自20世紀(jì)80年代以來，美國，英國，法國，澳大利亞等國家開發(fā)出了列車模擬駕駛系統(tǒng)，并在世界各國鐵路部門得到了廣泛的應(yīng)用，普遍認(rèn)為這是一種培訓(xùn)司機的先進工具，縮短了培訓(xùn)時間，減少了培訓(xùn)費用，而且培訓(xùn)過程絕對安全，不會影響正常的行車。一方面可以用來培訓(xùn)重載列車司機，另一方面用作工程分析。我國自80年代后期成功研制了列車模擬駕駛系統(tǒng)，目前超過2／3的機務(wù)段，司機學(xué)校配置了列車模擬駕駛系統(tǒng)，為我國鐵路機車司機培訓(xùn)起了很好的作用。在綜合分析國內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用需求和技術(shù)的基礎(chǔ)上，我公司研發(fā)了列車駕駛模擬仿真系統(tǒng)，經(jīng)應(yīng)用驗證是一種結(jié)構(gòu)合理、功能完備的列車駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可用于高級操縱技能的培訓(xùn)，在系統(tǒng)中幾乎可對所有可能出現(xiàn)的故障、突發(fā)事件進行仿真，以培訓(xùn)司機在特殊條件下的駕駛技能及應(yīng)變能力。

 

 

1、逼真的列車駕駛仿真環(huán)境。

 

列車機車虛擬現(xiàn)實駕駛模擬教學(xué)系統(tǒng)能提供逼真列車駕駛視景、聲音和運動等部分。逼真的駕駛操作環(huán)境：司機駕駛室、操縱臺及相關(guān)操縱設(shè)備的外形及尺寸與真實機車完全相同，以保證高度的真實感；高品質(zhì)聲音仿真功能：駕駛仿真器能根據(jù)列車運行情況，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬音響(如電動機運轉(zhuǎn)、壓縮機啟動、鳴笛、制動停車、輪軌沖擊等音響)。故障/突發(fā)事件仿真：駕駛仿真器運行中可設(shè)置電路、氣路、信號系統(tǒng)主要故障，用于培訓(xùn)學(xué)員對突發(fā)故障的判斷能力和處理能力。

 

2、精確的列車操縱功能仿真。

 

列車操縱功能仿真包括正常運行條件下和故障條件下列車操縱功能仿真。精確的列車動力學(xué)計算功能：駕駛仿真器具有精確的牽引加速度性能和制動減速度性能，列車惰行速度變化以及上下坡和過彎道的效果同真車運行一致。模擬操縱功能：駕駛仿真器可以模擬列車啟動、加速、惰性運行、制動停車等各種工況下的全部操縱功能；模擬列車在車輛段全部靜態(tài)試驗；模擬列車操縱車上所有開關(guān)、按鈕和控制器的動作，全部信號燈和指示燈的顯示，全部電表和風(fēng)表的指示；模擬ATP信號、有線和無線廣播。

 

3、故障處理和緊急情況處置模擬及評估。

 

根據(jù)地鐵駕駛模擬訓(xùn)練的需求，內(nèi)置了多種故障處理流程評估仿真科目，以及多種緊急情況處置訓(xùn)練科目，讓學(xué)員在仿真環(huán)境中強化鞏固書本上所學(xué)的各種操作規(guī)程、故障處理方法以及緊急情況處置流程，并建立量化評估模塊，方便教員和學(xué)員對駕駛過程進行案例分析。

 

 

1、操縱裝置

 

配置和真實列車相一致的主控制臺，包含完整的儀表、按鈕、開關(guān)、指示燈等裝置，能指示列車各種信號，且所有的邏輯關(guān)系與真車一致；包含列車關(guān)系系統(tǒng)顯示裝置和ATC顯示器，列車管理器顯示裝置在顯示內(nèi)容、操作方式和內(nèi)部邏輯及裝置與真車一致；操縱裝置配輸出為模擬或數(shù)字量的傳感器，其操作能控制視景變化，并有相應(yīng)的聲音輸出，滯后延遲控制在100毫秒之內(nèi)；座椅采用原車座椅，保持操縱環(huán)境的一致性。

 

2、視景仿真系統(tǒng)

 

