宋志強(qiáng)，夏鶴峰

（寧波市職業(yè)技術(shù)教育中心學(xué)校，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，為了向軌道交通行業(yè)輸送更多專業(yè)人員，越來越多的高校開設(shè)了軌道交通專業(yè)相關(guān)課程，軌道交通模擬駕駛教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。模擬駕駛即為模擬軌道車輛駕駛室真實環(huán)境，對軌道交通行業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行車輛行駛相關(guān)的教學(xué)及考核，這逐漸成為高校培養(yǎng)學(xué)生的有效方案［1-7］。

近年來，越來越多的學(xué)校及研究人員對軌道交通模擬駕駛的教學(xué)及考核進(jìn)行了大量分析探討。丁洪東［1］詳細(xì)介紹了地鐵列車模擬駕駛裝置的功能，從裝置的硬件開發(fā)及軟件應(yīng)用開發(fā)上做了詳細(xì)的闡述，并對裝置在教學(xué)過程中的應(yīng)用做了分析；陳立江［2］采用多媒體計算機(jī)系統(tǒng)和計算機(jī)成像技術(shù)，配合高分辨率大型彩色屏幕和音響及動畫效果，詳細(xì)闡述了列車的模擬駕駛器，為列車司機(jī)綜合能力培訓(xùn)提供了新的平臺；李瑞榮等［3］對列車模擬器的系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門分析，提出了采用CGI 視景技術(shù)的列車模擬器軟、硬件構(gòu)成方案，并對列車模擬器視景仿真技術(shù)進(jìn)行了討論；李佩等［4］根據(jù)列車駕駛技術(shù)的考核指標(biāo)，根據(jù)列車駕駛模擬器的記錄數(shù)據(jù)，對培訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行考核評分，并對考核評分項目進(jìn)行了分類設(shè)計，制定了考核規(guī)則以及評分模板，進(jìn)行了系統(tǒng)實現(xiàn)；沈農(nóng)華［5］詳細(xì)闡述了如何引入城市軌道交通新設(shè)備和新技術(shù)，開發(fā)最新模擬軟件和課件，建設(shè)教學(xué)實訓(xùn)、技能鑒定、社會培訓(xùn)等功能，實現(xiàn)各專業(yè)共享的城軌綜合實訓(xùn)基地。

綜上所述，研究均針對模擬駕駛系統(tǒng)本身進(jìn)行，忽略了教學(xué)研究以及考核環(huán)節(jié)中的人機(jī)互動環(huán)節(jié)。如何更有效地利用軌道交通模擬駕駛系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)及考核，成為目前需要解決的主要問題。為此，本文分析研究了將人臉識別方法嵌入軌道交通模擬駕駛臺考核系統(tǒng)的具體流程，考量了應(yīng)用人臉識別方法前后的教學(xué)考核效率，形成了基于人臉識別的軌道交通模擬駕駛臺考核系統(tǒng)的設(shè)計思路及應(yīng)用方法。

1 軌道交通模擬駕駛臺

當(dāng)前，軌道交通模擬駕駛平臺主要包含以下模塊：操作視景模塊、列車運(yùn)行模塊、人機(jī)界面模塊、故障與突發(fā)事件仿真模塊、自動評分模塊等［6］。

（1）操作視景。采用計算機(jī)成像技術(shù)，仿真實際的站臺、高架及隧道環(huán)境，并可以模擬特殊天氣場景（如雨、雪、晝、夜等）。

（2）列車運(yùn)行。，具備真實的操縱環(huán)境及設(shè)備（包括開關(guān)、按鈕、信號燈、指示燈等），模擬列車的運(yùn)行（包括啟動、牽引、制動、停車等動作）。

（3）人機(jī)界面。顯示列車運(yùn)行過程中的相關(guān)信息。包括：列車駕駛方式、車速、當(dāng)前車站、下一站等一系列駕駛員需要清楚的列車信息。

（4）故障與突發(fā)事件仿真。模擬列車駕駛相關(guān)的各類故障和行車突發(fā)事件（如火災(zāi)、障礙物侵入限界等）。

（5）自動評分模塊。記錄學(xué)生的考核操作流程，并根據(jù)系統(tǒng)命令進(jìn)行自動評分。

2 人臉識別系統(tǒng)

人臉識別系統(tǒng)技術(shù)的兩大核心部分是：人臉特征提取和人臉特征對比。人臉特征提取，是為了便于后續(xù)識別和屬性分析；人臉特征對比包括人臉圖片的加工處理以及與圖像庫中先前錄入的信息進(jìn)行對比等相關(guān)操作［7］。

當(dāng)前人臉識別有開源的方案如OpenCV［8］等。也有商業(yè)的，如百度人臉識別、騰訊云人臉識別等。百度人臉識別是一套基于深度學(xué)習(xí)的人臉識別解決方案，包括人臉檢測與屬性分析、人臉對比、人臉識別與搜索等功能模塊。

