yīng)請(qǐng)求:當(dāng)發(fā)起呼叫請(qǐng)求的用戶分散在多個(gè)車(chē)廂時(shí),乘務(wù)員可以通過(guò)整車(chē)響應(yīng)按鈕響應(yīng)乘客請(qǐng)求,然后分別去不同車(chē)廂進(jìn)行服務(wù)。

④按車(chē)廂響應(yīng)請(qǐng)求:當(dāng)發(fā)起服務(wù)呼叫請(qǐng)求的用戶集中于1個(gè)車(chē)廂時(shí),可以通過(guò)按車(chē)廂響應(yīng)按鈕響應(yīng)該車(chē)廂的乘客請(qǐng)求,然后針對(duì)此車(chē)廂進(jìn)行服務(wù)。

⑤按單個(gè)座位響應(yīng)請(qǐng)求:當(dāng)個(gè)別用戶發(fā)起呼叫請(qǐng)求時(shí),乘務(wù)員可以根據(jù)單個(gè)用戶進(jìn)行請(qǐng)求響應(yīng),然后針對(duì)該用戶進(jìn)行服務(wù),此功能多用于商務(wù)艙和一等座。

⑥重置功能:當(dāng)列車(chē)到達(dá)終點(diǎn)站時(shí),對(duì)全列娛樂(lè)終端的功能進(jìn)行重置初始化,防止乘客和乘務(wù)員產(chǎn)生不必要的誤解。同時(shí),當(dāng)服務(wù)呼叫的功能發(fā)生異常時(shí),使用此功能進(jìn)行重置,讓HMI和娛樂(lè)終端回歸初始狀態(tài),使功能回歸正常。

⑦座位號(hào)自適應(yīng):當(dāng)列車(chē)的行駛方向發(fā)生變化后,乘客娛樂(lè)終端所代表的座位號(hào)也會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)在HMI中預(yù)錄不同行車(chē)方向的座位號(hào),HMI將自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)方向的座位號(hào),從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)上下行時(shí)自適應(yīng)座位號(hào)顯示功能。

(三)分車(chē)廂控制應(yīng)用

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)和娛樂(lè)功能相對(duì)單一,通常只向不同車(chē)廂內(nèi)的信息顯示器和客室電視提供統(tǒng)一的服務(wù)文本和視頻內(nèi)容,靈活性和體驗(yàn)性較差[7]。

而在F070項(xiàng)目的信息娛樂(lè)系統(tǒng)中,HMI提供了單車(chē)廂文本信息控制和單車(chē)廂音視頻控制功能。乘務(wù)員可以通過(guò)HMI界面選擇不同車(chē)廂播放各自的文本滾動(dòng)信息和音視頻。此外,HMI還提供了按車(chē)廂類(lèi)型控制的功能,包括旅游車(chē)廂、商務(wù)車(chē)廂和餐車(chē),乘務(wù)員可以根據(jù)不同的車(chē)廂類(lèi)型來(lái)控制相應(yīng)的文本顯示和音視頻播放,從而為不同車(chē)廂的乘客提供不同的乘車(chē)服務(wù)體驗(yàn)。

(四)座位系統(tǒng)自適應(yīng)

F070項(xiàng)目要求對(duì)于不同車(chē)型的座位系統(tǒng)提供不同的座位指示效果,座位顯示的效果包括車(chē)廂號(hào)、座位號(hào)、是否靠窗、文本是否滾動(dòng)和座位號(hào)是否需要閃爍。

不同的車(chē)型代表著不同車(chē)廂具有不同的座位設(shè)備數(shù)量和顯示要求。為了確保對(duì)不同車(chē)型的兼容性,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)配置文件,包含不同車(chē)型的不同要求,用戶可以提前在地面配置不同車(chē)型的座位號(hào)和顯示要求,然后將其導(dǎo)入HMI設(shè)備。HMI通過(guò)接收TCMS發(fā)送的列車(chē)類(lèi)型,自動(dòng)選擇讀取相應(yīng)車(chē)型的座位號(hào),從而自動(dòng)控制不同的座位顯示效果。

同時(shí),系統(tǒng)還為乘務(wù)員預(yù)留了任意修改座位號(hào)的功能,當(dāng)發(fā)現(xiàn)座位號(hào)顯示不對(duì)或者需要調(diào)整座位顯示效果時(shí),乘務(wù)員可以及時(shí)修正座位顯示數(shù)據(jù)。

(五)餐車(chē)屏視頻控制

在餐車(chē)上,F(xiàn)070項(xiàng)目為乘客提供了3合1顯示屏videowall,在國(guó)內(nèi)外高鐵上為首次應(yīng)用,能夠?yàn)槌丝吞峁└尤诵曰某塑?chē)體驗(yàn)。HMI可以控制videowall進(jìn)行整屏視頻播放或分3個(gè)畫(huà)面播放不同的視頻,同時(shí)支持3路1920*1080P的視頻播放,或支持1路3840*1080的視頻播放。

(六)顯示屏參數(shù)控制

為了靈活控制車(chē)內(nèi)外顯示設(shè)備,HMI設(shè)計(jì)融合了不同顯示屏的參數(shù)控制功能。

①文本滾動(dòng)速度:HMI可以控制外顯、內(nèi)顯和客室電視文字,使文本以不同的速度滾動(dòng)。

②亮度設(shè)置:HMI可以調(diào)節(jié)外顯、內(nèi)顯和客室電視的不同亮度值,還可以打開(kāi)或關(guān)閉不同設(shè)備的自動(dòng)感光功能。

③語(yǔ)言控制:HMI可以自由控制終端設(shè)備顯示不同語(yǔ)言的文本信息,以滿足不同國(guó)家的使用需求。

④時(shí)區(qū)控制:為了保證對(duì)不同時(shí)區(qū)的兼容性,HMI在接收列車(chē)網(wǎng)絡(luò)時(shí)總是以接收零時(shí)區(qū)作為基準(zhǔn),然后通過(guò)圖13所示時(shí)區(qū)操作按鈕自由調(diào)節(jié)時(shí)區(qū)。

五、結(jié)束語(yǔ)

西班牙F070高鐵信息娛樂(lè)系統(tǒng)采用了新型HMI設(shè)計(jì),在滿足高鐵旅客信息基礎(chǔ)應(yīng)用需求的前提下,提供了智能化、個(gè)性化和人性化的服務(wù)功能。通過(guò)MQTT服務(wù)搭建穩(wěn)定可靠且易于擴(kuò)展的通信架構(gòu);通過(guò)設(shè)計(jì)服務(wù)呼叫功能完成乘務(wù)員與乘客之間的服務(wù)交互;通過(guò)提供單節(jié)車(chē)廂和按車(chē)廂類(lèi)型分類(lèi)的文本與音視頻控制來(lái)為不同用戶提供不同的乘車(chē)體驗(yàn);通過(guò)餐車(chē)3合1融合屏實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的大屏顯示效果;通過(guò)精細(xì)化控制完成對(duì)不同設(shè)備的滾動(dòng)速度、亮度和語(yǔ)言的控制。新型HMI的設(shè)計(jì)具有通用性和可擴(kuò)展性,對(duì)于國(guó)內(nèi)高鐵旅客信息和娛樂(lè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠起到一定的借鑒作用。

作者單位:張偉 中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司 電氣電子事業(yè)部

張偉(1988.11-),男,漢族,山東淄博,碩士,工程師,研究方向:鐵路旅客信息系統(tǒng)。

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