列車駕駛仿真器評價系統(tǒng)設(shè)計

馮永崗，朱金陵

（西南交通大學(xué) 智能控制與仿真工程研究中心， 成都 610031）

為了滿足當(dāng)前鐵路高素質(zhì)司機(jī)的大量需求，進(jìn)一步提高列車司機(jī)的駕駛水平和操作能力，我國研制并成功推廣了列車駕駛仿真器培訓(xùn)系統(tǒng)，極大地改善了列車司機(jī)培訓(xùn)的效果。然而，在目前的列車駕駛仿真器培訓(xùn)系統(tǒng)研究工作中，考核評價體系及其計算機(jī)自動考核評價功能方面的研究很少?？己嗽u價作為學(xué)員培訓(xùn)工作的重要環(huán)節(jié)沒有得到足夠的重視，目前只是利用教練員主觀評分的方式進(jìn)行有限指標(biāo)的評分工作。這種有限指標(biāo)的主觀評價方式不僅系統(tǒng)性差，而且易受人為因素影響，很難客觀、公正的評價學(xué)員的真實操作水平。因此，本文針對以上問題，在完成對列車駕駛仿真器評價系統(tǒng)的功能需求及設(shè)計方法研究的基礎(chǔ)上，提出了駕駛仿真器評價系統(tǒng)的總體設(shè)計思路及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 列車駕駛仿真器簡介

列車駕駛仿真培訓(xùn)系統(tǒng)由駕駛仿真器、教員系統(tǒng)、觀摩系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)硬件部分主要實現(xiàn)了與列車駕駛操作相關(guān)的模擬駕駛室，與教員監(jiān)控相關(guān)的教員臺設(shè)備等。軟件部分主要實現(xiàn)與列車運(yùn)行相關(guān)的線路條件、信號狀況、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)動動感、天氣變化等運(yùn)行環(huán)境模擬，同時模擬駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車故障、運(yùn)行過程非正常狀況等情況的模擬功能。列車駕駛仿真器框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 列車駕駛仿真器框架結(jié)構(gòu)圖

由上圖1可知，列車駕駛仿真器系統(tǒng)的核心模塊之一是主控系統(tǒng)。其主要功能是各模塊數(shù)據(jù)的采集、分析、協(xié)調(diào)與處理，其在仿真器軟件系統(tǒng)中處于中心樞紐的位置。（1）與功能仿真計算機(jī)的數(shù)據(jù)交互傳送列車運(yùn)行邏輯、線路、信號、操作工況等模型計算結(jié)果數(shù)據(jù)。（2）與運(yùn)動控制計算機(jī)的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)列車運(yùn)動動感的模擬；（3）通過與視景、音頻計算機(jī)的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)駕駛員視覺和聽覺的沉浸環(huán)境模擬；（4）接口計算機(jī)實現(xiàn)列車駕駛仿真器司機(jī)交互環(huán)境的全功能模擬。

在列車駕駛仿真器運(yùn)行過程中，整個大系統(tǒng)是一個基于以太網(wǎng)的分布式實時交互仿真系統(tǒng)，計算機(jī)間通過UDP協(xié)議交換數(shù)據(jù)，完成控制命令及各類參數(shù)的實時傳遞。當(dāng)課程培訓(xùn)或考試完成后，主控系統(tǒng)記錄評價所需要的數(shù)據(jù)并傳遞給評價系統(tǒng)，供評價系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)自動評價。

1.2 評價系統(tǒng)方案設(shè)計

基于列車駕駛仿真器平臺化要求，將評價系統(tǒng)作為列車駕駛仿真培訓(xùn)平臺子系統(tǒng)的設(shè)計思路進(jìn)行設(shè)計。

列車駕駛模擬器操作評價系統(tǒng)采用3層C/S（客戶端/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)從應(yīng)用邏輯上可劃分為3層。其系統(tǒng)架構(gòu)圖為2所示。

圖2 操作評價系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

評價系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確合理地實現(xiàn)駕駛仿真訓(xùn)練結(jié)果的自動評分。（1）涉及評分標(biāo)準(zhǔn)和評分準(zhǔn)則的建立（評價標(biāo)準(zhǔn)指的是評價指標(biāo)的理論表述，評分規(guī)則是評價標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則量綱化、數(shù)據(jù)化），并且以計算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行儲存；（2）需要對仿真器主控系統(tǒng)采集的操作及記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計并存儲；（3）要能夠完成準(zhǔn)確可靠的評價，需要結(jié)合評價指標(biāo)體系并針對不同的類型制定科學(xué)合理的評分方法；（4）還需要通過合理的顯示方式予以輸出，真正實現(xiàn)為教員的考評鑒定提供支持。

評價系統(tǒng)的總體方案設(shè)計如圖3所示。

圖3 仿真器評價系統(tǒng)方案模塊結(jié)構(gòu)

