（电力系统及其自动化专业论文）交流传动城市轨道车辆驾驶模拟装置的研究.pdf

a b s t r a c t t r a i nd r i v i n gs i m u l a t o ri sd e s i g n e df o rt r a i n i n ga n dt e s t i n gs t e w a r d sa n dt r a i n m e n t h i s d e v i c e ，s i m u l a t i n gt h er e a lr u n n i n ge n v i o r m e n to fai r a i n , i sr e a l - t r i n ec o n t r o l l e db yc o m p u t e r s y s t e m i t si m p o r t a n ta n dv i a b l et od e v e l o pa c d r i v i n gr a i l c a rd r i v i n gs i m u l a t o ra su r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o ni sd e v e l o p i n gr a p i d l ya n dv v v ft e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nu r b a nr a i lv e h i c l e s h i s t o r yo ft r a i nd r i v i n gs i m u l a t o r , u r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o na n dd r i v i n gt e c h n o l o g yo f u r b a nv e h i c l e sa r ei n t r o d u c e dh e r e i m p o r t a n c eo fd e v e l o p i n ga c - d r i v i n gr a i l c a rd r i v i n g s i m u l a t o ri sa l s od i s c u s s e d t h ea r t i c l ei l l u s t r a t e dt h eb a s i cs t r u c r n ea n dm a i nt e c h n i c a lp r i n c i p l e o ft r a i nd r i v i n gs i m u l a t o ca n a l y z e di nd e t a i lt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f u r b a nr a i lv e h i c l ea n d b a s i cp r i n c i p l e s ，k e yt e c h n o l o g ya n di m p l e m e n tm e t h o d so ff l u i dd r i v i n gv i b r a t i o ns y s t e m ， m p e g 一2v i d e os y s t e ma n ds o u n ds y s t e mu s i n gd i r e c t s o u n dt e c h n o l o g y p r i n c i p l e sa n dm e t h o d sa b o v eh a v eb e e na p p l i e di nv v v fe l e c t r o m o t i o np a s s e n g e rc a r d r i v i n gs i m u l a t o ro fb e i j i n gm e t r oc o m p a n y i t sb a s i cs t r u c t u r e ，h a r d w a r es y s t e ma n df u n c t i o n m o d u l e sa r ea l s oi l l u s t r a t e dh e r e k e yw o r d s d r i v i n gs i m u l a t o r u r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e a c d r i v i n gs i m u l a t i n g v i b r a t i o ns y s t e mv i d e os y s t e ms o u n ds y s t e m 格式： 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 樽的成果，撰写成黼硕士学位论文“拗塾堑国国鲥蛩熬凝 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 洲每卧叼 1 绪论 1 1 列车驾驶模拟装置概述 近年来，仿真技术随着计算机技术、多媒体技术和自动控制技术的发展得到了飞速的 发展，以计算机系统为核心、操纵控制台为基础构成的各种仿真训练器受到国内外高度重 视，在航空航天、交通运输、电力行业、石油化工以及军事领域得到了广泛应用，已开发 出各种性能优越的飞行模拟器、列车驾驶模拟器、船舶模拟器、电站模拟器和坦克模拟器， 成为飞机、船舶、列车驾驶操纵人员以及重大生产设备或过程控制设备运行操纵人员学习、 培训和考核的必备手段。 