基于人臉識(shí)別的軌道交通模擬駕駛考核方案研究

宋志強(qiáng)，夏鶴峰

（寧波市職業(yè)技術(shù)教育中心學(xué)校，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，為了向軌道交通行業(yè)輸送更多專業(yè)人員，越來越多的高校開設(shè)了軌道交通專業(yè)相關(guān)課程，軌道交通模擬駕駛教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。模擬駕駛即為模擬軌道車輛駕駛室真實(shí)環(huán)境，對(duì)軌道交通行業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行車輛行駛相關(guān)的教學(xué)及考核，這逐漸成為高校培養(yǎng)學(xué)生的有效方案［1-7］。

近年來，越來越多的學(xué)校及研究人員對(duì)軌道交通模擬駕駛的教學(xué)及考核進(jìn)行了大量分析探討。丁洪東［1］詳細(xì)介紹了地鐵列車模擬駕駛裝置的功能，從裝置的硬件開發(fā)及軟件應(yīng)用開發(fā)上做了詳細(xì)的闡述，并對(duì)裝置在教學(xué)過程中的應(yīng)用做了分析；陳立江［2］采用多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，配合高分辨率大型彩色屏幕和音響及動(dòng)畫效果，詳細(xì)闡述了列車的模擬駕駛器，為列車司機(jī)綜合能力培訓(xùn)提供了新的平臺(tái)；李瑞榮等［3］對(duì)列車模擬器的系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門分析，提出了采用CGI 視景技術(shù)的列車模擬器軟、硬件構(gòu)成方案，并對(duì)列車模擬器視景仿真技術(shù)進(jìn)行了討論；李佩等［4］根據(jù)列車駕駛技術(shù)的考核指標(biāo)，根據(jù)列車駕駛模擬器的記錄數(shù)據(jù)，對(duì)培訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行考核評(píng)分，并對(duì)考核評(píng)分項(xiàng)目進(jìn)行了分類設(shè)計(jì)，制定了考核規(guī)則以及評(píng)分模板，進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；沈農(nóng)華［5］詳細(xì)闡述了如何引入城市軌道交通新設(shè)備和新技術(shù)，開發(fā)最新模擬軟件和課件，建設(shè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)、技能鑒定、社會(huì)培訓(xùn)等功能，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)共享的城軌綜合實(shí)訓(xùn)基地。

綜上所述，研究均針對(duì)模擬駕駛系統(tǒng)本身進(jìn)行，忽略了教學(xué)研究以及考核環(huán)節(jié)中的人機(jī)互動(dòng)環(huán)節(jié)。如何更有效地利用軌道交通模擬駕駛系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)及考核，成為目前需要解決的主要問題。為此，本文分析研究了將人臉識(shí)別方法嵌入軌道交通模擬駕駛臺(tái)考核系統(tǒng)的具體流程，考量了應(yīng)用人臉識(shí)別方法前后的教學(xué)考核效率，形成了基于人臉識(shí)別的軌道交通模擬駕駛臺(tái)考核系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用方法。

1 軌道交通模擬駕駛臺(tái)

當(dāng)前，軌道交通模擬駕駛平臺(tái)主要包含以下模塊：操作視景模塊、列車運(yùn)行模塊、人機(jī)界面模塊、故障與突發(fā)事件仿真模塊、自動(dòng)評(píng)分模塊等［6］。

（1）操作視景。采用計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，仿真實(shí)際的站臺(tái)、高架及隧道環(huán)境，并可以模擬特殊天氣場(chǎng)景（如雨、雪、晝、夜等）。

（2）列車運(yùn)行。，具備真實(shí)的操縱環(huán)境及設(shè)備（包括開關(guān)、按鈕、信號(hào)燈、指示燈等），模擬列車的運(yùn)行（包括啟動(dòng)、牽引、制動(dòng)、停車等動(dòng)作）。

（3）人機(jī)界面。顯示列車運(yùn)行過程中的相關(guān)信息。包括：列車駕駛方式、車速、當(dāng)前車站、下一站等一系列駕駛員需要清楚的列車信息。

（4）故障與突發(fā)事件仿真。模擬列車駕駛相關(guān)的各類故障和行車突發(fā)事件（如火災(zāi)、障礙物侵入限界等）。

（5）自動(dòng)評(píng)分模塊。記錄學(xué)生的考核操作流程，并根據(jù)系統(tǒng)命令進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分。

2 人臉識(shí)別系統(tǒng)

人臉識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)的兩大核心部分是：人臉特征提取和人臉特征對(duì)比。人臉特征提取，是為了便于后續(xù)識(shí)別和屬性分析；人臉特征對(duì)比包括人臉圖片的加工處理以及與圖像庫中先前錄入的信息進(jìn)行對(duì)比等相關(guān)操作［7］。

當(dāng)前人臉識(shí)別有開源的方案如OpenCV［8］等。也有商業(yè)的，如百度人臉識(shí)別、騰訊云人臉識(shí)別等。百度人臉識(shí)別是一套基于深度學(xué)習(xí)的人臉識(shí)別解決方案，包括人臉檢測(cè)與屬性分析、人臉對(duì)比、人臉識(shí)別與搜索等功能模塊。

