多系统融合列车显示屏的设计及实现

杜苗苗，任富争，杜 飞

(中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心, 河北唐山 063035)

随着城市建设步伐的加快，轨道交通也得到了快速发展，对于列车性能、资源利用以及成本控制有了更高的要求，为了满足这些需求，对于列车的设计更加智能化。列车网络控制系统作为列车控制的核心，对于列车系统有着十分重要的作用，人机交互接口单元作为网络控制系统的重要组成部分，简称HMI，为了节省空间和资源，简化操作，特将网络控制系统显示屏与乘客信息系统显示屏融合为一体。

多系统融合列车显示屏具有监视和控制系统信息的作用，可提供车辆状态信息、故障信息、故障安全措施提示等功能，同时根据摄像机的相关协议，实时调取乘客信息系统(简称PIS系统)摄像机的监控画面，另外根据界面操作可调取硬盘录像机的存储视频进行视频回放，司机和维护人员也可在HMI上进行内部照明、空调操作以及自检测试等功能。

多系统融合列车显示屏的设计[1]风格独特，界面美观，操作简单，大大提升了空间和资源的利用率，对于列车行车安全及性能提升有着十分重要的意义。

1 系统介绍

1.1 硬件配置

基于多系统融合的需求上，特采用尺寸17.3寸的显示屏，分辨率达到了1 920×1 080，色彩鲜明，操作流畅，反应灵敏，其主频为1.4 GHz，内存为2 G，具有2路以太网，1路USB，1路RS232通讯接口，软件平台为Linux操作系统，五线电阻式触摸屏。

1.2 开发环境

HMI软件开发基于Linux操作系统，开发工具使用Qt Creator跨平台的图形用户界面应用程序框架，采用C++软件编程语言[2]，它是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展以及一些宏，易于扩展，允许组件编程。

1.3 网络系统

本列车设计有5辆编组，2辆动车，1辆拖车，2辆悬浮车，列车网络数据通过Modbus以太网协议进行通信，各子系统间通过MVB网进行通信，网络拓扑图如图1所示。

Mc-动车模块；F-悬浮模块；Tp-拖车模块；VCU-列车中央控制单元；HMI-人机接口单元；RIOM-数字输入输出模块；TCU-牵引控制单元；ACU-辅助控制单元；EDCU-门控制单元；HVAC-空调控制单元；PIS-乘客信息系统；FAS-火灾报警系统；ESW-网关。图1 网络拓扑图

2 人机交互界面设计与实现

2.1 开发框架

多系统融合列车人机交互界面的实现主要包括界面功能、视频功能、数据通讯以及故障诊断，软件开发框架如图2所示。

图2 多系统融合列车显示屏软件开发框架

文中多系统融合列车显示屏不同于传统网络显示屏，另外集成了PIS系统的视频功能，该功能包括实时监控和视频回放，都是通过独立的以太网线同PIS系统进行通信。

2.2 界面实现

根据多系统融合列车显示屏本身的特点，增加视频显示功能，在界面层级上采用两级界面切换，主要包括司机模式和维护模式，方便司机及维护人员更快捷的查找目标信息，以主界面为例，设计HMI列车运行状态主界面如图3所示。

图3 运行状态界面

在主运行界面，显示具体内容如下：

①司机室两侧后置摄像头监控信息；

②以文本形式显示的运行模式、工况、牵引力、制动力、限速、故障信息；

③以图标形式显示受电弓升弓、降弓、主断路器闭合、断开、封锁状态；

图4 视频显示界面

④以图标形式显示牵引系统、制动系统、辅助系统、充电机和空压机等；

⑤以图标形式显示门状态、火警状态；

⑥以图标形式显示列车行驶方向、司机占用端。

在HMI上轮巡显示各摄像头的图像(切换时间可调)，司机可通过HMI屏随时调看本列车的任意一个摄像机图像，并且最多可进行12分屏的视频显示，可以使司机更好地实时观察列车各车厢的状态。除此之外，当列车发生乘客紧急报警时，HMI可联动显示相关报警摄像机画面，迅速使司机查看现场情况，以便采取应急处理措施。

另外在维护模式下可访问硬盘录像机历史视频，进行视频回放，HMI通过FTP协议访问硬盘录像机并获取录像文件，登录FTP后即可以查询，下载FTP服务器上的录像文件。

3 数据融合

多系统融合列车显示屏显示的信息来源包括网络系统以及PIS系统，通过两路以太网通道分别读取两系统数据，网络系统数据按照MODBUS协议进行交互，而PIS系统信息则通过RTSP协议实时调取摄像机视频流以及FTP协议访问硬盘录像机文件内容，具体数据处理流程图如图5所示。

图5 数据处理流程图

4 视频功能实现

列车HMI通过以太网实时访问列车PIS系统摄像机内容，需要经过一系列的操作处理才能进行播放，视频处理过程如图6所示。

图6 视频处理过程

PIS系统视频数据通过以上过程在HMI上播放，通过解协议将流媒体协议的数据，解析为标准的相应的封装格式数据；通过解封装将输入的封装格式的数据，分离成为音频流压缩编码数据和视频流压缩编码数据；通过视频解码将视频/音频压缩编码数据，解码成为非压缩的视频/音频原始数据，最后通过视频同步到视频驱动设备进行播放。

5 网络系统数据通讯

项目中HMI采用以太网与VCU进行通信，按照MODBUS通讯协议收发数据，MODBUS 是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务，MODBUS 以表1中的数据模型为基础进行通信。

表1 MODBUS通信数据表

通讯数据处理流程如图7所示。

图7 数据处理流程图

6 故障诊断

列车故障诊断功能是保障列车行车安全的重要组成部分。当列车发生故障时，故障信息在HMI主界面上弹出提示，每条记录都有唯一的故障代码，根据故障代码索引数据库中相应的操作指南，以协助司机采取适当的操作，并帮助维护人员更容易地查找并解决故障。另外用户还可以通过维护以太网下载故障记录，进行长期存储以及更深入的分析。

故障记录通过数据库文件进行存储，包括列车运行实时故障以及历史故障，故障处理部分软件流程图如图8所示。

图8 故障处理程序流程图

当HMI检测到网络故障数据发生时，首先判断该故障是否存在现有当前故障列表中，若该故障为新生故障，则在当前故障列表文件中记录该条故障，若不是新生故障则不对其进行数据记录，以免数据重复；当检测到故障数据消失时，判断该条数据是否为故障列表数据记录，若是当前故障数据消失，则将该条数据从当前故障列表中删除，记录到历史故障列表中。故障线程每500 ms循环一次，轮询检测故障数据，并做相应界面显示信息的刷新，达到对司机和维护人员的提示作用。

7 结束语

介绍了多系统融合显示屏的界面设计和实现完整流程，取消传统PIS屏，将其与司机屏融合为一体，采用大尺寸大分辨率的显示屏是一大亮点，大大节省了列车的空间和资源，降低了成本及能耗，同时显示屏较大的屏幕空间能够显示更加丰富的车辆信息和列车状态，给司机及维护人员带来了极大的便捷，使信息更加直观，操作更加简单。

界面一体化的设计风格独特新颖，人机交互灵敏流畅，软件运行稳定可靠，给后续列车显示屏的开发带来了很大的参考价值，是以后列车显示屏设计的趋势。