許 杰 楊 川

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春//第一作者，工程師)

HMI(人機界面)是軌道交通列車監(jiān)控管理系統(tǒng)(TCMS)的重要組成部分，是司機和維修維護人員監(jiān)視和控制列車運行狀態(tài)的重要平臺[1]。HMI 的可靠性直接影響著TCMS的可用性，對整個列車的安全行駛發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。列車運行途中偶發(fā)黑屏等顯示器硬件設(shè)備故障以及通信故障等緊急問題，按照相關(guān)操作規(guī)程需停車進行處理，因此易形成臨停、列車晚點等重大安全責任。鑒于此，本文從硬件配置和軟件控制策略兩方面詳細介紹了動車組列車HMI冗余設(shè)計方法[2]，以提高列車運行的安全系數(shù)。HMI多重冗余設(shè)計將大大提高列車監(jiān)控系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性，增強其應急處理能力，從而更好地保障列車行車安全。

1 動車組列車HMI功能

動車組列車HMI可對連接到總線上的子系統(tǒng)狀態(tài)，以及列車的基本運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和故障診斷信息進行監(jiān)視和存儲，是列車司機、乘務(wù)員和其他工作人員與列車交互的主要渠道，也是列車診斷系統(tǒng)的重要組成部分[3]。列車HMI主要具備列車狀態(tài)顯示、故障報警與提示、數(shù)據(jù)配置、列車運行控制、視頻信息顯示等功能，具體描述如下：

1) 列車狀態(tài)顯示：對各子系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障信息和操作維修提示信息進行集中顯示。顯示內(nèi)容包含但不限于牽引、制動、輔助、高壓、車門、空調(diào)等系統(tǒng)的狀態(tài)，以及連接至MVB(多功能車輛總線)的軟件版本信息。

2) 故障相關(guān)數(shù)據(jù)提示、記錄、操作策略: 故障報警信息包含故障代碼、故障描述、故障發(fā)生(恢復)時間、故障發(fā)生車輛位置、應急處理措施等，故障報警提示同時可有蜂鳴器提示音。

3) 數(shù)據(jù)設(shè)置： 在HMI上顯示各動車和拖車的重要運行數(shù)據(jù)、所有車輛的故障信息以及建議的故障處理對策。維修人員可在HMI上查看各車發(fā)生的歷史故障。

4) 控制命令：可通過HMI發(fā)布部分控制操作指令，根據(jù)HMI的不同工作模式可以發(fā)布不同的操作控制指令。

5) 視頻信息顯示：通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，將需要進行顯示的視頻信息進行播放，如弓網(wǎng)監(jiān)測信息、乘客報警信息等。

HMI在整個車輛上發(fā)揮的作用如圖1所示。

圖1 HMI與其它電氣系統(tǒng)的連接關(guān)系圖

2 顯示器硬件及通信環(huán)路冗余設(shè)計

2.1 觸摸屏與按鍵互為冗余設(shè)計

HMI由開關(guān)電源板、液晶顯示屏、觸摸屏、主板、通信板等組成，如圖2所示。

圖2 顯示屏的硬件組成結(jié)構(gòu)圖

針對動車組列車顯示屏在修改參數(shù)和查看數(shù)據(jù)時操作復雜、電磁環(huán)境復雜、可靠性不高的問題，采用觸摸屏與按鍵互為冗余的顯示屏硬件設(shè)計方式[4]，觸摸屏和按鍵配合使用或獨立使用完成顯示屏各種操作的功能，提高了顯示屏在各種復雜使用環(huán)境下的可靠性和簡潔性。

顯示屏采用嵌入式實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)其各項具體功能。嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心是CPU(中央處理器)和任務(wù)，觸摸屏和按鍵各使用一個獨立的線程來完成鍵值和觸摸位置的采集及后續(xù)處理工作。

在按鍵面膜上采用有形有感按鍵：①數(shù)字鍵有1、2、3、4、5、6、7、8、9、0等；②鼠標選擇鍵有C、←、→、↑、↓、E等；③功能鍵有電源鍵、語言切換鍵、幫助建、故障查詢鍵、故障提示鍵、亮度調(diào)節(jié)鍵、晝夜模式切換鍵、左右切換鍵等。

儀表的觸摸屏和按鍵既可以配合使用，亦可以獨立使用，完成顯示屏的各種操作，簡化了用戶的操作，降低了維護成本，能夠有效克服由于按鍵或觸摸屏任一方故障無法使用的問題，延長了使用壽命，提高了網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)的可靠性[5]。

