仿真探索二十載 筑夢交通新時(shí)代
——記西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授蘇虎

劉有婷

蘇虎

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化速度的加快，我國城市軌道交通與公路交通也得到了快速發(fā)展。四通八達(dá)的地下與地上交通網(wǎng)絡(luò)，在方便人們生活的同時(shí)，也讓人們對車輛的安全駕駛提出了新的要求。

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)融入人類生活。身處數(shù)字化時(shí)代，如何利用當(dāng)今先進(jìn)的技術(shù)服務(wù)于車輛安全駕駛，一直是西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授蘇虎奮斗的科研目標(biāo)，而他主要從事的系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的科研工作就為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)保障。

在蘇虎看來，車輛駕駛仿真研究具有理論和實(shí)用的意義。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的逐漸成熟，使得虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)應(yīng)用于駕駛仿真系統(tǒng)中成為可能。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，不僅可以提高傳統(tǒng)駕駛模擬器的性能，還可以使列車或汽車駕駛員對駕駛環(huán)境有更為逼真的體驗(yàn)，優(yōu)化其操縱工作。從1999年起，蘇虎就開始致力于列車駕駛仿真器、汽車駕駛仿真器的研究、開發(fā)工作，如今已逾二十載?！胺抡妫ㄜ壍澜煌ɑ蛘咂嚨姆抡?，實(shí)際上就是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在數(shù)字世界中構(gòu)建出一個(gè)虛擬的環(huán)境?！彼榻B說。而就是在這虛擬的一方天地中，蘇虎開拓了屬于自己的科研世界。

腳踏實(shí)地的逐夢之路

受到父母在鐵路部門工作的影響，蘇虎從小就對軌道交通領(lǐng)域有著特殊的情感。因此，在高考報(bào)志愿時(shí)，他毫不猶豫報(bào)考了我國的老牌鐵道院?！髂辖煌ù髮W(xué)，并以優(yōu)異的成績?nèi)缭缚既朐撔＃蔀槲髂辖煌ù髮W(xué)自動(dòng)控制專業(yè)的一名學(xué)生。

本科畢業(yè)后，蘇虎曾在鐵路局工作過一段時(shí)間，懷著對更加先進(jìn)的交通領(lǐng)域知識的向往，他決心回到母校西南交通大學(xué)繼續(xù)攻讀研究生學(xué)位。研究生階段，蘇虎主要從事圖像處理的相關(guān)研究工作。在這一方向中，他主要通過圖像壓縮的相關(guān)技術(shù)，服務(wù)于我國鐵路檢測領(lǐng)域。通過多年的專業(yè)學(xué)習(xí)，蘇虎在圖像處理研究中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并堅(jiān)定了自己今后在相關(guān)科研領(lǐng)域馳騁開拓的決心。

1999—2002年，蘇虎開始攻讀西南交通大學(xué)的博士研究生。在這一階段，他幸運(yùn)地遇到了自己的恩師——我國從事列車仿真領(lǐng)域的老專家周美玉教授，在她的引導(dǎo)下，蘇虎了解到：視景系統(tǒng)是列車仿真器的重要組成部分，而視景系統(tǒng)與圖形圖像的相關(guān)技術(shù)有著密切聯(lián)系，且與他之前的研究興趣十分一致。在這一背景下，蘇虎便開始追隨周教授開展列車仿真器中視景系統(tǒng)的相關(guān)研究。

事實(shí)上，從20世紀(jì)后期至今，視景系統(tǒng)已歷經(jīng)幾十年的發(fā)展?！霸缜暗囊暰跋到y(tǒng)主要通過拍攝一些鐵路沿線視頻，然后再通過視頻可控播放技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道場景的動(dòng)態(tài)仿真。”蘇虎說。但是這一研究方向經(jīng)過多年的發(fā)展，幾乎已經(jīng)走到了盡頭。在導(dǎo)師的引導(dǎo)與啟發(fā)下，蘇虎決心從圖像相關(guān)研究方向轉(zhuǎn)換到圖形方向。在這一過程中，他成功地將列車視景系統(tǒng)技術(shù)由視頻可控播放技術(shù)升級到了基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的計(jì)算機(jī)圖像生成（CGI）技術(shù)，并成為國內(nèi)完成這一技術(shù)升級工作的第一人。

