列車駕駛仿真器評價系統設計

馮永崗，朱金陵

（西南交通大學 智能控制與仿真工程研究中心， 成都 610031）

為了滿足當前鐵路高素質司機的大量需求，進一步提高列車司機的駕駛水平和操作能力，我國研制并成功推廣了列車駕駛仿真器培訓系統，極大地改善了列車司機培訓的效果。然而，在目前的列車駕駛仿真器培訓系統研究工作中，考核評價體系及其計算機自動考核評價功能方面的研究很少。考核評價作為學員培訓工作的重要環節沒有得到足夠的重視，目前只是利用教練員主觀評分的方式進行有限指標的評分工作。這種有限指標的主觀評價方式不僅系統性差，而且易受人為因素影響，很難客觀、公正的評價學員的真實操作水平。因此，本文針對以上問題，在完成對列車駕駛仿真器評價系統的功能需求及設計方法研究的基礎上，提出了駕駛仿真器評價系統的總體設計思路及其關鍵技術。

1 系統總體設計

1.1 列車駕駛仿真器簡介

列車駕駛仿真培訓系統由駕駛仿真器、教員系統、觀摩系統等部分組成。系統硬件部分主要實現了與列車駕駛操作相關的模擬駕駛室，與教員監控相關的教員臺設備等。軟件部分主要實現與列車運行相關的線路條件、信號狀況、設備狀態、運動動感、天氣變化等運行環境模擬，同時模擬駕駛系統能夠實現列車故障、運行過程非正常狀況等情況的模擬功能。列車駕駛仿真器框架結構如圖1所示。

圖1 列車駕駛仿真器框架結構圖

由上圖1可知，列車駕駛仿真器系統的核心模塊之一是主控系統。其主要功能是各模塊數據的采集、分析、協調與處理，其在仿真器軟件系統中處于中心樞紐的位置。（1）與功能仿真計算機的數據交互傳送列車運行邏輯、線路、信號、操作工況等模型計算結果數據。（2）與運動控制計算機的數據交互，實現列車運動動感的模擬；（3）通過與視景、音頻計算機的數據交互，實現駕駛員視覺和聽覺的沉浸環境模擬；（4）接口計算機實現列車駕駛仿真器司機交互環境的全功能模擬。

在列車駕駛仿真器運行過程中，整個大系統是一個基于以太網的分布式實時交互仿真系統，計算機間通過UDP協議交換數據，完成控制命令及各類參數的實時傳遞。當課程培訓或考試完成后，主控系統記錄評價所需要的數據并傳遞給評價系統，供評價系統進行計算機自動評價。

1.2 評價系統方案設計

基于列車駕駛仿真器平臺化要求，將評價系統作為列車駕駛仿真培訓平臺子系統的設計思路進行設計。

列車駕駛模擬器操作評價系統采用3層C/S（客戶端/服務器）結構進行設計。系統從應用邏輯上可劃分為3層。其系統架構圖為2所示。

圖2 操作評價系統軟件架構圖

評價系統能夠準確合理地實現駕駛仿真訓練結果的自動評分。（1）涉及評分標準和評分準則的建立（評價標準指的是評價指標的理論表述，評分規則是評價標準的規則量綱化、數據化），并且以計算機能夠識別的數據形式進行儲存；（2）需要對仿真器主控系統采集的操作及記錄數據進行合理的結構設計并存儲；（3）要能夠完成準確可靠的評價，需要結合評價指標體系并針對不同的類型制定科學合理的評分方法；（4）還需要通過合理的顯示方式予以輸出，真正實現為教員的考評鑒定提供支持。

評價系統的總體方案設計如圖3所示。

圖3 仿真器評價系統方案模塊結構

1.3 各模塊的組成和功能

如圖3操作評價系統方案設計所示，操作評價系統主要由4個子模塊組成：

評價體系及模版模塊：主要功能包括：（1）分類實現一次乘務作業、標準化作業、運行早晚點、故障處理、非正常行車等項目細則；（2）實現開發編輯與客戶編輯分類編輯功能，有利于不斷更新評價規則及評判細則；（3）建立與數據庫的聯系，實現模板的添加、刪除、更新等數據庫操作。本模板模塊的設計克服了鐵路列車車型眾多、評價規則路局各異的難題。

仿真器數據管理模塊：主要包括了數據存儲及數據管理功能。針對仿真器數據眾多且類型各異的特點，數據管理模塊設計完成對主控數據存儲的結構設計及主控數據的評價系統解析任務。

評價模塊：評價系統的核心部分，主要分為主觀評價和客觀評價兩部分。

評價結果輸出模塊：主要以成績單和具有評價提示的操縱示意圖的形式顯示評價結果。系統可實現錯誤操作的記錄及錯誤信息的解釋功能。

2 系統操作流程

評價系統的評分流程見圖4。

圖4 評價系統程序流程圖

3 系統實現關鍵技術

3.1 評價方法設計

列車駕駛仿真器培訓系統按照目標層次式評估體系構建。在培訓過程中，按照由合格駕駛列車司機到優秀列車司機遞進式的培訓方向，設計了基于初、中、高級3個階段的培訓過程。

3.1.1 初級階段

列車基本規章制度操作考核階段。采用單一指標評價方法可解決。大體流程如圖5所示。

圖5 單一指標評價方法流程圖

3.1.2 中級階段

列車故障與非正常行車處理評價階段。仿真器故障演練中教員可設置的故障包括了列車機械故障、電氣故障、信號故障等許多內容。列車應急故障模擬的評價難點在于設備眾多、邏輯性強，組合復雜。非正常行車演練中教員可設置的非正常狀況包括：刮弓故障、機車分離、救援被救援等一系列課程。

