基于Vires的城市軌道交通線路三維視景建模與應(yīng)用*

袁海麗王 偉

（1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，100044，北京；2.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，100044，北京∥第一作者，碩士研究生）

基于Vires的城市軌道交通線路三維視景建模與應(yīng)用*

袁海麗1王 偉2

（1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，100044，北京；2.北京交通大學(xué)軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，100044，北京∥第一作者，碩士研究生）

三維視景仿真提供生動的視覺場景，可用于無人駕駛系統(tǒng)仿真測試平臺的可視化測試，提高測試效率。簡要介紹了三維視景仿真，提出三維視景仿真實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一在于線路模型的生成，建模效率低，且生成的線路模型不可復(fù)用。采用Vires工具解決這一問題，并給出線路建模具體實(shí)現(xiàn)方案及線路模型調(diào)整方法。在此基礎(chǔ)上，以北京昌平線為例，實(shí)現(xiàn)了昌平線西二旗站至南邵站的三維視景線路建模及仿真。

城市軌道交通；三維視景仿真；線路模型

First-author’s addressSchool of Electronics and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，100044，Beijing，China

三維視景仿真系統(tǒng)能真實(shí)地反映列車運(yùn)行速度、位置、狀態(tài)等重要信息，正確顯示列車運(yùn)行過程中周邊環(huán)境，并能對列車進(jìn)行實(shí)時控制，以滿足軌道交通測試系統(tǒng)高逼真感需要。三維視景仿真的難點(diǎn)之一是線路模型的設(shè)計(jì)。線路建模的難點(diǎn)和復(fù)雜點(diǎn)在于工務(wù)數(shù)據(jù)是不完整或不準(zhǔn)確的。如果沒有正確的工具或方法處理數(shù)據(jù)，前期產(chǎn)生的很小問題就會給后期模型生成帶來很大麻煩，甚至導(dǎo)致線路模型作廢。因此，選擇正確的線路建模工具和方法可以提高模型的可維護(hù)性，提高建模效率。

1 三維視景仿真

1.1 三維視景仿真簡介

三維視景仿真技術(shù)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的重要分支，是計(jì)算機(jī)、圖形圖像處理與生成、多媒體、信息合成、顯示等諸多高新技術(shù)的綜合運(yùn)用［1］。三維視景仿真系統(tǒng)需模擬實(shí)際線路的現(xiàn)場情況，同時，通過與半實(shí)物仿真駕駛臺的連接控制車體的行進(jìn)，并顯示相關(guān)的視景［2］。對地鐵無人駕駛系統(tǒng)仿真測試平臺的測試需要三維視景提供的視覺及運(yùn)行信息，以便更加高效及精確地完成測試，發(fā)現(xiàn)或解決系統(tǒng)隱含的錯誤。由此可見，三維視景仿真在無人駕駛系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中十分重要。

線路模型在三維視景仿真中簡潔完整地表達(dá)了地理線路信息，為列車模型的運(yùn)行和沿線設(shè)備的展示提供了運(yùn)行環(huán)境，可用于無人駕駛系統(tǒng)自動化測試。線路模型的建立和仿真是三維視景仿真的重點(diǎn)及難點(diǎn)，本文給出了線路模型設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法。

1.2 線路建模背景

傳統(tǒng)線路建模大多采用Creator或其他與Creator相結(jié)合使用的工具［3］。Creator提供了專門的道路建模工具Road。運(yùn)用Road下的construction tool和tessellation tool可完成鐵路線路路徑的生成和鋪裝，逼真地創(chuàng)建包括直線段、緩和線段和坡度段等在內(nèi)的各種標(biāo)準(zhǔn)道路模型［4］。另外，可以采用Multigen Creator與HintCAD結(jié)合的道路地形三維建模方法，首先在HintCAD建立道路地形三維線框模型，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為Creator指定的數(shù)據(jù)格式后，在Creator進(jìn)行地形模型、道路三維模型的處理和道路三維模型的構(gòu)建，生成道路模型［5］。但是，傳統(tǒng)線路建模工作量大，數(shù)據(jù)修改不靈活，效率低，且生成的線路模型不可復(fù)用。

