列車駕駛模擬器是培訓(xùn)軌道交通列車司機(jī)的先進(jìn)工具，具有訓(xùn)練過(guò)程安全、訓(xùn)練費(fèi)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(diǎn)。通過(guò)列車駕駛模擬器進(jìn)行司機(jī)培訓(xùn)，可大大縮短司機(jī)的培訓(xùn)周期，在降低培訓(xùn)成本的同時(shí)培養(yǎng)高水準(zhǔn)的司機(jī)。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(jī)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(jī)處理突發(fā)事件能力和培養(yǎng)優(yōu)良服務(wù)意識(shí)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(jī)鏡頭畫面固定/輪循；正常開、關(guān)門過(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊接收主控系統(tǒng)命令，處理網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(tái)視景仿真系統(tǒng)相聯(lián)系。根據(jù)本系統(tǒng)中單位通信時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)流量較小、通信頻率高的特點(diǎn)，采用了TCP/ IP 協(xié)議中的用戶數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)文頭中加入校驗(yàn)位，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，通信延遲指標(biāo)完全可以滿足列車駕駛視景仿真的實(shí)時(shí)性要求。

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

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

接收主控門信息后，可實(shí)現(xiàn)列車門、站臺(tái)屏蔽門的個(gè)別或者全部的開啟、關(guān)閉動(dòng)作模擬。接收夾人信息后，實(shí)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(duì)突發(fā)事件（如火災(zāi)）時(shí)慌亂現(xiàn)象、擁擠情況下乘客的尋路過(guò)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(jìn)行開發(fā)。OpenGL Performer是SGI公司開發(fā)的一個(gè)可擴(kuò)展的高性能實(shí)時(shí)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(kù)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(jìn)行底層開發(fā)實(shí)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(chǎng)景模型的載入與管理、視景生成的主循環(huán)體3個(gè)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(chǎng)景模型從文件中載入內(nèi)存。

同時(shí)根據(jù)站臺(tái)描述文件、模型文件將相應(yīng)的站臺(tái)、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(chǎng)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(yùn)行參數(shù)以及其它參數(shù)，完成對(duì)當(dāng)前場(chǎng)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(bào)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(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)化

場(chǎng)景模型一般用層次建模法（樹形結(jié)構(gòu)）思想進(jìn)行建模，將同一屬性的模型放在同一節(jié)點(diǎn)下進(jìn)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(chǎng)景管理，也便于Performer API函數(shù)對(duì)模型的實(shí)時(shí)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(shí)間，直接影響視景仿真系統(tǒng)畫面顯示的實(shí)時(shí)性。使用多層次細(xì)節(jié)(LOD)技術(shù)優(yōu)化法，對(duì)模型中的每個(gè)物體分別構(gòu)造若干個(gè)不同細(xì)致等級(jí)的模型描述，根據(jù)景物距視點(diǎn)的距離，調(diào)用不同細(xì)節(jié)層次的模型。

本文中車廂內(nèi)部設(shè)備以及站臺(tái)模型均采用了上述LOD思想?？拷朁c(diǎn)的模型使用精細(xì)模型，遠(yuǎn)離視點(diǎn)的模型使用簡(jiǎn)化模型或者使用面片貼圖代替。通過(guò)場(chǎng)景模型簡(jiǎn)化，減少了三維視景所要消耗的渲染時(shí)間，提高了圖像的顯示速度。

3、人物模型與簡(jiǎn)化

乘客模型采用采用MS3D(MilkShape3D)來(lái)構(gòu)建。建立一個(gè)與MS3D文件格式相對(duì)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(diǎn)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(xì)程度模型，如圖3所示。左邊是最簡(jiǎn)模型（300面片），中間普通模型（500面片），右邊是精細(xì)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(xì)度的模型。這樣既滿足了視景的實(shí)時(shí)性和真實(shí)感，又減少了系統(tǒng)渲染的負(fù)擔(dān)，可以達(dá)到令人滿意的效果。

圖2. milkshape模型對(duì)比

關(guān)鍵功能開發(fā)與實(shí)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(guò)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(lái)表示圖形被拾取)，其實(shí)際意義是要在存儲(chǔ)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(duì)該圖形作進(jìn)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(jī)選擇車廂攝像頭號(hào)，對(duì)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(jī)以全屏/分屏模式、查看/輪訓(xùn)模式，實(shí)時(shí)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(jī)選項(xiàng)。

使用圖形拾取技術(shù)，響應(yīng)工具欄的操作。顯示區(qū)默認(rèn)狀態(tài)為四分屏，由多通道顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)。4個(gè)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(gè)人的行為出發(fā)，以擬人化方法描述、解釋、預(yù)測(cè)一個(gè)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(gè)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(dòng)能力的實(shí)體。

在本系統(tǒng)里面，一個(gè)智能主體設(shè)定為一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象，代表了在站臺(tái)、車廂環(huán)境中一個(gè)行人的角色。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，行人智能體將根據(jù)路網(wǎng)情況以及自己的出發(fā)地點(diǎn)和目的地計(jì)算出一條最短路線。

疏散路徑選擇：個(gè)體在逃生時(shí)的行為總是采用“感知－決策－行動(dòng)”過(guò)程。在真實(shí)環(huán)境中，個(gè)體選擇疏散路徑總是通過(guò)視覺判斷。如出口到個(gè)體之間無(wú)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(gè)體在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)人爭(zhēng)搶同一位置和速度快的個(gè)體超越速度慢的個(gè)體的現(xiàn)象。出現(xiàn)同一時(shí)間步爭(zhēng)搶現(xiàn)象時(shí)，只能夠留下一個(gè)人，其余的停止等待，具有預(yù)測(cè)碰撞并及早采取繞行和超越措施。每個(gè)個(gè)體可以感知多個(gè)出口,并根據(jù)個(gè)體的慌張程度和出口的擁擠度來(lái)選擇出口?；艔埑潭雀邥r(shí)，選擇靠近的出口，慌張程度低時(shí)，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(gè)或多個(gè)車門故障無(wú)法開啟，一個(gè)或多個(gè)車門故障無(wú)法關(guān)閉，車門夾人。系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)信息，根據(jù)突發(fā)事件ID號(hào)，判斷事件類型并觸發(fā)事件。

結(jié)論

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

使用北京地鐵2號(hào)線站臺(tái)、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(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)協(xié)議(UDP 協(xié)議) 作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，對(duì)站臺(tái)場(chǎng)景和人物模型做了一系列的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了方便培訓(xùn)司機(jī)操作的友好人機(jī)交互界面，對(duì)人群行為做了深入研究，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)已經(jīng)在北京地鐵2號(hào)線列車駕駛模擬器中得到應(yīng)用，達(dá)到了訓(xùn)練司機(jī)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(jìn)一步定位人物繪制對(duì)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(kuò)充事件庫(kù)，為更好地訓(xùn)練司機(jī)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(shí)現(xiàn)”，作者為胡峰、朱金陵等。）