超声波测距仪的设计吴海超;张安全
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【摘 要】Adopting a number of high technology, driving of the CRH3 EMU train faces great challenges. The development of virtual driving simulation system of CRH3 EMU aims to train the driver's using skills of the EMU driving,emergency fault handling and abnormal driving by multimedia teaching. The virtual driving simulation system of CRH3 EMU conducts the full 3D virtualization train logical model simulation to CRH3 driving with the virtual reality technology to show the invisible, non-touching, non-entering train structure, layout and connection mode. It can easily set the fault that often does not meet in reality but is very troublesome to set with the real ways. It can repeatedly set ,find and eliminate electric equipment system fault, which improves the training efficiency and reduces the training cost and solves the difficult problem of training the drivers on the spot of high speed railway with good effect%CRH3动车采用众多高新技术,给动车驾驶带来了极大挑战.CRH3动车虚拟驾驶仿真系统的开发,旨在对动车司机进行模拟驾驶、故障处理、非正常行车处理等方
面的多媒体教学培训,培养动车司机的操作应变能力.CRH3动车虚拟驾驶仿真系统采用虚拟现实技术,对CRH3动车组驾驶进行全三维虚拟化列车逻辑模型仿真,可以展示不可视、不可摸、不可入列车部位的结构、布局及连接方式,轻松设置现实中不经常遇到而采用实物方式设置又很麻烦的故障,能反复无破坏地设置、查和排除电气设备等系统故障,提高了培训效率、降低了培训成本,解决了铁路部门在高速铁路现场难以进行司机培训的问题培训,效果良好. 【期刊名称】《华东交通大学学报》吹填工程
【年(卷),期】2012(029)002
【总页数】薄膜技术6页(P31-35,46)
【关键词】CRH3虚拟仿真;模拟驾驶;故障处理;非正常行车
【作 者】吴海超;张安全
【作者单位】南京铁道职业技术学院 江苏南京210031;郑州捷安高科股份有限公司 河南郑州450001
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9
我国高速铁路的迅速发展，使得动车组司机培训机制未能及时完善。具有我国自主知识产权的高速铁路动车组诞生后，司机培养的问题更加突出。目前动车组驾驶面临的问题是动车司机专业人才紧缺；动车司机培训难度高、周期长；在培训过程中，学员的学习效率低。日本、法国、德国等国家的高速铁路起步较早，发展比较成熟，相应的培训机制比较健全，培训设施比较完备。由于铁路安全生产特要求，难以在高速铁路现场进行司机培训；部分铁路高职院校虽然也在积极开发培训资源，但受资金困扰，现有实训设施的更新升级难以保证。
梁挠度采用虚拟现实技术，对CRH3动车组驾驶进行全三维虚拟化列车逻辑模型仿真，在仿真系统上对学员进行“真实情景模拟驾驶”培训，有如下优势成本低、性价比高电气设备等系统故障的设置、查、排除可以反复进行，不会产生设备的磨损，不会造成破坏性后果，故障设置依据参考文献[1]可以轻松设置现实中不经常遇到而采用实物方式设置又很麻烦的故障[2]充分利用文本、图形[3]、三维影像、三维动画和声音等多媒体表现形式，刺激学员的
视觉、听觉神经，调动学员的学习积极性可以展示不可视、不可摸、不可入列车部位的结构、布局及连接方式符合国家低碳战略，绿、环保。
CRH3动车虚拟驾驶仿真系统的设计与实现，能够在仿真环境下对动车司机进行模拟驾驶、故障处理、非正常行车处理等方面的多媒体教学培训，有效地提高了培训质量、降低了培训成本。
1 虚拟现实技术简介
