城市軌道交通列車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)

葉華平 姚 軍 錢雪軍

（1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司軌道交通培訓(xùn)中心，201102，上海；2.同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，200092，上海∥第一作者，高級(jí)工程師）

近幾年，上海軌道交通線網(wǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，每年都需要增加大量的駕駛員。對(duì)于新駕駛員，不但要對(duì)其進(jìn)行城市軌道交通基礎(chǔ)知識(shí)的培訓(xùn)，還要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，使其掌握駕駛技術(shù)、車輛聯(lián)掛技術(shù)，熟悉車輛設(shè)備接口。鑒于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，新駕駛員的培訓(xùn)工作不可能完全在現(xiàn)場(chǎng)完成，大部分培訓(xùn)工作都需要在培訓(xùn)中心來(lái)完成。由于需要培訓(xùn)的新駕駛員多，列車型號(hào)也在不斷變化和增加，構(gòu)建大量的實(shí)物培訓(xùn)裝置不切實(shí)際，因此，選擇并開發(fā)一種成本低，又能完成新駕駛員培訓(xùn)工作的培訓(xùn)手段和工具，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義［1－2］。

虛擬駕駛仿真系統(tǒng)能滿足這樣的實(shí)際需求。采用1臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)，不需要任何附加的運(yùn)行許可，即可實(shí)現(xiàn)單機(jī)版的列車虛擬駕駛，實(shí)現(xiàn)最基本的駕駛培訓(xùn)。虛擬駕駛仿真系統(tǒng)能幫助駕駛員熟悉列車司機(jī)控制臺(tái)上的儀表、按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制器等設(shè)備，掌握司機(jī)顯示器的操作使用，熟悉列車運(yùn)行線路的環(huán)境以及縱橫斷面。

本研究根據(jù)上海軌道交通系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合新駕駛員實(shí)際培訓(xùn)工作需要，提出了一種基于PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）的虛擬駕駛仿真系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于課程的培訓(xùn)方案。

1 虛擬駕駛仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為滿足正常操縱訓(xùn)練以及故障能力訓(xùn)練等功能需求，虛擬駕駛仿真系統(tǒng)應(yīng)具有設(shè)備先進(jìn)、布局合理、操作方便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。虛擬駕駛仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用1臺(tái)計(jì)算機(jī)雙顯示器結(jié)構(gòu)，一個(gè)顯示器顯示虛擬駕駛臺(tái)，另一個(gè)顯示器顯示線路三維場(chǎng)景。

圖1 虛擬駕駛仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

虛擬駕駛仿真系統(tǒng)的軟件包括2大部分

（1）虛擬司機(jī)控制臺(tái)：司機(jī)控制臺(tái)上所有控制設(shè)備（包括司機(jī)控制器、控制轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕，以及各種儀表和指示燈）的控制及顯示采用計(jì)算機(jī)模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）計(jì)算機(jī)三維場(chǎng)景模擬：為了給駕駛員提供一個(gè)比較逼真的環(huán)境，本系統(tǒng)采用單通道三維場(chǎng)景。當(dāng)列車進(jìn)站停車時(shí)，通過(guò)畫中畫開窗的方式提供停車對(duì)標(biāo)以及站臺(tái)監(jiān)視的三維場(chǎng)景。

虛擬駕駛仿真系統(tǒng)的軟件采用模塊化、雙線程的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)線程之間的通信是通過(guò)Windows的消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)線程的主要工作如下。

（1）仿真計(jì)算線程：完成虛擬司機(jī)控制臺(tái)的顯示與控制，并且根據(jù)司機(jī)控制臺(tái)的操作指令，實(shí)現(xiàn)列車的牽引計(jì)算，獲得列車的位置信息和速度信息，同時(shí)完成聲音環(huán)境的仿真。

（2）三維視景線程：完成三維場(chǎng)景的顯示，并根據(jù)仿真計(jì)算線程獲得的列車速度信息和位置信息驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景。

