智能交通系統(tǒng)中的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)中人與機(jī)器之間的靈活交互，分析人機(jī)界面的功能，詳細(xì)介紹了智能交通系統(tǒng)中基于多平臺(tái)的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)過(guò)程。闡述了ARM－uClinux系統(tǒng)軟件構(gòu)架以及如何在進(jìn)程間傳遞信息以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程協(xié)調(diào)工作。設(shè)計(jì)了基于短消息服務(wù)人機(jī)交互方法。鑒于Web服務(wù)的廣泛性，提出了Web服務(wù)作為另一種交互平臺(tái)，在智能交通人機(jī)界面應(yīng)用的可行性和實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果證明，基于多平臺(tái)的人機(jī)界面的可靠性，并可以改善智能交通系統(tǒng)的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng); 人機(jī)交互; Linux進(jìn)程間通信; 短消息服務(wù)

中圖分類號(hào)：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)12-0246-03

現(xiàn)有的城市交通方式中，地鐵、輕軌、公共汽車等密集公共交通系統(tǒng)在空間和時(shí)間上缺乏靈活性；私人汽車過(guò)度使用造成交通堵塞，能源大量消耗，在使用上存在一定的局限性（并非任何人都會(huì)駕駛）。為了彌補(bǔ)密集公共交通和非機(jī)動(dòng)交通的不足，在歐盟和國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，由上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所研究的CyberC3(cybernetic technologies for cars in Chinese cities)項(xiàng)目，即自動(dòng)控制技術(shù)在中國(guó)城市交通車輛系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠提供一套可運(yùn)行的無(wú)人駕駛道路交通系統(tǒng)。

人機(jī)界面是涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和人因工程學(xué)等的交叉學(xué)科。以人為本的人機(jī)界面設(shè)計(jì)思想力圖通過(guò)對(duì)人機(jī)交互中任務(wù)模型、個(gè)體行為、用戶模型等要素進(jìn)行分析研究，縮短人與計(jì)算機(jī)之間的認(rèn)知距離，提供更友好的服務(wù)。

傳統(tǒng)交通系統(tǒng)中，乘客與交通工具之間基本沒(méi)有交互，不能為乘客提供人性化和個(gè)性化的服務(wù)。智能交通系統(tǒng)中的人機(jī)交互系統(tǒng)提供一個(gè)人與機(jī)器溝通的渠道。它由人機(jī)界面、通信介質(zhì)、中央控制室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。其中人機(jī)界面直接決定了智能交通系統(tǒng)能夠提供的服務(wù)質(zhì)量。智能交通系統(tǒng)中，車輛在運(yùn)營(yíng)線路里自動(dòng)駕駛，乘客可通過(guò)固定站點(diǎn)的人機(jī)界面向中央控制室發(fā)出乘車請(qǐng)求，亦可通過(guò)SMS方式，按照規(guī)定的格式向中央控制室發(fā)出短消息來(lái)呼叫車輛；更廣泛的，乘客可通過(guò)Web服務(wù)在世界的任何角落預(yù)訂將來(lái)的某個(gè)時(shí)間使用智能交通系統(tǒng)。人機(jī)交互系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1基于ARM－uClinux系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

S3C44B0X是三星公司基于ARM7TDMI內(nèi)核推出的RISC處理器芯片，片內(nèi)無(wú)內(nèi)存控制器（MMU），自帶8 KB cache、LCD控制器、2通道UART、4通道DMA、8通道12位ADC、RTC、IIC/IIS總線、SIO和成對(duì)時(shí)鐘的PLL等，可工作在64 MHz頻率下，實(shí)現(xiàn)31．84 M BogoMIPS的運(yùn)算速度^[2]。

uClinux是micro－control－Linux，可理解為“面向微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)”。其開(kāi)放源代碼。uClinux內(nèi)核采用對(duì)libc作了精簡(jiǎn)而得的uClibc，模塊化的設(shè)計(jì)使它通過(guò)對(duì)內(nèi)核的重新配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行所需要資源的最小化。uClinux自帶了完整的TCP/IP協(xié)議棧，方便基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。uClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux的最大區(qū)別就在于內(nèi)存管理，它去除了標(biāo)準(zhǔn)Linux的虛擬存儲(chǔ)器管理功能，既減小了內(nèi)核的體積，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能^[3]。