列車駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)視景仿真系統(tǒng)采用計算機實時CG的形式展現(xiàn)駕駛訓(xùn)練虛擬場景。能展現(xiàn)包括列車運行線路中的全部正線、折返線、停車線、檢修線、實驗線、出入庫線、洗車線、車輛段等；列車雙向運行于上述區(qū)域司機視域范圍的所有靜態(tài)以及動態(tài)景物；以及軌道、架空線路、軌旁設(shè)備、隧道、站臺（包括車站建筑及附屬設(shè)備、站臺屏蔽門、廣告牌、站內(nèi)乘客、站臺閉路電視監(jiān)視器、倒數(shù)計時器、到站顯示器）、沿線景物（包括外部風(fēng)景、橋梁、立交橋、建筑物、行人及車輛、其它地鐵車輛等）、車廠/車輛段（包括所有建筑及附屬設(shè)施、洗車臺、檢修臺、其它地鐵車輛）等。

 

需要能模擬列車以各種速度在運行線路上、折返線路以及在試驗路段的運行過程；能模擬在洗車模式下列車的各種狀態(tài)，以及進出站過程中列車和站臺的動態(tài)視景等；需要能模擬列車在不同天氣和氣候條件下的運行場景，包括雨、雷電、霧等情形。

 

3、緊急情況和突發(fā)時間模擬功能

 

能模擬異常的地面信號、以及站區(qū)中包括跌落、著火、電力中斷等故障。模擬至少200宗車輛故障、線路故障及運營事故，故障設(shè)置后相關(guān)的硬件及場景會有相應(yīng)的變化，學(xué)員處理故障時的邏輯關(guān)系應(yīng)與真車保持一致。故障及緊急情況模擬實現(xiàn)對多種車輛事故、線路故障以及運營事故等多種類型的事故進行模擬，借以提供訓(xùn)練場景，培養(yǎng)學(xué)員緊急情況處置能力和故障排除能力。

 

 

列車機車虛擬現(xiàn)實駕駛模擬教學(xué)系統(tǒng)集成主要包括訓(xùn)練用司機操縱臺和駕駛模擬訓(xùn)練軟件系統(tǒng)。下面分別從司機操作臺、駕駛模擬訓(xùn)練仿真軟件以及模擬訓(xùn)練視景數(shù)據(jù)庫三方面闡述技術(shù)方案。

 

1、司機操作臺

 

操縱臺是列車駕駛模擬器的重要人機交互界面，較為真實的駕駛模擬訓(xùn)練操縱環(huán)境，能增強列車駕駛模擬的逼真度，強化培訓(xùn)和訓(xùn)練效果。根據(jù)要求，操作選用配置和真實列車廂一致的主控制臺，包含完整的儀表、按鈕、開關(guān)、指示燈等裝置，能指示列車各種信號，且所有的邏輯關(guān)系與真車一致；包含列車管理系統(tǒng)顯示裝置和ATC顯示器，列車管理器顯示裝置在顯示內(nèi)容、操作方式和內(nèi)部邏輯及裝置與真車一致；操縱裝置配輸出為模擬或數(shù)字量的傳感器，其操作能控制視景變化，并有相應(yīng)的聲音輸出，滯后延遲控制在100毫秒之內(nèi)；座椅采用原車座椅，保持操縱環(huán)境的一致性。

 

2、駕駛模擬訓(xùn)練仿真軟件

 

首先模擬出虛擬場景及搭建好視景數(shù)據(jù)庫，駕駛模擬系統(tǒng)中所使用的場景采用實景建模方式準(zhǔn)確構(gòu)建，建模技術(shù)采用專業(yè)建模軟件前期處理，之后應(yīng)用場景優(yōu)化技術(shù)，處理隧道、站臺、指示牌等多種場景模型，構(gòu)建完整的視景數(shù)據(jù)庫。并通過后期烘焙處理、LOD、著色處理等優(yōu)化處理，獲得和真實場景高度近似一致的仿真畫面。

 

場景內(nèi)容包括：地鐵列車運行線路中的全部正線、折返線、停車線、檢修線、實驗線、出入庫線、洗車線、車輛段等；地鐵列車雙向運行于上述區(qū)域司機視域范圍的所有靜態(tài)以及動態(tài)景物；以及軌道、架空線路、軌旁設(shè)備、隧道、站臺（包括車站建筑及附屬設(shè)備、站臺屏蔽門、廣告牌、站內(nèi)乘客、站臺閉路電視監(jiān)視器、倒數(shù)計時器、到站顯示器）、沿線景物（包括外部風(fēng)景、橋梁、立交橋、建筑物、行人及車輛、其它地鐵車輛等）、車廠/車輛段（包括所有建筑及附屬設(shè)施、洗車臺、檢修臺、其它地鐵車輛），以及動態(tài)模擬的工作人員等。

 

