城軌列車司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真

蔣 捷

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

城軌列車司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真

蔣 捷

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，對(duì)列車司機(jī)駕駛控制臺(tái)的人機(jī)交互界面的要求也越來越高，希望通過人機(jī)交互界面可以查看列車運(yùn)行狀態(tài)信息并做出相應(yīng)的操作動(dòng)作。為了設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單、自然、友好的司機(jī)駕駛控制臺(tái)交互界面，屏蔽車載系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求、系統(tǒng)功能需求、系統(tǒng)性能需求，在Windows操作系統(tǒng)下的Visual C++ 6.0編程環(huán)境下，使用其封裝的MFC程序編寫代碼，以成都地鐵一號(hào)線為例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行及調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了列車司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真系統(tǒng)。

駕駛控制臺(tái)；人機(jī)交互界面；MFC

具有運(yùn)量大、速度快、安全可靠、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、受其他交通方式干擾小等特點(diǎn)的城市軌道交通[1]在城市公共交通中起著越來越重要的作用。

近年來，隨著我國(guó)的城市軌道交通隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，政府也在不斷增加對(duì)軌道交通運(yùn)輸基礎(chǔ)建設(shè)的投資。城市軌道交通列車可運(yùn)行在不同的駕駛模式下，而司機(jī)可通過城市軌道交通列車駕駛控制臺(tái)界面查看列車運(yùn)行狀態(tài)信息并做出相應(yīng)的操作動(dòng)作。

司機(jī)室是司機(jī)獲取信息、做出正確、安全駕駛操作的特定作業(yè)場(chǎng)所，提供了司機(jī)駕駛控制臺(tái)界面[2]。該界面的操作與顯示界面器件的設(shè)置于布置是否科學(xué)合理，對(duì)司機(jī)能否全面、安全完成駕駛職能具有重大影響。

司機(jī)駕駛控制臺(tái)界面的設(shè)計(jì)對(duì)于列車的安全運(yùn)行有特別的意義，是列車設(shè)計(jì)技術(shù)的重要組成部分。目前，司機(jī)駕駛控制臺(tái)的設(shè)計(jì)思想經(jīng)歷了從“以機(jī)器為本”到“以人為本”的轉(zhuǎn)變，逐步引入了人機(jī)方面的設(shè)計(jì)思想[3]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分

司機(jī)駕駛控制臺(tái)是司機(jī)和CBTC系統(tǒng)對(duì)話的窗口，需為司機(jī)提供列車運(yùn)行狀態(tài)機(jī)監(jiān)控信息，并提示相關(guān)的操作動(dòng)作。要求對(duì)列車安全運(yùn)行所必須的信息進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確、可靠的顯示。

進(jìn)入司機(jī)駕駛控制臺(tái)界面時(shí)，通過認(rèn)證模塊進(jìn)行司機(jī)駕駛認(rèn)證，驗(yàn)證司機(jī)的駕駛資格。驗(yàn)證成功后，列車處于激活狀態(tài)，啟動(dòng)并給與最大牽引力。列車開始運(yùn)行后，通過圖形、文字等方式顯示列車運(yùn)行的總體信息，即系統(tǒng)時(shí)間、司機(jī)認(rèn)證等；列車運(yùn)行監(jiān)督信息，即列車運(yùn)行速度以及目標(biāo)距離等信息；列車車門控制和監(jiān)督信息，即車門狀態(tài)以及屏蔽門狀態(tài)等；ATS監(jiān)督信息，即列車ID，列車是否停站，下站站名，本站站名，目標(biāo)站臺(tái)，停站時(shí)間等；列車信息，即運(yùn)行狀態(tài)等；并提供列車運(yùn)行操作的功能按鈕[4]。

因此，為設(shè)計(jì)一個(gè)功能齊全、簡(jiǎn)單、自然、友好的司機(jī)顯示界面，將界面劃分為6個(gè)功能模塊區(qū)，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

根據(jù)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能以及司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真界面的結(jié)構(gòu)劃分，對(duì)司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真界面進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要包含以下模塊：登錄對(duì)話框模塊、離線數(shù)據(jù)讀取模塊、司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真界面模塊。

2 系統(tǒng)功能

2.1 離線數(shù)據(jù)讀取模塊

由于屏蔽了車載設(shè)備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，取消了地面信息接收及處理模塊，因此事先將仿真的數(shù)據(jù)放入文件中，然后通過離線數(shù)據(jù)讀取模塊實(shí)現(xiàn)。

2.2 登錄對(duì)話框模塊

在主界面外，創(chuàng)建登錄對(duì)話框。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，彈出登錄對(duì)話框，要求輸入司機(jī)號(hào)、列車號(hào)、密碼進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證司機(jī)的駕駛資格。若驗(yàn)證成功，則彈出消息對(duì)話框，并進(jìn)入主界面；否則，彈出提示對(duì)話框，并清零重新輸入驗(yàn)證，從而可根據(jù)運(yùn)營(yíng)和安全控制要求對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查，確保系統(tǒng)的保密性及列車的運(yùn)行安全。