本文采用百度人臉識(shí)別API 開發(fā)了學(xué)生身份識(shí)別系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一套適用于軌道交通模擬駕駛環(huán)境的人臉識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用流程，如圖1 所示。指導(dǎo)教師在電腦操作界面對(duì)人臉識(shí)別的攝像頭進(jìn)行初始化，并選擇考勤模式。然后，學(xué)生進(jìn)入軌道交通模擬駕駛室，正視攝像頭，系統(tǒng)完成人臉特征識(shí)別，與先前錄入的所有學(xué)生的人臉信息進(jìn)行對(duì)比，辨識(shí)操作者身份，并錄入操作者信息。綠燈閃爍，即本次人臉識(shí)別環(huán)節(jié)完成，學(xué)生則可開始進(jìn)行具體的考核操作。

圖1 人臉識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用流程Fig.1 Application process of face recognition system

3 考核實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 考核方案

對(duì)于軌道交通司機(jī)來說，最主要的駕駛技術(shù)集中體現(xiàn)為：車輛準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)、精確開關(guān)列車門，以及排除突發(fā)故障。為更貼近實(shí)際的軌道交通駕駛操作流程，以上海地鐵N 號(hào)線某某路段為背景，設(shè)計(jì)了兩種模擬駕駛考核方案。學(xué)生進(jìn)行情景模擬，針對(duì)不同的駕駛情況進(jìn)行考核。方案A 和方案B 操作詳情見表1。

表1 模擬駕駛考核操作方案Tab.1 Two operation schemes for simulated driving assessment

由表1 可知，方案A 的操作內(nèi)容包括：對(duì)標(biāo)停車（車站區(qū)間內(nèi)正常位置停車點(diǎn)處停車）、忘開車門（停車后忘開車門應(yīng)對(duì)措施）、超速（列車運(yùn)行超過限速，但未觸發(fā)緊急制動(dòng)）、超速制動(dòng)（因超速發(fā)出緊急制動(dòng)后的操作）。方案B 的操作內(nèi)容包括：標(biāo)前停車（車站區(qū)間內(nèi)正常位置停車點(diǎn)處停車）、錯(cuò)開車門（按壓錯(cuò)誤開門按鈕后應(yīng)對(duì)措施）、碰撞制動(dòng)（由于異物侵入限界發(fā)生碰撞，緊急制動(dòng)后的操作）。

3.2 考核流程

學(xué)生進(jìn)行軌道交通模擬駕駛考核的操作流程如圖2 所示。學(xué)生進(jìn)入軌道交通模擬駕駛室，進(jìn)行人臉識(shí)別環(huán)節(jié)。操作者根據(jù)模擬駕駛臺(tái)顯示器演示的場(chǎng)景做出相應(yīng)操作，駕駛臺(tái)對(duì)操作者所做的反應(yīng)進(jìn)行全程采集并判斷操作得分。同時(shí)，兩機(jī)位攝像頭對(duì)操作過程進(jìn)行全程錄像。

圖2 軌道交通模擬駕駛考核流程Fig.2 Flow chart of rail transit simulation driving assessment

3.3 結(jié)果分析

針對(duì)考核方案，安排10 位學(xué)生，分別在開啟人臉識(shí)別系統(tǒng)和未開啟人臉識(shí)別系統(tǒng)兩種情況下，對(duì)學(xué)生的軌道交通模擬駕駛操作進(jìn)行考核。

未開啟人臉識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生依次到指導(dǎo)教師處核對(duì)并登記個(gè)人信息，然后按照順序進(jìn)行考核操作，同時(shí)，在學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)，需由另一名指導(dǎo)教師在旁陪同及觀看，并記錄操作失誤點(diǎn)，以供后續(xù)打分環(huán)節(jié)。當(dāng)開啟人臉識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生的個(gè)人信息登記與核對(duì)只需人臉識(shí)別系統(tǒng)完成即可，不需額外配置教學(xué)人員，只需一位指導(dǎo)教師，在模擬駕駛臺(tái)處陪同，指導(dǎo)學(xué)生按流程操作?？己私Y(jié)果見表2。

表2 不同考核模式人員配置及時(shí)間對(duì)比Tab.2 Comparison of staffing and time of different assessment modes

實(shí)驗(yàn)證明，在軌道交通模擬駕駛操作考核中，利用人臉識(shí)別系統(tǒng)顯著提高了考核效率，并且減少了教師人數(shù)。

4 結(jié)束語

在軌道交通模擬駕駛教學(xué)及考核過程中，利用人臉識(shí)別系統(tǒng)完善了模擬駕駛室信息化建設(shè)、有利于推廣無紙化教學(xué)、優(yōu)化教學(xué)人員的配置，有效整治“代簽到”、“ 遲簽到”等不正學(xué)風(fēng)，提高了學(xué)校的考試誠信度。

通過人臉識(shí)別系統(tǒng)中的全程錄像功能，建立軌道交通模擬駕駛臺(tái)系統(tǒng)教學(xué)與考核后的操作分析和再學(xué)習(xí)機(jī)制，記錄考核過程中學(xué)生的各項(xiàng)操作流程及細(xì)節(jié)部分，便于后續(xù)重復(fù)觀看，進(jìn)行視頻教學(xué)及糾錯(cuò)分析等環(huán)節(jié)。同時(shí)也為后期的教學(xué)檢查等環(huán)節(jié)提供了完整、準(zhǔn)確的教學(xué)資料。