虛擬仿真技術(shù)在城市軌道交通工程實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

黃雄輝

（廣東警官學(xué)院，廣東 廣州 510440）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)城市交通的要求越來(lái)越高。快速、安全、應(yīng)用廣泛是城市軌道交通工程的發(fā)展節(jié)奏，它的全面高速發(fā)展與現(xiàn)代化的技術(shù)分不開(kāi)。仿真技術(shù)是人類文明發(fā)展的產(chǎn)物，是知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)踐的產(chǎn)物，它可以通過(guò)與其他先進(jìn)技術(shù)相融合，為城市生活增加更多的可能。運(yùn)用于城際軌道建設(shè)的虛擬仿真技術(shù)，是將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相聯(lián)系，真實(shí)的人在仿真現(xiàn)實(shí)的虛擬環(huán)境中操作虛擬的系統(tǒng)來(lái)模擬實(shí)際交通管理。技術(shù)的操作離不開(kāi)真實(shí)的人，技術(shù)的更新與人才的更新是密切相關(guān)的，社會(huì)迫切需要技能型的交通管理警察，因此需要將虛擬仿真技術(shù)引入到城市軌道交通工程實(shí)訓(xùn)中。

1 城市軌道運(yùn)行系統(tǒng)的虛擬仿真

1.1 場(chǎng)景模型生成

虛擬環(huán)境其實(shí)是通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行時(shí)周圍現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行建模，模擬列車運(yùn)行時(shí)給駕駛者和乘坐者帶來(lái)的是最直接的感官感受。其是對(duì)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，通過(guò)可觀察現(xiàn)象、列車運(yùn)行原理、物理屬性對(duì)存在的環(huán)境進(jìn)行虛擬的設(shè)計(jì)視覺(jué)效果、運(yùn)作時(shí)的切身感受進(jìn)行的模擬設(shè)立[1]。通過(guò)逼真的建模，讓真實(shí)的人在操作中，能清楚地感受到周圍的實(shí)際場(chǎng)景，使人感到仿佛置身于列車中。

要使建立的場(chǎng)景模型逼真，提高其對(duì)仿真系統(tǒng)分析評(píng)估的影響力，就需要充分實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的完整性、存在性、連接性，例如軌道等隧道洞身、屏蔽門(mén)、站牌、車廂、車內(nèi)設(shè)施還有廣告牌等，凡視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等能感受到的，都要設(shè)置在場(chǎng)景之中。

選定要設(shè)立的場(chǎng)景，將主次、前后、明暗等層次理念融入到場(chǎng)景中。確定基礎(chǔ)源，劃分場(chǎng)景中的事物，使得分割更具有科學(xué)性，充分展現(xiàn)結(jié)構(gòu)分明、層次感強(qiáng)烈的場(chǎng)景建模，為系統(tǒng)的模擬運(yùn)行效率奠定堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。

1.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模型的控制

靜態(tài)場(chǎng)景是指在現(xiàn)實(shí)情況中相對(duì)參照物是靜止不動(dòng)的。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景是相對(duì)于這些靜態(tài)場(chǎng)景生成的概念。在對(duì)城市軌道運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，體驗(yàn)者主要是對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行熟悉直至控制。在設(shè)立的模擬場(chǎng)景中，信號(hào)燈、列車行駛狀態(tài)的指示燈、列車到站時(shí)所要開(kāi)啟關(guān)閉的列車門(mén)、車站內(nèi)起保護(hù)作用的屏蔽門(mén)等都屬于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景[2]。操作員要隨時(shí)根據(jù)列車的運(yùn)行情況控制屏蔽車門(mén)的開(kāi)門(mén)，觀察信號(hào)燈和指示燈的顏色變化，及時(shí)調(diào)整虛擬手柄的位置等等。

對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模型的控制，主要是切換節(jié)點(diǎn)（Switch）的運(yùn)用和自由度的運(yùn)用。切換節(jié)點(diǎn)是在列車運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)信號(hào)燈的顏色、指示燈的信號(hào)含義、列車發(fā)動(dòng)指示等情況進(jìn)行更換或體現(xiàn)的環(huán)節(jié)。列車在行駛中由列車員操作，操作的基礎(chǔ)來(lái)自于對(duì)環(huán)境的判斷。在不同的情況下，要對(duì)其特定的展現(xiàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，并且在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)子節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)。例如，開(kāi)啟車門(mén)，就是Switch節(jié)點(diǎn)切換到開(kāi)組的子節(jié)點(diǎn)，其他的子節(jié)點(diǎn)處于隱藏狀態(tài)[3]。

