虛擬仿真技術(shù)在城市軌道交通工程實訓(xùn)中的應(yīng)用

黃雄輝

（廣東警官學(xué)院，廣東 廣州 510440）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，對城市交通的要求越來越高?？焖佟踩?、應(yīng)用廣泛是城市軌道交通工程的發(fā)展節(jié)奏，它的全面高速發(fā)展與現(xiàn)代化的技術(shù)分不開。仿真技術(shù)是人類文明發(fā)展的產(chǎn)物，是知識轉(zhuǎn)換為實踐的產(chǎn)物，它可以通過與其他先進(jìn)技術(shù)相融合，為城市生活增加更多的可能。運用于城際軌道建設(shè)的虛擬仿真技術(shù)，是將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相聯(lián)系，真實的人在仿真現(xiàn)實的虛擬環(huán)境中操作虛擬的系統(tǒng)來模擬實際交通管理。技術(shù)的操作離不開真實的人，技術(shù)的更新與人才的更新是密切相關(guān)的，社會迫切需要技能型的交通管理警察，因此需要將虛擬仿真技術(shù)引入到城市軌道交通工程實訓(xùn)中。

1 城市軌道運行系統(tǒng)的虛擬仿真

1.1 場景模型生成

虛擬環(huán)境其實是通過對列車運行時周圍現(xiàn)實的場景進(jìn)行建模，模擬列車運行時給駕駛者和乘坐者帶來的是最直接的感官感受。其是對現(xiàn)實的場景，通過可觀察現(xiàn)象、列車運行原理、物理屬性對存在的環(huán)境進(jìn)行虛擬的設(shè)計視覺效果、運作時的切身感受進(jìn)行的模擬設(shè)立[1]。通過逼真的建模，讓真實的人在操作中，能清楚地感受到周圍的實際場景，使人感到仿佛置身于列車中。

要使建立的場景模型逼真，提高其對仿真系統(tǒng)分析評估的影響力，就需要充分實現(xiàn)場景的完整性、存在性、連接性，例如軌道等隧道洞身、屏蔽門、站牌、車廂、車內(nèi)設(shè)施還有廣告牌等，凡視覺和聽覺等能感受到的，都要設(shè)置在場景之中。

選定要設(shè)立的場景，將主次、前后、明暗等層次理念融入到場景中。確定基礎(chǔ)源，劃分場景中的事物，使得分割更具有科學(xué)性，充分展現(xiàn)結(jié)構(gòu)分明、層次感強烈的場景建模，為系統(tǒng)的模擬運行效率奠定堅實可靠的基礎(chǔ)。

1.2 動態(tài)場景模型的控制

靜態(tài)場景是指在現(xiàn)實情況中相對參照物是靜止不動的。動態(tài)場景是相對于這些靜態(tài)場景生成的概念。在對城市軌道運行系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真時，體驗者主要是對動態(tài)場景進(jìn)行熟悉直至控制。在設(shè)立的模擬場景中，信號燈、列車行駛狀態(tài)的指示燈、列車到站時所要開啟關(guān)閉的列車門、車站內(nèi)起保護作用的屏蔽門等都屬于動態(tài)場景[2]。操作員要隨時根據(jù)列車的運行情況控制屏蔽車門的開門，觀察信號燈和指示燈的顏色變化，及時調(diào)整虛擬手柄的位置等等。

對動態(tài)場景模型的控制，主要是切換節(jié)點（Switch）的運用和自由度的運用。切換節(jié)點是在列車運行過程中，對信號燈的顏色、指示燈的信號含義、列車發(fā)動指示等情況進(jìn)行更換或體現(xiàn)的環(huán)節(jié)。列車在行駛中由列車員操作，操作的基礎(chǔ)來自于對環(huán)境的判斷。在不同的情況下，要對其特定的展現(xiàn)節(jié)點進(jìn)行設(shè)置，并且在同一時間內(nèi)只能有一個子節(jié)點出現(xiàn)。例如，開啟車門，就是Switch節(jié)點切換到開組的子節(jié)點，其他的子節(jié)點處于隱藏狀態(tài)[3]。

