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摘 要：当前动车组模拟驾驶系统已从驾驶培训和性能仿真延伸到展会应用。由于动车组模拟驾驶系统具备的沉浸式体验特点，使其成为我国动车组展示的重要平台。为此，本文针对展会需求，设计以CR400AF型动车组为对象的模拟驾驶台系统。利用计算机仿真技术、列车动力学、列车控制理论、计算机图形图像、计算机多媒体技术，模拟CR400AF型动车组牵引、制动、控制逻辑等功能，提供逼真三维视景显示，为展会用动车组模拟驾驶系统提供解决方案。
关键词：动车组;模拟驾驶;展会应用;解决方案
中图分类号：U216
Design andImplementation of EMU Driving Simulation System for Exhibition
Chen Yan Cao Weitao Jia Zhikai
Institute of Computing Technologies China Academy of Railway Sciences Corporation Limited Beijing 100081
Abstract：At present，EMU driving simulation system has been extended from driving training and performance simulation to exhibition application.Due to the immersive experience characteristics of EMU driving simulation system，it has become an important platform for EMU display in China.According to the demand of the exhibition，this paper designed the simulation bridge system of CR400AF EMU.By using computer simulation technology，train dynamics，train control theory，computer graphics and image，computer multimedia technology，the traction，braking，control logic and other functions of CR400AF EMU were simulated，and realistic 3D visual display was provided.The solutions for EMU driving simulation system for exhibition was put forward.
Keywords：EMU;driving simulation;exhibition application;solutions
動车组模拟驾驶系统通过仿真动车组运行性能、动车组驾驶环境来建构一个具有高度真实感的虚拟驾驶环境。动车组模拟驾驶系统主要用于动车组驾驶技能的培训，具有安全、经济、节能、高效等特点。动车组模拟驾驶系统主要实现动车组运行性能仿真和驾驶环境仿真。性能仿真部分主要实现动车组牵引及制动系统、动车组控制系统、动车组动力学、车载信号系统等与动车组运行内容相关的仿真;驾驶环境仿真则从视觉、听觉、触觉、运动感受等方面模拟动车组真实运行时的驾驶环境，令使用者能够身临其境。
由于动车组模拟驾驶系统具备沉浸式体验特点，其作用以从驾驶培训和性能仿真延伸到展会应用，成为我国高铁展示的重要平台。为此，针对高速列车模拟驾驶展会需求，设计以CR400AF型动车组为对象的模拟驾驶台系统，利用计算机仿真技术、列车动力学、列车控制理论、计算机图形图像、计算机多媒体技术，模拟出CR400AF型动车组的牵引、制动、控制逻辑等功能，提供逼真三维视景显示，展示高铁车站、有渣路基面、无渣路基面、市区建筑群、戈壁滩风貌、风车、桥梁、隧道、绿洲、山丘、雪地等要素，展现CR400AF型动车组以及选定高铁线路沿途特色景观，营造出沉浸感极强的列车运行环境。
1 系统构成
CR400AF动车组模拟驾驶系统具备高度仿真的动车组性能及功能，主要包括仿真司机操纵台、视景仿真系统、声音仿真系统、动车组运行仿真系统、接口采集与控制系统、辅助设备等组成。CR400AF动车组模拟驾驶台组成，如图1所示。 1.1 仿真司机操纵台