創(chuàng)新列車/汽車駕駛仿真研究

進(jìn)入21世紀(jì)，我國軌道交通進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期。在這一背景下，很多大城市都建立了屬于自己的軌道公司，大批軌道交通從業(yè)人員亟待培訓(xùn)。彼時(shí)，我國從事列車仿真器領(lǐng)域研究的科研人才匱乏。2003年從西南交通大學(xué)載運(yùn)工具運(yùn)用工程專業(yè)博士畢業(yè)后，蘇虎毅然決然留在母校繼續(xù)開展工作，立志通過自己的研究為祖國列車仿真器的研制做出更多科研貢獻(xiàn)。

然而，這條道路并不是一帆風(fēng)順的。留校之初，一系列問題就接踵而來。當(dāng)時(shí)，國內(nèi)列車仿真器主要為我國的鐵路部門服務(wù)，而地鐵在我國的大城市剛剛開始興起。在這一背景下，深圳地鐵準(zhǔn)備采購一套性能先進(jìn)的列車駕駛仿真器進(jìn)行司乘人員的相關(guān)培訓(xùn)，而蘇虎及其研究團(tuán)隊(duì)便接下了開發(fā)全國首套分布式全功能列車駕駛仿真培訓(xùn)系統(tǒng)——深圳地鐵一號線列車駕駛模擬器的重任。

為了完成這一任務(wù)，蘇虎和研究團(tuán)隊(duì)成員還曾前往上海和香港的地鐵進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。當(dāng)時(shí)，上海地鐵從德國KWM公司引進(jìn)了一套昂貴的仿真設(shè)備，價(jià)格高達(dá)2000多萬元人民幣。世界列車仿真器排名第一的法國Corys公司對中國市場也是虎視眈眈。“如果我國的地鐵仿真設(shè)備一直依賴國外，不僅要承擔(dān)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也不利于我國的自主創(chuàng)新事業(yè)發(fā)展。”蘇虎說。在這一現(xiàn)狀下，他和研究團(tuán)隊(duì)決心研發(fā)一套比肩國外先進(jìn)水平的仿真設(shè)備來對國內(nèi)仿真設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代。

雖然前行的道路步履維艱，但是蘇虎及研究團(tuán)隊(duì)成員并沒有被眼前的困難打倒。在準(zhǔn)確獲取深圳地鐵的信息需求之后，蘇虎團(tuán)隊(duì)便開始制訂研究方案，并把他們所知的世界范圍內(nèi)先進(jìn)仿真器技術(shù)進(jìn)行了透徹研究。經(jīng)過大半年時(shí)間的調(diào)研與探索，他們了解到這些先進(jìn)列車仿真器所采用的一些相關(guān)技術(shù)及基本思路。在借鑒了飛行仿真以及軍事仿真的相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及方法的基礎(chǔ)上，蘇虎團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)了分布式架構(gòu)的列車仿真系統(tǒng)，提出了全功能列車駕駛仿真器技術(shù)規(guī)范及指標(biāo)要求，并實(shí)現(xiàn)了仿真教學(xué)主動(dòng)觀摩理念，得到了相關(guān)地鐵專家的一致好評。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，蘇虎團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的列車仿真系統(tǒng)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。而這臺仿真設(shè)備系統(tǒng)的開發(fā)成果，也為國內(nèi)地鐵列車仿真器提供了標(biāo)桿和樣本?！爸链?，國內(nèi)的列車仿真器終于擺脫了對國外技術(shù)設(shè)備的依賴，而深圳地鐵列車仿真系統(tǒng)的相關(guān)方案、模式，一直供業(yè)界沿用至今?！碧K虎自豪地說。

在相關(guān)科研基礎(chǔ)的支撐下，蘇虎還主持完成了重慶公共交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院等十余個(gè)高職院校的列車駕駛仿真器項(xiàng)目，其中重慶項(xiàng)目還接受了國家領(lǐng)導(dǎo)人視察。在將研究落到實(shí)處的過程中，他從事仿真系統(tǒng)研究的幸福感也愈加濃烈了。

