基于Linux的地鐵列車車載監控顯示系統仿真的研究

金祝飛，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

基于Linux的地鐵列車車載監控顯示系統仿真的研究

金祝飛，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

地鐵列車車載監控顯示系統是車載乘客信息系統的重要子系統，它集信息播報、視頻監控、緊急呼叫等多項功能于一體。本文在構建Linux操作系統的基礎上，實現了列車車載監控顯示系統的仿真，并重點通過OpenSceneGraph三維渲染引擎對列車車廂視頻監控進行仿真。

監控顯示系統；Linux；仿真

軌道交通在滿足乘客基本需求的同時，如何提高服務質量就顯得極為重要。因此，乘客信息系統（ PIS，Passenger Information System）越來越受到重視。列車車載PIS提供了站點播報、導乘、廣告資訊等一體化訊息，提高了軌道交通的服務水平。而車載監控顯示系統（MDS，Monitor Display System）是車載PIS的重要組成部分。在行車過程中，可以通過MDS播報語音信息，LED顯示信息、列車狀態信息和車廂視頻監控等信息。在緊急情況下，乘客還可以和列車駕駛員進行緊急通話。對于MDS的仿真，可以完善列車駕駛模擬器的功能，提高駕駛員培訓的效率。

1 PIS概述

MDS是車載PIS的重要組成部分，它運用各種現代化手段對車載設備信息進行狀態監測、故障診斷、集中控制調節等功能，通過MDS還可以知道列車的運行狀態，如當前的速度、溫度等。因此，地鐵列車需要一套完善的MDS來更好的服務于列車的安全和高效運行。

1.1 車載PIS組成

PIS是依托多媒體網絡技術，以計算機技術為核心，以地鐵車站和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統。PIS主要由控制中心PIS、車站PIS、車載PIS及網絡子系統構成。車載PIS主要包括以下幾個部分：

（1）系統控制主機（PISC）

PISC用于執行PIS的控制指令，實現與列車控制與管理系統的通信功能，實時監測設備狀態信息，當收到系統設備異常信息時即進行記錄，并將故障、異常信息上傳到列車控制與管理系統。

（2）司機室監控顯示屏（MDS）

MDS主要用于接收和顯示視頻信息及輸出控制指令。

（3）廣播控制盒（DACU）

DACU主要用于執行司機對講、緊急對講和人工廣播功能。司機可輔助于MDS執行緊急報警對講功能，也可獨立執行人工對講操作。

（4）其他外圍設備

外圍設備包括監控攝像頭、交換機等，用于畫面捕捉，數據交換。車載PIS在DT車（帶司機室和受電弓的拖車）中的結構如圖1所示。

圖1 車載PIS結構圖

1.2 車載MDS功能

地鐵中的前后兩個駕駛室內分別裝有一個MDS，通常前進方向的MDS是處于可操作狀態的，而且前后兩個駕駛室內的MDS的功能應該完全相同。根據實際列車運行時的各種情況，將MDS實現的主要功能描述如下。

1.2.1 動態地圖

MDS動態地圖顯示整條運行線路，當前站，下一站等信息。

1.2.2 視頻監控功能

視頻監控可以將司機室和客室狀態的圖像信息傳遞到MDS，將信息記錄在視頻存儲器上，并可以通過檢索查詢歷史圖像。

1.2.3 視頻播放功能

通過車站PIS系統統一發送的視頻信息可以在視頻播放模塊中進行播放，完善運控中心向列車發布消息功能。

1.2.4 緊急報警電話功能

當發生緊急情況時，乘客撥通緊急報警電話，在MDS中會顯示報警點位置，并通過對講攝像頭顯示乘客當前狀態信息并與之通話。

1.2.5 系統設置

通過語言、日期等設置實現對列車的系統設置。

1.2.6 列車自檢

通過列車的自檢，在MDS中顯示列車的狀態信息，如綠色代表正常，紅色代表錯誤。確保列車安全運行，方便列車維修。

2 車載MDS環境搭建

本文研究的主要對象是基于印度孟買地鐵一號線列車駕駛模擬仿真系統上的MDS，因此，圍繞對方的技術要求和指標，在硬件和軟件上做以下研究。

2.1 車載MDS硬件環境

車載MDS的仿真采用嵌入Intel Atom N2800雙核處理器的EPIC-N26主板。通過附加電源供電，處理器主頻為1.86 GHz，搭配Intel NM10高速芯片組，內置Intel GMA3650顯示控制器，支持2.0 GB DDR3 SDRAM。主板提供VGA、HDMI接口顯示輸出，包含2個USB2.0接口，一個SATA接口，6個RS232串口，支持PS/2鍵盤和鼠標接入。