操纵台以CR400AF动车组司机操纵台为蓝本，按1∶1比例制造，主控手柄、HMI显示屏、ATP显示屏、CIR的显示及打印、紧急制动按钮、紧急断点按钮、速度表、脚踏开关及其他开关、控制按钮等，具有与实际动车组相同的操作手感，与实际动车组上的对应设备具有相同的操作功能与控制逻辑。体验者可通过操纵这些设备模拟对动车组的控制。
1.CIR显示器及话筒 2.TCMS 显示器 3.ATP显示器 4.TCMS显示器 5.ATP显示器 6.仪表区 7.预留横向7寸显示屏安装接口 8.预留EOAS广角摄像头安装接口 9.紧急断电按钮 10.拾音器 11.紧急制动按钮 12.门关闭指示灯 13.线路摄像机 14.左操作区 15.左侧制动按钮区 16.中央操作区 17.右操作区 18.气候区 19.主控手柄 20.操作模式选择按钮 21.CIR打印机 22.PIS电话 23.DSD脚踏开关 24.风笛脚踏开关 25.220V电源插座 26.转储装置
1.2 动车组运行仿真系统
动车组运行仿真系统是模拟驾驶系统的计算核心。系统以CR400AF型动车组车辆参数（自重、载重、牵引和制动特性）为基础进行动车组动力学仿真和动车组控制逻辑仿真。系统能够响应接口对系统的输入，对模拟驾驶系统的状态进行实时的解算，用以提供整个模拟驾驶系统必要的实时仿真计算和控制。
动车组运行仿真系统由动车组动力学仿真系统和动车组控制逻辑仿真系统构成。
1.2.1 动车组动力学仿真系统
动车组动力学仿真系统采用多质点解算方式，将每一节车厢作为一个单独的质点进行受力分析，包括牵引力、电制动力、空气制动力、停放制动力、坡道阻力、曲线阻力、运行阻力、启动阻力等，计算出每个质点受力的合力方向，再结合其他质点对本质点施加的外力，计算出动车组编组的合力大小及其方向，从而解算出所有其他分系统需要的信息，包括加速度、速度、位移等。结合线路的状况，解算出每动车组的位置与方向，再通过与动车组驾驶员几何位置的校正，将动车组眼点的位置与方向发送给视景仿真系统，由视景仿真系统进行场景的显示。
1.2.2 动车组控制逻辑仿真系统
动车组控制逻辑仿真系统通过采集使用者对模拟器的操纵部件操作状态进行逻辑分析，高度仿真真实动车组的控制逻辑，主要涉及司机操作层面，包括起机、运行、停车等过程。动车组的安全逻辑、牵引、制动按照实际情况控制和响应。严格依据CR400AF型动车组电气原理、气路及相关软件控制模块、控制原理开发电气路逻辑控制仿真模块，保证动车组的所有电气、机械和气动系统的结构、关联关系及动作时序（过程），根据实际形式进行一对一的仿真。
1.3 视景仿真系统
视景仿真系统采用计算机生成图像方式实现视景仿真，主要提供前方线路环境、天气环境、信号条件等仿真，由视景驱动软件、三维线路模型、视景显示设备及视景系统计算机组成，能够提供原尺寸、无闪烁、无色彩差异、一体化的高铁全程线路数字视景仿真显示。
视景驱动软件根据模拟运行的位置与速度同步显示视景内容，刷新频率不低于60Hz。显示的景物尺寸、比例与真實一致，能够使驾驶员有身临其境的感觉。
三维线路模型以工务及机务数据为基础，与真实的工务数据和电务数据保持一致，包括轨道、弯道、坡道、公里标、架空线路及桥梁、分相点标志、应答器、信号机、沿线景物、标志性建筑、隧道及内部设备、接触网、站台、站房等。沿线景物包括：高铁车站、有渣路基面、无渣路基面、市区建筑群、戈壁滩风貌、风车、桥梁、隧道、绿洲、山丘、雪地。
视景仿真系统考虑到以往模拟驾驶台的视景仿真界面缺少速度、动车组位置等信息展示，为了适应展会需求，为观众提供更为直观的多元信息展示，在视景仿真界面融入车辆定位、车辆速度、公里标、车次、天气等信息，仿真界面如下图所示：
1.4 声音仿真系统
声音仿真系统数字音频技术实现对动车组驾驶相关的声音及环境噪音的模拟，并能与其他系统协调、同步工作，使用户更好地了解动车组运行状态信息。
声音仿真系统模拟声音包括动车组外部的声音与动车组内部的声音。
动车组外部的声音包括：不同轮径的动车组以不同运行速度在不同的线路上行进时的轨道声，这些线路包括：直道、弯道、隧道、涵洞、地面线路、桥梁、无缝轨/长轨/短轨;动车组以不同运行速度行进时的风声;不同运行速度情况下动车组的鸣笛声（包括具有多普勒效应的会车及鸣笛声）;在隧道、露天线路及二者的衔接区域，动车组运行时的轨道声;过道岔的轨道声;制动、紧急制动声;侧向噪声、环境噪声。
动车组内部声音包括：操作过程中动车组产生的各种电器吸合、断开声音;动车组运行过程中有关设备的机械噪声;空气制动系统产生的各种明显的气动声音等;动车组报站广播声音。
1.5 接口采集与控制系统
接口采集与控制系统采用CAN总线技术对仿真司机操纵台的各类按钮、各类开关的动作进行采集，对速度表、气压表、各类指示灯、空气开关进行输出控制，能够实现数据的实时传输控制。以16ms（60Hz）的周期检测硬件操作及软件输入，并将解算后的数据输出各个分系统，保证系统的实时性。
1.6 辅助设备