2 基于Vires的線路建模

Vires是針對鐵路領(lǐng)域定制的軟件。它可以通過讀取指定文件自動生成對應(yīng)的線路模型，將外部模型（如護(hù)欄、隧道等模型）添加到模型庫后，在線路模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入、修改外部模型，從而生成三維場景。Vires軟件不僅可以靈活修改線路數(shù)據(jù)使生成的線路模型最大程度逼近真實(shí)線路狀況，還可以修改外部模型屬性達(dá)到最佳視覺效果。在Vires里可以實(shí)現(xiàn)模型的瀏覽、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等效果。

采用Vires工具建立三維仿真線路模型可以解決傳統(tǒng)線路建模的問題。在Vires里生成的線路模型實(shí)現(xiàn)了道路與地形之間的無縫結(jié)合，在線路模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入外部模型（如護(hù)欄、隧道等模型）后，Vires能自動將其與線路模型的彎曲度、坡度等屬性進(jìn)行匹配，并且修改靈活，若要使用線路模型，只需在Vires里導(dǎo)入線路數(shù)據(jù)文件重新生成flt文件即可，復(fù)用性強(qiáng)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

為了生成逼真的線路模型，在前期需要搜集線路數(shù)據(jù)（包括工務(wù)數(shù)據(jù)和電務(wù)數(shù)據(jù)），對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成txt格式的數(shù)據(jù)文件。該數(shù)據(jù)文件作為Vires的輸入文件，輸出為線路模型文件，線路模型調(diào)整的工作在Vires中進(jìn)行，最后輸出線路場景flt文件。線路數(shù)據(jù)主要包括線路曲線信息、坡度信息和軌旁設(shè)備（包含信號機(jī)、計(jì)軸和應(yīng)答器等）信息，分別對應(yīng)于線路文件、坡度文件和標(biāo)記文件。由于線路數(shù)據(jù)來自于線路數(shù)據(jù)庫，有誤差存在，且Vires在生成線路模型的過程中對線路變化做了自動緩和處理，所以生成的線路模型并不滿足實(shí)際需求，甚至有線路交叉的問題。為了使生成的線路模型最大限度逼近真實(shí)線路狀況，需要在Vires中對這3個線路數(shù)據(jù)文件進(jìn)行微調(diào)處理。實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 基于Vires工具的線路模型生成方案

3.1 前期準(zhǔn)備

本文以北京地鐵昌平線為研究對象，昌平線由南向北，一期全程約21.2km，途經(jīng)西二旗、北清路等7個站，高教園站以北為隧道，高教園站及其以南為地面或高架橋形式。

給線路編號：將西二旗站至城南站、城南站至西二旗站的2條線路規(guī)定為主線，分別編號為1、2號線；其它通過道岔連接的線路規(guī)定為附屬線路（或稱側(cè)線）并依次編號，昌平線（除車輛段以外）共有14個線路編號，即有12條側(cè)線。

3.2 模型調(diào)整

3.2.1 調(diào)整線路文件

整條線路由直線和曲線間隔連接而成，直曲線信息從AutoCAD文件中讀取。線路文件以兩條主線為基準(zhǔn)確定坐標(biāo)和公里標(biāo)，文件中的數(shù)據(jù)列表包括線路號、序號、直（曲）線起點(diǎn)公里標(biāo)、直（曲）線標(biāo)志、直（曲）線長度、曲線半徑、曲線拐向，以及一些標(biāo)記信息。每一行的數(shù)據(jù)代表一段直（曲）線信息，數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系為：

式中：

S——本段直（曲）線所處線路起點(diǎn)公里標(biāo)，km；

S0——上一段曲（直）線所處線路起點(diǎn)公里標(biāo)，km；

l0——上一段曲（直）線長度，m。

在每條線路數(shù)據(jù)最后增加一行數(shù)據(jù)作為本條線路結(jié)束標(biāo)志，以免與其他線路混淆。

主線與側(cè)線連接必有道岔，見圖2。為確保道岔尖軌與基本軌緊貼需要對側(cè)線做緩和處理，在側(cè)線末端增加1段圓弧和直線。圖2中若以7號道岔為例，它由1條長3.52 m的直線和1條圓弧組成。弧長一般取44.8 m，曲線半徑為800 m，曲線弧度為15°。

