(57)【要約】【課題】実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる鉄道用運転シミュレータを提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、仮想的に走行する車両からの視界を画像表示する画像表示手段と、前記車両の運行を操作するコントローラと、前記コントローラの操作に応じて車両の走行状態を制御する車両制御手段とを有する鉄道用運転シミュレータであって、前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した走行位置情報に基づいて、前記画像を生成する画像生成手段を有する構成とされる。【選択図】        図１
2005010306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想的に走行する車両からの視界の画像を表示する画像表示手段と、前記車両の運行を操作するコントローラと、前記コントローラの操作に応じて車両の走行状態を制御する車両制御手段とを有する鉄道用運転シミュレータであって、
前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した走行位置情報に基づいて、前記画像を生成する画像生成手段を有することを特徴とする鉄道用運転シミュレータ。
【請求項２】
前記画像生成手段は、時系列的に受信された走行位置情報のうち画像を生成した時点における最新の走行位置情報を用いて次の画像を生成することを特徴とする請求項１記載の鉄道用運転シミュレータ。
【請求項３】
前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した速度情報と現在位置とに基づいて、車両の走行位置を算出し、該走行位置から前記画像を表示させることを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道用運転シミュレータ。
【請求項４】
前記画像生成手段は、前記車両制御手段により算出された前記車両の揺れに基づいて、前記車両の揺れを示す画面を生成することを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。
【請求項５】
現実の車両の走行時に発生する音響を用いて該音響を出力させる音響出力手段とを有し、
前記音響出力手段は、前記画像表示手段により表示される画像と同期して前記音響を出力させることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。
【請求項６】
前記画像表示手段は、前記画像をスクリーンに投影させるプロジェクタを有し、
仮想空間でのカメラの視点と前記仮想空間での投影面との角度と、前記鉄道用運転シミュレータを操作する運転士の視点と前記スクリーンに投影された画像との角度とが同一であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。
【請求項７】
前記コントローラのブレーキハンドルを操作した結果を数量的に表示させる計器表示手段を有し、
前記音響出力手段は、前記計器表示手段に表示されたブレーキシリンダ圧と、前記車両制御手段から受信した前記速度情報とに基づいて、前記音響の音量及び周波数を変化させて出力することを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項記載の鉄道用運転シミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道用運転シミュレータに係り、特に、鉄道の運転操作を訓練すること及び運転士のエラーの研究を目的として仮想的に運転操作を行う鉄道用運転シミュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道の車両運行方法には、鉄道の安全を保つための手段として閉そく方式が取られている。閉そく方式とは、線路上にある区間を設定し、その区間を１列車のみ占有させ、他の列車がその区間に進入を禁止することで、列車の衝突を防いでいる。閉そく区間の列車の有無または侵入の可否を示すものが信号機であり、信号機は列車運転の安全の基本である。しかしながら、鉄道の車両運行中に運転士のいねむりが原因で、信号機を見落とし、誤って閉そく区間に侵入することにより他の列車と衝突してしまう等の列車事故が発生している。
【０００３】
このように、信号機を無視した場合でも安全を確保するために、運転士に警告を出力すると共に、列車にブレーキをかけて列車を停止させる装置として次のようなバックアップシステムが使用されている。
（１）ＡＴＳ（自動列車停止装置）：列車が停止信号機に接近して正常に停車しない場合などに地上からの制御信号により運転室内に警報ベルを鳴らして運転士に注意を喚起したり、自動的にブレーキを動作させて列車を停止信号機の手前に停止させる装置。緊急時に運転士のブレーキ操作をバックアップするものである。
（２）ＡＴＣ（自動列車制御装置）：列車の速度を地上からの信号・速度情報により自動的にブレーキをかけたり、制限速度以下になればブレーキを緩めたりする装置。ただし、加速制御は行わない。