2.3 司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真界面模塊

工作狀態(tài)信息區(qū)主要負(fù)責(zé)顯示列車運(yùn)行過程中相關(guān)狀態(tài)或停站信息。包括：列車當(dāng)前控制模式，列車在站臺(tái)狀態(tài)，本站、下一站名稱，前方距離。同時(shí)，顯示到站信息，若到站為YES，否則為NO。在速度信息區(qū)，用一個(gè)環(huán)形速度表盤來顯示相應(yīng)的速度信息，指針指向位置為當(dāng)前列車運(yùn)行實(shí)際速度，并用數(shù)字顯示出實(shí)際速度。同時(shí)，表盤上用黃色三角形標(biāo)注出ATO速度與最大允許速度之間的區(qū)域，紅色三角形標(biāo)注出列車在該區(qū)域最大允許速度。在警示信息區(qū)，提供列車運(yùn)行的目標(biāo)距離信息。通過進(jìn)度條控件，動(dòng)態(tài)顯示列車運(yùn)行進(jìn)度，刻度采用自然數(shù)標(biāo)尺來標(biāo)識(shí)距離及站名。

在功能信息區(qū)，顯示列車車門狀態(tài)、站臺(tái)屏蔽門狀態(tài)以及列車運(yùn)行計(jì)劃信息。在該模塊中，列車車門和屏蔽門狀態(tài)簡(jiǎn)化為打開、關(guān)閉兩種狀態(tài)。列車運(yùn)行計(jì)劃信息主要包括：司機(jī)號(hào)、列車號(hào)、起點(diǎn)站、終點(diǎn)站、停戰(zhàn)時(shí)間、是否啟動(dòng)等。

為了保證行車任務(wù)的正確，必須設(shè)置登錄信息區(qū)，主要是在執(zhí)行行車任務(wù)前，驗(yàn)證司機(jī)的行車資格許可和任務(wù)的正確性。在該區(qū)設(shè)置兩個(gè)登錄區(qū)，一個(gè)為司機(jī)ID驗(yàn)證，一個(gè)為運(yùn)行任務(wù)驗(yàn)證（車次號(hào)驗(yàn)證），系統(tǒng)收到驗(yàn)證信息后，驗(yàn)證正確后，T顯示出駕駛司機(jī)的司機(jī)號(hào)和運(yùn)行任務(wù)。文本信息則主要是顯示系統(tǒng)時(shí)間等。該系統(tǒng)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間同步，包括日期和時(shí)間。

在司機(jī)手動(dòng)操作設(shè)備區(qū)，設(shè)置6個(gè)功能鍵，利用圖形按鈕仿真模擬司機(jī)手動(dòng)操作設(shè)備部分，包括啟動(dòng)、常規(guī)制動(dòng)、緊急制動(dòng)、制動(dòng)緩解、牽引仿真、語音播報(bào)按鈕。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)；點(diǎn)擊常規(guī)制動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)，列車速度減小，速度儀表盤上的指針逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；點(diǎn)擊緊急制動(dòng)按鈕時(shí)，列車速度迅速減小為0，速度儀表盤上的指針指向0，然后點(diǎn)擊制動(dòng)緩解按鈕，列車速度恢復(fù)正常，速度儀表盤上的指針正常轉(zhuǎn)動(dòng)；點(diǎn)擊牽引仿真按鈕時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行牽引仿真；點(diǎn)擊語音播報(bào)按鈕時(shí)，系統(tǒng)到站時(shí)自動(dòng)播放音樂，以提醒乘客到站。

2.4 系統(tǒng)功能圖

系統(tǒng)運(yùn)行功能圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)性能需求

3.1 可靠性

系統(tǒng)中所有設(shè)備應(yīng)保持每天24 h連續(xù)工作，關(guān)鍵設(shè)備冗余配置，平均無故障時(shí)間（MTBF）應(yīng)不小于5×104 h。

圖2 系統(tǒng)功能圖

3.2 可用性

系統(tǒng)可用性指標(biāo)應(yīng)到達(dá)99.99%。

3.3 可維護(hù)性

應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的工作狀態(tài)，并提供設(shè)備故障報(bào)警功能。通過制定維修/更換策略、在線維修措施及維修支持設(shè)備的最佳運(yùn)用來減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間。本系統(tǒng)軟件需按現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件相關(guān)規(guī)范要求的開發(fā)流程進(jìn)行，軟件源代碼可讀性強(qiáng)，方便軟件維護(hù)。

3.4 擴(kuò)展性

系統(tǒng)軟件、硬件應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)，易于系統(tǒng)功能和控制范圍的擴(kuò)展。在線路延伸時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)在盡量不更改系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況下通過添加硬件或軟件來擴(kuò)展。

