CRH3動車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

吳海超，張安全

（1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇南京210031；2.鄭州捷安高科股份有限公司河南鄭州450001）

我國高速鐵路的迅速發(fā)展，使得動車組司機培訓(xùn)機制未能及時完善。具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路動車組誕生后，司機培養(yǎng)的問題更加突出。目前動車組駕駛面臨的問題是動車司機專業(yè)人才緊缺；動車司機培訓(xùn)難度高、周期長；在培訓(xùn)過程中，學(xué)員的學(xué)習(xí)效率低。日本、法國、德國等國家的高速鐵路起步較早，發(fā)展比較成熟，相應(yīng)的培訓(xùn)機制比較健全，培訓(xùn)設(shè)施比較完備。由于鐵路安全生產(chǎn)特色要求，難以在高速鐵路現(xiàn)場進行司機培訓(xùn)；部分鐵路高職院校雖然也在積極開發(fā)培訓(xùn)資源，但受資金困擾，現(xiàn)有實訓(xùn)設(shè)施的更新升級難以保證。

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對CRH3動車組駕駛進行全三維虛擬化列車邏輯模型仿真，在仿真系統(tǒng)上對學(xué)員進行“真實情景模擬駕駛”培訓(xùn)，有如下優(yōu)勢成本低、性價比高電氣設(shè)備等系統(tǒng)故障的設(shè)置、查找、排除可以反復(fù)進行，不會產(chǎn)生設(shè)備的磨損，不會造成破壞性后果，故障設(shè)置依據(jù)參考文獻[1]可以輕松設(shè)置現(xiàn)實中不經(jīng)常遇到而采用實物方式設(shè)置又很麻煩的故障[2]充分利用文本、圖形[3]、三維影像、三維動畫和聲音等多媒體表現(xiàn)形式，刺激學(xué)員的視覺、聽覺神經(jīng)，調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性可以展示不可視、不可摸、不可入列車部位的結(jié)構(gòu)、布局及連接方式符合國家低碳戰(zhàn)略，綠色、環(huán)保。

CRH3動車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，能夠在仿真環(huán)境下對動車司機進行模擬駕駛、故障處理、非正常行車處理等方面的多媒體教學(xué)培訓(xùn)，有效地提高了培訓(xùn)質(zhì)量、降低了培訓(xùn)成本。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或虛擬仿真。虛擬仿真能讓使用者如同身歷其境一般，已經(jīng)被世界上一些大型企業(yè)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)。虛擬仿真技術(shù)的引入，將使工業(yè)設(shè)計的手段和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍，更加符合社會發(fā)展的需要。工業(yè)仿真系統(tǒng)不是簡單的場景漫游，而是真正意義上用于指導(dǎo)生產(chǎn)的仿真系統(tǒng)，它結(jié)合用戶業(yè)務(wù)層功能和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組建一套完全的仿真系統(tǒng)，可組建B/S、C/S兩種架構(gòu)的應(yīng)用，可與企業(yè)ERP、MIS系統(tǒng)無縫對接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)來解決動車司機培訓(xùn)的難題，是必要而可行的。

2 CRH3動車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)設(shè)計

CRH3模擬駕駛仿真系統(tǒng)由CGI線路場景、三維動車組仿真模型及后臺的列車仿真邏輯構(gòu)成，總體劃分為多媒體教學(xué)、模擬駕駛、故障處理、非正常行駛4個模塊，每個模塊都具備教學(xué)、演練、考核評價3個主要功能。

系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崟r準確響應(yīng)各項操作，能夠正確反應(yīng)列車固有的控制邏輯關(guān)系，所有的操作信息能夠根據(jù)實際情況實時更新并輸出相關(guān)的仿真計算結(jié)果，如列車的所有電氣、電子、機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)關(guān)系及動作時序均根據(jù)實際形式進行一對一的仿真；所有操作、顯示設(shè)備、開關(guān)、發(fā)音、發(fā)光、報警系統(tǒng)能夠按實際情況進行控制和響應(yīng)，所有的顯示系統(tǒng)具有與真實系統(tǒng)相同的界面、菜單結(jié)構(gòu)、按鈕及功能；系統(tǒng)觸發(fā)的列車故障現(xiàn)象與真實情況一致。

多媒體教學(xué)模塊采用文字、聲音、圖片和圖像等多種信息，將CRH3動車組的使用、應(yīng)急故障處理、檢修作業(yè)等以預(yù)先制作的數(shù)字動畫的形式進行呈現(xiàn)，并設(shè)計簡潔、美觀的交互式人機界面、可以方便的進行播放控制，如快進、快退、暫停、聲音控制等；模擬駕駛模塊采用教師提前設(shè)置演練任務(wù)的方式，如列車類別、運行區(qū)段、列車故障發(fā)生位置及類型、臨時限速位置等，使學(xué)員熟悉機車、熟悉操作；故障處理模塊培訓(xùn)學(xué)員檢查并排除故障/突發(fā)事件的能力；非正常行駛模塊培訓(xùn)學(xué)員在駕駛機車遇到如下雨、下雪等一些突發(fā)情況時的處理能力[5]。

