CN107240327A - 一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法，包括以下步骤：S1:利用三维建模技术制作地铁车辆模型和地铁线路周边环境场景模型，将制作后的模型输入至虚拟现实软件平台内；S2:设置车辆运行参数：通过连接大型数据库读取地铁线路数据，包括线路坡度、曲线半径、线间距、站间距、道岔限速信息，获取地铁车辆基本信息和运行条件参数包括气温条件、相对湿度、风速、气候条件；S3:驾驶操作台连接主机：根据驾驶员对手柄的控制，虚拟现实软件平台根据操作员的控制做出相应的逻辑反馈动作，实现真实的驾驶控制；S4:地铁车辆运行数据状态的实时显示。
Description
技术领域
本发明涉及图像仿真技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法。
背景技术
地铁作为现代城市中快速、便捷、清洁和高效的交通工具，已成为一个国家综合国力、城市经济实力、人们生活水平及现代化的重要标志。近年来，我国各城市已经掀起了建设地铁的高潮，因此对于地铁列车驾驶人员的培训需求变得愈加强烈，然而传统地铁司乘人员培训大多采用理论讲解和实车操作结合的方式，但这种培训方式耗时长、花费多，部分故障和突发事件种类无法模拟。同时，存在培训用车与维修用车冲突的情况，模拟驾驶器的应用可克服这些问题，它具有设置、解除假设时间短、模拟正线运营、故障设置逼真、司机心理素质锻炼、便于开展多人共同实作教学等优点。有高度仿真功能的列车驾驶仿真培训系统是司乘人员进行实作培训的最佳设备和途径已经得到全球轨道交通先进国家的普遍认可和大力推行具有安全高效经济等显著特点特别是对各类应急和纠错操纵十分有效。设计采用多媒体计算机系统、计算机成像技术，通过高分辨率和大型彩色屏幕，配以音响及动画效果，体现列车的模拟运行的模拟驾驶器，为地铁司乘人员综合能力的培训提供了新的平台。
但目前的模拟驾驶培训平台仅限于驾驶操纵对于驾驶员驾驶技能的培训方面，而对于地铁建设地铁建设时期经常需要对地铁车辆的编组动拖比、运行性能(如起动加速度、减速度、旅行速度、粘着需求、牵引电机功率、列车运行能耗等)进行多方面的计算、对比、分析，这些方面对列车运行仿真的研究提出了要求。另外单独的模拟驾驶器并不能完成对驾驶员培训的任务，还需要对于地铁系统中车场站的场景模拟，使地铁驾驶员在培训阶段对车站的线路情况，车站布局，以及调度日常的工作进行熟悉和了解。现有技术中的列车模拟驾驶系统及方法具有以下缺陷：
(1)由于现在模拟驾驶器基本采取简易驾驶装置，场景设置未能按照地铁建设中的真实场景设计，且使用单一显示器输出场景，驾驶者通过有限的屏幕驾驶列车，沉浸感不强，达不到训练驾驶的目的。
(2)现有驾驶器大多以培训司乘人员为主要目的，能够对地铁车辆各种标准化进行模拟。但对于车辆实时状态数据显示不完全，对于地铁车辆中各部分参数关系变化没有显示，使得驾驶人员对于车辆的各部分系统状态、车辆能耗以及旅客舒适度等问题无法通过驾驶器体现出来。
(3)现有模拟驾驶器通常只能单机模拟驾驶运行，场景中其他车辆和调度员指令都是由电脑控制的，不能真实反映实际运行情况，无法实现与其他模拟驾驶器在同一场景中协同追踪运行。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明提供一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法。该方法设计能够模拟地铁车辆真实驾驶场景，根据驾驶员对车辆的操作，实时反映出车辆此时的运行状态，车辆的参数关系变化。根据这些参数绘制出实时变化的曲线，实现不同操作时对列车各部分系统、零件等运行状态是否正常进行显示，使得司乘人员对车辆整体状态能够完全了解，对于车辆操纵策略进行优化。能够实现多模拟驾驶器联网控制与调度员实现协同工作，实现驾驶培训任务和优化驾驶操纵策略；同时列车运行评价系统能够对地铁司乘人员的驾驶技能进行评判考核。
一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法，包括以下步骤：
S1:利用三维建模技术制作地铁车辆模型和地铁线路周边环境场景模型，将制作后的模型输入至虚拟现实软件平台内；
S2:设置车辆运行参数：通过连接大型数据库读取地铁线路数据，包括线路坡度、曲线半径、线间距、站间距、道岔限速信息，获取地铁车辆基本信息和运行条件参数包括气温条件、相对湿度、风速、气候条件；
S3:驾驶操作台连接主机：根据驾驶员对手柄的控制，虚拟现实软件平台根据操作员的控制做出相应的逻辑反馈动作，实现真实的驾驶控制；
S4:地铁车辆运行数据状态的实时显示：虚拟现实软件平台模拟车辆在各种运行条件与运行工况下的运行状态、模拟各种不同的坡度、曲线，车辆重量下通过牵引计算牵引电机的牵引特性和电阻制动特性参数从而反应对列车运行的控制情况；