基于ARM－uClinux系統(tǒng)的人機(jī)界面安裝于固定的車站。乘客可通過(guò)該人機(jī)界面向中央控制室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出乘車請(qǐng)求，中央控制室在收到該請(qǐng)求時(shí)，將該信息記錄于本地乘客需求數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)當(dāng)前車輛運(yùn)行狀態(tài)和乘客需求情況作出派遣決策；作為人機(jī)交互的回饋，中央控制室及時(shí)通過(guò)人機(jī)界面提供當(dāng)前的交通運(yùn)營(yíng)信息，乘客可通過(guò)人機(jī)界面得知預(yù)訂的車輛最快到達(dá)時(shí)間等信息。為實(shí)現(xiàn)這些功能，人機(jī)界面必須具備識(shí)別乘客請(qǐng)求的能力、與中央控制室計(jì)算機(jī)通信的能力、將交通信息顯示出來(lái)的能力等。在本文的工作中，筆者在車站人機(jī)界面與中央控制室之間架設(shè)了局域網(wǎng)，車站人機(jī)界面采用按鈕作為乘客發(fā)出請(qǐng)求的媒質(zhì)，采用點(diǎn)陣式液晶顯示屏（LCD）作為顯示接口，從而形成可實(shí)現(xiàn)預(yù)訂功能的基本平臺(tái)。該平臺(tái)上運(yùn)行的軟件構(gòu)架如圖2所示。

在ARM－uClinux系統(tǒng)中，uClinux內(nèi)核（包含顯示LCD的驅(qū)動(dòng)程序）存放于norFlash，改flash上的文件系統(tǒng)為Romfs文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)速度快、穩(wěn)定可靠，但只能讀。JFFS2是由Red Hat公司開(kāi)發(fā)專門面向flash設(shè)備的日志文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立在Axis通信公司的JFFS的基礎(chǔ)之上，可實(shí)現(xiàn)文件在flash介質(zhì)上的讀和寫。在uClinux啟動(dòng)完成后，自動(dòng)掛載nandFlash中的JFFS2文件系統(tǒng)，讀取其中的shell腳本和應(yīng)用程序，并通過(guò)該腳本啟動(dòng)四個(gè)主要的進(jìn)程，即uRecoSend、 uTTYs1、urFIFOsNet和urNetsFIFO。由于需要在不同的進(jìn)程間傳遞信息，以協(xié)同工作，故需要采用Linux進(jìn)程間通信機(jī)制。Linux進(jìn)程間通信機(jī)制主要有：

a）無(wú)名管道及有名管道（pipe）。前者用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信，后者允許無(wú)親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。

b）信號(hào)（signal）?；诙x好的信號(hào)集合，用于通知接受進(jìn)程（自身或其他進(jìn)程）有某種事件發(fā)生。

c）消息隊(duì)列（message FIFO）。用于在被賦予權(quán)限的進(jìn)程間通過(guò)隊(duì)列的方式傳遞少量的消息。

d）共享內(nèi)存（shared memory）。使多個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)同一塊內(nèi)存空間，是最快的可用IPC形式。

e）信號(hào)量（semaphore）。協(xié)調(diào)資源的訪問(wèn)，作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程不同線程之間的同步手段^[4]。

本系統(tǒng)中需要在非親緣關(guān)系的進(jìn)程間傳遞小數(shù)據(jù)量的信息，選用其中的命名管道方式。于是分別建立三個(gè)命名管道，即FIFO_TTYS、FIFO_NETI和FIFO_NETO。

S3C44B0X一共有71個(gè)通用可編程I/O口，大多是功能復(fù)用的端口。由于不用IIC/IIS總線，選用其中的GPF0、1、5、6、7、8口作為按鈕的輸入口。uRecoSend以固定的時(shí)間間隔檢測(cè)按鈕對(duì)應(yīng)管腳的狀態(tài)，以識(shí)別用戶的請(qǐng)求，并在間隔時(shí)間內(nèi)通過(guò)usleep函數(shù)掛起進(jìn)程，讓出CPU控制權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)。uTTYs1負(fù)責(zé)從命名管道中讀取一條消息，并將消息寫入運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)的LCD驅(qū)動(dòng)程序，由LCD驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)LCD的刷新和動(dòng)態(tài)顯示。urFIFOsNet負(fù)責(zé)從命名管道中讀取信息，并將該信息通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送到遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)。urNetsFIFO負(fù)責(zé)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接收信息，并將給信息寫入命名管道。多任務(wù)協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)了基于ARM－uClinux的人機(jī)界面功能。

