基于MCGS的地鐵培訓(xùn)模擬裝置列車監(jiān)控器的設(shè)計(jì)

張春光，姚 旺，薄 樂

（大連交通大學(xué)，遼寧 大連1160280）

隨著社會的進(jìn)步，城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)取得長足的進(jìn)步，機(jī)車車輛數(shù)量也進(jìn)一步遞增，同時(shí)對機(jī)車司機(jī)的需求也大大增加。由于初期的培訓(xùn)方式單一，司機(jī)要將傳統(tǒng)教學(xué)中所學(xué)的知識應(yīng)用于實(shí)踐是非常困難的，所以司機(jī)在上崗后經(jīng)常因?yàn)椴僮鞑划?dāng)引發(fā)事故。為了確保機(jī)車行駛安全，使駕駛員培訓(xùn)高效、準(zhǔn)確和快速地學(xué)習(xí)到駕駛技能，利用組態(tài)軟件MCGS成本低、靈活多樣、形象直觀的優(yōu)點(diǎn)來完成機(jī)車模擬運(yùn)行過程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、處理和控制，設(shè)計(jì)了地鐵培訓(xùn)模擬裝置列車監(jiān)控顯示器。利用地鐵培訓(xùn)模擬裝置列車監(jiān)控顯示器可以把列車模擬運(yùn)行中的各類數(shù)據(jù)傳送到司機(jī)操作臺，駕駛員可以實(shí)時(shí)掌握各機(jī)車設(shè)備的工作狀態(tài)，從而減少手動操作的復(fù)雜性。利用MCGS嵌入式平臺完成機(jī)車模擬運(yùn)行過程中車門、牽引系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)等信息的組態(tài)顯示設(shè)計(jì)，駕駛員通過顯示器觸屏操作查詢相關(guān)信息，完成對機(jī)車的監(jiān)控和控制，完成各項(xiàng)任務(wù)，保證機(jī)車車輛的安全運(yùn)行。

1 MCGS軟件介紹

MCGS嵌入式系統(tǒng)是一種專門應(yīng)用于嵌入式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。MCGS嵌入式版本分為配置環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境結(jié)構(gòu)這兩個(gè)部分。它可以在基于Microsoft運(yùn)行在32位Windows平臺上運(yùn)行。在自動化領(lǐng)域，MCGS組態(tài)軟件有著廣泛的應(yīng)用。

此外，MCGS的嵌入式版本為方便用戶調(diào)試配置還具有用于模擬項(xiàng)目運(yùn)行的模擬環(huán)境，?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)以進(jìn)行處理，用戶通過報(bào)警處理、過程控制、動畫顯示、報(bào)表輸出等多種方式對前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。MCGS嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別是：配置環(huán)境、仿真運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。配置環(huán)境和仿真運(yùn)行環(huán)境相互配合，組成了一套完整的可以在PC機(jī)上運(yùn)行的工具軟件，MCGS組態(tài)軟件的工作臺組成如如圖1所示。

圖1 MCGS系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

使用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的列車監(jiān)控顯示器可以利用豐富生動的多媒體圖片，通過運(yùn)行事先編譯好的MCGS仿真程序，通過圖形動畫來顯示機(jī)車各部分的運(yùn)行狀態(tài)，通過顯示器來觀察控制過程與結(jié)果，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 列車監(jiān)控顯示器的設(shè)計(jì)

列車監(jiān)控顯示器是整個(gè)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的重要組成部分，主要利用組態(tài)軟件MCGS進(jìn)行機(jī)車模擬運(yùn)行過程中各機(jī)車設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示，使駕駛員實(shí)時(shí)了解機(jī)車運(yùn)行狀況。整個(gè)顯示單元主要包括以下幾部分：顯示界面的設(shè)計(jì)、運(yùn)行策咯、數(shù)據(jù)配置、運(yùn)行和調(diào)試。

3.1 顯示界面設(shè)計(jì)

利用MCGS豐富的圖元資源運(yùn)用于機(jī)車駕駛員培訓(xùn)，可以通過電腦動畫顯示反映機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，使整個(gè)培訓(xùn)過程具有真是性、直觀性和生動性。

（1）仿真畫面。為了能夠更加生動形象地表示機(jī)車模擬運(yùn)行過程，監(jiān)控界面需要通過平面或立體圖形來反映各機(jī)車設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在組態(tài)軟件MCGS中的用戶窗口進(jìn)行顯示界面的制作。圖3為機(jī)車監(jiān)控顯示的仿真畫面。

圖3 司機(jī)顯示單元主要界面

（2）組建數(shù)據(jù)庫。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的組建是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，仿真界面中的各個(gè)單元模塊的動態(tài)顯示、動畫過程、運(yùn)行策略，以及對操作者操作指令的應(yīng)答都需要以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為中間環(huán)節(jié)來進(jìn)行。所以，上位機(jī)與下位機(jī)之間通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行聯(lián)系。在組態(tài)軟件中建立一個(gè)工程，在導(dǎo)航器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中根據(jù)單元各部分輸入輸出狀態(tài)顯示建立對應(yīng)變量如表1（部分），每個(gè)變量定義專屬的名稱，確定變量類型，并把定義的變量連接到已經(jīng)定義好的外部設(shè)備上，就可以在利用在組態(tài)軟件MCGS上編譯好的仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了。

表1 數(shù)據(jù)對象定義表（部分）

（3）數(shù)據(jù)對象。數(shù)據(jù)對象是對象的一個(gè)重要組成部分，作為一個(gè)整體，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。對象的屬性包括基本屬性、存盤屬性和報(bào)警屬性?；緦傩詣t包含對象的名稱、類型、初值、界限（最大最小）值、工程單位和對象內(nèi)容注釋等項(xiàng)內(nèi)容。

