列车驾驶仿真器评价系统设计

冯永岗，朱金陵

（西南交通大学 智能控制与仿真工程研究中心， 成都 610031）

为了满足当前铁路高素质司机的大量需求，进一步提高列车司机的驾驶水平和操作能力，我国研制并成功推广了列车驾驶仿真器培训系统，极大地改善了列车司机培训的效果。然而，在目前的列车驾驶仿真器培训系统研究工作中，考核评价体系及其计算机自动考核评价功能方面的研究很少。考核评价作为学员培训工作的重要环节没有得到足够的重视，目前只是利用教练员主观评分的方式进行有限指标的评分工作。这种有限指标的主观评价方式不仅系统性差，而且易受人为因素影响，很难客观、公正的评价学员的真实操作水平。因此，本文针对以上问题，在完成对列车驾驶仿真器评价系统的功能需求及设计方法研究的基础上，提出了驾驶仿真器评价系统的总体设计思路及其关键技术。

1 系统总体设计

1.1 列车驾驶仿真器简介

列车驾驶仿真培训系统由驾驶仿真器、教员系统、观摩系统等部分组成。系统硬件部分主要实现了与列车驾驶操作相关的模拟驾驶室，与教员监控相关的教员台设备等。软件部分主要实现与列车运行相关的线路条件、信号状况、设备状态、运动动感、天气变化等运行环境模拟，同时模拟驾驶系统能够实现列车故障、运行过程非正常状况等情况的模拟功能。列车驾驶仿真器框架结构如图1所示。

图1 列车驾驶仿真器框架结构图

由上图1可知，列车驾驶仿真器系统的核心模块之一是主控系统。其主要功能是各模块数据的采集、分析、协调与处理，其在仿真器软件系统中处于中心枢纽的位置。（1）与功能仿真计算机的数据交互传送列车运行逻辑、线路、信号、操作工况等模型计算结果数据。（2）与运动控制计算机的数据交互，实现列车运动动感的模拟；（3）通过与视景、音频计算机的数据交互，实现驾驶员视觉和听觉的沉浸环境模拟；（4）接口计算机实现列车驾驶仿真器司机交互环境的全功能模拟。

在列车驾驶仿真器运行过程中，整个大系统是一个基于以太网的分布式实时交互仿真系统，计算机间通过UDP协议交换数据，完成控制命令及各类参数的实时传递。当课程培训或考试完成后，主控系统记录评价所需要的数据并传递给评价系统，供评价系统进行计算机自动评价。

1.2 评价系统方案设计

基于列车驾驶仿真器平台化要求，将评价系统作为列车驾驶仿真培训平台子系统的设计思路进行设计。

列车驾驶模拟器操作评价系统采用3层C/S（客户端/服务器）结构进行设计。系统从应用逻辑上可划分为3层。其系统架构图为2所示。

图2 操作评价系统软件架构图

评价系统能够准确合理地实现驾驶仿真训练结果的自动评分。（1）涉及评分标准和评分准则的建立（评价标准指的是评价指标的理论表述，评分规则是评价标准的规则量纲化、数据化），并且以计算机能够识别的数据形式进行储存；（2）需要对仿真器主控系统采集的操作及记录数据进行合理的结构设计并存储；（3）要能够完成准确可靠的评价，需要结合评价指标体系并针对不同的类型制定科学合理的评分方法；（4）还需要通过合理的显示方式予以输出，真正实现为教员的考评鉴定提供支持。

评价系统的总体方案设计如图3所示。

图3 仿真器评价系统方案模块结构

1.3 各模块的组成和功能

如图3操作评价系统方案设计所示，操作评价系统主要由4个子模块组成：

评价体系及模版模块：主要功能包括：（1）分类实现一次乘务作业、标准化作业、运行早晚点、故障处理、非正常行车等项目细则；（2）实现开发编辑与客户编辑分类编辑功能，有利于不断更新评价规则及评判细则；（3）建立与数据库的联系，实现模板的添加、删除、更新等数据库操作。本模板模块的设计克服了铁路列车车型众多、评价规则路局各异的难题。

仿真器数据管理模块：主要包括了数据存储及数据管理功能。针对仿真器数据众多且类型各异的特点，数据管理模块设计完成对主控数据存储的结构设计及主控数据的评价系统解析任务。

评价模块：评价系统的核心部分，主要分为主观评价和客观评价两部分。

评价结果输出模块：主要以成绩单和具有评价提示的操纵示意图的形式显示评价结果。系统可实现错误操作的记录及错误信息的解释功能。

2 系统操作流程

评价系统的评分流程见图4。

图4 评价系统程序流程图

3 系统实现关键技术

3.1 评价方法设计

列车驾驶仿真器培训系统按照目标层次式评估体系构建。在培训过程中，按照由合格驾驶列车司机到优秀列车司机递进式的培训方向，设计了基于初、中、高级3个阶段的培训过程。

3.1.1 初级阶段

列车基本规章制度操作考核阶段。采用单一指标评价方法可解决。大体流程如图5所示。

图5 单一指标评价方法流程图

3.1.2 中级阶段

列车故障与非正常行车处理评价阶段。仿真器故障演练中教员可设置的故障包括了列车机械故障、电气故障、信号故障等许多内容。列车应急故障模拟的评价难点在于设备众多、逻辑性强，组合复杂。非正常行车演练中教员可设置的非正常状况包括：刮弓故障、机车分离、救援被救援等一系列课程。

