列車駕駛模擬器是培訓(xùn)軌道交通列車司機的先進工具，具有訓(xùn)練過程安全、訓(xùn)練費用小、不影響正常行車、故障及操作訓(xùn)練可重復(fù)等優(yōu)點。通過列車駕駛模擬器進行司機培訓(xùn)，可大大縮短司機的培訓(xùn)周期，在降低培訓(xùn)成本的同時培養(yǎng)高水準(zhǔn)的司機。視景仿真系統(tǒng)是列車駕駛模擬器的重要組成部分，為受訓(xùn)司機提供有身臨其境的虛擬環(huán)境與速度感。

客室監(jiān)控視景仿真系統(tǒng)作為列車駕駛模擬器視景仿真系統(tǒng)的重要組成部分，模擬地鐵列車客室車廂內(nèi)部視頻監(jiān)視器的顯示內(nèi)容，拓展了列車駕駛模擬器視景系統(tǒng)的功能范圍，在訓(xùn)練司機處理突發(fā)事件能力和培養(yǎng)優(yōu)良服務(wù)意識方面具有重要意義。

系統(tǒng)功能要求

本系統(tǒng)作為列車駕駛模擬器視景仿真系統(tǒng)的一部分，包括以下功能：網(wǎng)絡(luò)通訊；受網(wǎng)絡(luò)信息控制的畫面全屏/分屏顯示；攝像機鏡頭畫面固定/輪循；正常開、關(guān)門過程模擬；乘客上下車突發(fā)事件（示意性火災(zāi)、擁擠、緊急按鈕觸發(fā)、攝像頭故障、車門故障等）表現(xiàn)。

客室監(jiān)控視景仿真系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通訊接收主控系統(tǒng)命令，處理網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)包括車站信息，門信息，事件消息等，并可與模擬器的站臺視景仿真系統(tǒng)相聯(lián)系。根據(jù)本系統(tǒng)中單位通信時間內(nèi)的數(shù)據(jù)流量較小、通信頻率高的特點，采用了TCP/ IP 協(xié)議中的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP 協(xié)議) 作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并在發(fā)送的報文頭中加入校驗位，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?jīng)過實際測試，通信延遲指標(biāo)完全可以滿足列車駕駛視景仿真的實時性要求。

畫面的全屏、分屏功能幫助司機更好地了解車廂狀況。每節(jié)車廂設(shè)有前后兩個攝像頭，可以通過觸摸屏點擊方式實現(xiàn)某節(jié)車廂某個攝像頭畫面的全屏化。

攝像機鏡頭畫面固定/輪循功能實現(xiàn)全屏、分屏?xí)r的車廂攝像頭畫面定時切換，達到在分屏數(shù)目有限的前提下更好地實現(xiàn)監(jiān)控每節(jié)車廂的目的。

接收主控門信息后，可實現(xiàn)列車門、站臺屏蔽門的個別或者全部的開啟、關(guān)閉動作模擬。接收夾人信息后，實現(xiàn)車門夾人現(xiàn)象的模擬。

乘客上下車突發(fā)事件（示意性火災(zāi)，擁擠）模擬乘客上下車的行為以及人群在面對突發(fā)事件（如火災(zāi)）時慌亂現(xiàn)象、擁擠情況下乘客的尋路過程。

軟件結(jié)構(gòu)與有關(guān)技術(shù)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用OpenGL Performer軟件系統(tǒng)進行開發(fā)。OpenGL Performer是SGI公司開發(fā)的一個可擴展的高性能實時三維視景開發(fā)軟件包，構(gòu)建于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL圖形庫基礎(chǔ)上。本系統(tǒng)使用的地鐵車站和車廂的模型采用業(yè)界流行的OpenFlight格式，。利用Visual C++ MFC建立應(yīng)用程序框架，調(diào)用OpenGL Performer API，并使用OpenGL進行底層開發(fā)實現(xiàn)相應(yīng)的模塊功能。