子節(jié)點(diǎn)之間是有聯(lián)系的，是依次建立的索引編號(hào)。僅僅通過(guò)這些索引切換列車的運(yùn)行狀態(tài)是不夠的，還需要在列車的運(yùn)行場(chǎng)景和司機(jī)操作臺(tái)上設(shè)立自由度節(jié)點(diǎn)（DOF節(jié)點(diǎn)）。DOF是可以放到數(shù)據(jù)庫(kù)中增加幾何體的運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，是一種邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)。通過(guò)兩者結(jié)合，可以提高小節(jié)點(diǎn)操作的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

1.3 軟件流程

軟件流程的作用是借助于計(jì)算機(jī)讓真實(shí)的人通過(guò)自然的方法（手動(dòng)或其他肢體動(dòng)作等）來(lái)身臨其境地感受生成的虛幻環(huán)境。虛擬的環(huán)境還可以對(duì)人的實(shí)時(shí)操作做出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)軟件流程的第一步是模擬系統(tǒng)初始化形成adf文件，第二步是三維模型的載入與管理，第三步就是視景生成的主體程序的構(gòu)成。

2 擬演練仿真模型技術(shù)

當(dāng)軟件流程形成完畢就能構(gòu)建虛擬三維數(shù)字仿真模型。由于建造的模型具有真實(shí)性和仿真性，使其構(gòu)建的設(shè)備具有可操作性，演練者或者學(xué)習(xí)者能近似于操控著真實(shí)的列車在軌道上行駛。其操作手法、行動(dòng)指令、操作原理、邏輯思考等都與實(shí)際過(guò)程一樣。即使是虛擬的場(chǎng)景，操控的任何設(shè)備其狀態(tài)顯示、儀表樣式、報(bào)警系統(tǒng)和動(dòng)作過(guò)程能夠產(chǎn)生預(yù)想的變化，都是可以將所見(jiàn)、所做、呈現(xiàn)的結(jié)果與真實(shí)情況完全聯(lián)系統(tǒng)一起來(lái)[4]。這對(duì)于需要有實(shí)際操作技能的人來(lái)說(shuō)，可以將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，為實(shí)際操作真實(shí)的列車積累經(jīng)驗(yàn)。

3 實(shí)訓(xùn)教學(xué)問(wèn)題與虛擬實(shí)訓(xùn)的優(yōu)勢(shì)

隨著社會(huì)對(duì)技能型人才的需求越來(lái)越多，使得很多公安院校意識(shí)到自己的教學(xué)理念和方式存在以下不足：

（1）指導(dǎo)方針比較落后，中國(guó)的應(yīng)試教育使得學(xué)校的教育理念側(cè)重于知識(shí)的傳授，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐要求相對(duì)較低，很多學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；

（2）教師資源不足，很多教師的能力是止于書(shū)面，長(zhǎng)期缺乏實(shí)踐導(dǎo)致所傳授的知識(shí)也時(shí)常與社會(huì)脫軌；

（3）缺少實(shí)訓(xùn)設(shè)備和場(chǎng)地，因?yàn)閷?duì)實(shí)訓(xùn)的不重視，對(duì)設(shè)備器材的投入極少，在學(xué)校建設(shè)規(guī)劃中，往往也忽略了實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的建設(shè)；

（4）缺乏實(shí)訓(xùn)文化和氛圍，領(lǐng)導(dǎo)的不重視，教師的無(wú)能為力，學(xué)生的不作為等，使得部分公安院校培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代交通發(fā)展對(duì)警察的要求，如何將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來(lái)，因時(shí)施教，讓學(xué)生在踏入社會(huì)前擁有體驗(yàn)崗位和提升技能的機(jī)會(huì)，如何加大學(xué)院實(shí)訓(xùn)的力度是亟待解決的問(wèn)題。

虛擬實(shí)訓(xùn)的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）拓寬師資渠道，招聘各類型人才，提升師資力量；

（2）開(kāi)展理論教學(xué)和虛擬實(shí)訓(xùn)的教學(xué)方式，讓學(xué)生提高動(dòng)手能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；

