王鋒輝，高艷賀

(1.萬達文化旅游規(guī)劃研究院 游樂設備所，北京 100022;2.西安外國語大學 英語教育學院，陜西 西安 710128)

電影樂園乘騎系統交通控制建模與仿真研究

王鋒輝1，高艷賀2

(1.萬達文化旅游規(guī)劃研究院 游樂設備所，北京 100022;2.西安外國語大學 英語教育學院，陜西 西安 710128)

電影主題樂園內的乘騎系統具有運行過程中車輛狀態(tài)復雜多變的特點，乘騎車輛的運行安全性要求較高。為了在設計初期完整逼真地模擬乘騎系統運行的全過程，并優(yōu)化影響乘騎系統性能的關鍵參數，開發(fā)了基于Flexsim的電影樂園乘騎系統交通控制可視化仿真平臺。該可視化仿真平臺以電影樂園乘騎交通控制模型為基礎，利用Flexsim軟件在離散事件系統建模方面的優(yōu)勢，能直觀地展示電影樂園乘騎系統運行的全貌及細節(jié)，并統計分析乘騎系統的運行參數。該仿真平臺不僅能滿足交互仿真的需求，而且能實現乘騎系統參數優(yōu)化，因而可作為電影樂園乘騎系統前期設計的基礎工具。

電影樂園；乘騎系統；交通控制；可視化仿真

電影樂園是將車載動感模擬器與巨幕、球幕、3D立體電影和特效等技術集成在一起的娛樂項目，可以營造傳統影院不能達到的沉浸式體驗[1]。游客在電影樂園中乘坐具有一定自由度的乘騎車輛，沿設定的主題路線，穿梭在真實場景和立體幻境之間。電影樂園中的乘騎車輛本質上是一種無人駕駛車輛，沿預先設定的線路循環(huán)運行，依次經過各種不同的場景，包括互動體驗段、停車觀影段和跌落體驗段等。游客上車后，乘騎車輛在不同場景對應的軌道區(qū)段上以不同的速度運行，在互動體驗段，乘騎車輛可依靠自身的動力裝置或軌道上安裝的外部動力裝置運行；在停車觀影段，乘騎車輛需精確?？吭谔囟ㄎ恢?，直至游客觀看完成該處的影片后繼續(xù)行駛；在跌落體驗段，乘騎車輛被提升至一定高度后，依靠自身重力沿軌道向下滑行，讓游客體驗室內過山車的刺激。

電影樂園乘騎系統采用多個乘騎車輛連續(xù)運行的方式接待游客，一方面需要保證電影樂園單位時間內能有盡可能大的游客接待量；另一方面要保證乘騎車輛之間不發(fā)生碰撞等安全事故。乘騎系統交通控制是保證系統效率及安全的主要條件，對于整個電影樂園至關重要。另外，乘騎系統的交通控制直接影響乘騎系統的運行模式以及發(fā)車間隔、用車數量等系統參數。在項目的論證階段，即需考慮乘騎系統的交通控制，并基于乘騎系統的交通控制模型開展系統仿真。通過系統仿真，即可確定系統運行的主要參數，并以此為基礎進行參數優(yōu)化。

目前，與電影樂園乘騎系統相關的仿真多集中于乘騎車輛動力學性能的研究[2-4]，與無人車輛交通控制有關的研究重點在于車輛調度及AGV的交通控制[5-6]，而電影樂園乘騎系統的運行與場景及游客行為緊密相關，因而有其特殊性。另外，電影樂園乘騎系統的仿真需要直觀地展示系統運行的全貌，因而有必要實現可視化的仿真。針對上述問題，本文在分析電影樂園乘騎交通控制系統工作原理的基礎上，建立了模擬電影樂園乘騎系統運行的可視化仿真平臺。

1 電影樂園乘騎系統的工作流程

1.1 系統工作流程

電影樂園乘騎系統的工作流程如圖1所示。乘騎交通控制系統首先收集游客等車信息，若有游客等待，則檢索是否有乘騎車輛可調用；可用乘騎車輛接到運行命令后，進入上客區(qū)，游客按順序上車；游客上車后，若乘騎車輛已滿座，或者超過上車等待時間閾值，且游客的安全裝置已鎖定，則乘騎車輛處于待發(fā)狀態(tài)；乘騎交通控制系統發(fā)出乘騎車輛發(fā)車指令，乘騎車輛進入運行狀態(tài)，并受中央控制室的監(jiān)視系統監(jiān)控；在行駛過程中，乘騎車輛運行速度按預先設定的程序調整；整個行程結束后，游客在下客站臺下車并離開主演區(qū)，如此循環(huán)。

