LCD列車動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元研究與應用

1、第卷第期年月大連理工大學學報，文章編號：（）列車動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元研究與應用劉全利倡，賀莉（大連理工大學控制科學與工程學院，遼寧大連）摘要：列車動態(tài)地圖系統(tǒng)是列車乘客信息系統(tǒng)（）不斷發(fā)展的必然產(chǎn)物，它使更加適應以乘客為中心的運營模式要求首先設計了列車動態(tài)地圖系統(tǒng)框架，然后重點介紹了該系統(tǒng)核心模塊動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元的實現(xiàn)該模塊通過串口通信模塊接收列車主控的消息，控制具體動態(tài)地圖場景的切換和具體元素的管理該系統(tǒng)已成功應用于深圳某地鐵關(guān)鍵詞：動態(tài)地圖系統(tǒng)；主控單元；串口通信；場景控制；元素管理中圖分類號：文獻標志碼：收稿日期：；修回日期：基金項目：遼寧省教育廳年度創(chuàng)新團隊計劃資助項目（）作者簡介

2、：劉全利倡（），男，教授，博士生導師，：引言隨著我國城市化進程的不斷加快，地下鐵路交通已成為解決城市地面交通緊張的最佳交通方式而今，城市地下鐵路交通采用以乘客為中心的運營模式，為乘客提供了更高質(zhì)量的服務目前地鐵中顯示信息技術(shù)分為兩部分：一是動態(tài)地圖指示；二是廣告屏顯示動態(tài)地圖采用固定路線上燈閃爍的方式指示站點，形式單一，提示信息有限；而廣告屏采用（）方式在其下側(cè)顯示部分站點信息，其視頻信號采用模擬傳輸，分辨率低，清晰度差，并不能滿足站點信息的高清需求在國外地鐵發(fā)展比較成熟的城市，如倫敦，動態(tài)地圖系統(tǒng)早已投入使用；而國內(nèi)一些地鐵發(fā)展相對較快的地區(qū)，如上海，也已經(jīng)將動態(tài)地圖系統(tǒng)的開發(fā)應用提上了日程

3、雖然動態(tài)地圖系統(tǒng)的傳輸架構(gòu)類似于傳統(tǒng)的列車乘客信息系統(tǒng)，但是在高清晰度方面提出了更高要求大多數(shù)的列車乘客信息系統(tǒng)媒體發(fā)布方式為在司機室與車廂之間采用壓縮編碼方式進行數(shù)字傳輸，而在車廂內(nèi)部采用分屏器以、差分或方式將信號分配到車廂內(nèi)的各個屏和差分方式本質(zhì)上是模擬信號，容易受干擾，方式一般分辨率較低上述兩種方式均不能在傳輸視頻信號的同時很方便地用同一根電纜傳輸對屏的控制信號和讀取屏的狀態(tài)信息，且要求屏與分屏器間必須是星形布線方式，電纜鋪設較多為解決此類問題，本文設計全數(shù)字信號傳輸方式的動態(tài)地圖系統(tǒng)，并對其進行功能描述；基于系統(tǒng)的功能需求，重點描述該系統(tǒng)主控單元的實現(xiàn)，即主控單元模塊基于操作系統(tǒng)開發(fā)，

4、集成顯示接口、控制端口和維護接口，以實現(xiàn)動態(tài)地圖系統(tǒng)的主要功能動態(tài)地圖系統(tǒng)總體設計動態(tài)地圖系統(tǒng)設計方案為了適應動態(tài)地圖系統(tǒng)的數(shù)字化要求，設計了如圖所示的系統(tǒng)總體框圖，系統(tǒng)中的各個模塊均處于同一局域網(wǎng)內(nèi)動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元是動態(tài)地圖系統(tǒng)的核心模塊，主要用于顯示系統(tǒng)的場景生成和相關(guān)信息的管理該模塊采用主板，基于操作系統(tǒng)來實現(xiàn)列車主控提供列車當前運行狀態(tài)信號，通過接口發(fā)送消息，通知動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元進行場景切換和數(shù)據(jù)管理等操作 圖動態(tài)地圖系統(tǒng)框圖視頻編碼器模塊接收到主控單元發(fā)來的信號，采用編碼算法，將視頻信號壓縮為碼流，以滿足帶寬要求，并將該碼流發(fā)送到以太網(wǎng)上本文中采用的壓縮方式符合要求，占用帶寬