子節(jié)點之間是有聯(lián)系的，是依次建立的索引編號。僅僅通過這些索引切換列車的運行狀態(tài)是不夠的，還需要在列車的運行場景和司機操作臺上設(shè)立自由度節(jié)點（DOF節(jié)點）。DOF是可以放到數(shù)據(jù)庫中增加幾何體的運動節(jié)點，是一種邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)。通過兩者結(jié)合，可以提高小節(jié)點操作的準(zhǔn)確性和真實性。

1.3 軟件流程

軟件流程的作用是借助于計算機讓真實的人通過自然的方法（手動或其他肢體動作等）來身臨其境地感受生成的虛幻環(huán)境。虛擬的環(huán)境還可以對人的實時操作做出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)軟件流程的第一步是模擬系統(tǒng)初始化形成adf文件，第二步是三維模型的載入與管理，第三步就是視景生成的主體程序的構(gòu)成。

2 擬演練仿真模型技術(shù)

當(dāng)軟件流程形成完畢就能構(gòu)建虛擬三維數(shù)字仿真模型。由于建造的模型具有真實性和仿真性，使其構(gòu)建的設(shè)備具有可操作性，演練者或者學(xué)習(xí)者能近似于操控著真實的列車在軌道上行駛。其操作手法、行動指令、操作原理、邏輯思考等都與實際過程一樣。即使是虛擬的場景，操控的任何設(shè)備其狀態(tài)顯示、儀表樣式、報警系統(tǒng)和動作過程能夠產(chǎn)生預(yù)想的變化，都是可以將所見、所做、呈現(xiàn)的結(jié)果與真實情況完全聯(lián)系統(tǒng)一起來[4]。這對于需要有實際操作技能的人來說，可以將理論知識與實踐相結(jié)合，為實際操作真實的列車積累經(jīng)驗。

3 實訓(xùn)教學(xué)問題與虛擬實訓(xùn)的優(yōu)勢

隨著社會對技能型人才的需求越來越多，使得很多公安院校意識到自己的教學(xué)理念和方式存在以下不足：

（1）指導(dǎo)方針比較落后，中國的應(yīng)試教育使得學(xué)校的教育理念側(cè)重于知識的傳授，對學(xué)生的實踐要求相對較低，很多學(xué)生缺乏實踐經(jīng)驗；

（2）教師資源不足，很多教師的能力是止于書面，長期缺乏實踐導(dǎo)致所傳授的知識也時常與社會脫軌；

（3）缺少實訓(xùn)設(shè)備和場地，因為對實訓(xùn)的不重視，對設(shè)備器材的投入極少，在學(xué)校建設(shè)規(guī)劃中，往往也忽略了實訓(xùn)場地的建設(shè)；

（4）缺乏實訓(xùn)文化和氛圍，領(lǐng)導(dǎo)的不重視，教師的無能為力，學(xué)生的不作為等，使得部分公安院校培養(yǎng)出來的學(xué)生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代交通發(fā)展對警察的要求，如何將理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合起來，因時施教，讓學(xué)生在踏入社會前擁有體驗崗位和提升技能的機會，如何加大學(xué)院實訓(xùn)的力度是亟待解決的問題。

虛擬實訓(xùn)的優(yōu)點有：

（1）拓寬師資渠道，招聘各類型人才，提升師資力量；

（2）開展理論教學(xué)和虛擬實訓(xùn)的教學(xué)方式，讓學(xué)生提高動手能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；

（3）為更好地開展實訓(xùn)，需要建造實訓(xùn)室，提高學(xué)校的硬件條件；

（4）學(xué)生在學(xué)習(xí)書本知識的基礎(chǔ)上，增加了虛擬仿真技術(shù)的實操，增加了城市交通管理的實訓(xùn)經(jīng)驗，為今后踏入工作崗位后更好、更快地適應(yīng)環(huán)境打好了基礎(chǔ)；