车辆在运行中，运监设备实时记录着列车的运行参数等信息，包括车次、司机号、车辆号、车辆型号，电流、电压、风压、车速、车速变化曲线、车辆运行推荐速度、实时牵引力矩、车辆距前方信号机距离、车辆到达，停留，出发各站的时间参数；
S5:将多台全仿真模拟驾驶器设置在一个局域网内形成一个网络系统，设置车站虚拟调度中心对车站的机车进行虚拟调度、监听仿真列车在线路上的运行位置、实时为地铁办理进路、改变信号显示以及线路道岔状态；
模拟突发调度设备故障，仿真调度员角色与驾驶员配合实现非正常情况下的行车作业演练，演练运行中突发车辆设备故障的处理办法和处理步骤；
S6:对列车的运行状态进行模拟考核：对列车运行中的稳定性和旅客乘坐的舒适性进行评价、对车辆运行过程中列车正晚点时刻进行记录，对列车停站对标进行跟踪记录、通过对有关参数进行计算对驾驶员的驾驶过程进行综合评估和考评。
进一步的，所述地铁车辆模型和地铁线路车站周边场景模型利用三维建模软件根据真实的地铁模型及地铁线路车站周边模型尺寸建立模型并赋予真实贴图材质。
进一步的，所述虚拟现实软件平台使用编程软件二次编程开发的模拟驾驶仿真系统和相关插件，该系统安装在windows系统平台下运行，通过实时采集驾驶台上的各控制手柄的参数，在场景中使列车处于不同的工况。
进一步的，所述地铁车辆基本信息包括编组形式、动力分配、运营速度、载客定员数、牵引功率、轴重、列车长度、牵引电机功率、额定电压、制动方式、制动距离的参数信息。
由于采用了上述技术方案，本发明采用虚拟现实技术设计地铁车辆实时运行参数仿真系统，使地铁驾驶员沉浸在逼真的驾驶环境中，达到真实的模拟的功能。本发明实现了地铁模拟驾驶器的联网运行，多模拟驾驶器在统一场景中共同运行，该系统设有虚拟调度员为联网中的模拟驾驶器下达行车命令，真实的模拟车场站的调度工作，可以编制高效的列车运行图，验证运行图的合理性及线路的通过能力提供了依据，为列车的高效性、安全性提供了保障。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明地铁模拟驾驶器的联网原理图；
图3是本发明多台模拟驾驶器协同工作流程图；
图4是本发明系统层次结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图4所示的一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法，为解决技术问题主要通过下述技术方案实现：
步骤一、建立地铁车辆、车站等三维模型
在上述步骤中，根据地铁设计图纸和地铁线路规划图等相关资料，利用三维建模软件按照1:1比例制作地铁车辆模型及地铁线路周边线路场景，经模型简化后，导入虚拟现实软件中，或者使用虚拟现实软件云平台中已有模型，进行地铁线路场景布设，按照真实地铁线路走向，地铁线路纵断面情况设置真实的地铁线路。地铁线路站点模型按照真实场景建模安放到指定方位，以及信号系统均按照真实布置，以到达真实模拟。
步骤二、设置车辆运行参数
在上述步骤中，模拟驾驶仿真系统通过连接大型数据库读取地铁线路谱数据包括线路坡度、曲线半径、线间距、站间距、道岔限速等，获取地铁车辆基本信息包括编组形式、动力分配、运营速度、载客定员数、牵引功率、轴重、列车长度、牵引电机功率、额定电压、制动方式、制动距离等参数，获取运行条件参数包括气温条件、相对湿度、风速、气候特点等。这些参数实时影响着模拟驾驶过程的运行效果。
步骤三、驾驶操作台连接主机
在上述步骤中，地铁车辆驾驶台中包括主手柄、切换手柄、制动手柄、紧急制动复位、复位等控制器将其使用连接线与服务主机连接。所述的主手柄设定列车牵引力大小，分为P1-P10档；所述的切换手柄设定车辆的运行方向，分为前、关、后3档；所述的制动手柄设定制动力的大小，分为“运行”、“B1-B7”、“快速”、“拔取”位；所述的紧急制动复位为发生紧急制动后，制动手柄快速位，按压紧急复位。根据驾驶员对手柄的控制，软件根据操作员的控制，做出相应的逻辑反馈动作，实现真实的驾驶控制。
步骤四、运行数据状态的实时显示
在上述步骤中，地铁模拟驾驶仿真系统根据车辆牵引动力学仿真分析能够准确真实的模拟车辆在各种运行条件与运行工况下的运行状态，模拟各种不同的坡度，曲线，车辆重量，通过牵引计算牵引电机的牵引特性，电阻制动特性等参数真实的反应对列车运行的控制，车辆在运行中，运监设备实时记录着列车的运行参数等信息，包括车次、司机号、车辆号、车辆型号，电流、电压、风压、车速、车速变化曲线、车辆运行推荐速度、实时牵引力矩、车辆距前方信号机距离、车辆到达，停留，出发各站的时间等参数。能够真实的模拟地铁车辆的运行工况其中包括：启动、牵引、惰行、制动；也能够对地铁车辆的各种标准化作业进行模拟，主要包括：出库、入库、站内调车、甲站到乙站的正常和非正常作业等四个作业模式。能够实现模拟驾驶中列车运行参数的实时绘制并在视景中显示，为驾驶人员提供可靠地运行参数，优化操纵。