系統(tǒng)仿真程序包括: 圖形系統(tǒng)初始化、三維場景模型的載入與管理、視景生成的主循環(huán)體3個主要部分。在圖形系統(tǒng)初始化中完成建立和初始化圖形相關(guān)的資源。初始化工作完成后，視景仿真程序?qū)⑺璧娜S場景模型從文件中載入內(nèi)存。

同時根據(jù)站臺描述文件、模型文件將相應(yīng)的站臺、人物模型以及其它相關(guān)模型調(diào)入內(nèi)存，并依據(jù)文件中提供的參數(shù)將這些模型加入到場景中去^[1]。在主循環(huán)體中，視景仿真程序根據(jù)從通信系統(tǒng)接收的列車運行參數(shù)以及其它參數(shù)，完成對當(dāng)前場景狀態(tài)的更新以及事件的調(diào)用，并返回每車載荷信息(乘客數(shù)量)與突發(fā)事件報警車廂編碼。其流程如圖2所示。

圖1. 客室監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2、場景模型結(jié)構(gòu)與簡化

場景模型一般用層次建模法（樹形結(jié)構(gòu)）思想進行建模，將同一屬性的模型放在同一節(jié)點下進行統(tǒng)一管理。這種以空間位置關(guān)系為基礎(chǔ)的層次建模，方便場景管理，也便于Performer API函數(shù)對模型的實時控制。

三維模型的復(fù)雜程度直接決定了三維視景所要消耗的渲染時間，直接影響視景仿真系統(tǒng)畫面顯示的實時性。使用多層次細節(jié)(LOD)技術(shù)優(yōu)化法，對模型中的每個物體分別構(gòu)造若干個不同細致等級的模型描述，根據(jù)景物距視點的距離，調(diào)用不同細節(jié)層次的模型。

本文中車廂內(nèi)部設(shè)備以及站臺模型均采用了上述LOD思想?？拷朁c的模型使用精細模型，遠離視點的模型使用簡化模型或者使用面片貼圖代替。通過場景模型簡化，減少了三維視景所要消耗的渲染時間，提高了圖像的顯示速度。

3、人物模型與簡化

乘客模型采用采用MS3D(MilkShape3D)來構(gòu)建。建立一個與MS3D文件格式相對應(yīng)的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將MS3D的數(shù)據(jù)保存到該結(jié)構(gòu)中。MS3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義了文件頭、頂點信息、三角形信息、材質(zhì)信息、關(guān)節(jié)連接信息、關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)使用三種精細程度模型，如圖3所示。左邊是最簡模型（300面片），中間普通模型（500面片），右邊是精細模型（800面片）。根據(jù)人距離攝像頭的距離調(diào)用不同層次精細度的模型。這樣既滿足了視景的實時性和真實感，又減少了系統(tǒng)渲染的負擔(dān)，可以達到令人滿意的效果。

圖2. milkshape模型對比

關(guān)鍵功能開發(fā)與實現(xiàn)

1、界面圖形拾取

圖形拾取就是從紛繁的圖形中選取所需圖形的過程，它是交互式圖形系統(tǒng)的重要功能之一。某一圖形被拾取后，其直觀現(xiàn)象是該圖形的顏色發(fā)生改變(也有用閃爍或增亮的方法來表示圖形被拾取)，其實際意義是要在存儲用戶圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中找到存放該圖形的幾何參數(shù)及其屬性的地址，以便對該圖形作進一步的操作。

在屏幕顯示區(qū)的下方和右側(cè)各有一條工具欄（參見圖5）。下方工具欄可供受訓(xùn)司機選擇車廂攝像頭號，對應(yīng)顯示該攝像頭的監(jiān)視情景。發(fā)生突發(fā)事件后，圖標(biāo)變?yōu)榧t色。右側(cè)工具欄可供受訓(xùn)司機以全屏/分屏模式、查看/輪訓(xùn)模式，實時查看列車每節(jié)車廂內(nèi)部的情況，還有列車編組和關(guān)機選項。

使用圖形拾取技術(shù)，響應(yīng)工具欄的操作。顯示區(qū)默認狀態(tài)為四分屏，由多通道顯示技術(shù)實現(xiàn)。4個通道上方均有信息顯示欄，顯示攝像頭的名稱，是否選中，狀態(tài)（查看或輪循）等信息。

