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  列车机车虚拟现实驾驶模拟教学系统(部分)

     来源:视科创新(北京公司)
     撰文:工程部 李子

    注:本文为部分内容,如需了解详情请致电:010-52868596 或 13371637112

    列车驾驶模拟系统是一种先进的、安全的、高效的培训工具,它通过对列车性能和驾驶操作流程的仿真构建一个高度真实感的驾驶环境,为受训司机提供培训的环境与手段。司机在模拟驾驶软件系统操纵列车,能够在实验环境中对机车驾驶的安全操作规程和应急处理。采用驾驶仿真器培训司机具有安全、经济、高效,培训过程可控、可重复,便于进行突发事件及故障状态的模拟等优点。据国外资料介绍,在驾驶模拟设备上培训司机,一般可节省30%的经费,而轻轨、地铁系统可节省50%以上的培训费用。

    自20世纪80年代以来,美国,英国,法国,澳大利亚等国家开发出了列车模拟驾驶系统,并在世界各国铁路部门得到了广泛的应用,普遍认为这是一种培训司机的先进工具,缩短了培训时间,减少了培训费用,而且培训过程绝对安全,不会影响正常的行车。一方面可以用来培训重载列车司机,另一方面用作工程分析。我国自80年代后期成功研制了列车模拟驾驶系统,目前超过2/3的机务段,司机学校配置了列车模拟驾驶系统,为我国铁路机车司机培训起了很好的作用。在综合分析国内外相关应用需求和技术的基础上,我公司研发了列车驾驶模拟仿真系统,经应用验证是一种结构合理、功能完备的列车驾驶模拟训练系统,可用于高级操纵技能的培训,在系统中几乎可对所有可能出现的故障、突发事件进行仿真,以培训司机在特殊条件下的驾驶技能及应变能力。

列车模拟驾驶初级训练系统

    视科创新列车机车虚拟现实驾驶模拟教学系统具有以下功能特点:

    1、逼真的列车驾驶仿真环境。列车模拟驾驶训练系统能提供逼真列车驾驶视景、声音和运动等部分。逼真的驾驶操作环境:司机驾驶室、操纵台及相关操纵设备的外形及尺寸与真实机车完全相同,以保证高度的真实感;高品质声音仿真功能:驾驶仿真器能根据列车运行情况,产生相应的模拟音响(如电动机运转、压缩机启动、鸣笛、制动停车、轮轨冲击等音响)。故障/突发事件仿真:驾驶仿真器运行中可设置电路、气路、信号系统主要故障,用于培训学员对突发故障的判断能力和处理能力。

    2、精确的列车操纵功能仿真。列车操纵功能仿真包括正常运行条件下和故障条件下列车操纵功能仿真。精确的列车动力学计算功能:驾驶仿真器具有精确的牵引加速度性能和制动减速度性能,列车惰行速度变化以及上下坡和过弯道的效果同真车运行一致。模拟操纵功能:驾驶仿真器可以模拟列车启动、加速、惰性运行、制动停车等各种工况下的全部操纵功能;模拟列车在车辆段全部静态试验;模拟列车操纵车上所有开关、按钮和控制器的动作,全部信号灯和指示灯的显示,全部电表和风表的指示;模拟ATP信号、有线和无线广播。

    3、故障处理和紧急情况处置模拟及评估。根据地铁驾驶模拟训练的需求,内置了多种故障处理流程评估仿真科目,以及多种紧急情况处置训练科目,让学员在仿真环境中强化巩固书本上所学的各种操作规程、故障处理方法以及紧急情况处置流程,并建立量化评估模块,方便教员和学员对驾驶过程进行案例分析。

     列车驾驶模拟系统需求分析

    根据实际需求分析,列车驾驶模拟训练系统的实际需求如下:

    1、操纵装置

    配置和真实列车相一致的主控制台,包含完整的仪表、按钮、开关、指示灯等装置,能指示列车各种信号,且所有的逻辑关系与真车一致;包含列车关系系统显示装置和ATC显示器,列车管理器显示装置在显示内容、操作方式和内部逻辑及装置与真车一致;操纵装置配输出为模拟或数字量的传感器,其操作能控制视景变化,并有相应的声音输出,滞后延迟控制在100毫秒之内;座椅采用原车座椅,保持操纵环境的一致性。

采用实车真实操作面板界面示意
采用实车真实操作面板界面示意

    2、视景仿真系统

    列车驾驶模拟训练系统视景仿真系统采用计算机实时CG的形式展现驾驶训练虚拟场景。能展现包括列车运行线路中的全部正线、折返线、停车线、检修线、实验线、出入库线、洗车线、车辆段等;列车双向运行于上述区域司机视域范围的所有静态以及动态景物;以及轨道、架空线路、轨旁设备、隧道、站台(包括车站建筑及附属设备、站台屏蔽门、广告牌、站内乘客、站台闭路电视监视器、倒数计时器、到站显示器)、沿线景物(包括外部风景、桥梁、立交桥、建筑物、行人及车辆、其它地铁车辆等)、车厂/车辆段(包括所有建筑及附属设施、洗车台、检修台、其它地铁车辆)等。

列车模拟驾驶初级训练系统

    需要能模拟列车以各种速度在运行线路上、折返线路以及在试验路段的运行过程;能模拟在洗车模式下列车的各种状态,以及进出站过程中列车和站台的动态视景等;需要能模拟列车在不同天气和气候条件下的运行场景,包括雨、雷电、雾等情形。