之后，通過虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)平臺，根據(jù)實際教學(xué)需求及功能進行功能程序開發(fā)，常用的虛擬現(xiàn)實軟件平臺有Virtools、Unity3D、TechViz等。 

 

3、教員控制軟件

 

教員控制軟件系統(tǒng)主要在訓(xùn)練開始后根據(jù)司機室控制面板和信號顯示裝置的型號，在控制軟件中設(shè)置相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，包括車型參數(shù)（A型、B型、C型）、牽引參數(shù)、制動參數(shù)、各功能按鈕的邏輯關(guān)系、儀表及顯示屏的顯示內(nèi)容等；并且完成駕駛模式的設(shè)定；手動設(shè)置列車車廂編組、列車自重、載重等列車相關(guān)參數(shù)；編輯設(shè)定圖形用戶界面和軌道線路；在學(xué)員練習(xí)過程中錄制、回放一定時間內(nèi)學(xué)員的操作情況及列車情況；結(jié)合仿真軟件的評估功能，根據(jù)科目、駕駛員操縱情況、對于故障及事故的判斷及處理等因素進行評估，教員可以在教員控制系統(tǒng)中更新評價參數(shù)。

 

教員控制軟件的功能包括（1）根據(jù)司機室控制面板和信號顯示裝置的型號，在控制軟件中設(shè)置相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，包括車型參數(shù)、牽引參數(shù)、制動參數(shù)、各功能按鈕的邏輯關(guān)系、儀表及顯示屏的顯示內(nèi)容等；（2）設(shè)定駕駛模式；手動設(shè)置列車車廂編組、列車自重、載重等列車相關(guān)參數(shù)；（3）設(shè)定圖形用戶界面和軌道線路；（4）在學(xué)員練習(xí)過程中錄制、回放一定時間內(nèi)學(xué)員的操作情況及列車情況；（5）結(jié)合仿真軟件的評估功能，根據(jù)科目、駕駛員操縱情況、對于故障及事故的判斷及處理等因素進行評估，教員可以在教員控制系統(tǒng)中更新評價參數(shù)。

 

教員控制系統(tǒng)通過C/S模式與視景仿真軟件系統(tǒng)進行通訊，所有的配置文件保存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。軟件通過B/S模式與后臺數(shù)據(jù)庫進行交互，進行相關(guān)的設(shè)定。B/S模塊選用Ajax和Flex框架實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫選用MySql;C/S軟件模塊基于VC、OSG編寫，保證在培訓(xùn)過程中的實時交互，以及仿真過程錄制、回放過程的連續(xù)及順暢。

 

 

學(xué)員觀摩區(qū)主要提供學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中觀察同學(xué)駕駛過程，以及接受教員講解及分析的場所。在硬件上需提供實時畫面，觀察在司機室中學(xué)員的各種操作，并能在一個交互環(huán)境中感受和學(xué)習(xí)各種規(guī)范的操作流程。

 

視景仿真系統(tǒng)所包含的硬件設(shè)備有立體顯示系統(tǒng)、虛擬交互系統(tǒng)等。下面分別介紹。

 

 

三維立體展示系統(tǒng)可以實時顯示仿真應(yīng)用程序，為用戶提供高沉浸感的立體顯示環(huán)境，常見的立體顯示系統(tǒng)有立體投影系統(tǒng)、桌面型立體顯示系統(tǒng)、頭戴式立體顯示系統(tǒng)。下面分別介紹。

 

1、立體投影系統(tǒng)

 

立體投影系統(tǒng)有被動式立體投影和主動式立體投影，被動式立體投影是通過光的偏振原理來實現(xiàn)的，即采用兩臺投影機同步放映圖像，將兩臺投影機前的偏光片的偏振方向互相垂直，讓產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直。而偏振光投射到專用的投影幕上再反射到觀眾位置時偏振光方向須不改變，觀眾通過偏光眼鏡每只眼睛只能看到相應(yīng)的偏振光圖像，從而在視覺神經(jīng)系統(tǒng)中產(chǎn)生立體感覺；主動式立體投影需要內(nèi)置液晶（LCD）快門的眼鏡來交替地空白左右眼信息。一個分離的IR發(fā)送器發(fā)送同步信息到眼鏡。這種方法在技術(shù)上更耐用，且投影機必須配備空白間隔的與快門速度相匹配。主動式立體投影的優(yōu)點是可在任何投影屏幕上來實現(xiàn)。 

 

產(chǎn)品推薦：單通道三維投影、多通道環(huán)幕投影、多通道平板投影、沉浸式CAVE系統(tǒng)、球面體投影系統(tǒng)。

 

