基于WebGL的高速列車在線運(yùn)行及沿線虛擬地理環(huán)境仿真

郭神福，趙孔陽，王孝龍，徐柱，閆高翔

基于WebGL的高速列車在線運(yùn)行及沿線虛擬地理環(huán)境仿真

郭神福1，趙孔陽1，王孝龍1，徐柱1，閆高翔2

(1. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2. 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

為實(shí)現(xiàn)Web環(huán)境下構(gòu)建高速鐵路沿線虛擬地理環(huán)境，模擬高速列車運(yùn)行，首先確定多層次虛擬地理環(huán)境的語義組織方式并對(duì)鐵路沿線地形表面進(jìn)行多尺度數(shù)據(jù)建模；再基于GIS技術(shù)構(gòu)建場景數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的發(fā)布與分布式存儲(chǔ)方案；最終基于WebGL技術(shù)提供集成高速鐵路軌道、多尺度遙感影像、數(shù)字地表模型等多源數(shù)據(jù)的鐵路沿線虛擬地理環(huán)境無插件構(gòu)建方法，并提供列車信息管理及運(yùn)行仿真方案。以高鐵鄭西線為案例線路的實(shí)踐表明：方案考慮多尺度地形與地物建模、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大場景渲染、復(fù)雜地形的高效率可視化等問題，實(shí)現(xiàn)了鐵路沿線虛擬地理環(huán)境構(gòu)建和列車運(yùn)行仿真，對(duì)高速鐵路列車運(yùn)行仿真有重要參考價(jià)值。

高速鐵路；虛擬地理環(huán)境；列車運(yùn)行仿真；WebGL；在線交互

近年來，隨著“一帶一路”倡議的逐步推進(jìn)，我國高速鐵路已經(jīng)走出國門進(jìn)入高速建設(shè)的新階 段[1]。由于高速鐵路工程建設(shè)規(guī)模大、標(biāo)準(zhǔn)高、建設(shè)速度快、管理協(xié)調(diào)復(fù)雜、周期長[2]，可視化和在線數(shù)字化成為鐵路信息協(xié)同分享、調(diào)度管理和運(yùn)行仿真等過程中必不可少的要求[3]。而高速鐵路場景空間跨度廣、空間對(duì)象數(shù)量大、空間關(guān)系復(fù)雜度高，傳統(tǒng)的信息可視化和管理系統(tǒng)難以支撐。如何高效快速地對(duì)高速鐵路數(shù)據(jù)可視化、輔助高速鐵路建設(shè)和列車運(yùn)營管理等問題引起眾多學(xué)者關(guān)注[4?6]。在可視化技術(shù)方面，王金宏等[7]借助線性參考系降低場景計(jì)算復(fù)雜性并將鐵路屬性數(shù)據(jù)與虛擬地理場景對(duì)象進(jìn)行聯(lián)接；彭子龍等[8]在高鐵沿線場景層次組織上基于鐵路對(duì)象本體分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源數(shù)據(jù)的集成、組織與查詢。此外，在列車模擬游戲、模擬駕駛培訓(xùn)、列車運(yùn)行參數(shù)仿真等領(lǐng)域研究人員對(duì)鐵路三維場景模擬及列車運(yùn)行仿真均有實(shí)現(xiàn)[9]。在信息數(shù)字化集成方面，建筑信息模型BIM (Building Information Modeling)的引入為鐵路工程信息化平臺(tái)的構(gòu)建提供了新的可能性[10-11]。張恒等[12]提出了本體驅(qū)動(dòng)的鐵路場景建模方法，對(duì)鐵路場景進(jìn)行了充分的對(duì)象語義解析。王同軍[13]探討了以BIM為核心的鐵路工程管理方案。XU等[6, 14]分別嘗試鐵路基礎(chǔ)信息及鐵路物聯(lián)網(wǎng)信息、鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息的集成與可視化，為鐵路運(yùn)營維護(hù)階段的可視化信息平臺(tái)提供了借鑒。然而，當(dāng)前對(duì)高速鐵路及列車的可視化通常構(gòu)建在本地桌面客戶端，在處理包含沿線地形地類、線路線型、附屬建筑、調(diào)度運(yùn)行等海量數(shù)據(jù)的高速鐵路場景時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，導(dǎo)致客戶端成本巨大；同時(shí)，傳統(tǒng)的鐵路可視化和仿真客戶端對(duì)操作系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)硬件的依賴性往往導(dǎo)致其兼容性差，難以在不同操作系統(tǒng)、不同硬件平臺(tái)上協(xié)同共享和程序維護(hù)。而海量的空間信息數(shù)據(jù)也在信息遷移共享上帶來眾多問題。隨著5G通訊、云計(jì)算等新技術(shù)的逐步成熟，Web環(huán)境下海量空間信息的高速傳輸、協(xié)同共享和倉儲(chǔ)管理有了通道支撐；而三維網(wǎng)頁圖形技術(shù)的廣泛應(yīng)用也使大尺度場景可視化成為可能。基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式、以瀏覽器為媒介的Web GIS技術(shù)的出現(xiàn)為海量數(shù)據(jù)的即時(shí)訪問提供了信息化平臺(tái)，同時(shí)將高速列車仿真的設(shè)備門檻降低至普通移動(dòng)電腦甚至平板電腦、手機(jī)等智能移動(dòng)終端。而WebGL標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，使瀏覽器可以在不安裝插件的情況下借助GPU進(jìn)行場景渲染，實(shí)現(xiàn)了跨硬件平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的三維鐵路場景的高效渲 染[15]，解決了系統(tǒng)的遷移性和共享性問題。本文研究Web環(huán)境下高速鐵路沿線虛擬地理環(huán)境和高速列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。首先對(duì)高速鐵路沿線空間場景進(jìn)行語義分析，對(duì)鐵路場景空間對(duì)象進(jìn)行解析分類；繼而提出基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的技術(shù)方案，并結(jié)合Cesium研制基于云計(jì)算平臺(tái)的系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)例；以目前正在運(yùn)營的高鐵鄭西線(鄭州?西安)為例展示了信息集成及鐵路沿線場景可視化的實(shí)現(xiàn)效果，并對(duì)Web可視化效果進(jìn)行測試分析；最后對(duì)鐵路三維場景的在線可視化前景和列車運(yùn)行仿真的應(yīng)用提出展望。