圖2 道岔區(qū)線路示意

式中：

Sc——側(cè)線原有長度，m；

l——圓弧的長度，m；

L——側(cè)線除去緩和段弧線的長度，m；

Sz——包含道岔的側(cè)線長度，m；

l＇——側(cè)線末端的直線長度，取3.52 m。

在Vires中需要調(diào)整曲線半徑和曲線彎曲方向，使整條線路上下行的線間距離滿足規(guī)定的值（除站臺外一般為4.2~5 m之間），如有需要也可以對直線長度做微調(diào)。首先調(diào)整兩條主線間距使之滿足條件；其次保證側(cè)線與主線間距滿足要求；接下來調(diào)整側(cè)線與側(cè)線的間距，最后保證所有的道岔尖軌和基本軌互相搭上，此時需要對道岔處的弧長、曲線半徑等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，注意直線3.52 m的長度不能改變，否則最后產(chǎn)生的線路將不符合實(shí)際線路的特點(diǎn)，達(dá)不到仿真的目的。

3.2.2 調(diào)整坡度文件

考慮到部分線路位于地面之上，另外有橋梁和隧道等不同狀況，加上地形因素，使得整條線路的海拔處于不斷變化之中，這就有了坡度的變化。坡度文件數(shù)據(jù)列表依次包括線路號、序號、坡度起點(diǎn)公里標(biāo)、坡度值、坡長、線路標(biāo)高，以及其它標(biāo)志信息。線路標(biāo)高即為坡度值對應(yīng)的坡道起點(diǎn)公里標(biāo)處的海拔高度。每一行的數(shù)據(jù)代表一段坡度信息，數(shù)據(jù)之間有以下對應(yīng)關(guān)系：

如果側(cè)線一端搭在主線上，另一端不含道岔，則做道岔緩和之后的整條側(cè)線長度近似計(jì)算方法為：

式中：

S——本段坡度起點(diǎn)所處公里標(biāo)，km；

S0——上一段坡度起點(diǎn)所處公里標(biāo)，km；

L0——上一段坡度對應(yīng)的坡長，m；

H——本段坡度起點(diǎn)所處線路標(biāo)高，m；

i0——上一段坡道對應(yīng)的坡度，‰；

H0——上一段坡度起點(diǎn)所處線路標(biāo)高，m。

在每段坡度數(shù)據(jù)最后增加一行數(shù)據(jù)，作為本條線路結(jié)束標(biāo)志，以免與其他線路混淆。

坡度文件的調(diào)整主要集中在雙線上下行線路是否位于同一水平面這一準(zhǔn)則，其誤差不能超過0.2 m；單線則按照線路坡度要求處理。對坡度進(jìn)行微調(diào)處理，首先調(diào)整2條主線坡度使之滿足條件；其次根據(jù)主線坡度調(diào)整側(cè)線坡度；接下來確保次側(cè)線坡度滿足要求。在調(diào)整側(cè)線之前，要保證側(cè)線與主線的道岔處于同一水平面。道岔尖軌和基本軌、2條線構(gòu)成的轍叉心要嚴(yán)格處于同一平面，誤差不能超過0.01 m，否則最后生成的道岔將不符合實(shí)際要求。

3.2.3 調(diào)整標(biāo)記文件

標(biāo)記文件包括信號機(jī)、應(yīng)答器和計(jì)軸器的標(biāo)記信息。信號機(jī)標(biāo)記用于指示信號機(jī)的開口方向和所處線路位置等。應(yīng)答器和計(jì)軸器標(biāo)記用于指示應(yīng)答器和計(jì)軸器所處線路位置。在Vires中調(diào)整這些設(shè)備的公里標(biāo)和坐標(biāo)等屬性，使之處于線路適當(dāng)?shù)奈恢眉纯伞?/p>

