地铁列车车载监控显示系统的仿真研究

2012-07-05李明智钱雪军

城市轨道交通研究 2012年2期

李明智钱雪军

（同济大学电气工程系，200092，上海∥第一作者，硕士研究生）

现代城市轨道交通系统的运营管理越来越注重对乘客的服务质量，让乘客不但“走得了”，还要“走得好”。所以，在轨道交通的建设中，安全性与便捷性是重中之重，乘客信息系统（Passenger Information System，简为PIS）也因此越来越受到重视。列车车载PIS是集引导、广告、资讯、设备监控和客流监控为一体的综合性系统，它的应用使乘客的出行更加方便快捷。

地铁列车监控显示系统（Monitor Display System，简为 MDS）则是PIS的重要组成部分。MDS在列车正常行驶情况下提供自动发布通知并对车厢进行视频监控等服务，在紧急状况下还能实现乘客向驾驶员紧急报警通话，达到让驾驶员对车厢情况和危险现场有第一手的了解。对MDS的仿真研究，可以完善驾驶仿真系统的功能，进而使驾驶员熟练掌握对MDS的操作，提高其应对驾驶中突发事件的处理能力。

1 MDS概述

MDS是车载PIS的重要子系统，是与列车驾驶员的人机交互部分，是实现PIS系统管理、数据传输、功能执行的重要组成部分。列车监控显示技术是多种技术的融合，是在自动化技术不断发展、自动化程度不断提高的要求下发展起来的。

1.1 车载PIS的组成

PIS是运用网络技术与多媒体技术进行信息多样化显示的系统，它通过控制中心、广告编辑中心、车站控制等系统，对所需信息实时编辑、制作、传递，并通过车站或车上等离子或液晶显示器，为地铁乘客及地铁员工提供以运营信息为主、商业广告为副的多媒体综合信息显示。PIS从结构上可以分为中心控制系统、车站系统、车载系统、网络系统。车载PIS主要包括以下几个部分：

1）司机室监控显示屏，主要用于接收和显示视频信息及输出控制指令。

2）系统主机，主要用来存储系统数据，包括列车行驶线路数据、一些音频视频数据、车载监控视频数据、各类系统控制指令，以及管理系统内的所有功能设备，并执行与其他设备相互通信的功能。

3）外围设备，包括监控摄像头、对讲机和交换机等设备，主要用于画面捕捉、对讲通话等功能。车载PIS系统在DT车（带受电弓拖车）内的结构如图1所示。

图1 DT车体PIS结构图

1.2 MDS实现功能

MDS监控显示存在于每个驾驶室中，并且不同行驶方向的列车受到不同MDS的监控，但同一行驶列车的两个驾驶室中MDS显示的操作功能应同时完全可用。因此，根据实际列车运行时各种情况，MDS实现的主要功能如下：

1）自动播报监控。为操作人员列出所有站点信息，操作人员可以选择或者取消某一站点的运行信息。

2）预设信息发布。操作人员有选择地为乘客播放或显示预定义的音频或者文本文件。

3）视频监控。通过设置在主要车厢中的摄像头，监控车厢环境及乘客安全。

4）语言选择。MDS的操作环境应该支持不同语言的使用。

5）紧急报警电话管理。当车厢中紧急情况发生时，允许乘客通过设置在车厢中的紧急通话设备与操作人员通话。操作人员可以同时处理多路通话，并从中了解紧急情况。

6）系统配置。操作人员可以通过此项设置来改变车厢内的广播或音乐的可用度，或者调解音量大小。

7）自检。使操作人员对与MDS相连的设备进行检测，测试其的使用状态。

2 MDS系统环境的搭建

本文研究的主要对象是应用于印度孟买地铁1号线列车驾驶仿真系统上的MDS，因此围绕对方的技术要求和指标，在硬件和软件上做以下研究。

2.1 硬件平台的选择

MDS的人机交互显示屏是一个可触摸的拥有嵌入式操作系统的设备。为支持操作按钮的信号输入输出，以及系统平台上软件的良好运行，系统采用IEI公司的eKINO－945GSE主板，CPU型号为Intel公司的 AtomN270，主频为1.60GHz，一个533MHz前端总线和512KB的高速缓存，内存512MB，10PIN的数字输入输出接口（Digital Input／Output，简为DIO），并采用PenMount公司的9000系列触摸屏等硬件配置。

2.2 操作系统的构建

对于嵌入式设备，操作系统的选择尤为重要。操作系统不仅关系到硬件与上层驱动之间的通信，而且它还是应用程序的承载平台，对系统的稳定起到关键作用。

本MDS采用 Windows CE 6.0嵌入式技术进行系统平台的开发。Windows CE 6.0相对于Linux系统而言是高度模块化的嵌入式操作系统；Windows CE支持在多种不同的CPU硬件平台上运行，包括x86、MIPS、SuperH、ARM 等嵌入式领域主流的CPU结构。Windows CE有着稳健的实时性和安全性的支持。

运用微软强大的开发环境Visual Studio 2005 Platform Builder for Windows Embedded CE6.0来开发Windows CE嵌入式操作系统。这样不仅可以快速生成操作平台，而且可以通过从平台导出的SDK来方便地开发能够运行在目标设备上的应用程序。利用Windows CE提供的模板，可以快速地定制操作系统工程。

