人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張友兵，劉 嶺，崔俊鋒，牛道恒

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司 通用技術(shù)研究院, 北京 100073）

人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張友兵，劉 嶺，崔俊鋒，牛道恒

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司 通用技術(shù)研究院, 北京 100073）

在CTCS-2級和CTCS-3級列車控制車載設(shè)備中，司機(jī)通過觀察和操作人機(jī)界面（DMI，Driver Machine Interface）單元監(jiān)控和調(diào)整列車運(yùn)行狀態(tài)。但是司機(jī)的錯誤操作、人機(jī)界面設(shè)備故障等均可能導(dǎo)致列車控制車載設(shè)備故障，造成運(yùn)營晚點(diǎn)。為了對司機(jī)操作和車載設(shè)備故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，需要開發(fā)一種可以復(fù)現(xiàn)人機(jī)界面運(yùn)營過程的系統(tǒng)。本文介紹了列車控制車載設(shè)備人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)框架、基本原理、人機(jī)界面日志記錄包含的信息，以及人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)4種典型應(yīng)用場景，包括復(fù)現(xiàn)人機(jī)界面故障、支持人機(jī)界面軟件調(diào)試、人機(jī)界面功能演示和自動測試人機(jī)界面功能。

車載設(shè)備；人機(jī)界面；運(yùn)營復(fù)現(xiàn)

在CTCS-2級和CTCS-3級列車控制車載設(shè)備中，車載主機(jī)向人機(jī)界面實(shí)時傳遞列車的位置、速度、等級、模式等信息，人機(jī)界面以圖形、文字等形式實(shí)時顯示列車的各種運(yùn)行狀態(tài)信息。此外，司機(jī)操作人機(jī)界面的按鍵時，人機(jī)界面將把按鍵信息及時傳遞給車載主機(jī)，達(dá)到調(diào)整列車運(yùn)行狀態(tài)的目的[1]。

在列車運(yùn)行過程中，如果司機(jī)錯誤操作了人機(jī)界面，或者人機(jī)界面軟件缺陷、車載主機(jī)軟件缺陷等均會影響列車控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低鐵路運(yùn)輸效率。為了對司機(jī)操作和車載設(shè)備故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，需要開發(fā)一種可以利用人機(jī)界面日志記錄復(fù)現(xiàn)人機(jī)界面運(yùn)營過程的系統(tǒng)。當(dāng)現(xiàn)場人機(jī)界面發(fā)生故障時，可以下載該人機(jī)界面的日志記錄文件，并使用人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)該人機(jī)界面的運(yùn)營過程，便于通過觀察快速發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。

1 人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)以真實(shí)人機(jī)界面設(shè)備產(chǎn)生的日志記錄文件為腳本，以日志記錄文件中前后兩條日志記錄的系統(tǒng)時間間隔作為處理消息的時間間隔。提取日志記錄文件中車載設(shè)備發(fā)送給人機(jī)界面的消息并發(fā)送給人機(jī)界面，驅(qū)動人機(jī)界面正常工作。提取日志記錄文件中人機(jī)界面發(fā)送給車載主機(jī)的消息，根據(jù)消息內(nèi)容、按鍵布局、按鍵菜單結(jié)構(gòu)和軟件邏輯將消息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的按鍵操作命令，重新發(fā)送給人機(jī)界面，人機(jī)界面接收到按鍵命令時自動觸發(fā)按壓按鍵的操作，模擬司機(jī)操作人機(jī)界面按鍵的過程[2]。

人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括人機(jī)界面日志記錄文件、車載主機(jī)模擬工具和人機(jī)界面設(shè)備。人機(jī)界面日志記錄文件為人機(jī)界面設(shè)備運(yùn)行過程中的日志記錄數(shù)據(jù)，包含人機(jī)界面設(shè)備與車載主機(jī)交互的所有消息。車載主機(jī)模擬工具在系統(tǒng)中模擬車載主機(jī)的功能，以人機(jī)界面日志記錄文件為腳本驅(qū)動人機(jī)界面工作。人機(jī)界面設(shè)備為真實(shí)的人機(jī)界面設(shè)備或者具有人機(jī)界面軟件邏輯的PC機(jī)軟件。

