基于虛擬仿真技術的便攜式動車組ATP模擬演練系統研究

張彥飛，苗 錚，李陽陽

（1. 中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860；2.河南思維信息技術有限公司，鄭州 450000）

近年來，我國高速鐵路建設里程不斷擴大，截止2015年底，高速鐵路運營里程達到1.9萬km，規劃目標到2020年，達到3萬km，2025年達到3.8萬km左右[1]。隨著高速鐵路里程的快速增長，也對動車組駕駛人員的數量和技術水平提出了更高的要求。

我國現有模擬培訓裝備大都采用半物理仿真技術開發，即人機界面采用實物方式，底層機械設備通過計算機仿真技術實現模擬。使得現有演練裝置只能適用于特定車型，不同車型需要配置不同駕駛室設備裝置，極大地增加了設備購置成本。隨著虛擬現實技術成功運用到各個行業，給培訓帶來了新的發展契機[2-4]。虛擬培訓系統以計算機技術為依托，結合人機交互技術，實現了與實物培訓裝置具有相近操作體驗的虛擬培訓裝置，且具有單一裝置模擬不同型號設備的功能，降低了培訓設備的配置成本。

基于此，本文綜合運用虛擬仿真技術結合觸摸屏技術，在便攜式平臺上開發了一種適配多種車型的動車組ATP模擬演練系統,實現了在一臺設備上模擬演練5種ATP的操作。

1 系統總體設計

本系統的設計目的是為了解決現有動車組ATP模擬演練裝置在硬件上只能適用于一種ATP類型和車型的現象，實現兼容我國現有常用動車組車型和ATP類型的軟件系統。因此，系統在界面設計上需要具有ATP類型（車型）練習選擇界面、車輛模擬顯示界面、線路信息顯示設置界面和ATP虛擬操控臺界面4個部分，如圖1所示。

圖1 系統組成

1.1 練習選擇界面

系統的初始運行界面，提供了ATP類型（車型）、行車類型和練習模式的選擇功能。從與用戶接口友好的角度考慮，采用圖形用戶接口（GUI，Graphical User Interface）將顯示與內部邏輯分離開來，通過消息機制，依照用戶的選定來初始化相應的程序部分，降低程序運行的代碼量，提高程序運行效率。整個界面顯示如圖2所示。

圖2 練習選擇界面

ATP類型（車型）選擇部分是用戶練習相應ATP類型的首次選擇項，提供了結合相應車型的現有5種ATP類型（200C, 200H, 300S, 300H和300T），每種ATP類型配置該型ATP數量最多的車型。在每種ATP類型（車型）的選擇項下又設置正常行車、標準化作業、故障類型操作實例和具體的行車情形設置實例等行車操作類型，以滿足不同行車類型和突發狀況的模擬學習。同時設置考試和練習兩種模式，以實現學習和考核雙重功能。

1.2 車輛模擬顯示界面

模擬顯示ATP系統的車載人機交互（DMI）界面，且界面顯示符合相應型號的ATP車載DMI實際界面顯示邏輯，實時顯示當前的運行信息，界面顯示如圖3所示。

圖3 ATP車載DMI界面

1.3 線路信息顯示設置界面

界面中以圖像形式展現當前線路的信息，包括：地面信號機位置和狀態、車輛位置、車站位置和當前機車信號類型等，同時具備地面信號機狀態設置、線路臨時限速設置等功能。線路信息顯示設置界面如圖4所示。

圖4 線路信息顯示設置界面

1.4 虛擬操控臺界面

由于車型的不同，相應司機室內的各種手柄、開關的種類和位置設置也不盡相同，系統中建立各類車型司機室布置的虛擬界面，在運行相關車型時，系統自動調取相應的虛擬操縱臺界面，以解決以硬件實物方式布置司機室設備的單一性。虛擬操控臺界面的組成可以分為3個模塊子系統。

（1）虛擬司控器界面：依據車型的不同顯示司機駕駛臺界面，整個界面以虛擬3D形式展示司機駕駛臺上的開關、按鈕、手柄和狀態指示燈，且配合觸摸屏技術實現人機交互功能。

（2）主機柜界面：依據車型的不同顯示不同主機柜界面，界面中以3D圖像的形式展示司機室內的儀表和轉換開關等部件，且結合觸摸屏技術實現相應開關狀態的操作，如圖5所示。

圖5 主機柜界面

（3）控制面板：依據車型的不同顯示不同車型控制面板界面，界面中以3D圖像的形式展現開關柜內的各個電源開關，并結合觸摸屏功能實現開關狀態的轉換，如圖6所示。

圖6 控制面板界面

2 關鍵技術

2.1 軟件系統架構組建

由于系統涵蓋了多種車型和ATP類型，所以系統的通用性非常重要。按照面向對象的高內聚，低耦合的標準，整個系統采用3層架構設計，即數據層、邏輯層和UI層，3層之間相互獨立，只有數據之間的傳遞，沒有邏輯上的耦合交叉，如圖7所示。

