HMI在公共交通候车服务中的应用研究

胡凯 郭新兰

(南京交通职业技术学院,江苏 南京 211188)

HMI在公共交通候车服务中的应用研究

胡凯 郭新兰

(南京交通职业技术学院,江苏 南京 211188)

人机界面(HMI)是现代自动化控制领域中应用最广泛的人机界面技术,其在厂矿、冶金、交通等行业中的工程解决方案尤为丰富。针对目前公共交通候车服务中存在的检票混乱、候车环境恶劣等普遍问题,研究了以iFix和PAC为基础的HMI平台,详细阐述了该平台的硬件配置、软件组态及人机界面设计方法,并开发出一套集自助检票、通道指引、室温调节、灯光调节、寻人寻物和安全报警功能于一体的管理系统。系统有效解决了公共候车服务中存在的弊端,并为HMI技术在公共服务中的应用提供参考。

人机界面(HMI) 可编程自动控制器(PAC) iFix 公共交通 候车服务 管理系统

0 引言

目前,公路、铁路仍是大众主要的公共交通出行方式,承接旅客的候车场所是其不可或缺的重要部分。候车场所在昼夜面对数量众多、流动性较大的旅客群体时,仅依靠车站有限的工作人员以及传统的服务设施,已远不能提供高质量高标准的候车环境。候车场所内的温度、照明、安全等因素直接影响着候车旅客的候车质量和满意度。在检票、问询及突发事件处理服务中的普遍弊病也是当今公共交通候车管理亟待解决的问题。

“智能交通”顺应当代交通行业发展的趋势,它按照智能化、综合化和人性化的要求,推进信息技术在城市交通运营管理、服务监管和行业管理等方面的应用[1]。人机界面(human machine interface,HMI)技术在推广“智能交通”方面具备优势,通过iFix和可编程自动控制器(programmable automation controller,PAC)为基础的HMI平台,开发一套公共交通候车管理系统,能有效改善和优化候车场所服务质量。

1 系统构成

1.1 开发平台概述

HMI技术是随着计算机和自动化技术的不断发展而逐步发展起来的。它主要作为机器(系统)与人(操作员)进行沟通和信息传递的媒介,并实现信息的内部形式和操作员可接受形式之间的转换[2]。HMI技术结合了计算机、自动控制及通信等技术,具备可视化水平高、数据传输快、人机交互可靠等优点。它通过画面表现各种设备的静态和动态信息,被各大行业广泛使用[3]。公共交通候车管理系统以iFix和PAC作为主要的HMI平台进行开发和试验。

1.2 硬件系统

公共交通候车管理系统中的硬件部分主要包括PC、PAC、温度传感器、照度传感器、烟雾报警器、火焰探测器、检票闸机、候车室照明灯、空调风机、候车室音响等。

1.2.1 硬件配置

硬件系统如图1所示。其中,PC的配置一般要求为:Pentium II 300 MHz以上处理器,Windows XP及以上操作系统,512 MB以上内存,500 MB以上硬盘空间的台式个人计算机或是相当配置的工控机。

可编程自动控制器(PAC)是继PLC以后发展起来的新一代的工业自动化控制器,代表着可编程自动化控制发展的未来[4-5]。本文选用的PAC是GE公司的RX3i系列自动化控制器。根据系统开发的需要,控制器配置了包括机架(IC695CHS012)、电源模块(IC695PSD040)、CPU模块(IC695CPU310)、以太网通信模块(IC695ETM001)、模拟量输入模块(IC694ALG600)、模拟量输出模块(IC694ALG392)、数字量输入模块(IC694MDL645)和数字量输出模块(IC694MDL754)等主要模块。

系统中还包括了必要的外部输入设备,如温度传感器、光照传感器、烟雾报警器、火焰探测器等,作为监视环境变化和安全报警的主要检测元件。同时还需要外部输出设备作为控制对象,如检票闸机的开闭、候车室照明灯的开关、空调风机的风量及候车室音响的输出等。

