高铁人机交互界面的分析与设计

吴明桓　魏国栋

摘 要：近年来，高铁技术得到了突飞猛进的发展，列控系统中的车载设备在保证列车安全运营的过程中扮演着重要的角色。车载设备中的人机交互界面是司机和车载安全计算机之间信息交互的桥梁。文章主要在分析了人机交互界面的作用和功能的基础上，对人机交互界面中各个区域的显示进行了分析与设计，这对研发人员在人机交互界面的开发中具有重要意义。

关键词：高铁技术；人机交互界面；车载设备

引言

据中国交通部公布的白皮书，到2020年，高速铁路营业里程达到3万公里，高铁将覆盖80%以上的中国大城市。按照当前高速铁路发展的速度，可以预计，这一计划将得以实现。作为高铁三大核心技术之一的列车运行控制系统，在高铁“一带一路”走出去的过程中扮演着举足轻重的作用。列控系統是一个大规模的实时控制系统，主要分为地面设备和车载设备两大部分，车载设备包含车载安全计算机、轨道电路信息接收器、人机界面（DMI）、GSM-R天线等，其中人机界面是司机与车载设备的交互接口。本文主要简述了人机交互界面的作用和功能，并在此基础上对人机交互界面进行了分析与设计，这对于研发人员在人机交互界面的开发过程中具有重要意义。

1 人机交互界面的作用

人机交互界面（DMI）是车载设备中的一个组成部分，在车载设备中位于列车司机与安全计算机之间，是司机与车载设备之间信息交互的一个桥梁，如图1所示。

车载安全计算机通过制动接口单元、应答器信息接口、轨道电路信息接口、无线信息接口、测速单元等外围设备获取列车的运行状态信息和地面控制信息，经过安全计算机的安全处理后，由MVB总线向人机交互界面（DMI）实时发送列车的速度、模式、位置、等级等重要信息。DMI在界面上以文字、图形等形式实时的向司机显示列车的各种运行状态信息。司机除了能够从DMI上获取列车的状态信息，还能通过DMI的按键向车载安全计算机输入列车数据、下达指令等操作。

2 人机交互界面的功能

列车在运行的过程中，车载安全计算机通过人机交互界面DMI向司机提供列车的运行状态信息等，同时，司机可以通过人机交互界面向车载安全计算机输入一些必要信息和操作指令来保证列车安全运行，如图2所示。因此，人机交互界面主要有两个方面的功能。第一个方面的对象是列车的司机，主要向列车司机提供列车速度信息、距离监控信息、运行计划信息、列车制动状态信息、线路坡度和特殊区段信息等数据的显示；第二个方面的对象是车载安全计算机（ATP），人机交互界面主要向ATP提供司机输入的数据与指令。

3 人机交互界面的分析与设计

人机交互界面（DMI）的显示界面主要分为六个区域，包括A区、B区、C区、D区、E区、F区，在每一个分区里又分为不同的内容显示区域，具体的划分如图3所示。

3.1 A区 距离监控信息

A1制动预警时间区：

A1区以正方形图标显示，正方形图标边长的大小反应了距离车载安全计算机输出制动的时间长短，当距离触发制动的预期时间小于规定的值时，正方形图标以不同的尺寸和颜色显示，正方形的显示条件和显示颜色对应的关系如表3所示。

A2 目标距离显示区：

A2区使用两种方法表示目标距离：柱状光带表示法和数字表示法。柱状光带左侧为刻度，柱状光带的高度代表目标距离的值，光带越高表示目标距离越远，柱状光带上方为目标距离的具体值，如图4所示。

A2区的显示条件如表4所示。

3.2 B区 速度显示信息

B区主要显示速度信息，列车速度采用双备份显示。一种方式是速度表，表盘的刻度为0～450km/h；另一种方式是数字，在速度表的中间区（B1区）显示列车速度值，如图5所示。

列车运行过程中的目标速度、允许速度、常用制动干预值、紧急制动干预值等通过环形速度表（CSG， Circle Speed Gauge）来表示，在CSG中以光带方式显示各种速度信息。在CSG中，正常情况下，通过亮灰色和暗灰色来区分这些速度信息，在列车超速的情况下，CSG中的常用制动干预限值、紧急制动干预限值通过更加艳丽的颜色来显示，如图6所示。

3.3 C区 补充驾驶信息

C区主要显示内容为补充驾驶信息，包括列车当前运行等级、列控车载设备制动状态以及下一控制模式。

（1）C1区以带黄色闪动边框的模式文本，显示要确认的各种模式，闪烁频率为1 Hz，以便司机确认下一有效模式。

（2）C8区以文字的方式显示列控车载设备的运行等级，字体为幼圆大小为14磅（推荐），颜色为白色。

（3）C9区以图标的方式显示列控车载设备制动状态。DMI根据列控车载设备的制动状态显示图标。如果列控车载设备处于非制动非允许缓解状态，则该区域不显示任何图标其中图标与制动状态的对应关系如表5所示。

3.4 D区 运行计划信息

D区主要显示内容为运行计划信息。

（1）D1区，用于显示位置坐标，位于D区的最下方，坐标系的原点位于D1 区的左下角，始终以列车当前所在位置为参考原点，即列车始终位于坐标系的原点。

（2）D2/D3区，用于显示预告信息。常见的预告信息有：桥梁、车站、隧道、临时限速区、分相区。

（3）D4区，用符号显示速度变化信息，符号左侧处在速度发生变化的位置。显示图标分为“加速”、“减速”、“减速（目标为0）”。

（4）D5区，用于显示坡度信息。坡度信息由一系列不同坡度的长方形组成，长方形具有标准高度（10像素点），其宽度取决于到列车前端的距离和坡度延伸的长度。坡度为下坡道时，长方形显示为暗灰色，数字为灰色；坡度为上坡道或坡度为零时，长方形显示为灰色，数字为暗灰色。

（5）D6区，用于显示机车信号图标，常见的有：L5、L4、L3、L2、L、LU、HU、HB、UUS、UU、U2S、U2、U、LU2。

（6）D7区，显示列车前方最远32km范围内的最限制速度曲线（显示距离能够进行8km、16km和32km三级切换）。MRSP信息以图表的形式显示，横轴为距离标尺，纵轴为速度标尺。

（7）D8区，显示起模点信息，只显示动态速度递减的起始点，不涉及速度递增的情况。起模点用一个黄色的垂直光标在D8和D7的中间显示，宽2个像素点。

D区的显示示意图如图7所示。

3.5 E区 监控信息

E区主要显示列车的监控信息，包括26个分区。其中各个分区的显示内容和可选的显示状态如表6所示。

3.6 F区 功能键信息

F区为功能键区，共有8个功能键，通过该区的按钮，司机可以向车载安全计算机输入数据以及指令的下达。F区的显示如图8所示。

4 结束语

本文对车载设备中的人机交互界面的作用和功能进行了分析，阐述了人机交互界面在车载设备中的重要性，并在此基础上研究和分析了人机交互界面的六个区域的显示规则以及各个区域的含义，这对于研发人员在对人机交互界面的软件开发中具有一定的参考价值。

参考文献

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