基于计算机仿真技术的地铁驾驶模拟器的研究与设计

李殿勋

(辽宁轨道交通职业学院,110023)

基于计算机仿真技术的地铁驾驶模拟器的研究与设计

李殿勋

(辽宁轨道交通职业学院,110023)

基于计算机仿真技术设计地铁驾驶模拟器，是培养和培训地铁人才的高端实训设备，本文对地铁驾驶模拟器从功能实现，设备仿真实现，软件设计等方面进行了较详细的设计和分析，进而达到生产、组装、调试和运用。

计算机仿真技术;地铁;驾驶模拟器;设计分析

1 地铁驾驶模拟器问题的提出

沈阳市2010年底相继开通并运营了地铁一号线和二号线，13年下半年地铁9号线和10号线也已开工建设，地铁司乘和维护维修技术人才需求不断增加。辽宁轨道交通职业学院（原沈阳铁路机械学校）研制开发的地铁驾驶模拟器就是用于对学员进行地铁司机驾驶与维护相关技能的培训和考核，并可进行常见故障/突发事件的处理训练。本地铁驾驶模拟器以沈阳地铁一号线线路及车辆为仿真原型。

2 地铁驾驶模拟器设备仿真设计组成及技术描述

2.1 驾驶舱

地铁驾驶模拟器驾驶舱的作用是为操纵司机提供与原车完全一致的操作环境及操作性能。因此，要求模拟司机室内部的结构、尺寸、操纵台设备及其布置、室内装饰等与原车尽可能完全一致。根据系统是否配置了运动系统、是否配置客室模型和站台屏闭门、视景显示设备是否置于运动平台之上等因素，模拟器的驾驶舱可以有许多种形式：全封闭动感司机室、全封闭非动感司机室、简易司机室或司机操纵台等。

采用全封闭动感司机室（具有运动平台）或全封闭非动感司机室（无运动平台）以确保司机在视觉方面具有足够的沉浸感。在不带运动平台的情况下，若要使模拟器驾驶舱的外形与原车接近，也可采用司机室与投影室分离的方案。

2.2 视景仿真系统（设计重点）

视景仿真系统是地铁驾驶模拟器最重要的组成部分之一，是营造司机驾驶环境沉浸感的主要因素。本方案中视景生成子系统由视景控制计算机（群）担任，采用计算机图像生成技术（Computer Generated Imagery），通过建立列车运行线路的三维场景模型，由计算机实时计算生成虚拟的线路视景。视景计算机（群）接收来自主控计算机的列车当前位置、速度、信号状态等信息，并控制视景的运动速度，使之与列车运行速度相匹配。同时，视景控制计算机将线路的设施情况（道口、桥梁、隧道）、是否会车等信息传递给主控计算机，以便主控计算机控制声音的变化。

视景仿真是计算机仿真的重要分支，是计算机技术、图形图像处理与生成技术、多媒体技术、信息合成技术、显示技术等诸多高新技术的综合运用，其组成部分主要包括仿真建模、动画仿真和实时视景生成。

MPI的视景仿真渲染工具Vega Prime是世界上领先的应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的软件环境，它用来渲染战场仿真、娱乐、城市仿真、训练模拟器和计算可视化等领域的视景数据库，实现环境效果等的加入和交互控制。

Vega Prime中的LynX Prime是一种可扩展的跨平台的单一的GUI工具，为用户提供了一个简单的直接明了的开发界面，可根据仿真需要快速开发出合乎要求的视景仿真应用程序。它可以载入并驱动Creator格式的模型，生成ACF (Application

Configuration File)文件，并且把ACF自动转换为C++ 代码。这就可以使我们能够通过程序来控制模型在场景中的表现和行为。

2.3 声音仿真系统

采用数字式音响发生系统模拟列车操作、运行过程中产生的各种声音和音效。其中声音仿真计算机配备支持5.1声道输出的高档音频处理卡，音频功放采用独立5.1声道的环绕立体声功放，扬声器采用六支高保真的同轴共面扬声器。从而保证司机聆听到的声音具有方位感、距离感，并能提供某些特殊音效（如：多普勒效应等），为司机培训营造更加真实的音响环境。

对司机与教员的语音通讯采用模拟方式有线传输、数字方式记录与回放的语音通讯模拟方案。可提供高质量的通话和对讲，实现简单、可靠，并可与声音发生系统共用一台声音处理计算机，利用声音处理计算机的剩余计算与声音处理能力对语音通话过程进行数字化的记录，可方便地实现整个训练过程的同步回放。

