朔黄铁路机车驾驶模拟器的构造方案.docx

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1、朔黄铁路机车驾驶模拟器的系统结构仵泽林（朔黄铁路机辆分公司河北肃宁县062350）摘要：通过对朔黄铁路机车驾驶模拟器的系统结构的分析，说明朔黄铁路机车驾驶模拟器的突出特点和作 用。关键词：机车驾驶模拟器系统结构0前言朔黄铁路机车驾驶模拟器是朔黄铁路运输综合（仿真）培训系统机车驾驶模拟器、 车站值班员仿真培训系统、列车调度仿真培训系统三大子系统之一，由朔黄铁路发展有限责 任公司与西南交通大学联合研制，主要用于机车乘务员的培训。在设计上，机车驾驶模拟器 遵循实时性、可靠性、易用性、可维护性、可拓展性的原则，坚持采用技术成熟、性能先进、 结构简单、维修方便、质量稳定、运行可靠、外形美观大方的产品，功

2、能强大，特点鲜明。 技术水平国内领先，国际一流。1 .研制机车驾驶模拟器的背景机车驾驶模拟器（或称列车驾驶模拟器）是计算机仿真技术、列车动力学和列车控制理 论的产物，其基本原理是由计算机根据机车电路及气路控制关系、线路纵断面情况、司机操 纵情况及列车运行动力学建立起来的数学模型进行仿真运算和控制，来复现真实列车的控制 和运行规律。20世纪70年代，美国、澳大利亚、苏联、南非等许多国家开始进行开行重载 列车的研究，在这些工作的基础上，美国、澳大利亚、英国等国家开发出了机车驾驶模拟器。 当时机车驾驶模拟器的功能相对简单，性能相对较低，主要侧重于司机在列车运行中的实际 操纵训练和动力学分析，对训练环

3、境的逼真程度要求也不是很高，但是机车驾驶模拟器的基 本结构已经成型。随着高速铁路的快速发展，机车驾驶模拟器在世界范围内得到了广泛应用。 从20世纪90年代开始，许多发达国家的轨道运输部门开始利用轨道交通仿真培训系统对司 机等从业人员进行业务技能考核，只有通过模拟考核的从业人员才能获得上岗资格，并对已 上岗人员每年定期进行技能巩固培训。朔黄铁路线路条件复杂、气候条件恶劣、运输任务繁忙，在朔黄铁路担当机车乘务任务 具有列车编组长、牵引质量大、线路坡道多、曲线半径小的特点，需要机车乘务员具有良好 的机车驾驶水平和丰富的执乘经验。而利用机车驾驶模拟器培训具有不受场地和时间的限 制、训练可以重复、安全、

4、经济、高效率等优点，引入机车驾驶模拟器能够为朔黄铁路机车 乘务作业人员的职业技能培训创造有利条件。由于目前国内的机车驾驶模拟器多为功能较为简单的机车驾驶模拟器，主要用于新司机 的培训，尚没有形成有一定规模的集中式培训机构，就功能、性能及综合技术而言，与国际 先进水平有较大差距，未能真正成为考核司机业务水平的工具。因此，朔黄铁路决定与西南 交通大学合作，共同研制具有国际水准的机车驾驶模拟器。2.机车驾驶模拟器的基本组成2.1机车驾驶模拟器常见系统结构一套机车驾驶模拟器多由操纵设备、视景仿真系统、声音仿真系统、列车行为（操纵、 运行）仿真系统（也称主控系统）、运动仿真系统和教员监控（监视、指导、评

5、价）系统组 成（见图1）。各子系统通过计算机通讯（网络、串口、并口等）方式联系在一起。操纵人 员置身于机车驾驶模拟器中与操纵台上的设备产生交互式输入输出操纵，进行计算机实时仿 真实验。图1机车驾驶模拟器的基本组成2.2早期机车驾驶模拟器的结构早期采用计算机仿真技术的机车驾驶模拟器结构与功能都比较简单，能够完成的培训内 容较少，对司机操纵环境的逼真程度要求较低。这是因为当时的列车运行速度较低，轨道运 输的主要矛盾是如何提高运能，因此就引入了供列车动力学研究用的简易司机操纵台作为列 车动力学仿真计算系统的司机操纵输入设备，构成了机车驾驶模拟器的最前身，主要是为了 观察、记录、分析列车动力学性能，为