2.2 以太網(wǎng)雙向環(huán)路冗余通信設(shè)計

列車顯示屏作為列車控制和診斷系統(tǒng)的顯示終端，需要與TCMS保持良好通信。為保證列車設(shè)備狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)的及時更新，以及控制指令的及時和準確傳輸，本文采用傳輸速率高(100 Mbit/s)、軟硬件產(chǎn)品豐富的工業(yè)以太網(wǎng)作為通信傳輸介質(zhì)。

基于實時以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用ETB(以太列車骨干網(wǎng))和ECN(以太組網(wǎng))兩層架構(gòu)[6-8]。其中，ETB用于列車級網(wǎng)絡(luò)通信，ECN用于車輛級網(wǎng)絡(luò)通信。列車級采用總線結(jié)構(gòu)，車輛級采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具備骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率(100 Mbit/s)、網(wǎng)絡(luò)單點故障恢復時間不大于50 ms、骨干設(shè)備實現(xiàn)毫秒級同步3大優(yōu)點。列車以太網(wǎng)雙向環(huán)路冗余通信設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 列車以太網(wǎng)雙向環(huán)路冗余通信設(shè)計

為提高顯示器的通信質(zhì)量和可用性，避免通信故障的出現(xiàn)，在以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，主干路和與HMI相連的重要設(shè)備部件均采用冗余設(shè)計，具體方案如下：

1) 列車級ETBN(以太骨干網(wǎng)交換機)布置于兩端的頭車，其中同一端的ETBN間為相互冗余關(guān)系，ETBN間通過兩路獨立的以太網(wǎng)線相連，兩個頭車之間的ETBN通過以太網(wǎng)中繼器進行信號強度補償。

2) 骨干網(wǎng)絡(luò)和編組網(wǎng)絡(luò)均具有鏈路匯聚功能[9]。ETBN具有端口聚合和旁路功能，當其發(fā)生故障或不上電時，能保持以太網(wǎng)總線的連續(xù)性，不會影響線路兩端節(jié)點的通信，保證了線路的冗余。聚合線路標志為A、B，分別表示A線、B線。即在方向1上采用A1、B1標注線路信息，在方向2上采用A2、B2標注線路信息。A1線路與A2線路間以及B1線路與B2線路間為掉電導通。鏈路匯聚功能空間關(guān)系如圖4所示。

圖4 鏈路匯聚功能空間關(guān)系

3) CCU、RIOM(列車遠程輸入輸出模塊)等雙網(wǎng)口設(shè)備可以同時連接到這2臺ETBN交換機上，實現(xiàn)設(shè)備鏈路的冗余。頭車的CCU可實現(xiàn)互為熱備冗余，通過對全列車的子系統(tǒng)進行控制和診斷，保證HMI的數(shù)據(jù)來源的準確性[10]。

4) 車輛級ECN布置于1車至8車中，可對本編組內(nèi)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行高速轉(zhuǎn)發(fā)。

5) 同一司機室內(nèi)的TD_HMI(主控顯示屏，默認為HMI1)、TS_HMI(從控顯示屏，默認為HMI2)之間有直連的以太網(wǎng)回路，可進行數(shù)據(jù)同步和備份，TS_HMI可對TD_HMI的心跳信號進行時時監(jiān)測。

3 基于以太網(wǎng)通信的HMI軟件冗余設(shè)計

3.1 界面軟件冗余設(shè)計原理

動車組HMI軟件控制策略采用主從式冗余設(shè)計。為了提高HMI的使用性，在每個頭車設(shè)置兩個HMI相互冗余，這兩個HMI在硬件和軟件配置上完全相同(相同的硬件設(shè)備、控制功能、數(shù)據(jù)端口配置表以及同一套應用層控制邏輯軟件)，且兩個顯示屏分別擔任不同的功能任務(wù)。兩個顯示屏采用左右式布局初始化上電時，通過讀取不同的配置文件，人為地將顯示器劃分為主、從顯示屏，其設(shè)置流程如圖5所示。

圖5 顯示器默認主從設(shè)置流程

TD_HMI是列車的控制臺，負責列車控制命令信號的發(fā)送，可進行制動試驗、聯(lián)掛解編、自檢測試、數(shù)據(jù)修改等操作，同時其具備所有與HMI相連的設(shè)備狀態(tài)的顯示功能，可對系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)整車的綜合診斷。TS_HMI是列車的輔助顯示屏，僅具備監(jiān)視功能，可輔助TD_HMI進行整車設(shè)備狀態(tài)的診斷和顯示，便于司機在不退出當前操作的情況下，查看列車各子系統(tǒng)狀態(tài)。主從顯示器設(shè)備功能如表1所示。