步骤五、多台模拟驾驶器协同工作
在上述步骤中，地铁模拟驾驶仿真系统也可以实现多台驾驶器联网形成局域网，实现与调度员的协同工作，使地铁驾驶员能够接收到调度员的行车指令做出相应的驾驶行为，而且可以在培训阶段对车站的线路情况，车站布局，以及调度日常的工作进行熟悉和了解。因此，为实现以上的仿真模拟功能，我们需要将多台全仿真模拟驾驶器通过局域网使多台全仿真模拟驾驶器连接形成一个网络系统。并设置车站虚拟调度中心对车站的机车进行虚拟调度，对车站的信号显示，进行控制。仿真模拟调度平台可以监听仿真列车在线路上的运行位置，实时为地铁办理进路并改变信号显示和线路道岔状态，这些改变可以在视景系统中同步动作并影响车辆的速度变化曲线，指导驾驶员正确驾驶。另外还可以在调度系统上模拟突发调度设备故障，仿真调度员角色与驾驶员配合实现非正常情况下的行车作业演练，系统能够演练运行中突发车辆设备故障的处理办法，处理步骤。实现车场站的真实模拟情况、优化列车运行图、模拟演练地铁车辆故障救援、突发事件应急处理、列车脱轨、相撞、倾覆等列车事故模拟。如图3所示多台模拟驾驶器协同工作流程图。
步骤六、列车运行评价考核系统
在上述步骤中，列车运行评价考核系统作为列车模拟驾驶系统的一个子系统，可以进行对列车运行中的稳定性和旅客乘坐的舒适性进行合理评价，对车辆运行过程中列车正晚点时刻进行记录，对列车停站对标进跟踪记录等，通过对有关参数进行计算，可以对学员培训阶段学习情况进行标准评价。通过让学员在模拟驾驶器上安全驾驶超过某个里程值后，通过一系列考核试验合格后才可以驾驶实际车辆上线运行，使得学员在教室就能迅速而有效的掌握，地铁的驾驶与故障处理等方面的技能，从而减少了学习时间和成本，该系统的使用必将大大提高司乘人员的技能，降低企业培训成本。地铁实时仿真系统的层次结构如图4所示,。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:利用三维建模技术制作地铁车辆模型和地铁线路周边环境场景模型，将制作后的模型输入至虚拟现实软件平台内；
S2:设置车辆运行参数：通过连接大型数据库读取地铁线路数据，包括线路坡度、曲线半径、线间距、站间距、道岔限速信息，获取地铁车辆基本信息和运行条件参数包括气温条件、相对湿度、风速、气候条件；
S3:驾驶操作台连接主机：根据驾驶员对手柄的控制，虚拟现实软件平台根据操作员的控制做出相应的逻辑反馈动作，实现真实的驾驶控制；
S4:地铁车辆运行数据状态的实时显示：虚拟现实软件平台模拟车辆在各种运行条件与运行工况下的运行状态、模拟各种不同的坡度、曲线，车辆重量下通过牵引计算牵引电机的牵引特性和电阻制动特性参数从而反应对列车运行的控制情况；
车辆在运行中，运监设备实时记录着列车的运行参数等信息，包括车次、司机号、车辆号、车辆型号，电流、电压、风压、车速、车速变化曲线、车辆运行推荐速度、实时牵引力矩、车辆距前方信号机距离、车辆到达，停留，出发各站的时间参数；
S5:将多台全仿真模拟驾驶器设置在一个局域网内形成一个网络系统，设置车站虚拟调度中心对车站的机车进行虚拟调度、监听仿真列车在线路上的运行位置、实时为地铁办理进路、改变信号显示以及线路道岔状态；
模拟突发调度设备故障，仿真调度员角色与驾驶员配合实现非正常情况下的行车作业演练，演练运行中突发车辆设备故障的处理办法和处理步骤；
S6:对列车的运行状态进行模拟考核：对列车运行中的稳定性和旅客乘坐的舒适性进行评价、对车辆运行过程中列车正晚点时刻进行记录，对列车停站对标进行跟踪记录、通过对有关参数进行计算对驾驶员的驾驶过程进行综合评估和考评。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法，其特征还在于：所述地铁车辆模型和地铁线路车站周边场景模型利用三维建模软件根据真实的地铁模型及地铁线路车站周边模型尺寸建立模型并赋予真实贴图材质。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法，其特征还在于：所述虚拟现实软件平台使用编程软件二次编程开发的模拟驾驶仿真系统和相关插件，该系统安装在windows系统平台下运行，通过实时采集驾驶台上的各控制手柄的参数，在场景中使列车处于不同的工况。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的地铁车辆实时运行参数仿真方法，其特征还在于：所述地铁车辆基本信息包括编组形式、动力分配、运营速度、载客定员数、牵引功率、轴重、列车长度、牵引电机功率、额定电压、制动方式、制动距离的参数信息。
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