基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線設計系統

易思蓉, 聶良濤

(1. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線設計系統

易思蓉1,2, 聶良濤1,2

(1. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

為了在逼真顯示的三維地理環境中實現鐵路三維實體選線設計,研制了一個基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線設計系統.該系統集成空間信息技術、數字攝影測量技術、地理遙感技術、虛擬現實技術以及計算機仿真技術,基于航測影像信息和衛星遙感信息,建立了一個逼真顯示的鐵路虛擬地理環境;采用BIM(building information modeling)技術,構建了鐵路構造物基元模型庫;通過調用庫中的實體基元模型,實時構建方案線三維模型,并在三維環境下對其進行檢查修改,比選不同結構類型,實現三維實體選線設計.系統在中老鐵路勘測設計中進行了實例驗證,結果表明:該系統能夠讓選線工程師在室內環境下模擬現場實景分析和踏勘,能快速構建方案線三維實體模型,具有方案線比選直觀等特點,能滿足環境選線、重大工程優先選址選線、海外鐵路選線的需求.

虛擬地理環境;鐵路;選線設計;BIM;數字化

鐵路選線設計是一項涉及多個專業的綜合性規劃設計工作.在鐵路選線設計中,線路工程師必須充分利用他們的領域知識和信息,對地形、地質、水文等自然環境進行分析,以便設計出一條滿足政治、經濟、技術等各方面要求的鐵路線路.由于線路在空間位置的確定依賴于設計人員對自然條件的分析,所以選線設計比其他許多工程設計對地理環境具有更強的依賴性[1].

為了提高設計質量和設計速度,自20世紀50年代以來,鐵路與道路領域的專家學者就開始探索基于數字地形信息的計算機輔助線路設計的理論和方法[2-11].經過近60年的研究與發展,選線設計系統已從70年代的孤立和自封閉的專門化軟件,向著基于逼真顯示的三維地理環境的數字化設計系統發展.

本文詳細介紹了一個基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線設計系統,該系統集成先進的空間信息技術、現代測繪技術、虛擬現實技術及計算機仿真技術,直接基于航測、衛星影像信息,建立三維立體地理環境模型,采用基于虛擬地理環境的三維數字化選線設計理念代替傳統的二維透視設計方法.通過鐵路構造物三維實體實時建模,實現了基于真實感地理環境的三維實體選線設計技術.

1 鐵路虛擬地理環境建模平臺

虛擬地理環境是指由硬件、三維地理環境建模軟件和人組成的一個系統.該系統讓人在計算機軟硬件模擬產生的一個虛擬三維地理空間中,可以自由地行走探索,并可多感知地與虛擬地理空間的物體進行交互[12].

虛擬地理環境的發展存在兩個基本的方向:一是基于虛擬現實技術的投入型虛擬地理環境;二是基于因特網和萬維網的三維圖形環境發展的非投入型虛擬地理環境[13].

投入型虛擬地理環境是參與者作為虛擬三維世界的一部分,與虛擬地理空間的物體交互,具有如同在現實物質世界一樣或相似的感覺.參與者一般要戴上立體顯示頭盔、立體眼睛、數據手套、數據衣等.投入型虛擬環境又分為完全投入型虛擬地理環境和半投入型虛擬地理環境.完全投入型頭盔式虛擬地理環境,是參與者要戴上頭盔,人完全與現實物質世界相隔離,當參與者移動頭部或轉動頭部方向時,三維境像都要被立即更新.

半投入型的虛擬地理環境,有大屏幕投影方式、虛擬工作臺(virtual workbench)方式等.圖1是西南交通大學研制的鐵路數字化選線設計系統的地理環境建模平臺采用的大屏幕投影式半投入型真三維投影平臺(3DPT)[14-15].

圖1 大屏幕投影式半投入型虛擬地理環境系統Fig.1 Half-input-virtual geographic environment system with large screen projection

根據鐵路數字化選線設計需求,鐵路虛擬地理環境建模平臺應由數字地形數據生成系統、計算機硬件系統、大型數字地形建模系統、虛擬視景仿真系統、工程數據庫系統、三維立體投影設備6部分組成,其組成結構如圖2所示.

圖2 虛擬地理環境建模平臺系統結構Fig.2 Structure of modeling platform of virtual geographic environment

虛擬地理環境建模平臺是由硬件、專用軟件和自行研制的鐵路地理環境建模型軟件構成的集成化系統.

鐵路數字化選線設計系統的虛擬環境硬件系統是一個能進行三維虛擬現實仿真、具有高性能計算和三維交互設計能力的計算機集成系統,其基本配置由通用計算機部分和專用圖形設備、數字地形信息采集設備和立體可視設備等構成,如圖3所示.

