李殿勛

(遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院,110023)

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的地鐵駕駛模擬器的研究與設(shè)計(jì)

李殿勛

(遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院,110023)

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)地鐵駕駛模擬器，是培養(yǎng)和培訓(xùn)地鐵人才的高端實(shí)訓(xùn)設(shè)備，本文對地鐵駕駛模擬器從功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)備仿真實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了較詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析，進(jìn)而達(dá)到生產(chǎn)、組裝、調(diào)試和運(yùn)用。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);地鐵;駕駛模擬器;設(shè)計(jì)分析

1 地鐵駕駛模擬器問題的提出

沈陽市2010年底相繼開通并運(yùn)營了地鐵一號線和二號線，13年下半年地鐵9號線和10號線也已開工建設(shè)，地鐵司乘和維護(hù)維修技術(shù)人才需求不斷增加。遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院（原沈陽鐵路機(jī)械學(xué)校）研制開發(fā)的地鐵駕駛模擬器就是用于對學(xué)員進(jìn)行地鐵司機(jī)駕駛與維護(hù)相關(guān)技能的培訓(xùn)和考核，并可進(jìn)行常見故障/突發(fā)事件的處理訓(xùn)練。本地鐵駕駛模擬器以沈陽地鐵一號線線路及車輛為仿真原型。

2 地鐵駕駛模擬器設(shè)備仿真設(shè)計(jì)組成及技術(shù)描述

2.1 駕駛艙

地鐵駕駛模擬器駕駛艙的作用是為操縱司機(jī)提供與原車完全一致的操作環(huán)境及操作性能。因此，要求模擬司機(jī)室內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、尺寸、操縱臺設(shè)備及其布置、室內(nèi)裝飾等與原車盡可能完全一致。根據(jù)系統(tǒng)是否配置了運(yùn)動系統(tǒng)、是否配置客室模型和站臺屏閉門、視景顯示設(shè)備是否置于運(yùn)動平臺之上等因素，模擬器的駕駛艙可以有許多種形式：全封閉動感司機(jī)室、全封閉非動感司機(jī)室、簡易司機(jī)室或司機(jī)操縱臺等。

采用全封閉動感司機(jī)室（具有運(yùn)動平臺）或全封閉非動感司機(jī)室（無運(yùn)動平臺）以確保司機(jī)在視覺方面具有足夠的沉浸感。在不帶運(yùn)動平臺的情況下，若要使模擬器駕駛艙的外形與原車接近，也可采用司機(jī)室與投影室分離的方案。

2.2 視景仿真系統(tǒng)（設(shè)計(jì)重點(diǎn)）

視景仿真系統(tǒng)是地鐵駕駛模擬器最重要的組成部分之一，是營造司機(jī)駕駛環(huán)境沉浸感的主要因素。本方案中視景生成子系統(tǒng)由視景控制計(jì)算機(jī)（群）擔(dān)任，采用計(jì)算機(jī)圖像生成技術(shù)（Computer Generated Imagery），通過建立列車運(yùn)行線路的三維場景模型，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算生成虛擬的線路視景。視景計(jì)算機(jī)（群）接收來自主控計(jì)算機(jī)的列車當(dāng)前位置、速度、信號狀態(tài)等信息，并控制視景的運(yùn)動速度，使之與列車運(yùn)行速度相匹配。同時(shí)，視景控制計(jì)算機(jī)將線路的設(shè)施情況（道口、橋梁、隧道）、是否會車等信息傳遞給主控計(jì)算機(jī)，以便主控計(jì)算機(jī)控制聲音的變化。

視景仿真是計(jì)算機(jī)仿真的重要分支，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理與生成技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息合成技術(shù)、顯示技術(shù)等諸多高新技術(shù)的綜合運(yùn)用，其組成部分主要包括仿真建模、動畫仿真和實(shí)時(shí)視景生成。

MPI的視景仿真渲染工具Vega Prime是世界上領(lǐng)先的應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的軟件環(huán)境，它用來渲染戰(zhàn)場仿真、娛樂、城市仿真、訓(xùn)練模擬器和計(jì)算可視化等領(lǐng)域的視景數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效果等的加入和交互控制。