2 虛擬駕駛仿真系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬司機(jī)控制臺(tái)

司機(jī)控制臺(tái)由司機(jī)控制器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、指示燈以及多個(gè)顯示器組成［3－5］?？紤]到實(shí)際司機(jī)控制臺(tái)上設(shè)備的布置情況以及顯示器的分辨率，虛擬司機(jī)控制臺(tái)的設(shè)備布置盡可能地與實(shí)際接近。圖2為上海軌道交通7號(hào)線的列車虛擬司機(jī)控制臺(tái)。

圖2 上海軌道交通7號(hào)線的列車虛擬司機(jī)控制臺(tái)

（1）虛擬司機(jī)控制器。司機(jī)控制器是列車駕駛中的關(guān)鍵設(shè)備，其視覺效果應(yīng)盡可能與實(shí)際相似，但聯(lián)鎖關(guān)系必須與實(shí)際一致。司機(jī)控制器的操作部件包括鑰匙、模式手柄、牽引手柄，其操作動(dòng)作可以是旋轉(zhuǎn)或平移。虛擬司機(jī)控制器通過(guò)3Dmax建模、Opengl編程控制的方法實(shí)現(xiàn)，操作部件具有三維的視覺效果。

（2）虛擬控制按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、指示燈。虛擬司機(jī)控制臺(tái)上各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕以及指示燈的實(shí)現(xiàn)方法是：首先根據(jù)設(shè)備的外形特征，在3Dmax環(huán)境下構(gòu)建三維模型，得到設(shè)備在不同狀態(tài)下的三維視圖的圖片；然后根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)，動(dòng)態(tài)顯示該設(shè)備相應(yīng)的圖片。

（3）虛擬儀表。司機(jī)控制臺(tái)的儀表包括雙針氣壓表、輔助電壓表、速度表等。虛擬儀表采用表盤圖片結(jié)合動(dòng)態(tài)控制儀表指針的實(shí)現(xiàn)方法。虛擬儀表的實(shí)現(xiàn)過(guò)程則是確定控制儀表指針的位置：根據(jù)當(dāng)前儀表的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前的指針顯示角度，并通過(guò)繪圖方式顯示儀表指針。

（4）虛擬司機(jī)顯示單元。虛擬司機(jī)控制臺(tái)一般都包含一些司機(jī)顯示單元，為司機(jī)提供一些必要的信息以及一些輔助控制功能。如圖2所示，上海軌道交通7號(hào)線的列車司機(jī)控制臺(tái)上包含司機(jī)操作顯示器以及列車控制管理顯示器。這些顯示器都是觸摸式的，主要功能有：列車基本參數(shù)和狀態(tài)顯示、故障信息顯示、可視化客室信息控制和廣播信息控制等。根據(jù)這些顯示器的功能以及操作手冊(cè)，采用編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 三維場(chǎng)景模擬

三維視景系統(tǒng)采用高清液晶顯示器顯示前向場(chǎng)景。當(dāng)列車進(jìn)入車站停車時(shí)，采用畫中畫的模式顯示停車對(duì)標(biāo)以及乘客上下車的監(jiān)視畫面，該顯示系統(tǒng)的刷新速率不低于30幀。三維視景系統(tǒng)與聲音仿真系統(tǒng)共同為新駕駛員培訓(xùn)提供較為逼真的仿真環(huán)境。

三維場(chǎng)景的建模采用3Dmax 結(jié)合 MultiGen Creator完成。而場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)則采用開源OpenSceneGraph實(shí)現(xiàn)。三維視景系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三維視景系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于前景系統(tǒng)采用1個(gè)顯示器，其視角范圍大概在45°。由于對(duì)列車停車位置有著很高的精度要求，所以要求駕駛員駕駛列車進(jìn)站停車時(shí)要精確地對(duì)準(zhǔn)停車標(biāo)。停車標(biāo)的位置一般設(shè)置在軌道兩側(cè)，當(dāng)列車精準(zhǔn)停車時(shí)，所有的車門正好對(duì)準(zhǔn)屏蔽門，司機(jī)室的側(cè)面車窗正好對(duì)準(zhǔn)列車停車標(biāo)。

