適用于展會(huì)的動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、    適用于展會(huì)的動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    陳彥 曹偉濤 賈志凱摘 要：當(dāng)前動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)已從駕駛培訓(xùn)和性能仿真延伸到展會(huì)應(yīng)用。由于動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)具備的沉浸式體驗(yàn)特點(diǎn)，使其成為我國(guó)動(dòng)車(chē)組展示的重要平臺(tái)。為此，本文針對(duì)展會(huì)需求，設(shè)計(jì)以cr400af型動(dòng)車(chē)組為對(duì)象的模擬駕駛臺(tái)系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、列車(chē)動(dòng)力學(xué)、列車(chē)控制理論、計(jì)算機(jī)圖形圖像、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，模擬cr400af型動(dòng)車(chē)組牽引、制動(dòng)、控制邏輯等功能，提供逼真三維視景顯示，為展會(huì)用動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)提供解決方案。關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組;模擬駕駛;展會(huì)應(yīng)用;解決方案中圖分類號(hào)：

2、u216design andimplementation of emu driving simulation system for exhibitionchen yan cao weitao jia zhikaiinstitute of computing technologies china academy of railway sciences corporation

3、60;limited beijing 100081abstract：at present，emu driving simulation system has been extended from driving training and performance simulation to exhibition application.due to the immersive e

4、xperience characteristics of emu driving simulation system，it has become an important platform for emu display in china.according to the demand of the exhibition，this paper designe

5、d the simulation bridge system of cr400af emu.by using computer simulation technology，train dynamics，train control theory，computer graphics and image，computer multimedia technology，the traction，brakin

6、g，control logic and other functions of cr400af emu were simulated，and realistic 3d visual display was provided.the solutions for emu driving simulation system for exhibition was

7、60;put forward.keywords：emu;driving simulation;exhibition application;solutions動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)通過(guò)仿真動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能、動(dòng)車(chē)組駕駛環(huán)境來(lái)建構(gòu)一個(gè)具有高度真實(shí)感的虛擬駕駛環(huán)境。動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)主要用于動(dòng)車(chē)組駕駛技能的培訓(xùn)，具有安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、高效等特點(diǎn)。動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能仿真和駕駛環(huán)境仿真。性能仿真部分主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組牽引及制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)車(chē)組控制系統(tǒng)、動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)、車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)等與動(dòng)車(chē)組運(yùn)行內(nèi)容相關(guān)的仿真;駕駛環(huán)境仿真則從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感受等方面模擬動(dòng)車(chē)組真

8、實(shí)運(yùn)行時(shí)的駕駛環(huán)境，令使用者能夠身臨其境。由于動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)具備沉浸式體驗(yàn)特點(diǎn)，其作用以從駕駛培訓(xùn)和性能仿真延伸到展會(huì)應(yīng)用，成為我國(guó)高鐵展示的重要平臺(tái)。為此，針對(duì)高速列車(chē)模擬駕駛展會(huì)需求，設(shè)計(jì)以cr400af型動(dòng)車(chē)組為對(duì)象的模擬駕駛臺(tái)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、列車(chē)動(dòng)力學(xué)、列車(chē)控制理論、計(jì)算機(jī)圖形圖像、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，模擬出cr400af型動(dòng)車(chē)組的牽引、制動(dòng)、控制邏輯等功能，提供逼真三維視景顯示，展示高鐵車(chē)站、有渣路基面、無(wú)渣路基面、市區(qū)建筑群、戈壁灘風(fēng)貌、風(fēng)車(chē)、橋梁、隧道、綠洲、山丘、雪地等要素，展現(xiàn)cr400af型動(dòng)車(chē)組以及選定高鐵線路沿途特色景觀，營(yíng)造出沉浸感極強(qiáng)的列車(chē)運(yùn)行環(huán)境。1&

