JP2005010306A - 鉄道用運転シミュレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上記課題を解決するために、仮想的に走行する車両からの視界を画像表示する画像表示手段と、前記車両の運行を操作するコントローラと、前記コントローラの操作に応じて車両の走行状態を制御する車両制御手段とを有する鉄道用運転シミュレータであって、前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した走行位置情報に基づいて、前記画像を生成する画像生成手段を有する構成とされる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道用運転シミュレータに係り、特に、鉄道の運転操作を訓練すること及び運転士のエラーの研究を目的として仮想的に運転操作を行う鉄道用運転シミュレータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、鉄道の車両運行方法には、鉄道の安全を保つための手段として閉そく方式が取られている。閉そく方式とは、線路上にある区間を設定し、その区間を1列車のみ占有させ、他の列車がその区間に進入を禁止することで、列車の衝突を防いでいる。閉そく区間の列車の有無または侵入の可否を示すものが信号機であり、信号機は列車運転の安全の基本である。しかしながら、鉄道の車両運行中に運転士のいねむりが原因で、信号機を見落とし、誤って閉そく区間に侵入することにより他の列車と衝突してしまう等の列車事故が発生している。
【0003】
このように、信号機を無視した場合でも安全を確保するために、運転士に警告を出力すると共に、列車にブレーキをかけて列車を停止させる装置として次のようなバックアップシステムが使用されている。
(1)ATS(自動列車停止装置):列車が停止信号機に接近して正常に停車しない場合などに地上からの制御信号により運転室内に警報ベルを鳴らして運転士に注意を喚起したり、自動的にブレーキを動作させて列車を停止信号機の手前に停止させる装置。緊急時に運転士のブレーキ操作をバックアップするものである。
(2)ATC(自動列車制御装置):列車の速度を地上からの信号・速度情報により自動的にブレーキをかけたり、制限速度以下になればブレーキを緩めたりする装置。ただし、加速制御は行わない。
(3)EB装置:運転中の動力車乗務員の異常状態を検知し、列車を停止させる装置。動力車乗務員が主幹制御器やブレーキ操作など一連の運転操作が1分間全く行われないことで検知し、警報ブザーを鳴動させる。その後5秒以内に運転操作、リセット操作が行われなければ、列車を非常停止させるものである。
【0004】
これらのバックアップシステムを使用したとしても、踏み切りで車や人間と衝突してしまったり、停車すべき駅を通過してしまったり、保線作業中の作業員を誤って轢いてしまう事故が発生している。上記バックアップシステムには、次の問題点が存在すると考えられるからである。(1)エラーの数自体を減らすものではない。(2)エラーが生じた時のみに作動しなければならないが、通常時にも介入する事がある。(3)取り扱いを間違うと新たなエラーが発生する。
【0005】
そこで、バックアップシステムだけでなく、運転士にエラーを起こさせないためにも、運転士に運転操作の訓練やエラーの解析を行うための鉄道用運転シミュレータが必要である。このような鉄道用運転シミュレータは、仮想的に鉄道の運転操作を行うことができ、主に、車両の運転を行うためのコントローラを用いて操作し、その操作に応じて車両を運転する運転士から見た視界が画像表示される構成とされている。このような鉄道用運転シミュレータにおける従来技術の例を以下に示す。
【0006】
従来技術として、運転教習を開始する駅から終了する駅までの駅間路線映像と、その間に存在する各駅で停車する場合の各駅近傍の路線映像である駅停車路線映像とを保持し、走行条件によって駅間路線映像と駅停車路線映像とを切替えて再生することにより、運転操作に対応した路線映像が投影される点が記載されている(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
従来技術として、運転教習において停車寸前での精度の高い定点停止訓練ができるように、停車駅近傍の側面路線映像を加えて、運転操作とシミュレーション路線の路線映像の相関関係を高め、精度の高い定点停止訓練ができる鉄道車両の運転教習用シミュレータを得ることを目的とする発明であり、運転台の前方に配置された前方路線映像表示手段に前方路線映像を表示することに加えて、運転台側面に側面映像表示手段を配置し、停車駅近傍に来ると側面映像表示手段に側面映像を表示するように構成した点が記載されている(例えば、特許文献2参照)。
【0008】
また、上記のような運転シミュレーションは、鉄道用の分野で用いられるだけでなく、自動車の分野ではITS(高度道路交通システム)の開発過程で、運転支援システムの評価、高齢ドライバの運転挙動の解析などが行われている。その他に、航空の分野でも、飛行機の開発における安定性や操縦性評価、操縦法の検討に利用されている。