3.5 實(shí)時(shí)性

系統(tǒng)信息顯示時(shí)延應(yīng)小于1.5 s，系統(tǒng)控制輸出時(shí)延應(yīng)小于1 s。

4 司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真界面設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)以成都地鐵一號(hào)線為例進(jìn)行模擬與仿真。通過VC++ 6.0封裝的MFC程序?qū)ctive控件編程實(shí)現(xiàn)控件化，主要采用進(jìn)度條控件、按鈕控件、靜態(tài)文本[5]。

4.1 離線數(shù)據(jù)讀取模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

由于簡(jiǎn)化系統(tǒng)模塊，因此數(shù)據(jù)由離線讀取。在本文中，以成都地鐵一號(hào)線的站間距離、列車實(shí)際運(yùn)行速度作為離線數(shù)據(jù)進(jìn)行該系統(tǒng)的模擬與仿真。

4.2 登錄對(duì)話框模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在該仿真系統(tǒng)運(yùn)行前，彈出登錄對(duì)話框，需輸入司機(jī)號(hào)、列車號(hào)、密碼，點(diǎn)擊登錄按鈕進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保系統(tǒng)的保密性及列車的運(yùn)行安全。驗(yàn)證成功后，彈出消息對(duì)話框“歡迎進(jìn)入司機(jī)駕駛控制臺(tái)”。點(diǎn)擊確定后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化界面。否則彈出提示信息“輸入錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”并清零重新輸入。

4.3 司機(jī)駕駛控制臺(tái)模擬與仿真界面模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

進(jìn)入系統(tǒng)初始化界面時(shí)，如圖3所示。此時(shí)，6大功能區(qū)呈未激活狀態(tài)，即警示信息區(qū)的列車進(jìn)度控件初始化位置為零；司機(jī)手動(dòng)操作設(shè)備區(qū)的按鈕顯示灰色位圖；其余功能區(qū)不顯示任何信息。

圖3 系統(tǒng)初始化界面

在登陸信息區(qū)輸入列車號(hào)、司機(jī)號(hào)，驗(yàn)證成功，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，如圖4所示。此時(shí)，工作狀態(tài)信息區(qū)、功能信息區(qū)的顯示內(nèi)容為初始化內(nèi)容；司機(jī)手動(dòng)操作設(shè)備區(qū)的按鈕顯示相應(yīng)的位圖。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)1

點(diǎn)擊牽引仿真按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行，該系統(tǒng)正常運(yùn)行，如圖5所示。速度儀表盤根據(jù)讀取的離線數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示實(shí)際運(yùn)行速度，而列車運(yùn)行進(jìn)度控件顯示列車當(dāng)前位置。當(dāng)點(diǎn)擊常規(guī)制動(dòng)按鈕時(shí)，速度儀表盤的速度會(huì)迅速減小，速度指針逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)點(diǎn)擊緊急制動(dòng)按鈕時(shí)，速度儀表盤的速度會(huì)迅速變?yōu)?，速度指針指向0；點(diǎn)擊制動(dòng)緩解按鈕時(shí)，速度儀表盤的速度恢復(fù)正常顯示；當(dāng)點(diǎn)擊語音播報(bào)按鈕時(shí)，列車到站時(shí)刻會(huì)自動(dòng)播放音樂，列車啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)停止播放音樂。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)2

5 結(jié)束語

本文對(duì)城市軌道交通列車司機(jī)駕駛控制臺(tái)進(jìn)行了模擬仿真，該系統(tǒng)為列控系統(tǒng)的研究提供一個(gè)模擬與仿真平臺(tái)，有助于節(jié)省人力、物力資源，用于培訓(xùn)司機(jī)的正常操作和事故演習(xí)，保證鐵路運(yùn)營(yíng)實(shí)施的安全性。

[1] 張國(guó)寶.城市軌道交通運(yùn)營(yíng)組織[M]. 2版.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[2] 郭北苑. 高速列車駕駛界面人因適配性設(shè)計(jì)理論與方法研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3] 李 洋. 基于乘務(wù)員特性的機(jī)車駕駛界面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].成都：西南交通大學(xué)， 2012.

[4] 唐 濤.列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012：149-160.

[5] 孫 鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：660-699.

責(zé)任編輯 徐侃春

Simulation on driver console for train of Urban Transit

JIANG Jie
( School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China )

With the rapid development of Urban Transit, requirements to interactive interface of the train drivers console’s were more and more high, it was expected to check the information of train running status through the interactive interface and make the relevant operation. In order to design a simple, natural, friendly driver’s console interface, and shield complex structures of vehicle system, the paper analyzed the system architecture requirements, system functional requirements, system performance requirements, used the package MFC program to write code under the Visual C++ 6.0 programming environment of the Windows Operating System. Chengdu Metro Line was taken as an example to implement the simulation of driver consol.

driving console; interactive interface; MFC

U260.38

A

1005-8451（2015）04-0058-04

2014-09-20

蔣 捷，在讀碩士研究生。