（4）動畫連接。顯示界面設(shè)計(jì)完成后，還需要?jiǎng)討B(tài)顯示每個(gè)顯示單元的變化過程，所以需要對顯示單元的圖像進(jìn)行動畫設(shè)計(jì)，生動形象的展示被控對象的變化過程，達(dá)到對被控對象實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。在組態(tài)軟件MCGS中通過把用戶窗口中的各個(gè)模塊與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的預(yù)先建立好的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性連接，并設(shè)置數(shù)據(jù)變換時(shí)相對應(yīng)的圖元變換。在系統(tǒng)模擬運(yùn)行過程中，圖形的變化和狀態(tài)能夠直接地反映其對應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變換和狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了顯示界面動態(tài)監(jiān)測的目的，動畫連接窗口如圖4所示。

圖4 動畫鏈接設(shè)計(jì)窗口

（5）報(bào)警顯示。報(bào)警屬性是數(shù)據(jù)對象的基本屬性，是數(shù)據(jù)對象的組成部分，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫自動進(jìn)行處理。當(dāng)數(shù)據(jù)對象的值發(fā)生改變時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫判斷對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象的改變是否構(gòu)成報(bào)警或消除已有報(bào)警，進(jìn)行下一步處理。

（6）報(bào)表顯示。監(jiān)控系統(tǒng)需要對設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后對符合條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并根據(jù)實(shí)際情況輸出數(shù)據(jù)報(bào)表。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)表分為三部分：

a．實(shí)時(shí)故障報(bào)表：實(shí)時(shí)報(bào)表是對實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的反映，通常用于將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變量按設(shè)定的報(bào)告格式（用戶組態(tài)）顯示出來。實(shí)時(shí)報(bào)表可以通過組態(tài)軟件MCGS系統(tǒng)的自由表格構(gòu)件來組態(tài)顯示。

b．歷史故障報(bào)表：歷史報(bào)表通常是對一段時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)報(bào)表的匯總，并以一定的格式顯示歷史數(shù)據(jù)，有利于后期對歷史信息的查看，其構(gòu)建方式與實(shí)時(shí)故障報(bào)表相同。

c．維修人員登錄報(bào)表：制作方式與事實(shí)故障報(bào)表相同，主要用來記錄登錄系統(tǒng)的人員信息。

3.2 運(yùn)行策略

運(yùn)行策略是用戶為實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)流程自動運(yùn)行而組態(tài)生成的一系列功能模塊的總稱。組態(tài)軟件MCGS為用戶提供了進(jìn)行策略組態(tài)的專用窗口和工具箱，如圖5所示。建立運(yùn)行策略，使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的條件和相應(yīng)的順序，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)的變化，控制用戶窗口和系統(tǒng)中各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作過程精確控制及有序調(diào)度管理的目的。通過MCGS組態(tài)軟件，用戶可以利用簡單的策略組態(tài)就可以完成大多數(shù)復(fù)雜工程項(xiàng)目的監(jiān)控軟件。

3.3 通訊設(shè)計(jì)

如圖6，在工作臺的“設(shè)備窗口”頁中，通過添加設(shè)備工具箱內(nèi)自帶的軟件或預(yù)先定制的相關(guān)設(shè)備構(gòu)件對下位機(jī)進(jìn)行配置，才能與下位機(jī)進(jìn)行連接。MCGS組態(tài)軟件的設(shè)備構(gòu)件需不斷增加，使組態(tài)軟件能夠連接更多的硬件設(shè)備。設(shè)備構(gòu)件是組態(tài)軟件MCGS系統(tǒng)對外部設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的中間媒介，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與監(jiān)控對象進(jìn)行連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到對監(jiān)控對象的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制的目的。

圖5 運(yùn)行策略組態(tài)

圖6 設(shè)備工具箱與設(shè)備組態(tài)窗口

3.4 運(yùn)行和調(diào)試

工程建立完成后，進(jìn)入運(yùn)行和調(diào)試階段。此階段主要分為兩個(gè)部分：模擬運(yùn)行和連機(jī)運(yùn)行。

（1）模擬運(yùn)行：通過組態(tài)軟件MCGS自帶的模擬運(yùn)行環(huán)境可以進(jìn)行模擬狀態(tài)的仿真，主要觀察不同用戶窗口之間的切換和動畫的顯示是否符合預(yù)期效果，符合教學(xué)的目的。

（2）連機(jī)運(yùn)行：通過TCP／IP的方式進(jìn)行連機(jī)運(yùn)行，通過上位機(jī)與下位機(jī)之間通信，運(yùn)用Modsim32仿真軟件發(fā)送指令，模擬機(jī)車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障，增加模擬培訓(xùn)設(shè)備的真實(shí)性，達(dá)到培訓(xùn)的目的。

4 結(jié) 論

基于組態(tài)軟件MCGS的機(jī)車模擬培訓(xùn)司機(jī)顯示單元的設(shè)計(jì)充分利用了組態(tài)軟件MCGS的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、圖元轉(zhuǎn)換能力和抗干擾能力，是機(jī)車司機(jī)培訓(xùn)的一種進(jìn)步與創(chuàng)新，解決了以往培訓(xùn)形式單一的缺點(diǎn)。基于組態(tài)軟件MCGS的機(jī)車模擬培訓(xùn)司機(jī)顯示單元的優(yōu)點(diǎn)在于：仿真過程簡單易懂、仿真環(huán)境接近于真實(shí)狀態(tài)、仿真設(shè)備簡單、仿真現(xiàn)象直觀，使培訓(xùn)過程生動形象，提高學(xué)習(xí)者的興趣，使學(xué)習(xí)者對于機(jī)車的操作流程更加熟悉的掌握，保證了機(jī)車的安全駕駛。