【0009】
【特許文献1】
特開平10−161516号公報
【0010】
【特許文献2】
特開平11−237830号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の鉄道用運転シミュレータでは、車両を運転する運転士から見た視界の画像表示から、実際に運転している臨場感や緊張感を得るには難しいという問題点があった。
【0012】
また、従来の鉄道用運転シミュレータは、実車両を詳細に再現した運転室を用いているため、列車の機種などに応じてシステムを変更するのは難しく、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができないという問題点があった。
【0013】
また、従来の鉄道用運転シミュレータは、実車両と同じ運転室環境に設定された車両をコントローラの操作に応じて揺らす動振装置を設置するなど、開発、製造工程のコストが非常に高額なものとなってしまう。現状では、従来の鉄道用運転シミュレータは、コスト面で融通の効く大手の鉄道運営企業で使用されるのがほとんどであり、鉄道用運転シミュレータを必要としている規模の小さな企業や施設などで使用するには、コスト面で困難であるという問題点があった。
【0014】
そこで、本発明の課題は、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる鉄道用運転シミュレータを提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、請求項1に記載されるように、仮想的に走行する車両からの視界を画像表示する画像表示手段と、前記車両の運行を操作するコントローラと、前記コントローラの操作に応じて車両の走行状態を制御する車両制御手段とを有する鉄道用運転シミュレータであって、前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した走行位置情報に基づいて、前記画像を生成して表示する構成とされる。
【0016】
このような鉄道用運転シミュレータでは、画像表示手段が車両制御手段から受信した走行位置情報と、現実の車両の走行時の動きを想定した車両モデルとに基づいて、画像を生成して表示することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる。尚、上記画像表示手段は、図1に示す視界表示用PC4、プロジェクタ3に対応し、上記車両制御手段は、車両制御用PC20に対応する。
【0017】
表示される画像の同期を確保するという観点から、本発明は、請求項2に記載されるように、前記画像生成手段は、時系列的に受信された走行位置情報のうち画像を生成した時点における最新の走行位置情報を用いて次の画像を生成する構成としてもよい。
【0018】
このような鉄道用運転シミュレータでは、画像生成手段が時系列的に受信された走行位置情報のうち画像を生成した時点における最新の走行位置情報を用いて次の画像を生成することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【0019】
画像を滑らかに表示させるという観点から、本発明は、請求項3に記載されるように、前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した速度情報と現在位置とに基づいて、車両の走行位置を算出し、該走行位置から前記画像を表示させる構成としてもよい。
【0020】
このような鉄道用運転シミュレータでは、前記画像表示手段が車両制御手段から受信した速度情報と現在位置とに基づいて、車両の走行位置を算出し、走行位置から画像を表示させることにより、画像を滑らかに表示させることができる。
【0021】
現実の車両走行に近い揺れを画像に反映させるという観点から、本発明は、請求項4に記載されるように、前記画像生成手段は、前記車両制御手段により算出された前記車両の揺れに基づいて、前記車両の揺れを示す画面を生成する構成としてもよい。
【0022】
このような鉄道用運転シミュレータでは、車両の揺れの算出結果に基づいて、車両の揺れを示す画面を生成することにより、車両の揺れを画像に反映させ、車両が揺れているような感覚を与えることができる。
【0023】
画像表示と同期して実際の走行時に近い音響を出力するという観点から、本発明は、請求項5に記載されるように、現実の車両の走行時に発生する音響を用いて該音響を出力させる音響出力手段とを有し、前記音響出力手段は、前記画像表示手段により表示される画像と同期して前記音響を出力させる構成としてもよい。
【0024】
このような鉄道用運転シミュレータでは、音響出力手段は、画像表示手段により表示される画像と同期して現実の車両の走行時に発生する音響を用いて音響を出力させることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【0025】