列车驾驶模拟装置是一种由计算机实时控制，能正确模拟列车操纵，能复现列车运行 环境，用于学习、培训和考核的模拟设备。列车驾驶模拟装置根据列车电路及气路控制关 系、线路断面情况、司机操纵情况及列车运行动力学建立起来的数学模型进行仿真运算和 模拟控制，来复现真实列车的控制和运行规律，这是列车驾驶模拟装置的基本原理。 列车驾驶仿真器主要由模拟司机室和操纵台、仿真计算系统、数据采集控制系统、仿 真控制系统、视景仿真系统、声音仿真系统、故障设置和解除系统、振动仿真系统、数据 和图形显示和输出设备等组成。 列车驾驶模拟装置能模拟列车在正常和各种故障条件下牵引、制动等运行、逻辑控制、 仪表及信号显示功能，能逼真地再现运行视景、声音和列车运行振动环境，能设置线路突 发险情；高端模拟装置还具有学员考核自动评分的功能。 1 1 1 列车驾驶模拟装置的作用 列车驾驶模拟装置作为一种高科技的仿真设备，在铁路、地铁和其它轨道交通领域受 到越来越高度的重视，在火车、地铁以及轻轨生产和教育部门应用日益广泛，起着重要的 作用。综合起来，列车驾驶模拟装置的作用表现在三个方面：培训、考核和工程研究。 培训的作用 传统的列车驾驶人员培训方式是：学习人员首先学习理论知识，然后随车学习行车驾 驶技术，通过不断的经验积累和技术加强，然后独立驾驶列车。这种“师傅带徒弟，手把 第1 页共7 3 页 手地教”的传统培训方法存在许多缺点，如培训易受时间、地点、设备、线路和教员水平 等主客观因素的影响；因为是随车培训，不可能人为设置各种车辆故障、特别是危险性大 的故障，学员的驾驶技术可能很好，但判断故障和排除故障的能力则很难培训，训练效果 不太理想：培训周期长、效率低。而列车驾驶模拟装置为培训列车驾驶人员、车辆乘务员 和检修技术人员提供了更为有效的手段，大大的节省了培训的人力、物力和财力，提高了 培训效率。 利用列车驾驶模拟装置代替真实列车现场随车培训，具有无可比拟的优越性： 利用模拟装置代替真实地铁车辆培训乘务员和检修技术人员，可以避免学员因操 作不当损坏设备。 利用模拟装置培训学员不受时闯、线路、区间等的限制，既能提高培训效率，又 能节约开支。 利用模拟装置培训，可对各种复杂操作反复进行培训，并可设置各种故障，提高 学员的培训质量。 利用模拟装置培训，可以设置真实车辆上很少出现的或危险性很大的故障，提高 培训的有效性和安全性。 利用模拟装置培训，可以在短时间内方便地提供各种各样的操纵条件，受训人员 可以在较短的时间里适应各种复杂的操作环境。 利用模拟装置培训，可进行紧急反应能力的训练，提高乘务员遇到路面险情和列 车紧急故障时的反应能力和快速处理能力。 考核的作用 列车驾驶操纵人员的业务考核分为理论知识考核和实际操纵技能考核两部分。理论知 识考核与一般学校的各种考试相同，可以集中进行，而实际操纵技能的考核则存在时间、 场地和考核范围等各种条件的限制，存在许多不合理的因素。 传统的实际操纵技能的考核工作也是在真实列车上进行的，这种方式存在以下弊端： 占用现场运营设备，容易打乱原有运行规律，影响其它列车运行。 由于被考核人员水平参差不齐，加上考核时心理紧张，容易发生运营事故。 因安全因素无法考核学员危险故障和紧急故障，不能全面衡量学员的综合水平。 考核时人为因素太多、客观条件也各不相同，考核的结果往往带有一定的偶然性， 无法体现公平。 使用列车驾驶模拟装置来考核学员则避免了以上各种弊端，考试不受时间、设备、场 第2 页共7 3 页 地以及气候条件限制，方便易行；不影响正常的生产运营，安全高效；无论基本的操纵考 核、还是难度大、危及行车安全的故障考核都可进行，能实行全面的学员综合能力考核； 利用模拟装置的自动评分系统，考试公平、公正、合理。 工程研究的作用 列车驾驶模拟装置不仅可以替代真实机车来培训和考核司机，而且可以进行各种各样 的工程应用研究，从而起到驾驶培训及工程研究两方面的作用。 操纵技术研究 在具体的线路情况下，通过列车驾驶模拟装置，寻找到一种优化的司机操纵方法。即 在确保行车安全的条件下操纵，使区间的行车时间、能耗及冲动等较优。 列车电路参数辅助设计和部件的模拟检验 列车电路设计的改变会导致电路关系的变化，逻辑关系是否合理可以通过列车驾驶模 拟装置来进行校验。 事故原因辅助分析 输入事故发生的各种条件，复现事故条件下列车的运行，以确定事故发生的原因，避 免今后同类事故的发生。 为线路设计提供重要参数 新线路设计时，尤其在某些运行区段坡道、弯道情况复杂的情况下，可以用模拟装置 进行仿真，找出既能保证列车安全运行，又方便施工、经济合理的设计方案。 列车操纵运行图的编制 使用模拟装置绘制列车操纵运行图周期短，且用计算机来绘制，图形清晰、方便美观。 1 1 2 国内外列车驾驶模拟装置的发展与应用 在国外，从7 0 年代初开始，美国、澳大利亚、苏联、南非等许多国家都进行了开行重 载列车的研究，在这些工作基础上，美国、澳大利亚、英国等国家开发出了列车驾驶仿真 器。