基于Oculus的地铁虚拟驾驶仿真平台开发

蒲凡 张志俊 王黎 李乾

摘  要：随着虚拟现实技术逐渐成熟，许多传统行业也相继使用虚拟现实技术来改善用户体验，为业界带来巨大价值。针对地铁司机模拟驾驶教学的实际需求，以及传统的列车驾驶培训操控台存在成本高、占地面积大、维护困难等问题，本文提出了以Unity 3D引擎为核心，使用3ds Max软件建模，结合Oculus虚拟现实硬件建立地铁虚拟现实仿真平台，完整展现了以地铁司机为第一人称视角的列车驾驶操作以及各种故障情况的模拟。目前，该平台已在轨道交通类专业本科教学实践中推广并使用，既提高了教学效率，又降低了实验的成本，并增强了学生的工程实践能力。

关键词：虚拟现实;Unity 3D;地铁司机模拟驾驶;Oculus

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0177-04

0  引  言

随着轨道交通行业的迅猛发展，各大高校也在着力加强轨道交通相关专业的建设。在实际的教学当中，地铁系统相关知识是教学重点，同时也是教学难点。由于学生没有机会深入接触地铁系统，传统的授课方法无法满足如今的教学需求。鉴于此，部分学校购入了列车驾驶培训操控台来模拟地铁驾驶环境，在一定程度上解决了学生无法深入接触地铁系统的问题。但是，实训台存在价格昂贵、沉浸感差、占地面积大、故障率高、维修困难的缺点。

鉴于以上原因，本文提出了以Unity 3D引擎为核心，使用3ds Max软件建模，结合Oculus虚拟现实硬件建立地铁虚拟现实仿真平台。将虚拟现实技术融入到教学活动中能够充分发挥虚拟现实技术交互性和沉浸感强的特点。虚拟现实的最终目标是要用户佩戴例如头盔、手套、跟踪器等硬件传感设备，通过视觉、触觉、听觉等感知虚拟环境，并得到和在真实环境中一样的体验效果[1]。

1  驾驶模式的原理分析

1.1  列车自动驾驶模式（ATO）

ATO系统在ATS系统的监控以及ATP系统的防护下运行。系统自动处理控制中心发送的驱动、制动等控制指令，以及完成地铁自动折返，无需司机操作。ATO系统取代司机对车门和屏蔽门进行控制。

1.2  列车自动防护下的人工驾驶模式（ATPM）

在列车自动防护下的人工驾驶模式中，司机手动驾驶列车运行并根据车载设备调整列车运行速度和运行状态，规定速度不得超过ATP最大允许速度。在ATPM模式下，司机负责驾驶列车，停站及车门控制;但列车仍然受到全部ATP功能的保护[2]。

1.3  点式ATP防护下的人工驾驶模式（CM）

应答器是CM模式中的重要设备。在CM模式下，ATP系统除基本防护功能以外，还能对列车产生冒进信号进行防护，司机负责驾驶列车，停站及車门控制。

1.4  限制人工驾驶模式（RM）

在该模式下，由调度命令和地面信号指挥司机驾驶列车，ATP系统限制列车运行速度在一个固定值以下。当速度超过固定限速，ATP系统触发自动紧急停车保证运行安全，司机控制站台门和屏蔽门的联动。在RM模式下，司机负责列车运行，且确保在禁止信号机前停车[2]。

1.5  非限制人工驾驶模式（NRM）

NRM为全人工驾驶模式，与RM模式不同的是ATP系统无防护功能，无固定限速，司机目视地面信号并根据调度信号行车。NRM模式可应用于降级条件下，此时司机可在无ATP防护下人工驾驶列车[2]。驾驶模式转换示意图，如图1所示。

2  系统开发过程

2.1  开发流程图

软件开发过程流程图，如图2所示。

2.2  线路设计

本文以武汉地铁二号线站台为蓝本，设计了一条包含两个站台的环形线路，站台为带站后折返的岛式端头站，区间长度为1113m，运行一辆列车。线路结构，如图3所示。

2.3  场景搭建

将模型与贴图导入Unity引擎，将贴图赋予模型，并将需要用到的模型素材拖入场景中，按照现实世界的比例、格局来摆放模型，并添加必要的灯光来烘托场景的氛围，在Unity游戏开发引擎中内置了四种形式的光源，分别为点光源（Point Light）、定向光源（Directional Light）、聚光灯光源（Spot Light）和区域光源（Area Light）[3]。司机驾驶室场景如图4所示，站台场景如图5所示。本文选择点光源作为站台、隧道的光源，使用定向光源作为列车车灯光源。车站和隧道一类的不可动物体设置为烘焙模式的光源，而车灯一类的可动光源设置为实时光源。

2.4  驾驶室基本功能

驾驶室中的功能模拟是该项目中最重要也是最复杂的一项。现实情况下的驾驶室的按钮和功能复杂繁多，而且不同的按钮之间还存在互相约束和锁闭的功能，考虑到在虚拟场景中仿真的复杂程度和效率问题，本文实现了主要的按钮和功能，使用的编程语言为C#。具体功能包括：驾驶模式选择（ATO、PM、RM、NRM）、紧急制动、主断（分/合）、受电弓（降/升）、停放制动（施加/缓解）、列车激活、ATO启动、司机室照明（分/合）、雨刮器（分/合）、头灯（OFF/近光/远光）、关门模式（自动/手动）、所有车门关闭指示灯、ATO模式指示灯、无人驾驶折返、驾驶室左右门（开/关）、车厢门（开/关）、驾驶杆，如图6所示。

