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。

 

 

1、逼真的列车驾驶仿真环境。

 

列车机车虚拟现实驾驶模拟教学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。

 

 

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。

 

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。

 

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相应的变化，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。

 

 

列车机车虚拟现实驾驶模拟教学系统集成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。

 

1、司机操作台

 

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厢一致的主控制台，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。

 

2、驾驶模拟训练仿真软件

 

首先模拟出虚拟场景及搭建好视景数据库，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。

 

之后，通过虚拟现实软件开发平台，根据实际教学需求及功能进行功能程序开发，常用的虚拟现实软件平台有Virtools、Unity3D、TechViz等。 

 

3、教员控制软件

 

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；并且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。

 

教员控制软件的功能包括（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。

 

视景仿真系统所包含的硬件设备有立体显示系统、虚拟交互系统等。下面分别介绍。

 

 

三维立体展示系统可以实时显示仿真应用程序，为用户提供高沉浸感的立体显示环境，常见的立体显示系统有立体投影系统、桌面型立体显示系统、头戴式立体显示系统。下面分别介绍。

 

1、立体投影系统

 

立体投影系统有被动式立体投影和主动式立体投影，被动式立体投影是通过光的偏振原理来实现的，即采用两台投影机同步放映图像，将两台投影机前的偏光片的偏振方向互相垂直，让产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直。而偏振光投射到专用的投影幕上再反射到观众位置时偏振光方向须不改变，观众通过偏光眼镜每只眼睛只能看到相应的偏振光图像，从而在视觉神经系统中产生立体感觉；主动式立体投影需要内置液晶（LCD）快门的眼镜来交替地空白左右眼信息。一个分离的IR发送器发送同步信息到眼镜。这种方法在技术上更耐用，且投影机必须配备空白间隔的与快门速度相匹配。主动式立体投影的优点是可在任何投影屏幕上来实现。 

 

产品推荐：单通道三维投影、多通道环幕投影、多通道平板投影、沉浸式CAVE系统、球面体投影系统。

 

2、桌面型立体显示系统

 

桌面型立体显示系统即立体显示器，立体显示器有裸眼立体显示器和偏振立体显示器之分。裸眼立体显示器不需要用户戴眼镜即可感觉到立体效果，裸眼立体显示器大多处于研发阶段，并且主要应用在工业商用显示市场，所以大众消费者接触的不多。从技术上来看，裸眼立体显示器分为光屏障式（Barrier）、柱状透镜(Lenticular Lens)技术和指向光源（Directional Backlight）三种，裸眼立体显示器最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚；偏振立体显示器是根据人的左右眼在观察事物的时候成像不同，在播放影片的时候同事播放2组画面，一组画面进入左眼，一组画面进入右眼，这样就会像产生立体感觉（注释：观看的时候必须佩戴偏振立体眼睛观看）。

 

推荐品牌：Exceptional3D裸眼立体显示器、Tridelity裸眼立体显示器、Visumotion裸眼立体显示器、VRLOGIC偏振立体显示器、Miracube偏振立体显示器、JVC偏振立体显示器。

 

3、头戴式立体显示系统

 

头戴式立体显示系统即头戴式立体显示器（数字头盔），采用头戴式立体显示器（数字头盔）会为用户带来较强的沉浸感，犹如身临其境，头戴式立体显示器(HMD)为戴在头部的小型立体显示器，用户所看到的图像大小相当于数码之外的大型屏幕。

 

推荐品牌：Virtual Research头戴式立体显示器、5DT数字头盔、NVIS头戴式立体显示器、eMagin头戴式显示器、Cybermind头戴式显示器。

 

 

3D交互即实现人与计算机之间包括视觉、触觉、空间位置信息交互的技术，实现3D交互功能的设备是3D交互设备，常用的有空间位置跟踪器、数据手套、力反馈设备等。

 

1、空间位置跟踪器

 

位置追踪器又称空间位置跟踪器，是指作用于空间跟踪与定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数字头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置。操作更加灵活、自如、随意。产品有六个自由度和三个自由度之分，当接收传感器在空间移动时，能够精确地计算出其位置和方位。该设备 消除了延迟带来的问题，因为它提供了动态的、实时的六自由度的测量位置(X, Y, 和 Z 笛卡尔坐标) 和方位（俯仰角、偏行角、滚动角），无论在虚拟现实应用领域，还是在控制模拟器的投影机运动时，还是在生物医学的研究中，它是测量运动范围和肢体旋转的理想选择。它是快速、精确、而且容易使用。

 

推荐品牌：Polhemus 电磁式无线追踪系统、Xsens惯性位置追踪器、Ascension电磁式位置追踪器。

 

2、数据手套

 

数据手套是虚拟仿真中最常用的交互工具。数据手套设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境。

 

推荐品牌：Cyberglove数据手套、DGTech数据数据手套、5DT数据手套。

 

3、力反馈设备 

 

所谓力反馈（Force Feedback），本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术，它利用机械表现出的反作用力，将游戏数据通过力反馈设备表现出来，可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。 力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果，例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力，这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的，

 

推荐品牌：HAPTION力反馈设备、Sensable力反馈设备。

 

 

火车驾驶员的驾驶学习、实训、演练、技能考核等。