現実の視野と同様の画像を表示させるという観点から、本発明は、請求項6に記載されるように、前記画像表示手段は、前記画像をスクリーンに投影させるプロジェクタを有し、仮想空間でのカメラの視点と前記仮想空間での投影面との角度と、前記鉄道用運転シミュレータを操作する運転士の視点と前記スクリーンに投影された画像との角度とが同一である構成としてもよい。
【0026】
このような鉄道用運転シミュレータでは、仮想空間でのカメラの視点と仮想空間での投影面との角度と、鉄道用運転シミュレータを操作する運転士の視点とスクリーンに投影された画像との角度とが同一であることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【0027】
実際に運転している臨場感や緊張感を得るという観点から、本発明は、請求項7に記載されるように、前記コントローラのブレーキハンドルを操作した結果を数量的に表示させる計器表示手段を有し、前記音響出力手段は、前記計器表示手段に表示されたBC(ブレーキシリンダ)圧と、前記車両制御手段から受信した前記速度情報とに基づいて、前記音響の音量及び周波数を変化させて出力する構成としてもよい。
【0028】
このような鉄道用運転シミュレータでは、コントローラの操作により計器表示手段に表示されたBC圧と速度情報とに基づいて、音響出力手段から音響の音量及び周波数を変化させて実録音を再生することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0030】
図1は、本発明の実施の一形態に係る鉄道用運転シミュレータの構成図である。図1において、鉄道用の車両の運転操作をシミュレーションするための鉄道用運転シミュレータ10は、実車両を操作する手段を有する運転台である車両2と、車両2に接続され、車両2の操作に応じて音響を出力するスピーカ1と、仮想的に走行する車両2からの視界の画像表示を制御する視界表示用PC(パーソナルコンピュータ)4と、視界表示用PC4に接続され、画像をスクリーン6に投射するプロジェクタ3と、プロジェクタ3からの画像が投射されるスクリーン6とで構成されるシステムである。
【0031】
また、車両2は、車両の運転を操作するコントローラ22と、コントローラ22による操作結果を数量的に表示させるディスプレイなどの計器パネル21と、コントローラ22による操作結果に応じて車両2の操作を制御する車両制御用PC20とで構成される。
【0032】
尚、車両制御用PC20と、視界表示用PC4とはLAN(Local Area Network)5を介して接続されている。また、LAN5の通信方法において、TCP(Transmission Control Protocol)、UDP(User Datagram Protocol)等が適応可能である。本発明の鉄道用運転シミュレータ10では、データが小さく高速性が要求されるためUDPを用いる。また、視界表示用PC4では、UDPを容易に扱うことができるソフトウェア(Winsock)を用いるものとする。
【0033】
車両制御用PC20は、パーソナルコンピュータであって、CPU(中央処理装置)によって車両2の走行状態を制御する処理が実行される。CPUは、メモリユニットに格納されたプログラムに従ってコントローラ22による操作に応じた車両2を制御する処理を行う。例えば、コントローラ22で、ブレーキや速度の調整が行われると、車両制御用PC20は、計器パネル21に操作結果を供給する。また、車両制御用PC20は、コントローラ22の操作に基づいて、所定の時間間隔の車両2の走行位置情報及び速度情報を生成すると共に、車両の揺れの変位を算出し、それらの走行位置情報、速度情報、車両の揺れをLAN5を介して視界表示用PC4に提供する。同時に、車両制御用PC20は、走行位置情報及び速度情報に同期させた音響、即ち、プロジェクタ3から出力される画像に合った音響をスピーカ1に供給する。尚、車両制御用PC20は、所定の時間間隔で走行位置情報及び速度情報を視界表示用PC4に提供するようにしてもよい。
【0034】
視界表示用PC4は、パーソナルコンピュータであって、CPUによって車両2からの視界を表示する処理が実行される。CPUは、メモリユニットに格納された画像生成プログラムに従って車両制御用PC20から供給された走行位置情報及び速度情報に基づいて、コンピュータグラフィック(画像)を生成する処理を行う。例えば、視界表示用PC4は、車両制御用PC20から走行位置情報及び速度情報が供給されると、走行位置情報、速度情報、車両の揺れによる変位を用いて画像を生成され、生成された画像はプロジェクタ3に供給される。プロジェクタ3は、供給された画像をスクリーン6へ投影させる。
【0035】