现在比较发达的国家轨道交通部门如德国、英国、日本、法国、新加坡、美国、奥地 利等国家均采用模拟器、在非常接近实际运行条件下培训司机。 国外城市轨道交通领域，日本、英国、法国、澳大利亚都使用列车驾驶模拟装置培训 地铁或轻轨司机。如英国伦敦地铁的司机驾驶模拟设备，该设备可以模拟正常情况和紧急 情况下动车的启动、运行和停车，可以检验司机对各种线路情况和信号的反映。 第3 页共7 3 页 在国内，1 9 8 8 年上海铁道学院研制成功我国第一台列车驾驶模拟装置，此后西南交通 大学、成都铁路科研所等单位也相继研制出列车驾驶模拟装置。各单位开发出来的列车驾 驶模拟装置品种齐全、功能基本与国外模拟装置水平相当，有内燃的、电力的、甚至液力 传动的列车驾驶模拟装置。目前国内大约有1 0 0 多套在全国各地运行，参与机车司机的培 训和铁路工程的研究。新型的列车驾驶模拟装置不但功能越来越完善，而且可与现场电器 屏柜、制动机系统等实物有机结合起来，使得培训周期更短，质量更高。 城市轨道交通方面，1 9 9 8 年上海铁道大学与北京地铁总公司通力合作，相继成功开发 了“北京地铁d k l 6 a 型电动客车列车驾驶模拟装置”和。北京地铁d k l l 型电动客车列 车驾驶模拟装置”，填补了我国城市轨道交通部门利用列车驾驶模拟装置培训司机的技术空 白，这是我国自行研制的第一台地铁列车驾驶模拟装置。上海地铁从德国引进了世界上先 进的地铁列车驾驶模拟装置，可模拟列车机械、电器、制动等技术故障，可对驾驶员进行 操纵、故障设置和处理等培训和考核。 1 2 国内外城市轨道交通及其传动技术的发展 1 2 1 国内外城市轨道交通及其发展 随着世界经济的不断发展，世界城市化不断加剧，经济交往日益频繁，流动人口急剧 增加，机动车辆增多，城市地面交通拥堵问题越来越突出。为解决这一矛盾，兴建具有高 速度、大运量、安全、准时、舒适、节能、污染小的城市快速轨道交通，即将或已经成为 各国大中城市面对的重要课题。 国外城市轨道交通及其发展 1 8 6 3 年1 月l o 日，英国伦敦诞生了世界上第一条地铁，开始了世界城市轨道交通发 展的历史。第一条地铁尽管只有6 5 千米长，依然是一条非常成功的线路，第一年就运载 了乘客9 5 0 万人。 此后不久其他城市也纷纷仿效伦敦。布达佩斯的地铁在1 8 9 6 年开通；波士顿在1 8 9 7 年，巴黎通往郊区的地铁在1 9 0 0 年，纽约在1 9 0 4 年也都先后开通了地铁。 目前，世界上已建成城市快速轨道交通的国家、地区有3 6 个，城市1 0 8 个，路网总长 度为6 0 0 0 多公里。 国内城市轨道交通及其发展 第4 页共7 3 页 国内城市轨道交通的发展相对比较缓慢，比国外落后了1 0 0 多年，1 9 6 9 年1 0 月我国 第一条地铁( 北京地铁一期) 才基本建成，于1 9 7 1 年1 月开始试运营。这种缓慢发展的情 况一直持续到上世纪九十年代，此后我国的城市轨道交通有了比较高速的发展。 国内目前在北京、天津、上海和广州开通了地铁，现有运营线路总和2 2 5 公里。北京 现有运营线路是北京地铁一线、环线和城铁，线路总长9 4 公里。上海地铁1 9 9 0 年开始兴 建，1 9 9 5 年上海地铁一号线投入运营，现有运营线路有上海地铁一号线、地铁二号线和轻 轨明珠线一期，线路长度6 5 公里。广州现有运营地铁线路是广州地铁一号线和二号线部分 线路，运营线路总长约4 2 公里。天津地铁全程1 3 7 公里。 除已开通地铁的四个城市外，目前我国已有1 5 个城市正在申请修建地铁和轻轨道路， 线路总长为4 3 0 公里，国务院和国家计委已经批准立项或者原则同意兴建地铁和轻轨道路 的城市有：南京、深圳、青岛、沈阳、重庆五个城市，而大连、长春、哈尔滨、鞍山、武 汉、杭州、乌鲁木齐等城市也正在积极筹备建设地铁和城市轻轨道路系统。 国民经济的高速发展必将带来城市轨道交通的快速增长。未来的5 到l o 年，我国将迎 来城市轨道交通的黄金时期。在这段期间，全国有许多城市轨道交通线路将建成通车，以 上海和北京为例，2 0 0 5 年前上海市计划建设轨道交通线路总长1 8 2 3 公里，车站1 3 0 个， 至2 0 0 5 年末，上海城市轨道交通线路将达2 4 5 公里。未来l o 年内，北京轨道交通将以每 年4 0 公里的速度增长，到2 0 0 8 年轨道交通里程将达到3 0 0 公里，市区计划铺设地铁线2 0 条。到2 0 2 0 年，北京轨道交通的总里程将超过1 0 0 0 公里。目前，北京市正在建设的线路 有八通线、五号线、四号线、十号线、奥运支线和机场客运专线，部分郊区轻轨也在前期 准备中，预计2 0 0 8 年前建成。 1 2 2 国内外城市轨道车辆传动技术的现状和发展趋势 1 2 2 1 国外城市轨道车辆传动技术的现状和发展趋势 电传动系统是反映城市轨道车辆技术水准的一项主要标志，体现着城市轨道车辆技术 的先进程度。国外电传动系统的发展过程大致如下： 磁场控制方式和变阻控制方式。这两种控制方式具有简单的主回路，但由于调速电 阻的存在，造成能耗大，控制性能差，在主回路中存在着大量的有触点电器，加大了运用 和维修的工作量。 