（３）ＥＢ装置：運転中の動力車乗務員の異常状態を検知し、列車を停止させる装置。動力車乗務員が主幹制御器やブレーキ操作など一連の運転操作が１分間全く行われないことで検知し、警報ブザーを鳴動させる。その後５秒以内に運転操作、リセット操作が行われなければ、列車を非常停止させるものである。
【０００４】
これらのバックアップシステムを使用したとしても、踏み切りで車や人間と衝突してしまったり、停車すべき駅を通過してしまったり、保線作業中の作業員を誤って轢いてしまう事故が発生している。上記バックアップシステムには、次の問題点が存在すると考えられるからである。（１）エラーの数自体を減らすものではない。（２）エラーが生じた時のみに作動しなければならないが、通常時にも介入する事がある。（３）取り扱いを間違うと新たなエラーが発生する。
【０００５】
そこで、バックアップシステムだけでなく、運転士にエラーを起こさせないためにも、運転士に運転操作の訓練やエラーの解析を行うための鉄道用運転シミュレータが必要である。このような鉄道用運転シミュレータは、仮想的に鉄道の運転操作を行うことができ、主に、車両の運転を行うためのコントローラを用いて操作し、その操作に応じて車両を運転する運転士から見た視界が画像表示される構成とされている。このような鉄道用運転シミュレータにおける従来技術の例を以下に示す。
【０００６】
従来技術として、運転教習を開始する駅から終了する駅までの駅間路線映像と、その間に存在する各駅で停車する場合の各駅近傍の路線映像である駅停車路線映像とを保持し、走行条件によって駅間路線映像と駅停車路線映像とを切替えて再生することにより、運転操作に対応した路線映像が投影される点が記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
従来技術として、運転教習において停車寸前での精度の高い定点停止訓練ができるように、停車駅近傍の側面路線映像を加えて、運転操作とシミュレーション路線の路線映像の相関関係を高め、精度の高い定点停止訓練ができる鉄道車両の運転教習用シミュレータを得ることを目的とする発明であり、運転台の前方に配置された前方路線映像表示手段に前方路線映像を表示することに加えて、運転台側面に側面映像表示手段を配置し、停車駅近傍に来ると側面映像表示手段に側面映像を表示するように構成した点が記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
また、上記のような運転シミュレーションは、鉄道用の分野で用いられるだけでなく、自動車の分野ではＩＴＳ（高度道路交通システム）の開発過程で、運転支援システムの評価、高齢ドライバの運転挙動の解析などが行われている。その他に、航空の分野でも、飛行機の開発における安定性や操縦性評価、操縦法の検討に利用されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−１６１５１６号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平１１−２３７８３０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の鉄道用運転シミュレータでは、車両を運転する運転士から見た視界の画像表示から、実際に運転している臨場感や緊張感を得るには難しいという問題点があった。
【００１２】
また、従来の鉄道用運転シミュレータは、実車両を詳細に再現した運転室を用いているため、列車の機種などに応じてシステムを変更するのは難しく、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができないという問題点があった。
【００１３】
また、従来の鉄道用運転シミュレータは、実車両と同じ運転室環境に設定された車両をコントローラの操作に応じて揺らす動振装置を設置するなど、開発、製造工程のコストが非常に高額なものとなってしまう。現状では、従来の鉄道用運転シミュレータは、コスト面で融通の効く大手の鉄道運営企業で使用されるのがほとんどであり、鉄道用運転シミュレータを必要としている規模の小さな企業や施設などで使用するには、コスト面で困難であるという問題点があった。
【００１４】
そこで、本発明の課題は、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる鉄道用運転シミュレータを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載されるように、仮想的に走行する車両からの視界を画像表示する画像表示手段と、前記車両の運行を操作するコントローラと、前記コントローラの操作に応じて車両の走行状態を制御する車両制御手段とを有する鉄道用運転シミュレータであって、前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した走行位置情報に基づいて、前記画像を生成して表示する構成とされる。
【００１６】
このような鉄道用運転シミュレータでは、画像表示手段が車両制御手段から受信した走行位置情報と、現実の車両の走行時の動きを想定した車両モデルとに基づいて、画像を生成して表示することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる。尚、上記画像表示手段は、図１に示す視界表示用ＰＣ４、プロジェクタ３に対応し、上記車両制御手段は、車両制御用ＰＣ２０に対応する。
