高速列車運動仿真可視化建模研究

呂希奎， 周小平， 賈曉秋

（1. 石家莊鐵道大學(xué)交通運輸學(xué)院，河北 石家莊 050043 2. 交通安全與控制河北省重點實驗室，河北 石家莊 050043）

高速列車運動仿真可視化建模研究

呂希奎1,2， 周小平1， 賈曉秋1

（1. 石家莊鐵道大學(xué)交通運輸學(xué)院，河北 石家莊 050043 2. 交通安全與控制河北省重點實驗室，河北 石家莊 050043）

以CRH系列高速列車為研究對象，建立了基于變參數(shù)的列車三維動態(tài)仿真模型，實現(xiàn)了多種列車單元模型在運動過程中的實時調(diào)入和裝配，滿足了高速列車運動仿真多樣性的要求。采用Visual C++ 6.0、OpenGL三維圖形庫和Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)完成高速列車運動仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)高速列車運動仿真可視化建模以及與線路設(shè)計之間的有效集成。通過實際應(yīng)用，取得了較好的仿真效果。

高速列車；三維建模；運動仿真；仿真系統(tǒng)；三維可視化

將虛擬仿真技術(shù)和高速列車運動結(jié)合起來進(jìn)行研究，在計算機(jī)上重建線路設(shè)計方案，再現(xiàn)一個真實的鐵路運行環(huán)境，對評價和優(yōu)化線路設(shè)計結(jié)果、高速列車運行的安全性和可靠性、旅客舒適度以及列車運行控制策略等具有重要意義。對此，國內(nèi)外很多專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，就高速列車運動仿真可視化建模而言，國內(nèi)主要有：黃友能、唐濤、牛清華等采用MultiGen Creator三維建模軟件構(gòu)建三維視景模型，采用 Vega視景仿真軟件進(jìn)行視景驅(qū)動實現(xiàn)了城軌列車虛擬駕駛仿真[1-2]。劉敏賢和王家素采用 3DMAX構(gòu)建了視景仿真的三維場景，根據(jù)高溫超導(dǎo)磁懸浮車及其在軌道上的運行情況和運行特點，模擬了高溫超導(dǎo)磁懸浮車的運動仿真[3]。劉博、徐元銘和史紅偉對基于 Creator的列車運行三維建模技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并用 Creator軟件建立了簡化的列車、線路及環(huán)境模型，但沒有對列車運動仿真進(jìn)行研究[4]。姜璐和寧濱以 Creator建立線路虛擬場景，以 Vega為軟件設(shè)計平臺，建立了列車駕駛室仿真模型，應(yīng)用在列車三維駕駛仿真中，而不是整列高速列車模型和運動仿真[5]。翟婉明實現(xiàn)了基于軌道動力學(xué)應(yīng)用的單節(jié)車輛運動仿真，但也不是一列完整的列車，其線路場景也是較短的虛擬的一段線路三維場景，并不是實際的線路設(shè)計方案實景[6-7]。在國外，都靈理工大學(xué)的 Caneparo L研究了都靈伯塔蘇薩高速列車車站的虛擬現(xiàn)實設(shè)計與管理[8]；韓國鐵道研究院的Jun和Hyun-Kyu研究了在一個交互式虛擬環(huán)境下的多列車運行模擬[9]；俄亥俄大學(xué)的Kljuno、Elvedin、Williams II等研究了以控制和虛擬現(xiàn)實為基礎(chǔ)的車輛仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了車輛的動態(tài)模擬[10]；羅馬大學(xué)的Bruner M和Rizzetto L對列車在鐵路軌道動態(tài)模擬進(jìn)行了深入研究[11]。

綜合目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，主要集中于采用視景仿真軟件和三維建模軟件，模擬較短的線路進(jìn)行列車的運動仿真，與實際的線路有著較大的區(qū)別，所建的列車模型也主要是單節(jié)車輛模型，仿真控制比較簡單。缺少基于線路設(shè)計與高速列車運動可視化仿真建模的研究。基于三維線路設(shè)計應(yīng)用的高速列車運動仿真可視化建模的難點在于：

1） 整車模型數(shù)據(jù)量大，不再是單節(jié)列車模型，運動過程中要求實時加載和裝配模型，對運動仿真計算算法有較高的要求，在保證加載和裝配實時性前提下，必須還具備較高的運動仿真速度；

2） 列車各組成單元模型之間的約束關(guān)系以及與線路約關(guān)系復(fù)雜，既有整列車的運動與三維線路之間的約束關(guān)系，又有各列車各單元之間的約束關(guān)系，實時運動過程中坐標(biāo)計算、控制更復(fù)雜。

本文將重點解決上述兩個難點問題，實現(xiàn)基于三維線路設(shè)計的高速列車運動仿真三維可視化建模。

1 三維視景模型的分析和建立

1.1 列車模型的建模流程

系統(tǒng)中的高速列車選取CRH系列動車組，列車運動在具體的線路上，而線路是由直線和曲線組成，這種特性決定了無法預(yù)先建立一列完整的高速列車模型，因為在曲線部分，由于整列車模型具有一定長度，在曲線段列車部分模型有可能位于線路外，這將導(dǎo)致運動仿真不真實，示意圖如圖1所示。