圖1 乘騎系統工作流程圖

1.2 乘騎車輛的工作流程

乘騎系統中單個乘騎車輛的工作流程如圖2所示。對于在上客站臺處?？康某蓑T車輛，若游客已上車且安全裝置已鎖定，當發(fā)車時間已到，則車輛進入“就緒”狀態(tài)，在獲得中央控制室的發(fā)車許可命令后，乘騎車輛發(fā)車。在行駛過程中，乘騎車輛連續(xù)監(jiān)測自身的信息狀態(tài)，同時接收中央控制室的上層控制命令。若本車的安全區(qū)域內無障礙，且上層控制命令未發(fā)生改變，則乘騎車輛繼續(xù)行駛直至下客站；否則，乘騎車輛停車，從而保證本車及整個系統的安全。

圖2 單車運行控制流程圖

2 乘騎交通控制系統分析

2.1 乘騎交通控制系統的組成

電影樂園乘騎交通控制系統由中央控制系統、乘騎車輛、旁軌基礎設施及通信系統組成。中央控制系統是乘騎交通控制系統的核心，負責乘騎車輛狀態(tài)的監(jiān)控及車輛調度。乘騎車輛是被控對象，其車載控制系統控制乘騎車輛自主運行。乘騎車輛受中央控制室監(jiān)控，并接受中央控制室的調度和管理。乘騎車輛與中央控制系統之間保持雙向通信，車載控制系統受中央控制系統發(fā)來的上層調度指令約束。旁軌基礎設施主要包括供電裝置及位置檢測傳感器，為乘騎車輛供電，并實時檢測乘騎車輛的位置、速度等信息。通信系統提供有線和無線通信，其中車輛的位置信息由旁軌基礎設施中的傳感器通過有線通信發(fā)送給中央控制室，車輛調度指令及車載音頻的開關等指令通過無線通信由中央控制室發(fā)送給乘騎車輛。

2.2 乘騎交通控制系統的工作原理

中央控制系統是乘騎交通控制系統的上層控制部分，負責系統監(jiān)視、乘騎設備調度及安全控制，完成電影樂園中的游客信息收集、乘騎設備調度、乘騎設備隊列管理、應急管理及場景互動管理。中央控制系統通常以自動模式工作，在特殊條件下，也可在操作人員的干預下工作。車載控制系統是乘騎交通控制系統的下層控制部分，負責將乘騎設備的自檢信息、位置、速度、加速度、?？繝顟B(tài)、供電狀態(tài)和乘客安全狀態(tài)等信息實時發(fā)送給中央控制系統；同時，接收中央控制系統的調度指令，作為上層控制指令發(fā)送給車載電氣控制系統，控制乘騎車輛按預先設定的速度、加減速度運行，并將自身的狀態(tài)信息實時發(fā)送給上層控制系統。

2.3 乘騎交通控制系統的通信

電影樂園乘騎交通控制系統的通信體系架構如圖3所示。中央控制系統及車載控制系統均包含各自的通信模塊。中央控制系統的通信模塊與演出控制系統及車載控制系統保持雙向通信，接收演出控制系統提供的游客等車信息，發(fā)送乘騎系統的狀態(tài)信息。演出控制系統協調整個電影樂園內包含乘騎系統、影片和特效等系統的運行。車載控制系統的通信模塊與中央控制系統的通信模塊保持雙向通信，接收每個乘騎車輛的運行指令，發(fā)送每個乘騎車輛的狀態(tài)信息。車載控制計算機通過車內通信向車輛行駛控制模塊、車載運動平臺控制模塊及車載媒體控制模塊發(fā)送不同的控制指令。

圖3 乘騎設備交通控制系統通信體系架構圖

3 乘騎交通控制系統建模

電影樂園乘騎交通控制系統的運行涉及中央控制系統、車載控制系統、游客、乘騎車輛、沿途停靠站點和觀影場景等對象，這些對象之間動態(tài)交互，相互影響。從運營管理的角度看，乘騎系統運行依次經歷如下狀態(tài)：游客進站、排隊等車、上車、發(fā)車、乘騎車輛運行、中途?？扛髡军c、游客下車及出站。游客進站、排隊等車、車輛進站和出站等構成典型的離散事件動態(tài)系統，而乘騎車輛在各站點之間的運行則以連續(xù)系統的形式呈現；因此，電影樂園乘騎交通控制系統本質上是一種混合動態(tài)系統，需采用混合動態(tài)系統建模方法建立其系統模型。