圖1 人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)原理圖

2 對人機(jī)界面日志記錄的信息挖掘

2.1 人機(jī)界面日志記錄的構(gòu)成

人機(jī)界面設(shè)備在運(yùn)行過程中，將從車載主機(jī)收到的消息和發(fā)送給車載主機(jī)的消息均以固定的格式記錄在日志記錄文件中。每條日志記錄包含時間戳、系統(tǒng)時間、消息方向和消息內(nèi)容4個組成部分。時間戳以100 ms為單位，人機(jī)界面上電啟動時的時間戳初始值為0，此后隨著時間向上累加。系統(tǒng)時間包括年、月、日、時、分、秒和毫秒，為消息產(chǎn)生時的人機(jī)界面設(shè)備的時間。消息方向記錄本條消息是由車載主機(jī)發(fā)送給人機(jī)界面，還是由人機(jī)界面發(fā)送給車載主機(jī)。消息內(nèi)容為本條消息的具體內(nèi)容。

2.2 對時間戳的信息挖掘

人機(jī)界面設(shè)備上電時初始化時間戳為0，此后時間戳以100 ms為單位向上累加，當(dāng)人機(jī)界面設(shè)備斷電時，時間戳停止向上累加，每一條人機(jī)界面日志記錄攜帶的時間戳為產(chǎn)生該條日志記錄時刻的時間戳。對于同一次運(yùn)營，人機(jī)界面日志記錄的時間戳總是從小到大向上增長的。前一次運(yùn)營的最后一條日志記錄的時間戳到后一次運(yùn)營的第一條日志記錄的時間戳?xí)霈F(xiàn)從大到小的跳變，根據(jù)時間戳的這個特征可以將包含多次運(yùn)營的人機(jī)界面日志記錄文件分割開來。用一次運(yùn)營的開始時間和結(jié)束時間標(biāo)記本次運(yùn)營的時間范圍，便于操作人員選擇期望的運(yùn)營數(shù)據(jù)，進(jìn)行人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)。

2.3 對系統(tǒng)時間的信息挖掘

人機(jī)界面設(shè)備上電后與車載主機(jī)建立正常的通信連接后，車載主機(jī)向人機(jī)界面設(shè)備發(fā)送系統(tǒng)校時消息，人機(jī)界面設(shè)備據(jù)此設(shè)置本設(shè)備的系統(tǒng)時間。每一條日志記錄攜帶的系統(tǒng)時間即為產(chǎn)生該條日志記錄時刻的人機(jī)界面設(shè)備系統(tǒng)時間。復(fù)現(xiàn)人機(jī)界面運(yùn)營過程時，車載主機(jī)模擬工具按先后順序依次處理一次運(yùn)營的每一條日志記錄。處理完前一條日志記錄時，根據(jù)后一條日志記錄與前一條日志記錄的系統(tǒng)時間差，可以計(jì)算出處理后一條日志記錄需要推延多長時間。當(dāng)時間延遲滿足前后兩條日志記錄的系統(tǒng)時間間隔時，車載主機(jī)模擬工作才處理后一條日志記錄。通過這種方式保證車載主機(jī)模擬工具處理日志記錄的時機(jī)是完全符合車載主機(jī)與人機(jī)界面設(shè)備交互消息的時機(jī)。

日志記錄的系統(tǒng)時間也為選擇一次運(yùn)營的復(fù)現(xiàn)起始時間提供了基礎(chǔ)。在復(fù)現(xiàn)故障場景時，得知故障發(fā)生的時間，可以定位故障屬于哪一次運(yùn)營，設(shè)置復(fù)現(xiàn)起始時間為故障發(fā)生時間前面的一個時間點(diǎn)，車載主機(jī)模擬工具則處理復(fù)現(xiàn)起始時間之后的日志記錄，提高復(fù)現(xiàn)故障場景的效率。

