城市軌道列車(chē)駕駛虛擬仿真系統(tǒng)研究

楊海紅 王佳

（1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 上海市 201103 2.杭州地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司 浙江省杭州市 310021）

隨著城市軌道交通新線的不斷開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，軌道交通對(duì)高素質(zhì)從業(yè)人員特別是技能型人才的需求越發(fā)迫切。列車(chē)駕駛員作為重要崗位之一，需保障城市軌道列車(chē)按照列車(chē)運(yùn)行圖完成每天輸送乘客的任務(wù)，還需通過(guò)專(zhuān)業(yè)的操作技能保障行車(chē)安全。而傳統(tǒng)的教學(xué)培訓(xùn)模式場(chǎng)景單一，不僅增加了帶教師傅的駕駛?cè)蝿?wù)，且新手司機(jī)無(wú)法上手操作，難免會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間跟車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生疲勞感。與此同時(shí)，短時(shí)間的跟車(chē)難以經(jīng)歷運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能發(fā)生的所有事故狀況。因此，對(duì)新手司機(jī)的崗前培訓(xùn)進(jìn)行研究具有一定的必要性。

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展得到了很大的進(jìn)步，虛擬駕駛仿真技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)成為交通領(lǐng)域的熱門(mén)技術(shù)。隨著虛擬駕駛仿真中的關(guān)鍵技術(shù)不斷升級(jí)，逐漸為駕駛員提供了一個(gè)沉浸感，交互感強(qiáng)，逼真度高，實(shí)時(shí)性好的駕駛環(huán)境。許多學(xué)者對(duì)地鐵駕駛模擬器中的視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究，王靜環(huán)[1]采用MultiGen Creator 可視化建模軟件進(jìn)行建模，構(gòu)建地鐵站臺(tái)和軌道的三維模型。黃曉明[2]采用Vega 對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行仿真驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人工駕駛列車(chē)操作，同時(shí)對(duì)地鐵車(chē)站、軌道和周?chē)h(huán)境模型進(jìn)行集成完成三維建模的創(chuàng)建。李殿勛[3]設(shè)計(jì)分析地鐵駕駛模擬器的功能實(shí)現(xiàn)、設(shè)備仿真實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計(jì)方面，完成了模擬器的裝配、調(diào)試和運(yùn)行。葉華平等[4]根據(jù)上海軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的虛擬駕駛仿真系統(tǒng)。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(jié)合Oculus 虛擬現(xiàn)實(shí)硬件建立地鐵虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)，完整展現(xiàn)了以地鐵司機(jī)為第一人稱(chēng)視角的列車(chē)駕駛操作以及各種故障情況的模擬。但是這些系統(tǒng)并未從仿真系統(tǒng)的適用性角度出發(fā)，故本文將針對(duì)駕駛員的作業(yè)行為與環(huán)境，研究一個(gè)應(yīng)用廣、適用性強(qiáng)的虛擬駕駛仿真系統(tǒng)。

1 地鐵駕駛作業(yè)行為與環(huán)境分析

1.1 地鐵駕駛作業(yè)分析

首先對(duì)駕駛員的任務(wù)步驟進(jìn)行分析。駕駛員完成一整條線路運(yùn)行一般包括以下任務(wù)：出庫(kù)任務(wù)、發(fā)車(chē)任務(wù)、正線行車(chē)任務(wù)、折返任務(wù)和入庫(kù)任務(wù)，再將各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行分解，可得21 項(xiàng)作業(yè)：

（1）出庫(kù)任務(wù)：出勤前準(zhǔn)備工作、檢車(chē)作業(yè)、靜態(tài)檢查、動(dòng)態(tài)檢查；

（2）發(fā)車(chē)任務(wù)：瞭望、按接收信號(hào)指示、駕駛列車(chē)出場(chǎng)、行駛至正線；

（3）正線運(yùn)行任務(wù)：區(qū)間運(yùn)行、進(jìn)站作業(yè)、列車(chē)開(kāi)門(mén)、列車(chē)關(guān)門(mén)、列車(chē)動(dòng)車(chē)；