2.4 操纵台接口系统

操纵台接口系统的作用是通过接口计算机将司机的操纵动作（各类开关、按钮、控制器的动作与状态）传递给主控计算机，主控计算机根据操纵信息结合列车控制逻辑确定列车当前的工况、牵引或制动能力，计算出列车的运行速度、位置、加速度以及各种仪表、显示器所需要的参数，并将司机操纵台所需要的参数出递给接口计算机，供接口计算机驱动操纵台上的仪表、指示灯及显示设备，为司机提供与实际车辆操纵过程一致的仪表、指示状态，使司机感觉如同驾驶真车一样。

2.5 主控系统

主控系统是地铁驾驶模拟器的核心与中枢神经。它接受来自各子系统的输入信息，依据建立的各种仿真计算模型和运行条件，计算出各相关子系统需要的控制参数，通过网络系统传递给各子系统的控制计算机，完成各自系统的仿真任务，进而实现整个地铁驾驶模拟器的仿真过程。主控系统承担着地铁驾驶模拟器中列车仿真运行实时计算、视景、声音、运动系统控制参数的实时计算与网络通讯控制等繁重的任务，它与其它子系统的控制计算机保持最为频繁的信息交流与分发，从而实现各子系统的协同工作。

2.6 教员监控系统

教员监控系统是地铁驾驶模拟器的一个重要组成部分，它承担着地铁驾驶模拟器的全方位监管、控制和系统维护任务。从模拟器的运转前准备到培训结束后的数据处理、操纵评价，从培训课程设计到培训过程的监控和干预，从基础数据准备到系统状态检测与故障诊断；从操纵过程回放到培训记录管理都离不开教员控制系统。尽可能多地为教员提供地铁驾驶模拟器的工作或运转信息，以便教员能够全面掌握并控制司机的培训过程是教员监控系统的设计原则。

教员控制系统多由教员监控台以及教员终端、主控计算机、视景生成计算机、闭路监视显示器、操纵台MMI、ATC屏幕显示器、站台场景显示器、通讯系统等设备组成。

2.7 学员观摩系统

将司机室中司机操纵所能够感受到的操纵环境（视景、声音）、操纵信息（MMI、ATC显示、司机操纵情况）、操纵结果（主控界面信息）、教员指导信息等集中提供给在观摩室受训的学员，利用司机室内司机实际操纵过程对尚未经过独立操纵培训的学员进行示范教学，一方面可以让观摩学员感受独立操纵的氛围，另一方面可以提高观摩学员的学习兴趣，提高列车模拟驾驶器的培训效率。观摩学员在教员或主控系统评价体系的提示下认识并鉴别操纵司机可能出现的错误，加深对误动作及错误处理程序的印象，从而达到避免在类似问题上重复相同错误的目的。尤其是对故障处理、突发事件需要采取应急措施的场合，这种吸取前车之鉴的教学方式十分有效。

2.8 故障处理系统

在列车模拟驾驶器中，故障处理功能的模拟不外乎有两种方法：配置实物设备或计算机软件模拟。

当地铁驾驶模拟器包含电器柜、控制柜等实物时，故障设置的内容就分为两部分，即可以直接在实物上设置的实物部分故障和无实物部分的故障。进行故障训练时，实物部分的故障内容可以通过人为的方法直接设置在实物上，受训司机在实物上进行故障判断、故障查找以及应急处理，不仅能训练司机的故障判断能力，更能培养司机的故障处理能力，这是含实物模拟器的最大优点。实物电器柜重量较大，一般不适合与驾驶舱一起置于运动平台上，多为不具备运动仿真功能的地铁驾驶模拟器配置。

2.9 监视系统

采用监视系统的主要目的是为了便于教员可以监控受训司机的行为，同时也为观摩学员提供操纵示范。并且可以通过数字录像设备将操纵司机的操作全过程记录保存，供操纵过程回放时调用。该子系统作为可选系统由用户决定，若取消监视系统，则同时取消训练过程回放功能。

2.10 机房设备

为了使地铁驾驶模拟器的各个组成部分能够按照设计构思集成在一起，同时也为了保证地铁驾驶模拟器具有一个稳定而良好的工作环境，需要为地铁驾驶模拟器配置必要的相关设备。主要包括：电源系统、网络系统、视频及音频切换系统以及机柜等附属设备。

[1] 马思群、李莎莎．基于3Ds Max及VRP的高速列车VR系统设计〔J〕．计算机仿真，2013，（1）：15．

[2] 孙茂义．分布式飞行器数学仿真系统设计与实现〔J〕．计算机仿真，2013，（7）：26．

李殿勋：男，1966年9月出生，单位：辽宁轨道交通职业学院·教务处处长，副教授，研究方向：信息技术及人力资源管理等）

Research and design of metro vehicle driving simulator based on the technology of computer simulation

Li Dianxun
(Liaoning rail transit of Career Academy,110023)

The design of the driving simulator based on computer simulation technology,high-end training equipment and training of talents in the subway,the subway driving simulator from functions,device simulation,software design are designed and analyzed in detail,and then reach the production,assembly, debugging and application.

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