陳超CHEN Chao；劉瑰潔LIU Gui-jie

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510430）

1 軌道交通虛擬仿真列車模擬駕駛系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1 政策及建設(shè)背景

2019 年9 月19 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《交通強國建設(shè)綱要》，提出大力發(fā)展智慧交通。2020 年3 月4 日，中共中央政治局常務(wù)委員會提出了“新基建”概念，支撐傳統(tǒng)交通基礎(chǔ)設(shè)施向融合基礎(chǔ)設(shè)施的轉(zhuǎn)型升級。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮下，5G、XR、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新技術(shù)推動各領(lǐng)域數(shù)字化優(yōu)化升級。

軌道交通虛擬仿真列車模擬駕駛系統(tǒng)（以下簡稱“模擬駕駛系統(tǒng)”）集合多種技術(shù)，主要應(yīng)用于軌道交通列控及調(diào)度數(shù)字化孿生系統(tǒng)領(lǐng)域、職工技能培訓(xùn)系統(tǒng)領(lǐng)域、高等院校專業(yè)人才培養(yǎng)領(lǐng)域。特別是人才培養(yǎng)方面，該系統(tǒng)可以為軌道交通相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供高度逼真的培訓(xùn)環(huán)境，通過實時、精準(zhǔn)、個性化模擬訓(xùn)練，彌補傳統(tǒng)培訓(xùn)、專業(yè)理論與實訓(xùn)方式中存在的不足，幫助學(xué)生在各種復(fù)雜情況下進行安全操作，并學(xué)習(xí)處理緊急事件的方法和技能，提高其專業(yè)素質(zhì)和實踐能力，提升其應(yīng)對復(fù)雜情況和應(yīng)急處置的能力。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

由于工作條件限制，一套完整的模擬駕駛系統(tǒng)搭建至少要包括六個方面的軟硬件環(huán)境：①高仿真司機駕駛（室）操作環(huán)境；②六自由度高仿真運動模擬臺；③多通道、多視角實時顯示設(shè)備；④高沉浸感虛擬仿真聲視效環(huán)境；⑤教員考核控制臺；⑥學(xué)員大視角觀摩區(qū)。同時，系統(tǒng)還必須融合精確的操縱功能、車輛故障處理功能、緊急情況評估處置功能（見圖1）。

圖1 軌道交通虛擬仿真列車模擬駕駛系統(tǒng)搭建

目前，國內(nèi)外模擬駕駛系統(tǒng)在大視角內(nèi)容實時顯示和高沉浸虛擬仿真環(huán)境視效呈現(xiàn)方面，基本都采用3ds Max、Maya 等三維軟件進行場景和模型搭建，充分利用其強大的建模及渲染功能創(chuàng)建高質(zhì)量FBX 模型工程文件，然后再將其導(dǎo)入U3D 或UE4 平臺中，進行數(shù)字交互匹配處理，構(gòu)建各種XR 互動體驗功能；最后再結(jié)合Apple Vision、Quest3 等軟硬件設(shè)備（見圖2），隨即實現(xiàn)虛擬漫游功能和沉浸式體驗。

圖2 模擬駕駛系統(tǒng)內(nèi)容呈現(xiàn)架構(gòu)圖

它的優(yōu)勢在于：模型精度高、沉浸式體驗好。

它的劣勢在于：工程量大、更新難度大、時效性差、對建模技術(shù)水平有較強的依賴性。

由于交互式三維模型的構(gòu)建主要依靠程序語言和編輯代碼，模型制作工程量大、場景渲染時間周期長，非計算機專業(yè)在構(gòu)建虛擬仿真平臺的實訓(xùn)環(huán)境建設(shè)上，都會遇到資源包二次開發(fā)的瓶頸。

不僅如此，最重要的問題還在于：①傳統(tǒng)三維建模是通過目估或人工測量等方法獲取的模型高程，還有很多交通地形無法人工獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，因此，在模型庫搭建方面，還存在相當(dāng)大的細度差問題。②傳統(tǒng)三維建模無法兼顧微觀地貌及城市建筑內(nèi)部設(shè)計，實現(xiàn)與宏觀地理環(huán)境中地理數(shù)據(jù)高度匹配。