上記車両モデルとは、現実に車両2が走行した時の揺れを想定したもので、その揺れを画像に反映させるために用いられる。画像に揺れを反映させて視界画像を揺らすことにより、車両2が揺れているような感覚を与えることができる。そのような効果を高めるため、車両モデルに基づいて車両の揺れを生成する。具体的には、車両の揺れは、車両が走行する軌道の狂いや、車両への乗客乗降時の不規則な加圧、慣性力、重力等に基づいて生成される。この車両モデルについては、図5〜図10で詳細に説明する。
【0036】
従って、鉄道用運転シミュレータ10において、車両制御用PC20は、コントローラ22による操作結果に応じた走行位置情報及び速度情報を視界表示用PC4に提供し、視界表示用PC4で生成された画像をプロジェクタ3によりスクリーン6に投影し、視界画像を表示させることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができると共に、コストを削減することができる。尚、車両制御用PC20、及び視界表示用PC4は、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができる。
【0037】
次に、鉄道用運転シミュレータ10の各構成の配置について説明する。図2は、鉄道用運転シミュレータの各構成の配置を説明するための図である。図2(A)は、鉄道用運転シミュレータ10を上方向から見た図である。図2(B)は、鉄道用運転シミュレータ10を横方向から見た図である。図2(C)は、鉄道用運転シミュレータ10を後方向から見た図である。図2(C)に示すように各構成は、スクリーン6の中心線と重なるようにプロジェクタ3を設置し、運転士からの視点25が中心線上になるように鉄道用運転シミュレータ10を使用する。
【0038】
図1に示す車両制御用PC20と視界表示用PC4との間のLAN5接続は、高速化を図った設計としているが、データの送受信でずれが発生してしまうため、同期を確保する必要がある。以下に同期を確保するための方法について説明する。図3は、車両制御用PCと視界表示用PCとの間のデータ送受信の同期について説明するための図である。図3(A)は、受信したデータを1フレーム毎に画像表示する場合を示す図である。図3(B)は、画像表示処理にかかる時間がデータの送受信の周期より上回る場合を示す図である。図3(C)は、画像表示処理とは別にデータを複数回受信する場合を示す図である。
【0039】
図3(A)において、例えば、時刻t1で、視界表示用PC4は車両制御用PC20からデータ(▲1▼)を受信する。視界表示用PC4では、データ(▲1▼)を用いて画像を表示するための計算を行う。ここで、計算時間をT10とすると、受信時刻t1から計算時間T10経過後、時刻t2で、計算結果から得られた画像(▲1▼)をスクリーン6へ表示する。このように、図3(A)では、計算時間T10が、次のデータ(▲2▼)を受信するまでの時間よりも短いため、同期を確保するための処理を行う必要はない。
【0040】
図3(B)において、例えば、時刻t11で、視界表示用PC4は車両制御用PC20からデータ(▲1▼)を受信する。ここで、視界表示用PC4による計算時間をT20とする。計算時間T20の間の時刻t12に次のデータ(▲2▼)を受信し、時刻t11から計算時間T20経過後の時刻t13で、計算結果から得られた画像(▲1▼)をスクリーン6へ表示する。時刻t13で画像表示された後、時刻t12に受信したデータ(▲2▼)について計算を開始し、時刻t13から計算時間T20経過後の時刻t15で、計算結果から得られた画像(▲2▼)が表示される。同様にして、時刻t15で画像表示された後、時刻t14で受信したデータ(▲3▼)について計算を開始し、時刻t17で、計算結果から得られた画像(▲3▼)が表示される。このように、図3(B)では、1フレームの画像表示処理にかかる時間がデータの送受信の周期より上回るため、受信データが視界表示用PC4のバッファに溜まり、同期がとれず画像表示が遅延してしまう。
【0041】
図3(C)において、例えば、時刻t21で、視界表示用PC4は車両制御用PC20からデータ(▲1▼)を受信する。ここで、視界表示用PC4による計算時間をT30とする。計算時間T30の間の時刻t22に次のデータ(▲2▼)を受信し、時刻t22から計算時間T30経過後の時刻t23で、計算結果から得られた画像(▲1▼)をスクリーン6へ表示する。時刻t23で画像表示された後、時刻t22に受信したデータ(▲2▼)について計算を開始する。また、この時、時刻t24でデータを受信する。時刻t23から計算時間T30経過後の時刻t25で、計算結果から得られた画像(▲2▼)が表示される。また、時刻t25で、次に画像処理を行うデータは、最新の受信データを用いるため、時刻t25で受信するデータ(▲4▼)が用いられ、計算時間T30経過後の時刻t27で画像表示される。このように、図3(C)では、画像表示処理とは別にデータを複数回受信し、複数回受信したデータのうち最新の受信データを選択するため、画像表示を遅延させることなく同期を確保することができる。
【0042】