【００１７】
表示される画像の同期を確保するという観点から、本発明は、請求項２に記載されるように、前記画像生成手段は、時系列的に受信された走行位置情報のうち画像を生成した時点における最新の走行位置情報を用いて次の画像を生成する構成としてもよい。
【００１８】
このような鉄道用運転シミュレータでは、画像生成手段が時系列的に受信された走行位置情報のうち画像を生成した時点における最新の走行位置情報を用いて次の画像を生成することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【００１９】
画像を滑らかに表示させるという観点から、本発明は、請求項３に記載されるように、前記画像表示手段は、前記車両制御手段から受信した速度情報と現在位置とに基づいて、車両の走行位置を算出し、該走行位置から前記画像を表示させる構成としてもよい。
【００２０】
このような鉄道用運転シミュレータでは、前記画像表示手段が車両制御手段から受信した速度情報と現在位置とに基づいて、車両の走行位置を算出し、走行位置から画像を表示させることにより、画像を滑らかに表示させることができる。
【００２１】
現実の車両走行に近い揺れを画像に反映させるという観点から、本発明は、請求項４に記載されるように、前記画像生成手段は、前記車両制御手段により算出された前記車両の揺れに基づいて、前記車両の揺れを示す画面を生成する構成としてもよい。
【００２２】
このような鉄道用運転シミュレータでは、車両の揺れの算出結果に基づいて、車両の揺れを示す画面を生成することにより、車両の揺れを画像に反映させ、車両が揺れているような感覚を与えることができる。
【００２３】
画像表示と同期して実際の走行時に近い音響を出力するという観点から、本発明は、請求項５に記載されるように、現実の車両の走行時に発生する音響を用いて該音響を出力させる音響出力手段とを有し、前記音響出力手段は、前記画像表示手段により表示される画像と同期して前記音響を出力させる構成としてもよい。
【００２４】
このような鉄道用運転シミュレータでは、音響出力手段は、画像表示手段により表示される画像と同期して現実の車両の走行時に発生する音響を用いて音響を出力させることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【００２５】
現実の視野と同様の画像を表示させるという観点から、本発明は、請求項６に記載されるように、前記画像表示手段は、前記画像をスクリーンに投影させるプロジェクタを有し、仮想空間でのカメラの視点と前記仮想空間での投影面との角度と、前記鉄道用運転シミュレータを操作する運転士の視点と前記スクリーンに投影された画像との角度とが同一である構成としてもよい。
【００２６】
このような鉄道用運転シミュレータでは、仮想空間でのカメラの視点と仮想空間での投影面との角度と、鉄道用運転シミュレータを操作する運転士の視点とスクリーンに投影された画像との角度とが同一であることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【００２７】
実際に運転している臨場感や緊張感を得るという観点から、本発明は、請求項７に記載されるように、前記コントローラのブレーキハンドルを操作した結果を数量的に表示させる計器表示手段を有し、前記音響出力手段は、前記計器表示手段に表示されたＢＣ（ブレーキシリンダ）圧と、前記車両制御手段から受信した前記速度情報とに基づいて、前記音響の音量及び周波数を変化させて出力する構成としてもよい。
【００２８】
このような鉄道用運転シミュレータでは、コントローラの操作により計器表示手段に表示されたＢＣ圧と速度情報とに基づいて、音響出力手段から音響の音量及び周波数を変化させて実録音を再生することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施の一形態に係る鉄道用運転シミュレータの構成図である。図１において、鉄道用の車両の運転操作をシミュレーションするための鉄道用運転シミュレータ１０は、実車両を操作する手段を有する運転台である車両２と、車両２に接続され、車両２の操作に応じて音響を出力するスピーカ１と、仮想的に走行する車両２からの視界の画像表示を制御する視界表示用ＰＣ（パーソナルコンピュータ）４と、視界表示用ＰＣ４に接続され、画像をスクリーン６に投射するプロジェクタ３と、プロジェクタ３からの画像が投射されるスクリーン６とで構成されるシステムである。
【００３１】
また、車両２は、車両の運転を操作するコントローラ２２と、コントローラ２２による操作結果を数量的に表示させるディスプレイなどの計器パネル２１と、コントローラ２２による操作結果に応じて車両２の操作を制御する車両制御用ＰＣ２０とで構成される。
【００３２】
