新型國外高鐵信息娛樂系統(tǒng)HMI的設(shè)計實現(xiàn)

2023-11-03 08:11:16張偉

中國新通信 2023年18期

關(guān)鍵詞：設(shè)計

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)展的國外高鐵運營需求，因此，本文基于西班牙F070高鐵項目，介紹了一種新型信息娛樂系統(tǒng)的人機(jī)交互接口設(shè)計，采用基于海思平臺的控制器，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，最終實現(xiàn)F070高鐵信息娛樂系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)度和控制功能，從而有效滿足國外高鐵的運營需求。

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

旅客信息系統(tǒng)主要為高鐵列車用戶提供出行服務(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。通過控制車內(nèi)外信息顯示器完成行車線路的信息顯示。

②自動報站。通過控制車內(nèi)語音廣播完成對站點線路信息的提示。

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

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

⑤娛樂控制。通過控制車內(nèi)電視和揚聲器實現(xiàn)視頻、音樂等娛樂節(jié)目的播放。

此外，國內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)主機(jī)和娛樂系統(tǒng)主機(jī)一般采用分離設(shè)計，以滿足獨立設(shè)計以及對旅客信息系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)的穩(wěn)定性需求。

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

①海思平臺設(shè)計。采用國產(chǎn)化海思3536作為主控芯片，避免出口海外產(chǎn)品的芯片限制和專利問題。

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。提供了類似航空領(lǐng)域的乘客乘車服務(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。提供了列車座位號的自由編輯與顯示控制功能。

⑥多語言選擇。提供了HMI界面的英語、法語和西班牙語三種語言的顯示以及對內(nèi)外顯和客室電視等終端設(shè)備顯示不同語言的控制模式。

一、HMI的組成和功能

（一）系統(tǒng)架構(gòu)與外部接口

F070項目信息娛樂系統(tǒng)由視頻點播系統(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、車號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)和視頻點播系統(tǒng)的交互通信。視頻點播系統(tǒng)由媒體服務(wù)器與娛樂終端組成，用于為列車上的乘客提供視頻點播、娛樂、資訊服務(wù)等多種功能。其中，媒體服務(wù)器通過以太網(wǎng)接入骨干網(wǎng)，需要同時支持視頻娛樂終端、手機(jī)、PAD、電腦等多種終端的接入。

系統(tǒng)控制器HMI作為信息娛樂系統(tǒng)的控制核心，與其他設(shè)備之間通過以太網(wǎng)總線連接，其負(fù)責(zé)協(xié)同視頻點播系統(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列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）：HMI接收TCMS的數(shù)據(jù)，用于行車信息管理和旅客信息服務(wù)，還可以將信息娛樂系統(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)，從而完成對不同車型不同車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)類信息；控制車內(nèi)顯示器顯示車廂號、車次、區(qū)間和下一站等線路信息和禁煙等服務(wù)信息；控制車外顯示器顯示車次、車廂號、當(dāng)前站、終點站和中途站信息；控制娛樂終端和手機(jī)移動端顯示HMI發(fā)送的線路信息和服務(wù)類信息。

（二）HMI的功能

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

1.行車管理：根據(jù)TCMS發(fā)送的門信號、GPS坐標(biāo)、列車行進(jìn)方向、列車速度等信息，可以觸發(fā)相應(yīng)的語音播報和顯示屏顯示功能，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：乘客可以通過座椅后背娛樂終端發(fā)起服務(wù)呼叫，HMI接收服務(wù)呼叫指令后，在HMI界面上顯示座位號和呼叫提示，以便乘務(wù)員及時為乘客提供服務(wù)。

3.文本與顯示控制：HMI可以實現(xiàn)對內(nèi)外顯和客室電視的文字滾動速度、顯示亮度和顯示語言的控制，并實現(xiàn)對不同車廂顯示不同文本信息的控制功能。

4.多媒體功能：HMI可以滿足對不同車廂播放不同音視頻的播放需求，并可按車廂等級類型進(jìn)行分類播放。

5.座位顯示功能：HMI可以實現(xiàn)顯示不同車型不同車廂的座位信息的控制功能，還可以在HMI界面上實現(xiàn)對座位信息的實時編輯。

二、HMI的硬件設(shè)計

HMI基于海思平臺設(shè)計為一體機(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

（一）系統(tǒng)環(huán)境和開發(fā)平臺

HMI采用Hisi3536 CPU芯片，基于CortexA17四核操作系統(tǒng)，驅(qū)動接口豐富，運行效率高，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)帶來的病毒問題和海外產(chǎn)品可能引發(fā)的芯片限制和專利等問題。

應(yīng)用軟件采用QT開發(fā)。在Linux操作系統(tǒng)下，QT具備良好的可重用性，開發(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，QT具備優(yōu)良的跨平臺特性，代碼移植效率高，可以避免后期平臺遷移帶來的兼容性問題[4]。

（二）軟件模塊化設(shè)計

HMI的軟件采用模塊化的開發(fā)模式，能夠有效提高軟件開發(fā)效率，增強軟件的穩(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)部實現(xiàn)對應(yīng)的功能，并對外開放公有接口。

①Q(mào)T運行庫：QT提供了豐富的功能類庫和人性化的接口封裝。在QT運行庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，可以提高開發(fā)效率，縮短開發(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、車內(nèi)外顯示模塊、音視頻播放模塊和地面控制平臺通信模塊。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：包含自動報站、座位信息配置、行程管理、多媒體配置、車內(nèi)外顯示和日志記錄六個邏輯功能模塊。邏輯處理層是一個中間層，需要接收來自界面的控制命令完成對外圍設(shè)備的控制，同時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/訂閱模式的輕量級協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議之上，其最大優(yōu)點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)備提供實時可靠的消息服務(wù)[5]。

