人机界面运营过程复现系统的应用研究

张友兵，刘 岭，崔俊锋，牛道恒

（北京全路通信信号研究设计院有限公司 通用技术研究院, 北京 100073）

人机界面运营过程复现系统的应用研究

张友兵，刘 岭，崔俊锋，牛道恒

（北京全路通信信号研究设计院有限公司 通用技术研究院, 北京 100073）

在CTCS-2级和CTCS-3级列车控制车载设备中，司机通过观察和操作人机界面（DMI，Driver Machine Interface）单元监控和调整列车运行状态。但是司机的错误操作、人机界面设备故障等均可能导致列车控制车载设备故障，造成运营晚点。为了对司机操作和车载设备故障进行复现，需要开发一种可以复现人机界面运营过程的系统。本文介绍了列车控制车载设备人机界面运营过程复现系统的系统框架、基本原理、人机界面日志记录包含的信息，以及人机界面运营过程复现系统4种典型应用场景，包括复现人机界面故障、支持人机界面软件调试、人机界面功能演示和自动测试人机界面功能。

车载设备；人机界面；运营复现

在CTCS-2级和CTCS-3级列车控制车载设备中，车载主机向人机界面实时传递列车的位置、速度、等级、模式等信息，人机界面以图形、文字等形式实时显示列车的各种运行状态信息。此外，司机操作人机界面的按键时，人机界面将把按键信息及时传递给车载主机，达到调整列车运行状态的目的[1]。

在列车运行过程中，如果司机错误操作了人机界面，或者人机界面软件缺陷、车载主机软件缺陷等均会影响列车控制系统的正常运行，降低铁路运输效率。为了对司机操作和车载设备故障进行复现，需要开发一种可以利用人机界面日志记录复现人机界面运营过程的系统。当现场人机界面发生故障时，可以下载该人机界面的日志记录文件，并使用人机界面运营过程复现系统复现该人机界面的运营过程，便于通过观察快速发现问题和解决问题。

1 人机界面运营过程复现系统简介

该系统以真实人机界面设备产生的日志记录文件为脚本，以日志记录文件中前后两条日志记录的系统时间间隔作为处理消息的时间间隔。提取日志记录文件中车载设备发送给人机界面的消息并发送给人机界面，驱动人机界面正常工作。提取日志记录文件中人机界面发送给车载主机的消息，根据消息内容、按键布局、按键菜单结构和软件逻辑将消息转换成对应的按键操作命令，重新发送给人机界面，人机界面接收到按键命令时自动触发按压按键的操作，模拟司机操作人机界面按键的过程[2]。

人机界面运营过程复现系统原理图如图1所示，该系统包括人机界面日志记录文件、车载主机模拟工具和人机界面设备。人机界面日志记录文件为人机界面设备运行过程中的日志记录数据，包含人机界面设备与车载主机交互的所有消息。车载主机模拟工具在系统中模拟车载主机的功能，以人机界面日志记录文件为脚本驱动人机界面工作。人机界面设备为真实的人机界面设备或者具有人机界面软件逻辑的PC机软件。

图1 人机界面运营过程复现系统原理图

2 对人机界面日志记录的信息挖掘

2.1 人机界面日志记录的构成

人机界面设备在运行过程中，将从车载主机收到的消息和发送给车载主机的消息均以固定的格式记录在日志记录文件中。每条日志记录包含时间戳、系统时间、消息方向和消息内容4个组成部分。时间戳以100 ms为单位，人机界面上电启动时的时间戳初始值为0，此后随着时间向上累加。系统时间包括年、月、日、时、分、秒和毫秒，为消息产生时的人机界面设备的时间。消息方向记录本条消息是由车载主机发送给人机界面，还是由人机界面发送给车载主机。消息内容为本条消息的具体内容。