   3、紧急情况和突发时间模拟功能

    能模拟异常的地面信号、以及站区中包括跌落、着火、电力中断等故障。模拟至少200宗车辆故障、线路故障及运营事故,故障设置后相关的硬件及场景会有想应的变化,学员处理故障时的逻辑关系应与真车保持一致。故障及紧急情况模拟实现对多种车辆事故、线路故障以及运营事故等多种类型的事故进行模拟,借以提供训练场景,培养学员紧急情况处置能力和故障排除能力。

   初级列车驾驶模拟训练器技术方案

    初级列车驾驶模拟训练器主要包括训练用司机操纵台和驾驶模拟训练软件系统。下面分别从司机操作台、驾驶模拟训练仿真软件以及模拟训练视景数据库三方面阐述技术方案。

    操作台技术方案

    操纵台是列车驾驶模拟器的重要人机交互界面,较为真实的驾驶模拟训练操纵环境,能增强列车驾驶模拟的逼真度,强化培训和训练效果。根据要求,操作选用配置和真实列车相一致的主控制台,包含完整的仪表、按钮、开关、指示灯等装置,能指示列车各种信号,且所有的逻辑关系与真车一致;包含列车管理系统显示装置和ATC显示器,列车管理器显示装置在显示内容、操作方式和内部逻辑及装置与真车一致;操纵装置配输出为模拟或数字量的传感器,其操作能控制视景变化,并有相应的声音输出,滞后延迟控制在100毫秒之内;座椅采用原车座椅,保持操纵环境的一致性。

    针对初级列车模拟驾驶训练操作台的功能需求,并从运行效果综合考虑,
 
    场景及视景数据库

    驾驶模拟系统中所使用的场景采用实景建模方式准确构建,建模技术采用专业建模软件前期处理,之后应用场景优化技术,处理隧道、站台、指示牌等多种场景模型,构建完整的视景数据库。并通过后期烘焙处理、LOD、着色处理等优化处理,获得和真实场景高度近似一致的仿真画面。

    场景内容包括:地铁列车运行线路中的全部正线、折返线、停车线、检修线、实验线、出入库线、洗车线、车辆段等;地铁列车双向运行于上述区域司机视域范围的所有静态以及动态景物;以及轨道、架空线路、轨旁设备、隧道、站台(包括车站建筑及附属设备、站台屏蔽门、广告牌、站内乘客、站台闭路电视监视器、倒数计时器、到站显示器)、沿线景物(包括外部风景、桥梁、立交桥、建筑物、行人及车辆、其它地铁车辆等)、车厂/车辆段(包括所有建筑及附属设施、洗车台、检修台、其它地铁车辆),以及动态模拟的工作人员等。

    教员控制软件方案

    教员控制软件系统主要在训练开始后根据司机室控制面板和信号显示装置的型号,在控制软件中设置相关的技术参数,包括车型参数(A型、B型、C型)、牵引参数、制动参数、各功能按钮的逻辑关系、仪表及显示屏的显示内容等;并在完成驾驶模式的设定;手动设置列车车厢编组、列车自重、载重等列车相关参数;编辑设定图形用户界面和轨道线路;在学员练习过程中录制、回放一定时间内学员的操作情况及列车情况;结合仿真软件的评估功能,根据科目、驾驶员操纵情况、对于故障及事故的判断及处理等因素进行评估,教员可以在教员控制系统中更新评价参数。

    教员控制软件技术方案设计

    根据实际应用的需求分析,教员控制软件的功能希求如下:

    (1)根据司机室控制面板和信号显示装置的型号,在控制软件中设置相关的技术参数,包括车型参数、牵引参数、制动参数、各功能按钮的逻辑关系、仪表及显示屏的显示内容等;

    (2)设定驾驶模式;手动设置列车车厢编组、列车自重、载重等列车相关参数;

    (3)设定图形用户界面和轨道线路;

    (4)在学员练习过程中录制、回放一定时间内学员的操作情况及列车情况;

    (5)结合仿真软件的评估功能,根据科目、驾驶员操纵情况、对于故障及事故的判断及处理等因素进行评估,教员可以在教员控制系统中更新评价参数。

    教员控制系统通过C/S模式与视景仿真软件系统进行通讯,所有的配置文件保存在关系数据库中。软件通过B/S模式与后台数据库进行交互,进行相关的设定。B/S模块选用Ajax和Flex框架实现,数据库选用MySql;C/S软件模块基于VC、OSG编写,保证在培训过程中的实时交互,以及仿真过程录制、回放过程的连续及顺畅。

学员观摩区及教员控制区示意
学员观摩区及教员控制区示意

    学员观摩区及教员控制台方案

    学员观摩区主要提供学员在学习过程中观察同学驾驶过程,以及接受教员讲解及分析的场所。在硬件上需提供实时画面,观察在司机室中学员的各种操作,并能在一个交互环境中感受和学习各种规范的操作流程。

    学员观摩区技术要求

    (1)设有教员监控台可以监控学员模拟驾驶室友表现,可实现设置各种故障和事故,并能与司机室学员保持联系。

    (2)要设立独立的教师控制台和满足40学员的坐席,形成一个教学研讨区域,并配有投影、控制设备,以备教学观摩、研讨之用;能够实时讲评驾驶员的操作,达到现场教学的目的;能够配合记录回放功能,实现典型科目的教学任务;能够配合评估系统功能,实现现场讲评驾驶员操作。

     学员观摩区技术方案

    (1)按照场地情况,安排一定的区域,并配置大屏多通道显示装置,将学员在司机室中的操作画面,以及司机室的前向视景同步显示;

    (2)配置练习软件,在各自的位置上,针对教员的讲解情况,在单机上进行练习,巩固学校内容。

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