Vega Prime中的LynX Prime是一種可擴(kuò)展的跨平臺的單一的GUI工具，為用戶提供了一個(gè)簡單的直接明了的開發(fā)界面，可根據(jù)仿真需要快速開發(fā)出合乎要求的視景仿真應(yīng)用程序。它可以載入并驅(qū)動Creator格式的模型，生成ACF (Application

Configuration File)文件，并且把ACF自動轉(zhuǎn)換為C++ 代碼。這就可以使我們能夠通過程序來控制模型在場景中的表現(xiàn)和行為。

2.3 聲音仿真系統(tǒng)

采用數(shù)字式音響發(fā)生系統(tǒng)模擬列車操作、運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種聲音和音效。其中聲音仿真計(jì)算機(jī)配備支持5.1聲道輸出的高檔音頻處理卡，音頻功放采用獨(dú)立5.1聲道的環(huán)繞立體聲功放，揚(yáng)聲器采用六支高保真的同軸共面揚(yáng)聲器。從而保證司機(jī)聆聽到的聲音具有方位感、距離感，并能提供某些特殊音效（如：多普勒效應(yīng)等），為司機(jī)培訓(xùn)營造更加真實(shí)的音響環(huán)境。

對司機(jī)與教員的語音通訊采用模擬方式有線傳輸、數(shù)字方式記錄與回放的語音通訊模擬方案?？商峁└哔|(zhì)量的通話和對講，實(shí)現(xiàn)簡單、可靠，并可與聲音發(fā)生系統(tǒng)共用一臺聲音處理計(jì)算機(jī)，利用聲音處理計(jì)算機(jī)的剩余計(jì)算與聲音處理能力對語音通話過程進(jìn)行數(shù)字化的記錄，可方便地實(shí)現(xiàn)整個(gè)訓(xùn)練過程的同步回放。

2.4 操縱臺接口系統(tǒng)

操縱臺接口系統(tǒng)的作用是通過接口計(jì)算機(jī)將司機(jī)的操縱動作（各類開關(guān)、按鈕、控制器的動作與狀態(tài)）傳遞給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)操縱信息結(jié)合列車控制邏輯確定列車當(dāng)前的工況、牽引或制動能力，計(jì)算出列車的運(yùn)行速度、位置、加速度以及各種儀表、顯示器所需要的參數(shù)，并將司機(jī)操縱臺所需要的參數(shù)出遞給接口計(jì)算機(jī)，供接口計(jì)算機(jī)驅(qū)動操縱臺上的儀表、指示燈及顯示設(shè)備，為司機(jī)提供與實(shí)際車輛操縱過程一致的儀表、指示狀態(tài)，使司機(jī)感覺如同駕駛真車一樣。

2.5 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)是地鐵駕駛模擬器的核心與中樞神經(jīng)。它接受來自各子系統(tǒng)的輸入信息，依據(jù)建立的各種仿真計(jì)算模型和運(yùn)行條件，計(jì)算出各相關(guān)子系統(tǒng)需要的控制參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞給各子系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)，完成各自系統(tǒng)的仿真任務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)地鐵駕駛模擬器的仿真過程。主控系統(tǒng)承擔(dān)著地鐵駕駛模擬器中列車仿真運(yùn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、視景、聲音、運(yùn)動系統(tǒng)控制參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)通訊控制等繁重的任務(wù)，它與其它子系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)保持最為頻繁的信息交流與分發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)同工作。

2.6 教員監(jiān)控系統(tǒng)

教員監(jiān)控系統(tǒng)是地鐵駕駛模擬器的一個(gè)重要組成部分，它承擔(dān)著地鐵駕駛模擬器的全方位監(jiān)管、控制和系統(tǒng)維護(hù)任務(wù)。從模擬器的運(yùn)轉(zhuǎn)前準(zhǔn)備到培訓(xùn)結(jié)束后的數(shù)據(jù)處理、操縱評價(jià)，從培訓(xùn)課程設(shè)計(jì)到培訓(xùn)過程的監(jiān)控和干預(yù)，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到系統(tǒng)狀態(tài)檢測與故障診斷；從操縱過程回放到培訓(xùn)記錄管理都離不開教員控制系統(tǒng)。盡可能多地為教員提供地鐵駕駛模擬器的工作或運(yùn)轉(zhuǎn)信息，以便教員能夠全面掌握并控制司機(jī)的培訓(xùn)過程是教員監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。

