城市軌道列車駕駛虛擬仿真系統研究

楊海紅 王佳

（1.上海申通地鐵集團有限公司 上海市 201103 2.杭州地鐵集團有限責任公司運營分公司 浙江省杭州市 310021）

隨著城市軌道交通新線的不斷開通運營，軌道交通對高素質從業人員特別是技能型人才的需求越發迫切。列車駕駛員作為重要崗位之一，需保障城市軌道列車按照列車運行圖完成每天輸送乘客的任務，還需通過專業的操作技能保障行車安全。而傳統的教學培訓模式場景單一，不僅增加了帶教師傅的駕駛任務，且新手司機無法上手操作，難免會在長時間跟車過程中產生疲勞感。與此同時，短時間的跟車難以經歷運營過程中可能發生的所有事故狀況。因此，對新手司機的崗前培訓進行研究具有一定的必要性。

近年來，虛擬現實技術的發展得到了很大的進步，虛擬駕駛仿真技術在國外已經成為交通領域的熱門技術。隨著虛擬駕駛仿真中的關鍵技術不斷升級，逐漸為駕駛員提供了一個沉浸感，交互感強，逼真度高，實時性好的駕駛環境。許多學者對地鐵駕駛模擬器中的視景仿真系統進行研究，王靜環[1]采用MultiGen Creator 可視化建模軟件進行建模，構建地鐵站臺和軌道的三維模型。黃曉明[2]采用Vega 對場景進行仿真驅動，實現人工駕駛列車操作，同時對地鐵車站、軌道和周圍環境模型進行集成完成三維建模的創建。李殿勛[3]設計分析地鐵駕駛模擬器的功能實現、設備仿真實現、軟件設計方面，完成了模擬器的裝配、調試和運行。葉華平等[4]根據上海軌道交通系統的特點，提出了一種基于個人計算機的虛擬駕駛仿真系統。蒲凡，張志俊[5]等人提出以Unity3D 引擎為核心，使用3dsMax 軟件建模，結合Oculus 虛擬現實硬件建立地鐵虛擬現實仿真平臺，完整展現了以地鐵司機為第一人稱視角的列車駕駛操作以及各種故障情況的模擬。但是這些系統并未從仿真系統的適用性角度出發，故本文將針對駕駛員的作業行為與環境，研究一個應用廣、適用性強的虛擬駕駛仿真系統。

1 地鐵駕駛作業行為與環境分析

1.1 地鐵駕駛作業分析

首先對駕駛員的任務步驟進行分析。駕駛員完成一整條線路運行一般包括以下任務：出庫任務、發車任務、正線行車任務、折返任務和入庫任務，再將各項任務進行分解，可得21 項作業：

（1）出庫任務：出勤前準備工作、檢車作業、靜態檢查、動態檢查；

（2）發車任務：瞭望、按接收信號指示、駕駛列車出場、行駛至正線；

（3）正線運行任務：區間運行、進站作業、列車開門、列車關門、列車動車；

（4）折返任務：清客、確認進路狀態、確認防護信號、確認道岔位置；

（5）入庫任務：清客、瞭望、轉換列車駕駛模式、停車點停車。

由此可見，駕駛員作業場景較多，而傳統的訓練模式僅適用于單一或者個別場景的訓練，故需要運用虛擬駕駛系統實現多種駕駛場景的駕駛任務訓練，進而達到訓練目的和效果。

1.2 地鐵駕駛環境分析

通過大量的文獻將列車線路運行環境中對駕駛員駕駛作業影響的因素分為兩類。第一類因素：環境因素，例如光線、惡劣天氣等；第二類因素：設備因素，如設備運行噪聲、軌道結構、橋梁結構、軌道抗滑能力降低、行車設備破壞等。

在列車駕駛操作環境中，為了盡量減少周遭環境對駕駛員造成干擾，司機室具有一定的封閉性，且大部分面積被司機操縱臺占據。而在線路運行過程中，駕駛員需監護線路狀況和設備信息，因此需要一定的認知能力和信息儲備完成對各類設備的準確操作。狹隘的駕駛室環境會對駕駛員造成一定的壓抑感，可能會降低駕駛員的認知能力和信息儲備能力。