（4）折返任務(wù)：清客、確認(rèn)進(jìn)路狀態(tài)、確認(rèn)防護(hù)信號(hào)、確認(rèn)道岔位置；

（5）入庫(kù)任務(wù)：清客、瞭望、轉(zhuǎn)換列車(chē)駕駛模式、停車(chē)點(diǎn)停車(chē)。

由此可見(jiàn)，駕駛員作業(yè)場(chǎng)景較多，而傳統(tǒng)的訓(xùn)練模式僅適用于單一或者個(gè)別場(chǎng)景的訓(xùn)練，故需要運(yùn)用虛擬駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種駕駛場(chǎng)景的駕駛?cè)蝿?wù)訓(xùn)練，進(jìn)而達(dá)到訓(xùn)練目的和效果。

1.2 地鐵駕駛環(huán)境分析

通過(guò)大量的文獻(xiàn)將列車(chē)線路運(yùn)行環(huán)境中對(duì)駕駛員駕駛作業(yè)影響的因素分為兩類(lèi)。第一類(lèi)因素：環(huán)境因素，例如光線、惡劣天氣等；第二類(lèi)因素：設(shè)備因素，如設(shè)備運(yùn)行噪聲、軌道結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、軌道抗滑能力降低、行車(chē)設(shè)備破壞等。

在列車(chē)駕駛操作環(huán)境中，為了盡量減少周遭環(huán)境對(duì)駕駛員造成干擾，司機(jī)室具有一定的封閉性，且大部分面積被司機(jī)操縱臺(tái)占據(jù)。而在線路運(yùn)行過(guò)程中，駕駛員需監(jiān)護(hù)線路狀況和設(shè)備信息，因此需要一定的認(rèn)知能力和信息儲(chǔ)備完成對(duì)各類(lèi)設(shè)備的準(zhǔn)確操作。狹隘的駕駛室環(huán)境會(huì)對(duì)駕駛員造成一定的壓抑感，可能會(huì)降低駕駛員的認(rèn)知能力和信息儲(chǔ)備能力。

在列車(chē)正線運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生突發(fā)事件，駕駛員不僅要正確處理突發(fā)事件，還需通過(guò)廣播安撫乘客情緒，避免造成更大范圍內(nèi)的恐慌情緒，同時(shí)向車(chē)站和運(yùn)營(yíng)調(diào)度員匯報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況，配合現(xiàn)場(chǎng)救援搶險(xiǎn)工作。在這些工作過(guò)程中，駕駛員工作任務(wù)加重，心理負(fù)擔(dān)加大，直接影響了司機(jī)駕駛操作的安全性。

在現(xiàn)實(shí)駕駛訓(xùn)練中，以上兩個(gè)因素都無(wú)法避免，而用虛擬駕駛系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)實(shí)駕駛訓(xùn)練中出現(xiàn)的不合理問(wèn)題，很大程度上減少列車(chē)線路運(yùn)行環(huán)境對(duì)駕駛員作業(yè)的影響。

2 虛擬駕駛仿真系統(tǒng)適用性分析

目前的虛擬駕駛系統(tǒng)分為兩類(lèi)：第一類(lèi)包括提供人機(jī)交互操作的司機(jī)操縱臺(tái)，提供線路信息與場(chǎng)景信息的屏幕或投影儀，提供運(yùn)行環(huán)境中各種聲音的音響設(shè)備。第二類(lèi)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，司機(jī)使用頭盔和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備提供逼真度高，沉浸感強(qiáng)的模擬駕駛環(huán)境。鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更具交互感、逼真性以及適用性，本文所使用的是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可對(duì)運(yùn)行事故、駕駛操作影響因素、運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行仿真分析。

2.1 運(yùn)行事故仿真分析

事件發(fā)生后可采用仿真技術(shù)驗(yàn)證分析所得的事故原因，確保事故分析的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，仿真分析可對(duì)影響事故發(fā)生的薄弱性環(huán)節(jié)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，明確運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，以便為后續(xù)的運(yùn)營(yíng)提出整改措施。此外，地鐵列車(chē)虛擬仿真技術(shù)可以還原事故過(guò)程，做警示教育，讓駕駛員明確該類(lèi)運(yùn)行事故的處理方法，避免事故的發(fā)生。

