2023年7月29日发(作者：)

南京地铁模拟驾驶器的功能设计与应用

陈立江

【摘 要】随着轨道交通行业的快速发展,网络化的运营模式对人提出了更高的要求,列车司机的故障处理能力和突发事件处理能力是安全、准点运营的根本保证。设计采用多媒体计算机系统、计算机成像技术,通过高分辨率和大型彩色屏幕,配以音响及动画效果,体现列车的模拟运行的模拟驾驶器,为列车司机综合能力的培训提供了新的平台。

【期刊名称】《现代城市轨道交通》

【年(卷),期】2011(000)004

【总页数】3页(P21-23)

【关键词】地铁;模拟驾驶器;设计;应用

【作 者】陈立江

【作者单位】南京地铁运营分公司客运部,江苏南京210012

【正文语种】中 文

【中图分类】U455.43

列车司机培训大多采用理论讲解和实车操作结合的方式，但这种培训方式耗时长、花费多，部分故障和突发事件种类无法模拟。同时，存在培训用车与维修用车冲突的情况，模拟驾驶器的应用可克服这些问题，它具有设置、解除假设时间短、模拟正线运营、故障设置逼真、司机心理素质锻炼、便于开展多人共同实作教学等优点。 1 模拟驾驶器总体介绍

南京地铁模式驾驶器为全实物方式，由模拟司机室、模拟客室、驾驶台及数据采集系统、视景仿真子系统、站台视景子系统、声音仿真子系统、教员监控子系统、评价子系统、学员观摩子系统、基础知识自主学习子系统、列车运行、牵引、制动的基础模拟数据库、接口设备等组成（图1）。实现南京地铁正常运营时的时刻表模拟、列车性能模拟、运营环境模拟及信号系统的模拟，根据实际的列车控制电路、牵引制动功能及电子电路、地铁信号系统等相关设备的原理和列车相关软件控制模块的原理及功能，准确展示列车各子系统的逻辑关系和运行动态。

2 模拟驾驶器功能模块设计

2.1 模拟司机室

图1 分布式列车模拟驾驶器结构

模拟司机室为1:1比例的司机室模型，其内部结构、装饰、颜色与南京地铁1号线地铁列车司机室完全一致。模拟驾驶器司机室配备与真实列车相同的内部设备、设施，包括完整的运行控制和显示设备，并与实际列车上的对应设备具有相同的功能与控制逻辑，操纵装置和开关的移动方向与南京地铁车辆一致，与操作程序有关或其动作会导致司机室可见指示的跳开关，其位置与实际的完全一致、功能准确。

2.2 列车子系统的模拟

模拟驾驶器根据实际的列车控制电路、空气制动管路、电子电路的工作原理和列车相关软件控制模块，可以将整个逻辑控制系统抽象为一个类。它的各个组成部分设计为类的成员变量，而其实现的功能则设计为成员函数。各个组成部分继续细分，抽象出内部设备设计为类。通过类之间继承、多态、“有”、“是”等的关系把整个逻辑系统联系起来，组成一个整体，准确展现列车牵引与制动设备、辅助供电设备、气动和气压分配设备、车门及其控制

设备、列车管理系统（TIMS）、列车自动控制（ATC）设备、列车通信系统、牵引与制动设备等各子系统的逻辑关系与运行状态。模拟器在所有输入和运行状态下准确无误地模拟列车各子系统的功能，并将设备状态准确显示在DDU/MMI以及操作台指示灯（图2）。

图2 仿真DDU显示

2.3 列车运行仿真

列车仿真分为单质点和多质点模型，单质点模型以手工计算的分析方法为基础进行构造，将列车简化为1个刚性的质点。多质点模型，对列车的建模更加复杂，通常将机车和每节车辆分别简化为1个质点，构成1个质点链，能够反映出列车编组对受力和牵引运行的影响，并对列车长度有所反映，但仍然是刚性系统。南京地铁模拟驾驶器采用多质点模型，能够根据列车实际牵引、制动特性进行运行仿真，按照模式转换关系实现人工驾驶（SM）、自动加速（ATO）、模式驾驶（URM）、洗车模式、限速向前/向后、自动折返模式（AR模式）等驾驶模式，在给定的各类参数条件下准确地计算和输出地铁列车的速度、加速度和位置。模拟运行曲线与实际运行曲线具有高度的一致性。在相同的行车条件下，模拟器对操纵的反应与实际列车的相同。模拟器运行过程中司机室涉及的全部相关仪表指示能自动地对操纵装置的动作或所模拟的外部条件变化做出正确的响应（图3）。

2.4 故障/突发事件处理模拟系统

列车模拟驾驶器可设置所有列车常见故障与突发事件，同时可以根据时间和地点条件进行触发。针对主司机室以外的列车相关设备发生的故障以多媒体软件的方式模拟，并提供交互式故障排除与处理功能。故障和突发事件处理模拟系统包括：可设置的故障和突发事件的添加、编辑、删除；故障和突发事件的离线（或预先）设置功能；模拟运行中，故障和突发事件的实时设置与撤销功能；模拟运行中，培训/考核课程中预先设置的故障和突发事件的适时触发功能。对所有故障的排除或突发事件的处理都作为评价系统的评价内容，在编辑故障/突发事件信息时，可同时设定排除/处理该故障/突发事件的评价标准（图4）。

