虚拟仿真技术在城市轨道交通工程实训中的应用

黄雄辉

（广东警官学院，广东 广州 510440）

0 引言

随着经济社会的快速发展，对城市交通的要求越来越高。快速、安全、应用广泛是城市轨道交通工程的发展节奏，它的全面高速发展与现代化的技术分不开。仿真技术是人类文明发展的产物，是知识转换为实践的产物，它可以通过与其他先进技术相融合，为城市生活增加更多的可能。运用于城际轨道建设的虚拟仿真技术，是将仿真技术与虚拟现实技术相联系，真实的人在仿真现实的虚拟环境中操作虚拟的系统来模拟实际交通管理。技术的操作离不开真实的人，技术的更新与人才的更新是密切相关的，社会迫切需要技能型的交通管理警察，因此需要将虚拟仿真技术引入到城市轨道交通工程实训中。

1 城市轨道运行系统的虚拟仿真

1.1 场景模型生成

虚拟环境其实是通过对列车运行时周围现实的场景进行建模，模拟列车运行时给驾驶者和乘坐者带来的是最直接的感官感受。其是对现实的场景，通过可观察现象、列车运行原理、物理属性对存在的环境进行虚拟的设计视觉效果、运作时的切身感受进行的模拟设立[1]。通过逼真的建模，让真实的人在操作中，能清楚地感受到周围的实际场景，使人感到仿佛置身于列车中。

要使建立的场景模型逼真，提高其对仿真系统分析评估的影响力，就需要充分实现场景的完整性、存在性、连接性，例如轨道等隧道洞身、屏蔽门、站牌、车厢、车内设施还有广告牌等，凡视觉和听觉等能感受到的，都要设置在场景之中。

选定要设立的场景，将主次、前后、明暗等层次理念融入到场景中。确定基础源，划分场景中的事物，使得分割更具有科学性，充分展现结构分明、层次感强烈的场景建模，为系统的模拟运行效率奠定坚实可靠的基础。

1.2 动态场景模型的控制

静态场景是指在现实情况中相对参照物是静止不动的。动态场景是相对于这些静态场景生成的概念。在对城市轨道运行系统进行虚拟仿真时，体验者主要是对动态场景进行熟悉直至控制。在设立的模拟场景中，信号灯、列车行驶状态的指示灯、列车到站时所要开启关闭的列车门、车站内起保护作用的屏蔽门等都属于动态场景[2]。操作员要随时根据列车的运行情况控制屏蔽车门的开门，观察信号灯和指示灯的颜色变化，及时调整虚拟手柄的位置等等。

对动态场景模型的控制，主要是切换节点（Switch）的运用和自由度的运用。切换节点是在列车运行过程中，对信号灯的颜色、指示灯的信号含义、列车发动指示等情况进行更换或体现的环节。列车在行驶中由列车员操作，操作的基础来自于对环境的判断。在不同的情况下，要对其特定的展现节点进行设置，并且在同一时间内只能有一个子节点出现。例如，开启车门，就是Switch节点切换到开组的子节点，其他的子节点处于隐藏状态[3]。

子节点之间是有联系的，是依次建立的索引编号。仅仅通过这些索引切换列车的运行状态是不够的，还需要在列车的运行场景和司机操作台上设立自由度节点（DOF节点）。DOF是可以放到数据库中增加几何体的运动节点，是一种逻辑坐标系统。通过两者结合，可以提高小节点操作的准确性和真实性。

1.3 软件流程

软件流程的作用是借助于计算机让真实的人通过自然的方法（手动或其他肢体动作等）来身临其境地感受生成的虚幻环境。虚拟的环境还可以对人的实时操作做出相应的反应。系统软件流程的第一步是模拟系统初始化形成adf文件，第二步是三维模型的载入与管理，第三步就是视景生成的主体程序的构成。

2 拟演练仿真模型技术

当软件流程形成完毕就能构建虚拟三维数字仿真模型。由于建造的模型具有真实性和仿真性，使其构建的设备具有可操作性，演练者或者学习者能近似于操控着真实的列车在轨道上行驶。其操作手法、行动指令、操作原理、逻辑思考等都与实际过程一样。即使是虚拟的场景，操控的任何设备其状态显示、仪表样式、报警系统和动作过程能够产生预想的变化，都是可以将所见、所做、呈现的结果与真实情况完全联系统一起来[4]。这对于需要有实际操作技能的人来说，可以将理论知识与实践相结合，为实际操作真实的列车积累经验。