5、小于視頻解碼器模塊通過以太網(wǎng)接收視頻碼流，并進行解碼，將解碼后的視頻信號輸出到屏，以供顯示交換機模塊主要用于管理局域網(wǎng)內(nèi)各模塊和它們之間的數(shù)據(jù)傳輸綜上所述，該系統(tǒng)正常工作時，有一個主控單元和一個視頻編碼器來生成和發(fā)送視頻信號，而局域網(wǎng)內(nèi)可以有任意多個視頻解碼器獲得視頻信號，以支持多個屏的顯示動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元設計方案根據(jù)前文可知，主控單元與其他模塊之間需要控制接口、視頻接口和網(wǎng)絡接口，另外考慮到系統(tǒng)運行和維護的需要，主控單元的設計框圖如圖所示圖中，左側(cè)個接口用于與動態(tài)地圖系統(tǒng)其他模塊連接，右側(cè)個接 口用于支持系統(tǒng)的正常運行和維護圖主控單元框圖視頻輸出采用接口、×的分辨率，用于將動態(tài)

6、地圖顯示界面的圖像信號輸出到視頻編碼器該界面可以根據(jù)不同的控制信號顯示不同的信息，其中包括時間提示、整體路線圖、局部路線圖、線路及站點換乘信息、到站提示、開門提示和關(guān)門提示相對于單一的路線指示，本系統(tǒng)采用的顯示方案更加人性化，能夠滿足乘客對路線、站點信息的更多需求，也能為乘客提供列車動作的必要提示控制接口采用接口，將主控單元連接到列車主控列車主控可以實時獲得列車運行的狀態(tài)，因此，主控單元需要通過控制接口獲得這些狀態(tài)，據(jù)此改變當前顯示的線路或提示信息以太網(wǎng)接口連接到交換機動態(tài)地圖顯示系統(tǒng)中的各個模塊處于同一個局域網(wǎng)，因此每個模塊需要維護自己的地址；而同類設備出廠時均采用默認配置，因此系統(tǒng)正常運行

7、前，需要通過以太網(wǎng)來設定每個設備的地址另外，該接口還有其他功能，如響應網(wǎng)絡點名、上傳設備狀態(tài)等硬盤接口采用接口，用于與卡進行通信卡中定制了主控單元模塊的操作系統(tǒng)，保存了支持系統(tǒng)正常運行的應用程序以及相關(guān)固件，是本模塊的主要存儲設備接口為系統(tǒng)調(diào)試和維護的擴展接口，用于連接其他支持通信的設備用戶輸入接口采用接口，用于連接鍵盤和鼠標動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元軟件設計本系統(tǒng)基于操作系統(tǒng)開發(fā)是一種實時嵌入式操作系統(tǒng)，支持多種常見的處理器架構(gòu)，如、等它支持常見的硬件外設，如鼠標、鍵盤、串口、以太網(wǎng)口、通用串行總線（）設備等系統(tǒng)采用開發(fā)環(huán)境，通過工具同步主控單元，對其進行遠程調(diào)試主控單元采用如圖所 示的軟件框架圖

8、動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元軟件框圖大連理工大學學報第卷軟件框架由上而下由三大部分組成：系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)功能具體實現(xiàn)和系統(tǒng)的結(jié)束系統(tǒng)的初始化過程包括串口通信、網(wǎng)絡通信、顯示界面和數(shù)據(jù)管理鏈表的初始化系統(tǒng)的結(jié)束過程包括以上四部分的內(nèi)存空間釋放和各線程的退出系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)部分包括以下幾個模塊：（）網(wǎng)絡通信模塊動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元作為局域網(wǎng)內(nèi)的一個設備，需要與列車主控以及維護設備進行網(wǎng)絡通信，而網(wǎng)絡通信模塊主要完成以下幾個功能：一是修改并維護地址；二是響應網(wǎng)絡狀態(tài)點名；三是上傳設備狀態(tài)（）串口通信模塊串口通信模塊主要處理列車主控和動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元之間的數(shù)據(jù)通信，并根據(jù)兩者間的協(xié)議管理串口數(shù)據(jù)模塊主

9、要響應以下幾個消息：一是串口點名；二是場景切換；三是系統(tǒng)時間調(diào)整串口通信的數(shù)據(jù)包包括消息類型、列車主控傳遞給動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元的參數(shù)及校驗碼等信息（）系統(tǒng)時間修改模塊串口通信模塊收到系統(tǒng)時間調(diào)整的消息時，通知系統(tǒng)時間修改模塊；消息數(shù)據(jù)包中存有列車主控希望動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元設置的時間值，系統(tǒng)時間修改模塊將依此對主控單元系統(tǒng)時間進行修改并保存（）串口點名響應模塊串口通信模塊收到串口點名的消息時，通知串口點名響應模塊進行處理（）場景控制模塊串口通信模塊接收到場景切換的消息時，將通知場景控制模塊此時，場景控制模塊根據(jù)接收到的命令，判斷當前需要顯示的場景；如果當前場景需要更新路線或站點信息，則通知路