2、人群行為

智能體從模擬個人的行為出發(fā)，以擬人化方法描述、解釋、預(yù)測一個復(fù)雜系統(tǒng)的行為，可以有效仿真群體的行為形態(tài)。單個的智能主體被視為在某一環(huán)境下具有自主性、交互性、合作性、反映能力和預(yù)動能力的實體。

在本系統(tǒng)里面，一個智能主體設(shè)定為一個單獨的對象，代表了在站臺、車廂環(huán)境中一個行人的角色。具體實現(xiàn)時，行人智能體將根據(jù)路網(wǎng)情況以及自己的出發(fā)地點和目的地計算出一條最短路線。

疏散路徑選擇：個體在逃生時的行為總是采用“感知－決策－行動”過程。在真實環(huán)境中，個體選擇疏散路徑總是通過視覺判斷。如出口到個體之間無障礙物，就直線行駛；如有障礙物，就判斷障礙物的位置，然后以最短路徑行駛到障礙物邊緣^[3]。

個體在運動時會出現(xiàn)多個人爭搶同一位置和速度快的個體超越速度慢的個體的現(xiàn)象。出現(xiàn)同一時間步爭搶現(xiàn)象時，只能夠留下一個人，其余的停止等待，具有預(yù)測碰撞并及早采取繞行和超越措施。每個個體可以感知多個出口,并根據(jù)個體的慌張程度和出口的擁擠度來選擇出口?；艔埑潭雀邥r，選擇靠近的出口，慌張程度低時，選擇出口擁擠度低的出口。

圖3. 乘客行為規(guī)則

3、突發(fā)事件

客室監(jiān)控視景仿真系統(tǒng)可模擬八種典型突發(fā)事件，包括：火災(zāi)，煙霧，乘客按下緊急按鈕，乘客解鎖車門，攝像頭故障，供電系統(tǒng)故障（顯示屏黑屏），一個或多個車門故障無法開啟，一個或多個車門故障無法關(guān)閉，車門夾人。系統(tǒng)實時接收網(wǎng)絡(luò)信息，根據(jù)突發(fā)事件ID號，判斷事件類型并觸發(fā)事件。

結(jié)論

客室監(jiān)控系統(tǒng)運行的硬件平臺：DELL T5400工作站，2GB RAM，圖形卡為NVIDIA Quadro FX4600。軟件平臺：Windows XP，Visual C++ 6.0，OpenGL Performer。

使用北京地鐵2號線站臺、列車車廂模型，以1280 pixels×1024 pixels 的屏幕分辨率輸出視景，仿真客流量0～600人，幀速率穩(wěn)定在25幀/秒，視景圖像輸出流暢，能夠依據(jù)系統(tǒng)需要對圖像進行實時控制，滿足系統(tǒng)要求。圖5為乘客（紅框內(nèi)）按下緊急按鈕輸出圖像；圖6為火災(zāi)發(fā)生，乘客逃生的輸出圖像。

本文研究了分布式列車駕駛模擬器客室監(jiān)控視景仿真系統(tǒng)。使用基于TCP/ IP 協(xié)議中的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP 協(xié)議) 作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，對站臺場景和人物模型做了一系列的優(yōu)化，設(shè)計了方便培訓(xùn)司機操作的友好人機交互界面，對人群行為做了深入研究，實現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)已經(jīng)在北京地鐵2號線列車駕駛模擬器中得到應(yīng)用，達到了訓(xùn)練司機處理突發(fā)事件能力的預(yù)期效果。

下一步的研究目標(biāo)：進一步定位人物繪制對CPU的占用率，增加可仿真的乘客人數(shù)，優(yōu)化路徑和避碰算法；模擬更多的突發(fā)事件、擴充事件庫，為更好地訓(xùn)練司機處理突發(fā)事件的能力提供有效手段。

圖4. 乘客（紅框內(nèi)）按下緊急按鈕突發(fā)事件

圖5. 火災(zāi)突發(fā)事件

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“列車駕駛模擬器客室監(jiān)控視景仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)”，作者為胡峰、朱金陵等。）