虚拟现实（virtual reality，简称VR，又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或虚拟仿真。虚拟仿真能让使用者如同身历其境一般，已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节。虚拟仿真技术的引入，将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃，更加符合社会发展的需要。工业仿真系统不是简单的场景漫游，而是真正意义上用于指导生产的仿真系统，它结合用户业务层功能和数据库数据组建一套完全的仿真系统，可组建B/S、C/S两种架构的应用，可与企业ERP、MIS系统无缝对接，支持SqlServer、Oracle、MySql等主流数据库。
应用虚拟仿真技术来解决动车司机培训的难题，是必要而可行的。
2 CRH3动车虚拟驾驶仿真系统设计
CRH3模拟驾驶仿真系统由CGI线路场景、三维动车组仿真模型及后台的列车仿真逻辑构成，总体划分为多媒体教学、模拟驾驶、故障处理、非正常行驶4个模块，每个模块都具备教学、演练、考核评价3个主要功能。
系统设计能够实时准确响应各项操作，能够正确反应列车固有的控制逻辑关系，所有的操作信息能够根据实际情况实时更新并输出相关的仿真计算结果，如列车的所有电气、电子、机械系统的结构、关联关系及动作时序均根据实际形式进行一对一的仿真；所有操作、显示设备、开关、发音、发光、报警系统能够按实际情况进行控制和响应，所有的显示系统具有与真实系统相同的界面、菜单结构、按钮及功能；系统触发的列车故障现象与真实情况一致。
多媒体教学模块采用文字、声音、图片和图像等多种信息，将CRH3动车组的使用、应急故障处理、检修作业等以预先制作的数字动画的形式进行呈现，并设计简洁、美观的交互式人机界面、可以方便的进行播放控制，如快进、快退、暂停、声音控制等；模拟驾驶模块采用教师提前设置演练任务的方式，如列车类别、运行区段、列车故障发生位置及类型
、临时限速位置等，使学员熟悉机车、熟悉操作；故障处理模块培训学员检查并排除故障/突发事件的能力；非正常行驶模块培训学员在驾驶机车遇到如下雨、下雪等一些突发情况时的处理能力[5]。
通过计算机多媒体授课来实现生动的场景交互式教学功能；以任务形式设置演练内容，使学员在情景化引导栏指导下，逐步排查、直至完成故障处理，达到演练目的；考核评价体系能将学员的每一次训练都记录保存在系统数据库中，包括学员信息和训练记录数据，对于有标准操作答案的项目，系统还会自动评判出成绩并记录在数据库中，教师根据记录进行进一步的审阅、评判和管理，最后发布成绩。
3 CRH3动车虚拟驾驶仿真系统开发
仿真系统的开发包括3D动车模型设计开发、场景建模开发和引擎程序开发。
系统中的模型采用Autodesk公司的3DSMAX作为建模软件，建模方法主要为Polygon（多边形）建模。模型构建贴图及交互控制脚本见参考文献[6]，模型效果如图1所示。
图1 模型效果图Fig.1 Model rendering
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场景包括轨道（铁轨、交叉口、道岔、路基、道床），架空线路（支柱、基础、坠砣、腕臂、拉杆、绝缘子、定位器、定位杆、支撑杆、接触网导线、承力索、吊弦），轨旁设备（信号机、应答器、转辙机、进路显示、边界显示、停车显示、限速显示、反方向标识等），站台（车站及附属设备、广告牌、乘客、停车标等），沿线景物（露天风景、桥梁、隧道、立交桥、建筑、行人、车辆等），交会运行的其他CRH3动车组。场景的视景仿真系统采用计算机生成图像（CGI）的三维场景，CGI线路视景以现场线路数据为基础，全三维数字化建模，线路纵断面、曲线半径等线路参数与真实一致；场景的声音仿真系统包括列车外部的声音（列车在线路上运行的声音、风声、鸣笛声、制动摩擦声、周围环境声音、列车报站声音、碰撞障碍物时的声音）与列车内部的声音（司机操作过程中列车产生的各种电器吸合、断开声音；司机台HMI、ATP显示屏提示声；列车运行过程中有关设备的电气、机械噪声；牵引电动机运转的声音；空气制动系统产生的明显声音）。场景建模从视觉、听觉、速度感、操纵真实感等方面逼真地再现了列车在不同情况下的运行环境。场景建模技术见参考文献[7]，场景组织结构可参考文献[8]。
系统的三维引擎采用OSG（OpenSceneGraph）技术实现。OSG使用OpenGL技术开发，是一套基于C++平台的应用程序接口（API）。OpenGL技术为图形元素（多边形、线、点…
…）和状态（光照、材质、阴影……）的编程提供了标准化的接口。因此，OSG让程序员能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。系统的界面则采用Qt制作。Qt是诺基亚开发的一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能。Qt是完全面向对象的，很容易扩展，并且允许真正地组件编程。系统运行的界面如图2所示。
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