城市軌道交通列車虛擬駕駛仿真系統

葉華平 姚 軍 錢雪軍

（1.上海申通地鐵集團有限公司軌道交通培訓中心，201102，上海；2.同濟大學電氣工程系，200092，上海∥第一作者，高級工程師）

近幾年，上海軌道交通線網規模快速增長，每年都需要增加大量的駕駛員。對于新駕駛員，不但要對其進行城市軌道交通基礎知識的培訓，還要對其進行技術培訓，使其掌握駕駛技術、車輛聯掛技術，熟悉車輛設備接口。鑒于城市軌道交通運營的特點，新駕駛員的培訓工作不可能完全在現場完成，大部分培訓工作都需要在培訓中心來完成。由于需要培訓的新駕駛員多，列車型號也在不斷變化和增加，構建大量的實物培訓裝置不切實際，因此，選擇并開發一種成本低，又能完成新駕駛員培訓工作的培訓手段和工具，具有非常現實的意義［1－2］。

虛擬駕駛仿真系統能滿足這樣的實際需求。采用1臺普通的計算機，不需要任何附加的運行許可，即可實現單機版的列車虛擬駕駛，實現最基本的駕駛培訓。虛擬駕駛仿真系統能幫助駕駛員熟悉列車司機控制臺上的儀表、按鈕、轉換開關、控制器等設備，掌握司機顯示器的操作使用，熟悉列車運行線路的環境以及縱橫斷面。

本研究根據上海軌道交通系統特點，結合新駕駛員實際培訓工作需要，提出了一種基于PC（個人計算機）的虛擬駕駛仿真系統，來實現基于課程的培訓方案。

1 虛擬駕駛仿真系統總體結構

為滿足正常操縱訓練以及故障能力訓練等功能需求，虛擬駕駛仿真系統應具有設備先進、布局合理、操作方便、運行可靠等特點。虛擬駕駛仿真系統總體結構如圖1所示。采用1臺計算機雙顯示器結構，一個顯示器顯示虛擬駕駛臺，另一個顯示器顯示線路三維場景。

圖1 虛擬駕駛仿真系統總體結構圖

虛擬駕駛仿真系統的軟件包括2大部分

（1）虛擬司機控制臺：司機控制臺上所有控制設備（包括司機控制器、控制轉換開關、按鈕，以及各種儀表和指示燈）的控制及顯示采用計算機模擬的方法來實現。

（2）計算機三維場景模擬：為了給駕駛員提供一個比較逼真的環境，本系統采用單通道三維場景。當列車進站停車時，通過畫中畫開窗的方式提供停車對標以及站臺監視的三維場景。

虛擬駕駛仿真系統的軟件采用模塊化、雙線程的結構。兩個線程之間的通信是通過Windows的消息機制實現的。兩個線程的主要工作如下。

（1）仿真計算線程：完成虛擬司機控制臺的顯示與控制，并且根據司機控制臺的操作指令，實現列車的牽引計算，獲得列車的位置信息和速度信息，同時完成聲音環境的仿真。

（2）三維視景線程：完成三維場景的顯示，并根據仿真計算線程獲得的列車速度信息和位置信息驅動場景。

2 虛擬駕駛仿真系統功能實現

2.1 虛擬司機控制臺

司機控制臺由司機控制器、轉換開關、按鈕、指示燈以及多個顯示器組成［3－5］。考慮到實際司機控制臺上設備的布置情況以及顯示器的分辨率，虛擬司機控制臺的設備布置盡可能地與實際接近。圖2為上海軌道交通7號線的列車虛擬司機控制臺。

圖2 上海軌道交通7號線的列車虛擬司機控制臺

（1）虛擬司機控制器。司機控制器是列車駕駛中的關鍵設備，其視覺效果應盡可能與實際相似，但聯鎖關系必須與實際一致。司機控制器的操作部件包括鑰匙、模式手柄、牽引手柄，其操作動作可以是旋轉或平移。虛擬司機控制器通過3Dmax建模、Opengl編程控制的方法實現，操作部件具有三維的視覺效果。

（2）虛擬控制按鈕、轉換開關、指示燈。虛擬司機控制臺上各種轉換開關、按鈕以及指示燈的實現方法是：首先根據設備的外形特征，在3Dmax環境下構建三維模型，得到設備在不同狀態下的三維視圖的圖片；然后根據當前設備的狀態，動態顯示該設備相應的圖片。

