基于Oculus的地鐵虛擬駕駛仿真平臺開發(fā)

蒲凡 張志俊 王黎 李乾

摘? 要：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸成熟，許多傳統(tǒng)行業(yè)也相繼使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來改善用戶體驗，為業(yè)界帶來巨大價值。針對地鐵司機(jī)模擬駕駛教學(xué)的實際需求，以及傳統(tǒng)的列車駕駛培訓(xùn)操控臺存在成本高、占地面積大、維護(hù)困難等問題，本文提出了以Unity 3D引擎為核心，使用3ds Max軟件建模，結(jié)合Oculus虛擬現(xiàn)實硬件建立地鐵虛擬現(xiàn)實仿真平臺，完整展現(xiàn)了以地鐵司機(jī)為第一人稱視角的列車駕駛操作以及各種故障情況的模擬。目前，該平臺已在軌道交通類專業(yè)本科教學(xué)實踐中推廣并使用，既提高了教學(xué)效率，又降低了實驗的成本，并增強(qiáng)了學(xué)生的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;Unity 3D;地鐵司機(jī)模擬駕駛;Oculus

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0177-04

0? 引? 言

隨著軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，各大高校也在著力加強(qiáng)軌道交通相關(guān)專業(yè)的建設(shè)。在實際的教學(xué)當(dāng)中，地鐵系統(tǒng)相關(guān)知識是教學(xué)重點，同時也是教學(xué)難點。由于學(xué)生沒有機(jī)會深入接觸地鐵系統(tǒng)，傳統(tǒng)的授課方法無法滿足如今的教學(xué)需求。鑒于此，部分學(xué)校購入了列車駕駛培訓(xùn)操控臺來模擬地鐵駕駛環(huán)境，在一定程度上解決了學(xué)生無法深入接觸地鐵系統(tǒng)的問題。但是，實訓(xùn)臺存在價格昂貴、沉浸感差、占地面積大、故障率高、維修困難的缺點。

鑒于以上原因，本文提出了以Unity 3D引擎為核心，使用3ds Max軟件建模，結(jié)合Oculus虛擬現(xiàn)實硬件建立地鐵虛擬現(xiàn)實仿真平臺。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入到教學(xué)活動中能夠充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)交互性和沉浸感強(qiáng)的特點。虛擬現(xiàn)實的最終目標(biāo)是要用戶佩戴例如頭盔、手套、跟蹤器等硬件傳感設(shè)備，通過視覺、觸覺、聽覺等感知虛擬環(huán)境，并得到和在真實環(huán)境中一樣的體驗效果[1]。

1? 駕駛模式的原理分析

1.1? 列車自動駕駛模式（ATO）

ATO系統(tǒng)在ATS系統(tǒng)的監(jiān)控以及ATP系統(tǒng)的防護(hù)下運行。系統(tǒng)自動處理控制中心發(fā)送的驅(qū)動、制動等控制指令，以及完成地鐵自動折返，無需司機(jī)操作。ATO系統(tǒng)取代司機(jī)對車門和屏蔽門進(jìn)行控制。

1.2? 列車自動防護(hù)下的人工駕駛模式（ATPM）

在列車自動防護(hù)下的人工駕駛模式中，司機(jī)手動駕駛列車運行并根據(jù)車載設(shè)備調(diào)整列車運行速度和運行狀態(tài)，規(guī)定速度不得超過ATP最大允許速度。在ATPM模式下，司機(jī)負(fù)責(zé)駕駛列車，停站及車門控制;但列車仍然受到全部ATP功能的保護(hù)[2]。

1.3? 點式ATP防護(hù)下的人工駕駛模式（CM）

應(yīng)答器是CM模式中的重要設(shè)備。在CM模式下，ATP系統(tǒng)除基本防護(hù)功能以外，還能對列車產(chǎn)生冒進(jìn)信號進(jìn)行防護(hù)，司機(jī)負(fù)責(zé)駕駛列車，停站及車門控制。

1.4? 限制人工駕駛模式（RM）

在該模式下，由調(diào)度命令和地面信號指揮司機(jī)駕駛列車，ATP系統(tǒng)限制列車運行速度在一個固定值以下。當(dāng)速度超過固定限速，ATP系統(tǒng)觸發(fā)自動緊急停車保證運行安全，司機(jī)控制站臺門和屏蔽門的聯(lián)動。在RM模式下，司機(jī)負(fù)責(zé)列車運行，且確保在禁止信號機(jī)前停車[2]。

1.5? 非限制人工駕駛模式（NRM）

NRM為全人工駕駛模式，與RM模式不同的是ATP系統(tǒng)無防護(hù)功能，無固定限速，司機(jī)目視地面信號并根據(jù)調(diào)度信號行車。NRM模式可應(yīng)用于降級條件下，此時司機(jī)可在無ATP防護(hù)下人工駕駛列車[2]。駕駛模式轉(zhuǎn)換示意圖，如圖1所示。

