一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法及仿真系统技术方案

本发明专利技术提供了一种沉浸式高铁虚拟驾驶行为智能评判方法及仿真系统。本发明专利技术的通过以下方式实现：建立虚拟驾驶场景模块，构建由多智能体组成的各种驾驶训练场景；建立高铁动力学模块，包括高铁各个子系统如发动机、传动系、转向机构、车身等不同的模块；建立虚拟驾驶视景仿真模块；建立高铁逻辑仿真模块；建立数据头盔显示与人机交互模块，基于虚拟现实技术研究头盔式显示器的头部跟踪技术，通过高铁的操纵机构来控制、操纵高铁在虚拟环境中的运动。最后，根据用户与仿真系统交互过程中所积累的虚拟驾驶操作数据，实现基于时变动态贝叶斯网络(Time Varying Dynamic Bayesian Networks,TVDBN)动态学习模型的驾驶行为智能研判。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及虚拟现实技术、机械传动技术、计算机图形学、三维实时渲染技术、计算机接口技术、数据通信技术等，尤其涉及沉浸式的虚拟驾驶行为智能评判方法及仿真系统。
技术介绍
高铁驾驶模拟器通过操纵仿真、动力学仿真、视景仿真等系统，构造出一个驾驶者-虚拟场景的交互驾驶环境。在虚拟场景模拟中，为真实模拟道路交通环境，需在场景中加入车辆等运动物体，这些运动物体模拟真实世界中对应的行为，可以实时感知环境，自行规划、决策和操作。这种具有自治性、反应性、能在复杂的动态环境中实现目标的物体，可视为智能体。在驾驶模拟器的交互场景中，尤以车辆智能体最为关键，其仿真度直接影响驾驶模拟器的真实感。虚拟场景中的车辆智能体是独立存在于虚拟环境中的智能个体，具有人类驾驶者的意图和行为，可以自行根据目标以及虚拟环境中周围的交通标志、障碍物等的环境约束。将虚拟现实头盔显示技术应用于高铁驾驶模拟系统中，就是由计算机产生高铁行驶过程中的虚拟视景和运动仿真，通过头盔显示器使驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，并有实车驾驶的感觉。驾驶员根据虚拟驾驶环境提供的视觉、听觉、触觉感受，构想其驾驶动作，操纵模拟驾驶舱中的操纵机构，计算机根据驾驶员的操作状态，改变高铁在虚拟环境中的状态，其过程的不断循环，构成驾驶员-虚拟驾驶环境之间的交互作用，实现高铁的虚拟驾驶，从而体验、认识和学习现实世界中的高铁驾驶。近年来，应用人工智能算法解决智能体系统的决策控制问题是决策与控制理论方法研究的一大趋势。例如：应用人工神经网络进行无人机控制系统设计；应用模糊逻辑实现机器人定位与控制；应用市场拍卖算法、进化算法、认知图和博弈论等方法实现多智能体协同任务分配和路径规划。然而，当应用环境随时间发生变化，智能体系统呈现非平稳特征时，上述建模方法所构建的决策控制模型极易发生失真或失效。然而，基于现有的技术，面向对象的方法在高铁动力学系统分析中不能得到更加细致的应用，高铁动力学数学模型没有考虑到环境和车辆自身因素的影响，这样也会在智能评判过程中产生误差，导致结果不精准。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法及仿真系统。根据本专利技术的一个方面，提供一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：在系统初始化时，根据用户的需求从高铁数据模型库中将用于仿真的车辆数据模型调入到动力学模型中，同时选择运行的三维场景，通过模型解析模块把三维场景从场景数据库中调入视景渲染模块中；步骤2：运行时，操纵输入处理模块通过网络通讯模块及操纵台输入与输出接口计算机获得驾驶人员的操纵动作，并改变高铁逻辑表中的对应参数；高铁逻辑计算及ATC逻辑计算模块定时进行高铁逻辑计算及ATC逻辑的逻辑计算；一次仿真计算完成后，逻辑计算与运行计算的结果通过网络通信模块送往操纵台、电器柜进行输出控制，同时也被送往视景、声音、信号仿真系统进行相应的控制，并被记录在运行记录文件中；步骤3：驾驶人员通过虚拟驾驶操作输入系统进行模拟驾驶操作，在仿真系统里虚拟驾驶；在虚拟驾驶过程中实现基于时变动态贝叶斯网络动态学习模型的虚拟驾驶行为智能评判。