圖3 鐵路數字化選線設計系統硬件環境配置圖Fig.3 Diagram of Hardware c onfiguration of digital railway location design system

2 鐵路數字化選線設計系統總體結構與主要功能

鐵路數字化選線設計系統主要由選線工程數據庫管理、虛擬地理環境建模、數字化選線設計和鐵路視景仿真與漫游4大模塊組成.其結構組成如圖4所示.

系統以菜單命令和菜單形式為用戶提供各種功能操作,系統由項目管理、環境建模、方案管理、線路建模、視圖、影像、三維景觀漫游、工程技術指標、工程地質信息管理、窗口管理、立體調節、幫助等菜單項構成,如圖5所示.實現虛擬環境選線設計的主體功能包括數據庫管理、虛擬地理環境建模、方案線管理與設計、三維實體線路建模與結構物比選、基于虛擬環境的選線方案評價與比選、選線方案三維視景漫游.

圖4 鐵路數字化選線設計系統結構圖Fig.4 Structure diagram of digital railway location design system

圖5 系統主要功能菜單界面Fig.5 The menu interface of main functions

3 鐵路線路三維實體選線設計

3.1 初始中心線設計

鐵路線路初始中心線設計界面如圖6所示.

圖6 線路三維設計界面Fig.6 Interface for a 3D railway line design

新建線路方案時,先進行基本信息設置.選擇菜單基本信息設置,彈出“方案線基礎信息設置”對話框,如圖7所示(例如:方案名稱為QJ1,里程冠號為DK,起點里程為0 m,擬合間隔為5 m,線路寬度為13.4 m).

圖7 方案線基礎信息設置Fig.7 Selection of the basic information of a railway line scheme

系統提供屏幕交互模式和控制點選擇模式進行線路走向設計,也可以通過既有資料導入或手工輸入交點新建線路.方案線在三維場景中,分顏色顯示橋、隧、路基段,如圖8所示.

方案線設置好后,即可在三維環境視窗、二維平面視窗、縱斷面視窗進行三維線路協同設計.如在三維環境視窗中選中交點,可移動交點到新位置.

圖8 方案線顯示Fig.8 Showing of a railway line scheme

3.2 基于構造物布置的三維實體選線設計

3.2.1 基于三維構造物模型的實體選線設計

初步確定線路中心線空間位置后,運行實體選線功能,進行方案線上所有構造物(橋、橋墩、路堤、路塹、隧道、路基等)的選型及位置設計,運行構造物建模功能,實現構造物模型(BIM)實時建模,建立三維鐵路線路BIM模型.并在三維可視化環境中進行構造物布設方案分析,鐵路三維實體選線方案路基段如圖9(a)所示,橋梁段如圖9(b)所示.

3.2.2 基于三維實體設計的選線方案修改

在系統三維環境視窗中,使用鼠標左鍵可以選中三維鐵路構造物模型,如路堤(路塹)、橋梁、隧道,并對其進行分析與修改.路堤(路塹)地段三維實體選線界面如圖10所示.

(a)路基段(b)橋梁段圖9 鐵路三維實體選線方案Fig.9 Railwaylocationschemesin3Dstructures

圖11為隧道地段三維實體選線界面.圖12為橋梁地段三維實體選線界面.圖13為軌道設備三維實體設計界面.系統還提供不同構造物選線方案比選功能,如圖14隧道方案與高路塹方案比選.

(a)路塹地段(b)路堤(路塹)編輯界面圖10 路塹地段三維實體選線界面Fig.10 3DInterfaceforlinedesignoncuttingsection

(a)隧道地段(b)隧道編輯界面圖11 隧道地段三維實體選線界面Fig.11 3DInterfaceforlinedesignontunnelsection

(a)橋梁地段(b)橋梁編輯界面圖12 橋梁地段三維實體選線界面Fig.12 3DInterfaceforlinedesignonbridgesection

圖13 軌道設備三維實體設計界面Fig.13 3D Interface for track equipment design

(a)隧道方案(b)高路塹方案圖14 隧道方案與高路塹方案比選設計界面Fig.14 Interfaceofcomparingbetweentunnelschemeandhighcuttingscheme

4 工程案例

本案例根據中老鐵路某段設計資料和DEM、DOM數據進行實驗驗證.中老鐵路是泛亞鐵路規劃中線方案的重要組成部分,也是東盟相鄰國家間大能力、高標準鐵路網建設和中國—東盟鐵路通道形成的需要.該鐵路兼有城際和旅游功能,屬促進地方資源開發的客貨共線的快速鐵路,是我國通往東南亞的重要鐵路[16].本實驗段DEM范圍長約30.5 km,寬約36.5 km,DOM為高清彩色影像,地形數據分辨率為0.2 m.