2.2 对时间戳的信息挖掘

人机界面设备上电时初始化时间戳为0，此后时间戳以100 ms为单位向上累加，当人机界面设备断电时，时间戳停止向上累加，每一条人机界面日志记录携带的时间戳为产生该条日志记录时刻的时间戳。对于同一次运营，人机界面日志记录的时间戳总是从小到大向上增长的。前一次运营的最后一条日志记录的时间戳到后一次运营的第一条日志记录的时间戳会出现从大到小的跳变，根据时间戳的这个特征可以将包含多次运营的人机界面日志记录文件分割开来。用一次运营的开始时间和结束时间标记本次运营的时间范围，便于操作人员选择期望的运营数据，进行人机界面运营过程复现。

2.3 对系统时间的信息挖掘

人机界面设备上电后与车载主机建立正常的通信连接后，车载主机向人机界面设备发送系统校时消息，人机界面设备据此设置本设备的系统时间。每一条日志记录携带的系统时间即为产生该条日志记录时刻的人机界面设备系统时间。复现人机界面运营过程时，车载主机模拟工具按先后顺序依次处理一次运营的每一条日志记录。处理完前一条日志记录时，根据后一条日志记录与前一条日志记录的系统时间差，可以计算出处理后一条日志记录需要推延多长时间。当时间延迟满足前后两条日志记录的系统时间间隔时，车载主机模拟工作才处理后一条日志记录。通过这种方式保证车载主机模拟工具处理日志记录的时机是完全符合车载主机与人机界面设备交互消息的时机。

日志记录的系统时间也为选择一次运营的复现起始时间提供了基础。在复现故障场景时，得知故障发生的时间，可以定位故障属于哪一次运营，设置复现起始时间为故障发生时间前面的一个时间点，车载主机模拟工具则处理复现起始时间之后的日志记录，提高复现故障场景的效率。

2.4 对消息方向的信息挖掘

人机界面设备从车载主机接收到ETCS和CTCS动态消息或其他消息，产生的日志记录携带的消息方向分别为“ETCSDyn”、“CTCSDyn”或“receive”。人机界面发送给车载主机的消息，产生的日志记录携带的消息方向为“send”。通过日志记录携带的消息方向可以快速辨别出该消息是车载主机发送给人机界面设备或是人机界面设备发送给车载主机。

2.5 对消息内容的信息挖掘

对于消息方向为人机界面设备发送给车载主机，则车载主机模拟工具需要根据消息内容进一步辨别该消息是人机界面设备自动发送给车载主机，还是由于司机操作人机界面设备按键触发人机界面设备发送消息。如果辨别该消息为人机界面设备自动发送给车载主机，则忽略该条日志记录。如果辨别该消息为司机操作人机界面设备按键触发人机界面设备发送消息，则车载主机模拟工具需要根据消息内容、按键布局、按键菜单结构和软件逻辑将消息转换成对应的按键操作命令，重新发送给人机界面，人机界面接收到按键命令时自动触发按压按键的操作，模拟司机操作人机界面按键的过程。

3 人机界面运营过程复现系统的应用场景

3.1 复现故障场景

在高速列车上均装备有人机界面设备，列车在运行过程中发生故障时，可以下载人机界面设备存储的日志记录文件。使用人机界面运营过程复现系统复现日志记录文件对应时间段的人机界面设备运行过程，观察故障时间段的人机界面设备运行状态，定位和分析故障可能发生的原因。

由于人机界面设备存储的日志记录文件包含多次运营，为了快速复现故障时刻的人机界面运行状态，提高复现的效率，车载主机模拟工具增加根据运营次数不同对日志记录进行分割、从指定时间点开始复现、加快或放慢复现速度等功能。

