cr200j型動力集中動車組機電設(shè)備人機交互界面的設(shè)計

cr200j型動力集中動車組機電設(shè)備人機交互界面的設(shè)計

0車組的核心設(shè)計為了滿足當(dāng)前鐵路運輸和經(jīng)濟發(fā)展的要求，我們必須繼續(xù)充分利用鐵路公司的運營效率，提高運輸能力。由中國鐵路公司和中國鐵路公司聯(lián)合運營的許多部門啟動了cr200j動態(tài)集中車隊的關(guān)鍵和示范車輛的開發(fā)。作為機車重要組成部分的顯示屏，擔(dān)負(fù)著整個機車車載牽引控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和機車內(nèi)各主要設(shè)備的控制、監(jiān)視和故障診斷功能。整個機車采用MVB(MultifunctionVehicleBus，多功能車輛總線)通信與以太網(wǎng)通信的雙網(wǎng)冗余策略。傳統(tǒng)機車微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常只選用MVB通信或以太網(wǎng)通信的其中一種方式，本車型微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)首創(chuàng)采用雙網(wǎng)并行的通信方式。在雙網(wǎng)同時有效或是有一種通信方式失效的情況下，如何正確處理數(shù)據(jù)是一個新的挑戰(zhàn)1顯示軟件園的硬件設(shè)計1.1硬件界面切換根據(jù)《動力集中動車組司機室微機顯示屏技術(shù)規(guī)范》要求，該顯示屏借鑒了HX顯示屏背面依次為電源端口、USB端口、以太網(wǎng)端口、MVB端口。以太網(wǎng)端口還可以用于程序更新、故障下載以及維護測試等。顯示屏正面外形圖如圖1所示。頂部硬件按鍵的功能分別為：關(guān)閉或打開微機屏背光功能、多語言切換功能、查看當(dāng)前或者已經(jīng)結(jié)束的重要操作信息、查看當(dāng)前發(fā)生的故障信息、查詢當(dāng)前故障提示信息、晝/夜模式切換、牽引/制動/合屏主界面相互切換；右列的硬件按鍵分別對應(yīng)返回上一級菜單界面、光標(biāo)左移、光標(biāo)右移、向上翻頁、向下翻頁、確認(rèn)鍵；底部硬件按鍵分別對應(yīng)數(shù)字0～9，并且此排按鍵對應(yīng)軟件界面中的觸摸按鍵。1.2系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境相對于技術(shù)較落后的Windows操作系統(tǒng)和VisualBasic的應(yīng)用層開發(fā)環(huán)境的組合模式，本車型的顯示屏采用Linux操作系統(tǒng)和QtCreator的應(yīng)用層開發(fā)環(huán)境的模式，其中QtCreator版本為4.8.6。Linux操作系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣、系統(tǒng)穩(wěn)定、發(fā)展成熟、可移植性強。QtCreator是1991年由奇趣科技開發(fā)的一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，有容易擴展、控件功能強大的優(yōu)點1.3雙網(wǎng)絡(luò)通信方案的設(shè)計1.3.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議地址分配以太網(wǎng)通信協(xié)議采用符合IEC61375-2-3Edition1.0標(biāo)準(zhǔn)的TRDP(TrainReal-timeDataProtocol,列車實時數(shù)據(jù)協(xié)議)協(xié)議棧實現(xiàn)。IP(InternetProtocol,互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)地址分配采用符合IEC61375-3-4Edition1.0標(biāo)準(zhǔn)的方式設(shè)置。MAC(MediaAccessControl,介質(zhì)訪問控制)地址的長度為48Bit(6Byte），由16進制的數(shù)字組成，分為前24位和后24位。前24位稱為組織唯一標(biāo)志符，是由IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,國際電氣和電子工程師協(xié)會）的注冊管理機構(gòu)給不同廠家分配的代碼，以區(qū)分不同廠家；后24位是由廠家設(shè)定分配的，稱為擴展標(biāo)志符，同一個廠家生產(chǎn)的網(wǎng)卡中的MAC地址后24位是不同的。