城市轨道交通列车虚拟驾驶仿真系统

2015-06-28叶华平钱雪军

城市轨道交通研究 2015年11期

叶华平姚军钱雪军

（1.上海申通地铁集团有限公司轨道交通培训中心，201102，上海；2.同济大学电气工程系，200092，上海∥第一作者，高级工程师）

近几年，上海轨道交通线网规模快速增长，每年都需要增加大量的驾驶员。对于新驾驶员，不但要对其进行城市轨道交通基础知识的培训，还要对其进行技术培训，使其掌握驾驶技术、车辆联挂技术，熟悉车辆设备接口。鉴于城市轨道交通运营的特点，新驾驶员的培训工作不可能完全在现场完成，大部分培训工作都需要在培训中心来完成。由于需要培训的新驾驶员多，列车型号也在不断变化和增加，构建大量的实物培训装置不切实际，因此，选择并开发一种成本低，又能完成新驾驶员培训工作的培训手段和工具，具有非常现实的意义［1－2］。

虚拟驾驶仿真系统能满足这样的实际需求。采用1台普通的计算机，不需要任何附加的运行许可，即可实现单机版的列车虚拟驾驶，实现最基本的驾驶培训。虚拟驾驶仿真系统能帮助驾驶员熟悉列车司机控制台上的仪表、按钮、转换开关、控制器等设备，掌握司机显示器的操作使用，熟悉列车运行线路的环境以及纵横断面。

本研究根据上海轨道交通系统特点，结合新驾驶员实际培训工作需要，提出了一种基于PC（个人计算机）的虚拟驾驶仿真系统，来实现基于课程的培训方案。

1 虚拟驾驶仿真系统总体结构

为满足正常操纵训练以及故障能力训练等功能需求，虚拟驾驶仿真系统应具有设备先进、布局合理、操作方便、运行可靠等特点。虚拟驾驶仿真系统总体结构如图1所示。采用1台计算机双显示器结构，一个显示器显示虚拟驾驶台，另一个显示器显示线路三维场景。

图1 虚拟驾驶仿真系统总体结构图

虚拟驾驶仿真系统的软件包括2大部分

（1）虚拟司机控制台：司机控制台上所有控制设备（包括司机控制器、控制转换开关、按钮，以及各种仪表和指示灯）的控制及显示采用计算机模拟的方法来实现。

（2）计算机三维场景模拟：为了给驾驶员提供一个比较逼真的环境，本系统采用单通道三维场景。当列车进站停车时，通过画中画开窗的方式提供停车对标以及站台监视的三维场景。

虚拟驾驶仿真系统的软件采用模块化、双线程的结构。两个线程之间的通信是通过Windows的消息机制实现的。两个线程的主要工作如下。

（1）仿真计算线程：完成虚拟司机控制台的显示与控制，并且根据司机控制台的操作指令，实现列车的牵引计算，获得列车的位置信息和速度信息，同时完成声音环境的仿真。

（2）三维视景线程：完成三维场景的显示，并根据仿真计算线程获得的列车速度信息和位置信息驱动场景。

2 虚拟驾驶仿真系统功能实现

2.1 虚拟司机控制台

司机控制台由司机控制器、转换开关、按钮、指示灯以及多个显示器组成［3－5］。考虑到实际司机控制台上设备的布置情况以及显示器的分辨率，虚拟司机控制台的设备布置尽可能地与实际接近。图2为上海轨道交通7号线的列车虚拟司机控制台。

图2 上海轨道交通7号线的列车虚拟司机控制台

（1）虚拟司机控制器。司机控制器是列车驾驶中的关键设备，其视觉效果应尽可能与实际相似，但联锁关系必须与实际一致。司机控制器的操作部件包括钥匙、模式手柄、牵引手柄，其操作动作可以是旋转或平移。虚拟司机控制器通过3Dmax建模、Opengl编程控制的方法实现，操作部件具有三维的视觉效果。

（2）虚拟控制按钮、转换开关、指示灯。虚拟司机控制台上各种转换开关、按钮以及指示灯的实现方法是：首先根据设备的外形特征，在3Dmax环境下构建三维模型，得到设备在不同状态下的三维视图的图片；然后根据当前设备的状态，动态显示该设备相应的图片。

（3）虚拟仪表。司机控制台的仪表包括双针气压表、辅助电压表、速度表等。虚拟仪表采用表盘图片结合动态控制仪表指针的实现方法。虚拟仪表的实现过程则是确定控制仪表指针的位置：根据当前仪表的数据，实时计算出当前的指针显示角度，并通过绘图方式显示仪表指针。

（4）虚拟司机显示单元。虚拟司机控制台一般都包含一些司机显示单元，为司机提供一些必要的信息以及一些辅助控制功能。如图2所示，上海轨道交通7号线的列车司机控制台上包含司机操作显示器以及列车控制管理显示器。这些显示器都是触摸式的，主要功能有：列车基本参数和状态显示、故障信息显示、可视化客室信息控制和广播信息控制等。根据这些显示器的功能以及操作手册，采用编程方式来实现。

2.2 三维场景模拟

三维视景系统采用高清液晶显示器显示前向场景。当列车进入车站停车时，采用画中画的模式显示停车对标以及乘客上下车的监视画面，该显示系统的刷新速率不低于30帧。三维视景系统与声音仿真系统共同为新驾驶员培训提供较为逼真的仿真环境。

三维场景的建模采用3Dmax 结合 MultiGen Creator完成。而场景驱动则采用开源OpenSceneGraph实现。三维视景系统结构如图3所示。

图3 三维视景系统结构

由于前景系统采用1个显示器，其视角范围大概在45°。由于对列车停车位置有着很高的精度要求，所以要求驾驶员驾驶列车进站停车时要精确地对准停车标。停车标的位置一般设置在轨道两侧，当列车精准停车时，所有的车门正好对准屏蔽门，司机室的侧面车窗正好对准列车停车标。

为了帮助受训驾驶员实现停车对标，当列车进入车站区间时，在停车标侧，前景显示器中将开出画中画窗口，显示该侧面场景，来辅助列车停车对标；当列车准确停车后，停车标将显示在该画中画窗口的中央，如图3中的对标窗口。

当列车进站停车停稳后，在车站的站台侧将显示另一个画中画窗口，显示车站站台以及列车车门的情况，帮助司机观察乘客上下车以及车门关闭的情况，如图3中的站台监视窗口。同时，原停车对标窗口改变视角，将视角对准发车指示器，来观察发车指示器的情况。当列车驶离车站区间后，2 个画中画窗口自动消失，直到下一个车站区间的出现。

2.3 课程培训

虚拟驾驶仿真系统以培训课程为基础进行培训设计。培训课程设计可生成各种不同特色的训练课程。这些训练课程包括：不同起点车站的操纵；在不同线路断面条件下的起车、停车；不同天气条件下的操纵；不同时间段（早上、晚上）的操纵；不同客流条件下的操纵；发生故障条件下的操纵；突发险情条件下的操纵；以及上述多种条件组合下的驾驶培训。

一个完整的培训课程包括驯练环境、列车编组、启动状态和运行路径等4个方面。培训课程的编制与管理由专门的课程设计软件完成，设计完成的课程可以导出并加载到虚拟驾驶仿真系统中应用。虚拟驾驶仿真系统选择课程的界面如图4所示，学员可以选择需要培训的课程。