黃雄輝

（廣東警官學院，廣東 廣州 510440）

0 引言

隨著經濟社會的快速發(fā)展，對城市交通的要求越來越高?？焖佟踩?、應用廣泛是城市軌道交通工程的發(fā)展節(jié)奏，它的全面高速發(fā)展與現(xiàn)代化的技術分不開。仿真技術是人類文明發(fā)展的產物，是知識轉換為實踐的產物，它可以通過與其他先進技術相融合，為城市生活增加更多的可能。運用于城際軌道建設的虛擬仿真技術，是將仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術相聯(lián)系，真實的人在仿真現(xiàn)實的虛擬環(huán)境中操作虛擬的系統(tǒng)來模擬實際交通管理。技術的操作離不開真實的人，技術的更新與人才的更新是密切相關的，社會迫切需要技能型的交通管理警察，因此需要將虛擬仿真技術引入到城市軌道交通工程實訓中。

1 城市軌道運行系統(tǒng)的虛擬仿真

1.1 場景模型生成

虛擬環(huán)境其實是通過對列車運行時周圍現(xiàn)實的場景進行建模，模擬列車運行時給駕駛者和乘坐者帶來的是最直接的感官感受。其是對現(xiàn)實的場景，通過可觀察現(xiàn)象、列車運行原理、物理屬性對存在的環(huán)境進行虛擬的設計視覺效果、運作時的切身感受進行的模擬設立[1]。通過逼真的建模，讓真實的人在操作中，能清楚地感受到周圍的實際場景，使人感到仿佛置身于列車中。

要使建立的場景模型逼真，提高其對仿真系統(tǒng)分析評估的影響力，就需要充分實現(xiàn)場景的完整性、存在性、連接性，例如軌道等隧道洞身、屏蔽門、站牌、車廂、車內設施還有廣告牌等，凡視覺和聽覺等能感受到的，都要設置在場景之中。

選定要設立的場景，將主次、前后、明暗等層次理念融入到場景中。確定基礎源，劃分場景中的事物，使得分割更具有科學性，充分展現(xiàn)結構分明、層次感強烈的場景建模，為系統(tǒng)的模擬運行效率奠定堅實可靠的基礎。

1.2 動態(tài)場景模型的控制

靜態(tài)場景是指在現(xiàn)實情況中相對參照物是靜止不動的。動態(tài)場景是相對于這些靜態(tài)場景生成的概念。在對城市軌道運行系統(tǒng)進行虛擬仿真時，體驗者主要是對動態(tài)場景進行熟悉直至控制。在設立的模擬場景中，信號燈、列車行駛狀態(tài)的指示燈、列車到站時所要開啟關閉的列車門、車站內起保護作用的屏蔽門等都屬于動態(tài)場景[2]。操作員要隨時根據(jù)列車的運行情況控制屏蔽車門的開門，觀察信號燈和指示燈的顏色變化，及時調整虛擬手柄的位置等等。

對動態(tài)場景模型的控制，主要是切換節(jié)點（Switch）的運用和自由度的運用。切換節(jié)點是在列車運行過程中，對信號燈的顏色、指示燈的信號含義、列車發(fā)動指示等情況進行更換或體現(xiàn)的環(huán)節(jié)。列車在行駛中由列車員操作，操作的基礎來自于對環(huán)境的判斷。在不同的情況下，要對其特定的展現(xiàn)節(jié)點進行設置，并且在同一時間內只能有一個子節(jié)點出現(xiàn)。例如，開啟車門，就是Switch節(jié)點切換到開組的子節(jié)點，其他的子節(jié)點處于隱藏狀態(tài)[3]。

子節(jié)點之間是有聯(lián)系的，是依次建立的索引編號。僅僅通過這些索引切換列車的運行狀態(tài)是不夠的，還需要在列車的運行場景和司機操作臺上設立自由度節(jié)點（DOF節(jié)點）。DOF是可以放到數(shù)據(jù)庫中增加幾何體的運動節(jié)點，是一種邏輯坐標系統(tǒng)。通過兩者結合，可以提高小節(jié)點操作的準確性和真實性。

1.3 軟件流程

軟件流程的作用是借助于計算機讓真實的人通過自然的方法（手動或其他肢體動作等）來身臨其境地感受生成的虛幻環(huán)境。虛擬的環(huán)境還可以對人的實時操作做出相應的反應。系統(tǒng)軟件流程的第一步是模擬系統(tǒng)初始化形成adf文件，第二步是三維模型的載入與管理，第三步就是視景生成的主體程序的構成。

2 擬演練仿真模型技術

當軟件流程形成完畢就能構建虛擬三維數(shù)字仿真模型。由于建造的模型具有真實性和仿真性，使其構建的設備具有可操作性，演練者或者學習者能近似于操控著真實的列車在軌道上行駛。其操作手法、行動指令、操作原理、邏輯思考等都與實際過程一樣。即使是虛擬的場景，操控的任何設備其狀態(tài)顯示、儀表樣式、報警系統(tǒng)和動作過程能夠產生預想的變化，都是可以將所見、所做、呈現(xiàn)的結果與真實情況完全聯(lián)系統(tǒng)一起來[4]。這對于需要有實際操作技能的人來說，可以將理論知識與實踐相結合，為實際操作真實的列車積累經驗。