尚、車両制御用ＰＣ２０と、視界表示用ＰＣ４とはＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）５を介して接続されている。また、ＬＡＮ５の通信方法において、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）、ＵＤＰ（Ｕｓｅｒ  Ｄａｔａｇｒａｍ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）等が適応可能である。本発明の鉄道用運転シミュレータ１０では、データが小さく高速性が要求されるためＵＤＰを用いる。また、視界表示用ＰＣ４では、ＵＤＰを容易に扱うことができるソフトウェア（Ｗｉｎｓｏｃｋ）を用いるものとする。
【００３３】
車両制御用ＰＣ２０は、パーソナルコンピュータであって、ＣＰＵ（中央処理装置）によって車両２の走行状態を制御する処理が実行される。ＣＰＵは、メモリユニットに格納されたプログラムに従ってコントローラ２２による操作に応じた車両２を制御する処理を行う。例えば、コントローラ２２で、ブレーキや速度の調整が行われると、車両制御用ＰＣ２０は、計器パネル２１に操作結果を供給する。また、車両制御用ＰＣ２０は、コントローラ２２の操作に基づいて、所定の時間間隔の車両２の走行位置情報及び速度情報を生成すると共に、車両の揺れの変位を算出し、それらの走行位置情報、速度情報、車両の揺れをＬＡＮ５を介して視界表示用ＰＣ４に提供する。同時に、車両制御用ＰＣ２０は、走行位置情報及び速度情報に同期させた音響、即ち、プロジェクタ３から出力される画像に合った音響をスピーカ１に供給する。尚、車両制御用ＰＣ２０は、所定の時間間隔で走行位置情報及び速度情報を視界表示用ＰＣ４に提供するようにしてもよい。
【００３４】
視界表示用ＰＣ４は、パーソナルコンピュータであって、ＣＰＵによって車両２からの視界を表示する処理が実行される。ＣＰＵは、メモリユニットに格納された画像生成プログラムに従って車両制御用ＰＣ２０から供給された走行位置情報及び速度情報に基づいて、コンピュータグラフィック（画像）を生成する処理を行う。例えば、視界表示用ＰＣ４は、車両制御用ＰＣ２０から走行位置情報及び速度情報が供給されると、走行位置情報、速度情報、車両の揺れによる変位を用いて画像を生成され、生成された画像はプロジェクタ３に供給される。プロジェクタ３は、供給された画像をスクリーン６へ投影させる。
【００３５】
上記車両モデルとは、現実に車両２が走行した時の揺れを想定したもので、その揺れを画像に反映させるために用いられる。画像に揺れを反映させて視界画像を揺らすことにより、車両２が揺れているような感覚を与えることができる。そのような効果を高めるため、車両モデルに基づいて車両の揺れを生成する。具体的には、車両の揺れは、車両が走行する軌道の狂いや、車両への乗客乗降時の不規則な加圧、慣性力、重力等に基づいて生成される。この車両モデルについては、図５〜図１０で詳細に説明する。
【００３６】
従って、鉄道用運転シミュレータ１０において、車両制御用ＰＣ２０は、コントローラ２２による操作結果に応じた走行位置情報及び速度情報を視界表示用ＰＣ４に提供し、視界表示用ＰＣ４で生成された画像をプロジェクタ３によりスクリーン６に投影し、視界画像を表示させることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができると共に、コストを削減することができる。尚、車両制御用ＰＣ２０、及び視界表示用ＰＣ４は、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができる。
【００３７】
次に、鉄道用運転シミュレータ１０の各構成の配置について説明する。図２は、鉄道用運転シミュレータの各構成の配置を説明するための図である。図２（Ａ）は、鉄道用運転シミュレータ１０を上方向から見た図である。図２（Ｂ）は、鉄道用運転シミュレータ１０を横方向から見た図である。図２（Ｃ）は、鉄道用運転シミュレータ１０を後方向から見た図である。図２（Ｃ）に示すように各構成は、スクリーン６の中心線と重なるようにプロジェクタ３を設置し、運転士からの視点２５が中心線上になるように鉄道用運転シミュレータ１０を使用する。
【００３８】
図１に示す車両制御用ＰＣ２０と視界表示用ＰＣ４との間のＬＡＮ５接続は、高速化を図った設計としているが、データの送受信でずれが発生してしまうため、同期を確保する必要がある。以下に同期を確保するための方法について説明する。図３は、車両制御用ＰＣと視界表示用ＰＣとの間のデータ送受信の同期について説明するための図である。図３（Ａ）は、受信したデータを１フレーム毎に画像表示する場合を示す図である。図３（Ｂ）は、画像表示処理にかかる時間がデータの送受信の周期より上回る場合を示す図である。図３（Ｃ）は、画像表示処理とは別にデータを複数回受信する場合を示す図である。
【００３９】
図３（Ａ）において、例えば、時刻ｔ１で、視界表示用ＰＣ４は車両制御用ＰＣ２０からデータ（▲１▼）を受信する。視界表示用ＰＣ４では、データ（▲１▼）を用いて画像を表示するための計算を行う。ここで、計算時間をＴ１０とすると、受信時刻ｔ１から計算時間Ｔ１０経過後、時刻ｔ２で、計算結果から得られた画像（▲１▼）をスクリーン６へ表示する。このように、図３（Ａ）では、計算時間Ｔ１０が、次のデータ（▲２▼）を受信するまでの時間よりも短いため、同期を確保するための処理を行う必要はない。
【００４０】