次に、図3(C)に示す同期を確保した場合の画像の動きについて説明する。図4は、PC間の同期を確保した場合の画像の動きのグラフを示す図である。図4に示す表100は、縦軸には車両2が走行した距離、横軸には経過時刻を示し、画像表示を開始した時点を時刻1として表示している。表100のグラフの黒点で画像を表示しているため、同期を確保したとしても画像がギクシャクしてしまう。これは、データを取得した正確な時刻を得ることができないために、走行距離を予測することができず、画像を補正することができない点でも問題がある。そこで、車両2の走行位置情報の他に速度情報を受信し、次の数式1から車両位置を計算する。
【0043】
【数1】
ここで、x(t−Δt)は前回の車両位置、xinは受信したときの車両位置、vは車両速度、Δvは経過時間、k1、k2は重みであり、k1=0.75、k2=0.25としている。
【0044】
従って、視界表示用PC4は、上記数式を用いて画像を生成することにより、滑らかに画像を表示することができ、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【0045】
次に、車両モデルについて説明する。図5は、車両の揺れについて説明するための図である。図5(A)において、従来の鉄道用運転シミュレータには車両2と動振装置27とが設けられている。動振装置27で車両2の床を揺らすことにより、車両2の揺れを再現している。このように、従来の鉄道用運転シミュレータには、動振装置27などの大掛かりな装置を有するものがほとんどであった。
【0046】
図5(B)は、地面を基準とした車両2の揺れと、車両2の床を基準とした車両2の揺れを示している。車両モデルは、車両制御用PC20に組み込まれており、軌道狂いなどの入力値の計算から車体の揺れの計算まで、車両制御用PC20が行う。視界表示用PC4は、視界の描画のみ行っている。つまり、車両制御用PC20は、車両モデルの出力である車体の変位である左右y、上下z、ローリングφ、ピッチングθ、ヨーイングψを視界表示用PC4に随時送り、視界描画用PCは、受け取った車体の変位に基づいてコンピュータグラフィックスの風景を移動、回転させている。風景が移動、回転することと、車両が変位することは車上の観察者に対しては、図5(B)に示すように相対的に同じであるため、観察者は車体が揺れているような感じを受ける。従って、視界の画像を揺らすことで車両2が揺れているような感覚を与えるため、車両モデルに基づいて、振動などの現実の車両の走行時の動きを画像に反映させる車両の揺れが生成された。
【0047】
図6、7は、車両モデルについて説明するための図である。車両の揺れを模擬するために、車体、空気ばね、左右動ダンパからなる振動系をモデル化したもの、即ち、車両モデルを図6、7に示す。車両制御用PC20には、図6、7に示す車両モデルから導いた運動方程式が格納されている。図6(A)は車両2全体の車両モデルを示す図であり、図6(B)は車両モデルの入力と出力を示す概念図である。図7(A)は車両2の左右平面の車両モデルを示す図であり、図7(B)は、車両2の前後平面の車両モデルを示す図である。この車両モデルに、軌道の作成方法によって計算された軌道狂いをyBF、zBF、φBF、yBR、zBR、φBRとして与えることにより、運動方程式に基づいて車両の運動が計算され、車体が左右y、上下z、ローリングφ、ピッチングθ、ヨーイングψの5つの振動パターンで振動する。車両の揺れは、図6(B)に示すように車両が走行する軌道の狂い、及び車両への乗客乗降時の不規則な加圧、慣性力、重力に基づいて生成される。また、車両モデルに入力するものとして、軌道狂いのほかに、カント(カーブにおいて外側のレールを高くすること)φBF、φBR、慣性力、旅客乗降の力などがあり、これらによっても車体が揺れる。また、カントと、軌道狂いの記号が同じなのは、軌道狂いがカントを含めた変位となっているからである。慣性力は、車体2の重心位置に作用する。このような車両モデルに基づいて、車両2の振動が再現されるが、視界表示用PC4による画像生成時に車両2の揺れを反映させるようにしてもよいし、車両制御用PC20により車両2の揺れを再現し、視界表示用PC4に供給してもよい。尚、車両2の床以下の振動については考慮していない。
【0048】
次に、車両モデルの作成に使用される車両が走行する軌道の狂いについて説明する。図8は、軌道の作成時期を説明するための図である。図8において、車両2が実際の軌道を走行しているものと仮定している。軌道は、不規則な凹凸を有する。不規則な凹凸から発生する軌道の狂いは、乱数(ホワイトノイズ)に1次遅れ要素のフィルタを通して得ることができる。本発明の鉄道用運転シミュレータ10では、車両2を走行させている段階で軌道の狂いを算出する。軌道の狂いは数式2で算出される。
【0049】
【数2】
また、上記uに乱数を入力する。x=0のとき、y=y0、距離がx=hのときの狂いyは数式3で算出される。
【0050】
【数3】
数式2、数式3に基づいて、数式4、数式5に示すプログラムを繰り返すことにより、不規則な凹凸の軌道が算出される。