图1 系统硬件结构图Fig.1 Structure of system hardware

1.2.2 硬件连接

PC中的以太网网卡和PAC中的以太网通信模块通过网线连接。PC中的iFix组态软件和PAC中的CPU模块通过驱动建立连接,并通过过程数据库进行数据交换。温度传感器和光照传感器是模拟量输出元件,通过三芯电缆与PAC中的模拟量输入模块连接。烟雾报警器和火焰探测器都是数字量输出装置,它们分别通过双芯电缆与PAC中的数字量输入模块进行连接。PAC中的模拟量输出模块分别通过双芯电缆与空调风机的调温模拟端口和风量调节模拟端口连接。PAC中的数字量输出模块通过双芯电缆分别与检票闸机开关和候车照明灯开关以及空调风机开关连接。PC中的音频接口与音响输出通过音频线相连。

1.3 软件系统

软件系统主要是由iFix组态软件、PAC专用编程软件(proficy machine edition,PME)和字音转换软件构成。其中iFix组态软件是一套工业自动化软件,适用于对过程控制和可视化数据监控。iFix可为操作人员提供实时的数据传递和信息交流,并利用其强大的人机界面开发功能、灵活丰富的编辑工具,设计出可视化程度高、动画流畅的监控画面。同时它还使用微软的应用程式视觉化Basic语言(visual basic for applications,VBA)作为脚本语言,集成了面向对象和事件驱动的开发环境[6]。此外,它还具有历史数据查询、报表、报警等附加功能。

可编程自动控制器专用编程软件(PME)用来配置PAC控制器和人机界面数据库中的软元件。通过PME编程软件可以将现场信号提供给人机界面数据库处理,并根据人机界面的操作要求和PAC程序的逻辑运算,实现对现场执行设备的控制。PME软件编程主要是以传统的梯形图来实现,其指令中既包括了如继电器、定时器等大量的通用命令,也包括了加法器、比较器等特殊功能指令,便于设计出复杂的控制程序。

字音转换软件是一个运行在Windows环境下的第三方应用软件,它可以方便地将录入字符转换为音频输出,从而实现管理系统中相关功能。

2 系统功能描述

根据目前公共候车服务中存在的普遍问题,设计的管理系统集成如下功能。

2.1 自助检票

自助检票人机界面示意图如图2所示。首先工作人员要预先将允许进入候车室的车票信息录入管理系统当中,即通过功能界面将车票信息数据输入PAC中。候车人员在通过闸机前,必须先要在管理系统中录入自己的车票信息,该车票信息随即进入PAC中处理,与工作人员输入的车票信息进行比对。根据比对结果,在人机界面上通过门的开闭动画提示旅客是否允许进入,同时检票闸机也根据PAC数字量输出的结果打开或关闭,允许合法旅客通过,阻挡非法旅客,实现旅客进站自助检票[7]。

图2 自助检票人机界面示意图Fig.2 Schematic diagram of the self ticket checking HMI

2.2 通道指引

系统在通道指引人机界面中设置了常用通道的指引功能,诸如问讯处、逃生通道以及洗手间等。旅客可以使用系统自助查询常用通道的所在位置。当旅客选择功能界面上不同的通道指引按钮,界面中将通过不同的动画形式演示出路线轨迹。

2.3 室温调节

工作人员首先在如图3所示的功能界面示意图里,选中需要控制的空调风机,然后在界面中输入需要的温度和风量,此时输入的信息将传送给PAC。经过数据处理后,通过PAC中的模拟量输出模块将模拟控制信号分别传送给空调风机的温度调节模拟端口和风量调节模拟端口。同时工作人员也可以在界面中选择启动或停止风机运行,该启停信号最终将通过PAC的数字量输出模块控制空调风机开关的打开与关断。此外,温度传感器也会及时将现场实测的温度信号传递给PAC,实现自动恒温控制。

图3 室温调节人机界面示意图Fig.3 Schematic diagram of the indoor temperature regulation HMI

2.4 灯光调节

正常情况下候车室的照明照度在73.2～113.6 lx之间,人体感觉较为舒适,因此照明灯光调节应遵循此规范进行设计[8]。工作人员首先在灯光调节人机界面中选中需要调节灯光的区域,然后在该区域中选择不同的照明模式,诸如节能、舒适或明亮等模式。此时,界面中的选择状态通过数据传输进入到PAC中进行逻辑运算。结合光照传感器在当前环境下实测的光线照度,最终将运算结果送到PAC数字量输出模块,从而控制相应区域不同数量的候车照明灯开启和关闭,以实现不同照明模式的运行,且能够保证照明被控制在合理的照度范围之内。