由此可見，目前絕大多數(shù)模擬駕駛系統(tǒng)基本還只是實現(xiàn)了初級化的具身沉浸式虛擬仿真體驗功能，對于數(shù)字孿生模型、“人-車-路-云”跨地域協(xié)同、實踐與創(chuàng)新創(chuàng)造相融合的三大虛擬仿真實訓(xùn)環(huán)境建設(shè)，雖然有一定的技術(shù)解決方案，但實時數(shù)據(jù)采集更新以及高精模型的可視化呈現(xiàn)優(yōu)化成本較高，模型語言架構(gòu)不同，工程文件難以跨平臺，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 BIM+GIS 的技術(shù)應(yīng)用實施原理

2.1 兩類技術(shù)的作用

BIM 是一種構(gòu)建、管理、共享數(shù)據(jù)的新型建筑信息模型技術(shù)。相比較3ds Max、Maya 等工業(yè)級三維軟件產(chǎn)品，BIM 不但能對軌道交通設(shè)施進行精細的三維模型構(gòu)建，提高模型制作的智能化水平，還能從多個角度模擬軌道交通的工況環(huán)境，更好地識別隱藏問題，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，從而生成有效的智能化數(shù)據(jù)管理。

GIS 是一種用于分析、解釋、管理和可視化地理環(huán)境信息數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)。在數(shù)字軌道交通行業(yè)，GIS 技術(shù)不但能對工程建設(shè)的規(guī)劃方案、施工進度、運行狀況等信息進行數(shù)據(jù)列表分析，還能運用實時監(jiān)控技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)對工程運營后的實時軌道交通信息進行可視化管理，提高安全及服務(wù)質(zhì)量。

2.2 技術(shù)應(yīng)用結(jié)合的實施原理

在全新的模擬駕駛系統(tǒng)中，BIM 技術(shù)對于鐵路沿線配套設(shè)施與建筑模型的應(yīng)用需要結(jié)合地形地貌來交換、整合信息，整個生命周期從信息接入——精確地理環(huán)境實時數(shù)據(jù)調(diào)整——系統(tǒng)運維，都是基于單體精細化模型的生成，數(shù)據(jù)越精準(zhǔn)，模型越精細。與BIM 技術(shù)不同的是，GIS 技術(shù)主要是用于宏觀地理環(huán)境信息數(shù)據(jù)分析與管理，能夠提供各種空間查詢及空間分析功能，并在BIM 運維階段提供精準(zhǔn)的地理信息決策支持。但同時，GIS 也需要BIM，對于GIS 而言，一方面BIM 提供的數(shù)據(jù)是GIS 的一個重要的數(shù)據(jù)來源，能夠讓GIS 從宏觀走向微觀，實現(xiàn)精細化管理。另一個方面，與BIM 數(shù)據(jù)的結(jié)合能使GIS 從空間大地模型走向單體模型內(nèi)部，完成模型內(nèi)外的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，實現(xiàn)信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化管理。因此通過兩種技術(shù)的跨界組合，能夠為數(shù)字軌道交通虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供很多全新可能。

3 構(gòu)建模擬駕駛系統(tǒng)的類型與模型算法

3.1 建模算法

①空間建模：通過分析軌道交通的基礎(chǔ)設(shè)施，使用三維建模工具（如Revit、SketchUp 等）進行空間建模，以模擬軌道交通的實際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、布置等。②系統(tǒng)建模：通過模型化過程將軌道交通系統(tǒng)建模為各個組件之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，以模擬軌道交通的實際運行原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。

3.2 數(shù)據(jù)參考

3.2.1 軌道交通系統(tǒng)站臺數(shù)據(jù)采集

①基礎(chǔ)設(shè)施模型數(shù)據(jù)：包括站臺、支柱、軌道等。②軌道交通系統(tǒng)的運行原理：包括列車運行規(guī)律、時刻表、信號控制等。③軌道交通系統(tǒng)的安全控制：包括車輛安全檢查、軌道安全檢查等。④軌道交通系統(tǒng)的經(jīng)濟效益：包括收入、支出、成本等。

3.2.2 列車自動駕駛模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化算法

利用BIM 技術(shù)模擬城市軌道交通系統(tǒng)的運營過程，可以考慮利用北斗衛(wèi)星定位、超聲波定位和限位開關(guān)作為低成本的定位輔助技術(shù)，用于準(zhǔn)確獲取模型高程。此外，還可以考慮無人機激光雷達技術(shù)、紅外線視頻監(jiān)控技術(shù)為軌道交通虛擬仿真系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的環(huán)境定位與記錄服務(wù)，從而為軌道交通虛擬仿真系統(tǒng)提供更豐富的定位數(shù)據(jù)來源。