2.2 駕駛操作影響因素仿真分析

在虛擬仿真環(huán)境下，設(shè)置單一變量，通過(guò)監(jiān)測(cè)駕駛操作對(duì)影響因素進(jìn)行定性和定量分析。例如分析司機(jī)室內(nèi)照明燈具的排布是否會(huì)對(duì)駕駛操作產(chǎn)生影響，在對(duì)司機(jī)室照明環(huán)境進(jìn)行的優(yōu)化的過(guò)程中，保持其他條件不變，分別完成每一種優(yōu)化后的光線照明環(huán)境，并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)各類(lèi)照明環(huán)境的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 運(yùn)營(yíng)環(huán)境仿真分析

操作者可以選取不同的運(yùn)營(yíng)環(huán)境對(duì)駕駛員的操作進(jìn)行培訓(xùn)和測(cè)試。例如針對(duì)大客流情況，為了能夠安全疏散客流，車(chē)站會(huì)根據(jù)具體情況建立大客流控制預(yù)案，而虛擬仿真也可以針對(duì)預(yù)案對(duì)站臺(tái)客流疏散進(jìn)行仿真演練。

3 地鐵列車(chē)駕駛虛擬仿真系統(tǒng)

城市軌道列車(chē)駕駛虛擬仿真系統(tǒng)針對(duì)駕駛操作的基本特點(diǎn)，以視景仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支撐核心，結(jié)合三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)，文本，聲音，視覺(jué)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路場(chǎng)景搭建、司機(jī)室基本功能、室外主要設(shè)備的真實(shí)模擬。

3.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)駕駛環(huán)境場(chǎng)景仿真、駕駛理論知識(shí)學(xué)習(xí)、駕駛操作模擬演練、培訓(xùn)考核和觀看駕駛過(guò)程錄像回放等需求，仿真系統(tǒng)包括五個(gè)功能模塊。

（1）信息設(shè)置管理模塊。用戶可以通過(guò)設(shè)置個(gè)人信息使系統(tǒng)保存?zhèn)€人學(xué)習(xí)記錄，方便下一次登錄時(shí)可看到自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和訓(xùn)練結(jié)果。地鐵公司也可以輸入單位信息查看駕駛員的訓(xùn)練結(jié)果，以便了解駕駛員的學(xué)習(xí)狀況。

（2）三維交互操作模塊。用戶可以在三維虛擬場(chǎng)景中通過(guò)司機(jī)駕駛操縱臺(tái)進(jìn)行場(chǎng)景選擇、列車(chē)控制、操縱臺(tái)按鈕操作等三維漫游功能，了解駕駛室的設(shè)備、基本功能、不同駕駛場(chǎng)景等。三維交互可以使用戶身臨其境地感受駕駛運(yùn)行環(huán)境和操作，對(duì)虛擬場(chǎng)景下的駕駛體驗(yàn)建立更直觀的感受。

（3）理論知識(shí)學(xué)習(xí)模塊。系統(tǒng)提供駕駛理論知識(shí)查看和學(xué)習(xí)的功能。受訓(xùn)人員可以觀看駕駛學(xué)習(xí)視頻進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，通過(guò)模擬駕駛鞏固和增強(qiáng)自己的駕駛技能。通過(guò)這一模塊，可以進(jìn)一步促進(jìn)駕駛作業(yè)流程的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

（4）突發(fā)事件虛擬演練模塊。用戶可選擇不同的突發(fā)事件場(chǎng)景，依據(jù)不同的場(chǎng)景環(huán)境和要求完成相應(yīng)的駕駛操作訓(xùn)練。在這一模塊可以增強(qiáng)用戶的熟練程度，同時(shí)多次模擬可在一定程度上提升駕駛員的心理素質(zhì)。

（5）考核評(píng)價(jià)模塊。系統(tǒng)針對(duì)駕駛操作設(shè)置考核內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)，司機(jī)可在訓(xùn)練結(jié)束以后查詢(xún)?cè)u(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合訓(xùn)練指標(biāo)觀看駕駛過(guò)程記錄視頻，復(fù)盤(pán)駕駛操作過(guò)程中的失誤和不足之處。

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)地鐵列車(chē)駕駛虛擬仿真系統(tǒng)的需求和功能，本地鐵列車(chē)駕駛虛擬仿真系統(tǒng)由四大部分組成，分別是“顯示層”、“數(shù)據(jù)層”、“邏輯服務(wù)層”、“業(yè)務(wù)邏輯層”。系統(tǒng)總體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