2.5 自助找寻

工作人员和旅客可以在自助找寻操作界面中启动找寻语音功能和紧急报警功能。它可以实时地播报寻人寻物信息,一旦发现紧急状况,双方都可以第一时间启动报警程序,以警示人群。除此之外,工作人员还可以启动背景音乐和音量管理程序,根据环境要求进行调整。界面中的所有功能都是通过编写VBA脚本程序启动第三方应用来实现的。

2.6 安全报警

安全报警功能界面中具有烟雾报警、火焰报警及报警一览表等三种报警功能。当烟雾报警器检测到烟雾或者火焰探测器检测到火情时,检测元件将开关量信号输出给PAC的数字量输入模块,经过PAC内部逻辑运算后,将输出结果通过功能界面中的报警动画显示,以警示人群。报警一览表不但可以记录系统在运行中由于过程变量引起的越限报警,同时还能记录系统运行中的内部程序和数据错误,大大提高了管理系统运行的安全性和可靠性。

此外,管理系统中还设置了管理员权限和操作员权限,其中管理员权限供候车工作人员使用,可以操作和监控所有的功能界面。操作员权限供普通旅客使用,只能使用诸如自助检票、通道指引、寻人寻物等全部或部分功能。

3 系统特性

3.1 工作原理

PAC是系统进行数据处理和逻辑运算的核心单元,它是根据程序的设计要求来实现运行。PC是用来实现系统人机界面的重要装置,其内部的以太网网卡和PAC中的以太网通信模块通过TCP/IP协议进行通信。PC中安装的组态软件iFix可以实现系统的监控和操作,它通过相应的驱动软件与PAC实现数据传输。iFix用来开发出人机监控界面,可以通过动画的形式显示出各监控设备的状态,并作为操作人员给PAC下达指令的直观参考。PAC根据指令的要求,进行数据处理和逻辑运算,最终通过其内部的数字量输出模块和模拟量输出模块,控制外部执行机构的状态,包括检票闸机开闭状态、候车照明灯开关状态以及空调风机的风量大小和温度高低。烟雾报警器和火焰探测器在检测到烟雾和火情时,将其输出的开关信号送入PAC内部的数字量输入模块进行处理,并最终在人机界面上以动画和报警的形式警示人群。人机界面中所包括的语音、音乐、报警等所有发声功能都是通过候车室音响输出实现,从而起到扩大音量的作用。

3.2 系统优点

系统优点如下。

①能够将管理候车场所需要的主要功能集成在统一的管理系统中,方便使用和管理。

②管理系统通过设定用户权限,方便专业管理人员和普通操作人员共同使用,灵活性较高。

③管理系统中各个功能的运行状态可以在统一的监控界面下显示,便于观察和控制。

④管理系统中集成的自助功能可以完全替代人工服务,节约劳动力资源和成本。

⑤管理系统中有专门的安全报警功能及界面,可以较大幅度地提高安全防护的实时性及针对突发事件的响应快速性。

4 组态与仿真

iFix和GE PAC的数据通信是依靠GE9 PowerTool驱动软件实现的。在驱动软件的树形栏里,Channel0是添加与iFix通信的PLC数量,Device0是设定PLC的IP地址及代号。要确保iFix和PAC通信正常,在设置时需要将安装iFix的计算机和PAC的IP地址设置在同一网段下。

树形栏中Datablock是添加PAC中的过程变量,将其与iFix过程数据库中对应的变量建立关联,使PAC中变化的数据信息及时反馈到iFix的过程数据库中。根据设计需要,驱动软件中建立了两种数据块通道,其中Datablock0专门建立模拟量信号关联, Datablock1专门建立数字量信号关联。在使用过程中也可以方便地添加和删除不同的数据块通道。