在列車正線運行過程中發生突發事件，駕駛員不僅要正確處理突發事件，還需通過廣播安撫乘客情緒，避免造成更大范圍內的恐慌情緒，同時向車站和運營調度員匯報現場情況，配合現場救援搶險工作。在這些工作過程中，駕駛員工作任務加重，心理負擔加大，直接影響了司機駕駛操作的安全性。

在現實駕駛訓練中，以上兩個因素都無法避免，而用虛擬駕駛系統能夠解決現實駕駛訓練中出現的不合理問題，很大程度上減少列車線路運行環境對駕駛員作業的影響。

2 虛擬駕駛仿真系統適用性分析

目前的虛擬駕駛系統分為兩類：第一類包括提供人機交互操作的司機操縱臺，提供線路信息與場景信息的屏幕或投影儀，提供運行環境中各種聲音的音響設備。第二類是利用虛擬現實技術，司機使用頭盔和數據手套等設備提供逼真度高，沉浸感強的模擬駕駛環境。鑒于虛擬現實技術更具交互感、逼真性以及適用性，本文所使用的是虛擬現實技術，可對運行事故、駕駛操作影響因素、運行環境等進行仿真分析。

2.1 運行事故仿真分析

事件發生后可采用仿真技術驗證分析所得的事故原因，確保事故分析的準確性。與此同時，仿真分析可對影響事故發生的薄弱性環節進行反復試驗，明確運營過程中的風險點，以便為后續的運營提出整改措施。此外，地鐵列車虛擬仿真技術可以還原事故過程，做警示教育，讓駕駛員明確該類運行事故的處理方法，避免事故的發生。

2.2 駕駛操作影響因素仿真分析

在虛擬仿真環境下，設置單一變量，通過監測駕駛操作對影響因素進行定性和定量分析。例如分析司機室內照明燈具的排布是否會對駕駛操作產生影響，在對司機室照明環境進行的優化的過程中，保持其他條件不變，分別完成每一種優化后的光線照明環境，并進行模擬實驗，對各類照明環境的有效性進行驗證。

2.3 運營環境仿真分析

操作者可以選取不同的運營環境對駕駛員的操作進行培訓和測試。例如針對大客流情況，為了能夠安全疏散客流，車站會根據具體情況建立大客流控制預案，而虛擬仿真也可以針對預案對站臺客流疏散進行仿真演練。

3 地鐵列車駕駛虛擬仿真系統

城市軌道列車駕駛虛擬仿真系統針對駕駛操作的基本特點，以視景仿真技術和虛擬現實技術為支撐核心，結合三維動畫技術，文本，聲音，視覺設計等內容，實現對線路場景搭建、司機室基本功能、室外主要設備的真實模擬。

3.1 系統功能結構

根據駕駛環境場景仿真、駕駛理論知識學習、駕駛操作模擬演練、培訓考核和觀看駕駛過程錄像回放等需求，仿真系統包括五個功能模塊。

（1）信息設置管理模塊。用戶可以通過設置個人信息使系統保存個人學習記錄，方便下一次登錄時可看到自己的學習進度和訓練結果。地鐵公司也可以輸入單位信息查看駕駛員的訓練結果，以便了解駕駛員的學習狀況。

（2）三維交互操作模塊。用戶可以在三維虛擬場景中通過司機駕駛操縱臺進行場景選擇、列車控制、操縱臺按鈕操作等三維漫游功能，了解駕駛室的設備、基本功能、不同駕駛場景等。三維交互可以使用戶身臨其境地感受駕駛運行環境和操作，對虛擬場景下的駕駛體驗建立更直觀的感受。

（3）理論知識學習模塊。系統提供駕駛理論知識查看和學習的功能。受訓人員可以觀看駕駛學習視頻進行理論知識的學習，通過模擬駕駛鞏固和增強自己的駕駛技能。通過這一模塊，可以進一步促進駕駛作業流程的標準化建設。