在列車仿真系統(tǒng)研究之外，汽車仿真系統(tǒng)研究蘇虎也有所涉及?！捌嚨姆抡媾c地鐵列車有所不同，它不像地鐵列車的仿真系統(tǒng)動(dòng)輒就是幾百萬甚至上千萬。汽車的仿真系統(tǒng)是有嚴(yán)格的經(jīng)費(fèi)限制的，如果成本太高，就會造成市場的流失。”蘇虎說。而相較于列車沿著軌道行駛，汽車行駛的自由度更大，因此仿真計(jì)算也更為復(fù)雜。在這種情況下，蘇虎及其科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了相關(guān)的底層算法，解決了汽車行駛中交通流與模擬器的實(shí)時(shí)交互問題，并發(fā)表了相關(guān)的專利成果與理論文章。在相關(guān)科研技術(shù)的支撐下，他還主持完成三部委聯(lián)合科技行動(dòng)計(jì)劃“道路交通安全”項(xiàng)目課題五的汽車駕駛模擬器子課題，項(xiàng)目成果入選國家“十一五”重大科技成就展，CCTV新聞聯(lián)播、新華網(wǎng)等媒體對相關(guān)成果予以了報(bào)道。

將研究蔓延到內(nèi)地之外

從學(xué)習(xí)到超越，蘇虎及其科研團(tuán)隊(duì)一步一個(gè)腳印，走出了一條屬于自己的特色研究之路。在堅(jiān)實(shí)的科研成果支撐下，他們逐步在領(lǐng)域內(nèi)打響了自己團(tuán)隊(duì)的品牌效應(yīng)，并吸引到香港地鐵公司MTRC（以下簡稱“MTRC”）的關(guān)注。

MTRC擁有多條地鐵線路、十余種型號的列車、上千名地鐵列車司機(jī)。為了對司機(jī)進(jìn)行列車駕駛技能、應(yīng)急處置能力培訓(xùn)，MTRC采購了多種型號的列車仿真器。

在此之前，MTRC所采購的列車仿真器供應(yīng)商均為英國、日本等發(fā)達(dá)國家。在了解到蘇虎團(tuán)隊(duì)所做相關(guān)工作后，MTRC隨即與他們?nèi)〉昧寺?lián)系，并進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)考察，對蘇虎團(tuán)隊(duì)所做的工作予以了肯定。在當(dāng)時(shí)香港軌道交通事業(yè)發(fā)展迅速的大背景下，MTRC決定在觀塘線、荃灣線等線路引進(jìn)C型列車后，擬采購C型車仿真器，并對原有的機(jī)場線、東涌線的CAF型列車仿真器進(jìn)行升級改造。在這一背景下，MTRC將這兩個(gè)項(xiàng)目合并為一個(gè)招標(biāo)項(xiàng)目，向國際知名的仿真器供應(yīng)商發(fā)出了招標(biāo)邀請，同時(shí)也邀請了蘇虎團(tuán)隊(duì)參加。

在研究方案中，相較于國外方案及原有系統(tǒng)中的視景子系統(tǒng)采用昂貴的SGI工作站。蘇虎團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了分布式體系結(jié)構(gòu)的PC工作站集群實(shí)現(xiàn)高逼真的視景仿真，實(shí)現(xiàn)了多通道畫面同步，取得了良好的效果。除此之外，他們建立了整車的邏輯仿真模型、動(dòng)力學(xué)模型，提高了車輛仿真性能與逼真度，不但可訓(xùn)練正常行車，還對各類復(fù)雜的非正常工況進(jìn)行仿真，提升了訓(xùn)練效果。經(jīng)過激烈的角逐，蘇虎團(tuán)隊(duì)不負(fù)所望，一舉中標(biāo)。

通過研究合作，蘇虎研究團(tuán)隊(duì)打開了內(nèi)地與香港在相關(guān)科研領(lǐng)域交流的窗口，并受到了香港地區(qū)相關(guān)領(lǐng)域的極大認(rèn)可，先后承擔(dān)了MTRC的Q型、K型、屯門輕軌等多型列車仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)工作。在良好的合作契機(jī)之下，他們還順利與香港警察部隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)項(xiàng)目的友好合作。