【0051】
【数4】
ここで、数式4に示すαは−1≦α<1の乱数である。
【0052】
【数5】
図8に示すように、軌道の狂いを算出する場合、1ブロックを25mとし、1ブロック走行する毎に軌道を作成する。即ち、車両2が25m進む毎に、車両制御用PC20により走行位置情報及び速度情報を生成し、以前に生成したデータは削除するものとする。
【0053】
図9は、作成された軌道を説明するための図である。図9(A)、(B)は図8に示すように1ブロック毎に作成される軌道の狂いを示すグラフである。図9に示す軌道の狂いが作成されると、その作成された軌道の狂いに基づいた車両の揺れが計算される。この車両2の揺れを画像に反映させることができる。
【0054】
次に、車両への乗客乗降時の不規則な加圧について説明する。図10は、車両への乗客乗降時の不規則な加圧について説明するための図である。図10において、縦軸を乗車率、横軸を時間とした乗降の関係を示している。時刻t41で車両2の扉が開かれ、時刻t42で乗客の乗降が終了し、時刻t43で車両2の扉が閉じられることを示している。また、時刻t41から時刻t43までの時間は最短停車時間であり、時刻t42から時刻t43までの時間で車両2が閉扉されている。時刻t41から時刻t42までの時間は乗降時間T40である。
【0055】
このように乗降は、路線データでそれぞれの駅に定義された乗車率と最短停車時間から模擬される。乗客の乗降時、車両2の1点に不規則な力を加えて車両2を揺らすように設定する。具体的には、降車(2a)は、乗車(a)の2倍であり、車両2に揺らす値の大きさも2倍とする。乗降時間を過ぎると突然揺れが止まるという不自然さをなくすため、閉扉されるまで小さな揺れを発生させる。
【0056】
次に、スクリーン6に投影される投影面について説明する。図11は、視点の位置と投影画像とを示す図である。例えば、運転士がスクリーン6に投影された画像を見るとき、所定の位置から見ない場合、空間が歪んで見える。図11(A)、(C)は、仮想カメラの視点から4本の円柱を見た場合の投影面を示している。図11(B)は、スクリーン6への投影画像を示している。視界表示用PC4は、図11(B)に示すような投影画像を生成し、プロジェクタ3によりスクリーン6へ投影する。本願発明の鉄道用運転シミュレータ10による視界画像は、3次元モデルを描画したコンピュータグラフィックスで再現しており、建物などの風景は3次元データとして視界表示用PC4に記録されている。視界表示用PC4は、2次元のスクリーン6に投影すために、記録されている3次元データをリアルタイムで2次元画像に生成する。その処理は、コンピュータ上の3次元空間(仮想空間)に仮想の投影面(フロントクリッピング平面)を所定の視点(カメラ)から見た時、投影面の中に見える風景が2次元画像となる。この時、投影面の位置や角度が変われば2次元画像は変化する。実空間では、観察者がスクリーンの2次画像を見て元の3次元モデルを推測するという逆の処理を行っている。ここで、視点に対して仮想空間の投影面と実空間の投影面が同じ位置でなければ、元の3次元には戻らない。図11(A)に示すように、仮想カメラの視点から4本の円柱を見た場合の投影面から、図11(B)に示す投影画面が得られる。図11(C)に示すように、仮想カメラの視点と投影面との距離を図11(A)よりも長くした状態で投影画像を見た時、図11(B)に示す4本の円柱の位置とは異なって見える。したがって、正確な位置からスクリーン6を見なければ、空間が歪んで見えてしまう。
【0057】
次に、正確な位置からスクリーン6を見るための投影面と視点との位置関係について説明する。図12は、実空間及び仮想空間の投影面と視点の位置を示す図である。図12(A)は、実空間での観察者の視点とスクリーン6との位置関係を示している。図12(B)は、仮想空間(コンピュータ上の空間)でのカメラ30の視点と仮想平面(フロントクリッピングプレーン)60との3種類の位置関係を示している。鉄道用運転シミュレータ10では、スクリーン6と観察者の位置は、他の構成の配置で決まっているため、仮想空間における投影面(フロントクリッピングプレーン)の位置を実空間における投影面(スクリーン6)の位置と相似になるように配置する(図12(B)の左端)。図12(B)の中央、右端に示すカメラ30の視点と仮想平面60との位置関係では、投影面(スクリーン6)に投影される画面では空間が歪んで見えてしまう。従って、本発明の鉄道用運転シミュレータ10は、空間が歪んで見えないように、仮想空間のカメラと仮想投影面との角度と、鉄道用運転シミュレータ10を操作する観察者の視点とスクリーン6に投影された画像との角度とが同一となるように設定されることにより、実際に運転している速度感を観察者に与えることができる。
【0058】
尚、投影面と視点との位置関係は同一距離ではなく、相似とする理由は、3次元データから2次元の投影画像にする段階で奥行きの情報が失われるため、投影画像から元の3次元モデルの大きさまでを読み取ることができないためである。