3 实训教学问题与虚拟实训的优势

随着社会对技能型人才的需求越来越多，使得很多公安院校意识到自己的教学理念和方式存在以下不足：

（1）指导方针比较落后，中国的应试教育使得学校的教育理念侧重于知识的传授，对学生的实践要求相对较低，很多学生缺乏实践经验；

（2）教师资源不足，很多教师的能力是止于书面，长期缺乏实践导致所传授的知识也时常与社会脱轨；

（3）缺少实训设备和场地，因为对实训的不重视，对设备器材的投入极少，在学校建设规划中，往往也忽略了实训场地的建设；

（4）缺乏实训文化和氛围，领导的不重视，教师的无能为力，学生的不作为等，使得部分公安院校培养出来的学生，远远不能满足现代交通发展对警察的要求，如何将理论教学与实践教学结合起来，因时施教，让学生在踏入社会前拥有体验岗位和提升技能的机会，如何加大学院实训的力度是亟待解决的问题。

虚拟实训的优点有：

（1）拓宽师资渠道，招聘各类型人才，提升师资力量；

（2）开展理论教学和虚拟实训的教学方式，让学生提高动手能力，提升学生学习的积极性；

（3）为更好地开展实训，需要建造实训室，提高学校的硬件条件；

（4）学生在学习书本知识的基础上，增加了虚拟仿真技术的实操，增加了城市交通管理的实训经验，为今后踏入工作岗位后更好、更快地适应环境打好了基础；

（5）实训项目往往需要配备比较昂贵的设备，学生实操机会很少，且不可重复利用，而由学校自己投建，可以降低培训成本，教学内容也能随时更新，而且可以为学生提供反复学习的机会，也加强了考核学生学习成果的可操作性和准确性；

（6）学校通过不断地引进、实践、改善，软件和硬件设备都能不断提升，进而提高竞争力以及毕业生的就业率，与用人单位的联系也随之增多，形成良性循环，为社会培养更多优秀的交通警察。

4 城市轨道交通工程实训虚拟开发

第一步，用三维建模软件Cinema 4D软件，把轨道结构的构件组成形成虚拟模型，依照FBX对虚拟模型进行保存，需要渲染的可通过UVW贴图手段来修正[4]。利用这款软件强大的3D设计图像功能和兼容性，来对城市轨道工程进行建模、动画、渲染等。

第二步，采用Unity 3D软件对经过渲染修正后的模型做场景虚拟，进行场景动画编辑，模拟机械设备、操作人员等。Unity 3D虽然操作简便、开发周期较短，但是创作的动画却能达到期望的效果。通过Unity 3D进行虚拟模型的整合、地形结构布置、着色，对脚本、网络安排、版本控制等方面进行编辑。

第三步，通过Java 3D软件对如何控制虚拟设备、操作人员进行编制，编译成可执行文件。经过Unity 3D编辑修缮后的文件，根据其拥有的API，使制作出来的文件具有强烈的动态控制能力，提高其浏览和传输性。当有同类型的数据库出现时，还能综合整合，让其具有可视性，且动画图像清晰[5]。

5 结语

虚拟仿真是自20世纪40年代以来，随着计算机技术的发展，逐渐形成的一种试验研究新技术，是对自然界客观规律认识的呈现。近些年其发展迅速，成为人们认识、改造和创造客观世界的通用性、战略性技术。虚拟实训项目是根据真实场景进行场景模拟和真实操练。虚拟仿真技术应用于城市轨道交通工程实训具有科学性、客观性、趣味性，既实现了对实时性、交互性和精确性要求高的视觉虚物实化，又能让学生融入实际管理交通的氛围中。实训具有可循环性和重复性，更新、扩展功能也比较方便，帮助学院以较少的资金、设备和人员解决学生缺乏实践经验的难题。

[1]刘仲波，李瑞涛.虚拟仿真技术在城市轨道交通工程实训中的应用[J].价值工程，2012（12）：169.

[2]汪博，王建.城市轨道交通工程控制测量建网策略[J].隧道建设，2010（9）：143.

[3]李得伟，周玮腾.城市轨道交通枢纽客流仿真辅助决策技术与实践研究[J].铁道标准设计，2012（12）：1-8.

[4]周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].上海师范大学学报：基础教育版，2010（5）：56-59.

[5]王永波，韩玮.轨道交通设施景观控制对策研究[J].《规划师》论丛，2012：86-90.