通過計算機多媒體授課來實現(xiàn)生動的場景交互式教學(xué)功能；以任務(wù)形式設(shè)置演練內(nèi)容，使學(xué)員在情景化引導(dǎo)欄指導(dǎo)下，逐步排查、直至完成故障處理，達到演練目的；考核評價體系能將學(xué)員的每一次訓(xùn)練都記錄保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，包括學(xué)員信息和訓(xùn)練記錄數(shù)據(jù)，對于有標準操作答案的項目，系統(tǒng)還會自動評判出成績并記錄在數(shù)據(jù)庫中，教師根據(jù)記錄進行進一步的審閱、評判和管理，最后發(fā)布成績。

3 CRH3動車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)開發(fā)

仿真系統(tǒng)的開發(fā)包括3D動車模型設(shè)計開發(fā)、場景建模開發(fā)和引擎程序開發(fā)。

系統(tǒng)中的模型采用Autodesk公司的3DSMAX作為建模軟件，建模方法主要為Polygon（多邊形）建模。模型構(gòu)建貼圖及交互控制腳本見參考文獻[6]，模型效果如圖1所示。

圖1 模型效果圖Fig.1 Model rendering

場景包括軌道（鐵軌、交叉口、道岔、路基、道床），架空線路（支柱、基礎(chǔ)、墜砣、腕臂、拉桿、絕緣子、定位器、定位桿、支撐桿、接觸網(wǎng)導(dǎo)線、承力索、吊弦），軌旁設(shè)備（信號機、應(yīng)答器、轉(zhuǎn)轍機、進路顯示、邊界顯示、停車顯示、限速顯示、反方向標識等），站臺（車站及附屬設(shè)備、廣告牌、乘客、停車標等），沿線景物（露天風(fēng)景、橋梁、隧道、立交橋、建筑、行人、車輛等），交會運行的其他CRH3動車組。場景的視景仿真系統(tǒng)采用計算機生成圖像（CGI）的三維場景，CGI線路視景以現(xiàn)場線路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，全三維數(shù)字化建模，線路縱斷面、曲線半徑等線路參數(shù)與真實一致；場景的聲音仿真系統(tǒng)包括列車外部的聲音（列車在線路上運行的聲音、風(fēng)聲、鳴笛聲、制動摩擦聲、周圍環(huán)境聲音、列車報站聲音、碰撞障礙物時的聲音）與列車內(nèi)部的聲音（司機操作過程中列車產(chǎn)生的各種電器吸合、斷開聲音；司機臺HMI、ATP顯示屏提示聲；列車運行過程中有關(guān)設(shè)備的電氣、機械噪聲；牽引電動機運轉(zhuǎn)的聲音；空氣制動系統(tǒng)產(chǎn)生的明顯聲音）。場景建模從視覺、聽覺、速度感、操縱真實感等方面逼真地再現(xiàn)了列車在不同情況下的運行環(huán)境。場景建模技術(shù)見參考文獻[7]，場景組織結(jié)構(gòu)可參考文獻[8]。

系統(tǒng)的三維引擎采用OSG（OpenSceneGraph）技術(shù)實現(xiàn)。OSG使用OpenGL技術(shù)開發(fā)，是一套基于C++平臺的應(yīng)用程序接口（API）。OpenGL技術(shù)為圖形元素（多邊形、線、點……）和狀態(tài)（光照、材質(zhì)、陰影……）的編程提供了標準化的接口。因此，OSG讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。系統(tǒng)的界面則采用Qt制作。Qt是諾基亞開發(fā)的一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴展，并且允許真正地組件編程。系統(tǒng)運行的界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運行界面示意圖Fig.2 Operation interface diagram of the system

4 列車性能仿真

系統(tǒng)能夠準確真實地仿真CRH3動車組在各種運行環(huán)境與運行工況下的運行狀況、操縱特性、牽引/制動特性以及其它特性，包括列車運行仿真、列車動力學(xué)仿真、控制特性仿真、控制邏輯仿真、牽引特性仿真、制動特性仿真等幾方面。

4.1 列車運行性能仿真

列車運行性能仿真由CRH3型動車組列車邏輯仿真模型、動力學(xué)模型、ATP邏輯仿真模型、故障仿真系統(tǒng)、運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫等部分構(gòu)成。