（4）突發事件虛擬演練模塊。用戶可選擇不同的突發事件場景，依據不同的場景環境和要求完成相應的駕駛操作訓練。在這一模塊可以增強用戶的熟練程度，同時多次模擬可在一定程度上提升駕駛員的心理素質。

（5）考核評價模塊。系統針對駕駛操作設置考核內容和標準，司機可在訓練結束以后查詢評價結果，結合訓練指標觀看駕駛過程記錄視頻，復盤駕駛操作過程中的失誤和不足之處。

3.2 系統總體架構

根據地鐵列車駕駛虛擬仿真系統的需求和功能，本地鐵列車駕駛虛擬仿真系統由四大部分組成，分別是“顯示層”、“數據層”、“邏輯服務層”、“業務邏輯層”。系統總體構架圖如圖1所示。

圖1：系統總體構架圖

其中，顯示層包括3D 顯示部分和用戶操作界面；數據層包括3D 模型數據、動畫數據、場景腳本數據、駕駛知識數據、評價結果數據；邏輯服務層負責各模塊間的訪問；業務邏輯層由整個系統的業務流程和相關系統組成，用來實現相關功能模塊的內在邏輯。

3.3 系統三維虛擬場景構建

三維虛擬場景主要包括虛擬司機操作臺、聲音仿真模塊、運行主體環境、列車運行模擬、突發應急場景模塊。其中，虛擬司機操作臺包括各類按鈕、顯示面板、操縱手柄、各類儀表等。聲音仿真模塊包括運行環境聲效、輪軌聲效、廣播系統聲效、車輛設備聲效、車站站臺環境聲效以及駕駛環境中的各類聲效。運行主體環境包括高架環境、隧道環境、地面周圍環境、站臺環境以及軌旁各類設施設備。列車運行模擬包括地鐵列車的振動傳感與運行控制，列車的線路運行狀態主要分為啟動、牽引、惰性、制動、停車等狀態。可選取駕駛員正線運行的車輛作為仿真列車模型，根據實際測得的列車運行狀態模擬三維虛擬場景下車輛運行控制和振動感知以及列車周圍的虛擬環境。突發應急場景模塊包括惡劣天氣、車站大客流、前方線路異物侵入等情況。

建立場景模型時首先要對主體場景進行建模。根據運行環境實測數據，真實記錄運行環境的視頻內容和實拍照片為建模做參考。使用3DSMax 軟件采用多邊形建模的方法對高架、隧道、地面、站臺、軌旁設備進行三維建模。

地鐵車輛外形以及駕駛操作臺借助實際平面效果圖，使用實時渲染和幾何優化等技術提高圖像質量。使得計算機上生成與真實照片難以區分的圖像，實現對虛擬環境的實時交互式真實照片模擬。列車駕駛員手部模型通過挑選合適的人體手部骨骼模型，再配上相應的貼圖對手部細節進行優化處理，建設駕駛員手部操作模型。

最后在整體駕駛環境模型建立完成后，利用VRP 三維互動仿真平臺對系統所需場景模型進行集成，建立虛擬駕駛場景，完成可視化和交互功能。

4 總結

本文在對地鐵列車駕駛員操作任務及影響因素梳理的基礎上，結合地鐵公司和駕駛員對于地鐵列車駕駛虛擬仿真系統的功能需求，給出了一種針對地鐵列車駕駛任務訓練的虛擬仿真系統。該系統可以幫助駕駛員在虛擬仿真場景下完成駕駛操作訓練，同時添加理論學習模塊幫助駕駛員營造“學習+練習”一體化的訓練氛圍，使地鐵公司及時了解各駕駛員訓練進度和情況以幫助選拔駕駛作業技能優秀的駕駛員上崗。同時，虛擬訓練場景的高真實度，強沉浸感有助于高效培訓，縮短培訓周期，對于駕駛員核心駕駛技能的培訓提供了極大的幫助。