不同時間進入電影樂園的游客形成游客流，游客流滿足如下條件：1)在不相重疊的時間區(qū)間內，游客到達數是相互獨立的；2)對于一個充分小的時間段，一個游客到達的概率與時間無關，而與該時間段的長度成正比；3)對于一個充分小的時間段，2個或2個以上的顧客到達的概率可以忽略。因此，n個游客從開始到經過時間t達到的概率服從泊松分布，即：

(1)

游客相繼到達的時間間隔服從指數分布：

f(t)=λe-λt,t>0

(2)

在建模過程中，乘客隨機進入排隊區(qū)的時間間隔由偽隨機數生成器產生。偽隨機數序列在種子數較大的條件下具有隨機數序列的統計特征，而且可在多次仿真中重復出現，有利于進行不同條件下系統仿真的比較研究。

在有驅動、制動配置條件下，乘騎車輛在特定位置處可按預先設定的速度運行；在無驅動、制動配置的條件下，乘騎設備的速度分布與軌道形狀直接相關。在此條件下，乘騎車輛的速度按照下式估算：

(3)

式中，V1為乘騎車輛在位置1處的速度；V2為乘騎車輛在位置2處的速度；g為重力加速度；ΔH為位置2相對于位置1的高度差；ds為位置2相對于位置1的距離；f為滾動摩擦因數。

當前，尚無成熟的專業(yè)軟件專門用于電影樂園或類似娛樂項目的仿真建模。通過分析電影樂園乘騎系統運行的特點，認為面向離散事件系統仿真的工具軟件Flexsim經過二次開發(fā)，可作為電影樂園乘騎系統交通控制模型的基礎平臺。Flexsim軟件集系統仿真、可視化及數據處理技術于一體，主要面向制造、物流等領域的仿真建模。在Flexsim平臺上，采用事件表推進機制，可以模擬游客隨機進入樂園、等車、上車、下車及乘騎設備到站、離站等離散事件?；跁r間表推進機制，可以模擬乘騎車輛的連續(xù)運動。通過集成電影樂園內各對象交互的離散模型及乘騎車輛運行的連續(xù)模型，形成模擬電影樂園乘騎交通控制的混合動態(tài)系統模型。Flexsim軟件中的主要模塊及工具均以物流應用為背景，在建模過程中，乘騎車輛的軌道由工具箱中的“傳送帶”改造而成，乘騎車輛由工具箱中的“物流運輸車輛”改造而成，游客由工具箱中的“物品”改造而成。通過上述改造，可以建立乘騎系統的三維模型。Flexsim軟件具有強大的數據統計輸出功能，可對多次仿真運行的結果進行統計分析，可在此基礎上完成蒙特卡洛仿真及系統參數優(yōu)化。

應用Flexsim軟件建立的電影樂園乘騎交通系統的三維可視化仿真模型如圖4所示。由于實際項目中的乘騎車輛是在軌道車輛底盤上加裝可載人的座艙或動感平臺構成的，所以，在乘騎車輛建模過程中，將Flexsim組件庫中的“物流運輸車輛”與“搬運機械臂”結合，組成實際項目中的乘騎車輛模型。該模型可將整個系統的運行顯示在三維環(huán)境中，其優(yōu)勢在于可以更真實地展現整個乘騎系統運行的全部場景，便于分析研究及參數優(yōu)化。

圖4 電影乘騎系統可視化仿真模型

應用Flexsim軟件可以開發(fā)可視化仿真模型的控制面板。在該控制面板上，可設置仿真速度、觀察視角和觀察區(qū)域，可輸入乘騎系統的配置參數，如車輛數量、載客人數和發(fā)車時間間隔等。仿真結果可同時按數值和曲線等2種形式輸出。

4 仿真實例

以上述可視化模型為仿真平臺，導入乘騎設備的軌道。仿真初始條件設置為：共9列乘騎車輛，每列含4輛車；發(fā)車間隔為40s；乘客等待區(qū)容量為750人。進入電影樂園的游客流服從泊松分布，按高峰時間入園人數為1 500人/h計，游客平均到達時間間隔設置為2.4s。