进一步根据本专利技术的一个方面，一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：在视景渲染模块中，采用用运动相机来模拟人眼的功能；在执行渲染动作期间，先在场景中定位相机；相机根据远近剪裁平面、横纵比、高度和高度角创建一个取景裁剪体；将3D裁剪体中的物体压缩映射到一张2D照片上，然后将照片简单地映射到屏幕的窗口中；使用相机创建出来的投影矩阵来渲染图形场景的其余部分。进一步根据本专利技术的一个方面，一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：运行时，首先在场景遍历之前实例化一个透视相机，并根据驾驶员位置及视角对相机位置、前后裁减面属性进行设置；其次，通过面向对象的方式建立了一个实时记录机车在虚拟场景中遍历状态的类；最后，根据得到的驾驶员头部转动信息，经过数据转化和几何变换计算后得到驾驶员头盔旋转的角度，将当前时刻高铁的行驶位置通过空间几何计算，得到相机的运动位置和观察方向并储存在相机的遍历状态中。进一步根据本专利技术的一个方面，一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：步骤3中，根据用户与仿真系统交互过程中所积累的虚拟驾驶行为操作数据，实现基于时变动态贝叶斯网络动态学习模型的驾驶行为智能研判。根据本专利技术的一个方面，提供一种用于沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判的仿真系统，其特征在于：包括计算机以及各种实现视、听、触、力反馈效果的输入输出设备；计算机中集成了虚拟场景数据库模块，视景渲染控制模块，高铁动力学计算模块和数据头盔采集信息模块；所述虚拟场景数据库模块中包括由建筑物、道路、树木、交通标志以及天空背景的场景模型按照设定要求组成的不同行驶环境，并能够将行驶环境供视景渲染控制模块进行调用；所述视景渲染控制模块根据高铁列车虚拟驾驶的要求，通过模型解析、图形渲染、人机交互，为虚拟驾驶系统提供运行平台，实现交互控制和场景的显示和调度；所述高铁动力学计算模块内依据真实高铁列车驾驶过程中人员的操纵步骤，结合高铁列车的机械、物理特性，建立有符合高铁列车运动规律的实时运动模型；所述数据头盔采集信息模块与实现视、听、触、力反馈效果的输入输出设备配合；所述实现视、听、触、力反馈效果的输入输出设备包括双目液晶显示屏幕、耳机、麦克、数据转换器和位置跟踪器；其中耳机、麦克连接计算机声卡和头盔显示器；数据转换器一端接计算机显卡，另一端接双目液晶显示屏幕的输入端；用于捕捉训练者头部水平偏摆和竖直仰俯位置信息的位置跟踪器的输出端接计算机；视景渲染控制模块根据驾驶人员的视线方位确定驾驶人员所应观察到的视景，并分别生成左、右眼的视景图像，通过计算机显卡传送到双目液晶显示屏幕，形成具有沉浸感的立体视景图像。进一步的根据本专利技术的一个方面，一种用于沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判的仿真系统，其特征在于：在虚拟驾驶环境中，设计多种自治的、具有智能行为的动态实体，包括管理、导航、动态驾驶公告；在虚拟场景中，赋予每个虚拟车辆智能体以特定的任务，并预先确定行驶路线。进一步的根据本专利技术的一个方面，一种用于沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判的仿真系统，其特征在于：所述管理智能体负责整个驾驶环境的管理和监测，生成各个具有不同特性因子、目标任务和行为规则智能体；所述导航智能体负责各智能体的路径管理，提供道路信息；所述交通公告智能体提供驾驶管理信息、驾驶导向信息、各智能体状态信息，进行有效的驾驶疏导和导向。进一步的根据本专利技术的一个方面，一种用于沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判的仿真系统，其特征在于：所述高铁动力学计算模块中的高铁发动机速度变化仿真模型采用离散仿真模型：K1=a(k)TS=TSδ*m[Ft(v(k))-Fb(k)-Ff(k)-Ft(k)-Fw(v(k))]]]>K2=a(k+1)TS=TSδ*m[Ft(v(k)+K1)-Fb(k)-Ff(k)-Ft(k)-Fw(v(k)+K1)]]]>其中，K1、K2为速度增量因子，TS为仿真时间步长，a(k)为高铁行驶加速度。