圖1 整車一體模型部分位于線路外示意圖

為了能更有效、更逼真的進(jìn)行列車運動仿真，根據(jù)動車組特點和單元模型化的概念，采用單元建模的方法解決該問題，即將整列列車模型拆分成多個單元模型，在運動過程中再實時對各單元模型進(jìn)行組裝成整列列車模型，而運動控制則由各單元模型獨立控制自己的運動。為簡化說明，以2M2T編組為例，建立高速列車仿真模型（兩輛頭車和兩輛中間車組成），如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)車輛單元模型組成

按照圖2系統(tǒng)模型的單元組成方式，列車整體模型如圖3所示。

圖3 列車整體運動模型

高速列車模型的多樣化和任意編組，可以有多個不同列車模型，如2M2T、4M4T、6M2T等。通過編組設(shè)置，能夠根據(jù)需求，進(jìn)行多種列車模型的運動仿真，如圖4所示。

圖4 列車模型編組設(shè)置

1.2 列車幾何模型

根據(jù)系統(tǒng)的模型組成（以 2M2T為例），采用面向?qū)ο蠓椒ǎ熊嚹Ｐ腿S場景構(gòu)成為：

高速列車模型場景={頭車 1，中間車輛 1，中間車輛2，頭車2，ID號，名稱，紋理，材質(zhì)，顏色，光照…}

由于列車三維運動仿真系統(tǒng)是一個多變量、多自由度的系統(tǒng)[7]，尤其是三維線路場景的運動仿真中，系統(tǒng)的復(fù)雜性大大加強(qiáng)，需要將模型進(jìn)行簡化。系統(tǒng)幾何模型歸結(jié)為以下對象的相互作用：

1） 動車車體對象：車體，轉(zhuǎn)向架，輪對組成為動車車輛剛體對象。

2） 線路整體對象：離散的鋼軌、軌枕、道床、路基等統(tǒng)一簡化為一個線路剛體對象。

動車剛體以輪對和路基對象中的鋼軌之間以3個空間方向規(guī)定了各對象之間的空間約束關(guān)系。在三維場景中與線路模型對象組成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

1.3 運動系統(tǒng)坐標(biāo)系的建立

列車的運動由車輛的各構(gòu)件運動組成，其中剛性構(gòu)件包括：車體、輪對等。每一個可移動的剛性構(gòu)件有6個規(guī)定的自由度，即X、Y、Z方向的位移和繞X、Y、Z方向的旋轉(zhuǎn)角。整個仿真場景有一個全局坐標(biāo)系，定義在車體質(zhì)心垂直于軌面的交點處，每一個組件有一個局部坐標(biāo)系，位置隨車在線路上變化而變化。在列車運動仿真系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)實時互動。如列車運行時輪對的轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)向架的運動情況等，這些都需要由 DOF技術(shù)來實現(xiàn)。它通過定義坐標(biāo)系和設(shè)定運動屬性，使模型對象具有各自運動的能力，可以控制它的所有子節(jié)點，按照所設(shè)置的自由度范圍運動。以中間車輛為例，其系統(tǒng)運動坐標(biāo)系的構(gòu)成如圖6所示。每個局部坐標(biāo)系相對位置的變化，嚴(yán)格參照主坐標(biāo)系的變化而變化。

1.4 列車三維線路場景

要實現(xiàn)列車運動的視景仿真，建立逼真的列車運行環(huán)境是必不可少的，它不僅包括了鐵路信號、鐵軌、軌枕、接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，及機(jī)車、車輛等信息，還包括了周邊的地理環(huán)境信息共同構(gòu)成了列車運動仿真的基礎(chǔ)。本文是在已有的三維線路設(shè)計系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計方案為列車運動仿真構(gòu)建了三維線路場景，這為列車運動仿真提供了線路條件和基礎(chǔ)，如圖7所示。

圖6 運動系統(tǒng)性坐標(biāo)系

圖7 軌道三維幾何模型

2 列車運動仿真實時處理算法

在列車運動過程中，必須解決列車運動過程中在線路空間位置的確定。針對列車運動是離散計算問題，采用如下算法：以線路作為軌跡函數(shù)，求出線路與車輛在不同位置的運動系列，然后計算列車單元模型各構(gòu)件疊加在不同行駛位置的運動上，構(gòu)成整個列車系統(tǒng)的運動。

其流程如下：

根據(jù)當(dāng)前運動的里程s，從線路設(shè)計數(shù)據(jù)庫中讀取設(shè)計方案的線路三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前里程s位于的線路的哪兩個斷面內(nèi)。