図３（Ｂ）において、例えば、時刻ｔ１１で、視界表示用ＰＣ４は車両制御用ＰＣ２０からデータ（▲１▼）を受信する。ここで、視界表示用ＰＣ４による計算時間をＴ２０とする。計算時間Ｔ２０の間の時刻ｔ１２に次のデータ（▲２▼）を受信し、時刻ｔ１１から計算時間Ｔ２０経過後の時刻ｔ１３で、計算結果から得られた画像（▲１▼）をスクリーン６へ表示する。時刻ｔ１３で画像表示された後、時刻ｔ１２に受信したデータ（▲２▼）について計算を開始し、時刻ｔ１３から計算時間Ｔ２０経過後の時刻ｔ１５で、計算結果から得られた画像（▲２▼）が表示される。同様にして、時刻ｔ１５で画像表示された後、時刻ｔ１４で受信したデータ（▲３▼）について計算を開始し、時刻ｔ１７で、計算結果から得られた画像（▲３▼）が表示される。このように、図３（Ｂ）では、１フレームの画像表示処理にかかる時間がデータの送受信の周期より上回るため、受信データが視界表示用ＰＣ４のバッファに溜まり、同期がとれず画像表示が遅延してしまう。
【００４１】
図３（Ｃ）において、例えば、時刻ｔ２１で、視界表示用ＰＣ４は車両制御用ＰＣ２０からデータ（▲１▼）を受信する。ここで、視界表示用ＰＣ４による計算時間をＴ３０とする。計算時間Ｔ３０の間の時刻ｔ２２に次のデータ（▲２▼）を受信し、時刻ｔ２２から計算時間Ｔ３０経過後の時刻ｔ２３で、計算結果から得られた画像（▲１▼）をスクリーン６へ表示する。時刻ｔ２３で画像表示された後、時刻ｔ２２に受信したデータ（▲２▼）について計算を開始する。また、この時、時刻ｔ２４でデータを受信する。時刻ｔ２３から計算時間Ｔ３０経過後の時刻ｔ２５で、計算結果から得られた画像（▲２▼）が表示される。また、時刻ｔ２５で、次に画像処理を行うデータは、最新の受信データを用いるため、時刻ｔ２５で受信するデータ（▲４▼）が用いられ、計算時間Ｔ３０経過後の時刻ｔ２７で画像表示される。このように、図３（Ｃ）では、画像表示処理とは別にデータを複数回受信し、複数回受信したデータのうち最新の受信データを選択するため、画像表示を遅延させることなく同期を確保することができる。
【００４２】
次に、図３（Ｃ）に示す同期を確保した場合の画像の動きについて説明する。図４は、ＰＣ間の同期を確保した場合の画像の動きのグラフを示す図である。図４に示す表１００は、縦軸には車両２が走行した距離、横軸には経過時刻を示し、画像表示を開始した時点を時刻１として表示している。表１００のグラフの黒点で画像を表示しているため、同期を確保したとしても画像がギクシャクしてしまう。これは、データを取得した正確な時刻を得ることができないために、走行距離を予測することができず、画像を補正することができない点でも問題がある。そこで、車両２の走行位置情報の他に速度情報を受信し、次の数式１から車両位置を計算する。
【００４３】
【数１】
2005010306.tif 000003
ここで、ｘ（ｔ−Δｔ）は前回の車両位置、ｘｉｎは受信したときの車両位置、ｖは車両速度、Δｖは経過時間、ｋ１、ｋ２は重みであり、ｋ１＝０．７５、ｋ２＝０．２５としている。
【００４４】
従って、視界表示用ＰＣ４は、上記数式を用いて画像を生成することにより、滑らかに画像を表示することができ、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【００４５】
次に、車両モデルについて説明する。図５は、車両の揺れについて説明するための図である。図５（Ａ）において、従来の鉄道用運転シミュレータには車両２と動振装置２７とが設けられている。動振装置２７で車両２の床を揺らすことにより、車両２の揺れを再現している。このように、従来の鉄道用運転シミュレータには、動振装置２７などの大掛かりな装置を有するものがほとんどであった。
【００４６】
図５（Ｂ）は、地面を基準とした車両２の揺れと、車両２の床を基準とした車両２の揺れを示している。車両モデルは、車両制御用ＰＣ２０に組み込まれており、軌道狂いなどの入力値の計算から車体の揺れの計算まで、車両制御用ＰＣ２０が行う。視界表示用ＰＣ４は、視界の描画のみ行っている。つまり、車両制御用ＰＣ２０は、車両モデルの出力である車体の変位である左右ｙ、上下ｚ、ローリングφ、ピッチングθ、ヨーイングψを視界表示用ＰＣ４に随時送り、視界描画用ＰＣは、受け取った車体の変位に基づいてコンピュータグラフィックスの風景を移動、回転させている。風景が移動、回転することと、車両が変位することは車上の観察者に対しては、図５（Ｂ）に示すように相対的に同じであるため、観察者は車体が揺れているような感じを受ける。従って、視界の画像を揺らすことで車両２が揺れているような感覚を与えるため、車両モデルに基づいて、振動などの現実の車両の走行時の動きを画像に反映させる車両の揺れが生成された。
【００４７】