3 實訓教學問題與虛擬實訓的優(yōu)勢

隨著社會對技能型人才的需求越來越多，使得很多公安院校意識到自己的教學理念和方式存在以下不足：

（1）指導方針比較落后，中國的應試教育使得學校的教育理念側重于知識的傳授，對學生的實踐要求相對較低，很多學生缺乏實踐經驗；

（2）教師資源不足，很多教師的能力是止于書面，長期缺乏實踐導致所傳授的知識也時常與社會脫軌；

（3）缺少實訓設備和場地，因為對實訓的不重視，對設備器材的投入極少，在學校建設規(guī)劃中，往往也忽略了實訓場地的建設；

（4）缺乏實訓文化和氛圍，領導的不重視，教師的無能為力，學生的不作為等，使得部分公安院校培養(yǎng)出來的學生，遠遠不能滿足現(xiàn)代交通發(fā)展對警察的要求，如何將理論教學與實踐教學結合起來，因時施教，讓學生在踏入社會前擁有體驗崗位和提升技能的機會，如何加大學院實訓的力度是亟待解決的問題。

虛擬實訓的優(yōu)點有：

（1）拓寬師資渠道，招聘各類型人才，提升師資力量；

（2）開展理論教學和虛擬實訓的教學方式，讓學生提高動手能力，提升學生學習的積極性；

（3）為更好地開展實訓，需要建造實訓室，提高學校的硬件條件；

（4）學生在學習書本知識的基礎上，增加了虛擬仿真技術的實操，增加了城市交通管理的實訓經驗，為今后踏入工作崗位后更好、更快地適應環(huán)境打好了基礎；

（5）實訓項目往往需要配備比較昂貴的設備，學生實操機會很少，且不可重復利用，而由學校自己投建，可以降低培訓成本，教學內容也能隨時更新，而且可以為學生提供反復學習的機會，也加強了考核學生學習成果的可操作性和準確性；

（6）學校通過不斷地引進、實踐、改善，軟件和硬件設備都能不斷提升，進而提高競爭力以及畢業(yè)生的就業(yè)率，與用人單位的聯(lián)系也隨之增多，形成良性循環(huán)，為社會培養(yǎng)更多優(yōu)秀的交通警察。

4 城市軌道交通工程實訓虛擬開發(fā)

第一步，用三維建模軟件Cinema 4D軟件，把軌道結構的構件組成形成虛擬模型，依照FBX對虛擬模型進行保存，需要渲染的可通過UVW貼圖手段來修正[4]。利用這款軟件強大的3D設計圖像功能和兼容性，來對城市軌道工程進行建模、動畫、渲染等。

第二步，采用Unity 3D軟件對經過渲染修正后的模型做場景虛擬，進行場景動畫編輯，模擬機械設備、操作人員等。Unity 3D雖然操作簡便、開發(fā)周期較短，但是創(chuàng)作的動畫卻能達到期望的效果。通過Unity 3D進行虛擬模型的整合、地形結構布置、著色，對腳本、網(wǎng)絡安排、版本控制等方面進行編輯。

第三步，通過Java 3D軟件對如何控制虛擬設備、操作人員進行編制，編譯成可執(zhí)行文件。經過Unity 3D編輯修繕后的文件，根據(jù)其擁有的API，使制作出來的文件具有強烈的動態(tài)控制能力，提高其瀏覽和傳輸性。當有同類型的數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)時，還能綜合整合，讓其具有可視性，且動畫圖像清晰[5]。

5 結語

虛擬仿真是自20世紀40年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展，逐漸形成的一種試驗研究新技術，是對自然界客觀規(guī)律認識的呈現(xiàn)。近些年其發(fā)展迅速，成為人們認識、改造和創(chuàng)造客觀世界的通用性、戰(zhàn)略性技術。虛擬實訓項目是根據(jù)真實場景進行場景模擬和真實操練。虛擬仿真技術應用于城市軌道交通工程實訓具有科學性、客觀性、趣味性，既實現(xiàn)了對實時性、交互性和精確性要求高的視覺虛物實化，又能讓學生融入實際管理交通的氛圍中。實訓具有可循環(huán)性和重復性，更新、擴展功能也比較方便，幫助學院以較少的資金、設備和人員解決學生缺乏實踐經驗的難題。

[1]劉仲波，李瑞濤.虛擬仿真技術在城市軌道交通工程實訓中的應用[J].價值工程，2012（12）：169.

[2]汪博，王建.城市軌道交通工程控制測量建網(wǎng)策略[J].隧道建設，2010（9）：143.

[3]李得偉，周瑋騰.城市軌道交通樞紐客流仿真輔助決策技術與實踐研究[J].鐵道標準設計，2012（12）：1-8.

[4]周燕.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用[J].上海師范大學學報：基礎教育版，2010（5）：56-59.

[5]王永波，韓瑋.軌道交通設施景觀控制對策研究[J].《規(guī)劃師》論叢，2012：86-90.