確定好所處兩個斷面后，根據(jù)兩個斷面三維坐標(biāo)插值出單元模型的當(dāng)前在線路上的空間坐標(biāo)。

其中 ),,(111zyx和 ),,(222zyx是軌道相臨斷面中心點三維坐標(biāo)，斷面處里程分別為l1和l2，兩斷面里程間距為12lll-= 。

將機(jī)車車輛定義為在線路上行駛的連續(xù)運動對象，而線路作為連續(xù)運動的路徑函數(shù)，線路函數(shù)定義為

因此，在渲染某一幀圖形時，首先要在線路上搜索，頭車及構(gòu)件模型在當(dāng)前行程在軌道某相鄰關(guān)鍵節(jié)點之間，獲得當(dāng)前幀圖像的實際運動位置點。這種插值可以描述為圖8所示[7]。然后再將列車其它單元模型疊加在不同行駛位置上（直線段平移；線路曲線段平移+旋轉(zhuǎn)），構(gòu)成整個耦合系統(tǒng)的運動。

圖8 運動軌跡的位置插值

算法具體描述如圖9所示。

通過圖9所示的算法，就可以實現(xiàn)每個列車車輛單元模型及其組成的構(gòu)件在某一時刻的行程數(shù)據(jù)，與其在三維運動模型系統(tǒng)中所處的位置相匹配，同時每個車輛單元模型也與其它車輛單元模型相匹配。經(jīng)過這種處理，將當(dāng)前行駛位置車輛單元模型及其各構(gòu)件與當(dāng)前行駛位移量疊加起來，就得到了動車組整體模型在線路上的運動仿真。

圖9 算法流程圖

3 高速列車運動仿真實現(xiàn)

3.1 列車單元模型建模方法

建立三維模型的軟件有多種，如AutoCAD，3Dmax，Maya等。其中3D Max是Autodesk公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、工程可視化等領(lǐng)域。具有建模功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性好、操作簡單等特點。本文采用3D Max建立動車組三維單元模型。模型最終效果如圖10所示。

圖10 模型最終效果圖

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用Visual C++編程語言、OpenGL三維圖形庫和 Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)完成高速列車運動仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)是在已有的鐵路線路三維系統(tǒng)基礎(chǔ)之上的子系統(tǒng)，實現(xiàn)過程如下：

1） 首先在線路三維系統(tǒng)中進(jìn)行線路設(shè)計，然后建立三維線路模型，運行主界面如圖 11所示。

圖11 系統(tǒng)運行主界面

2） 按照圖4列車模型編組設(shè)置，選擇CRH系列動車進(jìn)行編組，從模型數(shù)據(jù)庫調(diào)入模型，經(jīng)過模型解釋和裝配以及基于線路函數(shù)的動畫關(guān)鍵幀生成，可以得到合理簡化的列車、線路及環(huán)境模型，實現(xiàn)了逼真的鐵路運行環(huán)境。系統(tǒng)以一種有序的方式集成在綜合仿真平臺下，形成了車輛—線路運動仿真環(huán)境。根據(jù)不同的動車車輛和線路參數(shù)建立多種高速列車模型。圖 12、圖 13為不同類型動車組的運動仿真結(jié)果。

圖12 CRH5動車組運動仿真結(jié)果

圖13 CRH3動車組運動仿真結(jié)果

在運動仿真過程中，動車單元模型組裝和空間約束正確，完好的建立了整列列車模型，整個系統(tǒng)能夠以每秒30～45幀運行，完全滿足實時運動仿真的要求。

4 結(jié) 論

在面向?qū)ο蟮慕７椒ɑA(chǔ)上，通過引入三維建模和模型可視化技術(shù)，對列車運動仿真系統(tǒng)中的列車可視化建模進(jìn)行了研究。分析了列車三維模型的層次和建模特點，給出了相關(guān)建模流程。通過模型和運動數(shù)據(jù)實時插值與匹配的圖像關(guān)鍵幀生成技術(shù)，實現(xiàn)了列車三維模型與線路設(shè)計之間最終集成。建立了高速列車運動與三維線路設(shè)計綜合集成的仿真系統(tǒng)。通過實際建模和應(yīng)用，取得了滿意的仿真效果，滿足視景仿真的實時驅(qū)動要求 。

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The motion simulation of high-speed train

Lü Xikui1,2, ZhouXiaoping1, Jia Xiaoqiu1

( 1. School of Traffic and Transportation of Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China;2. Traffic Safeties and Control Lab of Hebei Province, Shijiazhuang Hebei 050043, China )

The three-dimensional dynamic simulation model based on varying parameters is established for the CRH high-speed train, and the real-time transfer and assembly of various train element models during the process of motion are achieved. A high-speed train movement simulation system is developed using Visual C++ 6.0, OpenGL 3D graphics library and the Oracle Database. A comprehensive integrated simulation system between High-speed train movement and three-dimensional line design is established. The experiments show that good simulation results are obtained.

high-speed train; three-dimensional modeling; motion simulation; simulation system; 3D visualization

U 29-39

A

2095-302X (2013)01-0087-05

2011-09-16；定稿日期：2011-12-15

國家自然科學(xué)基金資助項目（51278316）

呂希奎（1976-），男，遼寧綏中人，副教授，主要研究方向為工程信息技術(shù)與虛擬環(huán)境仿真技術(shù)、線路勘測設(shè)計現(xiàn)代技術(shù)。E-mail：Lvxikui@163.com