図６、７は、車両モデルについて説明するための図である。車両の揺れを模擬するために、車体、空気ばね、左右動ダンパからなる振動系をモデル化したもの、即ち、車両モデルを図６、７に示す。車両制御用ＰＣ２０には、図６、７に示す車両モデルから導いた運動方程式が格納されている。図６（Ａ）は車両２全体の車両モデルを示す図であり、図６（Ｂ）は車両モデルの入力と出力を示す概念図である。図７（Ａ）は車両２の左右平面の車両モデルを示す図であり、図７（Ｂ）は、車両２の前後平面の車両モデルを示す図である。この車両モデルに、軌道の作成方法によって計算された軌道狂いをｙＢＦ、ｚＢＦ、φＢＦ、ｙＢＲ、ｚＢＲ、φＢＲとして与えることにより、運動方程式に基づいて車両の運動が計算され、車体が左右ｙ、上下ｚ、ローリングφ、ピッチングθ、ヨーイングψの５つの振動パターンで振動する。車両の揺れは、図６（Ｂ）に示すように車両が走行する軌道の狂い、及び車両への乗客乗降時の不規則な加圧、慣性力、重力に基づいて生成される。また、車両モデルに入力するものとして、軌道狂いのほかに、カント（カーブにおいて外側のレールを高くすること）φＢＦ、φＢＲ、慣性力、旅客乗降の力などがあり、これらによっても車体が揺れる。また、カントと、軌道狂いの記号が同じなのは、軌道狂いがカントを含めた変位となっているからである。慣性力は、車体２の重心位置に作用する。このような車両モデルに基づいて、車両２の振動が再現されるが、視界表示用ＰＣ４による画像生成時に車両２の揺れを反映させるようにしてもよいし、車両制御用ＰＣ２０により車両２の揺れを再現し、視界表示用ＰＣ４に供給してもよい。尚、車両２の床以下の振動については考慮していない。
【００４８】
次に、車両モデルの作成に使用される車両が走行する軌道の狂いについて説明する。図８は、軌道の作成時期を説明するための図である。図８において、車両２が実際の軌道を走行しているものと仮定している。軌道は、不規則な凹凸を有する。不規則な凹凸から発生する軌道の狂いは、乱数（ホワイトノイズ）に１次遅れ要素のフィルタを通して得ることができる。本発明の鉄道用運転シミュレータ１０では、車両２を走行させている段階で軌道の狂いを算出する。軌道の狂いは数式２で算出される。
【００４９】
【数２】
2005010306.tif 000004
また、上記ｕに乱数を入力する。ｘ＝０のとき、ｙ＝ｙ０、距離がｘ＝ｈのときの狂いｙは数式３で算出される。
【００５０】
【数３】
2005010306.tif 000005
数式２、数式３に基づいて、数式４、数式５に示すプログラムを繰り返すことにより、不規則な凹凸の軌道が算出される。
【００５１】
【数４】
2005010306.tif 000006
ここで、数式４に示すαは−１≦α＜１の乱数である。
【００５２】
【数５】
2005010306.tif 000007
図８に示すように、軌道の狂いを算出する場合、１ブロックを２５ｍとし、１ブロック走行する毎に軌道を作成する。即ち、車両２が２５ｍ進む毎に、車両制御用ＰＣ２０により走行位置情報及び速度情報を生成し、以前に生成したデータは削除するものとする。
【００５３】
図９は、作成された軌道を説明するための図である。図９（Ａ）、（Ｂ）は図８に示すように１ブロック毎に作成される軌道の狂いを示すグラフである。図９に示す軌道の狂いが作成されると、その作成された軌道の狂いに基づいた車両の揺れが計算される。この車両２の揺れを画像に反映させることができる。
【００５４】
次に、車両への乗客乗降時の不規則な加圧について説明する。図１０は、車両への乗客乗降時の不規則な加圧について説明するための図である。図１０において、縦軸を乗車率、横軸を時間とした乗降の関係を示している。時刻ｔ４１で車両２の扉が開かれ、時刻ｔ４２で乗客の乗降が終了し、時刻ｔ４３で車両２の扉が閉じられることを示している。また、時刻ｔ４１から時刻ｔ４３までの時間は最短停車時間であり、時刻ｔ４２から時刻ｔ４３までの時間で車両２が閉扉されている。時刻ｔ４１から時刻ｔ４２までの時間は乗降時間Ｔ４０である。
【００５５】
このように乗降は、路線データでそれぞれの駅に定義された乗車率と最短停車時間から模擬される。乗客の乗降時、車両２の１点に不規則な力を加えて車両２を揺らすように設定する。具体的には、降車（２ａ）は、乗車（ａ）の２倍であり、車両２に揺らす値の大きさも２倍とする。乗降時間を過ぎると突然揺れが止まるという不自然さをなくすため、閉扉されるまで小さな揺れを発生させる。
【００５６】
次に、スクリーン６に投影される投影面について説明する。図１１は、視点の位置と投影画像とを示す図である。例えば、運転士がスクリーン６に投影された画像を見るとき、所定の位置から見ない場合、空間が歪んで見える。図１１（Ａ）、（Ｃ）は、仮想カメラの視点から４本の円柱を見た場合の投影面を示している。図１１（Ｂ）は、スクリーン６への投影画像を示している。視界表示用ＰＣ４は、図１１（Ｂ）に示すような投影画像を生成し、プロジェクタ３によりスクリーン６へ投影する。本願発明の鉄道用運転シミュレータ１０による視界画像は、３次元モデルを描画したコンピュータグラフィックスで再現しており、建物などの風景は３次元データとして視界表示用ＰＣ４に記録されている。視界表示用ＰＣ４は、２次元のスクリーン６に投影すために、記録されている３次元データをリアルタイムで２次元画像に生成する。その処理は、コンピュータ上の３次元空間（仮想空間）に仮想の投影面（フロントクリッピング平面）を所定の視点（カメラ）から見た時、投影面の中に見える風景が２次元画像となる。この時、投影面の位置や角度が変われば２次元画像は変化する。実空間では、観察者がスクリーンの２次画像を見て元の３次元モデルを推測するという逆の処理を行っている。ここで、視点に対して仮想空間の投影面と実空間の投影面が同じ位置でなければ、元の３次元には戻らない。図１１（Ａ）に示すように、仮想カメラの視点から４本の円柱を見た場合の投影面から、図１１（Ｂ）に示す投影画面が得られる。図１１（Ｃ）に示すように、仮想カメラの視点と投影面との距離を図１１（Ａ）よりも長くした状態で投影画像を見た時、図１１（Ｂ）に示す４本の円柱の位置とは異なって見える。したがって、正確な位置からスクリーン６を見なければ、空間が歪んで見えてしまう。