2.5 视景系统

图3 主要运行模式的转换关系

图4 软件处理界面

南京地铁列车模拟驾驶器采用计算机生成图像（CGI）的方式实现视景系统，选用华图CG仿真融合机，所有环境采用数字传输及处理，真3D亚像素几何校正技术、自动色彩校正技术和自动边缘融合技术，视景系统提供全屏抗混（FSAA）功能。该视景仿真系统能提供原尺寸、无闪烁、连续不中断的南京地铁全程线路的显示，能模拟南京地铁0～80km/h的运行速度，可进行故障、事故事件现场、突发事件、各种气候条件的模拟，以及固定信号、道岔状态和切换，所有的显示内容与模拟运行的位置与速度同步并且以原尺寸显示。具有站台监视器，监视器清楚显示各种需要模拟的列车站台设施、列车客室门、站台安全门及乘客状态等视图。

2.6 站台监视器

站台监视器能清楚显示列车客室车门与站台安全门的动作状况（打开、关闭、重开）、站台乘客下车、上车和候车的情况，且与视景中显示的列车停靠站台的场景相对应。能设置各站台候车乘客的数量。

2.7 声音模拟系统

声音模拟系统使用微软DirectX中的DirectSound组件，采用5声道以上的声音系统，能够实现南京地铁1号线列车操纵与运行过程真实声音环境的模拟。音响由司机的加速、减速控制，以及按照轨行区的影像装置动作，具有强烈的真实感反应，表现出与实物或事件音响一样的效果，具有车辆的动感特征。特别是运行中发生的牵引、制动等电器、电机驱动音与实际情况一致，受训司机可获得最佳的听觉效果。

2.8 教员系统 教员控制台是驾驶仿真系统教员的工作场所，教员通过教员控制台完成对模拟驾驶器的日常维护与管理、课程或考核内容的编制与维护、对驾驶模拟训练/考核过程的监控、以及对观摩学员的讲解与指导等。

2.9 学员观摩系统

观摩系统配备25台计算机作为观摩学员终端，提供前向视景、站台监视器视景、主控界面、列车管理系统DDU屏幕、MMI屏幕、模拟器CCTV监视系统7个画面，画面以投影的方式显示。系统须提供视频切换功能，以供教员选择需要显示的画面。在播放画面的同时，同步提供相应的声音。

2.10 基础知识自学系统

主要针对地铁列车操纵、车辆构造与原理、线路信号及列车控制、车站设施与运营、运行指挥与调度等基础知识的培训。采用多媒体网络教学替代现行的教学方式，以自主与辅导相结合、自主交互式的学习方式，提高培训效率。可以做到因材施教，充分调动和发挥学员的学习积极性，可以对学员掌握知识的程度进行测验或评价。

3 模拟驾驶器应用

模拟驾驶器用于高效、科学地培训司机，取得了良好的培训效果。相较于以往的培训方式，模拟驾驶器在应用过程中主要有以下特点：

（1）培训效率高。一是培训准备时间短，实车培训时，每次培训从检车、设置故障、恢复故障，故障重置，耗时较长，而模拟驾驶器只需要鼠标点击操作即可。二是由于司机室空间局限性，培训人员较多时，每次只能以小组形式培训，而模拟驾驶器通过观摩系统，可实现多人的同步培训。

（2）安全性好。模拟驾驶器不用运行在真实的道路上，也不用运载任何的乘客，避免了因操作不当对沿路人员的伤害或是对列车本身设备的损坏。

（3）真实度高。模拟驾驶器通过逼真地还原列车驾驶室的真实坏境，配合视景的仿真和声音的仿真，让学员脱离面对枯燥文字的凭空想象，直接面对自己实际工作环境，从心理上投入到培训中。

（4）全面的故障/突发事件处理机会。通过人为设置，模拟驾驶器能有效地模拟各种故障和突发事件，特别是类似压人、火灾等无法真实展现的突发事件，人员不必参与实际行车也能得到对故障进行处理的操练。培训更具有针对性。

（5）实现综合的训练平台。目前地铁针对行车岗位有相应的培训系统，如模拟地铁车站线路、信号对站务人员进行培训的车站LOW仿真系统、模拟各种应急情况下行车调度组织工作对行调进行培训的调度仿真系统，可实现互相兼容、数据共享。从而充分整合资源，更加形象、逼真地模拟列车运行过程中，车站、OCC各调度和司机之间的配合与协调，通过将模拟驾驶系统与调度仿真系统、车站low仿真系统2个系统互相兼容、数据共享，形成集运行调度、信号及站场控制、列车驾驶于一体，同步协调工作，形成地铁运输体系中全方位、系统化的综合培训系统。

4 结束语

轨道交通进入了快速发展期，新员工培训是所有轨道交通企业共同面对的问题，而司机的岗位特殊性决定了其培训工作具有周期长，手段单一，培训投入大等特点，随着模拟驾驶器功能设计的不断升级和完善，将不断弥补这些缺点，为企业节约相当的人力和培训成本，模拟驾驶器将成为未来司机培训的主流方式。

参考文献

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[4]毕莹玉, 郎诚廉. 上海地铁三号线模拟驾驶器逻辑控制系统的建模[J]. 轨道交通信息系统, 2007（11）.