2、桌面型立體顯示系統(tǒng)

 

桌面型立體顯示系統(tǒng)即立體顯示器，立體顯示器有裸眼立體顯示器和偏振立體顯示器之分。裸眼立體顯示器不需要用戶戴眼鏡即可感覺到立體效果，裸眼立體顯示器大多處于研發(fā)階段，并且主要應(yīng)用在工業(yè)商用顯示市場，所以大眾消費者接觸的不多。從技術(shù)上來看，裸眼立體顯示器分為光屏障式（Barrier）、柱狀透鏡(Lenticular Lens)技術(shù)和指向光源（Directional Backlight）三種，裸眼立體顯示器最大的優(yōu)勢便是擺脫了眼鏡的束縛；偏振立體顯示器是根據(jù)人的左右眼在觀察事物的時候成像不同，在播放影片的時候同事播放2組畫面，一組畫面進入左眼，一組畫面進入右眼，這樣就會像產(chǎn)生立體感覺（注釋：觀看的時候必須佩戴偏振立體眼睛觀看）。

 

推薦品牌：Exceptional3D裸眼立體顯示器、Tridelity裸眼立體顯示器、Visumotion裸眼立體顯示器、VRLOGIC偏振立體顯示器、Miracube偏振立體顯示器、JVC偏振立體顯示器。

 

3、頭戴式立體顯示系統(tǒng)

 

頭戴式立體顯示系統(tǒng)即頭戴式立體顯示器（數(shù)字頭盔），采用頭戴式立體顯示器（數(shù)字頭盔）會為用戶帶來較強的沉浸感，猶如身臨其境，頭戴式立體顯示器(HMD)為戴在頭部的小型立體顯示器，用戶所看到的圖像大小相當(dāng)于數(shù)碼之外的大型屏幕。

 

推薦品牌：Virtual Research頭戴式立體顯示器、5DT數(shù)字頭盔、NVIS頭戴式立體顯示器、eMagin頭戴式顯示器、Cybermind頭戴式顯示器。

 

 

3D交互即實現(xiàn)人與計算機之間包括視覺、觸覺、空間位置信息交互的技術(shù)，實現(xiàn)3D交互功能的設(shè)備是3D交互設(shè)備，常用的有空間位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋設(shè)備等。

 

1、空間位置跟蹤器

 

位置追蹤器又稱空間位置跟蹤器，是指作用于空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)字頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉(zhuǎn)，不局限于固定的空間位置。操作更加靈活、自如、隨意。產(chǎn)品有六個自由度和三個自由度之分，當(dāng)接收傳感器在空間移動時，能夠精確地計算出其位置和方位。該設(shè)備 消除了延遲帶來的問題，因為它提供了動態(tài)的、實時的六自由度的測量位置(X, Y, 和 Z 笛卡爾坐標(biāo)) 和方位（俯仰角、偏行角、滾動角），無論在虛擬現(xiàn)實應(yīng)用領(lǐng)域，還是在控制模擬器的投影機運動時，還是在生物醫(yī)學(xué)的研究中，它是測量運動范圍和肢體旋轉(zhuǎn)的理想選擇。它是快速、精確、而且容易使用。

 

推薦品牌：Polhemus 電磁式無線追蹤系統(tǒng)、Xsens慣性位置追蹤器、Ascension電磁式位置追蹤器。

 

2、數(shù)據(jù)手套

 

數(shù)據(jù)手套是虛擬仿真中最常用的交互工具。數(shù)據(jù)手套設(shè)有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導(dǎo)線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)線，以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導(dǎo)線與外電路連接。把人手姿態(tài)準(zhǔn)確實時地傳遞給虛擬環(huán)境。

 

推薦品牌：Cyberglove數(shù)據(jù)手套、DGTech數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手套、5DT數(shù)據(jù)手套。

 

3、力反饋設(shè)備 

 

所謂力反饋（Force Feedback），本來是應(yīng)用于軍事上的一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它利用機械表現(xiàn)出的反作用力，將游戲數(shù)據(jù)通過力反饋設(shè)備表現(xiàn)出來，可以讓用戶身臨其境地體驗游戲中的各種效果。 力反饋技術(shù)能將游戲中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成用戶可以感覺到的效果，例如道路上的顛簸或者轉(zhuǎn)動方向盤感受到的反作用力，這些效果都是力反饋控制芯片“播放”出來的，

 

推薦品牌：HAPTION力反饋設(shè)備、Sensable力反饋設(shè)備。

 

 

火車駕駛員的駕駛學(xué)習(xí)、實訓(xùn)、演練、技能考核等。