2基于SMS的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

SMS(short message service，短消息服務(wù)）就是通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)提供的傳輸有限長(zhǎng)度的文本數(shù)字或文字信息的服務(wù)。這種信息的傳輸是在GSM手機(jī)之間或手機(jī)與其他短消息實(shí)體之間通過(guò)業(yè)務(wù)中心進(jìn)行文字信息收發(fā)實(shí)現(xiàn)的。為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與GSM網(wǎng)絡(luò)的通信，采用西門子MC35i的GPRS模塊，該modem模塊與計(jì)算機(jī)通過(guò)RS－232通信，支持雙頻900/1800 MHz，支持文本和PDU(protocol description unit)編碼方式。文本模式是基于字符的協(xié)議，應(yīng)用將消息按簡(jiǎn)單文本傳遞到手機(jī)組成TPDU，它僅支持英文字符。PDU模式將組裝短消息TPDU的任務(wù)留給應(yīng)用完成，比起文本模式可以提供更為強(qiáng)大的功能，但其較文本模式復(fù)雜。

AT指令是Hayes公司建立的對(duì)modem進(jìn)行操作的指令集，現(xiàn)已成為所有modem事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的modem均支持AT指令集。通過(guò)AT命令可設(shè)置SMS中心號(hào)碼，查詢、讀取、發(fā)送短消息。

人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要工作在于開(kāi)發(fā)與modem通信的軟件，基于此實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。該人機(jī)界面提供用戶通過(guò)手機(jī)短信呼叫車輛的接口，故需要約定短信的格式?？紤]到短消息的長(zhǎng)度和信息量的需要，本文采用了如下的格式：[CC預(yù)訂人姓名YYYYMMDD(預(yù)訂日期) HHMM(預(yù)訂時(shí)間) 上海(起始站點(diǎn)) 北京(目標(biāo)站點(diǎn)) 2(人數(shù)) 附言]。SMS服務(wù)軟件運(yùn)行的流程圖如圖3所示。

在收到用戶發(fā)出的正確呼叫請(qǐng)求后，SMS軟件將用戶發(fā)來(lái)的信息重新組織，形成確認(rèn)消息，并附加一個(gè)該請(qǐng)求的序列號(hào)，用戶可根據(jù)該序列號(hào)刪除掉該請(qǐng)求。用戶也可以用其他平臺(tái)（如接下來(lái)的基于Web服務(wù)的人機(jī)界面）查詢、修改、刪除已經(jīng)發(fā)出的呼叫請(qǐng)求。

3基于Web服務(wù)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

Web服務(wù)是一種可以用來(lái)解決跨網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用集成問(wèn)題的開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了最廣泛的應(yīng)用軟件集成，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)模型的限制。Web服務(wù)的主要特點(diǎn)之一是，客戶端訪問(wèn)Web服務(wù)只需要通過(guò)因特網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如HTTP或XML，以及SOAP，不需要專門的協(xié)議，如RPC或IIOP。因?yàn)镠TTP協(xié)議和XML都是與平臺(tái)無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以被任何主流操作系統(tǒng)正確理解和解釋。用戶可以通過(guò)個(gè)人電腦或帶有Web瀏覽功能的智能終端訪問(wèn)服務(wù)站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的功能。

為了能夠根據(jù)不同的用戶動(dòng)態(tài)的生成與之相關(guān)的網(wǎng)頁(yè)，需要使用到動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)。JSP（Java server pages）是由Sun Microsystems公司倡導(dǎo)、許多公司參與建立的一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Web服務(wù)器在遇到訪問(wèn)JSP網(wǎng)頁(yè)的請(qǐng)求時(shí)，首先執(zhí)行其中的程序段，然后將執(zhí)行結(jié)果連同JSP文件中的HTML代碼一起返回給客戶。插入的Java程序段可以操作數(shù)據(jù)庫(kù)、重新定向網(wǎng)頁(yè)等，以實(shí)現(xiàn)建立動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)所需要的功能^[7]。

基于Web服務(wù)的人機(jī)界面由一系列JSP網(wǎng)頁(yè)構(gòu)成Web站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。筆者采用開(kāi)源的Apache軟件作為Web服務(wù)器，Tomcat作為JSP容器，MySQL作為后臺(tái)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。每個(gè)JSP網(wǎng)頁(yè)基本均需連接和操作數(shù)據(jù)庫(kù)，所以需添加如下代碼：