9、#160;系統(tǒng)構(gòu)成cr400af動(dòng)車(chē)組模擬駕駛系統(tǒng)具備高度仿真的動(dòng)車(chē)組性能及功能，主要包括仿真司機(jī)操縱臺(tái)、視景仿真系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、動(dòng)車(chē)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)、接口采集與控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備等組成。cr400af動(dòng)車(chē)組模擬駕駛臺(tái)組成，如圖1所示。1.1 仿真司機(jī)操縱臺(tái)操縱臺(tái)以cr400af動(dòng)車(chē)組司機(jī)操縱臺(tái)為藍(lán)本，按11比例制造，主控手柄、hmi顯示屏、atp顯示屏、cir的顯示及打印、緊急制動(dòng)按鈕、緊急斷點(diǎn)按鈕、速度表、腳踏開(kāi)關(guān)及其他開(kāi)關(guān)、控制按鈕等，具有與實(shí)際動(dòng)車(chē)組相同的操作手感，與實(shí)際動(dòng)車(chē)組上的對(duì)應(yīng)設(shè)備具有相同的操作功能與控制邏輯。體驗(yàn)者可通過(guò)操縱這些設(shè)備模擬對(duì)動(dòng)車(chē)組的控制。1.cir顯

10、示器及話筒 2.tcms 顯示器 3.atp顯示器 4.tcms顯示器 5.atp顯示器 6.儀表區(qū) 7.預(yù)留橫向7寸顯示屏安裝接口 8.預(yù)留eoas廣角攝像頭安裝接口 9.緊急斷電按鈕 10.拾音器 11.緊急制動(dòng)按鈕 12.門(mén)關(guān)閉指示燈 13.線路攝像機(jī) 14.左操作區(qū) 15.左側(cè)制動(dòng)按鈕區(qū) 16.中央操作區(qū) 17.右操作區(qū) 18.氣候區(qū) 19.主控手柄 20.操作模式選擇按鈕 21

11、.cir打印機(jī) 22.pis電話 23.dsd腳踏開(kāi)關(guān) 24.風(fēng)笛腳踏開(kāi)關(guān) 25.220v電源插座 26.轉(zhuǎn)儲(chǔ)裝置1.2 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)是模擬駕駛系統(tǒng)的計(jì)算核心。系統(tǒng)以cr400af型動(dòng)車(chē)組車(chē)輛參數(shù)（自重、載重、牽引和制動(dòng)特性）為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)仿真和動(dòng)車(chē)組控制邏輯仿真。系統(tǒng)能夠響應(yīng)接口對(duì)系統(tǒng)的輸入，對(duì)模擬駕駛系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的解算，用以提供整個(gè)模擬駕駛系統(tǒng)必要的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算和控制。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)由動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)和動(dòng)車(chē)組控制邏輯仿真系統(tǒng)構(gòu)成。1.2.1 動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)仿

12、真系統(tǒng)采用多質(zhì)點(diǎn)解算方式，將每一節(jié)車(chē)廂作為一個(gè)單獨(dú)的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，包括牽引力、電制動(dòng)力、空氣制動(dòng)力、停放制動(dòng)力、坡道阻力、曲線阻力、運(yùn)行阻力、啟動(dòng)阻力等，計(jì)算出每個(gè)質(zhì)點(diǎn)受力的合力方向，再結(jié)合其他質(zhì)點(diǎn)對(duì)本質(zhì)點(diǎn)施加的外力，計(jì)算出動(dòng)車(chē)組編組的合力大小及其方向，從而解算出所有其他分系統(tǒng)需要的信息，包括加速度、速度、位移等。結(jié)合線路的狀況，解算出每動(dòng)車(chē)組的位置與方向，再通過(guò)與動(dòng)車(chē)組駕駛員幾何位置的校正，將動(dòng)車(chē)組眼點(diǎn)的位置與方向發(fā)送給視景仿真系統(tǒng)，由視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)景的顯示。1.2.2 動(dòng)車(chē)組控制邏輯仿真系統(tǒng)動(dòng)車(chē)組控制邏輯仿真系統(tǒng)通過(guò)采集使用者對(duì)模擬器的操縱部件操作狀態(tài)進(jìn)行邏輯分析，高度仿