2.2 車載MDS軟件環境搭建

操作系統關系到硬件與上層驅動之間的通信，而且還是應用程序的承載平臺，對于系統的穩定起到關鍵作用。Linux操作系統具有免費、可移植、開放源代碼、安全穩定、開關機速度快、系統內核小、可以最大程度的利用硬件等一系列的優點。Linux不僅可以運行在Intel架構，還可以運行于PowerPC、ARM、MIPS、Alpha等架構。在工控計算機領域有著廣泛的應用。本研究采用Ubuntu作為操作系統，并成功設置環境變量。

Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面。支持Windows、UNIX/Linux、Mac OS X等主流操作系統。其良好的封裝機制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好。信號/槽機制替代回調的通信方式，使得各個組件之間的協同工作變得十分簡單。因此，在Ubuntu操作系統下選擇Qt跨平臺開發框架。

3 MDS界面仿真實現

本文實現的駕駛模擬器MDS界面仿真，是滿足列車實際運行下的廣播播報、消息發布、視頻監控等功能。對于MDS界面的實現是研究的基礎，而對于視頻監控的仿真則是研究的重點。

3.1 MDS基本功能仿真

3.1.1 Qt的應用

Qt的核心機制是信號/槽機制，一個信號可以對應一個或者多個槽。同樣，一個或者多個信號可以對應一個槽，即不同的消息可以使用同一段代碼，信號/槽機制結合事件機制可以在低層修改事件響應，完成觸摸屏點擊事件的仿真。

Linux系統字庫中不存在MDS界面的字體。由于Ubuntu支持TrueTypeFont字庫，把需要的字庫復制到Ubuntu操作系統字庫中并進行安裝，通過QFont font（BankGothic Md BT）選中字體然后對于字體的大小顏色等設置，并應用于整個MDS仿真界面。

有效的利用Qt的資源機制。把MDS素材復制到工程目錄下，并在項目中新建Qt資源項，并在素材加入資源項文件夾中，通過運用QPixmap類來引用資源。

3.1.2 實現MDS基本功能

用Qt實現的MDS界面的基本功能包括自動報站、媒體播放、列車狀態顯示、系統設置等功能。

在自動報站功能界面，屏幕上方顯示列車的起始站、當前站、以及終點站，屏幕中間顯示了列車的所有站點信息，當前站用黃色圓圈表示，其實用綠色圓圈表示，在正常情況下，程序接受來自列車自動控制（ATC，Automatic Train Control）的消息進行報站，當遇到特殊情況比如該站不停車時，司機通過操作MDS上具體的信息播報選項來改變某一站點的播報選項。

在媒體播放功能界面，可以播放預先存儲的.MP3、.MPG格式文件；在狀態顯示界面，可以點擊車廂號查看各個車廂狀態信息，若信息顯示為綠色，則說明列車各部分狀態正常；在系統設置界面，可以設置列車車廂編組數、語言、時間以及功能測試等。

在對車載MDS基本功能進行仿真時，車載MDS實時讀取PISC傳來數據并做相應的顯示，需要多重復雜的繪制操作，這樣勢必導致呈現的圖像閃爍或具有其他不可接受的外觀。雙緩沖使用內存緩沖區來解決由多重繪制操作造成的閃爍問題。當啟用雙緩沖時，所有繪制操作首先呈現到內存緩沖區，而不是屏幕上的繪圖圖面。所有繪制操作完成后，內存緩沖區直接復制到與其關聯的繪圖圖面。因為在屏幕上只執行一個圖形操作，所以消除了由復雜繪制操作造成的圖像閃爍。雙緩沖實現過程如圖2所示。

圖2 雙緩沖過程

這樣，通過雙緩沖技術實現了MDS基本功能的繪制，MDS界面自動報站功能如圖3所示。

圖3 MDS界面自動報站功能

3.2 實現視頻監控仿真

3.2.1 OSG簡介

OSG是開源跨平臺的C++圖形開發包，主要為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化功能，被廣泛應用于虛擬現實、虛擬仿真、科學和工程可視化等領域。它以OpenGL為低層平臺，可運行于Windows、UNIX/Linux、Mac OS X、IRIX、Solaris等操作系統。OSG的核心代碼支持多種場景裁剪技術(Culling)、細節層次節點（LOD）、渲染狀態排序（State Sort）、頂點數組以及粒子系統、陰影系統、雨雪、火焰煙霧等特效，場景動態調度、多線程渲染等各種機制。對于MDS視頻監控的仿真，主要是地鐵車廂模型的建立以及OSG的渲染過程。