3.3 問題及解決方案

線路模型的調(diào)整是一項(xiàng)比較繁復(fù)的工作，為盡量減少調(diào)整模型的工作量，在生成模型之前對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行整合是有必要的。對線路屬性相同或數(shù)值相似的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，可以盡量減少Vires緩和處理，大大降低調(diào)整模型的難度和工作量。

調(diào)整線路文件需要按照一定的順序進(jìn)行，在實(shí)踐中摸索出一定的規(guī)律，既可降低錯誤率，又可提高效率，給后期模型加載提供充分的有效空間。

從前期準(zhǔn)備到線路模型調(diào)整的線路模型設(shè)計(jì)步驟如圖3所示。

4 仿真結(jié)果

本文建立了北京地鐵昌平線西二旗站至南邵站的部分線路模型，如圖4所示。Vires主窗口展示了昌平線的平面信息，線路左邊為西二旗方向，右邊為南邵方向；每條直線有唯一的ID號，代表一條線路，當(dāng)前選中的是ID號為2的線路，即2號線。從圖中可以看到線路彎曲方向；下面的子窗口給出了線路縱切面信息，可以很清楚看到全線對應(yīng)的坡度起伏，最后一段線路很明顯下沉到地面以下，即為隧道部分；點(diǎn)亮Vires工具里的‘signal’標(biāo)識，軌旁設(shè)備就被“安置”在了線路上，道岔處有2個應(yīng)答器和1個計(jì)軸器，信號機(jī)開口方向指示從南邵到西二旗的方向。

在整個三維環(huán)境中，根據(jù)線路公里標(biāo)、直曲線信息、坡度信息及道岔所處公里標(biāo)等可以確定列車在環(huán)境中的坐標(biāo)，為后期三維視景驅(qū)動提供參數(shù)，以達(dá)到方便和精確控制的效果。

圖3 線路建模步驟

5 結(jié)語

本文簡要介紹了城市軌道交通三維視景仿真在無人駕駛系統(tǒng)中所產(chǎn)生的重要作用，給出三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案；提出基于Vires工具的三維視景線路建模方案，解決了三維視景仿真線路建模的難點(diǎn)；通過線路數(shù)據(jù)處理建立了線路模型，并在北京昌平線上得以實(shí)現(xiàn)。

圖4 線路模型

但是，采用Vires工具生成線路模型也有不足之處：前期數(shù)據(jù)量大，容易產(chǎn)生錯誤，而一個小錯誤可能導(dǎo)致后面的工作無效；對數(shù)據(jù)的變化比較“敏感”，容易出現(xiàn)牽一發(fā)而動全身的現(xiàn)象。這些問題在三維視景線路建模中有待提高。

［1］ 吳家鑄，黨崗，劉華峰，等.視景仿真技術(shù)及應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［2］ 王丹.CBTC系統(tǒng)的自動化測試［D］.北京：北京交通大學(xué)自動化系，2010.

［3］ 劉博，徐元銘，史紅偉.基于Creator的列車運(yùn)行三維建模技術(shù)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，30（10）：7545.

［4］ 徐恩，李學(xué)軍，鄒紅霞，等.基于Creator/VP的三維虛擬環(huán)境建模［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（1）：121.

［5］ 張志清，梁昌征，馬驍，等.Multigen Creator與HintCAD結(jié)合的道路地形三維建模［J］.交通信息與安全，2009，3（27）：145.

Application of Line Model Design of 3D Video Simulation Based on Vires Tool

Yuan Haili，Wang Wei

Vivid visual scene provided by 3D model simulation is applied to visualization tests on fully automatic operation system，it can improve the testing efficiency.In this paper，3D video simulation is briefly introduced，and one of the the difficulties on simulation——the low efficiency of line modeling and the one-off usage line model are pointed out.But this problem could be solved by Vires tool，which provides an adjustment method for the implementation of line modeling.On this basis，Beijing subway Changping Line is taken as the background，3D video simulation is implemented and has achieves satisfactory result.

urban rail transit；3D video simulation；line model

TP 391.92

2012-09-18）

*國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA110502）