表1 主從顯示器設(shè)備功能列表

TD_HMI、TS_HMI的界面冗余設(shè)計，可實現(xiàn)TS_HMI發(fā)生故障時，列車操作和控制完全不受故障影響；TD_HMI發(fā)生故障時，TS_HMI輔助司機，顯示重要設(shè)備信息，完成緊急操作。兩個顯示屏的界面冗余設(shè)計使顯示屏不可用故障發(fā)生的可能性大大降低。

3.2 HMI主從冗余控制模塊設(shè)計

3.2.1 基本原理和功能

同一司機室內(nèi)的兩個HMI互為冗余設(shè)備，上電啟動時，HMI1先以主設(shè)備模式工作，HMI2以從設(shè)備模式工作,兩個HMI間通過特定端口相互通信，檢測對方的狀態(tài)。當兩個HMI有主從切換的必要時，將進行主從切換。主從設(shè)備相互配合，TS_HMI是列車的輔助顯示屏，始終監(jiān)測主屏TD_HMI的心跳信號，在TD_HMI正常運行的情況下，TS_HMI僅具備監(jiān)視功能。而當TD_HMI發(fā)生故障時，通過HMI主從冗余控制模塊，實現(xiàn)TD_HMI的所有功能；當TD_HMI恢復時，TS_HMI會自動恢復到輔助顯示屏模式。此外，HMI主從冗余控制模塊還能夠?qū)χ鲝目刂茢?shù)據(jù)的交換端口進行定義和監(jiān)視。

HMI冗余控制模塊主要包括：

1) 模塊配置：模塊版本，發(fā)送/接收端口配置,發(fā)送/接收控制信息。

2) 主從請求：設(shè)置主從請求,清除主從請求,抑制主從請求。

3) 主從切換：通信協(xié)議復位,分析主從切換請求模塊，監(jiān)控主從切換模塊。

3.2.2 軟件冗余主從監(jiān)視端口設(shè)計

為了通過以太網(wǎng)發(fā)送過程數(shù)據(jù)及處理TD_HMI、TS_HMI的主從選擇和主從切換請求，特對TD_HMI、TS_HMI設(shè)計了兩個相互獨立的主從通信端口(簡為“HMIDS端口”)。

HMIDS1端口傳輸從TD_HMI到TS_HMI之間的通信數(shù)據(jù)，HMIDS2端口傳輸從TS_HMI到TD_HMI之間的通信數(shù)據(jù)。HMIDS1和HMIDS2的參數(shù)設(shè)置相同，且通信端口有4個。端口數(shù)據(jù)的傳輸方向與這2個HMI的主從狀態(tài)無關(guān)，由HMI的設(shè)備位置決定。通過這2個HMIDS在HMI程序軟件中的端口類型固定配置來確定數(shù)據(jù)的傳輸方向。HMIDS端口配置及傳輸方向如圖6所示。

圖6 HMIDS端口配置及傳輸方向

在4個HMIDS端口中定義3個端口用于主從切換的信號,分別是D_REQ(主設(shè)備標志)、MASTER_STA(主從狀態(tài))和TDHMIOK_STA(主顯示器正常狀態(tài))。輔助傳輸?shù)妮斎胼敵鋈肿兞咳绫?所示 。

表2 輔助傳輸?shù)妮斎胼敵鋈肿兞勘?/p>

以太網(wǎng)多端口監(jiān)視的方法可有效限制和避免2個從HMI的出現(xiàn)。當1個或1個以上以太網(wǎng)通信端口在接收過程數(shù)據(jù)時，可以認為以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)正常。僅當所有被監(jiān)視的以太網(wǎng)端口均不接收數(shù)據(jù)時，才可以判定以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障。此時可通過增加或減少以太網(wǎng)監(jiān)視端口的數(shù)量,使以太網(wǎng)通信狀態(tài)監(jiān)視僅在與一定數(shù)量的端口或者與一定的端口通信受阻時才做出響應。

3.2.3 參數(shù)設(shè)置

3.2.3.1 延時參數(shù)設(shè)置

由于相互監(jiān)視的HMIDS端口數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)總線進行傳輸，因此HMI軟件設(shè)計中包括多個延時單元，部分延時單元的參數(shù)(*D_REQDALY、*D_2REQDALY、*D_RESCLEAR)由HMIDS端口的總線循環(huán)時間和為功能包選擇的主程序掃描時間決定，即這些參數(shù)可借助設(shè)計數(shù)值進行精確調(diào)整。一般按照32 ms的HMIDS端口循環(huán)時間和200 ms的主程序掃描時間來確定上述參數(shù)取值。具體的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 延時參數(shù)設(shè)置