3.2.2 場景模型生成

場景模型是仿真活動的基礎，建模是虛擬仿真系統構建過程中必不可少的環節，一個高質量的模型運行起來以后會使用戶有很強的沉浸感。采用建模軟件Creator建立車廂模型。

3.2.3 OSG渲染過程

OSG通過組織節點導入大多數常用的模型文件格式，如.flt、.3ds、.obj格式等，把節點加入到場景，實現對場景的漫游操作，PATH調用，錄像，回放等功能，最后經過裁剪、優化、LOD等技術進行渲染，其流程圖如圖4所示。

在OSG渲染過程中，通過適當的設置光照參數，才能正確地顯示出幾何圖形表面的紋理、材質以及顏色信息，使視景仿真更加真實，增加人們對虛擬世界的沉浸感。OSG全面支持OpenGL的光照特性，包括材質屬性、光照屬性和光照模型。在本文的渲染過程中，使用了一個GL_LIGHT0光源對車廂進行照明，對其參數進行設置的步驟如下：

（1）計算出整個車廂包圍盒的中心點和直徑；

（2）設置LIGHT對象的參數，包括光照方向、光源位置、環境光的顏色、散射光的顏色、設置恒定衰減系數。

設置好這些參數后，運行程序，可以看到車廂中有了光照效果，更接近列車真實情況。

在OSG渲染過程中，為了仿真客室攝像頭以及對講監控攝像頭，必須在屏幕窗口內定義一個視口，視景投影后的圖形會在各個視口中顯示。OSG產生的目標場景圖的變換過程類似于用相機進行拍照，步驟如圖5所示。

圖4 場景的基本渲染流程

圖5 三維圖像顯示流程圖

在一個逼真的虛擬場景里，會有很多動態變化。OSG中有幀動畫、骨骼動畫等可以實現這些變化。若是用.flt格式的模型，則可以通過自由度（DOF）節點來控制其運動。這樣，只需在Creator建模時建立DOF節點，并將運動的路徑設置好，在OSG中便可直接調用。

在編程中需用到訪問器。訪問器的設計允許用戶將某個特定節點的指定函數應用到當前場景遍歷的所有此類節點中。可以從基類osg:: NodeVisitor派生一個特定的節點訪問器。這個類需要一個std::string變量，用于搜索的有名節點進行字符串比較。一個節點列表變量（std::vector），用于保存符合搜索字符串的所有節點。

通過視圖位置的選擇和DOF的應用，模擬了車廂客室攝像頭和報警攝像頭的畫面，實現了車廂中的視頻監控仿真，如圖6所示。

圖6 車廂中視頻監控仿真圖

4 結束語

通過利用Linux操作系統的獨特優勢，在其環境下結合Qt、OSG實現車載MDS中視頻監控的仿真，對于系統運行的穩定性以及受訓學員掌握MDS基本操作技能有著重要的現實意義。

[1] 閆鋒欣，曾泉人，張志強.C++ GUI Qt4 編程[M].北京：電子工業出版社，2013.

[2] 肖 鵬，劉更代，徐明亮.OpenSceneGraph三維渲染引擎編程指南[M]. 北京：清華大學出版社，2010.

[3] 王 銳，錢學雷.OpenSceneGraph三維渲染引擎設計與實踐[M]. 北京：清華大學出版社，2009.

[4] 王靜環.基于MultiGen Creator的視景仿真在地鐵模擬駕駛仿真系統中的應用[J].制造業自動化，2011（6）.

[5] 申閆春，朱幼虹，曹 莉，溫轉萍.基于OSG的三維仿真平臺的設計與實現[J]. 計算機仿真，2007（6）.

責任編輯 方 圓

Simulation of Onboard Monitoring Display System for train of Urban Transit based on Linux

JIN Zhufei, QIAN Xuejun
( Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 200331, China )

Onboard Monitoring Display System for train of Urban Transit was the most important subsystem of Passenger Information System. It was combined a number of functions, such as information broadcast, video surveillance, emergency calling in one. Based on the Linux Operating System, the simulation of Monitoring Display System was implemented, and focused on the simulation of video monitoring by OpenSceneGraph.

Monitor Display System; Linux; simulation

U231.6∶TP39

A

1005-8451（2014）07-0058-04

2013-12-27

金祝飛，在讀碩士研究生；錢雪軍，高級工程師。