第5 页 共7 3 页 电枢斩波控制、自动调磁斩波器控制和四象限斩波器控制。这3 种调控方式均属斩 波器调速控制，其中四象限斩波控制较完善。 交流变频控制( 即w v f ) 系统。v v 7 是在主回路内用g t 0 、i g b t 元件组成主 逆变器，进行三相调频调压，用交流感应电动机代替直流电动机，使电机可靠性提高并做 到无维修，再配以计算机控制可使车辆得到理想的牵引、制动特性和良好的粘着性能。主 逆变器是三相电压型脉宽调制式逆变器，根据旋转矢量原理进行控制。 线性电机v 腰系统。该传动方式使车辆不受粘着限制，为解决车辆轻量化和大 牵引力的矛盾开辟了可喜的途径。但目前尚属试验阶段，其牵引功率还不能满足大客运量 的要求。 1 9 7 0 年b b c 公司开发了第一台交流传动内燃机车d e 2 5 0 0 ，此后交流传动城市轨道车 辆得到了飞速的发展，欧洲和日本等工业化国家8 0 年代已基本停止了直流传动地铁车辆的 生产，现在世界上已有数干台交流传动电动车组投入运营，城市轨道车辆传动技术处于交 流变频控制( 即v ，f ) 系统的鼎盛时期。交流电机与直流电机相比较，具有体积小、重 量轻、结构简单、制造方便、价格低廉、转速高、效率高、省铜、坚固耐用、维护费用低 等一系列十分突出的优点，随着脉宽调制( 简称p w m ) 变频调压调速新技术的发展，大功率 电力器件的容量耐压的不断提高，在城市轨道车辆牵引系统中交流电机取代直流电机已成 不可阻挡之势，它代表了电气传动的发展方向。 1 2 2 2 国内城市轨道车辆传动技术的现状和发展趋势 我国城市轨道交通车辆传动技术经历了凸轮调阻和斩波调阻、斩波调压等直流传动阶 段和调频调压交流传动阶段。 凸轮调阻和斩波调阻城市轨道车辆 我国二十世纪五六十年代开始地铁车辆的自主开发工作。当时，铁道部组织长春客车 厂、株洲电力机车研究所、唐山铁道学院、四方车辆研究所、大连内燃机车厂、湘潭电机 厂等单位进行了我国第一台地铁车辆的方案设计和施工设计，于1 9 6 7 年生产出d k i 型地 铁样车。d k l 型车是凸轮调阻的直流传动地铁车辆，所谓凸轮调阻车就是车辆在牵引和电 阻制动时通过凸轮调阻箱逐段切除或接入起动电阻或制动电阻，以实现平稳起动或制动。 凸轮调阻车从第一台样车至今，国产的凸轮调阻车有d k i - d k 4 、d k 8 、d k l 6 和d k 2 0 等多种型号，其中，比较有典型的是d k l 6 和d k 2 0 ( 鼓型车，d k l 6 的升级) ，目前在北 第6 页共7 3 页 京地铁仍然是主型车。 斩波调阻车的典型代表是我国为伊朗德黑兰地铁设计生产的2 1 7 辆d i c 2 1 d k 2 7 型地 铁车辆。斩波调阻技术较凸轮调阻技术又提高了一步，两者的不同是，斩波调阻控制系统 在车辆牵引或电阻制动时由微机控制晶闸管平滑调节起动或制动电阻，以实现恒流起动或 得到所需的制动力。凸轮调阻是有级的，如d k l 6 凸轮调阻车牵引1 9 级、制动1 3 级，起 动电阻或制动电阻的加入或切除是分段的，所以车辆起动和制动的过程中有冲动、不平稳， 而斩波调阻车就很好地解决了这个问题。 两种调阻车的主要缺点有： ( 1 ) 可靠性低：主电路触点众多，直流电机的机械、电气的磨损与变形，以及接触不良 等因素导致故障不断，列车服务的可靠性很受影响。 ( 2 ) 能耗巨大：两种调阻车在起动与制动时，大量的电能及列车动能经电阻及机械制动 系统转化为热能而白白耗散，加之地铁列车的特点是起动频繁，因此能量损失很大。 从这两点来看，直流电机凸轮调阻车和斩波调阻车即将完全退出历史舞台，取而代之 的将是更为先进合理的调速方案。 斩波调压城市轨道车辆 国产斩波调压车有d k 6 、d k 9 、d k l 3 d k l 5 等几种型号。 d k 8 型斩波调压地铁车是1 9 7 8 年设计、1 9 7 9 年制造的。它是在长客厂与铁道部科学 研究院经过数年艰苦努力联合研制成功的逆导晶闸管斩波调压传动和数字式制动系统的基 础上研制的。该车1 9 8 1 年通过了部级鉴定。1 9 8 1 至1 9 8 3 年，长客厂还设计制造了d k 9 型斩波调压地铁车。1 9 8 5 年至1 9 8 7 年，长客厂吸收北京地铁从日本东急车辆公司购买的 地铁样车的先进技术，又设计制造了d k l 3 d k l 5 型斩波调压地铁车。斩波调压车采用了 大功率逆导晶闸管斩波控制及氟里昂沸腾冷却等直流牵引新技术，具有无级调速和低能耗 的优点。 斩波调压直流车的控制方案是最接近调频调压交流车控制系统的。直流电机斩波器和 交流电机控制器在设计上有很多具有共性的地方，体现在：功率器件相同或近似，采用相 同的功率器件其驱动电路完全一样。直流电机斩波器主要采用的是可关断晶闸管( g t o ) ， 其驱动电路较为复杂，交流电机控制器主要采用的有g t o ，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、智 能模块( i p m ) 等。直流电机斩波器的研制将能在使用g t o 等元器件上为今后采用交流电机 控制提供参考。发达国家在地铁车辆设计中至九十年代初期，主要采用的是直流电机斩 波器，其后交流电机才开始广泛使用。上海地铁一号线是1 9 9 3 年投入使用的。