一种基于地铁车辆操纵台的多功能控制面板.docx

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摘 要：
随着地铁车辆技术的快速发展，地铁的智能驾驶和无人驾驶被越来越多的人关注。现以无人驾驶地铁车辆司机操纵台上的开关、按钮和指示灯为研究对象，通过对通用地铁司机操纵台的缺点分析，结合项目对司机操纵台提升交互体验和智能化的要求，设计了一款可应用于通用地铁车辆和无人驾驶地铁车辆的多功能控制面板。
Keys： 司机操纵台 多功能控制面板 控制单元
A Multi-function Control Panel based on Metro vehicle console
Abstract: with the rapid development of metro vehicle technology, more and more people pay attention to the intelligent driving and driverless driving of metro. Now to driverless metro vehicle on the driver's operation of switches, buttons and lights as the research
object, through the analysis of the shortcomings of general metro driver desk, combined with the project to the driver desk to promote interaction experience and intelligence, designed a model can be applied to general metro vehicles and unmanned vehicles of multi-function control panel.
Key words:  metro driver desk； Multi-function control panel；Control unit
概述
地铁车辆司机操纵台是司机获取信息、做出决策并对有关系统进行指令控制、驾驶地铁列车完成各种任务的工作平台。它提供了司机操纵车辆的人机界面，同时现代司机操纵台设备既是整车设备系统的集中反映，还是列车的信息中心。司机在车里运行过程中通过操纵台显示设备了解到列车状态信息、运行信息并使用操纵设备完成车辆的驾驶及紧急事件处置工作[1]。对于司机操纵台，人机操作界面的美观性、轻量化和智能化是未来的发展趋势，基于此，提出一种多功能控制面板方案来优化台面布置，并向轻量化和智能化方向靠拢。
操纵台的基本信息和现状
司机操纵台台面布置一般由车载电台、显示屏（HMI）、仪表、按钮、旋钮、指示灯等设备组成，台面设备种类繁多（如图1所示）。
图1　现行常用的地铁列车操纵台
根据现在地铁列车使用情况，总结出现阶段操纵台有如下几个问题：

操纵台存在对外接口复杂的特点。以北京机场线地铁车辆为例，从操纵台上开关、按钮和指示灯到外部连接器/端子排的电缆总共有190根左右（其中，台上面板约75根，台下控制面板约115根）。电气柜内布线、电气柜与整车的电气接口均比较复杂，施工、检修和维护都不便利。

操纵台设计需花费大量时间进行开关按钮布置，各项目布局不近相同。操纵台容易根据客户要求反复调整布局，设计难度大、设计周期长，检修复杂度也较高。

传统按钮开关受限于底部机构和接线空间要求，使得开关之间需预留较大间距，典型值为50mm左右，使得开关按钮占用较多的操纵台台面空间，已经逐渐满足不了无人驾驶列车对操纵台小型化的要求。

传统开关按钮操作无法进行智能化的人机交互。仅能通过使用额外的触点，对操作状态进行监视，这样不仅会增加额外的成本，而且进一步增加接线复杂度。网络监视为单向的，难以进行操作正确性检查，操作提示等反馈。
操纵台是列车控制的系统的重要组成部分，也是列车的信息中心和控制中心。未来操纵台技术发展主要会向数字化、无人化、模块化、轻量化和智能化方向发展。
我们提出的这一款多功能控制面板方案正是在现有操纵台基础上实现的一次技术上的提升。
多功能控制面板方案介绍
操纵台多功能控制面板，用于替代现有按钮、旋钮、指示灯等部件，提升操纵台交互体验及智能化。装置本身具有小型化、易安装、逻辑快速配置、故障诊断等特点，其操作指令以干接点信号或通讯信号实现，可以有效优化操纵台对外接口。系统采用控制面板和分布式控制单元两部分组成，其中控制面板安装于操纵台台面上，分布式控制单元安装在操纵台内部，与控制面板间采用串行总线进行连接，多个控制面板之间也可以通过串行总线进行级联，如图2所示。
图2　多功能控制面板系统框图