上面两类评价内容的共同特点是具有特定的操作流程。因此设计基于逻辑序列的故障及非正常行车评价方法解决。基本流程：（1）系统不断收集跟踪事件消息列表，如果收到消息之后，判断事件类型。通过事件类型的判断，定位选择具体事件及其事件的规则数据库，完成判断规则的动态数据库初始化工作。（2）收集操作记录中的学员针对本次事件的操作记录。如果未发现记录即跳出判断，输出结果及其说明。若找到操作处理记录数据，则通过判断规则以及前导条件、后节条件匹配，如此循环可完成本事件操作的评价工作。考核评分的具体过程如图6所示。

3.1.3 高级阶段

模糊综合评价方法针对列车驾驶过程进行评价，解决司机考评的安全、正点、节能、舒适等柔性需求，使未有硬性错误操纵的学员考核具有区分度。数学模型由以下5方面构成 。其中，U：评判因素集； V：评判等级集； R：评判矩阵。 A：评判因素的权重； B：评判结果。

采用模糊综合评价方法的重点在于评级指标权重的获取以及模糊指标的隶属度函数确定。为了减少评价指标权重主观性的难点，采用了层次分析法对各层目标的指标权重进行量化。同时针对各模糊指标进行了分解并逐一建立隶属度函数。如图7以节能性指标子要素结构为例。

评价要素集合为：U={U1,U2,U3,U4}，各子集权重为：A={A1,A2,A3,A4}，评判等级集合为：V={v1,v2, …,vn} 。

其中，各单要素子集分别为：U1={u11,u12, …,u1m}，U2={u21,u22, …,u2m}，U3={u31,u32, …,u3m}，U4={u41,u42, …,u4m}。其中U1：安全性指标，U2：正点性指标，U3：节能性指标，U4：舒适性指标。

评判矩阵：

假设V={优，良，合格，不合格}，则可作出如下判断：

若b1＞b2, b3,b4，则评价结果为优；

若b2＞b1, b3,b4，则评价结果为良；

若b3＞b1, b2,b4，则评价结果为合格；

若b4＞b1, b3,b3，则评价结果为不合格。

3.2 数据管理设计

图6 故障及非正常行车评价过程

图7 节能性指标各层结构划分示意图

仿真器系统数据庞杂，类型众多，为了满足系统拓展性及通用性要求，需要针对各种车型的仿真器制定统一的数据存储格式及通用性的数据接口。通过研究发现，仿真器数据大致可以分为仿真器操作记录数据（设备状态、信号状态、速度值、列车管压力值等）和运行环境支持数据（线路数据、课程信息数据、时刻表数据等）。运行环

境支持数据由于其形式和内容基本固定，因此一次加载即可。而仿真器操作记录数据因为其内容的时变性，单纯依靠周期将记录数据全部记录的话，将会生成大量重复且无用的数据，不仅需要评价系统开发相应的数据筛选压缩算法，同时也严重影响了评价系统的处理性能。鉴于记录数据的特点，应用数据对象化的分析方法对数据进行分类。仿真器记录数据按照数据类型主要分为float型（如速度、位置、列车管压力）、bool

型（如主断路器状态、受电弓状态、空转状态）、int型（如换向手柄位置、机车工况、机内信号状态）等。按照数据特点分为连续变量（如速度、管压等）和离散变量（如主断状态、信号状态等）。为解决数据格式及存储管理的问题，开发数据订购及管理模块进行处理。

数据订购及管理模块主要完成两方面的功能。（1）数据的订购：仿真器程序运行过程中主控系统通过调用数据订购模块，将评价系统所需的数据进行保存。其优点保存所需要的数据，未订购的数据不会保存。（2）数据的管理：由于数据属性的差异，针对离散数据只要是数据发生变化的时候才保存一次；针对连续数据，在数据对象化处理过程中设置数据改变的阈值。如果数据变化超过设定的阈值才记录一次。这样的处理方式将是仿真器数据的保存更高效更合理这样的处理方式将使仿真器数据的保存更高效更合理。

数据订购及管理模块如图8所示。

由于仿真器系统运算周期为50 ms，因此仿真器记录数据同样按照周期以数据包的形式保存。其中包头信息保存了系统版本号、线路数据、课程信息数据、备注信息数据等，而记录信息将包含在每个数据包中。

图8 仿真器数据存储格式及内容

4 结束语

列车驾驶仿真器评价系统是对列车司机在仿真器培训系统中实际驾驶的表现进行自动评价的系统，该系统已在铁路培训部门试用，取得了良好的效果。系统通过建立模板库及开发模板库生成工具，实现了扩展性要求。客观评价与主观评价的分类实现，增强了教员参与评价结果的灵活性。同时，针对不同情况设计的评价方法，通过程序的灵活调度实现各层次各阶段的客观评价，体现了程序设计的先进性。该评价系统的研究工作将为我国模拟驾驶仿真系统装备的提升发挥重要作用。

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