辅助设备包括CR400AF动车组驾驶模拟器运行所需要的相关辅助设备，包括：网络交换机、开关机面板、各种线缆等。 2 系统功能
2.1 发车作业仿真
模拟发车前所有相关操作，比如激活驾驶室、正常启动ATP、制动试验、升弓、合主断、缓解停放制动等。
2.2 动车组运行控制仿真
通过手动模式或者自动模式使动车组在不超速的情况下稳定行驶。在实现既有CTCS3级列控系统功能仿真的基础上，增加ATO自动驾驶相关功能仿真，结合高速动车组虚拟驾驶平台，使系统具备站间自动运行、车站定点停车及车站自动发车、动车组运行自动调整等功能，使用户能够体验C3+ATO智能列控。
2.3 动车组网络控制仿真
采用10.4英寸触摸液晶屏，实时显示动车组工况信息以及车辆信息，具备与CR400AF型动车组一致的显示内容、显示结构、操作方法及功能。
2.4 不同模拟环境下的驾车体验
通过设定不同的天气情况（雨、雪、雾）、不同时段（白天、傍晚、夜晚）、不同地形（平原、山地、隧道、桥梁、弯道等）、不同速度（0～ATP最高限速）来进行不同模拟环境下的动车组运行体验。
3 结语
本文针对展会需求，设计以CR400AF型动车组为对象的模拟驾驶台系统。该系统由仿真司机操纵台、视景仿真系统、声音仿真系统、动车组运行仿真系统、接口采集与控制系统、辅助设备等组成，从视觉、听觉、触觉、运动感受等方面模拟动车组真实运行时的驾驶环境，为用户提供沉浸式驾驶体验。
参考文献：
[1]高云鹤.列车驾驶仿真培训及其关键技术[J].铁道运营技术，2017，23（04）：2427.
[2]曾理，朱金陵，徐建君，等.我国高速动车组驾驶仿真培训系统发展及趋势[J].西安：第17届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集，2016：129132.
[3]周大林，李刚.列车驾驶仿真培训系统及在中国高速铁路中的应用[J].铁道机车车辆，2015，35（02）：2931.
[4]薛振洲.城市轨道交通列车自动驾驶模拟驾驶平台的研究[D].电子科技大学，2013.
[5]李洪波.列车自动驾驶算法研究和仿真培训系统的实现[D].西南交通大学，2013.
论文项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目（2019YJ118 CR400AF型动车组模拟驾驶仿真系统研究）
作者簡介：陈彦，高级工程师;曹伟涛，副研究员。
关键词：动车组;模拟驾驶;展会应用;解决方案
中图分类号：U216
Design andImplementation of EMU Driving Simulation System for Exhibition
Chen Yan Cao Weitao Jia Zhikai
Institute of Computing Technologies China Academy of Railway Sciences Corporation Limited Beijing 100081
Abstract：At present，EMU driving simulation system has been extended from driving training and performance simulation to exhibition application.Due to the immersive experience characteristics of EMU driving simulation system，it has become an important platform for EMU display in China.According to the demand of the exhibition，this paper designed the simulation bridge system of CR400AF EMU.By using computer simulation technology，train dynamics，train control theory，computer graphics and image，computer multimedia technology，the traction，braking，control logic and other functions of CR400AF EMU were simulated，and realistic 3D visual display was provided.The solutions for EMU driving simulation system for exhibition was put forward.