10、線站點管理模塊，依照數(shù)據(jù)包中的信息，更新全局路線站點信息和當前站點信息，以確保顯示的正確性（）場景元素管理模塊場景元素管理模塊主要用于管理當前場景中不同類型元素的屬性（）場景實現(xiàn)模塊場景實現(xiàn)模塊負責所有元素的具體實現(xiàn)過程模塊基于微軟基礎類庫，通過調(diào)用圖形接口來完成當前場景的所有元素都更新結(jié)束后，模塊根據(jù)場景元素的列表依次創(chuàng)建不同的子窗口、顯示相應的信息以及實現(xiàn)動畫功能串口通信模塊列車主控與動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元間采用一位滑動窗口協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信當主控單元收到列車主控發(fā)送的消息數(shù)據(jù)后應該以相同消息類型的數(shù)據(jù)進行回應為此，本文設計了一種帶有校驗可兼容多種消息類型的數(shù)據(jù)打包方式當信息需要多字節(jié)表示時，

11、采用小開端格式串口數(shù)據(jù)包的幀格式如圖所示起始字節(jié)（）：消息狀態(tài)：初始消息初始消息接收正確初始消息接收錯誤消息類型：消息數(shù)據(jù)：消息數(shù)據(jù)：（）校驗和：結(jié)束字節(jié)（）：圖串口幀格式和分別用來表示消息幀的開始和結(jié)束，用作轉(zhuǎn)義字符消息幀中，如果有這個值（不包括消息的開始和結(jié)束），則分別在它們前面加上消息狀態(tài)用于區(qū)分當前消息的狀態(tài)，包括初始消息（列車主控發(fā)送給主控單元）、正確應答消息（主控單元發(fā)送給列車主控）和錯誤應答消息（主控單元發(fā)送給列車主控）種消息類型用于區(qū)分本模塊管理的種消息，包括串口點名、場景切換和系統(tǒng)時間調(diào)整每種消息有自己的消息類型值，在通信的過程中，列車主控與動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元之間的同一類型

12、的初始化消息和應答消息采用同一消息類型消息數(shù)據(jù)區(qū)域保存列車主控發(fā)送給動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元的各個類型消息的具體數(shù)據(jù)，長度靈活可變校驗和從起始字節(jié)到消息數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)，按字節(jié)異或得到，其中不包括轉(zhuǎn)義字符串口通信模塊需要同列車主控和動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元內(nèi)部其他模塊進行交互，模塊框架如圖所示串口通信模塊是動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元和列第期劉全利等：列車動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元研究與應用車主控之間主要的通信模塊，采用接口當接收到列車主控發(fā)來的消息時，串口通信模塊將數(shù)據(jù)保存到臨時存儲區(qū)；本次消息接收完畢后，判斷該消息是否有效；若消息無效，則丟棄此次接收的數(shù)據(jù)，繼續(xù)阻塞等待串口數(shù)據(jù)；若消息有效，則按照消息類型通知

13、主控單元內(nèi)部的不同模塊（以場景控制模塊為例），并等待其應答；最后，根據(jù)場景控制模塊的應答狀態(tài)，向列車主控回復相 應的串口消息數(shù)據(jù)包圖串口通信模塊框圖場景控制模塊場景控制模塊是主控單元控制場景之間切換的核心模塊，需要判斷當前的場景；另外，主控單元中場景的切換需要對應串口場景切換消息的不同命令因此，場景控制模塊主要有兩個功能：一是管理所有場景信息；二是將場景切換消息中的命令與具體的場景對應起來圖所示為場景切 換狀態(tài)機圖場景切換狀態(tài)機場景控制模塊共需要管理種場景，分別為啟動場景、靜態(tài)全局路線場景、動態(tài)全局路線場景、局部路線場景、預開門信息場景、預開門站點場景和開門場景；而串口場景切換消息有個不同的命

14、令（）需要響應，分別為初始化（）、下一站（）、開門（）、到站（）、關(guān)門（）場景切換流程如下：（）當系統(tǒng)剛啟動時，所有路線信息尚未初始化，此時顯示啟動場景，顯示系統(tǒng)時間（）若收到命令，則對路線信息進行初始化，場景切換到靜態(tài)全局路線，此時正式啟動了所有場景的相互切換過程（）若收到命令，場景切換到動態(tài)全局路線，并啟動與局部路線場景的定時自動切換過程（）在（）的過程當中，若收到命令，則停止（）中的自動切換過程，將場景切換到預開門信息，并啟動與預開門信息場景的定時自動切換過程（）在（）的過程當中，若收到命令，則停止（）中的自動切換過程，將場景切換到開門場景（）若收到命令，場景切換到靜態(tài)全局路線，之后重復