打开如表1所示的过程数据库(其中,扫描时间为1 s,I/O设有为GE9),将iFix监控界面中的控制按钮等软元件与过程数据库中的变量信息建立一一对应的关系,完成数据从iFix驱动映像表经过SAC(过程报警与控制)到达PDB[9]。

表1 过程数据库Tab.1 Process database

表1中,“标签名”中需要填写监控界面中软元件的标签名,“类型”中需要填写过程数据的类型,如DI (数字量)或AI(模拟量),“I/O地址”中需要填写与iFix对应的PAC中的I/O地址。这样以过程数据库为中间联系节点,实现了iFix人机界面与PAC的实时数据传递。人机界面中的画面就可以根据数据库中数据源的变化,动态改变对象属性,实现动画效果[10]。

通过上述组态步骤的操作,可以成功实现iFix人机界面与GE PAC之间的数据联系。通过点击人机界面上的功能按钮,仿真操作流程,界面上将显示相应动画,并触发PAC中相关联的输出控制,同时PAC中相应输出端口的指示灯也会点亮。这样既实现了系统的仿真运行,又可以验证程序的正确性和可靠性。

5 结束语

目前,公共候车场所的服务质量虽已得到较高重视,在检票、照明及室温控制等方面均采取了一定的优化措施,但是由于这些因素的控制主体不统一,如此分散的管理系统将大大影响工作的实时性和高效性,降低了管理系统的灵活性和快速响应性。因此,将HMI技术应用到公共候车管理系统当中,开发出集多种功能于一身的自动化管理系统,将能更好地处理候车场所中绝大部分的管理和服务工作。此外,还可以通过功能的调整和优化,将其拓展到更广泛的公共场所管理与服务当中。

[1] 蒋卓群.智能化在公共交通运营管理中的运用[J].中小企业管理与科技,2013(12):276-277.

[2] 张庆玲,李玉昆.基于HMI与PLC的液位监控实验系统设计[J].实验技术与管理,2011,28(6):79-81.

[3] 张大千,司春宁.综合监控系统人机界面的探讨与展望[J].都市快轨交通,2013,26(6):52-55.

[4] 鲁玲,黄雄峰,杨盛.自动化系统可编程控制器应用技术综述[J].可编程控制器与工厂自动化,2012(9):33-36.

[5] 邵云.基于PAC的风机整机试验台的设计与开发[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[6] 孟庆波,李学武.基于iFIX VBA的综合监控系统人机界面开发[J].制造业自动化,2013,35(6):86-90.

[7] 王成,蒋秋华,覃飞,等.铁路旅客自动检票系统设计与实现[J].铁路技术创新,2012(4):45-48.

[8] 马卫武,刘伟,李立清,等.客运站候车照明舒适度研究[J].科技导报,2009,27(14):82-85.

[9] 李雷.基于iFIX的远程医疗信息管理系统的研究与应用[D].北京:北京交通大学,2010.

[10] 周晓旭,余红英.基于PAC systems RX3i系统和iFix的虚拟实验设备设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2013,12(4):6-9,30.

Research on the Application of HMI in Public Transportation Passenger Services

HMI is the most widely applied man machine technology in the field of modern automation control;its engineering solutions are particularly rich in various industries,such as factory,mine,metallurgy and transportation,etc.At present,chaotic ticket checking,poor waiting environment are widespread problems in public transportation passenger services,against these situations,the HMI platform based on iFix and PAC has been researched,and the management system is developed,which integrates functions of self ticket checking,channel guidelines,indoor temperature regulation,light regulation,missing person tracing,looking for lost and security alarm,etc.The hardware and software configuration and design method of man machine interface are described in detail.The system effectively solves the disadvantages existing in public transportation passenger services;it provides reference for applying HMI technology in public services.

Human machine interface(HMI) Programmable automation controller(PAC) iFix Public transportation Passenger service Management system

TP29

A

江苏省交通运输科技基金资助项目(编号:2012Y21-3);

南京交通职业技术学院院级重点科研基金资助项目(编号:JY1203)。

修改稿收到日期:2014-06-12。

胡凯(1979-),男,2012年毕业于东南大学电气工程专业,获硕士学位,讲师;主要从事电气自动化、自动控制方面的研究。