6、找出合理的操纵方式提供帮助。其结构组成（见图2）包括：简易的司机操纵台、列车动力学性能图形化显示设备、列车 动力学仿真计算机及有关数据输出设备。图2早期机车驾驶模拟器的结构2.3全功能机车驾驶模拟器的结构伴随着计算机视景仿真、声音仿真、列车动感仿真技术的不断成熟，涉及列车操纵环境 的模拟功能被逐步纳入机车驾驶模拟器的结构组成中，机车驾驶模拟器的培训功能与作用随 之增强，全功能机车驾驶模拟器的概念应运而生。全功能机车驾驶模拟器（见图3）多指包含了运行线路视景仿真子系统、声音仿真子系统 和运动仿真子系统的机车驾驶模拟器，一般包括：视景显示、视景生成、驾驶舱、声音仿真、 运动仿真、主控、教员监控等子

7、系统，也有附设学员观摩、客室模型、站台屏蔽门模拟、故 障处理与排除子系统等。全功能机车驾驶模拟器的最大优点就是为操纵者提供逼真的操纵环 境和操纵结果反馈。图3全功能机车驾驶模拟器的组成3.朔黄铁路机车驾驶模拟器的系统结构朔黄铁路机车驾驶模拟器设计为全功能机车驾驶模拟器，根据朔黄特点仿真SS4B型电 力机车，是集运行机车的视觉、听觉、动感、操纵仿真于一体的高级训练仿真器，能够全面、 真实地模拟SS4B电力机车在朔黄线上各种运行环境与工况下的运行状况、操纵特性、牵引 /制动特性以及其它特性。3.1驾驶舱机车驾驶模拟器驾驶舱是为操纵司机提供与原车完全一致的操纵环境及操纵性能，因 此，一般设计其仿真操

8、纵控制台都是与真实的机车控制台尽可能一致，有的做了一些改造， 但仍然保留原有的外表和手感。驾驶舱有全封闭动感司机室、全封闭非动感司机室、简易司机室、司机操纵台等多种。3.1.1全封闭动感司机室是指带有运动平台的司机室，由于模拟的操纵环境齐全，给操纵司机的沉浸感最强。但 由于运动平台的负荷限制，整个驾驶舱的外形在多数情况下不能与原车完全保持一致，而且 实物电器柜、空气制动系统等无法与驾驶舱直接连接，不能直接进行实物故障培训。3.1.2全封闭非动感司机室是指不带有运动平台的司机室，可以不考虑质量的限制，做到与原车完全一致，同时还 能与实物电器柜、空气制动系统等直接连接，可以进行实物故障训练，但是不

9、能感受到列车 运行时的动感。为满足操纵司机对操纵环境具有最佳沉浸感，朔黄铁路机车驾驶模拟器采用了全封闭动 感司机室，司机室内部操纵和显示设备与原车完全一致，利用软管连接空气制动屏柜，其他 机车设备则以虚拟方式展现，依然能够进行设备故障训练。3.2运动仿真系统运动仿真的关键不仅在于列车运行中各种姿态的实时产生，更重要的是应当能够模拟各 种运动加速度对人体的作用力和各种感觉，这些在高速运动、紧急制动、过道岔和弯轨时更 为明显。3.2.1运动系统就其运动的驱动方式而言，可分为气动、液压、电动等三种主要方式。气动 方式能够支撑的运动载荷较小，多用于运动座椅、娱乐设备的驱动；液压驱动方式的承载能 力最大

10、，控制技术最成熟，但需要配置专用的液压泵站，噪音大，而且跑、冒、滴、漏及系 统维护是液压设备的共同缺点；电动系统的承载能力（指运动系统的频响在相同的范围内） 要低于液压系统，但系统地维护简单、使用方便。3.2.2运动系统可实现的运动自由度有三到六个不等，六自由度运动平台是目前国外应用处 于领先领域的一种运动平台。它是一个由数字计算机实时控制并能够提供俯仰、横滚、摇摆、 升降、纵向平移和测向平移的六自由度瞬时过载仿真设备，具有优越的运动仿真性能、高可 靠性和易维护性。六自由度运动平台一般由数字计算机、上运动平台、作动筒、驱动控制柜 等组成。列车运行仿真计算机建立运动参数仿真计算模型，通过一系列复

11、杂转换和计算，得 出列车当前的姿态、运动参数，再传递给运动控制计算机，由运动控制计算机计算出作动筒 的位移量，利用六个液压伺服回路或伺服电机驱动作动筒动作，实现对运动平台的控制。朔黄铁路机车驾驶模拟器采用六自由度电动运动平台及其控制系统实现机车驾驶模拟 器的运动仿真系统，以保证优越的运动仿真性能、高可靠性和易维护性。3.3视景系统：是对操纵者所见到景物的模拟，逼真的视觉使训练仿真环境更趋于真实化。 视景系统可划分为视景生成系统和视景显示系统两个部分。3.3.1视景生成系统由于列车运动轨迹的特殊性，机车驾驶模拟器的视景生成方式主要分为三种：直接放 像技术、图像压缩技术和图像生成技术。（1）直接放