當(dāng)時(shí)，香港警察部隊(duì)為提高警務(wù)駕駛能力，擬采購一套沖鋒車仿真器、一套警用摩托車仿真器。需要制作多個(gè)街區(qū)、山區(qū)、高速公路的高逼真度仿真訓(xùn)練場景，并完成數(shù)百個(gè)突發(fā)事件仿真、數(shù)十種警務(wù)仿真訓(xùn)練任務(wù)。美國、法國等國家的多家知名企業(yè)參與了競爭。

在了解到香港警察部隊(duì)的需求后，蘇虎團(tuán)隊(duì)提供了完善的技術(shù)方案、周到的服務(wù)保障及合理的價(jià)格，并順利贏得這個(gè)合同。在此之后，他們通過研究開發(fā)了高精度的超微觀仿真模型，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模交通場景中復(fù)雜交通流的實(shí)時(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)了普通交通參與者、目標(biāo)任務(wù)對象與仿真器主車對象的實(shí)時(shí)交互。他們還設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用于摩托車仿真器七自由度運(yùn)動(dòng)的仿真系統(tǒng)，受到了香港警察部隊(duì)的肯定與一致好評。

團(tuán)隊(duì)合影

春風(fēng)化雨育人才

孜孜不倦學(xué)者路，矢志不渝育桃李。蘇虎深知：要想使科學(xué)研究有延續(xù)性的發(fā)展，科研傳承必不可少。從2003年留校參加工作至今，蘇虎扎根教學(xué)領(lǐng)域，已成功培養(yǎng)碩士研究生20余名。從一名初入科研與教學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者，到如今成為一名具有豐富經(jīng)驗(yàn)的科研人與教學(xué)引領(lǐng)者，蘇虎一直在用自己的行動(dòng)，為祖國的科研事業(yè)點(diǎn)燃星星之火，培養(yǎng)后繼之才。

如今，每每想起自己的博士生導(dǎo)師，蘇虎都心懷感恩?！爸苊烙窠淌诓粌H在研究的大方向及科研基礎(chǔ)的研究上，都給予我很好的引領(lǐng)與幫助，在生活中，她也是一位寬厚待人的長者。”蘇虎說。一位良師對于學(xué)生的影響是潛移默化的，更是持久而又深遠(yuǎn)的，而蘇虎也想成為這樣的一位引領(lǐng)者。

從學(xué)生時(shí)代一路走來，蘇虎很清楚很多學(xué)生從本科進(jìn)入碩士階段，都會經(jīng)歷一段迷茫的時(shí)期，會經(jīng)常困惑自己需要做什么。這時(shí)候，就需要老師對學(xué)生進(jìn)行引領(lǐng)。在蘇虎看來，研究生在學(xué)校兩年多的時(shí)間是短暫而又寶貴的。如若想要在今后的事業(yè)中有所開拓，一定要將自己的格局打開，開闊自己的視野，及早地做好人生規(guī)劃。作為師長，蘇虎認(rèn)為，老師有責(zé)任幫助和引導(dǎo)自己的學(xué)生，讓他們將自己的人生目標(biāo)和理想結(jié)合起來，朝著自己所設(shè)定的方向努力。在日常的研究學(xué)習(xí)中，他也盡可能地幫助自己的學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握科學(xué)研究的基本方法，加強(qiáng)其對研究工作的深入認(rèn)識；在相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)上，給予學(xué)生在求職和就業(yè)方面的相關(guān)指導(dǎo)等。如今，蘇虎培養(yǎng)出來的學(xué)生，已經(jīng)扎根在祖國的各行各業(yè)，為國家的建設(shè)和發(fā)展發(fā)揮自己的長處和力量。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，仿真系統(tǒng)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)也在不斷更迭。未來，蘇虎也希望在研究領(lǐng)域中有一些新的嘗試——將一些領(lǐng)域新技術(shù)應(yīng)用到列車/汽車仿真系統(tǒng)中。例如：在自動(dòng)駕駛車輛的仿真環(huán)境測試中，運(yùn)用相關(guān)技術(shù)為自動(dòng)駕駛測試和相關(guān)的交通系統(tǒng)測試提供支撐平臺等。

道阻且長，興則將至?！拔覀兊墓ぷ骶褪菫樯鐣?chuàng)造更大的價(jià)值，去推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?！比缃裾勂鹱约旱某跣呐c理想，蘇虎的內(nèi)心依然堅(jiān)定。