（3）虛擬儀表。司機控制臺的儀表包括雙針氣壓表、輔助電壓表、速度表等。虛擬儀表采用表盤圖片結合動態控制儀表指針的實現方法。虛擬儀表的實現過程則是確定控制儀表指針的位置：根據當前儀表的數據，實時計算出當前的指針顯示角度，并通過繪圖方式顯示儀表指針。

（4）虛擬司機顯示單元。虛擬司機控制臺一般都包含一些司機顯示單元，為司機提供一些必要的信息以及一些輔助控制功能。如圖2所示，上海軌道交通7號線的列車司機控制臺上包含司機操作顯示器以及列車控制管理顯示器。這些顯示器都是觸摸式的，主要功能有：列車基本參數和狀態顯示、故障信息顯示、可視化客室信息控制和廣播信息控制等。根據這些顯示器的功能以及操作手冊，采用編程方式來實現。

2.2 三維場景模擬

三維視景系統采用高清液晶顯示器顯示前向場景。當列車進入車站停車時，采用畫中畫的模式顯示停車對標以及乘客上下車的監視畫面，該顯示系統的刷新速率不低于30幀。三維視景系統與聲音仿真系統共同為新駕駛員培訓提供較為逼真的仿真環境。

三維場景的建模采用3Dmax 結合 MultiGen Creator完成。而場景驅動則采用開源OpenSceneGraph實現。三維視景系統結構如圖3所示。

圖3 三維視景系統結構

由于前景系統采用1個顯示器，其視角范圍大概在45°。由于對列車停車位置有著很高的精度要求，所以要求駕駛員駕駛列車進站停車時要精確地對準停車標。停車標的位置一般設置在軌道兩側，當列車精準停車時，所有的車門正好對準屏蔽門，司機室的側面車窗正好對準列車停車標。

為了幫助受訓駕駛員實現停車對標，當列車進入車站區間時，在停車標側，前景顯示器中將開出畫中畫窗口，顯示該側面場景，來輔助列車停車對標；當列車準確停車后，停車標將顯示在該畫中畫窗口的中央，如圖3中的對標窗口。

當列車進站停車停穩后，在車站的站臺側將顯示另一個畫中畫窗口，顯示車站站臺以及列車車門的情況，幫助司機觀察乘客上下車以及車門關閉的情況，如圖3中的站臺監視窗口。同時，原停車對標窗口改變視角，將視角對準發車指示器，來觀察發車指示器的情況。當列車駛離車站區間后，2 個畫中畫窗口自動消失，直到下一個車站區間的出現。

2.3 課程培訓

虛擬駕駛仿真系統以培訓課程為基礎進行培訓設計。培訓課程設計可生成各種不同特色的訓練課程。這些訓練課程包括：不同起點車站的操縱；在不同線路斷面條件下的起車、停車；不同天氣條件下的操縱；不同時間段（早上、晚上）的操縱；不同客流條件下的操縱；發生故障條件下的操縱；突發險情條件下的操縱；以及上述多種條件組合下的駕駛培訓。

一個完整的培訓課程包括馴練環境、列車編組、啟動狀態和運行路徑等4個方面。培訓課程的編制與管理由專門的課程設計軟件完成，設計完成的課程可以導出并加載到虛擬駕駛仿真系統中應用。虛擬駕駛仿真系統選擇課程的界面如圖4所示，學員可以選擇需要培訓的課程。

圖4 虛擬駕駛仿真系統培訓課程的選擇

3 結語

虛擬駕駛仿真系統為城市軌道交通運營企業進行新駕駛員培訓提供了一種有效途徑，具有較高的實用價值。該系統適用于眾多列車型號的培訓。本研究成果已應用于上海軌道交通電動列車駕駛員的培訓工作中，該系統也可以應用到全國其它城市的軌道交通電動列車駕駛員的培訓工作中。

［1］孫彰.軌道交通駕駛仿真器的關鍵技術［J］.城市軌道交通研究，2005（3）：71.

［2］蘇虎，金煒東.列車駕駛仿真器及其關鍵技術［J］.科技導報，2007（12）：12.

［3］上海地鐵運營有限公司.M3 線一期工程地鐵列車司機手冊［R］.上海：上海地鐵運營有限公司.

［4］上海軌道交通維護保障中心.上海地鐵7號線司機用戶手冊［R］.上海：上海軌道交通維護保障中心.

［5］南車株洲電力機車有限公司.SHL11－OM01操作手冊［R］.株洲：南車株洲電力機車有限公司.