圖7 ATP車載DMI界面

（1）數據層：存儲真實的線路信息和車輛運行時的參數信息，并設有線路信息的導入導出功能，同時具有車輛運行信息的記錄和導出功能。

（2）邏輯層：用于車輛運行過程中的車輛運行狀態和ATP運行狀態的數據計算。

（3）UI層：用于在程序運行過程中顯示界面信息的實時顯示，包括ATP顯示界面和車輛司機室顯示界面。

2.2 虛擬司機操控臺的實現

2.2.1 操控臺元件的模型構建

目前，可供編程軟件使用的建模方式有：實體建模、線框建模和表面建模。表面建模中又分為多邊形網格、細分曲面、樣條曲面等[6]。3種建模方式中：

（1）實體建模構造的模型是一個實體，適用于構建有實際重量的機械模型等。

（2）線框建模是指利用線框搭建的三維形體，模型表面沒有面的存在，不能夠進行著色或者繪制真實感的圖形。

（3）表面建模的多邊形網格建模主要指利用平面多邊形，尤其是三角形建立模型的表面，構造的模型是物體的表面，適合機器處理，渲染效率比較高，簡單易操縱。

考慮到本系統的3D模型只需要在視覺上具有較真實的表現，同時兼顧硬件配置較為一般的特點，故采用MAYA軟件以多邊形網格的造型方式構建司機操控臺元件3D模型，并進行圖形渲染。

在操控臺上除了具有各種實物元器件以外，還具有各種各樣的文字，文字在紋理和光影上比元器件更具簡便性，因此不需要構造復雜的3D模型。本文中利用PhotoShop對操控臺上的文字進行貼圖操作，貼圖的優勢是不用建立復雜的模型就能表現出對象的細節，減少了模型的面數，降低了計算機內存消耗，增強現實效果的同時也降低了程序運算量。

將文字貼圖后的3D模型在MAYA中通過對各關鍵幀的記錄來實現相應轉換開關和手柄位置的轉換效果。

2.2.2 操控臺的虛擬仿真設計

目前，三維交互軟件很多，應用比較廣泛的有Unity3D、Virtools、Java3D、Quest3D、VRML和Direct3D等，其中，Unity3D作為時下熱度高的一款專業游戲引擎，具有很強的交互性、跨平臺性和強通用性，且支持C#、JavaScript和Boo腳本語言[7-8]，該軟件系統的編程語言使用C#，綜合各方面考慮，選用了Unity3D軟件。

將MAYA處理后的司機駕駛臺模型導入Unity3D中，將模型添加到虛擬場景中，同時添加攝像機和燈光等其他元素，并進行相關屬性和主從關系的調整，以實現虛擬操控臺的場景動畫效果。搭建好的3D司控器模型如圖8所示。

圖8 虛擬司控器模型

2.2.3 操作功能的實現

本系統在硬件設計上采取了觸摸屏方案，這樣可以擺脫鼠標鍵盤的冗余配置。觸摸屏在工作過程中，手指或者其他物體接觸觸摸屏，觸摸屏控制器檢測位置（以坐標形式），通過計算機接口送到CPU，以確定用戶輸入的信息，所以在Unity3D的程序文件中進行鼠標點擊和拖動事件的程序設計，以實現觸摸屏鼠標點擊和虛擬操控臺上元件的按壓和推動操作。

3 系統實現

在設計方案的5個界面中（車載人機界面、司控器界面、主機柜界面、控制臺界面和線路設置界面），依據顯示的時機和主次性，大致可以分為兩類：（1）運行中需要顯示不能被遮蓋的主界面；（2）運行中可以間斷性依據需要展示的輔助界面。

圖9 系統界面劃分圖

因此，該系統在設計上采用雙界面顯示，即主屏界面和輔屏界面，界面組成如圖9所示。

當程序啟動時，系統主屏顯示練習選擇界面，以向學員提供練ATP類型（車型）和練習模式的選擇，輔屏不顯示，待學員選定練習形式后，系統進入初始化階段，包括運行線路的自動加載，相應ATP類型的自動加載，ATP的DMI界面覆蓋練習選擇界面在主屏上顯示，此時，輔屏部分顯示一個TablePage控件，司控器界面、主機柜界面、控制臺界面和線路設置界面作為頁面顯示于TablePage控件中，且司控器頁面作為默認顯示頁。

4 結束語

本文采用Unity3D技術與觸摸屏技術相結合，設計了一套便攜式動車組ATP模擬演練系統。該系統利用Unity3D技術，結合觸摸屏技術，實現了設備的人機交互功能，滿足了一臺設備提供多種車型和多種類型ATP的模擬演練要求。與傳統的實物布置駕駛室的培訓裝置相比，該系統具有硬件配置簡單、耗費成本低、通用性強、更新方便和推廣普及性好等優點。對培訓裝置的便攜性和多種型號設備的集成性具有一定的參考價值。