控制台上的按钮需要监听光标的点击事件，然后作出必要的反应，因此本文选用了Unity内置的UGUI组件，为每一个可点击的按钮都添加一个与按钮大小相符的Button物件，当光标点击Button物件触发点击事件，调用OnClicked（）函数，函数内封装了该按钮相关功能的代码，考虑到不同状态下按钮之间有互相约束以及按钮点击存在先后顺序的情况，本文在OnClicked（）函数中添加了判断语句和分支结构来对当前状态进行判断，从而在不同条件下完成不同的功能。

2.5  室外主要设备

室外设备主要包括色灯信号机、ZD6型电动转辙机、计轴、信号应答器、车站折返按钮、发车指示器，信号机与发车指示器，如图7所示。本文对现实中的信号机进行了简化，将进站信号机与出站信号机的功能集合到三灯位（绿/红/空位）信号机上，在非ATO模式下，司机观察出站口设置的信号机减速进站停车，此时该信号机作为进站信号机使用。非ATO模式下，当发车指示器提示发车时，司机观察该信号机，开放绿灯准许发车，此时该信号机作为出站信号机使用。由于一般情况下地铁两车站距离较小，无需设置通过信号机。该项目中区间长度为1113m，不满足闭塞区间至少为1200m的要求，因此不设置通过信号机。

实现自动折返有两个途径：（1）司机按下驾驶室控制台上的无人驾驶折返模式按钮和ATO启动按钮，列车自动折返;（2）司机打开驾驶室车门进入站台，并随后关闭车门，当列车内无司机与乘客并且车门都已闭合，自动点亮“发车允许”指示灯，按下站台的自动折返发车按钮，列车自动折返。

2.6  CBTC系统下故障测试

CBTC系统下故障测试包括列车冒进信号、列车运行过程中途意外开门、区间故障停车、紧急停车按钮意外触动、列车超速防护。本文仅对列车超速防护的功能实现作简单介绍。

由于武汉地铁交通二号线限制最高运行速度为80km/h，本文根据实际情况与仿真的条件考虑后规定仿真环境中列车加速度为1m/s2，正常情况下制动加速度为-1m/s2，紧急制动情况下加速度为-1.5m/s2。

因为在仿真环境下两个车站之间没有坡度和弯道，列车运行理想速度曲线为一条对称的抛物线，如图8所示。

ATO模式严格按照速度曲线自动控制列车速度，ATPM和CM模式由司机手动控制列车速度，但是瞬时速度不能超过速度曲线对应的速度值。因此，本文在仿真环境中依据图8所示的列车运行速度曲线实时计算ATO模式下列车的运行速度。ATPM和CM模式由司机手动驾驶列车，但瞬时速度不能超过列车运行速度曲线所指示的速度，一旦超过该速度，列车自动触发紧急制动，列车完全停止后才能重新加速。在仿真环境中，本文在列车控制台中央使用UGUI（Unity4.6推出的全新UI系统，UGUI的基础元素包括文本、圖片、按钮、滑动条和滚动组件等[4]）创建了一个速度提示面板，依据列车运行速度曲线实时计算当前限速，并输出到该提示面板上，如图9所示。

2.7  接发车时车门与站台门联动

列车在站台停靠后，无论是ATO子系统自动开门或者由司机手动开门，站台的屏蔽门都会和列车车门有交互动作，同步打开和关闭。在仿真环境中，本文使用了iTween插件为每一个车门和屏蔽门都制作了开关门的动画，当满足开门/关门条件后，车门和对应的屏蔽门自动播放开门/关门动画，如图10所示。

3  结  论

将虚拟现实技术投入到轨道交通的教学活动中，丰富了教学形式。与传统教学方式相比，虚拟现实教学具有直观、真实、互动性高的特点。利用3DS MAX建模，利用Photo Shop和Substance Painter绘制贴图并与Unity游戏引擎相结合，能够构造出复杂逼真的世界。得益于Unity快捷方便的光照系统以及Unity的库函数，场景搭建和脚本编写十分简便，大大提高了开发效率。虚拟现实技术是一个新兴技术，学生对其有浓厚的兴趣，加之虚拟现实技术本身具有沉浸感、交互性、想象性的特征，学生对地铁列车驾驶的操作、控制台控制原理、信号设备原理以及对突发情况应急的知识理解和掌握都会更加深刻。实践表明，将该平台投入实际教学环节中，学生的到课率有了明显的提高，学生的工程实践能力也得到了相应的提升。

参考文献：

[1] 朱波，晋睿，屠宣.虚拟现实在无人驾驶地铁中的应用浅析 [J].电视技术，2017，41（Z1）：243-247.

[2] 陈恒宇.CBTC信号系统下的驾驶模式及转换原则 [J].铁路通信信号工程技术，2010，7（6）：58-60.

[3] 吴亚峰，于复兴，索依娜.Unity 3D游戏开发标准教程 [M].北京：人民邮电出版社，2016：220.

[4] 宣雨松.Unity 3D游戏开发 [M].第2版.北京：人民邮电出版社，2018：112.

作者简介：蒲凡（1998-），男，苗族，湖南怀化人，本科在读，主要研究方向：轨道交通信号与控制;张志俊（1963-），男，汉族，湖北武汉人，高级工程师，硕士，主要研究方向：智能仪表及自动控制系统;王黎（1978-），男，汉族，吉林柳河人，讲师，博士，主要研究方向：虚拟仿真、专家系统;李乾（1996-），男，回族，宁夏人，本科在读，主要研究方向：轨道交通信号与控制。