多分辨率帶狀地形環境如圖15所示,圖15(a)為正射投影下的地形環境,圖15(b)為透視投影下的地形環境.

線路試驗段里程范圍為DK14+200～D2K52+900.根據給定里程范圍和線路控制點資料,系統設計中心線路方案如圖16.三維實體選線結果如圖17所示.

(a)正射投影下的帶狀地形環境(b)透視投影下的帶狀地形環境圖15 中老鐵路實驗區多分辨率帶狀地形環境Fig.15 Zonalterrainenvironmentwithmulti-resolutionofexperientialsectioninChina-LaosRailway

圖16 中老鐵路實驗段線路中線方案Fig.16 The line scheme of experiential section in China-Laos Railway

(a) 實體選線設計結果(近視點)

(b) 實體選線設計結果(遠視點)圖17 中老鐵路實驗段三維實體選線設計結果Fig.17 3D Railway location results of experiential section in China-Laos Railway

5 結 論

我國鐵路建設正處在飛速發展的階段,鐵路選線設計是整個鐵路建設中關系全局的總體性工作,采用現代化信息技術手段推進鐵路選線技術的發展具有重大意義.

本文介紹的鐵路數字化選線設計系統(軟件著作權登記號:2013SR117255)采用Visual C++工具開發而成,采用大型關系型數據庫Oracle進行數據管理,圖形化界面簡潔明快、美觀大方,系統模塊功能完善,操作簡單、靈活方便,具有很強的維護功能.使用該系統可以對大范圍的真實地理場景進行虛擬現實模擬,建立逼真顯示的三維立體地理環境模型,使得選線工程師能在室內立體環境下模擬現場實景分析和踏勘.通過3個子窗口協同工作,選線工程師能夠方便快捷的進行方案線設計.通過線路三維實時建模,調用線路構造物基元模型庫中的實體基元模型,快速構建方案線三維模型,在三維模型環境下對方案進行查看、修改,比選不同結構類型,實現三維實體線路設計.

該系統的應用可以有效克服傳統的基于等高線地形圖的二維透視設計方法的不足,利用系統提供的選線方案三維仿真分析和評價功能,還可以顯著提高鐵路設計方案與環境的融合度,改善鐵路線路對環境的影響.該系統在中鐵二院被用于多個鐵路工程項目的勘測設計,大大提高了選線設計質量和生產效率.

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易思蓉(1957—),博士,1984年起至今任職于西南交通大學,現為土木工程學院教授,博士生導師.主要研究方向為鐵路選線設計理論與技術、線路工程信息技術、城市軌道交通與磁浮交通線路工程技術.第二屆國家級教學名師獎獲得者,國家級精品課程、國家級精品視頻公開課程、國家級精品資源課程負責人,國家級教學團隊帶頭人.承擔國家自然科學基金、863項目和鐵路科技計劃項目等30余項;獲得國家軟件著作權3項;省部級科技進步獎4項.兼任高等教育土木工程專業評估委員會副主任委員;教育部本科教學指導委員會鐵道與城市軌道工程分委會委員、秘書長.

E-mail:sryi@swjtu.edu.cn

(中、英文編輯:徐 萍)

Digital Railway Location System Based on Virtual Geographic Environment

YISirong1,2,NIELiangtao1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To realize the railway location design with 3D entity in a vivid 3D geographic environment, the digital railway location design system based on virtual geographic environment was developed.Integrating space information technology, digital photography measurement technology, geographic remote sensing technology, virtual reality technology and computer simulation technology together, based on aerial image and satellite remote sensing information, the system establish a virtual geographic environment for railway. BIM (building information modeling) technology was used to set up a library for primitive models of railway structures. The railway location design in 3D entity is realized by calling 3D primitive models in the library, building 3D models for railway schemes in real time, inspecting and revising the schemes in 3D environment, comparing and selecting different structural types. The system was verified in the survey and design of China-Laos Railway project. The results show that engineers can simulate the real site analysis and survey indoor through the system. The system is featured with quickly seting up 3D models for railway schemes and intuitive comparison and selection. It can meet the demands of environment, major projects and oversea railways location.

virtual geographic environment; railway; railway location; BIM; digital

2015-10-23

鐵道部科技開發計劃項目-鐵路數字化選線系統研究(2008G022-B);中國中鐵科技開發計劃項目-鐵路工程三維設計關鍵技術研究及應用(2014-重點-72)

易思蓉,聶良濤. 基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線設計系統[J]. 西南交通大學學報,2016,51(2): 373-380.

0258-2724(2016)02-0373-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.016

U212.32; TP391.9

A