2? 系統(tǒng)開發(fā)過程

2.1? 開發(fā)流程圖

軟件開發(fā)過程流程圖，如圖2所示。

2.2? 線路設(shè)計

本文以武漢地鐵二號線站臺為藍(lán)本，設(shè)計了一條包含兩個站臺的環(huán)形線路，站臺為帶站后折返的島式端頭站，區(qū)間長度為1113m，運行一輛列車。線路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2.3? 場景搭建

將模型與貼圖導(dǎo)入Unity引擎，將貼圖賦予模型，并將需要用到的模型素材拖入場景中，按照現(xiàn)實世界的比例、格局來擺放模型，并添加必要的燈光來烘托場景的氛圍，在Unity游戲開發(fā)引擎中內(nèi)置了四種形式的光源，分別為點光源（Point Light）、定向光源（Directional Light）、聚光燈光源（Spot Light）和區(qū)域光源（Area Light）[3]。司機(jī)駕駛室場景如圖4所示，站臺場景如圖5所示。本文選擇點光源作為站臺、隧道的光源，使用定向光源作為列車車燈光源。車站和隧道一類的不可動物體設(shè)置為烘焙模式的光源，而車燈一類的可動光源設(shè)置為實時光源。

2.4? 駕駛室基本功能

駕駛室中的功能模擬是該項目中最重要也是最復(fù)雜的一項?，F(xiàn)實情況下的駕駛室的按鈕和功能復(fù)雜繁多，而且不同的按鈕之間還存在互相約束和鎖閉的功能，考慮到在虛擬場景中仿真的復(fù)雜程度和效率問題，本文實現(xiàn)了主要的按鈕和功能，使用的編程語言為C#。具體功能包括：駕駛模式選擇（ATO、PM、RM、NRM）、緊急制動、主斷（分/合）、受電弓（降/升）、停放制動（施加/緩解）、列車激活、ATO啟動、司機(jī)室照明（分/合）、雨刮器（分/合）、頭燈（OFF/近光/遠(yuǎn)光）、關(guān)門模式（自動/手動）、所有車門關(guān)閉指示燈、ATO模式指示燈、無人駕駛折返、駕駛室左右門（開/關(guān)）、車廂門（開/關(guān)）、駕駛桿，如圖6所示。

控制臺上的按鈕需要監(jiān)聽光標(biāo)的點擊事件，然后作出必要的反應(yīng)，因此本文選用了Unity內(nèi)置的UGUI組件，為每一個可點擊的按鈕都添加一個與按鈕大小相符的Button物件，當(dāng)光標(biāo)點擊Button物件觸發(fā)點擊事件，調(diào)用OnClicked（）函數(shù)，函數(shù)內(nèi)封裝了該按鈕相關(guān)功能的代碼，考慮到不同狀態(tài)下按鈕之間有互相約束以及按鈕點擊存在先后順序的情況，本文在OnClicked（）函數(shù)中添加了判斷語句和分支結(jié)構(gòu)來對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而在不同條件下完成不同的功能。

2.5? 室外主要設(shè)備

室外設(shè)備主要包括色燈信號機(jī)、ZD6型電動轉(zhuǎn)轍機(jī)、計軸、信號應(yīng)答器、車站折返按鈕、發(fā)車指示器，信號機(jī)與發(fā)車指示器，如圖7所示。本文對現(xiàn)實中的信號機(jī)進(jìn)行了簡化，將進(jìn)站信號機(jī)與出站信號機(jī)的功能集合到三燈位（綠/紅/空位）信號機(jī)上，在非ATO模式下，司機(jī)觀察出站口設(shè)置的信號機(jī)減速進(jìn)站停車，此時該信號機(jī)作為進(jìn)站信號機(jī)使用。非ATO模式下，當(dāng)發(fā)車指示器提示發(fā)車時，司機(jī)觀察該信號機(jī)，開放綠燈準(zhǔn)許發(fā)車，此時該信號機(jī)作為出站信號機(jī)使用。由于一般情況下地鐵兩車站距離較小，無需設(shè)置通過信號機(jī)。該項目中區(qū)間長度為1113m，不滿足閉塞區(qū)間至少為1200m的要求，因此不設(shè)置通過信號機(jī)。

實現(xiàn)自動折返有兩個途徑：（1）司機(jī)按下駕駛室控制臺上的無人駕駛折返模式按鈕和ATO啟動按鈕，列車自動折返;（2）司機(jī)打開駕駛室車門進(jìn)入站臺，并隨后關(guān)閉車門，當(dāng)列車內(nèi)無司機(jī)與乘客并且車門都已閉合，自動點亮“發(fā)車允許”指示燈，按下站臺的自動折返發(fā)車按鈕，列車自動折返。