〈%@ page import=\"java.sql.*\" %〉

〈%@ page import=\"java.util.*\" %〉

〈%@ page import=\"java.io.*\" %〉

〈%@ page import=\"java.text.DateFormat\" %〉

〈%@ page contentType=\"text/html;charset=GB2312\" %〉

〈%

Class.forName(\"org.gjt.mm.mysql.Driver\").newInstance();

String url =

\"jdbc:mysql://localhost/cyberc3?user=rootpassword=root\";

Connection conn= DriverManager.getConnection(url);

Statement stmt=conn.createStatement(ResultSet.TYPE_SCROLL_SENSITIVE，ResultSet.CONCUR_UPDATABLE);

%〉

用戶可以通過(guò)本地瀏覽器訪問(wèn)智能交通網(wǎng)絡(luò)人機(jī)界面的站點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)人機(jī)界面提供給用戶注冊(cè)用戶、呼叫車輛、查詢記錄，跨平臺(tái)查詢修改的接口。用戶登錄網(wǎng)絡(luò)人界面后，可進(jìn)入呼叫界面，如圖4所示。

在該交互頁(yè)面中，采用JavaScript腳本檢查用戶的輸入是否合法，并給予適當(dāng)提示。用戶可根據(jù)智能交通運(yùn)行的線路圖，預(yù)訂某具體時(shí)間使用智能交通系統(tǒng)的源站點(diǎn)和目標(biāo)站點(diǎn)。對(duì)于智能交通人機(jī)界面本身的不足，也可以通過(guò)用戶留言提交給智能交通系統(tǒng)管理員，從而提供更完善的人機(jī)交互服務(wù)。

4多平臺(tái)人機(jī)界面的數(shù)據(jù)共享

智能交通系統(tǒng)人機(jī)界面基于不同的平臺(tái)。為了便于管理和方便用戶，需要在不同平臺(tái)之間共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是以某種文件結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的一系列信息表。采用運(yùn)行于后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為共享數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)，為各平臺(tái)提供存儲(chǔ)、查詢、刪除等功能接口。中央控制室基于C#開(kāi)發(fā)的管理員軟件負(fù)責(zé)與ARM－uClinux人機(jī)界面通信，C#軟件可以通過(guò)ADO.NET應(yīng)用程序接口連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)?；赟MS的人機(jī)界面的服務(wù)軟件基于Visual C++開(kāi)發(fā)，可以通過(guò)開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互連（ODBC）方式連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)?；赪eb服務(wù)的人機(jī)界面使用JSP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，故采用Java數(shù)據(jù)庫(kù)連接（JDBC）接口連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。管理員可以通過(guò)MySQL的外殼，以控制臺(tái)的方式，管理共享數(shù)據(jù)庫(kù)。整個(gè)數(shù)據(jù)共享的軟件層次如圖5所示。

中央控制室管理員在MySQL的外殼上通過(guò)SQL語(yǔ)句建立表cyberc3_user_table和user_request_table。前者用于存放智能交通所有注冊(cè)用戶的信息；后者存放用戶通過(guò)各平臺(tái)發(fā)來(lái)呼叫請(qǐng)求和相關(guān)信息。多平臺(tái)在中央控制室計(jì)算機(jī)上的服務(wù)程序?qū)⑵浣邮盏降挠脩粽?qǐng)求寫入user_request_table，故而可以統(tǒng)一管理。

5結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)中，基于ARM－uClinux平臺(tái)的人機(jī)界面可以準(zhǔn)確識(shí)別乘客的呼叫請(qǐng)求并提示乘客，來(lái)自中央控制室的交通信息也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至車站人機(jī)界面并顯示。基于SMS平臺(tái)的人機(jī)界面可以通過(guò)公用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中央控制室與用戶之間的交互。用戶也可以通過(guò)個(gè)人電腦的瀏覽器訪問(wèn)和使用智能交通的網(wǎng)絡(luò)人機(jī)界面。乘客也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)人機(jī)界面查詢和修改來(lái)自于各平臺(tái)的呼叫請(qǐng)求。實(shí)驗(yàn)證明了基于多平臺(tái)人機(jī)界面的可行性。為適應(yīng)大規(guī)模的更廣泛的應(yīng)用，該人機(jī)界面的功能還需進(jìn)一步完善。

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