1.3 各模塊的組成和功能

如圖3操作評價系統(tǒng)方案設(shè)計所示，操作評價系統(tǒng)主要由4個子模塊組成：

評價體系及模版模塊：主要功能包括：（1）分類實現(xiàn)一次乘務(wù)作業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、運(yùn)行早晚點(diǎn)、故障處理、非正常行車等項目細(xì)則；（2）實現(xiàn)開發(fā)編輯與客戶編輯分類編輯功能，有利于不斷更新評價規(guī)則及評判細(xì)則；（3）建立與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，實現(xiàn)模板的添加、刪除、更新等數(shù)據(jù)庫操作。本模板模塊的設(shè)計克服了鐵路列車車型眾多、評價規(guī)則路局各異的難題。

仿真器數(shù)據(jù)管理模塊：主要包括了數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)管理功能。針對仿真器數(shù)據(jù)眾多且類型各異的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計完成對主控數(shù)據(jù)存儲的結(jié)構(gòu)設(shè)計及主控數(shù)據(jù)的評價系統(tǒng)解析任務(wù)。

評價模塊：評價系統(tǒng)的核心部分，主要分為主觀評價和客觀評價兩部分。

評價結(jié)果輸出模塊：主要以成績單和具有評價提示的操縱示意圖的形式顯示評價結(jié)果。系統(tǒng)可實現(xiàn)錯誤操作的記錄及錯誤信息的解釋功能。

2 系統(tǒng)操作流程

評價系統(tǒng)的評分流程見圖4。

圖4 評價系統(tǒng)程序流程圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 評價方法設(shè)計

列車駕駛仿真器培訓(xùn)系統(tǒng)按照目標(biāo)層次式評估體系構(gòu)建。在培訓(xùn)過程中，按照由合格駕駛列車司機(jī)到優(yōu)秀列車司機(jī)遞進(jìn)式的培訓(xùn)方向，設(shè)計了基于初、中、高級3個階段的培訓(xùn)過程。

3.1.1 初級階段

列車基本規(guī)章制度操作考核階段。采用單一指標(biāo)評價方法可解決。大體流程如圖5所示。

圖5 單一指標(biāo)評價方法流程圖

3.1.2 中級階段

列車故障與非正常行車處理評價階段。仿真器故障演練中教員可設(shè)置的故障包括了列車機(jī)械故障、電氣故障、信號故障等許多內(nèi)容。列車應(yīng)急故障模擬的評價難點(diǎn)在于設(shè)備眾多、邏輯性強(qiáng)，組合復(fù)雜。非正常行車演練中教員可設(shè)置的非正常狀況包括：刮弓故障、機(jī)車分離、救援被救援等一系列課程。

上面兩類評價內(nèi)容的共同特點(diǎn)是具有特定的操作流程。因此設(shè)計基于邏輯序列的故障及非正常行車評價方法解決?；玖鞒蹋海?）系統(tǒng)不斷收集跟蹤事件消息列表，如果收到消息之后，判斷事件類型。通過事件類型的判斷，定位選擇具體事件及其事件的規(guī)則數(shù)據(jù)庫，完成判斷規(guī)則的動態(tài)數(shù)據(jù)庫初始化工作。（2）收集操作記錄中的學(xué)員針對本次事件的操作記錄。如果未發(fā)現(xiàn)記錄即跳出判斷，輸出結(jié)果及其說明。若找到操作處理記錄數(shù)據(jù)，則通過判斷規(guī)則以及前導(dǎo)條件、后節(jié)條件匹配，如此循環(huán)可完成本事件操作的評價工作?？己嗽u分的具體過程如圖6所示。

3.1.3 高級階段

模糊綜合評價方法針對列車駕駛過程進(jìn)行評價，解決司機(jī)考評的安全、正點(diǎn)、節(jié)能、舒適等柔性需求，使未有硬性錯誤操縱的學(xué)員考核具有區(qū)分度。數(shù)學(xué)模型由以下5方面構(gòu)成 。其中，U：評判因素集； V：評判等級集； R：評判矩陣。 A：評判因素的權(quán)重； B：評判結(jié)果。

采用模糊綜合評價方法的重點(diǎn)在于評級指標(biāo)權(quán)重的獲取以及模糊指標(biāo)的隸屬度函數(shù)確定。為了減少評價指標(biāo)權(quán)重主觀性的難點(diǎn)，采用了層次分析法對各層目標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行量化。同時針對各模糊指標(biāo)進(jìn)行了分解并逐一建立隸屬度函數(shù)。如圖7以節(jié)能性指標(biāo)子要素結(jié)構(gòu)為例。

評價要素集合為：U={U1,U2,U3,U4}，各子集權(quán)重為：A={A1,A2,A3,A4}，評判等級集合為：V={v1,v2, …,vn} 。

其中，各單要素子集分別為：U1={u11,u12, …,u1m}，U2={u21,u22, …,u2m}，U3={u31,u32, …,u3m}，U4={u41,u42, …,u4m}。其中U1：安全性指標(biāo)，U2：正點(diǎn)性指標(biāo)，U3：節(jié)能性指標(biāo)，U4：舒適性指標(biāo)。