BIM 構(gòu)建列車行駛仿真地圖模型的思路：①利用無人機激光雷達技術(shù)對建筑物外部空間進行數(shù)據(jù)標(biāo)定，采集建筑物的外部結(jié)構(gòu)信息；確定地圖網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)約束和數(shù)據(jù)輸入，并創(chuàng)建模型文件。②根據(jù)仿真地圖數(shù)據(jù)逐步定義，以及依據(jù)歷史實際數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和算法程序，例如定義網(wǎng)格點類型、道路行駛距離以及節(jié)點到節(jié)點傳播模型等（見圖3）。③使用程序代碼設(shè)置列車運行路徑，以及列車之間的相互行駛影響，包括平臺?？繒r間等。④逐步根據(jù)數(shù)據(jù)模型計算列車行駛仿真地圖網(wǎng)絡(luò)，并模擬列車行駛可能遇到的不同情況，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，以及考慮網(wǎng)絡(luò)擁堵影響，最終得出結(jié)論。⑤評估模型效率及可行性，進行模型優(yōu)化，最終完成軌道交通列車行駛仿真地圖網(wǎng)絡(luò)模型的程序代碼實現(xiàn)。

圖3 列車自動駕駛模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化算法模型

利用GIS 技術(shù)讀取道路建筑和路網(wǎng)信息，將其建模為三維圖像，以更直觀地顯示相關(guān)車站、道路以及列車的運行線路等信息，進而為列車自動駕駛提供準(zhǔn)確的路徑規(guī)劃、碰撞檢測以及路線增加安全性、運行效率等提供精準(zhǔn)的參考（見圖4）。

圖4 基于軌道交通列車運行的兩組機器學(xué)習(xí)算法模型

GIS 構(gòu)建3D 圖像數(shù)據(jù)的思路：①利用LiDAR 將激光雷達測繪標(biāo)定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維點云數(shù)據(jù)，然后再運用GIS工具進行點云數(shù)據(jù)管理與分析；②利用圖像數(shù)據(jù)拼接技術(shù)，獲取以影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維空間模型，拼接后運用GIS 工具進行數(shù)據(jù)分析；③三維圖像重建利用GIS 空間數(shù)據(jù)庫，針對具體分類幾何體實體進行信息提取，通過GIS空間投影定義投影參數(shù)；通過空間參考框架把空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維信息；④利用遙感技術(shù)獲取以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維地物信息，再綜合復(fù)雜地貌信息進行分析成圖；⑤利用GIS 數(shù)據(jù)管理進行位置引用，將之前獲取得到的點云、影像數(shù)據(jù)進行空間參考定位，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

3.2.3 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對模擬駕駛系統(tǒng)運行進行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

①應(yīng)用預(yù)測分析：通過分析真實的駕駛系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，采用機器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建概率模型，分析軌道交通系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各類正常現(xiàn)象以及各類突發(fā)異常情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，采取有效措施防止系統(tǒng)惡化。②應(yīng)用探索性數(shù)據(jù)分析：對歷史數(shù)據(jù)進行分析，選取影響安全性和可靠性的各類因素，建立定制模型來研究其影響，了解軌道交通系統(tǒng)可靠性和安全性的源頭因素，快速定位問題并采取有效措施。③應(yīng)用故障診斷：將軌道交通系統(tǒng)故障以及車輛故障歸納為一定的模型框架，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘，建立故障診斷模型，以便發(fā)現(xiàn)隱藏性故障和預(yù)防故障發(fā)生。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于BIM+GIS 的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。通過探討城市軌道交通列車虛擬仿真操作實訓(xùn)系統(tǒng)的建模方法，包括仿真實訓(xùn)環(huán)境的空間數(shù)據(jù)庫、實時定位系統(tǒng)、自動駕駛規(guī)劃、運行模型算法等，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)采集、建模和可視化虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字軌道交通中的應(yīng)用，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實訓(xùn)仿真環(huán)境和自動駕駛控制系統(tǒng)之間的有效溝通，協(xié)調(diào)服務(wù)提供者和使用者之間的動態(tài)協(xié)作。

基于BIM+GIS 的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字軌道交通中的應(yīng)用情況，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集、建模和可視化虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)字軌道交通中的應(yīng)用，為城市智慧軌道交通發(fā)展提供有效的技術(shù)支持。