列車運行仿真可以對坡度長度、坡度大??；曲線長度、半徑及方向；不同路段的運行阻力；CRH3動車組自重和負載情況；牽引電機的特性和狀態(tài)；電制動和空氣制動的特性與狀態(tài)；輪軌粘著系數(shù)；停車制動特性和應(yīng)用；列車長度；列車編組數(shù)量等運行條件進行響應(yīng)與處理。列車運行仿真可以接收線路數(shù)據(jù)；列車參數(shù)；學(xué)員的操作；教員發(fā)出的控制；天氣及季節(jié)的變化；信號的變化；道岔開通方向的變化；分相區(qū)信息；臨時限速等數(shù)據(jù)和狀態(tài)：

運行時，操縱輸入處理模塊通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊及操縱臺輸入與輸出接口計算機獲得學(xué)員的操縱動作，并改變列車邏輯表中的對應(yīng)參數(shù)；列車邏輯計算及ATP邏輯計算模塊定時進行計算列車邏輯及ATP邏輯的邏輯計算；列車牽引及動力學(xué)計算模塊將部分邏輯計算結(jié)果作為列車運行計算的依據(jù)。一次仿真計算完成后，邏輯計算與運行計算的結(jié)果被通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊送往操縱臺、電器柜進行輸出控制，同時也被送往視景、聲音、運動仿真系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制，并被記錄在運行記錄文件中以備對訓(xùn)練過程的評價與調(diào)用。

在運行過程中，訓(xùn)練課程中預(yù)設(shè)的故障會被相應(yīng)的觸發(fā)條件觸發(fā)[9]，并通過故障處理系統(tǒng)影響當前的列車邏輯表、ATP邏輯表或列車運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，從而可能導(dǎo)致非正常的邏輯及運行計算結(jié)果輸出。故障處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)編碼則可參考文獻[10]。教員也可通過教員系統(tǒng)對當前的訓(xùn)練過程實時設(shè)置故障或改變當前的列車運行參數(shù)，其結(jié)果與訓(xùn)練課程中預(yù)設(shè)的、按照觸發(fā)條件觸發(fā)的結(jié)果相同，都可能導(dǎo)致非正常的邏輯及運行計算結(jié)果輸出。由于具備完整的邏輯與動力學(xué)仿真模型，因此系統(tǒng)會正確地計算出這些非正?，F(xiàn)象的輸出結(jié)果。這些結(jié)果將會在操縱臺上的儀表、指示燈、TMS-MMI、ATP-MMI、視景系統(tǒng)、聲音系統(tǒng)、運動系統(tǒng)得到同步的、協(xié)調(diào)一致的反映，所反映出的現(xiàn)象將和CRH3動車組在真實環(huán)境下的運行一樣。

受訓(xùn)司機可通過這些現(xiàn)象來判斷故障或采取相應(yīng)的措施應(yīng)對突發(fā)事件。系統(tǒng)提供硬件實做、軟件模擬并舉的方式供學(xué)員進行排除故障的模擬訓(xùn)練，無論采用哪種方式，正確的故障排除步驟將會影響列車或ATP邏輯表，從而使其恢復(fù)到正常狀態(tài)。當司機無法完成故障的排除時，可由教員通過教員監(jiān)控系統(tǒng)來取消或清除故障。

本系統(tǒng)中根據(jù)CRH3型動車組列車的實際情況建立與之一致的邏輯仿真模型、ATP仿真模型以及動力學(xué)及牽引計算模型[11]，且這些模型大多以數(shù)據(jù)的方式存放在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。因此，系統(tǒng)在不改變源程序的基礎(chǔ)上，通過對應(yīng)參數(shù)或數(shù)據(jù)的定義即可完成CRH3動車組運行中正常狀態(tài)、非正常狀態(tài)的仿真。

4.2 列車動力學(xué)性能仿真

列車動力學(xué)性能的仿真模型能夠達到列車模擬運行、車輛姿態(tài)與動態(tài)仿真控制的技術(shù)要求。列車動力學(xué)性能的仿真主要針對列車的縱向、垂向和橫向動力學(xué)性能而言，將列車的每節(jié)車輛視為一個質(zhì)點，前后質(zhì)點之間通過車鉤力建立聯(lián)系，全列車構(gòu)成了一個離散質(zhì)點系。仿真計算需要確定列車模擬運行過程中任意時刻的線路狀態(tài)（坡度、曲線、道岔、軌道譜等）、每節(jié)列車、車輛的阻力、制動力、牽引力、位置、速度、加速度、以及它們之間的相互作用力（即車鉤力）。