為了幫助受訓(xùn)駕駛員實(shí)現(xiàn)停車對(duì)標(biāo)，當(dāng)列車進(jìn)入車站區(qū)間時(shí)，在停車標(biāo)側(cè)，前景顯示器中將開出畫中畫窗口，顯示該側(cè)面場(chǎng)景，來(lái)輔助列車停車對(duì)標(biāo)；當(dāng)列車準(zhǔn)確停車后，停車標(biāo)將顯示在該畫中畫窗口的中央，如圖3中的對(duì)標(biāo)窗口。

當(dāng)列車進(jìn)站停車停穩(wěn)后，在車站的站臺(tái)側(cè)將顯示另一個(gè)畫中畫窗口，顯示車站站臺(tái)以及列車車門的情況，幫助司機(jī)觀察乘客上下車以及車門關(guān)閉的情況，如圖3中的站臺(tái)監(jiān)視窗口。同時(shí)，原停車對(duì)標(biāo)窗口改變視角，將視角對(duì)準(zhǔn)發(fā)車指示器，來(lái)觀察發(fā)車指示器的情況。當(dāng)列車駛離車站區(qū)間后，2 個(gè)畫中畫窗口自動(dòng)消失，直到下一個(gè)車站區(qū)間的出現(xiàn)。

2.3 課程培訓(xùn)

虛擬駕駛仿真系統(tǒng)以培訓(xùn)課程為基礎(chǔ)進(jìn)行培訓(xùn)設(shè)計(jì)。培訓(xùn)課程設(shè)計(jì)可生成各種不同特色的訓(xùn)練課程。這些訓(xùn)練課程包括：不同起點(diǎn)車站的操縱；在不同線路斷面條件下的起車、停車；不同天氣條件下的操縱；不同時(shí)間段（早上、晚上）的操縱；不同客流條件下的操縱；發(fā)生故障條件下的操縱；突發(fā)險(xiǎn)情條件下的操縱；以及上述多種條件組合下的駕駛培訓(xùn)。

一個(gè)完整的培訓(xùn)課程包括馴練環(huán)境、列車編組、啟動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)行路徑等4個(gè)方面。培訓(xùn)課程的編制與管理由專門的課程設(shè)計(jì)軟件完成，設(shè)計(jì)完成的課程可以導(dǎo)出并加載到虛擬駕駛仿真系統(tǒng)中應(yīng)用。虛擬駕駛仿真系統(tǒng)選擇課程的界面如圖4所示，學(xué)員可以選擇需要培訓(xùn)的課程。

圖4 虛擬駕駛仿真系統(tǒng)培訓(xùn)課程的選擇

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬駕駛仿真系統(tǒng)為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)進(jìn)行新駕駛員培訓(xùn)提供了一種有效途徑，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)適用于眾多列車型號(hào)的培訓(xùn)。本研究成果已應(yīng)用于上海軌道交通電動(dòng)列車駕駛員的培訓(xùn)工作中，該系統(tǒng)也可以應(yīng)用到全國(guó)其它城市的軌道交通電動(dòng)列車駕駛員的培訓(xùn)工作中。

［1］孫彰.軌道交通駕駛仿真器的關(guān)鍵技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2005（3）：71.

［2］蘇虎，金煒東.列車駕駛仿真器及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2007（12）：12.

［3］上海地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司.M3 線一期工程地鐵列車司機(jī)手冊(cè)［R］.上海：上海地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司.

［4］上海軌道交通維護(hù)保障中心.上海地鐵7號(hào)線司機(jī)用戶手冊(cè)［R］.上海：上海軌道交通維護(hù)保障中心.

［5］南車株洲電力機(jī)車有限公司.SHL11－OM01操作手冊(cè)［R］.株洲：南車株洲電力機(jī)車有限公司.