F070項目信息娛樂系統(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)器時的連接數(shù)量處理，并方便對外圍設(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，只需要修改外圍設(shè)備，HMI主機(jī)則只需要微小的改動甚至不需要改動，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，國內(nèi)高鐵僅為一等座或商務(wù)座配置相應(yīng)的娛樂平板，并且娛樂平板僅用于提供音視頻播放等娛樂功能，無法實現(xiàn)與乘務(wù)員室的信息互動[6]。而旅客信息系統(tǒng)的控制主機(jī)一般只實現(xiàn)基本的車內(nèi)外顯示和自動報站功能，也無法提供服務(wù)呼叫提示功能，只能靠乘務(wù)員人工輪詢各個車廂來為乘客提供服務(wù)，大大降低了乘務(wù)員提供服務(wù)的效率和乘客的乘車體驗。

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

①座位號顯示功能：顯示乘客呼叫的車廂號與座位號，以便乘務(wù)員及時定位乘客位置，盡快響應(yīng)乘客的服務(wù)請求。

②服務(wù)呼叫開關(guān)功能：乘務(wù)員可以通過HMI開啟和禁用服務(wù)呼叫。當(dāng)乘務(wù)員離開時，可以通過禁用方式告訴乘客當(dāng)前暫時不能提供服務(wù)。

③整車響應(yīng)請求：當(dāng)發(fā)起呼叫請求的用戶分散在多個車廂時，乘務(wù)員可以通過整車響應(yīng)按鈕響應(yīng)乘客請求，然后分別去不同車廂進(jìn)行服務(wù)。

④按車廂響應(yīng)請求：當(dāng)發(fā)起服務(wù)呼叫請求的用戶集中于1個車廂時，可以通過按車廂響應(yīng)按鈕響應(yīng)該車廂的乘客請求，然后針對此車廂進(jìn)行服務(wù)。

⑤按單個座位響應(yīng)請求：當(dāng)個別用戶發(fā)起呼叫請求時，乘務(wù)員可以根據(jù)單個用戶進(jìn)行請求響應(yīng)，然后針對該用戶進(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)列車到達(dá)終點站時，對全列娛樂終端的功能進(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，當(dāng)服務(wù)呼叫的功能發(fā)生異常時，使用此功能進(jìn)行重置，讓HMI和娛樂終端回歸初始狀態(tài)，使功能回歸正常。

⑦座位號自適應(yīng)：當(dāng)列車的行駛方向發(fā)生變化后，乘客娛樂終端所代表的座位號也會發(fā)生變化，通過在HMI中預(yù)錄不同行車方向的座位號，HMI將自動顯示對應(yīng)方向的座位號，從而實現(xiàn)列車上下行時自適應(yīng)座位號顯示功能。

（三）分車廂控制應(yīng)用

當(dāng)前，國內(nèi)高鐵旅客信息系統(tǒng)和娛樂功能相對單一，通常只向不同車廂內(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，靈活性和體驗性較差[7]。

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

（四）座位系統(tǒng)自適應(yīng)

F070項目要求對于不同車型的座位系統(tǒng)提供不同的座位指示效果，座位顯示的效果包括車廂號、座位號、是否靠窗、文本是否滾動和座位號是否需要閃爍。

不同的車型代表著不同車廂具有不同的座位設(shè)備數(shù)量和顯示要求。為了確保對不同車型的兼容性，本系統(tǒng)設(shè)計了一個配置文件，包含不同車型的不同要求，用戶可以提前在地面配置不同車型的座位號和顯示要求，然后將其導(dǎo)入HMI設(shè)備。HMI通過接收TCMS發(fā)送的列車類型，自動選擇讀取相應(yīng)車型的座位號，從而自動控制不同的座位顯示效果。

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

（五）餐車屏視頻控制

在餐車上，F(xiàn)070項目為乘客提供了3合1顯示屏videowall，在國內(nèi)外高鐵上為首次應(yīng)用，能夠為乘客提供更加人性化的乘車體驗。HMI可以控制videowall進(jìn)行整屏視頻播放或分3個畫面播放不同的視頻，同時支持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

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

①文本滾動速度：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。

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，還可以打開或關(guān)閉不同設(shè)備的自動感光功能。

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

④時區(qū)控制：為了保證對不同時區(qū)的兼容性，HMI在接收列車網(wǎng)絡(luò)時總是以接收零時區(qū)作為基準(zhǔn)，然后通過圖13所示時區(qū)操作按鈕自由調(diào)節(jié)時區(qū)。

五、結(jié)束語

西班牙F070高鐵信息娛樂系統(tǒng)采用了新型HMI設(shè)計，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、個性化和人性化的服務(wù)功能。通過MQTT服務(wù)搭建穩(wěn)定可靠且易于擴(kuò)展的通信架構(gòu)；通過設(shè)計服務(wù)呼叫功能完成乘務(wù)員與乘客之間的服務(wù)交互；通過提供單節(jié)車廂和按車廂類型分類的文本與音視頻控制來為不同用戶提供不同的乘車體驗；通過餐車3合1融合屏實現(xiàn)個性化的大屏顯示效果；通過精細(xì)化控制完成對不同設(shè)備的滾動速度、亮度和語言的控制。新型HMI的設(shè)計具有通用性和可擴(kuò)展性，對于國內(nèi)高鐵旅客信息和娛樂系統(tǒng)的設(shè)計能夠起到一定的借鑒作用。

作者單位：張偉中車青島四方車輛研究所有限公司電氣電子事業(yè)部