就列車縱向動力學(xué)而言，將列車中的每節(jié)車輛都看作一個受外力作用的質(zhì)點，則每一輛車的運動方程為

式中：Mi為車輛的質(zhì)量；i為第i節(jié)車；Fi為動車牽引力或動力制動力，若是拖車則Fi為零；動力制動時為Fi負值；Xi為車輛在線路上的位移；t為車輛在線路上的運行時間；fi+1為車輛后端車鉤上的力；fi為車輛前端車鉤上的力；Ri為車輛的基本阻力；Bi為車輛的空氣制動力；gi為線路附加阻力（坡道、曲線、隧道等阻力）。

4.3 控制特性仿真

仿真系統(tǒng)能夠?qū)崟r準確響應(yīng)司機的各項操作，實時計算每節(jié)車輛的相關(guān)條件并具有真實性與準確性。仿真模塊能夠正確反應(yīng)列車固有的控制邏輯關(guān)系，所有的操作信息能夠根據(jù)實際情況實時更新并輸出相關(guān)的仿真計算結(jié)果。列車的所有電氣、電子、機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)關(guān)系及動作時序均根據(jù)實際形式進行一對一的仿真。司機操作臺上的所有操作、顯示設(shè)備、開關(guān)、發(fā)音、發(fā)光、報警系統(tǒng)能夠按實際情況進行控制和響應(yīng)，所有的顯示系統(tǒng)具有與真實系統(tǒng)相同的界面、菜單結(jié)構(gòu)、按鈕及功能。列車的牽引、制動系統(tǒng)均按照真實情況產(chǎn)生控制指令和響應(yīng)。系統(tǒng)觸發(fā)的列車故障現(xiàn)象與真實情況一致。

4.4 控制邏輯仿真

司機操縱臺上的開關(guān)、按鈕、司機控制器是整個列車控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，控制系統(tǒng)中所有電器以及連接它們的導(dǎo)線之間有著密不可分的聯(lián)系。列車控制模型是指列車在正常和故障工況條件下，控制系統(tǒng)內(nèi)部之間的得電、失電關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的工作受司機臺開關(guān)和控制器的控制輸入，并與控制系統(tǒng)內(nèi)部各類電器的狀態(tài)及它們的連接關(guān)系相關(guān)。

用這些變量來進行牽引、制動等狀態(tài)變化時的聲音、儀表、指示燈的輸出控制。

4.5 牽引特性仿真

列車的牽引力、制動力都按照全列車各車輛的牽引力、制動力的總和進行計算。計算的具體方法遵守《列車牽引計算規(guī)程》的要求。為了使列車牽引計算獲得的運行速度曲線具有連續(xù)性，將列車的計算模型簡化為：以車輛中心為車輛質(zhì)點，且質(zhì)點間無相對運動的質(zhì)點系。從而考慮了列車長度對線路附加阻力計算的影響，使計算結(jié)果更加接近于實際情況。

列車牽引計算主要用于針對給定訓(xùn)練課程與運行條件下CRH3動車組標準操縱曲線的自動生成，以便將模擬操縱曲線與標準操縱曲線進行比較，評判受訓(xùn)司機的操縱水平。模擬操縱曲線圖如圖3所示。

4.6 制動特性仿真

制動特性符合CRH3動車組手動制動方式及由ATP控制的自動制動方式并用的特性，動作方式符合電氣再生制動方式與電氣指令式空氣制動方式并用的特性。制動力-速度模擬曲線圖如圖4所示，制動距離模擬曲線圖如圖5所示。

圖3 牽引力-速度模擬曲線圖Fig.3 Traction-speed simulation curve diagram

圖4 制動力-速度模擬曲線圖Fig.4 Braking force-speed simulation curve diagram

圖5 制動距離模擬曲線圖Fig.5 Braking distance simulation curve diagram

5 結(jié)論

CRH3動車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)借助影像、圖形圖像、聲音、虛擬現(xiàn)實場景和虛擬仿真設(shè)備，逼真地再現(xiàn)了列車駕駛操縱界面、操作顯示設(shè)備、電氣設(shè)備、控制邏輯及網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。系統(tǒng)的所有電氣、電子、機械、氣動系統(tǒng)的邏輯、關(guān)聯(lián)關(guān)系與真實情況一致，能夠完成模擬駕駛、故障處理、非正常行車的教學(xué)指導(dǎo)、教學(xué)管理和考核等功能。

CRH3動車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，有效地解決了學(xué)校、企業(yè)在動車司機培訓(xùn)方面的兩難問題，提高了動車司機的培養(yǎng)培訓(xùn)質(zhì)量，縮短了培訓(xùn)時間，節(jié)約了培訓(xùn)成本，且綠色環(huán)保，經(jīng)濟和社會效益良好。

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