由此確保了通信設(shè)備的MAC地址不會有重復(fù)。1.3.2車輛總線行為規(guī)則動力集中動車組采用MVB總線，是一種主要用于對互操作性和互換性有要求的互連設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)通信總線。它是TCN(TrainCommunicationNetwork，列車通信網(wǎng))的一部分，遵循IEC61375-3-1的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，適合用作車輛總線；對于固定編組的列車，MVB采用主幀/從幀應(yīng)答方式，可保證其實時性2機械部的設(shè)計2.1司乘人員顯示功能人機交互界面功能結(jié)構(gòu)圖如圖2。此顯示屏軟件包括列車概況、主要數(shù)據(jù)、設(shè)備控制、運行條件、故障查詢、維護模式等在內(nèi)的50多項功能，顯示界面達(dá)到上百個，顯示內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)清楚、方便司乘人員查閱數(shù)據(jù)及故障等內(nèi)容。顯示屏還具有強大的維護測試功能，包括輪徑測試試驗、輔機測試試驗、庫內(nèi)動車試驗、靜態(tài)仿真試驗等駕駛員交互界面，操作簡單、步驟清晰，方便維護人員在機車出車之前在廠內(nèi)進行各種測試。2.2雙網(wǎng)絡(luò)冗余的重要定義2.2.1源端口的統(tǒng)一顯示傳送信息界面如圖3所示。此界面顯示了所有端口的對應(yīng)數(shù)據(jù)流，最上面2排按鍵是對應(yīng)的設(shè)備名稱，點擊相應(yīng)的設(shè)備名稱即可切換顯示對應(yīng)端口的數(shù)據(jù)流，例如點擊圖示中的“CCU”代表中央控制單元（CentralControlUnit），下方的數(shù)據(jù)區(qū)域則顯示了對應(yīng)源端口的數(shù)據(jù)“0x1F端口”、“0x20端口”等端口的數(shù)據(jù)流。此界面左右兩部分分別對應(yīng)“MVB數(shù)據(jù)”和“ETH數(shù)據(jù)”。如圖3所示，左邊為MVB數(shù)據(jù)區(qū)域，右邊為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)區(qū)域。這2個標(biāo)簽的背景顏色的不同，代表顯示屏當(dāng)前的有效以及無效數(shù)據(jù)區(qū)域：當(dāng)其中的一個標(biāo)簽背景顏色為黃色，代表此部分?jǐn)?shù)據(jù)有效；標(biāo)簽背景為黑色，表示此部分?jǐn)?shù)據(jù)無效。示例所示的狀態(tài)，則表示當(dāng)前的“CCU”為源端口的對應(yīng)數(shù)據(jù)，此端口“MVB數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)有效，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)無效。此界面為機車調(diào)試時所用到的最重要的界面，因為它不僅顯示了雙網(wǎng)端口數(shù)據(jù)的實時刷新值，而且還指出了顯示屏當(dāng)前的有效數(shù)據(jù)區(qū)域，同時根據(jù)不同的設(shè)備進行了分類，方便司乘人員查找，是簡單明了的調(diào)試工具界面。2.2.2mvb端口刷新周期檢測MVB端口刷新時間界面，如圖4所示。此界面說明了各個端口的刷新狀態(tài)。MVB數(shù)據(jù)的有效性，取決于MVB總線中，主控單元規(guī)定的子設(shè)備MVB刷新周期與子設(shè)備的實際刷新周期的長短的比較。此界面顯示了所有MVB端口的實際刷新周期，當(dāng)返回的刷新周期比特征周期小的時候，表示此端口刷新時間正常，對應(yīng)端口的返回時間顯示背景為綠色，反之為紅色。圖5示例中，“0x1F端口”規(guī)定的特征周期為128ms，而當(dāng)前此端口的真實刷新時間為120ms，刷新時間小于特征周期，所以此端口正常，圖中顯示標(biāo)簽的背景顏色為綠色。2.2.3車輛及設(shè)備聯(lián)網(wǎng)考慮到控制與監(jiān)視功能的實時性，以及互聯(lián)互通互控的穩(wěn)定性，列車級總線采用WTB(WireTrainBus，絞線式列車總線）的過程數(shù)據(jù)進行傳輸。WTB總線遵循IEC61375-2-1標(biāo)準(zhǔn)，WTB數(shù)據(jù)協(xié)議采用大端模式（一種數(shù)據(jù)存儲方式，是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中）。