2.4 對消息方向的信息挖掘

人機(jī)界面設(shè)備從車載主機(jī)接收到ETCS和CTCS動態(tài)消息或其他消息，產(chǎn)生的日志記錄攜帶的消息方向分別為“ETCSDyn”、“CTCSDyn”或“receive”。人機(jī)界面發(fā)送給車載主機(jī)的消息，產(chǎn)生的日志記錄攜帶的消息方向?yàn)椤皊end”。通過日志記錄攜帶的消息方向可以快速辨別出該消息是車載主機(jī)發(fā)送給人機(jī)界面設(shè)備或是人機(jī)界面設(shè)備發(fā)送給車載主機(jī)。

2.5 對消息內(nèi)容的信息挖掘

對于消息方向?yàn)槿藱C(jī)界面設(shè)備發(fā)送給車載主機(jī)，則車載主機(jī)模擬工具需要根據(jù)消息內(nèi)容進(jìn)一步辨別該消息是人機(jī)界面設(shè)備自動發(fā)送給車載主機(jī)，還是由于司機(jī)操作人機(jī)界面設(shè)備按鍵觸發(fā)人機(jī)界面設(shè)備發(fā)送消息。如果辨別該消息為人機(jī)界面設(shè)備自動發(fā)送給車載主機(jī)，則忽略該條日志記錄。如果辨別該消息為司機(jī)操作人機(jī)界面設(shè)備按鍵觸發(fā)人機(jī)界面設(shè)備發(fā)送消息，則車載主機(jī)模擬工具需要根據(jù)消息內(nèi)容、按鍵布局、按鍵菜單結(jié)構(gòu)和軟件邏輯將消息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的按鍵操作命令，重新發(fā)送給人機(jī)界面，人機(jī)界面接收到按鍵命令時自動觸發(fā)按壓按鍵的操作，模擬司機(jī)操作人機(jī)界面按鍵的過程。

3 人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用場景

3.1 復(fù)現(xiàn)故障場景

在高速列車上均裝備有人機(jī)界面設(shè)備，列車在運(yùn)行過程中發(fā)生故障時，可以下載人機(jī)界面設(shè)備存儲的日志記錄文件。使用人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)日志記錄文件對應(yīng)時間段的人機(jī)界面設(shè)備運(yùn)行過程，觀察故障時間段的人機(jī)界面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，定位和分析故障可能發(fā)生的原因。

由于人機(jī)界面設(shè)備存儲的日志記錄文件包含多次運(yùn)營，為了快速復(fù)現(xiàn)故障時刻的人機(jī)界面運(yùn)行狀態(tài)，提高復(fù)現(xiàn)的效率，車載主機(jī)模擬工具增加根據(jù)運(yùn)營次數(shù)不同對日志記錄進(jìn)行分割、從指定時間點(diǎn)開始復(fù)現(xiàn)、加快或放慢復(fù)現(xiàn)速度等功能。

將人機(jī)界面設(shè)備上電開始產(chǎn)生日志記錄到人機(jī)界面設(shè)備下電停止產(chǎn)生日志記錄作為一次運(yùn)營。車載主機(jī)模擬工具根據(jù)運(yùn)營次數(shù)對日志記錄文件進(jìn)行分割，用開始時間和結(jié)束時間標(biāo)記每一次運(yùn)營的時間范圍。復(fù)現(xiàn)故障時，根據(jù)故障發(fā)生的時間點(diǎn)判斷故障屬于哪一次運(yùn)營，選擇包含故障時間點(diǎn)的該次運(yùn)營進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。根據(jù)故障發(fā)生時間點(diǎn)設(shè)置開始復(fù)現(xiàn)的起始時間，忽略起始時間之前的運(yùn)營過程，可以提高復(fù)現(xiàn)效率。在復(fù)現(xiàn)過程中可以加快或減慢復(fù)現(xiàn)速度，對于不需要關(guān)注的過程，可以加快復(fù)現(xiàn)速度，對于需要關(guān)注的過程，可以放慢復(fù)現(xiàn)速度。

3.2 支持人機(jī)界面軟件調(diào)試

將需要測試的PC版人機(jī)界面軟件置于人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)中，使用車載主機(jī)模擬工具驅(qū)動人機(jī)界面軟件工作，搭建測試環(huán)境簡單方便。不但可以使用真實(shí)的人機(jī)界面運(yùn)行日志記錄作為腳本驅(qū)動被測試人機(jī)界面軟件工作，測試人機(jī)界面軟件的正常功能。而且還可以人工設(shè)計(jì)特殊的人機(jī)界面運(yùn)行日志記錄，測試正常情況下無法走到的人機(jī)界面軟件邏輯，提高了人機(jī)界面軟件測試的覆蓋率。