評判矩陣：

假設(shè)V={優(yōu)，良，合格，不合格}，則可作出如下判斷：

若b1＞b2, b3,b4，則評價結(jié)果為優(yōu)；

若b2＞b1, b3,b4，則評價結(jié)果為良；

若b3＞b1, b2,b4，則評價結(jié)果為合格；

若b4＞b1, b3,b3，則評價結(jié)果為不合格。

3.2 數(shù)據(jù)管理設(shè)計

圖6 故障及非正常行車評價過程

圖7 節(jié)能性指標(biāo)各層結(jié)構(gòu)劃分示意圖

仿真器系統(tǒng)數(shù)據(jù)龐雜，類型眾多，為了滿足系統(tǒng)拓展性及通用性要求，需要針對各種車型的仿真器制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲格式及通用性的數(shù)據(jù)接口。通過研究發(fā)現(xiàn)，仿真器數(shù)據(jù)大致可以分為仿真器操作記錄數(shù)據(jù)（設(shè)備狀態(tài)、信號狀態(tài)、速度值、列車管壓力值等）和運(yùn)行環(huán)境支持?jǐn)?shù)據(jù)（線路數(shù)據(jù)、課程信息數(shù)據(jù)、時刻表數(shù)據(jù)等）。運(yùn)行環(huán)

境支持?jǐn)?shù)據(jù)由于其形式和內(nèi)容基本固定，因此一次加載即可。而仿真器操作記錄數(shù)據(jù)因為其內(nèi)容的時變性，單純依靠周期將記錄數(shù)據(jù)全部記錄的話，將會生成大量重復(fù)且無用的數(shù)據(jù)，不僅需要評價系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)篩選壓縮算法，同時也嚴(yán)重影響了評價系統(tǒng)的處理性能。鑒于記錄數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，應(yīng)用數(shù)據(jù)對象化的分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。仿真器記錄數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型主要分為float型（如速度、位置、列車管壓力）、bool

型（如主斷路器狀態(tài)、受電弓狀態(tài)、空轉(zhuǎn)狀態(tài)）、int型（如換向手柄位置、機(jī)車工況、機(jī)內(nèi)信號狀態(tài)）等。按照數(shù)據(jù)特點(diǎn)分為連續(xù)變量（如速度、管壓等）和離散變量（如主斷狀態(tài)、信號狀態(tài)等）。為解決數(shù)據(jù)格式及存儲管理的問題，開發(fā)數(shù)據(jù)訂購及管理模塊進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)訂購及管理模塊主要完成兩方面的功能。（1）數(shù)據(jù)的訂購：仿真器程序運(yùn)行過程中主控系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)訂購模塊，將評價系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。其優(yōu)點(diǎn)保存所需要的數(shù)據(jù)，未訂購的數(shù)據(jù)不會保存。（2）數(shù)據(jù)的管理：由于數(shù)據(jù)屬性的差異，針對離散數(shù)據(jù)只要是數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時候才保存一次；針對連續(xù)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)對象化處理過程中設(shè)置數(shù)據(jù)改變的閾值。如果數(shù)據(jù)變化超過設(shè)定的閾值才記錄一次。這樣的處理方式將是仿真器數(shù)據(jù)的保存更高效更合理這樣的處理方式將使仿真器數(shù)據(jù)的保存更高效更合理。

數(shù)據(jù)訂購及管理模塊如圖8所示。

由于仿真器系統(tǒng)運(yùn)算周期為50 ms，因此仿真器記錄數(shù)據(jù)同樣按照周期以數(shù)據(jù)包的形式保存。其中包頭信息保存了系統(tǒng)版本號、線路數(shù)據(jù)、課程信息數(shù)據(jù)、備注信息數(shù)據(jù)等，而記錄信息將包含在每個數(shù)據(jù)包中。

圖8 仿真器數(shù)據(jù)存儲格式及內(nèi)容

4 結(jié)束語

列車駕駛仿真器評價系統(tǒng)是對列車司機(jī)在仿真器培訓(xùn)系統(tǒng)中實際駕駛的表現(xiàn)進(jìn)行自動評價的系統(tǒng)，該系統(tǒng)已在鐵路培訓(xùn)部門試用，取得了良好的效果。系統(tǒng)通過建立模板庫及開發(fā)模板庫生成工具，實現(xiàn)了擴(kuò)展性要求。客觀評價與主觀評價的分類實現(xiàn)，增強(qiáng)了教員參與評價結(jié)果的靈活性。同時，針對不同情況設(shè)計的評價方法，通過程序的靈活調(diào)度實現(xiàn)各層次各階段的客觀評價，體現(xiàn)了程序設(shè)計的先進(jìn)性。該評價系統(tǒng)的研究工作將為我國模擬駕駛仿真系統(tǒng)裝備的提升發(fā)揮重要作用。

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