游客接待量、乘騎車輛滿載率和游客平均等車時間等指標是電影樂園乘騎系統最為重要的技術經濟指標，也是衡量系統服務水平的重要參數。在乘騎系統啟動至運行8min的過程中，游客平均等車時間的變化如圖5所示，由圖5可以看出，乘騎系統運行至穩(wěn)態(tài)后，游客平均等車時間接近110s。在乘騎系統啟動至運行90min的過程中，排隊區(qū)等候總人數的變化如圖6所示，由圖6可以看出，乘騎系統運行至穩(wěn)態(tài)后，排隊區(qū)等候的總游客數量≤200人。

圖5 游客平均等車時間的變化曲線

圖6 排隊區(qū)等候總人數的變化曲線

乘騎車輛的數量、車輛的連接方式等設備配置參數，以及發(fā)車間隔時間等運行管理參數對于乘騎系統的運行性能有顯著的影響。通過仿真運行并整理輸出結果，在排隊區(qū)容量為200人，游客到達的平均時間間隔為2s的條件下，分別采用9列車及5列車，系統運行1h后，乘騎系統的游客接待量及平均等車時間見表1。

表1 乘騎數量對服務水平的影響分析表

由表1的結果可知，在相同的條件下，采用9列乘騎車輛，1h游客接待量>1 500人，游客平均等待時間<5min，因而服務水平較高；若采用5列車，1h游客接待量為872人，無法滿足系統游客接待量的設計要求。

仿真結果表明，游客排隊區(qū)的容量可在原750人的基礎上減至200人?；诙噍喛梢暬抡妫⑼ㄟ^進一步驗證乘騎車輛間的安全距離，最終確定乘騎系統中列車的數量為8列，發(fā)車間隔為38s，相應的游客接待量為1 515人/h。

5 結語

電影樂園乘騎系統本質上是一種特殊的無人駕駛運輸系統。乘騎交通控制系統對于乘騎系統乃至整個電影樂園的運行至關重要。建立乘騎系統的交通控制仿真模型，可以預先驗證乘騎系統配置的合理性。本文分析了電影樂園乘騎交通控制系統的工作原理、控制流程和通信機制等，通過對Flexsim仿真平臺的二次開發(fā)，建立了電影樂園乘騎交通控制系統的可視化仿真模型。通過對電影樂園乘騎系統的模擬運行，驗證了乘騎系統配置的可行性及合理性，并對乘騎系統及整個電影樂園基礎設施的配置參數進行了優(yōu)化。

[1] 方捷新，張雪. 車動電影應用新技術以提升沉浸感和用戶體驗質量[J]. 現代電影技術，2014(7):10-12.

[2] 梁朝虎,沈勇,丁克勤. 過山車動態(tài)仿真建模方法研究[J]. 系統仿真學報，2006(8):280-282.

[3] 李軍,苑士華. 車輛動力學仿真的可信度評估方法研究[J]. 北京理工大學學報，2015(1):44-47.

[4] 李惠光,張占領，邵暖，等. 基于圖像視覺伺服的AGV動力學控制[J]. 控制工程，2012(1):56-59.

[5] 葛顯龍，王旭，邢樂斌. 動態(tài)需求的多車型車輛調度問題及云遺傳算法[J].系統工程學報，2012(6):823-832.

[6] 李妍峰，李軍，高自友. 動態(tài)規(guī)劃啟發(fā)式算法求解時變車輛調度問題[J].系統工程理論與實踐，2012(8):1712-1718.

責任編輯 鄭練

Research on Modeling and Simulation of the Movie Park Ride System Traffic Control

WANG Fenghui1, GAO Yanhe2

(1.Wanda Cultural Tourism Planning & Research Institute, Amusement Equipment Research Institute, Beijing 100022, China;2.School of English Education, Xi’an International Studies University, Xi’an 710128, China)

The ride system of the movie theme park has the characteristic of vehicles running with complex and changeable states. The safety of the vehicle operation has to be ensured. We have developed the visual simulation platform to simulate the operation of the ride fully and realistically at an early design stage. Then optimize the key parameters of the ride. Based on the model of the ride traffic control system of the movie park, the visual simulation platform uses the advantage of discrete event system modeling taken by Flexsim software. The simulation platform can show the panorama and detail of the ride system operation and record, and analyze the operation parameters of the ride system. This simulation platform can not only meet the requirement on the interactive simulation, but also optimize the parameters of the ride system, so it can be used as the basic tool for the preliminary design of the movie park ride system.

movie park, ride system, traffic control, visual simulation

TP 39

A

王鋒輝(1978-)，男，博士研究生，主要從事無人機飛行動力學與控制、無人駕駛車輛的運動控制與協作、機器人技術在娛樂領域的應用等方面的研究。

2016-08-16