其车辆牵引 第7 页共7 3 页 系统也采用直流电机斩波器控制方案，香港地铁在1 9 9 5 年对其车队全部列车进行了改造， 同样是采用了直流电机斩波器控制方案，从这些情况可以看到，直流电机斩波器控制方案 并不十分落后。 调频调压城市轨道车辆 国产调频调压交流城市轨道车辆的代表是北京地铁“复八线”d k 2 8 d k 3 1 型交流传 动地铁车辆。该型车1 9 9 7 年完成设计，1 9 9 8 年开始投产并完成样车的试制，试运行后修 改设计再投入批量生产。1 7 4 辆车2 0 0 0 年全部交付北京地铁使用。该批车最大的特点是采 用了当今世界上最先进的调压调频逆变器控制的交流传动系统。与传统的直流传动相比， 它具有以下优点：( 1 ) 可充分利用粘着，减少动车比例。( 2 ) 主电路无触点化，电机无换 向器、无电刷，减少了维修，提高了运行可靠性。( 3 ) 再生制动可从高速持续到5 k m h 以下，节省电能；( 4 ) 交流牵引电机结构简单，寿命长，可延长检修周期等。 上海地铁2 号线车辆上采用了w 变频变压交流电机技术。 广州地铁列车于1 9 9 7 年6 月投入试运行，全部采用进口电动车组，牵引控制装置为 g t o 元件的v n 僵逆变器，牵引电机为鼠笼式交流电机。 由上可见，我国今后城市轨道交通的牵引传动系统的发展会普遍采用v n 俘逆变器和 鼠笼式异步电机的交流传动系统。 1 3 交流传动城市轨道车辆驾驶模拟装置开发的必要性 交流传动城市轨道车辆驾驶模拟装置的开发是城市轨道交通职工教育事业发展的需 要。目前列车驾驶模拟装置在我国铁路现场配备已有1 0 0 多套，应用于铁路各机务段、培 训中心和铁路学校，为铁路现场培训了大量列车司机和相关技术人员。 a ，则l 【l = 0 。 参考文献 1 翟传润、赵克定、张日华：飞行模拟器的电液伺服驱动装置，液压与气动，2 0 0 0 ( 2 ) 。 【2 】魏纳新、彭秀艳、赵希人、施向字：三自由度运动仿真平台设计及实现，系统仿真学 报，2 0 0 3 ( 1 ) 。 e 3 吴重光，主编，仿真技术，化学工业出版社，2 0 0 0 。 【4 】杨灏泉、赵克定、吴盛林、曹健：飞行模拟器六自由度运动系统的关键技术及研究现 状，系统仿真学报，2 0 0 2 ( 1 ) 。 第3 5 页共7 3 页 【5 】刘永红，薛青，郭齐胜，王常端：6 3 a 式水陆坦克驾驶训练模拟器的姿态仿真，计算 机仿真，2 0 0 2 ( 3 ) 。 【6 】金鹰：虚拟现实与动感模拟器，计算机应用，2 0 0 1 ( 6 ) 。 【7 】陈小强：机车仿真器侧向运动姿态的建模与仿真，兰州铁道学院学报，2 0 0 0 ( 6 ) 。 【8 】王杨：现代训练仿真器技术的发展，计算机仿真，2 0 0 3 ( 1 ) 。 【9 】宗长富、高越、麦莉：a d s l 驾驶模拟器运动模拟逼真度的改进，系统仿真学报， 2 0 0 1 ( 2 ) 。 【l o 】蔡忠法、刘大健、章安元：基于虚拟现实的汽车驾驶模拟训练系统方案研究，系统仿 真学报，2 0 0 2 ( 6 ) 。 第3 6 页共7 3 页 5 视景仿真系统 5 1 城市轨道交通车辆驾驶模拟装置视景仿真系统的特点 城市轨道交通车辆驾驶模拟装置视景仿真系统的运行线路和运行方向已知，观察者相 对于场景只有一个自由度，即观察者在场景中移动的距离，也就是说，观察者所观察到的 图像是一个基于时间的图像序列 i n ，n = l , 2 ，n ，其中每帧图像是在离散时间n 时刻的一 幅二维静止图像。 城市轨道交通车辆驾驶模拟装置主要是用来培训车辆操作人员的正确操纵水平、线路 熟悉能力的设备。经过模拟装置培训的学员要想能尽快走上独立驾驶城轨车辆岗位，除必 须有过硬的技术能力外，还必须掌握整个运行线路。即他必须知道运行线路中的信号、车 站、坡道和曲线，能知道什么时候要加速、什么时候要制动，才能达到正点、平稳操纵车 辆。因而模拟装置视景系统必须能真实反映实际线路，视景逼真感强。 5 2 几种形式的视景仿真系统 基于以上特点，结合列车驾驶模拟装置以及航空、航海领域的仿真期的视景系统，目 前城市轨道交通车辆驾驶模拟装置的视景仿真系统大致有三种形式：基于激光放像机的视 景仿真系统，基于计算机成像的视景仿真系统和基于m p e g 1 视频压缩技术的视景仿真系 统。 5 2 1 基于激光放像机的视景仿真系统 基于激光放像机的视景仿真系统是：实际场景拍摄制作光盘，控制激光放像机平滑调 速，辅之叠加计算机实时产生需要的信号和险情，两者通过图像叠加卡混合，经商亮度投 影电视显示出来。 视景仿真系统由仿真计算机、图像叠加计算机、视景控制单元、图像叠加卡、视景切 换控制卡、激光放像机、投影电视和电视机组成，视景仿真系统原理如图5 1 所示。 第3 7 页共7 3 页 图5 - l基于激光放像机的视景仿真系统原理框图 仿真计算机主要完成城轨车辆的牵引、制动和电路逻辑等仿真运算，得到当前位置的 运行速度。插在仿真计算机内部的视景控制单元接收到当前运行速度后，控制激光放像机 的播放速度；同时叠加计算机通过网络从仿真计算机接收叠加命令和信息( 包括信号灯的 颜色、突发险情的类型) ，并从视景控制单元取得运行的具体位置，产生相应的突发险情或 信号灯；激光放像机产生的视景信号和叠加计算机产生的叠加信号通过图像叠加卡叠加在 一起，就形成了模拟运行的完整视景信号。 