12、像技术：是将线路实景录制在录像带、激光视盘等物理介质上，再利用相应 的放像设备重放出来。其特点是视景画面真实，但无法实现视景中局部景物的状态变化，且 难以实现平滑的连续调速，显示效果较差。（2）数字视频技术（简称DV）：原理是采用数字视频技术，以MPEG1或MPEG2的运动图 像格式将录制的线路视景保存在计算机硬盘上，在仿真时通过界压缩软件播放出来。由于图 像压缩技术具有良好的操控性能，视景系统的制作费用较低，视频文件易保存和管理，但不 能完全解决列车运行时视景画面不稳定的问题。（3）计算机图像生成技术（简称CGI）:是视景模拟公认的发展方向，它通过计算机软件 及相应硬件显示设备实现列车运行时

13、的场景模拟，通过建立列车运行线路的三维场景模型， 由计算机实时计算生成虚拟的线路视景。其特点是视觉效果非常逼真，场景环境可以根据需 要进行变化，但是制作成本很高。朔黄铁路机车驾驶模拟器采用了直接放像技术和计算机图像生成技术两种视景生成系 统，其直接放像技术生成视景是全线由神池南至黄骅港近600公里的上、下行线路视景，而 计算机图像生成技术涵盖了南湾-西柏坡、肃宁北段内近100公里的线路，从视景仿真环境 和制作成本上作了充分的考虑。3.3.2视景显示系统：通过投影仪、显示器等各种显示设备将线路视景显示出来，一般有以 下几种视景显示方案。（1）单通道前向视景。采用DLP投影设备，一次反射式背投系统

14、、全封闭的前向投影箱。 投影室与驾驶舱分离，视景系统全部位于运动平台上。其特点是可以逼真地再现驾驶舱的外 观，但需要遮挡驾驶舱侧窗，以提高视景的沉浸感。（2）板块式多通道视景系统：多个通道均采用投影设备显示实现，可以达到很宽的前向视 场角，并可覆盖一定的侧向视野范围。在这种方式下，沉浸感较强，不受场地的环境光影响。 其缺点是屏幕占用空间较大，使运动平台重量增大，且无法保持驾驶舱头部的外观与原车一 致。(3) 柱面多通道视景系统：180C的柱面屏幕几乎可覆盖司机全部的水平视野范围，可以 完全逼真地实现驾驶舱外观的模拟。因重量所限，一般视景屏幕全部静止地安放在地面上， 在运动平台不做大幅度运动的状

15、况下，可以达到很好的效果。在这种方式下，由于驾驶舱尺 寸大，运动平台包络范围大，必须采用大尺寸的柱面屏幕，对投影仪的性能要求高，价格非 常昂贵。朔黄铁路机车驾驶模拟器采用三通道板块式视景显示系统，既可以满足宽视景及较强的 沉浸感，又可以节约投资，性价比相对最高。3.4列车运行仿真控制系统列车运行仿真性能是机车驾驶模拟器最重要的指标，是决定列车运行行为仿真性能的关 键因素。其仿真计算涉及：列车牵引计算、列车动力学计算以及列车控制逻辑计算等。由于朔黄铁路公司配属的电力机车全部为SS4B型电力机车，牵引车辆大多为C64型， 因此，朔黄铁路机车驾驶模拟器主要仿真SS4B型电力机车牵引运行C64车辆运行

16、的各种状 况，列车的牵引计算遵守列车牵引计算规程要求，既可模拟列车运行，也可模拟单机运 行。其仿真模型的计算数据取自于SS4B型机车、C64车辆，同时预存了 SS4G、C70等其 它型号机车车辆的仿真模型参数，只需改变软件参数就可实现其他各类型号机车车辆的运动 仿真。3.5故障处理系统故障设置与处理功能是机车驾驶模拟器得以广泛应用的主要因素之一，其逼真程度是衡 量机车驾驶模拟器性能的主要指标。机车驾驶模拟器不仅培养司机的操纵技术，更主要的是 培训司机的故障分析、判断及实时查找和排除能力。在机车驾驶模拟器中，故障处理功能的模拟不外乎两种方法：配置实物与计算机软件模 拟。故障设置的方式为即时产生式