控制面板是将传统的按钮、旋钮、转换开关或指示灯集成在一个智能控制面板上。面板上有多个带灯的小型按钮和指示灯。按钮的操作信息通过控制面板内部通过DI进行数据采集，信号在面板上进行预处理后通过硬线或通讯信号传输到控制单元的MCU进行信号汇总、逻辑控制和诊断，逻辑确认无误后再驱动对应功能的DO输出，使得操作命令有效。按钮采用薄膜式按键，内部为轻触开关，并集成指示灯，可根据车辆需求或业主要求进行配置。如图3、图4所示。
图3　 控制面板1示意图
图4　控制面板2示意图
对控制面板的按钮进行操作时，按钮原始操作指令均为脉冲命令，面板控制单元对信号进行判断，判断正常操作指令后，再通过需要分布式控制单元的主控板处理成脉冲或者电平控制对应的通道输出。

按钮具备两种颜色指示灯显示（正常+故障），当对应的通道全部时，控制对应的指示灯显示正常色。当对应的通道未全部正常闭合时，控制对应的指示灯显
示故障色。通过DI采集硬线电路提供的指示灯控制信号时，控制面板2上的对应独立指示灯点亮。

当接收到多功能面板提供的灯测试指令时，控制全部集成指示灯双色交替显示（正常+故障灯），每种颜色显示1s；控制全部独立指示灯显示。

系统应将全部的按钮操作记录、有源DI、DO以及无源DO通过ETH接口反馈给TCMS系统。通过TCMS记录按钮操作，为司机操作或故障分析提供数据参考。

因为按钮布置于操纵台台面，司机操作时有误碰触的情况出现，所以对于这种情况，我们相应做了保护设计，确保传输信号的真实性。所有按钮操作，要求操作时长不低于200ms才认为有效；对于特别重要的功能，可以延长有效按压时间的方式进行有效性确认，避免意外触碰导致的意外操作。
每个按钮采集在硬件上都做了滤波设计，目的是为了避免信号干扰。采集值发生电平变化开始计时，若10ms内维持，则信任变化值；若10ms内出现高低电平变化，则信任原值。这样可以避免在正常操作过程中因操作力抖动而影响操作体验和信号输出。
此外，还设计了可以通过组合按键方式进行操作有效性确认的方式。即对于特别重要的功能，需要同时按下相关按钮+确认按钮才认为操作有效。
对于按钮的分布和操作策略做出建议如表1所示：
表1 按钮分布和操作策略
序号
名字
正常颜色
备注
1
开左门选择
绿
1、默认熄灭，对外输出常开；
2、收到按钮指令，使得对外接口通道输出时，点亮指示灯颜色（正常颜色）；
3、对外接口通道未正常动作时，点亮指示灯颜色（红色）。
4、灯测试按钮被按下时，点亮正常颜色。
2
开右门选择
绿
3
关左门
绿
4
开左门1
绿
5
开左门2
绿
6
开门模式（AA）
绿
7
开门模式（AM）
绿
8
开门模式（MM）
绿
9
关右门
绿
10
开右门1
绿
11
开右门2
绿
12
解钩
黄
13
司机室照明
绿
14
远光灯
蓝
15
灯测试
绿
16
VCB合
绿
17
VCB分
绿
18
受电弓升
绿
19
受电弓降
绿
20
复位
绿
21
紧急复位
绿
22
强迫缓解
绿
23
门关好
绿
1、指示灯，收到对应的DI输入时点亮正常颜色。
2、灯测试按钮被按下时，点亮正常颜色。
24
主断路器断
红
25
VOBC切除
红
26
停放制动异常施加
红
27
常用制动施加
红

分布式控制单元，如图5、图6所示，具备ETH/MVB通信接口、DC110V电源接口和硬线I/O接口等，可以作为一个标准模块，实现车辆控制指令的监视，逻辑处理和逻辑输出功能，同时还具备对外24V电源和CAN/LVDS通信接口，可以作为其他设备的控制和通信单元，实现操纵台、电气柜内控制和监视信息的集中管理。分布式控制单元硬件由主控板和接口板组成，其中主控板主要实现逻