基于計算機仿真技術的地鐵駕駛模擬器的研究與設計

李殿勛

(遼寧軌道交通職業學院,110023)

基于計算機仿真技術的地鐵駕駛模擬器的研究與設計

李殿勛

(遼寧軌道交通職業學院,110023)

基于計算機仿真技術設計地鐵駕駛模擬器，是培養和培訓地鐵人才的高端實訓設備，本文對地鐵駕駛模擬器從功能實現，設備仿真實現，軟件設計等方面進行了較詳細的設計和分析，進而達到生產、組裝、調試和運用。

計算機仿真技術;地鐵;駕駛模擬器;設計分析

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，地鐵司乘和維護維修技術人才需求不斷增加。遼寧軌道交通職業學院（原沈陽鐵路機械學校）研制開發的地鐵駕駛模擬器就是用于對學員進行地鐵司機駕駛與維護相關技能的培訓和考核，并可進行常見故障/突發事件的處理訓練。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 地鐵駕駛模擬器設備仿真設計組成及技術描述

2.1 駕駛艙

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

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

2.2 視景仿真系統（設計重點）

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

視景仿真是計算機仿真的重要分支，是計算機技術、圖形圖像處理與生成技術、多媒體技術、信息合成技術、顯示技術等諸多高新技術的綜合運用，其組成部分主要包括仿真建模、動畫仿真和實時視景生成。

MPI的視景仿真渲染工具Vega Prime是世界上領先的應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現實等領域的軟件環境，它用來渲染戰場仿真、娛樂、城市仿真、訓練模擬器和計算可視化等領域的視景數據庫，實現環境效果等的加入和交互控制。

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

Configuration File)文件，并且把ACF自動轉換為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和行為。

2.3 聲音仿真系統

采用數字式音響發生系統模擬列車操作、運行過程中產生的各種聲音和音效。其中聲音仿真計算機配備支持5.1聲道輸出的高檔音頻處理卡，音頻功放采用獨立5.1聲道的環繞立體聲功放，揚聲器采用六支高保真的同軸共面揚聲器。從而保證司機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：多普勒效應等），為司機培訓營造更加真實的音響環境。

對司機與教員的語音通訊采用模擬方式有線傳輸、數字方式記錄與回放的語音通訊模擬方案。可提供高質量的通話和對講，實現簡單、可靠，并可與聲音發生系統共用一臺聲音處理計算機，利用聲音處理計算機的剩余計算與聲音處理能力對語音通話過程進行數字化的記錄，可方便地實現整個訓練過程的同步回放。

2.4 操縱臺接口系統

操縱臺接口系統的作用是通過接口計算機將司機的操縱動作（各類開關、按鈕、控制器的動作與狀態）傳遞給主控計算機，主控計算機根據操縱信息結合列車控制邏輯確定列車當前的工況、牽引或制動能力，計算出列車的運行速度、位置、加速度以及各種儀表、顯示器所需要的參數，并將司機操縱臺所需要的參數出遞給接口計算機，供接口計算機驅動操縱臺上的儀表、指示燈及顯示設備，為司機提供與實際車輛操縱過程一致的儀表、指示狀態，使司機感覺如同駕駛真車一樣。

2.5 主控系統

主控系統是地鐵駕駛模擬器的核心與中樞神經。它接受來自各子系統的輸入信息，依據建立的各種仿真計算模型和運行條件，計算出各相關子系統需要的控制參數，通過網絡系統傳遞給各子系統的控制計算機，完成各自系統的仿真任務，進而實現整個地鐵駕駛模擬器的仿真過程。主控系統承擔著地鐵駕駛模擬器中列車仿真運行實時計算、視景、聲音、運動系統控制參數的實時計算與網絡通訊控制等繁重的任務，它與其它子系統的控制計算機保持最為頻繁的信息交流與分發，從而實現各子系統的協同工作。

2.6 教員監控系統

教員監控系統是地鐵駕駛模擬器的一個重要組成部分，它承擔著地鐵駕駛模擬器的全方位監管、控制和系統維護任務。從模擬器的運轉前準備到培訓結束后的數據處理、操縱評價，從培訓課程設計到培訓過程的監控和干預，從基礎數據準備到系統狀態檢測與故障診斷；從操縱過程回放到培訓記錄管理都離不開教員控制系統。盡可能多地為教員提供地鐵駕駛模擬器的工作或運轉信息，以便教員能夠全面掌握并控制司機的培訓過程是教員監控系統的設計原則。

教員控制系統多由教員監控臺以及教員終端、主控計算機、視景生成計算機、閉路監視顯示器、操縱臺MMI、ATC屏幕顯示器、站臺場景顯示器、通訊系統等設備組成。

2.7 學員觀摩系統

將司機室中司機操縱所能夠感受到的操縱環境（視景、聲音）、操縱信息（MMI、ATC顯示、司機操縱情況）、操縱結果（主控界面信息）、教員指導信息等集中提供給在觀摩室受訓的學員，利用司機室內司機實際操縱過程對尚未經過獨立操縱培訓的學員進行示范教學，一方面可以讓觀摩學員感受獨立操縱的氛圍，另一方面可以提高觀摩學員的學習興趣，提高列車模擬駕駛器的培訓效率。觀摩學員在教員或主控系統評價體系的提示下認識并鑒別操縱司機可能出現的錯誤，加深對誤動作及錯誤處理程序的印象，從而達到避免在類似問題上重復相同錯誤的目的。尤其是對故障處理、突發事件需要采取應急措施的場合，這種吸取前車之鑒的教學方式十分有效。

2.8 故障處理系統

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：配置實物設備或計算機軟件模擬。

當地鐵駕駛模擬器包含電器柜、控制柜等實物時，故障設置的內容就分為兩部分，即可以直接在實物上設置的實物部分故障和無實物部分的故障。進行故障訓練時，實物部分的故障內容可以通過人為的方法直接設置在實物上，受訓司機在實物上進行故障判斷、故障查找以及應急處理，不僅能訓練司機的故障判斷能力，更能培養司機的故障處理能力，這是含實物模擬器的最大優點。實物電器柜重量較大，一般不適合與駕駛艙一起置于運動平臺上，多為不具備運動仿真功能的地鐵駕駛模擬器配置。

2.9 監視系統

采用監視系統的主要目的是為了便于教員可以監控受訓司機的行為，同時也為觀摩學員提供操縱示范。并且可以通過數字錄像設備將操縱司機的操作全過程記錄保存，供操縱過程回放時調用。該子系統作為可選系統由用戶決定，若取消監視系統，則同時取消訓練過程回放功能。

2.10 機房設備

為了使地鐵駕駛模擬器的各個組成部分能夠按照設計構思集成在一起，同時也為了保證地鐵駕駛模擬器具有一個穩定而良好的工作環境，需要為地鐵駕駛模擬器配置必要的相關設備。主要包括：電源系統、網絡系統、視頻及音頻切換系統以及機柜等附屬設備。

[1] 馬思群、李莎莎．基于3Ds Max及VRP的高速列車VR系統設計〔J〕．計算機仿真，2013，（1）：15．

[2] 孫茂義．分布式飛行器數學仿真系統設計與實現〔J〕．計算機仿真，2013，（7）：26．

李殿勛：男，1966年9月出生，單位：遼寧軌道交通職業學院·教務處處長，副教授，研究方向：信息技術及人力資源管理等）

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.

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