实景拍摄时把摄像机架设在城市轨道车辆的头车司机室内，由于城轨车运行的线路既 有地面也有地下，为增强地下线路拍摄时的亮度，在拍摄车的前头加装有大功率光源。拍 摄时，拍摄车以比较低的速度( 基本为正常车辆运行速度的l 3 1 2 ) 平稳开行，摄像 机就将车辆通过线路前方的景物拍摄下来，然后到专门的光盘制作部门将所拍线路记录在 光盘内。 拍摄时车辆在某一点的速度是固定的( 用v o 表示) ，而每次模拟装置运行时通过该点 的速度( 用v 表示) 每次都可能不同，为使视景系统运行的速度与模拟装置的速度一致， 必须控制激光放像机运行的速度，即放像机以v ，v 0 倍正常速度播放，才能得到与运行速度 一致的视景图像。对于线路长，必须用多张光盘来存储的线路，连续长时间线路的播放采 用两台激光放像机动态切换来实现：即第一台激光放像机播放线路时第二台激光放像机 搜索切换点并等待切换命令，当第一台激光放像机达到切换点时，控制第二台激光放像机 进行放像，这时可以在第一台激光放像机放入下一张光盘，依此类推。两台激光放像机的 视频信号同时送给视频切换卡，由视景控制单片机控制视频切换卡输出哪一路视频信号， 作为叠加卡的视频信号源。同时两台激光放像机的视频信号输出到电视机供教员监控使用。 第3 8 页共7 3 页 5 2 2 基于计算机成像的视景仿真系统 5 2 2 1 计算机成像视景系统的原理 计算机成像c g i ( c o m p u t e rg e n e r a t e di m a g e ) 的一般构思方法是：设想在观察者的眼前 有一个窗口，观察者通过窗口看到的东西就是最终在屏幕上应显示的东西。假如从观察者 的眼睛到三维真实世界( 或数据库) 可见的表面上某一点画一直线，该直线穿过视窗的地 方，即是画出该点颜色的地方，也就是该点在视窗上的透视投影。 通常在计算机实时图像生成系统中，都对自然景物进行数字化，采用多边形对它们的 几何外观进行拟合，然后对多边形面元进行一定的逼真度效果修正。视景数据库则存放了 所仿真环境的几何模型及图像生成系统所需要的信息。 由于数据库中所有景物空间的几何描述均是以地坐标系作为参照的，要能够在屏幕上 正确地显示这些景物空间的几何形体，应将地坐标系中的点变换到屏幕坐标系中。这个变 换过程可以分为三个部分：地坐标点的平移变换，平移后的地坐标点从地坐标系到眼睛坐 标系的旋转变换，及眼睛坐标系点到屏幕坐标系的透视变换( 又称透视投影) 。典型的c g i 系统框图如图5 2 所示。 模拟 位置 教员控制命令 显 - 不 设 备 图5 - 2典型的c g i 系统框图 控制管理计算机的任务是接收模拟装置主机来的模拟装置姿态和位置信息，以及教员 的控制命令，在接收到3 d 数据的几何坐标后，由几何处理器进行坐标转换、透视投影、 剪裁、遮挡、消除隐藏面等几何处理，把3 - d 的数据转换成在屏幕上显示的2 一d 坐标的 数据，送至像素处理器。像素处理器把2 d 数据块( 可以是屏幕坐标系的多边形或扫描 梯形，及代表这个多边形的颜色或纹理映射的参数) 进行处理后。得到每个像素的颜色值， 经视频处理器转变为r g b 信号，由显示设备复现在操作人员的眼前。 第3 9 页共7 3 页 5 2 2 2 计算机成像视景系统的构成 计算机成像视景仿真系统主要由三部分组成：计算机成像计算机和显示卡，投影系统， 视景驱动软件和场景数据库。 计算机成像计算机和显示卡 计算机成像计算机和显示卡主要用于虚拟视景的生成。成像计算机和显示卡的性能配 备与视景系统的性能要求有关，视景系统的性能要求越要，计算机与显卡的配置越高。 低配置：选用p 4p c 机加通用图形加速卡( 如v o o d o o5 0 0 0 ，g e f o r c e44 6 0 0 系列等) ， 该系统全屏反走样能力较弱，成像质量略差，但具有价格优势。 性能：通道内多边形数小于1 2 0 0 0 个面时，画面更新率大于3 0 帧秒。4 x 4 全屏反走 样，单通道分辨率1 0 2 4 x 7 6 8 ，1 2 8 m 纹理内存。 中配置：选用p 4p c 机加专业图形加速卡( 如3 d l a b sw i l d c a t5 1 1 0 ，6 1 1 0 ，6 2 1 0 系列) ， 该系统具有全屏反走样，多通道同步控制等功能，成像质量高，价格适中。 性能：通道内多边形数小于1 5 0 0 0 个面时，画面更新率大于3 0 帧秒。4 x 4 全屏反走 样，单通道分辨率1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，2 5 6 m 纹理内存。 高配置：选用p c 专业3 d 图形工作站( 如q u a n t u m 3 d 公司的h e a v y m e t a l 系列工作站， e & s 公司的s i m f u s i o n 系列工作站) ，该计算机具有全屏反走样，多通道同步控制等功 能，价格较高。 性能：通道内多边形数小于2 0 0 0 0 个面时，画面更新率大于3 0 帧秒。4 x 4 全屏反走 样，单通道分辨率1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，1 2 8 m 纹理内存。 