【００５７】
次に、正確な位置からスクリーン６を見るための投影面と視点との位置関係について説明する。図１２は、実空間及び仮想空間の投影面と視点の位置を示す図である。図１２（Ａ）は、実空間での観察者の視点とスクリーン６との位置関係を示している。図１２（Ｂ）は、仮想空間（コンピュータ上の空間）でのカメラ３０の視点と仮想平面（フロントクリッピングプレーン）６０との３種類の位置関係を示している。鉄道用運転シミュレータ１０では、スクリーン６と観察者の位置は、他の構成の配置で決まっているため、仮想空間における投影面（フロントクリッピングプレーン）の位置を実空間における投影面（スクリーン６）の位置と相似になるように配置する（図１２（Ｂ）の左端）。図１２（Ｂ）の中央、右端に示すカメラ３０の視点と仮想平面６０との位置関係では、投影面（スクリーン６）に投影される画面では空間が歪んで見えてしまう。従って、本発明の鉄道用運転シミュレータ１０は、空間が歪んで見えないように、仮想空間のカメラと仮想投影面との角度と、鉄道用運転シミュレータ１０を操作する観察者の視点とスクリーン６に投影された画像との角度とが同一となるように設定されることにより、実際に運転している速度感を観察者に与えることができる。
【００５８】
尚、投影面と視点との位置関係は同一距離ではなく、相似とする理由は、３次元データから２次元の投影画像にする段階で奥行きの情報が失われるため、投影画像から元の３次元モデルの大きさまでを読み取ることができないためである。
【００５９】
次に、画像表示と同期してスピーカ１から出力されるブレーキの軋り音について説明する。図１３は、ブレーキの軋り音について説明するための図である。図１３（Ａ）は、速度に対する音量変化を示している。図１３（Ｂ）は、速度に対する摩擦係数を示している。ブレーキ軋り音は、速度ｖと、コントローラ２２により操作され、計器パネル２１で表示されるＢＣ（ブレーキシリンダ）圧とにより、音量と周波数を変化させて実録音を再生する。これにより、実車両に近い音響を再現し、スピーカ１から出力させることができる。音量Ａは、数式６に示すようにＢＣ圧に比例して大きくなり、更に、数式７に示すように速度ｖによって変化する。
【００６０】
【数６】
2005010306.tif 000008
【００６１】
【数７】
2005010306.tif 000009
尚、数式７のグラフが図１３（Ａ）である。また、数式８に示すように周波数ｆは、ＢＣ圧Ｐと制輪子の摩擦係数μ、即ちブレーキ力によって変化する。
【００６２】
【数８】
2005010306.tif 000010
尚、数式８中のμ／μ０のグラフが図１３（Ｂ）であり、図１３（Ｂ）に示すように、摩擦係数μは速度と共に変化する。従って、コントローラ２２の操作により計器パネル２１に表示されたＢＣ圧と、速度情報に基づいてスピーカ１から音響の音量及び周波数を変化させて実録音を再生することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができる。
【００６３】
次に、図１に示す鉄道用運転シミュレータ１０での処理の流れ、特に、車両制御用ＰＣ２０及び視界表示用ＰＣ４での処理の流れについて説明する。図１４は、鉄道用運転シミュレータにおける機能間の処理の流れについて説明するための図である。図１４において、車両制御用ＰＣ２０は、路線データ２００と車両データ２０１とが格納されており、先行列車制御処理部２０２、信号制御処理部２０３、保安装置制御処理部２０４、車掌制御処理部２０５、ドア制御処理部２０６、乗客制御処理部２０７、駆動制御処理部２０８、軌道制御処理部２０９、車両モデル算出処理部２１０、音響生成処理部２１１とを有する。視界表示用ＰＣ４は、風景データ４００が格納されており、画像生成制御処理部４０１を有する。尚、図１４に示す長方形で囲む各構成２０２〜２１１、４０１では（制御）処理部という記載を省略している。
【００６４】
先ず、コントローラ２２により操作された結果が駆動制御処理部２０８へ提供される（ステップＳ１）。また、路線データ２００が、先行列車制御処理部２０２、信号制御処理部２０３、保安装置制御処理部２０４、車掌制御処理部２０５、乗客制御処理部２０７、駆動制御処理部２０８、軌道制御処理部２０９へ供給される（ステップＳ２）。車両データ２０１が、保安装置制御処理部２０４、駆動制御処理部２０８へ供給される（ステップＳ３）。先行列車制御処理部２０２は、路線データ２００に基づいて生成された位置情報を信号制御処理部２０３に供給する（ステップＳ４）。信号制御処理部２０３は、位置情報に基づいて信号情報を保安装置制御処理部２０４に供給する（ステップＳ５）。保安装置制御処理部２０４は、駆動制御処理部２０８と制御データの送受信を行う（ステップＳ６）。保安装置制御処理部２０４は、供給された情報に基づいて警報情報を音響生成処理部２１１に供給する（ステップＳ７）。
【００６５】