（5）實訓(xùn)項目往往需要配備比較昂貴的設(shè)備，學(xué)生實操機會很少，且不可重復(fù)利用，而由學(xué)校自己投建，可以降低培訓(xùn)成本，教學(xué)內(nèi)容也能隨時更新，而且可以為學(xué)生提供反復(fù)學(xué)習(xí)的機會，也加強了考核學(xué)生學(xué)習(xí)成果的可操作性和準(zhǔn)確性；

（6）學(xué)校通過不斷地引進(jìn)、實踐、改善，軟件和硬件設(shè)備都能不斷提升，進(jìn)而提高競爭力以及畢業(yè)生的就業(yè)率，與用人單位的聯(lián)系也隨之增多，形成良性循環(huán)，為社會培養(yǎng)更多優(yōu)秀的交通警察。

4 城市軌道交通工程實訓(xùn)虛擬開發(fā)

第一步，用三維建模軟件Cinema 4D軟件，把軌道結(jié)構(gòu)的構(gòu)件組成形成虛擬模型，依照FBX對虛擬模型進(jìn)行保存，需要渲染的可通過UVW貼圖手段來修正[4]。利用這款軟件強大的3D設(shè)計圖像功能和兼容性，來對城市軌道工程進(jìn)行建模、動畫、渲染等。

第二步，采用Unity 3D軟件對經(jīng)過渲染修正后的模型做場景虛擬，進(jìn)行場景動畫編輯，模擬機械設(shè)備、操作人員等。Unity 3D雖然操作簡便、開發(fā)周期較短，但是創(chuàng)作的動畫卻能達(dá)到期望的效果。通過Unity 3D進(jìn)行虛擬模型的整合、地形結(jié)構(gòu)布置、著色，對腳本、網(wǎng)絡(luò)安排、版本控制等方面進(jìn)行編輯。

第三步，通過Java 3D軟件對如何控制虛擬設(shè)備、操作人員進(jìn)行編制，編譯成可執(zhí)行文件。經(jīng)過Unity 3D編輯修繕后的文件，根據(jù)其擁有的API，使制作出來的文件具有強烈的動態(tài)控制能力，提高其瀏覽和傳輸性。當(dāng)有同類型的數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)時，還能綜合整合，讓其具有可視性，且動畫圖像清晰[5]。

5 結(jié)語

虛擬仿真是自20世紀(jì)40年代以來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成的一種試驗研究新技術(shù)，是對自然界客觀規(guī)律認(rèn)識的呈現(xiàn)。近些年其發(fā)展迅速，成為人們認(rèn)識、改造和創(chuàng)造客觀世界的通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。虛擬實訓(xùn)項目是根據(jù)真實場景進(jìn)行場景模擬和真實操練。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通工程實訓(xùn)具有科學(xué)性、客觀性、趣味性，既實現(xiàn)了對實時性、交互性和精確性要求高的視覺虛物實化，又能讓學(xué)生融入實際管理交通的氛圍中。實訓(xùn)具有可循環(huán)性和重復(fù)性，更新、擴展功能也比較方便，幫助學(xué)院以較少的資金、設(shè)備和人員解決學(xué)生缺乏實踐經(jīng)驗的難題。

[1]劉仲波，李瑞濤.虛擬仿真技術(shù)在城市軌道交通工程實訓(xùn)中的應(yīng)用[J].價值工程，2012（12）：169.

[2]汪博，王建.城市軌道交通工程控制測量建網(wǎng)策略[J].隧道建設(shè)，2010（9）：143.

[3]李得偉，周瑋騰.城市軌道交通樞紐客流仿真輔助決策技術(shù)與實踐研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012（12）：1-8.

[4]周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].上海師范大學(xué)學(xué)報：基礎(chǔ)教育版，2010（5）：56-59.

[5]王永波，韓瑋.軌道交通設(shè)施景觀控制對策研究[J].《規(guī)劃師》論叢，2012：86-90.