上面兩類評價內容的共同特點是具有特定的操作流程。因此設計基于邏輯序列的故障及非正常行車評價方法解決。基本流程：（1）系統不斷收集跟蹤事件消息列表，如果收到消息之后，判斷事件類型。通過事件類型的判斷，定位選擇具體事件及其事件的規則數據庫，完成判斷規則的動態數據庫初始化工作。（2）收集操作記錄中的學員針對本次事件的操作記錄。如果未發現記錄即跳出判斷，輸出結果及其說明。若找到操作處理記錄數據，則通過判斷規則以及前導條件、后節條件匹配，如此循環可完成本事件操作的評價工作。考核評分的具體過程如圖6所示。

3.1.3 高級階段

模糊綜合評價方法針對列車駕駛過程進行評價，解決司機考評的安全、正點、節能、舒適等柔性需求，使未有硬性錯誤操縱的學員考核具有區分度。數學模型由以下5方面構成 。其中，U：評判因素集； V：評判等級集； R：評判矩陣。 A：評判因素的權重； B：評判結果。

采用模糊綜合評價方法的重點在于評級指標權重的獲取以及模糊指標的隸屬度函數確定。為了減少評價指標權重主觀性的難點，采用了層次分析法對各層目標的指標權重進行量化。同時針對各模糊指標進行了分解并逐一建立隸屬度函數。如圖7以節能性指標子要素結構為例。

評價要素集合為：U={U1,U2,U3,U4}，各子集權重為：A={A1,A2,A3,A4}，評判等級集合為：V={v1,v2, …,vn} 。

其中，各單要素子集分別為：U1={u11,u12, …,u1m}，U2={u21,u22, …,u2m}，U3={u31,u32, …,u3m}，U4={u41,u42, …,u4m}。其中U1：安全性指標，U2：正點性指標，U3：節能性指標，U4：舒適性指標。

評判矩陣：

假設V={優，良，合格，不合格}，則可作出如下判斷：

若b1＞b2, b3,b4，則評價結果為優；

若b2＞b1, b3,b4，則評價結果為良；

若b3＞b1, b2,b4，則評價結果為合格；

若b4＞b1, b3,b3，則評價結果為不合格。

3.2 數據管理設計

圖6 故障及非正常行車評價過程

圖7 節能性指標各層結構劃分示意圖

仿真器系統數據龐雜，類型眾多，為了滿足系統拓展性及通用性要求，需要針對各種車型的仿真器制定統一的數據存儲格式及通用性的數據接口。通過研究發現，仿真器數據大致可以分為仿真器操作記錄數據（設備狀態、信號狀態、速度值、列車管壓力值等）和運行環境支持數據（線路數據、課程信息數據、時刻表數據等）。運行環

境支持數據由于其形式和內容基本固定，因此一次加載即可。而仿真器操作記錄數據因為其內容的時變性，單純依靠周期將記錄數據全部記錄的話，將會生成大量重復且無用的數據，不僅需要評價系統開發相應的數據篩選壓縮算法，同時也嚴重影響了評價系統的處理性能。鑒于記錄數據的特點，應用數據對象化的分析方法對數據進行分類。仿真器記錄數據按照數據類型主要分為float型（如速度、位置、列車管壓力）、bool

型（如主斷路器狀態、受電弓狀態、空轉狀態）、int型（如換向手柄位置、機車工況、機內信號狀態）等。按照數據特點分為連續變量（如速度、管壓等）和離散變量（如主斷狀態、信號狀態等）。為解決數據格式及存儲管理的問題，開發數據訂購及管理模塊進行處理。

數據訂購及管理模塊主要完成兩方面的功能。（1）數據的訂購：仿真器程序運行過程中主控系統通過調用數據訂購模塊，將評價系統所需的數據進行保存。其優點保存所需要的數據，未訂購的數據不會保存。（2）數據的管理：由于數據屬性的差異，針對離散數據只要是數據發生變化的時候才保存一次；針對連續數據，在數據對象化處理過程中設置數據改變的閾值。如果數據變化超過設定的閾值才記錄一次。這樣的處理方式將是仿真器數據的保存更高效更合理這樣的處理方式將使仿真器數據的保存更高效更合理。

數據訂購及管理模塊如圖8所示。

由于仿真器系統運算周期為50 ms，因此仿真器記錄數據同樣按照周期以數據包的形式保存。其中包頭信息保存了系統版本號、線路數據、課程信息數據、備注信息數據等，而記錄信息將包含在每個數據包中。

圖8 仿真器數據存儲格式及內容

4 結束語

列車駕駛仿真器評價系統是對列車司機在仿真器培訓系統中實際駕駛的表現進行自動評價的系統，該系統已在鐵路培訓部門試用，取得了良好的效果。系統通過建立模板庫及開發模板庫生成工具，實現了擴展性要求。客觀評價與主觀評價的分類實現，增強了教員參與評價結果的靈活性。同時，針對不同情況設計的評價方法，通過程序的靈活調度實現各層次各階段的客觀評價，體現了程序設計的先進性。該評價系統的研究工作將為我國模擬駕駛仿真系統裝備的提升發揮重要作用。

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