地铁车辆和信号系统显示屏融合方案研究_李春明.pdf

2023 年 2 月第 59 卷 第 2 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationFebruary 2023Vol.59 No.2地铁车辆和信号系统显示屏融合方案研究李春明，高春兵，杨逸凡摘 要：紧急疏散门是地铁车辆搭载全自动运行系统的标准配置，需要占用大量的车头空间。针对车头空间不足的情况，创新性地提出显示屏融合设计方案，将MMI显示的信号系统信息，通过TRDP及MVB冗余的通信方式，融合至车辆DDU中显示。通过在室内仿真环境下使用实际工程应用数据进行测试，结果表明：该方案能够有效满足各种现实场景的实际需求，可为后续采用全自动运行系统的城市轨道交通地铁车辆，在提高安全性、节省空间、降低成本等方面提供参考。关键词：地铁；全自动运行系统；冗余通信；显示屏融合；紧急疏散门中图分类号：U231+.7 文献标识码：A Research on the Display Fusion Scheme of Metro Vehicle and Signal SystemLI Chunming,GAO Chunbing,YANG YifanAbstract：The emergency evacuation door is the standard configuration of metro vehicles equipped with fully automatic driverless system,which needs to occupy a large amount of the front space.Aiming to the insufficient space for the front vehicle,this paper proposes an innovative solution.In which,the signal system information displayed by MMI through the redundant communication methods of TRDP and MVB are integrated into the vehicle DDU for display.This scheme is tested in the actual engineering application data of the indoor simulation environment.The test results show that the scheme can effectively meet the actual needs of various real scenarios,and provide a valuable reference for the follow-up urban rail transit metro vehicles using automatic driverless system to improve safety,save space and reduce costs.Key words：Metro；FAO；Redundant communication；Display fusion；Emergency evacuation door根 据 公 共 交 通 国 际 联 会（UITP）发 布 的World Metro Figures2018报告，全自动运行系统（fully automatic operation，FAO）将是未来城市轨道交通的主要发展方向和主流趋势1-3。全自动运行系统的快速发展和应用，对地铁车辆运行过程中乘客的安全防护措施提出了更高的要求，相应的规范和标准也随之陆续出台。如地铁设计防火标准（GB 512982018）中提到，行驶于地下区李春明：交控科技股份有限公司 工程师 100070 北京高春兵：交控科技股份有限公司 工程师 100070 北京杨逸凡：交控科技股份有限公司 助理工程师 100070 北京收稿日期：2022-03-28DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-02.22099扫码浏览下载70Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 2023间的列车车头和车尾需设置紧急疏散门4。对于B型地铁列车（地铁列车按车辆规格分为A、B、C、D、L共5种类型）5，其车体宽度较A型车窄、司机室更狭小，而 FAO 列车较传统有人驾驶车辆，需要安装的设备和元器件数量更多6。因此，车头处的空间设计需更加合理、智能。目前，应用FAO系统的苏州轨道交通6号线车辆车头处需设置4块显示屏，分别为列车控制与监测系统的司机显示单元（Driver Display Unit，DDU）、信 号 系 统 的 人 机 界 面（Man Machine Interface，MMI）、视频监控系统和机车台控制盒。若完全按照 4 块显示屏布置，则没有紧急疏散门的设置位置，这将大大增加运营安全风险系数7。为此，本文创新性地提出显示屏融合设计方案，旨在将MMI显示的信号系统信息通过特定的通信方式，融合至车辆 DDU 中，使司机可以直接通过 DDU同时查看列车控制与监测系统和信号系统的显示信息。该方案的提出不仅提升了驾驶室空间的利用率、降低了运营成本，而且为在车头处设置紧急疏散门提供了可能，为乘客提供紧急情况下的逃生通道，对后续FAO的应用有着十分重要的借鉴指导意义。1融合方案1.1系统环境基于信号MMI与车辆DDU融合的需求，在系统环境上做了如下配置。1）车辆 DDU 硬件技术参数：12.1吋彩色液晶显示器，电容式触摸屏；4 核 1 GHz 处理器，1 GB 内存；110 V 电源，额定功率 5 W；1 对 D-SUB9型MVB通信接口；2个10/100 M自适应以太网通信接口，M12-D Code母座；2路USB通信接口；1路RS-485通信接口。