15、以上（）（）的過程場景元素管理模塊動態(tài)地圖顯示模塊需要實現(xiàn)高質(zhì)量的信息顯示，經(jīng)過場景控制模塊確定了當前顯示場景后，需要對當前場景中不同的元素進行分類和存儲通過對顯示要求的分析，將場景中所有元素分為三類：時間元素、文字元素和圖片元素三類元素有相同的屬性，例如元素位置、元素當前使用狀態(tài)等；也有各自的不同屬性，例如時間元素有時間屬性，文字元素有文字的內(nèi)容和字體等屬性、圖片元素有前景和背景圖片屬性因此，本文對它們進行分類管理本文中每一類元素的個體之間沒有明確的先后關(guān)系；但是為了節(jié)省存儲資源，每一類元素個體的存儲空間需要在使用前臨時分配考慮到以上兩點，本文對元素的管理有以下幾點原則：（）選擇鏈表作為基本

16、的存儲類型，因為鏈表能夠?qū)崟r地對節(jié)點進行內(nèi)存分配和釋放（）每一類元素創(chuàng)建一個鏈表，鏈表的節(jié)點即表示該類元素的個體大連理工大學學報第卷（）采用單獨分配、統(tǒng)一釋放的原則來管理鏈表即添加當前場景元素時，若鏈表中沒有可用的節(jié)點，那么臨時分配一個節(jié)點空間并插入到相應鏈表；否則，使用鏈表中第一個可用的節(jié)點到系統(tǒng)退出時，統(tǒng)一釋放所有鏈表的節(jié)點空間動態(tài)地圖系統(tǒng)的應用目前，動態(tài)地圖系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成并應用于深圳某地鐵列車內(nèi)，運行、顯示效果良好該線路列車采用六節(jié)編組，列車內(nèi)動態(tài)地圖系統(tǒng)連接示意圖如圖所示由圖可見，動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元以及視頻編碼器位于司機室，負責生成和發(fā)送視頻信號；從車廂到車廂中各有一套視頻接收顯示

17、裝置，即視頻解碼器和屏每個車廂中，通過視頻解碼器接收到視頻信號并進行解碼，將解碼后的視頻信號分別通過兩個通路發(fā)送到車廂兩側(cè)的屏；屏接收其上級屏的視頻信號，顯示并將信號轉(zhuǎn)發(fā)到下一級屏該線路的列車動態(tài)地圖系統(tǒng)采用多場景切換，如圖所示為具體場景示例動態(tài)地圖系統(tǒng)只能單一地顯示整條路線，而本文設計的動態(tài)地圖系統(tǒng)可以顯示更加豐富、人性化的路線站點信息，如圖（）中顯示的啟動場景，可顯示時間提示；圖（）中顯示的局部路線場景，可顯示下一站換乘信息；圖（）中顯示的預開門信息場景，可提示下一站出口 信息圖動態(tài)地圖系統(tǒng)連接示意圖 圖場景示例結(jié)語本文介紹了列車動態(tài)地圖系統(tǒng)的設計方案及其功能，著重描述了該系統(tǒng)主控單元的實

18、現(xiàn)該單元模塊采用主板作為硬件平臺，基于操作系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)模塊通過接口，接收列車主控的命令，以此作為依據(jù)切換不同的動態(tài)地圖場景，更加人性化地為乘客提供列車信息系統(tǒng)具有內(nèi)容豐富、界面布局合理、畫面清晰等優(yōu)點，已經(jīng)成功應用于深圳某地鐵，它的應用將會為乘客的出行帶來極大的便捷參考文獻：闞庭明城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢探討鐵路計算機應用，（）：，（）：（）嚴嬋琳數(shù)字視頻傳輸技術(shù)在城市軌道交通中的應用城市軌道交通研究，（）：第期劉全利等：列車動態(tài)地圖系統(tǒng)主控單元研究與應用 大 連 理 工 大 學 學 報 ， ， （ ） ： （ 第 卷 劉鎮(zhèn)濤 地鐵視頻圖像系統(tǒng)的建設 中國安防 ， ， （） ： ） 劉 ， ， （） ： （ ） 璠 上海市軌道交通車載乘客信息系統(tǒng)設計 馬 ， （） ： （ ） ， 沖， 鄧紅元 地鐵 系統(tǒng)中的視頻技術(shù) ， 鐵路通信信號工程技術(shù) ， ， （ ） ： ， 鐵路通信信號工程技術(shù) ， ， （） ： ， ， 李 （） ： （ ） 瑛， 趙 紅 天津地鐵 號線車站乘客向?qū)?劉榮科 ，