13、真真實(shí)動(dòng)車(chē)組的控制邏輯，主要涉及司機(jī)操作層面，包括起機(jī)、運(yùn)行、停車(chē)等過(guò)程。動(dòng)車(chē)組的安全邏輯、牽引、制動(dòng)按照實(shí)際情況控制和響應(yīng)。嚴(yán)格依據(jù)cr400af型動(dòng)車(chē)組電氣原理、氣路及相關(guān)軟件控制模塊、控制原理開(kāi)發(fā)電氣路邏輯控制仿真模塊，保證動(dòng)車(chē)組的所有電氣、機(jī)械和氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)關(guān)系及動(dòng)作時(shí)序（過(guò)程），根據(jù)實(shí)際形式進(jìn)行一對(duì)一的仿真。1.3 視景仿真系統(tǒng)視景仿真系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)生成圖像方式實(shí)現(xiàn)視景仿真，主要提供前方線路環(huán)境、天氣環(huán)境、信號(hào)條件等仿真，由視景驅(qū)動(dòng)軟件、三維線路模型、視景顯示設(shè)備及視景系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成，能夠提供原尺寸、無(wú)閃爍、無(wú)色彩差異、一體化的高鐵全程線路數(shù)字視景仿真顯示。視景驅(qū)動(dòng)

14、軟件根據(jù)模擬運(yùn)行的位置與速度同步顯示視景內(nèi)容，刷新頻率不低于60hz。顯示的景物尺寸、比例與真實(shí)一致，能夠使駕駛員有身臨其境的感覺(jué)。三維線路模型以工務(wù)及機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，與真實(shí)的工務(wù)數(shù)據(jù)和電務(wù)數(shù)據(jù)保持一致，包括軌道、彎道、坡道、公里標(biāo)、架空線路及橋梁、分相點(diǎn)標(biāo)志、應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)、沿線景物、標(biāo)志性建筑、隧道及內(nèi)部設(shè)備、接觸網(wǎng)、站臺(tái)、站房等。沿線景物包括：高鐵車(chē)站、有渣路基面、無(wú)渣路基面、市區(qū)建筑群、戈壁灘風(fēng)貌、風(fēng)車(chē)、橋梁、隧道、綠洲、山丘、雪地。視景仿真系統(tǒng)考慮到以往模擬駕駛臺(tái)的視景仿真界面缺少速度、動(dòng)車(chē)組位置等信息展示，為了適應(yīng)展會(huì)需求，為觀眾提供更為直觀的多元信息展示，在視景仿真界面融入車(chē)輛定

15、位、車(chē)輛速度、公里標(biāo)、車(chē)次、天氣等信息，仿真界面如下圖所示：1.4 聲音仿真系統(tǒng)聲音仿真系統(tǒng)數(shù)字音頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車(chē)組駕駛相關(guān)的聲音及環(huán)境噪音的模擬，并能與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)、同步工作，使用戶更好地了解動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)信息。聲音仿真系統(tǒng)模擬聲音包括動(dòng)車(chē)組外部的聲音與動(dòng)車(chē)組內(nèi)部的聲音。動(dòng)車(chē)組外部的聲音包括：不同輪徑的動(dòng)車(chē)組以不同運(yùn)行速度在不同的線路上行進(jìn)時(shí)的軌道聲，這些線路包括：直道、彎道、隧道、涵洞、地面線路、橋梁、無(wú)縫軌/長(zhǎng)軌/短軌;動(dòng)車(chē)組以不同運(yùn)行速度行進(jìn)時(shí)的風(fēng)聲;不同運(yùn)行速度情況下動(dòng)車(chē)組的鳴笛聲（包括具有多普勒效應(yīng)的會(huì)車(chē)及鳴笛聲）;在隧道、露天線路及二者的銜接區(qū)域，動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)的軌道聲;