其中，顯示層包括3D 顯示部分和用戶操作界面；數(shù)據(jù)層包括3D 模型數(shù)據(jù)、動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)、場(chǎng)景腳本數(shù)據(jù)、駕駛知識(shí)數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)；邏輯服務(wù)層負(fù)責(zé)各模塊間的訪問(wèn)；業(yè)務(wù)邏輯層由整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程和相關(guān)系統(tǒng)組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能模塊的內(nèi)在邏輯。

3.3 系統(tǒng)三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建

三維虛擬場(chǎng)景主要包括虛擬司機(jī)操作臺(tái)、聲音仿真模塊、運(yùn)行主體環(huán)境、列車(chē)運(yùn)行模擬、突發(fā)應(yīng)急場(chǎng)景模塊。其中，虛擬司機(jī)操作臺(tái)包括各類(lèi)按鈕、顯示面板、操縱手柄、各類(lèi)儀表等。聲音仿真模塊包括運(yùn)行環(huán)境聲效、輪軌聲效、廣播系統(tǒng)聲效、車(chē)輛設(shè)備聲效、車(chē)站站臺(tái)環(huán)境聲效以及駕駛環(huán)境中的各類(lèi)聲效。運(yùn)行主體環(huán)境包括高架環(huán)境、隧道環(huán)境、地面周?chē)h(huán)境、站臺(tái)環(huán)境以及軌旁各類(lèi)設(shè)施設(shè)備。列車(chē)運(yùn)行模擬包括地鐵列車(chē)的振動(dòng)傳感與運(yùn)行控制，列車(chē)的線路運(yùn)行狀態(tài)主要分為啟動(dòng)、牽引、惰性、制動(dòng)、停車(chē)等狀態(tài)?？蛇x取駕駛員正線運(yùn)行的車(chē)輛作為仿真列車(chē)模型，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)模擬三維虛擬場(chǎng)景下車(chē)輛運(yùn)行控制和振動(dòng)感知以及列車(chē)周?chē)奶摂M環(huán)境。突發(fā)應(yīng)急場(chǎng)景模塊包括惡劣天氣、車(chē)站大客流、前方線路異物侵入等情況。

建立場(chǎng)景模型時(shí)首先要對(duì)主體場(chǎng)景進(jìn)行建模。根據(jù)運(yùn)行環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，真實(shí)記錄運(yùn)行環(huán)境的視頻內(nèi)容和實(shí)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(duì)高架、隧道、地面、站臺(tái)、軌旁設(shè)備進(jìn)行三維建模。

地鐵車(chē)輛外形以及駕駛操作臺(tái)借助實(shí)際平面效果圖，使用實(shí)時(shí)渲染和幾何優(yōu)化等技術(shù)提高圖像質(zhì)量。使得計(jì)算機(jī)上生成與真實(shí)照片難以區(qū)分的圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互式真實(shí)照片模擬。列車(chē)駕駛員手部模型通過(guò)挑選合適的人體手部骨骼模型，再配上相應(yīng)的貼圖對(duì)手部細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化處理，建設(shè)駕駛員手部操作模型。

最后在整體駕駛環(huán)境模型建立完成后，利用VRP 三維互動(dòng)仿真平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)所需場(chǎng)景模型進(jìn)行集成，建立虛擬駕駛場(chǎng)景，完成可視化和交互功能。

4 總結(jié)

本文在對(duì)地鐵列車(chē)駕駛員操作任務(wù)及影響因素梳理的基礎(chǔ)上，結(jié)合地鐵公司和駕駛員對(duì)于地鐵列車(chē)駕駛虛擬仿真系統(tǒng)的功能需求，給出了一種針對(duì)地鐵列車(chē)駕駛?cè)蝿?wù)訓(xùn)練的虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以幫助駕駛員在虛擬仿真場(chǎng)景下完成駕駛操作訓(xùn)練，同時(shí)添加理論學(xué)習(xí)模塊幫助駕駛員營(yíng)造“學(xué)習(xí)+練習(xí)”一體化的訓(xùn)練氛圍，使地鐵公司及時(shí)了解各駕駛員訓(xùn)練進(jìn)度和情況以幫助選拔駕駛作業(yè)技能優(yōu)秀的駕駛員上崗。同時(shí)，虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景的高真實(shí)度，強(qiáng)沉浸感有助于高效培訓(xùn)，縮短培訓(xùn)周期，對(duì)于駕駛員核心駕駛技能的培訓(xùn)提供了極大的幫助。