Keywords：EMU;driving simulation;exhibition application;solutions
動车组模拟驾驶系统通过仿真动车组运行性能、动车组驾驶环境来建构一个具有高度真实感的虚拟驾驶环境。动车组模拟驾驶系统主要用于动车组驾驶技能的培训，具有安全、经济、节能、高效等特点。动车组模拟驾驶系统主要实现动车组运行性能仿真和驾驶环境仿真。性能仿真部分主要实现动车组牵引及制动系统、动车组控制系统、动车组动力学、车载信号系统等与动车组运行内容相关的仿真;驾驶环境仿真则从视觉、听觉、触觉、运动感受等方面模拟动车组真实运行时的驾驶环境，令使用者能够身临其境。
由于动车组模拟驾驶系统具备沉浸式体验特点，其作用以从驾驶培训和性能仿真延伸到展会应用，成为我国高铁展示的重要平台。为此，针对高速列车模拟驾驶展会需求，设计以CR400AF型动车组为对象的模拟驾驶台系统，利用计算机仿真技术、列车动力学、列车控制理论、计算机图形图像、计算机多媒体技术，模拟出CR400AF型动车组的牵引、制动、控制逻辑等功能，提供逼真三维视景显示，展示高铁车站、有渣路基面、无渣路基面、市区建筑群、戈壁滩风貌、风车、桥梁、隧道、绿洲、山丘、雪地等要素，展现CR400AF型动车组以及选定高铁线路沿途特色景观，营造出沉浸感极强的列车运行环境。
1 系统构成
CR400AF动车组模拟驾驶系统具备高度仿真的动车组性能及功能，主要包括仿真司机操纵台、视景仿真系统、声音仿真系统、动车组运行仿真系统、接口采集与控制系统、辅助设备等组成。CR400AF动车组模拟驾驶台组成，如图1所示。 1.1 仿真司机操纵台
操纵台以CR400AF动车组司机操纵台为蓝本，按1∶1比例制造，主控手柄、HMI显示屏、ATP显示屏、CIR的显示及打印、紧急制动按钮、紧急断点按钮、速度表、脚踏开关及其他开关、控制按钮等，具有与实际动车组相同的操作手感，与实际动车组上的对应设备具有相同的操作功能与控制逻辑。体验者可通过操纵这些设备模拟对动车组的控制。
1.CIR显示器及话筒 2.TCMS 显示器 3.ATP显示器 4.TCMS显示器 5.ATP显示器 6.仪表区 7.预留横向7寸显示屏安装接口 8.预留EOAS广角摄像头安装接口 9.紧急断电按钮 10.拾音器 11.紧急制动按钮 12.门关闭指示灯 13.线路摄像机 14.左操作区 15.左侧制动按钮区 16.中央操作区 17.右操作区 18.气候区 19.主控手柄 20.操作模式选择按钮 21.CIR打印机 22.PIS电话 23.DSD脚踏开关 24.风笛脚踏开关 25.220V电源插座 26.转储装置
1.2 动车组运行仿真系统
动车组运行仿真系统是模拟驾驶系统的计算核心。系统以CR400AF型动车组车辆参数（自重、载重、牵引和制动特性）为基础进行动车组动力学仿真和动车组控制逻辑仿真。系统能够响应接口对系统的输入，对模拟驾驶系统的状态进行实时的解算，用以提供整个模拟驾驶系统必要的实时仿真计算和控制。
动车组运行仿真系统由动车组动力学仿真系统和动车组控制逻辑仿真系统构成。
1.2.1 动车组动力学仿真系统
动车组动力学仿真系统采用多质点解算方式，将每一节车厢作为一个单独的质点进行受力分析，包括牵引力、电制动力、空气制动力、停放制动力、坡道阻力、曲线阻力、运行阻力、启动阻力等，计算出每个质点受力的合力方向，再结合其他质点对本质点施加的外力，计算出动车组编组的合力大小及其方向，从而解算出所有其他分系统需要的信息，包括加速度、速度、位移等。结合线路的状况，解算出每动车组的位置与方向，再通过与动车组驾驶员几何位置的校正，将动车组眼点的位置与方向发送给视景仿真系统，由视景仿真系统进行场景的显示。
1.2.2 动车组控制逻辑仿真系统
动车组控制逻辑仿真系统通过采集使用者对模拟器的操纵部件操作状态进行逻辑分析，高度仿真真实动车组的控制逻辑，主要涉及司机操作层面，包括起机、运行、停车等过程。动车组的安全逻辑、牵引、制动按照实际情况控制和响应。严格依据CR400AF型动车组电气原理、气路及相关软件控制模块、控制原理开发电气路逻辑控制仿真模块，保证动车组的所有电气、机械和气动系统的结构、关联关系及动作时序（过程），根据实际形式进行一对一的仿真。
1.3 视景仿真系统
视景仿真系统采用计算机生成图像方式实现视景仿真，主要提供前方线路环境、天气环境、信号条件等仿真，由视景驱动软件、三维线路模型、视景显示设备及视景系统计算机组成，能够提供原尺寸、无闪烁、无色彩差异、一体化的高铁全程线路数字视景仿真显示。