【0059】
次に、画像表示と同期してスピーカ1から出力されるブレーキの軋り音について説明する。図13は、ブレーキの軋り音について説明するための図である。図13(A)は、速度に対する音量変化を示している。図13(B)は、速度に対する摩擦係数を示している。ブレーキ軋り音は、速度vと、コントローラ22により操作され、計器パネル21で表示されるBC(ブレーキシリンダ)圧とにより、音量と周波数を変化させて実録音を再生する。これにより、実車両に近い音響を再現し、スピーカ1から出力させることができる。音量Aは、数式6に示すようにBC圧に比例して大きくなり、更に、数式7に示すように速度vによって変化する。
【0060】
【数6】
【0061】
【数7】
尚、数式7のグラフが図13(A)である。また、数式8に示すように周波数fは、BC圧Pと制輪子の摩擦係数μ、即ちブレーキ力によって変化する。
【0062】
【数8】
尚、数式8中のμ/μ0のグラフが図13(B)であり、図13(B)に示すように、摩擦係数μは速度と共に変化する。従って、コントローラ22の操作により計器パネル21に表示されたBC圧と、速度情報に基づいてスピーカ1から音響の音量及び周波数を変化させて実録音を再生することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【0063】
次に、図1に示す鉄道用運転シミュレータ10での処理の流れ、特に、車両制御用PC20及び視界表示用PC4での処理の流れについて説明する。図14は、鉄道用運転シミュレータにおける機能間の処理の流れについて説明するための図である。図14において、車両制御用PC20は、路線データ200と車両データ201とが格納されており、先行列車制御処理部202、信号制御処理部203、保安装置制御処理部204、車掌制御処理部205、ドア制御処理部206、乗客制御処理部207、駆動制御処理部208、軌道制御処理部209、車両モデル算出処理部210、音響生成処理部211とを有する。視界表示用PC4は、風景データ400が格納されており、画像生成制御処理部401を有する。尚、図14に示す長方形で囲む各構成202〜211、401では(制御)処理部という記載を省略している。
【0064】
先ず、コントローラ22により操作された結果が駆動制御処理部208へ提供される(ステップS1)。また、路線データ200が、先行列車制御処理部202、信号制御処理部203、保安装置制御処理部204、車掌制御処理部205、乗客制御処理部207、駆動制御処理部208、軌道制御処理部209へ供給される(ステップS2)。車両データ201が、保安装置制御処理部204、駆動制御処理部208へ供給される(ステップS3)。先行列車制御処理部202は、路線データ200に基づいて生成された位置情報を信号制御処理部203に供給する(ステップS4)。信号制御処理部203は、位置情報に基づいて信号情報を保安装置制御処理部204に供給する(ステップS5)。保安装置制御処理部204は、駆動制御処理部208と制御データの送受信を行う(ステップS6)。保安装置制御処理部204は、供給された情報に基づいて警報情報を音響生成処理部211に供給する(ステップS7)。
【0065】
尚、車掌制御処理部205は、路線データ200等に基づいて生成したドアの制御情報や放送情報、ブザー情報を、ドア制御処理部206、音響生成処理部211に供給する(ステップS8)。ドア制御処理部206は、制御情報に基づいて生成したドア制御情報を乗客制御処理部207、音響生成処理部211、保安装置制御処理部204に供給する(ステップS9)。乗客制御処理部207は、路線データ200等に基づいて生成した重量情報、乗降情報を駆動制御処理部208、車両モデル算出処理部210に供給する(ステップS10)。駆動制御処理部208は、位置情報、速度情報を車掌制御処理部205に供給する(ステップS11)。
【0066】
また、駆動制御処理部208は、位置情報、速度情報を車掌制御処理部205に供給する(ステップS12)。軌道制御処理部209は、路線データ200及び位置情報に基づいて生成した軌道狂いを車両モデル算出処理部210に供給する(ステップS13)。駆動制御処理部208は、加速度情報を車両モデル算出処理部210に供給すると共に、位置情報を音響生成処理部211に供給する(ステップS14)。車両モデル算出処理部210は、ばねの変位を音響生成処理部211に供給する(ステップS15)。駆動制御処理部208は、位置情報を画像生成処理部401に供給する(ステップS16)。車両モデル算出処理部210は、車体変位を視界表示用PC4の画像生成処理部401に供給する(ステップS17)。風景データ400が、画像生成処理部401に供給される(ステップS18)。画像生成処理部401は、位置情報及び車体変位情報とに基づいて画像を生成し、プロジェクタ3に供給する(ステップS19)。音響生成処理部211は、供給された警報情報、放送情報、ブザー情報に基づいて、音情報をスピーカ1に供給する(ステップS20)。プロジェクタ3は、生成した画像をスクリーン6に供給する(ステップS21)。
