基于无源磁钉定位的数字轨道电车人机交互系统设计

张继光

（上海电气集团智能交通科技有限公司,上海 200233）

0 引言

随着近年来城市轨道交通运营管理的进步和科学技术的不断发展，在我国的轨道交通领域不断出现新的类型的制式和技术，数字轨道电车有别于传统的有轨电车，它是一种新的交通技术，利用地埋无源磁钉形成数字化轨道，实现列车自动导向和精确控制。相比有轨电车，数字轨道电车新建基础设施少、对原有市政设施破坏少、综合费用低、建设周期短。

上海临港中运量公交系统是临港地区公共交通骨干网络，规划共6线成网，主要服务地区各功能性组团之间民众的快捷出行，全网线路总长约105 km。T1线是示范线工程，线路全长21.75 km，初期设站10座，配车11列，采用数字轨道技术和胶轮多编组列车，项目已于2021年6月30日开通运营。

数字轨道电车的车载交互系统是一种以人机界面为载体的列控车载系统的重要的组成部分[1-2]。人机交互的历史是使计算机适应人类的历史，交互信息也从准确的输入/输出信息改变不准确的输入/输出信息[3-4]。人机交互的技术是计算机用户界面设计中的非常重要的内容之一[5]。

1 基于无源磁钉定位的数字轨道电车车载交互系统

该文所述的车载交互系统具体包括：系统通信子系统、人机交互硬件平台以及人机界面软件系统[6]。同时还提供了一种实现数字轨道电车主机系统与车载人机交互系统间双向稳定通信的具体通信方法，该文提供设计的系统和方法可以实现轨道车辆智能化、道路信息化、运营智能化和成本最优化。

数字轨道电车车载人机交互系统包括数据通信系统、人机交互平台，人机界面软件系统三个子系统，其目的是通过提供一种基于无源磁钉定位的数字轨道电车车载交互系统及通信控制方法，以克服现有轨道列车显示系统和界面操作繁琐和人的主观干预性强的缺点，从而最终实现对数字轨道电车的准确控制和稳定运行。所述的基于数字轨道电车的车载人机交互系统的系统结构图如图1所示。

如图1，数字轨道电车车载人机交互系统的数据通信系统包括：

图1 数字轨道电车车载人机交互系统的系统结构图

（1）用于产生、发送定位信息的无源磁钉定位模块是一种新型的埋设于预行驶数字轨道电车线路上的无源磁钉装置，磁钉在行驶线路上的埋设深度为5 cm左右。包含该磁钉所处线路区段的位置坐标信息、线路状况、路面状况、坡度信息等线路基础信息，并且在其所处区段线路中具有唯一标识码，可作为传感器的定向识别和访问依据。

（2）接收实时定位的传感器接收模块是安装部署于数字轨道电车底部的特定传感器接收装置，可以对安装于线路路面上的无源磁钉进行识别和信号接收，获取磁钉所在位置的实时信息，从而实现对数字轨道电车的实时定位；完成由无源磁钉信标到服务器发送采集端的完整双向通信链路。

（3）信号通信模块是通过服务器终端对传感器接收到的磁钉定位信息进行实时接收和储存的系统单元，既能作用于系统周期性的数据接收和传输，又能实现系统非周期性的数据接收和传输；在列车运行过程中，服务器终端会向车载交互系统发送在数字轨道电车在行进过程中由传感器接收模块通过无源磁钉定位模块时的列车行驶状态信息、驾驶员工作状态信息及磁钉定位信息发送给该系统的界面显示系统。

人机交互硬件平台由数据通信系统构成，人机界面软件系统具体由按钮响应系统及界面显示系统组成。系统中包含的数据通信系统包括用于产生、发送定位信息的无源磁钉定位模块，接收实时定位的传感器接收模块，以及信号通信模块。完成由无源磁钉信标到服务器发送采集端的完整双向通信链路。数字轨道电车车载主机与人机界面间的数据传输和通信关系如图2所示。

图2 主机和DMI的数据传输及通信关系

如图2，数字轨道电车车载主机与人机界面采用modbus协议完成通信。数字轨道电车车载主机作为modbus协议的服务端，DMI作为modbus协议的客户端。DMI每隔1 s向主机请求状态显示数据和维护数据。所述的数字轨道电车车载人机交互系统的数据处理系统包括接收数据分析和发送数据包。分析来自车辆主机的周期性数据和偶发数据，供车辆人机界面软件应用层使用。同时将车载人机界面软件应用层的周期性数据包发送给车载主机，并将驾驶员按下按钮产生的偶发按钮信息数据包发送给车载主机。