17、和预置式两种。3.5. 1配置实物电器柜或控制柜设置实物电器柜和控制柜的故障内容可以通过人为的方法直接设置在相应的实物上，故 障的判断和处理也是在实物上进行，训练方法几乎与实际一样。其优点在于具有极强的实用 价值，不足在于占用的场地空间较大；无法进行破坏性故障的设置、突发故障的设置;系统 的工作量大、可靠性较差，一旦实物电器柜自身故障或故障无法排除，机车驾驶模拟器的正 常培训难以继续。3.5.2计算机软件模拟借助于计算机多媒体软件技术，将实物电器柜以2维或3维模型方式展现给受训司机， 将列车控制逻辑与模型相结合，允许司机在电器柜模型中通过交互方式查找、判断和排除故 障。其优点在于设置故障的工作

18、量小，可以随意撤销或者设置，且可以作为理论教学辅助工 具，难度在于软件设计需要机车制造商提供全面、详实的相关资料，开发周期相对较长，难 度较大。朔黄铁路机车驾驶模拟器的故障处理系统采用软件仿真与实物配置同时实现，对控制模 拟较为困难的空气制动系统采用实物，对逻辑控制模拟较为简单的电路系统采用计算机软件 模拟实现，确保系统的可靠性。同时对突发事件的设置采用预置式，对电器电路故障的设置 采用即时产生式，最大限度满足教与学的需要。3.6声音仿真系统声音的模拟方法可以采用模拟频率合成和数字频率合成技术，随着技术的发展，环境音 响的模拟更多地采用数字频率合成技术，通过记录发生的实际声响，进行频谱和频率合

19、成。朔黄铁路机车驾驶模拟器的声响发生系统采用数字式声响发生系统，语音通讯系统采用 模拟方式有线传输、数字方式记录与回放的语音通讯模拟方式，既可以提供逼真的声响环境， 还可以方便地实现声音的记录、回放和处理。3.7学员观摩系统学员观摩系统通常由若干信息显示设备、学员桌椅组成，有主动观摩学习和被动观摩学 习两种学习方式。被动式观摩学习指观摩学员被动地接受来自驾驶舱、主控系统、视景系统、 声音系统的各种信息，相对投资较小;主动式观摩学习不仅使学员单向接受仿真培训的信息， 还配备了用于对操纵司机的操纵情况进行评价的学员终端，让学员根据个人的认识和理解， 对操纵司机的驾驶过程进行评价，有利于各学员之间相

20、互交流学习，提高学习的积极性。朔黄铁路机车驾驶模拟器选用主动式观摩系统，配置了 15位学员观摩设备，用于提高 培训质量和效率，并为今后列车基础知识培训、部分任务培训留下了拓展接口。3.8教员监控系统教员监控系统用来设置运行条件，指导、监控及评价受训人员训练的全过程。教员监控 系统应有良好的人机界面，方便完成列车参数设置、列车编组、断面修改、接口调试、结果 输出和操纵评价等功能，并随时对模拟驾驶进行干预。朔黄铁路机车驾驶模拟器的教员监控系统尽可能的配置了足够了信息提供设备，包括视景显示、闭路监视、运行控制、操纵评价等，方便教员的教学，提高工作效率。3.9其它系统设备包括电源设备、网络设备、视频、

21、音频切换设备、空调等，为机车驾驶模拟器提供必要 的、稳定、良好的工作环境。以上各个系统共同组成了朔黄铁路机车驾驶模拟器（见图4）。图4朔黄铁路机车驾驶模拟器系统构成4.结束语目前，朔黄铁路机车驾驶模拟器已投入使用，成功实现了对SS4B机车及列车的性能模拟、运行环境模拟和操纵培训，表现出了强大的功能和突出的作用：（1）运行条件和参数的设置、更改方便。改变计算机软件设置就能在短时间内对运行的条件和参数进行改变。（2）试验可以反复进行，不受限制。不存在真实的机电设备，试验不会构成设备损坏，不受时间、场地的限制，能够反复训 练。（3）正常训练和故障训练均可培训。除了正常训练还可依根据需要设置一些普通故障或者较危险的故障，培训司机处理故障 的能力。（4）训练过程受到监控，便于交流学习。训练过程受到记录，可以实时显示，也可以回放进行讲解和点评，这种交叉学习的方式 更易于学员的理解和记忆。（5）可进行事故原因辅助分析。通过机车驾驶模拟器再现事故的发生，为事故分析提供数据。（6）可进行操纵技术优化的研究。通过改变列车编组、机车操纵方式的运行参数，反复试验，研究合适的操纵技术，提高 既有铁路的运输能力。因此，朔黄铁路机车驾驶模拟器具有较高的实用价值和推广价值。参考文献：仿真技术，吴重光主编，化学工业出版社出版发行 作者简介：仵泽林（1962-）男，山西平遥人，朔黄铁路机辆分公司经理助理