2.6? CBTC系統(tǒng)下故障測試

CBTC系統(tǒng)下故障測試包括列車冒進(jìn)信號、列車運行過程中途意外開門、區(qū)間故障停車、緊急停車按鈕意外觸動、列車超速防護(hù)。本文僅對列車超速防護(hù)的功能實現(xiàn)作簡單介紹。

由于武漢地鐵交通二號線限制最高運行速度為80km/h，本文根據(jù)實際情況與仿真的條件考慮后規(guī)定仿真環(huán)境中列車加速度為1m/s2，正常情況下制動加速度為-1m/s2，緊急制動情況下加速度為-1.5m/s2。

因為在仿真環(huán)境下兩個車站之間沒有坡度和彎道，列車運行理想速度曲線為一條對稱的拋物線，如圖8所示。

ATO模式嚴(yán)格按照速度曲線自動控制列車速度，ATPM和CM模式由司機(jī)手動控制列車速度，但是瞬時速度不能超過速度曲線對應(yīng)的速度值。因此，本文在仿真環(huán)境中依據(jù)圖8所示的列車運行速度曲線實時計算ATO模式下列車的運行速度。ATPM和CM模式由司機(jī)手動駕駛列車，但瞬時速度不能超過列車運行速度曲線所指示的速度，一旦超過該速度，列車自動觸發(fā)緊急制動，列車完全停止后才能重新加速。在仿真環(huán)境中，本文在列車控制臺中央使用UGUI（Unity4.6推出的全新UI系統(tǒng)，UGUI的基礎(chǔ)元素包括文本、圖片、按鈕、滑動條和滾動組件等[4]）創(chuàng)建了一個速度提示面板，依據(jù)列車運行速度曲線實時計算當(dāng)前限速，并輸出到該提示面板上，如圖9所示。

2.7? 接發(fā)車時車門與站臺門聯(lián)動

列車在站臺?？亢螅瑹o論是ATO子系統(tǒng)自動開門或者由司機(jī)手動開門，站臺的屏蔽門都會和列車車門有交互動作，同步打開和關(guān)閉。在仿真環(huán)境中，本文使用了iTween插件為每一個車門和屏蔽門都制作了開關(guān)門的動畫，當(dāng)滿足開門/關(guān)門條件后，車門和對應(yīng)的屏蔽門自動播放開門/關(guān)門動畫，如圖10所示。

3? 結(jié)? 論

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)投入到軌道交通的教學(xué)活動中，豐富了教學(xué)形式。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，虛擬現(xiàn)實教學(xué)具有直觀、真實、互動性高的特點。利用3DS MAX建模，利用Photo Shop和Substance Painter繪制貼圖并與Unity游戲引擎相結(jié)合，能夠構(gòu)造出復(fù)雜逼真的世界。得益于Unity快捷方便的光照系統(tǒng)以及Unity的庫函數(shù)，場景搭建和腳本編寫十分簡便，大大提高了開發(fā)效率。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一個新興技術(shù)，學(xué)生對其有濃厚的興趣，加之虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身具有沉浸感、交互性、想象性的特征，學(xué)生對地鐵列車駕駛的操作、控制臺控制原理、信號設(shè)備原理以及對突發(fā)情況應(yīng)急的知識理解和掌握都會更加深刻。實踐表明，將該平臺投入實際教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生的到課率有了明顯的提高，學(xué)生的工程實踐能力也得到了相應(yīng)的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱波，晉睿，屠宣.虛擬現(xiàn)實在無人駕駛地鐵中的應(yīng)用淺析 [J].電視技術(shù)，2017，41（Z1）：243-247.

[2] 陳恒宇.CBTC信號系統(tǒng)下的駕駛模式及轉(zhuǎn)換原則 [J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2010，7（6）：58-60.

[3] 吳亞峰，于復(fù)興，索依娜.Unity 3D游戲開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)教程 [M].北京：人民郵電出版社，2016：220.

[4] 宣雨松.Unity 3D游戲開發(fā) [M].第2版.北京：人民郵電出版社，2018：112.

作者簡介：蒲凡（1998-），男，苗族，湖南懷化人，本科在讀，主要研究方向：軌道交通信號與控制;張志俊（1963-），男，漢族，湖北武漢人，高級工程師，碩士，主要研究方向：智能儀表及自動控制系統(tǒng);王黎（1978-），男，漢族，吉林柳河人，講師，博士，主要研究方向：虛擬仿真、專家系統(tǒng);李乾（1996-），男，回族，寧夏人，本科在讀，主要研究方向：軌道交通信號與控制。