车载信号主机发送给DMI的数据信息主要包括速度、列车偏移磁轨的偏移量、列车驾驶模式等状态值。每隔1 s，DMI主动请求主机查询数据，主机根据DMI的请求发送数据给DMI显示。

该文所提出的人机交互系统通信方法流程图具体是：由数字轨道主机系统和数字轨道人机交互系统（DMI）间的双向数据通信和响应方法，其主要通信方法的过程为车载信号主机发送给数字轨道人机交互系统的数据信息，主要包括速度、列车偏移磁轨的偏移量、列车驾驶模式等状态值，并且每隔1 s，数字轨道人机交互系统主动请求主机查询数据，主机根据数字轨道人机交互系统的请求发送数据给数字轨道人机交互系统显示。

人机交互平台模块中的语音处理系统是指在列车的运行期间，车载人机界面接收声音和文本信息数据包，并使驱动播放器的声音根据优先级顺序从高到低播放，以提醒司机列车运行状态的变化或让车载主机对命令作出及时的反应。

此外，所述人机界面软件系统包括按钮响应系统和界面显示系统。其中，按钮响应系统包括车载人机界面及两个可操纵键盘，可扩展功能键在屏幕右侧，固定功能键在屏幕底部。界面显示系统包括地面界面显示系统，地面界面显示系统包括车距监控信息显示模块、车速信息显示模块、辅助行车信息显示模块、运行计划信息显示模块、功能辅助显示模块等。

2 车载人机界面软件设计

该系统中的数字轨道电车车载人机交互系统的人机交互软件包括监控信息显示模块和功能信息显示模块，其中监控信息显示模块包括第一信息显示模块和第二信息显示模块。

2.1 人机界面软件整体结构设计

人机交互车载控制系统的功能辅助显示模块系统的结构图如图3所示。

如图3，监控信息显示模块的第一信息显示模块包括列车自动运行监控系统（ATS），是列车的自动监管系统，其核心设备位于信号系统的中心层；网络控制单元（NCU）是网络中可独立运作的信息收集和处理设备，负责控制网络数据的传输与网络的运行；通信状态检验单元（RSU）表示车载信号主机与车辆处于连接状态，当主机和车辆连接正常时，该图标点亮；第二信息显示模块包括自动驾驶状态显示单元、人工驾驶状态显示单元、列车时刻表显示单元、登录状态显示单元及列车故障显示单元。

另一方面，图3中所示界面显示系统的功能键信息显示模块包括选择交路功能子模块、列车司机登录功能子模块、系统设置子模块和列车维护功能子模块，用于实现司机对数字轨道电车的人机交互控制和功能操作。所述的选择交路功能子模块，当列车需要选择进路时，点击此按钮可以选择所需进路，当在司机显示界面按下此按钮时会弹出新对话框，其界面显示的内容是可选择的进路，具体显示哪些交路信息，可以通过配置更新。

图3 功能辅助显示模块通信系统结构图

2.2 人机界面软件设计

关于软件架构，对于每个操作模式定义了五个模块（启动、配置、正常、可疑和安全模式），当DMI从一种模式转换到另一种模式时，这些模块被激活/停用。全局监视执行监视器、软件看门狗、日志管理器和诊断管理器的角色；它识别导致DMI操作模式更改的条件，并在发生模式更改时执行重新配置系统所需的操作，检查和测试执行检查和测试活动。

操作模块包含了实现操作模式功能要求所涉及的软件对象，如可视化和音频发射程序。通信模块处理诊断、维护和EVC相关的通信，I/O管理器包含DMI硬件设备的驱动程序。最终设计实现的数字轨道电车人机交互系统软件界面示意图如图4所示。

图4 数字轨道电车车载人机交互系统界面示意图

3 结语

该设计方案应用于上海临港中运量示范线项目，项目于2021年6月正式开通运营，经过1年多的运营验证和迭代优化，该设计方案得到了使用单位的认可。

同时，数字轨道电车是胶轮交通系统，是轨道交通和汽车技术结合的产物，随着汽车自动驾驶技术的快速发展，人机协同、人机共驾和人机界面方面都有了较大的进步，在后续的数字轨道电车人机界面设计上，应主动借鉴汽车自动驾驶的成熟设计，进一步提高易用性。