将人机界面设备上电开始产生日志记录到人机界面设备下电停止产生日志记录作为一次运营。车载主机模拟工具根据运营次数对日志记录文件进行分割，用开始时间和结束时间标记每一次运营的时间范围。复现故障时，根据故障发生的时间点判断故障属于哪一次运营，选择包含故障时间点的该次运营进行故障复现。根据故障发生时间点设置开始复现的起始时间，忽略起始时间之前的运营过程，可以提高复现效率。在复现过程中可以加快或减慢复现速度，对于不需要关注的过程，可以加快复现速度，对于需要关注的过程，可以放慢复现速度。

3.2 支持人机界面软件调试

将需要测试的PC版人机界面软件置于人机界面运营过程复现系统中，使用车载主机模拟工具驱动人机界面软件工作，搭建测试环境简单方便。不但可以使用真实的人机界面运行日志记录作为脚本驱动被测试人机界面软件工作，测试人机界面软件的正常功能。而且还可以人工设计特殊的人机界面运行日志记录，测试正常情况下无法走到的人机界面软件逻辑，提高了人机界面软件测试的覆盖率。

3.3 人机界面功能演示

真实的车载设备重量大、体积大，会给展示带来不便，使用人机界面运行过程复现系统驱动PC版人机界面工作，以展示人机界面设备的工作过程。

3.4 自动测试人机界面功能

按照人机界面日志记录格式设计车载主机与人机界面设备交互消息的消息序列，构成驱动人机界面设备工作的测试脚本。对人机界面设备执行自动测试时，车载主机模拟工具加载测试脚本，将方向为车载主机至人机界面设备的消息发送给人机界面设备，驱动人机界面设备正常工作。遇到方向为人机界面设备至车载主机的消息，忽略此类消息。车载主机模拟工具与人机界面设备交互的所有消息按照日志记录格式全部记录下来，得到执行结果脚本。

使用工具分析测试脚本中期望的人机界面设备至车载主机的消息与执行结果脚本中实际收到的人机界面设备至车载主机的消息是否一致，以判断人机界面设备软件逻辑是否符合设计，达到对人机界面功能的自动测试。使用人机界面运营过程复现系统自动测试人机界面功能的原理图如图2所示。

4 结束语

CTCS3-300T列车控制车载设备在我国高速铁路中已经得到广泛应用。当列车控制系统在运营过程中发生故障时，现场值班人员会尽快下载列车控制车载设备各种历史数据（包括人机界面设备记录的数据）并将数据发送给相关人员。相关人员使用人机界面运营过程复现系统再现发生故障时段的设备运营过程，通过观察分析，可以快速定位故障发生的原因，提出解决问题的方法，达到提高列车运输效率的目的。

图2 自动测试人机界面原理图

[1] 中国铁路总公司. CTCS-2/3级列控车载设备人机界面（DMI）显示暂行规范[S].中国铁路总公司，2014.

[2] 北京全路通信信号研究设计院有限公司. CTCS3-300T列控车载设备DMI司机操作手册[S]. 北京全路通信信号研究设计院有限公司，2013.

责任编辑 方 圆

DMI Operation Reappearing System

ZHANG Youbing, LIU Ling, CUI Junfeng, NIU Daoheng
( Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Ltd., Research Institute of General Technology, Beijing 100073, China )

In CTCS-2 and CTCS-3 Train Control Systems, The driver monitors and adjusts the train running status through observing and operating the DMI equipment. But the wrong operation and DMI equipment failure could cause the Train Control System fault, and the train delay. In order to reappear driver’s operations and on-board equipment faults, it was needed to provide a system of reappearing DMI operation process. This paper introduced the system frame and basic principles of the DMI Operation Reappearing System, described the useful information which was included in the DMI logs, introduced four typical applications about reappearing the DMI defaults, debugging the DMI software, displaying the DMI functions and testing the DMI functions automatically.

on-board equipment; Driver Machine Interface(DMI); operation reappearing

U284.48∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0047-04

2015-01-14

铁路总公司重大课题（2003B001-A-1）；铁路总公司重点课题（2014X003-H）。

张友兵，工程师；刘 岭，高级工程师。