投影系统 低配置：由一台d l p 投影仪和1 0 0 英寸净白幕组成。分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 ，亮度为2 0 0 0 a n s il u m ，水平视场角4 5 度，垂直视场角3 5 度。 中配置：由三台d l p 投影仪和三块1 0 0 英寸净白幕组成，水平相邻两幕的夹角为1 3 5 度，组合成1 3 5 视场的折幕。投影仪为d l p 显示方式，单通道分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 。组 合分辨率为3 0 7 2 x 7 6 8 ，亮度为2 0 0 0a n s il u m ，水平视场角1 3 5 度，垂直视场角3 5 度。 高配置：由三台d l p 投影仪，一台三通道投影校正和拼缝控制器和1 3 0 度环形圆柱幕 第4 0 页共7 3 页 组成，可产生水平1 3 0 度的连续场景。单通道分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 ，相邻两通道水平重 叠5 ，组合分辨率为2 9 7 0 x 7 6 8 ，亮度为2 0 0 0a n s il u m ，水平视场角约1 3 0 度，垂 直视场角3 5 度。 场景数据库和视景驱动软件 场景数据库：内容包括轨道及轨道周围的地形、河流、主要建筑城市、沿线文化特征、 交通标志、来往车辆、上下客站等场景。 视景驱动软件：目前比较流行的视景驱动软件有v e g a 、m u l t i g e n 、o p e n g v s 、o p e n g l 、 d i r e e t x 等， 选择何种视景驱动软件因人而异、因事而异。 5 2 3 基于m p e g 1 视频压缩技术的视景仿真系统 5 2 3 1m p e g 1 视频压缩技术 m p e g 是动态图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的英文缩写。m p e g 一1 标准 ( 又称i s o i e c l l 7 2 ) 的提出是由将音频视频编码到光盘的愿望驱动的，光盘定义为具有恒定 的位速率1 5 m b i t s 。为了实现高压缩比，m p e g 1 视频压缩算法采用以下基本技术：运动 补偿预测编码、d c t 算法、变字长编码及运动补偿内插技术。 m p e g 1 数字解码器框图如图5 3 所示： 图5 - 3 m p e g 1 数字解码器框图 第4 l 页共7 3 页 运动补偿内插技术 在m p e g - 1 中对于活动图像，把它们分为i 图像，p 图像和b 图像三类，其中i 图像 作类似于j p e g 标准的帧内编码( 称帧内图) ，它实际是h 2 6 1 建议的帧内模式，压缩比适 当( 典型值约为2 b i t p e l ) ，必须传送。p 图像( 称预测图) ，要用过去的( 最靠近的) i 帧 或p 帧进行预测，因此又称前向预测，示意图如图5 4 所示： 图5 _ 4m p e g 1 的前向预测示意图 对于p 帧的预测误差作有条件的传送，同时该p 帧还可以用来预测b 帧和下一个p 帧，由于对p 帧可使用运动补偿( m c ) ，因而其压缩比有可能较i 帧更高，但也因为p 帧可 由以前的p 帧预测而得，所以会导致p 帧编码误差的扩散。m p e g 1 的p 帧实际上就是 h 2 6 1 建议的帧间编码模式，p 帧压缩比较i 帧高一些。 b 图像( 或称双向图) 可同时利用前、后帧图像作为预测参考，因此这种预测模式又 称为双向帧间预测( b i d i r e c t i o n a lp r e d i c t i o n ) ，示意图如下图5 5 所示： 图5 5m p e g 1 的双向预测示意图 b 帧可同时以它相邻的前后两帧为参考帧进行运动补偿，并将所得的结果进行内插而 获得平均预测结果。因此，在b 帧中的一个宏块既可以是前向预测方式，也可以是后向预 测方式，还可以是双向预测后取平均方式。当然也可以是帧间方式，取决于哪种方式下表 示该宏块所需的信息量为最少。使用双向预测后，可以使那些在前一帧中预测不到的内容 很好地在后一帧中预测到，而且通过预测后取平均，非常有效地减少了预测噪声的影响。 通过在时间轴上亚取样的编码子图像以及少量的反映运动的附加校正信息进行插值， 就可得到全速率( 例如3 0 帧s ) 的视频信号，故而以内插方法补偿运动信息，可大幅度 地提高视频压缩比，上述对于b 帧的双向预测即为运动补偿内插技术，这是m p e g 1 视频 标准最具特色之处。正是由于b 帧的引入，前后帧的信息均可得到利用，压缩效果比仅有 i 帧和p 帧时更好，编码后的数据量约为原来数据的1 2 5 1 2 0 0 ，即用m p e g 1 编码算法 可把数据压缩2 5 - 2 0 0 倍。 第4 2 页共7 3 页 预测编码 在图像编码过程中，可以利用图像像素间的相关性，根据某一像素点的值来预测下一 点的取值，然后将像素点的实际值与预测值相减得到一个误差值，并对该误差值进行编码， 这就是预测编码。这种编码方法是通过去除相关性、消除冗余度等项操作，达到数据压缩 的目的。