2.2.1 精简并生成支持MFC的系统镜像文件

在选择适当的设计模板创建成功操作系统工程之后，就是生成能够运行于嵌入式仿真平台的系统镜像文件NK.bin并尽量使其精简。

嵌入式设备的特点是可使用的存储资源比台式机来说少很多。因此，定制嵌入式系统采取的方法是尽量精简内核镜像文件的大小，只添加需要的组件功能。而定制中文系统时，内核镜像文件相对英文系统大10MB左右，而且在启动时将内核镜像文件复制到内存中花的时间较长，同时占用较多的内存。因此，对内核镜像文件的精简，主要是在中文字体及其字库的减少上。其核心思想是将默认选择的中文字体SimSun ＆ NSimSun（SYSGEN＿FONTS＿SIMSUN）替换成SimSun 2.5版本，这样既能满足要求又能缩小文件体积；而后将字体库保存到外部存储器来减少内核镜像的大小。

因为微软公司消弱了MFC架构在应用软件中的使用，但现实市场中大量应用程序都是由MFC构建的，所以，在 Windows CE 6.0上需要添加对MFC应用程序的支持。其方法是：将VisualStudio 2005安装环境下的MFC框架动态支持库文件添加到BSP安装目录下的平台文件夹Platform中，并在注册表中写入，然后选择相应的组件和Build Options选项，点击Build，便生成了系统镜像文件NK.bin。

2.2.2 生成软件开发工具包

生成镜像文件之后，MDS的显示屏就可以加载镜像文件，运行Windows CE操作系统了。下一步就是在这基础上开发运行于Windows CE上的仿真应用程序。但在这之前，要生成适用于开发此环境应用程序的软件开发工具包（Software Development Kit，简为SDK）。

在Solution Explorer窗口中的SDKs文件夹中选择Add new SDK选项，然后Build此SDK就生成了后缀为msi的文件。运行此文件，就可以在Visual Studio 2005IDE下开发适用于此硬件环境的应用程序了。

3 MDS应用程序的开发

本文主要是对印度孟买地铁1号线列车车载MDS的仿真研究，所以，应用程序的开发过程实际上也是满足和扩展列车MDS的现实功能的过程，如自动播报监控、预设信息发布、视频监控和紧急报警电话管理等功能的实现，而在开发应用程序过程中，软硬件结合实现键盘操控和OpenSceneGraph（OSG）实现视频监控仿真是重点也是难点。

3.1 实现键盘操作

为了使孟买1号线的MDS人机界面的物理键盘实现不同的控制，运用eKINO－945GSE主板上的DIO的10个针脚对其进行管理。除了其中12V电源和接地的针脚外，一般情况下，它可以控制4路输出电平和4路输入电平；而在特殊情况下，也可将8个针脚全部设置成输入或者输出。因此，DIO完全可以对此MDS进行键盘管理。

想要使应用程序对键盘的状态进行读取和控制并反映在屏幕上，只需要利用上文生成的SDK建立应用程序工程，并在工程中添加智能系统管理模块（Intelligent System Management Module，简为ISMM）库文件，利用其中的DIO＿GetConfig（），DIO＿GetInput（），DIO＿GetOutput（）函数便可达到读取和控制针脚状态的目的。其效果如图2。

3.2 OSG实现视频监控仿真

OSG是一个跨平台的C＋＋库，它是基于OpenGL的开放源代码，用于实现视景仿真、虚拟现实、图形特效、可视化计算等方面的研究。该技术主要由两大部分组成：一部分是场景的组织、管理和遍历技术；另一部分是对场景的渲染技术，以及不可见的剔除和场景模型的连续层次细节的实现。对于MDS中视频监控的仿真，关键点在于虚拟人的管理和视图位置的选择。

图2 MDS人机界面显示效果图

3.2.1 虚拟人的管理

虚拟人的管理应该包括虚拟人几何模型的创建和运动的控制两个部分。运用 Multi－Paradigm公司的建模软件Creator建立虚拟人模型，而要控制的虚拟人的关节都具有一定的自由度，因此需要把每个关节点都设为DOF节点。

虚拟人的控制，则通过利用OSG新建findNodeVistor类来访问虚拟人模型中DOF节点，并在OnInitialUpdate函数中读取.osg文件；然后通过构造类findNodeVistor的对象获取虚拟人的每一部分，在虚拟人运动控制技术和经验数据的基础上使用参数化插值方法实现虚拟人的不同运动函数，来达到模拟列车运行环境下车厢中人物的运动。

3.2.2 视图位置的选择

世界坐标系中的虚拟人需经过一系列几何变化（包括平移、旋转等）：为了使显示的虚拟人能以合适的位置、大小和方向显示出来，必须要通过投影；然后定义一个三维视景体，对虚拟人进行裁剪只使投影在视景体内的部分显示出来。下一步在屏幕窗口内定义一个矩形，称为视口（Viewport）。视景投影后的图形就在视口内显示。最后做一些适当变换，使图形在屏幕坐标系下显示。通过以上视图位置的选择，模拟了车厢监控摄像头的拍摄画面，实现了对视频监控功能的仿真。实现后的效果图如图3。