2）DDU软件使用C语言编程和 Qt Creator 开发工具，在Linux操作系统上开发。这种程序框架易于扩展，允许组件编程8。1.2 通信连接考虑到信号系统与 DDU 之间冗余通信需求，信号系统的车载ATP同时通过以下2种方式，将需要显示的数据发送给车辆DDU显示屏：MVB（multifunction vehicle bus）方式，ATP插箱通过通信板1、通信板2新增的MVB口，采用MVB协议将显示信息发送到车辆控制单元（vehicle control unit，VCU），然后由 VCU 将收到的信息显示到DDU 上；TRDP（train real-time date protocol）以太网方式，ATP插箱通过内部TRDP板卡的以太网口与 DDU 设备直接连接，将数据发送给DDU。通信连接方式见图1。2种通信方式互为冗余，MVB 通信链路为主用，TRDP 通信链路为备用。1.3软硬件修改为实现本方案，车辆和信号系统需要对原有产品的软硬件进行修改设计。1）硬件上，对通信板卡内部电路进行重新设计，增加MVB信息接收口、发送口、复位口和中断发送口，所增接口具备MVB通信能力。信号方面，原TRDP板卡拥有2个10/100 M自适应以太网通信接口，为双网口冗余，仅供信号内部通信使用，现将其施行内部禁用，改为直接与车辆DDU连接，实现信号与车辆DDU的冗余通信。车辆方面，原 DDU 的以太网口用于车辆 DDU 运行日志下载，现亦将其内部禁用，改为直接连接至信号的TRDP板卡。2）软件上，同步修改相关软件，使ATP通信板与车辆VCU能够正常通信。同时车辆系统和信号系统需要共同开发基于TRDP通信协议的软件，以保障DDU能够与信号TRDP板进行数据传输。1.4数据传输DDU优先采用ATP通信板卡MVB接口传输的数据进行显示，当MVB通信链路中断时，再采用TRDP板传输的数据进行显示，数据传输示意见图2。ATP插箱与车辆DDU之间每200 ms向对方发送一次数据包，每个数据包长度为100 B。协议约定当超过1 s未接收到对方发送的有效报文时，就判断与对方通信中断。信号ATP插箱通信板1通信板2TRDP板TRDP通信协议MVB通信协议车辆DDU系统车辆DDU车辆VCU 图1 通信连接方式71铁道通信信号 2023年第59卷第2期1.5界面设计将原信号人机交互界面和车辆人机交互界面进行融合，融合后的车辆 DDU 人机交互界面见图3。通过显示屏底部的导航键（软按钮），可分别切换到“主界面”以及“车辆”“牵引”“制动”等界面。当 DDU 启动完成并进入正常运行时，系统将默认显示“主界面”内容。融合后的DDU界面显示简洁明了，在一块显示屏上可同时显示信号交互界面与车辆交互界面。图3中数字标注1部分为车辆的车门信息以及站台门显示等，用于为司机提供车门及站台门的工作状态显示；数字标注2部分，将原本信号界面的列车运行速度信息直接通过数字显示，可将列车的运行速度实时告知司机，有利于司机对列车进行更好的控制；数字标注3部分，将原本信号界面的速度表盘重新设计，缩小了表盘的显示范围，使司机能够更加方便地看到信号推荐速度（表盘中的黄标）以及紧急制动触发速度（表盘中的红标），便于司机按照推荐速度驾驶列车，且不超过紧急制动触发速度。2故障场景与原有2块屏的显示方式相比，新设计方案的应用会产生一系列新的运营场景。为避免DDU非正常显示对司机造成影响，下面探讨运营过程中可能发生的故障场景。2.1DDU与ATP通信异常1）DDU与ATP主机通信闪断，DDU界面信号图标不能正常显示，并在该区域显示“ATP无信息显示”字样。2）DDU收到的ATP数据取值超出正常范围，DDU 界面相应信息状态显示“？”，并在“故障”清单显示“ATP数据错误”。3）DDU与ATP主机通信中断，DDU界面的故障文本处显示“DDU与ATP通信故障”；其余信号系统显示区信息用“？”显示。上述 3 种场景仅影响 DDU 界面显示，考虑到车辆在正常运行时 DDU不需要进行人机交互，因此不会对列车的正常运行造成影响。当 ATP系统出现故障时，将向 DDU发送系统故障信息，并 DDU 在主界面信息栏显示。若故障影响列车正常运行，信号系统将控制列车继续运行至站台后，打开车门不关闭，等待司机上车处理；若故障导致列车无法继续运行至站台停车，则列车将在区间实施紧急制动，等待司机上车处理。2.2DDU与VCU通信故障VCU与 DDU通信故障时，DDU上只显示信号界面内容，而不显示车辆界面内容，相关图标显示未知。此时工作人员只能操作信号相关按钮。该场景仅影响MVB通信链路，ATP与DDU之间的通信还可采用TRDP链路，因此，ATP与DDU之间的通信不会受到影响。图3 融合后的车辆DDU人机交互界面车辆内部网络转发信号内部网络转发ATP通信板卡ATP车辆内部网络转发信号内部网络转发信号ATP插箱TRDP板卡信号ATP通过通信板发给DDU的数据（MVB协议）车辆DDU发给ATP的数据（MVB协议）车辆VCU车辆DDU系统融合屏DDU车辆DDU将信息发送给信号TRDP板卡（TRDP协议）信号ATP通过TRDP板卡将信息发送给DDU（TRDP协议）图2 数据传输示意72Railway Signalling&Communication Vol.59 No.2 20232.3DDU硬件故障DDU显示器仅设置了一块显示屏，长期使用可能导致硬件本身故障。当DDU硬件设备发生故障时，由于没有冗余显示屏，因此DDU上的内容均无法正常显示。但因为列车在正常运行时采用的是全自动无人驾驶模式，在功能实现上不需要进行人机交互，因此，当DDU故障时，不会对列车的正常运营造成影响，列车依然可以正常运行至车站或场段停车，等待工作人员上车检修。3室内模拟验证为保障融合后的 DDU 实时显示，运行稳定，需对传输协议、硬件接口和显示功能等进行室内模拟测试验证。本次实验室测试使用真实的FAO车载机柜、ATP软硬件、DDU软硬件，以及苏州地