本文采用百度人臉識別API 開發(fā)了學(xué)生身份識別系統(tǒng)，并設(shè)計了一套適用于軌道交通模擬駕駛環(huán)境的人臉識別系統(tǒng)應(yīng)用流程，如圖1 所示。指導(dǎo)教師在電腦操作界面對人臉識別的攝像頭進(jìn)行初始化，并選擇考勤模式。然后，學(xué)生進(jìn)入軌道交通模擬駕駛室，正視攝像頭，系統(tǒng)完成人臉特征識別，與先前錄入的所有學(xué)生的人臉信息進(jìn)行對比，辨識操作者身份，并錄入操作者信息。綠燈閃爍，即本次人臉識別環(huán)節(jié)完成，學(xué)生則可開始進(jìn)行具體的考核操作。

圖1 人臉識別系統(tǒng)應(yīng)用流程Fig.1 Application process of face recognition system

3 考核實驗與結(jié)果分析

3.1 考核方案

對于軌道交通司機(jī)來說，最主要的駕駛技術(shù)集中體現(xiàn)為：車輛準(zhǔn)點到達(dá)、精確開關(guān)列車門，以及排除突發(fā)故障。為更貼近實際的軌道交通駕駛操作流程，以上海地鐵N 號線某某路段為背景，設(shè)計了兩種模擬駕駛考核方案。學(xué)生進(jìn)行情景模擬，針對不同的駕駛情況進(jìn)行考核。方案A 和方案B 操作詳情見表1。

表1 模擬駕駛考核操作方案Tab.1 Two operation schemes for simulated driving assessment

由表1 可知，方案A 的操作內(nèi)容包括：對標(biāo)停車（車站區(qū)間內(nèi)正常位置停車點處停車）、忘開車門（停車后忘開車門應(yīng)對措施）、超速（列車運(yùn)行超過限速，但未觸發(fā)緊急制動）、超速制動（因超速發(fā)出緊急制動后的操作）。方案B 的操作內(nèi)容包括：標(biāo)前停車（車站區(qū)間內(nèi)正常位置停車點處停車）、錯開車門（按壓錯誤開門按鈕后應(yīng)對措施）、碰撞制動（由于異物侵入限界發(fā)生碰撞，緊急制動后的操作）。

3.2 考核流程

學(xué)生進(jìn)行軌道交通模擬駕駛考核的操作流程如圖2 所示。學(xué)生進(jìn)入軌道交通模擬駕駛室，進(jìn)行人臉識別環(huán)節(jié)。操作者根據(jù)模擬駕駛臺顯示器演示的場景做出相應(yīng)操作，駕駛臺對操作者所做的反應(yīng)進(jìn)行全程采集并判斷操作得分。同時，兩機(jī)位攝像頭對操作過程進(jìn)行全程錄像。

圖2 軌道交通模擬駕駛考核流程Fig.2 Flow chart of rail transit simulation driving assessment

3.3 結(jié)果分析

針對考核方案，安排10 位學(xué)生，分別在開啟人臉識別系統(tǒng)和未開啟人臉識別系統(tǒng)兩種情況下，對學(xué)生的軌道交通模擬駕駛操作進(jìn)行考核。

未開啟人臉識別系統(tǒng)時，學(xué)生依次到指導(dǎo)教師處核對并登記個人信息，然后按照順序進(jìn)行考核操作，同時，在學(xué)生進(jìn)行操作時，需由另一名指導(dǎo)教師在旁陪同及觀看，并記錄操作失誤點，以供后續(xù)打分環(huán)節(jié)。當(dāng)開啟人臉識別系統(tǒng)時，學(xué)生的個人信息登記與核對只需人臉識別系統(tǒng)完成即可，不需額外配置教學(xué)人員，只需一位指導(dǎo)教師，在模擬駕駛臺處陪同，指導(dǎo)學(xué)生按流程操作?？己私Y(jié)果見表2。

表2 不同考核模式人員配置及時間對比Tab.2 Comparison of staffing and time of different assessment modes

實驗證明，在軌道交通模擬駕駛操作考核中，利用人臉識別系統(tǒng)顯著提高了考核效率，并且減少了教師人數(shù)。

4 結(jié)束語

在軌道交通模擬駕駛教學(xué)及考核過程中，利用人臉識別系統(tǒng)完善了模擬駕駛室信息化建設(shè)、有利于推廣無紙化教學(xué)、優(yōu)化教學(xué)人員的配置，有效整治“代簽到”、“ 遲簽到”等不正學(xué)風(fēng)，提高了學(xué)校的考試誠信度。

通過人臉識別系統(tǒng)中的全程錄像功能，建立軌道交通模擬駕駛臺系統(tǒng)教學(xué)與考核后的操作分析和再學(xué)習(xí)機(jī)制，記錄考核過程中學(xué)生的各項操作流程及細(xì)節(jié)部分，便于后續(xù)重復(fù)觀看，進(jìn)行視頻教學(xué)及糾錯分析等環(huán)節(jié)。同時也為后期的教學(xué)檢查等環(huán)節(jié)提供了完整、準(zhǔn)確的教學(xué)資料。