（3）為更好地開(kāi)展實(shí)訓(xùn)，需要建造實(shí)訓(xùn)室，提高學(xué)校的硬件條件；

（4）學(xué)生在學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)的基礎(chǔ)上，增加了虛擬仿真技術(shù)的實(shí)操，增加了城市交通管理的實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，為今后踏入工作崗位后更好、更快地適應(yīng)環(huán)境打好了基礎(chǔ)；

（5）實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目往往需要配備比較昂貴的設(shè)備，學(xué)生實(shí)操機(jī)會(huì)很少，且不可重復(fù)利用，而由學(xué)校自己投建，可以降低培訓(xùn)成本，教學(xué)內(nèi)容也能隨時(shí)更新，而且可以為學(xué)生提供反復(fù)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，也加強(qiáng)了考核學(xué)生學(xué)習(xí)成果的可操作性和準(zhǔn)確性；

（6）學(xué)校通過(guò)不斷地引進(jìn)、實(shí)踐、改善，軟件和硬件設(shè)備都能不斷提升，進(jìn)而提高競(jìng)爭(zhēng)力以及畢業(yè)生的就業(yè)率，與用人單位的聯(lián)系也隨之增多，形成良性循環(huán)，為社會(huì)培養(yǎng)更多優(yōu)秀的交通警察。

4 城市軌道交通工程實(shí)訓(xùn)虛擬開(kāi)發(fā)

第一步，用三維建模軟件Cinema 4D軟件，把軌道結(jié)構(gòu)的構(gòu)件組成形成虛擬模型，依照FBX對(duì)虛擬模型進(jìn)行保存，需要渲染的可通過(guò)UVW貼圖手段來(lái)修正[4]。利用這款軟件強(qiáng)大的3D設(shè)計(jì)圖像功能和兼容性，來(lái)對(duì)城市軌道工程進(jìn)行建模、動(dòng)畫(huà)、渲染等。

第二步，采用Unity 3D軟件對(duì)經(jīng)過(guò)渲染修正后的模型做場(chǎng)景虛擬，進(jìn)行場(chǎng)景動(dòng)畫(huà)編輯，模擬機(jī)械設(shè)備、操作人員等。Unity 3D雖然操作簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)周期較短，但是創(chuàng)作的動(dòng)畫(huà)卻能達(dá)到期望的效果。通過(guò)Unity 3D進(jìn)行虛擬模型的整合、地形結(jié)構(gòu)布置、著色，對(duì)腳本、網(wǎng)絡(luò)安排、版本控制等方面進(jìn)行編輯。

第三步，通過(guò)Java 3D軟件對(duì)如何控制虛擬設(shè)備、操作人員進(jìn)行編制，編譯成可執(zhí)行文件。經(jīng)過(guò)Unity 3D編輯修繕后的文件，根據(jù)其擁有的API，使制作出來(lái)的文件具有強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)控制能力，提高其瀏覽和傳輸性。當(dāng)有同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)時(shí)，還能綜合整合，讓其具有可視性，且動(dòng)畫(huà)圖像清晰[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真是自20世紀(jì)40年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成的一種試驗(yàn)研究新技術(shù)，是對(duì)自然界客觀規(guī)律認(rèn)識(shí)的呈現(xiàn)。近些年其發(fā)展迅速，成為人們認(rèn)識(shí)、改造和創(chuàng)造客觀世界的通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。虛擬實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是根據(jù)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行場(chǎng)景模擬和真實(shí)操練。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通工程實(shí)訓(xùn)具有科學(xué)性、客觀性、趣味性，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)性、交互性和精確性要求高的視覺(jué)虛物實(shí)化，又能讓學(xué)生融入實(shí)際管理交通的氛圍中。實(shí)訓(xùn)具有可循環(huán)性和重復(fù)性，更新、擴(kuò)展功能也比較方便，幫助學(xué)院以較少的資金、設(shè)備和人員解決學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的難題。

[1]劉仲波，李瑞濤.虛擬仿真技術(shù)在城市軌道交通工程實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2012（12）：169.

[2]汪博，王建.城市軌道交通工程控制測(cè)量建網(wǎng)策略[J].隧道建設(shè)，2010（9）：143.

[3]李得偉，周瑋騰.城市軌道交通樞紐客流仿真輔助決策技術(shù)與實(shí)踐研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012（12）：1-8.

[4]周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)：基礎(chǔ)教育版，2010（5）：56-59.

[5]王永波，韓瑋.軌道交通設(shè)施景觀控制對(duì)策研究[J].《規(guī)劃師》論叢，2012：86-90.