这点不仅在静态图像压缩中很重要，在动态图像压缩中也有十分重要的意义使 用预测编码方法需要建立预测模型，根据这个模型及以往的样本值，得到下一时刻的预测 值，然后根据实际值与预测值计算出预测误差，再对这个误差进行编码。可见模型的优劣 直接影响到预测效果。预测模型的选择往往根据某些人为规定的准则进行采样预测，如依 据最小均方预测误差，最小量化误差，或参照人的视觉效果进行预测。 m p e g - i 中采用的预测编码技术为差分脉冲编码调制d p c m 。又称预测量化系统。 d p c m 所传输的是经过再次量化的实际样值与其预测值之间的差值预测误差。预测值 是借助待传取样( 像素) 邻近已经传出的若干样值预测出来的。由于图像信号邻近像素间 的强相关性，邻近像素的取值一般很接近，因此预测有较高准确性。从统计上讲，需要传 输的预测误差主要集中在0 附近的一个小范围内。尽管在图像信号变化剧烈的地方( 例如 轮廓和边缘) 可能由于预测不准确出现一些大的预测误差，但这只是个别的，而人眼对出 现在轮廓与边缘处的较大误差不易察觉。因此，对于预测误差量化所需要的量化层数要比 真接传送图像样值本身减少很多。d p c m 就是通过去除邻近像素间的相关性和减少对差值 的量化层数来实现码率压缩的。 运动补偿预测 运动补偿实际上是对活动图像进行压缩时所使用的一种帧间编码技术，所谓“活动图 像”实际上是一系列静止图像的连续排列，当它们以不小于2 4 帧秒的速率连续显示时， 由于人眼的视觉暂留特性使人产生了连续活动的感觉，因此，一般情况下相邻帧间的内容 实际上没有太太的变化( 场景切换等除外) ，有很大一部分甚至是完全一样的，所以相邻帧 间有较大的相关性，这种相关性称为时域相关性。运动补偿之目的正是要将这种时域相关 性尽可能地去除。 运动补偿的基本原理简述如下，当编码器对图像序列中的第n 帧s 0 进行处理时，利 用运动补偿中的核心技术运动估值，得到s o 的预测帧野。在实际编码传输时，并不总 是传输s o ，而是传输s 0 和其预测帧& 的差值e o 。如果运动估值十分有效，e d 中的概率基 本上分布在零的附近，从而导致e o 比原始图像s o 的能量小得多，编码传输所需e 0 的比特 数也就少得多，这就是运动补偿技术能够去除信源中时间冗余度的本质所在。 第4 3 页共7 3 页 运动补偿预测技术通常由以下几方面组成： ( 1 ) 首先把图像分为静止的和运动的两部分，这里假设运动物体仅作平移。 ( 2 ) 估计物体的位移值。 ( 3 ) 用位移估值进行运动补偿预测。 ( 4 ) 预测信息编码。 图像分割是运动补偿预测的基础，通常采用两种较简单的方法，一种是把图像分为矩 形子块，适当选择块的大小，把子块分为动和不动两种，估计出运动子块的位移，进行预 测；另一种方法是对每个像素的位移都进行递归估计，因此，。在对图像的分割作了必要的 简化后，对运动子块的估计或者说运动估值m e ，就成为必须解决的关键技术。得到运动 物体的位移估值后，即可送入m c 预测器。和一切预测编码一样，输入到预测器的数据都 要用图像恢复数据，即原始输入为s o ，预测值为野，二者之差e o 经过量化后为勒，图像恢 复数据为s 产墨o + 璺d ，与原始数据s o 相比含有量化误差q o ；盱勤。把前一帧数据和当前 数据送进运动参数估值器后就得到运动位移的估值，有了运动位移参数和从帧存储器取出 的前帧复原数据，就可以作出当前像素的预测。 运动估值是运动补偿的关键，它是整个运动补偿技术的基础，运动估值的准确与否， 即e o 中数据在零附近的分布曲线如何，直接影响到整个系统的编码效率和压缩性能。 离散余弦变换d c t 除预测编码外，变换编码也可以有效地去除图像信号的相关性，而且其性能也往往优 于预测编码。变换编码是在数据压缩前先对原始输人数据作某种正交变换，把图像信号映 射变换到另外一个正交矢量空间( 变换域) ，产生一组变换系数，然后再对这些变换系数进 行量化压缩编码。通过这种变换后，一般数值较大的方差总是集中在少数系数中，然后再 对这些系数进行量化压缩。通常可使用的变换都是线性的，如主要成份变换，傅立叶变换， 阿达马变换，哈尔变换和离散余弦变换( d c t ) 等，多数情况下这些变换都是可逆的，但 是变换编码后对图像进行压缩讲这一过程却是不可逆的。原因是，在变换之后还需要进行 量化压缩，而量化过程本身是不可逆的，或者说是有损压缩所以就整体效果而言变换编码 是不可逆编码。 大量研究表明，d c t 是仅次于最佳变换k l 变换的准最佳变换，由于它优良的能量 集中性，在精度允许范围内无失真地通过逆变换恢复出原始信号，以及变换系数均为实系 数，且拥有大量快速算法而获得了广泛的应用，几乎成了所有图像压缩系统必不可少的部 分之一，将原始图像划分成许多n n 大小的块分别进行处理，不仅为空间域的自适应处 第4 4 页共7 3 页 理提供了条件，而且还可以降低计算量，减少存储容量，这种基于n x n 的d c t 是高质量 的图像编码器的主要特征之一。 5 2 3 2 基于m p e g 视频压缩技术的视景仿真系统 用视频压缩进行视景仿真主要包括视频解码、平滑调速和图像叠加处理模块。基于 l v i p e g 视频压缩技术的视景仿真系统和基于激光放像机的视景仿真系统的视景