基于人臉識別的軌道交通模擬駕駛考核方案研究

宋志強，夏鶴峰

（寧波市職業技術教育中心學校，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，為了向軌道交通行業輸送更多專業人員，越來越多的高校開設了軌道交通專業相關課程，軌道交通模擬駕駛教學應運而生。模擬駕駛即為模擬軌道車輛駕駛室真實環境，對軌道交通行業從業人員進行車輛行駛相關的教學及考核，這逐漸成為高校培養學生的有效方案［1-7］。

近年來，越來越多的學校及研究人員對軌道交通模擬駕駛的教學及考核進行了大量分析探討。丁洪東［1］詳細介紹了地鐵列車模擬駕駛裝置的功能，從裝置的硬件開發及軟件應用開發上做了詳細的闡述，并對裝置在教學過程中的應用做了分析；陳立江［2］采用多媒體計算機系統和計算機成像技術，配合高分辨率大型彩色屏幕和音響及動畫效果，詳細闡述了列車的模擬駕駛器，為列車司機綜合能力培訓提供了新的平臺；李瑞榮等［3］對列車模擬器的系統功能和結構進行了專門分析，提出了采用CGI 視景技術的列車模擬器軟、硬件構成方案，并對列車模擬器視景仿真技術進行了討論；李佩等［4］根據列車駕駛技術的考核指標，根據列車駕駛模擬器的記錄數據，對培訓學員進行考核評分，并對考核評分項目進行了分類設計，制定了考核規則以及評分模板，進行了系統實現；沈農華［5］詳細闡述了如何引入城市軌道交通新設備和新技術，開發最新模擬軟件和課件，建設教學實訓、技能鑒定、社會培訓等功能，實現各專業共享的城軌綜合實訓基地。

綜上所述，研究均針對模擬駕駛系統本身進行，忽略了教學研究以及考核環節中的人機互動環節。如何更有效地利用軌道交通模擬駕駛系統進行教學及考核，成為目前需要解決的主要問題。為此，本文分析研究了將人臉識別方法嵌入軌道交通模擬駕駛臺考核系統的具體流程，考量了應用人臉識別方法前后的教學考核效率，形成了基于人臉識別的軌道交通模擬駕駛臺考核系統的設計思路及應用方法。

1 軌道交通模擬駕駛臺

當前，軌道交通模擬駕駛平臺主要包含以下模塊：操作視景模塊、列車運行模塊、人機界面模塊、故障與突發事件仿真模塊、自動評分模塊等［6］。

（1）操作視景。采用計算機成像技術，仿真實際的站臺、高架及隧道環境，并可以模擬特殊天氣場景（如雨、雪、晝、夜等）。

（2）列車運行。，具備真實的操縱環境及設備（包括開關、按鈕、信號燈、指示燈等），模擬列車的運行（包括啟動、牽引、制動、停車等動作）。

（3）人機界面。顯示列車運行過程中的相關信息。包括：列車駕駛方式、車速、當前車站、下一站等一系列駕駛員需要清楚的列車信息。

（4）故障與突發事件仿真。模擬列車駕駛相關的各類故障和行車突發事件（如火災、障礙物侵入限界等）。

（5）自動評分模塊。記錄學生的考核操作流程，并根據系統命令進行自動評分。

2 人臉識別系統

人臉識別系統技術的兩大核心部分是：人臉特征提取和人臉特征對比。人臉特征提取，是為了便于后續識別和屬性分析；人臉特征對比包括人臉圖片的加工處理以及與圖像庫中先前錄入的信息進行對比等相關操作［7］。

當前人臉識別有開源的方案如OpenCV［8］等。也有商業的，如百度人臉識別、騰訊云人臉識別等。百度人臉識別是一套基于深度學習的人臉識別解決方案，包括人臉檢測與屬性分析、人臉對比、人臉識別與搜索等功能模塊。

本文采用百度人臉識別API 開發了學生身份識別系統，并設計了一套適用于軌道交通模擬駕駛環境的人臉識別系統應用流程，如圖1 所示。指導教師在電腦操作界面對人臉識別的攝像頭進行初始化，并選擇考勤模式。然后，學生進入軌道交通模擬駕駛室，正視攝像頭，系統完成人臉特征識別，與先前錄入的所有學生的人臉信息進行對比，辨識操作者身份，并錄入操作者信息。綠燈閃爍，即本次人臉識別環節完成，學生則可開始進行具體的考核操作。

圖1 人臉識別系統應用流程Fig.1 Application process of face recognition system

3 考核實驗與結果分析

3.1 考核方案

對于軌道交通司機來說，最主要的駕駛技術集中體現為：車輛準點到達、精確開關列車門，以及排除突發故障。為更貼近實際的軌道交通駕駛操作流程，以上海地鐵N 號線某某路段為背景，設計了兩種模擬駕駛考核方案。學生進行情景模擬，針對不同的駕駛情況進行考核。方案A 和方案B 操作詳情見表1。

表1 模擬駕駛考核操作方案Tab.1 Two operation schemes for simulated driving assessment

由表1 可知，方案A 的操作內容包括：對標停車（車站區間內正常位置停車點處停車）、忘開車門（停車后忘開車門應對措施）、超速（列車運行超過限速，但未觸發緊急制動）、超速制動（因超速發出緊急制動后的操作）。方案B 的操作內容包括：標前停車（車站區間內正常位置停車點處停車）、錯開車門（按壓錯誤開門按鈕后應對措施）、碰撞制動（由于異物侵入限界發生碰撞，緊急制動后的操作）。

3.2 考核流程

學生進行軌道交通模擬駕駛考核的操作流程如圖2 所示。學生進入軌道交通模擬駕駛室，進行人臉識別環節。操作者根據模擬駕駛臺顯示器演示的場景做出相應操作，駕駛臺對操作者所做的反應進行全程采集并判斷操作得分。同時，兩機位攝像頭對操作過程進行全程錄像。

圖2 軌道交通模擬駕駛考核流程Fig.2 Flow chart of rail transit simulation driving assessment

3.3 結果分析

針對考核方案，安排10 位學生，分別在開啟人臉識別系統和未開啟人臉識別系統兩種情況下，對學生的軌道交通模擬駕駛操作進行考核。

未開啟人臉識別系統時，學生依次到指導教師處核對并登記個人信息，然后按照順序進行考核操作，同時，在學生進行操作時，需由另一名指導教師在旁陪同及觀看，并記錄操作失誤點，以供后續打分環節。當開啟人臉識別系統時，學生的個人信息登記與核對只需人臉識別系統完成即可，不需額外配置教學人員，只需一位指導教師，在模擬駕駛臺處陪同，指導學生按流程操作。考核結果見表2。

表2 不同考核模式人員配置及時間對比Tab.2 Comparison of staffing and time of different assessment modes

實驗證明，在軌道交通模擬駕駛操作考核中，利用人臉識別系統顯著提高了考核效率，并且減少了教師人數。

4 結束語

在軌道交通模擬駕駛教學及考核過程中，利用人臉識別系統完善了模擬駕駛室信息化建設、有利于推廣無紙化教學、優化教學人員的配置，有效整治“代簽到”、“ 遲簽到”等不正學風，提高了學校的考試誠信度。

通過人臉識別系統中的全程錄像功能，建立軌道交通模擬駕駛臺系統教學與考核后的操作分析和再學習機制，記錄考核過程中學生的各項操作流程及細節部分，便于后續重復觀看，進行視頻教學及糾錯分析等環節。同時也為后期的教學檢查等環節提供了完整、準確的教學資料。