教員控制系統(tǒng)多由教員監(jiān)控臺以及教員終端、主控計(jì)算機(jī)、視景生成計(jì)算機(jī)、閉路監(jiān)視顯示器、操縱臺MMI、ATC屏幕顯示器、站臺場景顯示器、通訊系統(tǒng)等設(shè)備組成。

2.7 學(xué)員觀摩系統(tǒng)

將司機(jī)室中司機(jī)操縱所能夠感受到的操縱環(huán)境（視景、聲音）、操縱信息（MMI、ATC顯示、司機(jī)操縱情況）、操縱結(jié)果（主控界面信息）、教員指導(dǎo)信息等集中提供給在觀摩室受訓(xùn)的學(xué)員，利用司機(jī)室內(nèi)司機(jī)實(shí)際操縱過程對尚未經(jīng)過獨(dú)立操縱培訓(xùn)的學(xué)員進(jìn)行示范教學(xué)，一方面可以讓觀摩學(xué)員感受獨(dú)立操縱的氛圍，另一方面可以提高觀摩學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高列車模擬駕駛器的培訓(xùn)效率。觀摩學(xué)員在教員或主控系統(tǒng)評價(jià)體系的提示下認(rèn)識并鑒別操縱司機(jī)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，加深對誤動作及錯(cuò)誤處理程序的印象，從而達(dá)到避免在類似問題上重復(fù)相同錯(cuò)誤的目的。尤其是對故障處理、突發(fā)事件需要采取應(yīng)急措施的場合，這種吸取前車之鑒的教學(xué)方式十分有效。

2.8 故障處理系統(tǒng)

在列車模擬駕駛器中，故障處理功能的模擬不外乎有兩種方法：配置實(shí)物設(shè)備或計(jì)算機(jī)軟件模擬。

當(dāng)?shù)罔F駕駛模擬器包含電器柜、控制柜等實(shí)物時(shí)，故障設(shè)置的內(nèi)容就分為兩部分，即可以直接在實(shí)物上設(shè)置的實(shí)物部分故障和無實(shí)物部分的故障。進(jìn)行故障訓(xùn)練時(shí)，實(shí)物部分的故障內(nèi)容可以通過人為的方法直接設(shè)置在實(shí)物上，受訓(xùn)司機(jī)在實(shí)物上進(jìn)行故障判斷、故障查找以及應(yīng)急處理，不僅能訓(xùn)練司機(jī)的故障判斷能力，更能培養(yǎng)司機(jī)的故障處理能力，這是含實(shí)物模擬器的最大優(yōu)點(diǎn)。實(shí)物電器柜重量較大，一般不適合與駕駛艙一起置于運(yùn)動平臺上，多為不具備運(yùn)動仿真功能的地鐵駕駛模擬器配置。

2.9 監(jiān)視系統(tǒng)

采用監(jiān)視系統(tǒng)的主要目的是為了便于教員可以監(jiān)控受訓(xùn)司機(jī)的行為，同時(shí)也為觀摩學(xué)員提供操縱示范。并且可以通過數(shù)字錄像設(shè)備將操縱司機(jī)的操作全過程記錄保存，供操縱過程回放時(shí)調(diào)用。該子系統(tǒng)作為可選系統(tǒng)由用戶決定，若取消監(jiān)視系統(tǒng)，則同時(shí)取消訓(xùn)練過程回放功能。

2.10 機(jī)房設(shè)備

為了使地鐵駕駛模擬器的各個(gè)組成部分能夠按照設(shè)計(jì)構(gòu)思集成在一起，同時(shí)也為了保證地鐵駕駛模擬器具有一個(gè)穩(wěn)定而良好的工作環(huán)境，需要為地鐵駕駛模擬器配置必要的相關(guān)設(shè)備。主要包括：電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻及音頻切換系統(tǒng)以及機(jī)柜等附屬設(shè)備。

[1] 馬思群、李莎莎．基于3Ds Max及VRP的高速列車VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔J〕．計(jì)算機(jī)仿真，2013，（1）：15．

[2] 孫茂義．分布式飛行器數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)〔J〕．計(jì)算機(jī)仿真，2013，（7）：26．

李殿勛：男，1966年9月出生，單位：遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院·教務(wù)處處長，副教授，研究方向：信息技術(shù)及人力資源管理等）

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.

computer simulation technology;the subway;driving simulator;design analysis