列車級數(shù)據(jù)通過各編組機車的網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為MVB和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，用于車輛級傳輸。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)界面如圖5所示。此界面說明了編組狀態(tài)下，重聯(lián)編組中的各個機車內(nèi)設(shè)備的雙網(wǎng)工作情況。此車的編組模式有短編組模式、長編組模式以及2個短編組重聯(lián)模式。示例為2個短編組重聯(lián)模式的情況。在此編組模式下，編組內(nèi)包含有2個動力車和2個控制車，動力車/控制車車號依次為“0001”“0002”“0003”“0004”，分別點選車號按鍵，可以查詢對應(yīng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。以“動力車0001”為例，點擊了對應(yīng)按鍵以后，即顯示此車的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一覽。各個設(shè)備的左右標(biāo)簽“M”和“E”分別代表MVB通信方式和以太網(wǎng)通信方式。所有數(shù)據(jù)來源于列車級的WTB，由此車的網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行轉(zhuǎn)換。所有的通信方式的正常與否，均從網(wǎng)關(guān)的故障位判斷。以設(shè)備“RIOM”(RemoteInput/OutputModule，遠(yuǎn)程輸入輸出模塊）為例，此設(shè)備為雙網(wǎng)傳輸，左邊的“M”表示MVB通信，背景為綠色，代表此通信方式正常；右邊的“E”表示以太網(wǎng)通信，背景為紅色，代表此通信方式異常。中間部分為2種方式的綜合狀態(tài)，MVB或以太網(wǎng)只要有1路通信方式正常，則表示此設(shè)備通信正常，可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)，所以標(biāo)簽“RIOM”背景顏色為綠色；如果2路通信全部異常，則表示此設(shè)備通信異常，不能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)某一設(shè)備只有其中一路通信方式時，如示例中的“BCU”(BrakeControlUnit,制動控制單元），只有MVB通信方式，則只顯示出一種通信方式。由此可以清楚地看到對應(yīng)車輛及對應(yīng)設(shè)備雙網(wǎng)的通信情況。該設(shè)計能充分考慮各設(shè)備的情況，以便司乘人員快速確認(rèn)所有子設(shè)備的通信狀態(tài)是否正常。一旦某一設(shè)備發(fā)生通信問題，不需要維護人員現(xiàn)場使用專業(yè)設(shè)備逐個排查問題設(shè)備，只需要進入相關(guān)界面，就能夠快速確定故障位置，方便司乘人員即時掌握現(xiàn)場情況，并采取下一步的處置措施3雙網(wǎng)顯示技術(shù)由于動力集中動車組采用雙網(wǎng)冗余策略，其控制方式復(fù)雜多變，在人機交互界面上比以往常規(guī)車型提出了更高的要求。主要技術(shù)成果如下：(1)設(shè)計雙網(wǎng)的傳送信息界面，可以同時查看雙網(wǎng)實時數(shù)據(jù)流，操作方便，準(zhǔn)確定位，并且可以同時對比雙網(wǎng)對應(yīng)數(shù)據(jù)。(2)設(shè)計基于雙網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)界面，編組車輛的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置情況一目了然，方便查找故障。(3)設(shè)計雙網(wǎng)的“自動切換顯示模式”，保證了顯示數(shù)據(jù)的實時性和正確性。此基于雙網(wǎng)的顯示屏，目前安裝在CR200J型動力集中動車組動力車上。2017年7月，在北京進行環(huán)鐵型式試驗，順利完成單車性能調(diào)試，與中車株洲電力機車有限公司研發(fā)的動力車成功編組，并開展短編組聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗。2018年4月，該車在中國鐵路蘭州局集團有限公司所屬的蘭渝線進行運用考核，其中微機的