16、過(guò)道岔的軌道聲;制動(dòng)、緊急制動(dòng)聲;側(cè)向噪聲、環(huán)境噪聲。動(dòng)車(chē)組內(nèi)部聲音包括：操作過(guò)程中動(dòng)車(chē)組產(chǎn)生的各種電器吸合、斷開(kāi)聲音;動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中有關(guān)設(shè)備的機(jī)械噪聲;空氣制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的各種明顯的氣動(dòng)聲音等;動(dòng)車(chē)組報(bào)站廣播聲音。1.5 接口采集與控制系統(tǒng)接口采集與控制系統(tǒng)采用can總線技術(shù)對(duì)仿真司機(jī)操縱臺(tái)的各類按鈕、各類開(kāi)關(guān)的動(dòng)作進(jìn)行采集，對(duì)速度表、氣壓表、各類指示燈、空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行輸出控制，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸控制。以16ms（60hz）的周期檢測(cè)硬件操作及軟件輸入，并將解算后的數(shù)據(jù)輸出各個(gè)分系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。1.6 輔助設(shè)備輔助設(shè)備包括cr400af動(dòng)車(chē)組駕駛模擬器運(yùn)行所需要

17、的相關(guān)輔助設(shè)備，包括：網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、開(kāi)關(guān)機(jī)面板、各種線纜等。2 系統(tǒng)功能2.1 發(fā)車(chē)作業(yè)仿真模擬發(fā)車(chē)前所有相關(guān)操作，比如激活駕駛室、正常啟動(dòng)atp、制動(dòng)試驗(yàn)、升弓、合主斷、緩解停放制動(dòng)等。2.2 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行控制仿真通過(guò)手動(dòng)模式或者自動(dòng)模式使動(dòng)車(chē)組在不超速的情況下穩(wěn)定行駛。在實(shí)現(xiàn)既有ctcs3級(jí)列控系統(tǒng)功能仿真的基礎(chǔ)上，增加ato自動(dòng)駕駛相關(guān)功能仿真，結(jié)合高速動(dòng)車(chē)組虛擬駕駛平臺(tái)，使系統(tǒng)具備站間自動(dòng)運(yùn)行、車(chē)站定點(diǎn)停車(chē)及車(chē)站自動(dòng)發(fā)車(chē)、動(dòng)車(chē)組運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整等功能，使用戶能夠體驗(yàn)c3+ato智能列控。2.3 動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制仿真采用10.4英寸觸摸液晶屏，實(shí)時(shí)顯示動(dòng)車(chē)組

18、工況信息以及車(chē)輛信息，具備與cr400af型動(dòng)車(chē)組一致的顯示內(nèi)容、顯示結(jié)構(gòu)、操作方法及功能。2.4 不同模擬環(huán)境下的駕車(chē)體驗(yàn)通過(guò)設(shè)定不同的天氣情況（雨、雪、霧）、不同時(shí)段（白天、傍晚、夜晚）、不同地形（平原、山地、隧道、橋梁、彎道等）、不同速度（0atp最高限速）來(lái)進(jìn)行不同模擬環(huán)境下的動(dòng)車(chē)組運(yùn)行體驗(yàn)。3 結(jié)語(yǔ)本文針對(duì)展會(huì)需求，設(shè)計(jì)以cr400af型動(dòng)車(chē)組為對(duì)象的模擬駕駛臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由仿真司機(jī)操縱臺(tái)、視景仿真系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、動(dòng)車(chē)組運(yùn)行仿真系統(tǒng)、接口采集與控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備等組成，從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感受等方面模擬動(dòng)車(chē)組真實(shí)運(yùn)行時(shí)的駕駛環(huán)境，為用戶提供沉浸式駕駛體驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：1高云鶴.列車(chē)駕駛仿真培訓(xùn)及其關(guān)鍵技術(shù)j.鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2017，23（04）：2427.2曾理，朱金陵，徐建君，等.我國(guó)高速動(dòng)車(chē)