3.2.3.2 預設(shè)的主從配置文件

將預先設(shè)定的顯示屏類型配置文件，以.txt的形式下載到目標機中。在HMI程序啟動初始化的過程中，通過讀取顯示屏類型的配置文件HMITYPE.txt，將顯示屏的物理位置currentHMI鎖定，具體參數(shù)見表4。該方法能夠有效地避免主從輪流切換現(xiàn)象，以保持顯示屏主從切換的穩(wěn)定性，具體的讀取方法如圖7所示。

表4 預設(shè)顯示器位置參數(shù)定義

圖7 配置文件HMITYPE.txt讀取

3.2.4 軟件冗余控制流程開發(fā)

3.2.4.1 HMI1優(yōu)先，主從配置流程

HMI上電，主程序初始化啟動，同一司機室內(nèi)的兩個顯示屏HMI1和HMI2通過預先設(shè)定的配置文件，判斷自身所在位置，再分別配置HMIDS端口。

若HMI1設(shè)備狀態(tài)正常, HMI1將被默認為是主顯示屏設(shè)備。HMI1判斷自身為主設(shè)備并接收到HMI2為從設(shè)備的信號時，HMI1將正式成為主設(shè)備，即TD_HMI，HMI2成為從設(shè)備，即TS_HMI。 此時HMI1調(diào)用主節(jié)點監(jiān)控端口協(xié)議表，HMI2調(diào)用從節(jié)點監(jiān)控端口協(xié)議表，進行HMIDS端口信息配置。配置完成后開始發(fā)送接收過程數(shù)據(jù)，包括D_REQ(主設(shè)備標志)、MASTER_STA(主從狀態(tài))和TDHMIOK_STA(主顯示器正常狀態(tài))。程序正常運行時，HMI1主設(shè)備標志激活并執(zhí)行主設(shè)備功能，HMI2將執(zhí)行從設(shè)備的功能且HMI2的主設(shè)備標志將被抑制。

特殊的情況簡述如下：

1) 如果僅HMI2通信板卡出現(xiàn)故障，HMI1接收不到HMI2的從設(shè)備信號，在等待*D_REQDALY后確定自身為主設(shè)備，故障的HMI2自動成為從設(shè)備。

2) 如果HMI1通信板卡出現(xiàn)故障，HMI2未接收到HMI1正常信號TDHMIOK_STA，且HMI2通信板卡正常，則要求進行主從切換，激活自身主設(shè)備標志，在等待*D_REQDALY后確認自己為主設(shè)備，此時HMI1將自動降級為從設(shè)備。

3) 如果以太網(wǎng)通信環(huán)路網(wǎng)絡(luò)或CCU設(shè)備出現(xiàn)故障，則網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不可用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和命令將不被信任，兩個HMI將分別刪除主設(shè)備標志信號且均成為從設(shè)備，此時網(wǎng)絡(luò)進入降級模式。

HMI1優(yōu)先，主從配置流程如圖8所示。

圖8 HMI1優(yōu)先，主從配置流程

3.2.4.2 運行過程中2個HMI主從切換流程

當TD_HMI運行中遇到如檢測到自身板卡出現(xiàn)故障、HMI狀態(tài)不正?；蚴盏綇娭魄袚Q信號等情況時，則將抑制自己的主狀態(tài)標志，TS_HMI將激活主設(shè)備標志，重新進入主從配置流程(與HMI1優(yōu)先時啟動主從配置流程相同)。如果以太網(wǎng)通信環(huán)路網(wǎng)絡(luò)或CCU設(shè)備出現(xiàn)故障，則兩個HMI的主設(shè)備標志位均將被抑制而進入降級模式，成為從設(shè)備。

運行過程中2個HMI主從切換流程如圖9所示。

圖9 運行過程中2個HMI主從切換流程

4 結(jié)語

本文針對動車組列車在運行過程中顯示屏出現(xiàn)的一些實際問題，采用冗余設(shè)計和故障導向安全設(shè)計理念，以及采用傳輸速率更高、可靠性更好的以太網(wǎng)雙向冗余通信，實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)雙向環(huán)路通信的列車HMI多重冗余。充分的冗余設(shè)計能夠滿足設(shè)備故障冗余切換的要求，能夠有效保證動車組列車運行的可靠性和穩(wěn)定性，可廣泛應用于軌道交通列車的顯示屏冗余設(shè)計。同時，軟件控制策略的開發(fā)可使HMI的冗余控制不單純依賴硬件設(shè)備，在很大程度上降低了成本，保障了人機交互系統(tǒng)的可靠性和可用性。采用以太網(wǎng)技術(shù)骨干通信環(huán)路設(shè)計，為動車組智能化、信息化的發(fā)展預留了空間，符合下一代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢。