基于虛擬仿真技術(shù)的便攜式動(dòng)車(chē)組ATP模擬演練系統(tǒng)研究

張彥飛，苗 錚，李陽(yáng)陽(yáng)

（1. 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100860；2.河南思維信息技術(shù)有限公司，鄭州 450000）

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)里程不斷擴(kuò)大，截止2015年底，高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到1.9萬(wàn)km，規(guī)劃目標(biāo)到2020年，達(dá)到3萬(wàn)km，2025年達(dá)到3.8萬(wàn)km左右[1]。隨著高速鐵路里程的快速增長(zhǎng)，也對(duì)動(dòng)車(chē)組駕駛?cè)藛T的數(shù)量和技術(shù)水平提出了更高的要求。

我國(guó)現(xiàn)有模擬培訓(xùn)裝備大都采用半物理仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)，即人機(jī)界面采用實(shí)物方式，底層機(jī)械設(shè)備通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬。使得現(xiàn)有演練裝置只能適用于特定車(chē)型，不同車(chē)型需要配置不同駕駛室設(shè)備裝置，極大地增加了設(shè)備購(gòu)置成本。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)，給培訓(xùn)帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)[2-4]。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，結(jié)合人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與實(shí)物培訓(xùn)裝置具有相近操作體驗(yàn)的虛擬培訓(xùn)裝置，且具有單一裝置模擬不同型號(hào)設(shè)備的功能，降低了培訓(xùn)設(shè)備的配置成本。

基于此，本文綜合運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)結(jié)合觸摸屏技術(shù)，在便攜式平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一種適配多種車(chē)型的動(dòng)車(chē)組ATP模擬演練系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)設(shè)備上模擬演練5種ATP的操作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了解決現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組ATP模擬演練裝置在硬件上只能適用于一種ATP類(lèi)型和車(chē)型的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)兼容我國(guó)現(xiàn)有常用動(dòng)車(chē)組車(chē)型和ATP類(lèi)型的軟件系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)在界面設(shè)計(jì)上需要具有ATP類(lèi)型（車(chē)型）練習(xí)選擇界面、車(chē)輛模擬顯示界面、線路信息顯示設(shè)置界面和ATP虛擬操控臺(tái)界面4個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1 練習(xí)選擇界面

系統(tǒng)的初始運(yùn)行界面，提供了ATP類(lèi)型（車(chē)型）、行車(chē)類(lèi)型和練習(xí)模式的選擇功能。從與用戶(hù)接口友好的角度考慮，采用圖形用戶(hù)接口（GUI，Graphical User Interface）將顯示與內(nèi)部邏輯分離開(kāi)來(lái)，通過(guò)消息機(jī)制，依照用戶(hù)的選定來(lái)初始化相應(yīng)的程序部分，降低程序運(yùn)行的代碼量，提高程序運(yùn)行效率。整個(gè)界面顯示如圖2所示。

圖2 練習(xí)選擇界面

ATP類(lèi)型（車(chē)型）選擇部分是用戶(hù)練習(xí)相應(yīng)ATP類(lèi)型的首次選擇項(xiàng)，提供了結(jié)合相應(yīng)車(chē)型的現(xiàn)有5種ATP類(lèi)型（200C, 200H, 300S, 300H和300T），每種ATP類(lèi)型配置該型ATP數(shù)量最多的車(chē)型。在每種ATP類(lèi)型（車(chē)型）的選擇項(xiàng)下又設(shè)置正常行車(chē)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、故障類(lèi)型操作實(shí)例和具體的行車(chē)情形設(shè)置實(shí)例等行車(chē)操作類(lèi)型，以滿足不同行車(chē)類(lèi)型和突發(fā)狀況的模擬學(xué)習(xí)。同時(shí)設(shè)置考試和練習(xí)兩種模式，以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和考核雙重功能。

1.2 車(chē)輛模擬顯示界面

模擬顯示ATP系統(tǒng)的車(chē)載人機(jī)交互（DMI）界面，且界面顯示符合相應(yīng)型號(hào)的ATP車(chē)載DMI實(shí)際界面顯示邏輯，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的運(yùn)行信息，界面顯示如圖3所示。

圖3 ATP車(chē)載DMI界面

1.3 線路信息顯示設(shè)置界面

界面中以圖像形式展現(xiàn)當(dāng)前線路的信息，包括：地面信號(hào)機(jī)位置和狀態(tài)、車(chē)輛位置、車(chē)站位置和當(dāng)前機(jī)車(chē)信號(hào)類(lèi)型等，同時(shí)具備地面信號(hào)機(jī)狀態(tài)設(shè)置、線路臨時(shí)限速設(shè)置等功能。線路信息顯示設(shè)置界面如圖4所示。

圖4 線路信息顯示設(shè)置界面

1.4 虛擬操控臺(tái)界面

由于車(chē)型的不同，相應(yīng)司機(jī)室內(nèi)的各種手柄、開(kāi)關(guān)的種類(lèi)和位置設(shè)置也不盡相同，系統(tǒng)中建立各類(lèi)車(chē)型司機(jī)室布置的虛擬界面，在運(yùn)行相關(guān)車(chē)型時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)取相應(yīng)的虛擬操縱臺(tái)界面，以解決以硬件實(shí)物方式布置司機(jī)室設(shè)備的單一性。虛擬操控臺(tái)界面的組成可以分為3個(gè)模塊子系統(tǒng)。

（1）虛擬司控器界面：依據(jù)車(chē)型的不同顯示司機(jī)駕駛臺(tái)界面，整個(gè)界面以虛擬3D形式展示司機(jī)駕駛臺(tái)上的開(kāi)關(guān)、按鈕、手柄和狀態(tài)指示燈，且配合觸摸屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

（2）主機(jī)柜界面：依據(jù)車(chē)型的不同顯示不同主機(jī)柜界面，界面中以3D圖像的形式展示司機(jī)室內(nèi)的儀表和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等部件，且結(jié)合觸摸屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的操作，如圖5所示。

圖5 主機(jī)柜界面

（3）控制面板：依據(jù)車(chē)型的不同顯示不同車(chē)型控制面板界面，界面中以3D圖像的形式展現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的各個(gè)電源開(kāi)關(guān)，并結(jié)合觸摸屏功能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

圖6 控制面板界面

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)組建

由于系統(tǒng)涵蓋了多種車(chē)型和ATP類(lèi)型，所以系統(tǒng)的通用性非常重要。按照面向?qū)ο蟮母邇?nèi)聚，低耦合的標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)系統(tǒng)采用3層架構(gòu)設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)層、邏輯層和UI層，3層之間相互獨(dú)立，只有數(shù)據(jù)之間的傳遞，沒(méi)有邏輯上的耦合交叉，如圖7所示。

圖7 ATP車(chē)載DMI界面

（1）數(shù)據(jù)層：存儲(chǔ)真實(shí)的線路信息和車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的參數(shù)信息，并設(shè)有線路信息的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，同時(shí)具有車(chē)輛運(yùn)行信息的記錄和導(dǎo)出功能。

（2）邏輯層：用于車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)和ATP運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)計(jì)算。

（3）UI層：用于在程序運(yùn)行過(guò)程中顯示界面信息的實(shí)時(shí)顯示，包括ATP顯示界面和車(chē)輛司機(jī)室顯示界面。

2.2 虛擬司機(jī)操控臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 操控臺(tái)元件的模型構(gòu)建

目前，可供編程軟件使用的建模方式有：實(shí)體建模、線框建模和表面建模。表面建模中又分為多邊形網(wǎng)格、細(xì)分曲面、樣條曲面等[6]。3種建模方式中：

（1）實(shí)體建模構(gòu)造的模型是一個(gè)實(shí)體，適用于構(gòu)建有實(shí)際重量的機(jī)械模型等。

（2）線框建模是指利用線框搭建的三維形體，模型表面沒(méi)有面的存在，不能夠進(jìn)行著色或者繪制真實(shí)感的圖形。

（3）表面建模的多邊形網(wǎng)格建模主要指利用平面多邊形，尤其是三角形建立模型的表面，構(gòu)造的模型是物體的表面，適合機(jī)器處理，渲染效率比較高，簡(jiǎn)單易操縱。

考慮到本系統(tǒng)的3D模型只需要在視覺(jué)上具有較真實(shí)的表現(xiàn)，同時(shí)兼顧硬件配置較為一般的特點(diǎn)，故采用MAYA軟件以多邊形網(wǎng)格的造型方式構(gòu)建司機(jī)操控臺(tái)元件3D模型，并進(jìn)行圖形渲染。

在操控臺(tái)上除了具有各種實(shí)物元器件以外，還具有各種各樣的文字，文字在紋理和光影上比元器件更具簡(jiǎn)便性，因此不需要構(gòu)造復(fù)雜的3D模型。本文中利用PhotoShop對(duì)操控臺(tái)上的文字進(jìn)行貼圖操作，貼圖的優(yōu)勢(shì)是不用建立復(fù)雜的模型就能表現(xiàn)出對(duì)象的細(xì)節(jié)，減少了模型的面數(shù)，降低了計(jì)算機(jī)內(nèi)存消耗，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的同時(shí)也降低了程序運(yùn)算量。

將文字貼圖后的3D模型在MAYA中通過(guò)對(duì)各關(guān)鍵幀的記錄來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和手柄位置的轉(zhuǎn)換效果。

2.2.2 操控臺(tái)的虛擬仿真設(shè)計(jì)

目前，三維交互軟件很多，應(yīng)用比較廣泛的有Unity3D、Virtools、Java3D、Quest3D、VRML和Direct3D等，其中，Unity3D作為時(shí)下熱度高的一款專(zhuān)業(yè)游戲引擎，具有很強(qiáng)的交互性、跨平臺(tái)性和強(qiáng)通用性，且支持C#、JavaScript和Boo腳本語(yǔ)言[7-8]，該軟件系統(tǒng)的編程語(yǔ)言使用C#，綜合各方面考慮，選用了Unity3D軟件。

將MAYA處理后的司機(jī)駕駛臺(tái)模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，將模型添加到虛擬場(chǎng)景中，同時(shí)添加攝像機(jī)和燈光等其他元素，并進(jìn)行相關(guān)屬性和主從關(guān)系的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)虛擬操控臺(tái)的場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)效果。搭建好的3D司控器模型如圖8所示。

圖8 虛擬司控器模型

2.2.3 操作功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上采取了觸摸屏方案，這樣可以擺脫鼠標(biāo)鍵盤(pán)的冗余配置。觸摸屏在工作過(guò)程中，手指或者其他物體接觸觸摸屏，觸摸屏控制器檢測(cè)位置（以坐標(biāo)形式），通過(guò)計(jì)算機(jī)接口送到CPU，以確定用戶(hù)輸入的信息，所以在Unity3D的程序文件中進(jìn)行鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖動(dòng)事件的程序設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)觸摸屏鼠標(biāo)點(diǎn)擊和虛擬操控臺(tái)上元件的按壓和推動(dòng)操作。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)方案的5個(gè)界面中（車(chē)載人機(jī)界面、司控器界面、主機(jī)柜界面、控制臺(tái)界面和線路設(shè)置界面），依據(jù)顯示的時(shí)機(jī)和主次性，大致可以分為兩類(lèi)：（1）運(yùn)行中需要顯示不能被遮蓋的主界面；（2）運(yùn)行中可以間斷性依據(jù)需要展示的輔助界面。

圖9 系統(tǒng)界面劃分圖

因此，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用雙界面顯示，即主屏界面和輔屏界面，界面組成如圖9所示。

當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)主屏顯示練習(xí)選擇界面，以向?qū)W員提供練ATP類(lèi)型（車(chē)型）和練習(xí)模式的選擇，輔屏不顯示，待學(xué)員選定練習(xí)形式后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化階段，包括運(yùn)行線路的自動(dòng)加載，相應(yīng)ATP類(lèi)型的自動(dòng)加載，ATP的DMI界面覆蓋練習(xí)選擇界面在主屏上顯示，此時(shí)，輔屏部分顯示一個(gè)TablePage控件，司控器界面、主機(jī)柜界面、控制臺(tái)界面和線路設(shè)置界面作為頁(yè)面顯示于TablePage控件中，且司控器頁(yè)面作為默認(rèn)顯示頁(yè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用Unity3D技術(shù)與觸摸屏技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套便攜式動(dòng)車(chē)組ATP模擬演練系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用Unity3D技術(shù)，結(jié)合觸摸屏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的人機(jī)交互功能，滿足了一臺(tái)設(shè)備提供多種車(chē)型和多種類(lèi)型ATP的模擬演練要求。與傳統(tǒng)的實(shí)物布置駕駛室的培訓(xùn)裝置相比，該系統(tǒng)具有硬件配置簡(jiǎn)單、耗費(fèi)成本低、通用性強(qiáng)、更新方便和推廣普及性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)培訓(xùn)裝置的便攜性和多種型號(hào)設(shè)備的集成性具有一定的參考價(jià)值。