视景驱动软件根据模拟运行的位置与速度同步显示视景内容，刷新频率不低于60Hz。显示的景物尺寸、比例与真實一致，能够使驾驶员有身临其境的感觉。
三维线路模型以工务及机务数据为基础，与真实的工务数据和电务数据保持一致，包括轨道、弯道、坡道、公里标、架空线路及桥梁、分相点标志、应答器、信号机、沿线景物、标志性建筑、隧道及内部设备、接触网、站台、站房等。沿线景物包括：高铁车站、有渣路基面、无渣路基面、市区建筑群、戈壁滩风貌、风车、桥梁、隧道、绿洲、山丘、雪地。
视景仿真系统考虑到以往模拟驾驶台的视景仿真界面缺少速度、动车组位置等信息展示，为了适应展会需求，为观众提供更为直观的多元信息展示，在视景仿真界面融入车辆定位、车辆速度、公里标、车次、天气等信息，仿真界面如下图所示：
1.4 声音仿真系统
声音仿真系统数字音频技术实现对动车组驾驶相关的声音及环境噪音的模拟，并能与其他系统协调、同步工作，使用户更好地了解动车组运行状态信息。
声音仿真系统模拟声音包括动车组外部的声音与动车组内部的声音。
动车组外部的声音包括：不同轮径的动车组以不同运行速度在不同的线路上行进时的轨道声，这些线路包括：直道、弯道、隧道、涵洞、地面线路、桥梁、无缝轨/长轨/短轨;动车组以不同运行速度行进时的风声;不同运行速度情况下动车组的鸣笛声（包括具有多普勒效应的会车及鸣笛声）;在隧道、露天线路及二者的衔接区域，动车组运行时的轨道声;过道岔的轨道声;制动、紧急制动声;侧向噪声、环境噪声。
动车组内部声音包括：操作过程中动车组产生的各种电器吸合、断开声音;动车组运行过程中有关设备的机械噪声;空气制动系统产生的各种明显的气动声音等;动车组报站广播声音。
1.5 接口采集与控制系统
接口采集与控制系统采用CAN总线技术对仿真司机操纵台的各类按钮、各类开关的动作进行采集，对速度表、气压表、各类指示灯、空气开关进行输出控制，能够实现数据的实时传输控制。以16ms（60Hz）的周期检测硬件操作及软件输入，并将解算后的数据输出各个分系统，保证系统的实时性。
1.6 辅助设备
辅助设备包括CR400AF动车组驾驶模拟器运行所需要的相关辅助设备，包括：网络交换机、开关机面板、各种线缆等。 2 系统功能
2.1 发车作业仿真
模拟发车前所有相关操作，比如激活驾驶室、正常启动ATP、制动试验、升弓、合主断、缓解停放制动等。
2.2 动车组运行控制仿真
通过手动模式或者自动模式使动车组在不超速的情况下稳定行驶。在实现既有CTCS3级列控系统功能仿真的基础上，增加ATO自动驾驶相关功能仿真，结合高速动车组虚拟驾驶平台，使系统具备站间自动运行、车站定点停车及车站自动发车、动车组运行自动调整等功能，使用户能够体验C3+ATO智能列控。
2.3 动车组网络控制仿真
采用10.4英寸触摸液晶屏，实时显示动车组工况信息以及车辆信息，具备与CR400AF型动车组一致的显示内容、显示结构、操作方法及功能。
2.4 不同模拟环境下的驾车体验
通过设定不同的天气情况（雨、雪、雾）、不同时段（白天、傍晚、夜晚）、不同地形（平原、山地、隧道、桥梁、弯道等）、不同速度（0～ATP最高限速）来进行不同模拟环境下的动车组运行体验。
3 结语
本文针对展会需求，设计以CR400AF型动车组为对象的模拟驾驶台系统。该系统由仿真司机操纵台、视景仿真系统、声音仿真系统、动车组运行仿真系统、接口采集与控制系统、辅助设备等组成，从视觉、听觉、触觉、运动感受等方面模拟动车组真实运行时的驾驶环境，为用户提供沉浸式驾驶体验。
参考文献：
[1]高云鹤.列车驾驶仿真培训及其关键技术[J].铁道运营技术，2017，23（04）：2427.
[2]曾理，朱金陵，徐建君，等.我国高速动车组驾驶仿真培训系统发展及趋势[J].西安：第17届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集，2016：129132.
[3]周大林，李刚.列车驾驶仿真培训系统及在中国高速铁路中的应用[J].铁道机车车辆，2015，35（02）：2931.
[4]薛振洲.城市轨道交通列车自动驾驶模拟驾驶平台的研究[D].电子科技大学，2013.
[5]李洪波.列车自动驾驶算法研究和仿真培训系统的实现[D].西南交通大学，2013.
论文项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目（2019YJ118 CR400AF型动车组模拟驾驶仿真系统研究）
作者簡介：陈彦，高级工程师;曹伟涛，副研究员。