3.3 人機(jī)界面功能演示

真實(shí)的車載設(shè)備重量大、體積大，會給展示帶來不便，使用人機(jī)界面運(yùn)行過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動PC版人機(jī)界面工作，以展示人機(jī)界面設(shè)備的工作過程。

3.4 自動測試人機(jī)界面功能

按照人機(jī)界面日志記錄格式設(shè)計(jì)車載主機(jī)與人機(jī)界面設(shè)備交互消息的消息序列，構(gòu)成驅(qū)動人機(jī)界面設(shè)備工作的測試腳本。對人機(jī)界面設(shè)備執(zhí)行自動測試時，車載主機(jī)模擬工具加載測試腳本，將方向?yàn)檐囕d主機(jī)至人機(jī)界面設(shè)備的消息發(fā)送給人機(jī)界面設(shè)備，驅(qū)動人機(jī)界面設(shè)備正常工作。遇到方向?yàn)槿藱C(jī)界面設(shè)備至車載主機(jī)的消息，忽略此類消息。車載主機(jī)模擬工具與人機(jī)界面設(shè)備交互的所有消息按照日志記錄格式全部記錄下來，得到執(zhí)行結(jié)果腳本。

使用工具分析測試腳本中期望的人機(jī)界面設(shè)備至車載主機(jī)的消息與執(zhí)行結(jié)果腳本中實(shí)際收到的人機(jī)界面設(shè)備至車載主機(jī)的消息是否一致，以判斷人機(jī)界面設(shè)備軟件邏輯是否符合設(shè)計(jì)，達(dá)到對人機(jī)界面功能的自動測試。使用人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)自動測試人機(jī)界面功能的原理圖如圖2所示。

4 結(jié)束語

CTCS3-300T列車控制車載設(shè)備在我國高速鐵路中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)列車控制系統(tǒng)在運(yùn)營過程中發(fā)生故障時，現(xiàn)場值班人員會盡快下載列車控制車載設(shè)備各種歷史數(shù)據(jù)（包括人機(jī)界面設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)）并將數(shù)據(jù)發(fā)送給相關(guān)人員。相關(guān)人員使用人機(jī)界面運(yùn)營過程復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)再現(xiàn)發(fā)生故障時段的設(shè)備運(yùn)營過程，通過觀察分析，可以快速定位故障發(fā)生的原因，提出解決問題的方法，達(dá)到提高列車運(yùn)輸效率的目的。

圖2 自動測試人機(jī)界面原理圖

[1] 中國鐵路總公司. CTCS-2/3級列控車載設(shè)備人機(jī)界面（DMI）顯示暫行規(guī)范[S].中國鐵路總公司，2014.

[2] 北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司. CTCS3-300T列控車載設(shè)備DMI司機(jī)操作手冊[S]. 北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，2013.

責(zé)任編輯 方 圓

DMI Operation Reappearing System

ZHANG Youbing, LIU Ling, CUI Junfeng, NIU Daoheng
( Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal & Communication Ltd., Research Institute of General Technology, Beijing 100073, China )

In CTCS-2 and CTCS-3 Train Control Systems, The driver monitors and adjusts the train running status through observing and operating the DMI equipment. But the wrong operation and DMI equipment failure could cause the Train Control System fault, and the train delay. In order to reappear driver’s operations and on-board equipment faults, it was needed to provide a system of reappearing DMI operation process. This paper introduced the system frame and basic principles of the DMI Operation Reappearing System, described the useful information which was included in the DMI logs, introduced four typical applications about reappearing the DMI defaults, debugging the DMI software, displaying the DMI functions and testing the DMI functions automatically.

on-board equipment; Driver Machine Interface(DMI); operation reappearing

U284.48∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0047-04

2015-01-14

鐵路總公司重大課題（2003B001-A-1）；鐵路總公司重點(diǎn)課題（2014X003-H）。

張友兵，工程師；劉 嶺，高級工程師。