尚、車掌制御処理部２０５は、路線データ２００等に基づいて生成したドアの制御情報や放送情報、ブザー情報を、ドア制御処理部２０６、音響生成処理部２１１に供給する（ステップＳ８）。ドア制御処理部２０６は、制御情報に基づいて生成したドア制御情報を乗客制御処理部２０７、音響生成処理部２１１、保安装置制御処理部２０４に供給する（ステップＳ９）。乗客制御処理部２０７は、路線データ２００等に基づいて生成した重量情報、乗降情報を駆動制御処理部２０８、車両モデル算出処理部２１０に供給する（ステップＳ１０）。駆動制御処理部２０８は、位置情報、速度情報を車掌制御処理部２０５に供給する（ステップＳ１１）。
【００６６】
また、駆動制御処理部２０８は、位置情報、速度情報を車掌制御処理部２０５に供給する（ステップＳ１２）。軌道制御処理部２０９は、路線データ２００及び位置情報に基づいて生成した軌道狂いを車両モデル算出処理部２１０に供給する（ステップＳ１３）。駆動制御処理部２０８は、加速度情報を車両モデル算出処理部２１０に供給すると共に、位置情報を音響生成処理部２１１に供給する（ステップＳ１４）。車両モデル算出処理部２１０は、ばねの変位を音響生成処理部２１１に供給する（ステップＳ１５）。駆動制御処理部２０８は、位置情報を画像生成処理部４０１に供給する（ステップＳ１６）。車両モデル算出処理部２１０は、車体変位を視界表示用ＰＣ４の画像生成処理部４０１に供給する（ステップＳ１７）。風景データ４００が、画像生成処理部４０１に供給される（ステップＳ１８）。画像生成処理部４０１は、位置情報及び車体変位情報とに基づいて画像を生成し、プロジェクタ３に供給する（ステップＳ１９）。音響生成処理部２１１は、供給された警報情報、放送情報、ブザー情報に基づいて、音情報をスピーカ１に供給する（ステップＳ２０）。プロジェクタ３は、生成した画像をスクリーン６に供給する（ステップＳ２１）。
【００６７】
このように、本発明の鉄道用運転シミュレータ１０は、仮想的に走行する車両からの視界を画像表示し、車両の運行操作に応じて車両の走行状態を制御し、車両制御用ＰＣ２０から受信した走行位置情報と車体変位とに基づいて、視界表示用ＰＣ４の制御によりプロジェクタ３からの画像をスクリーン６に投影する登共に、スピーカ１から画像と同期して音情報が出力されることにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる。
【００６８】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、画像表示手段が車両制御手段から受信した走行位置情報と車体変位とに基づいて、画像を生成して表示することにより、実際に運転している臨場感や緊張感を得ることができ、また、シミュレータの環境を柔軟に設定変更することができると共に、コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る鉄道用運転シミュレータの構成図である。
【図２】鉄道用運転シミュレータの各構成の配置を説明するための図である。
【図３】車両制御用ＰＣと視界表示用ＰＣとの間のデータ送受信の同期について説明するための図である。
【図４】ＰＣ間の同期を確保した場合の画像の動きのグラフを示す図である。
【図５】車両の揺れについて説明するための図である。
【図６】車両モデルについて説明するための図である。
【図７】車両モデルについて説明するための図である。
【図８】軌道の作成時期を説明するための図である。
【図９】作成された軌道を説明するための図である。
【図１０】車両への乗客乗降時の不規則な加圧について説明するための図である。
【図１１】視点の位置と投影画像とを示す図である。
【図１２】実空間及び仮想空間の投影面と視点の位置を示す図である。
【図１３】ブレーキの軋り音について説明するための図である。
【図１４】鉄道用運転シミュレータにおける機能間の処理の流れについて説明するための図である。
【符号の説明】
１                  スピーカ
２                  車両
３                  プロジェクタ
４                  視界表示用ＰＣ
５                  ＬＡＮ
６                  スクリーン
１０                鉄道用運転シミュレータ
２０                車両制御用ＰＣ
２１                計器パネル
２２                コントローラ
２７                動振装置
【図１】
2005010306.tif 000011
【図２】
2005010306.tif 000012
【図３】
2005010306.tif 000013
【図４】
2005010306.tif 000014
【図５】
2005010306.tif 000015
【図６】
2005010306.tif 000016
【図７】
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【図８】
2005010306.tif 000018
【図９】
2005010306.tif 000019
【図１０】
2005010306.tif 000020
【図１１】
2005010306.tif 000021
【図１２】
2005010306.tif 000022
【図１３】
2005010306.tif 000023
【図１４】
2005010306.tif 000024