进一步的根据本专利技术的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：在系统初始化时，根据用户的需求从高铁数据模型库中将用于仿真的车辆数据模型调入到动力学模型中，同时选择运行的三维场景，通过模型解析模块把三维场景从场景数据库中调入视景渲染模块中；步骤2：运行时，操纵输入处理模块通过网络通讯模块及操纵台输入与输出接口计算机获得驾驶人员的操纵动作，并改变高铁逻辑表中的对应参数；高铁逻辑计算及ATC逻辑计算模块定时进行高铁逻辑计算及ATC逻辑的逻辑计算；一次仿真计算完成后，逻辑计算与运行计算的结果通过网络通信模块送往操纵台、电器柜进行输出控制，同时也被送往视景、声音、信号仿真系统进行相应的控制，并被记录在运行记录文件中；步骤3：驾驶人员通过虚拟驾驶操作输入系统进行模拟驾驶操作，在仿真系统里虚拟驾驶；在虚拟驾驶过程中实现基于时变动态贝叶斯网络动态学习模型的虚拟驾驶行为智能评判。

【技术特征摘要】
1.一种种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：在系统初始化时，根据用户的需求从高铁数据模型库中将用于仿真的车辆数据模型调入到动力学模型中，同时选择运行的三维场景，通过模型解析模块把三维场景从场景数据库中调入视景渲染模块中；步骤2：运行时，操纵输入处理模块通过网络通讯模块及操纵台输入与输出接口计算机获得驾驶人员的操纵动作，并改变高铁逻辑表中的对应参数；高铁逻辑计算及ATC逻辑计算模块定时进行高铁逻辑计算及ATC逻辑的逻辑计算；一次仿真计算完成后，逻辑计算与运行计算的结果通过网络通信模块送往操纵台、电器柜进行输出控制，同时也被送往视景、声音、信号仿真系统进行相应的控制，并被记录在运行记录文件中；步骤3：驾驶人员通过虚拟驾驶操作输入系统进行模拟驾驶操作，在仿真系统里虚拟驾驶；在虚拟驾驶过程中实现基于时变动态贝叶斯网络动态学习模型的虚拟驾驶行为智能评判。2.根据权利要求1所述一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：在视景渲染模块中，采用用运动相机来模拟人眼的功能；在执行渲染动作期间，先在场景中定位相机；相机根据远近剪裁平面、横纵比、高度和高度角创建一个取景裁剪体；将3D裁剪体中的物体压缩映射到一张2D照片上，然后将照片简单地映射到屏幕的窗口中；使用相机创建出来的投影矩阵来渲染图形场景的其余部分。3.根据权利要求2所述一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：运行时，首先在场景遍历之前实例化一个透视相机，并根据驾驶员位置及视角对相机位置、前后裁减面属性进行设置；其次，通过面向对象的方式建立了一个实时记录机车在虚拟场景中遍历状态的类；最后，根据得到的驾驶员头部转动信息，经过数据转化和几何变换计算后得到驾驶员头盔旋转的角度，将当前时刻高铁的行驶位置通过空间几何计算，得到相机的运动位置和观察方向并储存在相机的遍历状态中。4.根据权利要求1所述一种沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判方法，其特征在于：步骤3中，根据用户与仿真系统交互过程中所积累的虚拟驾驶行为操作数据，实现基于时变动态贝叶斯网络动态学习模型的驾驶行为智能研判。5.一种用于沉浸式高铁列车虚拟驾驶行为智能评判的仿真系统，其特征在于：包括计算机以及各种实现视、听、触、力反馈效果的输入输出设备；计算机中集成了虚拟场景数据库模块，视景渲染控制模块，高铁动力学计算模块和数据头盔采集信息模块；所述虚拟场景数据库模块中包括由建筑物、道路、树木、交通标志以及天空背景的场景模型按照设定要求组成的不同行驶环境，并能够将行驶环境供视景渲染控制模块进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张安全，白晓亮，杜艳齐，张二阳，
申请(专利权)人：郑州捷安高科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41