【0067】
このように、本発明の鉄道用運転シミュレータ10は、仮想的に走行する車両からの視界を画像表示し、車両の運行操作に応じて車両の走行状態を制御し、車両制御用PC20から受信した走行位置情報と車体変位とに基づいて、視界表示用PC4の制御によりプロジェクタ3からの画像をスクリーン6に投影する登共に、スピーカ1から画像と同期して音情報が出力されることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる。
【0068】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、画像表示手段が車両制御手段から受信した走行位置情報と車体変位とに基づいて、画像を生成して表示することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係る鉄道用運転シミュレータの構成図である。
【図2】鉄道用運転シミュレータの各構成の配置を説明するための図である。
【図3】車両制御用PCと視界表示用PCとの間のデータ送受信の同期について説明するための図である。
【図4】PC間の同期を確保した場合の画像の動きのグラフを示す図である。
【図5】車両の揺れについて説明するための図である。
【図6】車両モデルについて説明するための図である。
【図7】車両モデルについて説明するための図である。
【図8】軌道の作成時期を説明するための図である。
【図9】作成された軌道を説明するための図である。
【図10】車両への乗客乗降時の不規則な加圧について説明するための図である。
【図11】視点の位置と投影画像とを示す図である。
【図12】実空間及び仮想空間の投影面と視点の位置を示す図である。
【図13】ブレーキの軋り音について説明するための図である。
【図14】鉄道用運転シミュレータにおける機能間の処理の流れについて説明するための図である。
【符号の説明】
1 スピーカ
2 車両
3 プロジェクタ
4 視界表示用PC
5 LAN
6 スクリーン
10 鉄道用運転シミュレータ
20 車両制御用PC
21 計器パネル
22 コントローラ
27 動振装置
Claims (7)
- 仮想的に走行する車両からの視界の画像を表示する画像表示手段と、前記車両の運行を操作するコントローラと、前記コントローラの操作に応じて車両の走行状態を制御する車両制御手段とを有する鉄道用運転シミュレータであって、
前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した走行位置情報に基づいて、前記画像を生成する画像生成手段を有することを特徴とする鉄道用運転シミュレータ。 - 前記画像生成手段は、時系列的に受信された走行位置情報のうち画像を生成した時点における最新の走行位置情報を用いて次の画像を生成することを特徴とする請求項1記載の鉄道用運転シミュレータ。
- 前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した速度情報と現在位置とに基づいて、車両の走行位置を算出し、該走行位置から前記画像を表示させることを特徴とする請求項1又は2記載の鉄道用運転シミュレータ。
- 前記画像生成手段は、前記車両制御手段により算出された前記車両の揺れに基づいて、前記車両の揺れを示す画面を生成することを特徴とする請求項1乃至3いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。
- 現実の車両の走行時に発生する音響を用いて該音響を出力させる音響出力手段とを有し、
前記音響出力手段は、前記画像表示手段により表示される画像と同期して前記音響を出力させることを特徴とする請求項1乃至4いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。 - 前記画像表示手段は、前記画像をスクリーンに投影させるプロジェクタを有し、
仮想空間でのカメラの視点と前記仮想空間での投影面との角度と、前記鉄道用運転シミュレータを操作する運転士の視点と前記スクリーンに投影された画像との角度とが同一であることを特徴とする請求項1乃至5いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。 - 前記コントローラのブレーキハンドルを操作した結果を数量的に表示させる計器表示手段を有し、
前記音響出力手段は、前記計器表示手段に表示されたブレーキシリンダ圧と、前記車両制御手段から受信した前記速度情報とに基づいて、前記音響の音量及び周波数を変化させて出力することを特徴とする請求項1乃至6いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。
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