1 高速列車運(yùn)行及沿線虛擬地理環(huán)境仿真框架

由于鐵路場景大、場景復(fù)雜、模型對(duì)象復(fù)雜，在進(jìn)行高速鐵路空間數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)時(shí)存在數(shù)據(jù)量大、組織難度大與數(shù)據(jù)發(fā)布難等問題；在鐵路沿線場景Web可視化時(shí)存在渲染細(xì)節(jié)篩選難、渲染效率低、計(jì)算機(jī)軟硬件兼容性差等問題。對(duì)此，首先對(duì)鐵路場景進(jìn)行語義分析和對(duì)象篩選，基于語義建立鐵路線路三維模型的組件化組織方式。同時(shí)，對(duì)高鐵沿線縱向空間場景進(jìn)行多尺度數(shù)據(jù)建模，最大限度的減少客戶端和服務(wù)器負(fù)載，降低網(wǎng)絡(luò)延遲的影響。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用基于云計(jì)算架構(gòu)分布式存儲(chǔ)地形、影像等空間信息數(shù)據(jù)和列車運(yùn)行、調(diào)度管理等非空間信息數(shù)據(jù)。最終，在用戶瀏覽器端基于WebGL技術(shù)進(jìn)行場景的渲染，實(shí)現(xiàn)高速列車在線運(yùn)行及沿線虛擬地理環(huán)境仿真。

1.1 鐵路沿線虛擬地理環(huán)境語義組織與多尺度數(shù)據(jù)建模

為保證三維場景瀏覽效果及渲染速度，通常重要地物采用較高精細(xì)度的建模方式，普通地物采用相對(duì)簡單的建模方式，并可根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ匚锬Ｐ瓦M(jìn)行不同程度的簡化[16]。對(duì)于高速鐵路沿線虛擬地理環(huán)境構(gòu)建和列車運(yùn)行仿真，距離視點(diǎn)列車較遠(yuǎn)的地形模型的重要性較低，距離列車近的地形模型、鐵路設(shè)施模型和列車模型的重要性較高。因此，可以對(duì)鐵路設(shè)施模型和列車模型進(jìn)行組件分割建模、語義增強(qiáng)并基于語義進(jìn)行組織和管理，地形模型可以分為不同的精細(xì)度層次。

在鐵路場景中，鐵路線路設(shè)施的語義對(duì)象包括直線、緩和曲線、圓曲線、橋梁、隧道等[12]，因此可分解簡化為路段組件(包括道床、軌枕、鋼軌、電線)、隧道段組件(包括隧道壁、隧道地面)、橋墩、接觸網(wǎng)架等對(duì)象，如圖1所示。

圖1 高速鐵路沿線場景語義分析

列車由車頭、車身、車尾等部分組成，可以分割為車頭組件和車身組件；地形模型數(shù)據(jù)可以分為數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)和數(shù)字正射影像DOM(Digital Orthophoto Map)瓦片數(shù) 據(jù)[16]。由組件和對(duì)象聚合得到鐵路設(shè)施三維模型和列車三維模型。用車頭和車身2種單元化的三維模型克隆聚合出一列完整且高相似度的列車。高速鐵路的最小曲線半徑較大、最大坡度較小[17]，用鐵路模型組件克隆聚合得到鐵路模型可以保證組合拼接的鐵路不會(huì)出現(xiàn)明顯的接縫，將列車按車廂組件聚合后仿真運(yùn)行時(shí)姿態(tài)不會(huì)突變且可以始終保持在兩鐵軌中間。如圖2所示，在場景、模型聚合時(shí)可以賦予模型組件對(duì)應(yīng)的語義信息，例如鐵路的里程信息、列車的車次信息等；在模型狀態(tài)改變時(shí)可以編輯模型的語義信息，例如用戶改變列車速度時(shí)編輯列車模型的時(shí)速信息等；從而可以實(shí)現(xiàn)模型語義增強(qiáng)和基于語義的模型組織管理。根據(jù)與列車的距離遠(yuǎn)近使用不同細(xì)節(jié)層次的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度數(shù)據(jù)切片得到地形數(shù)據(jù)瓦片，由地形數(shù)據(jù)瓦片建模得到地形模型，使地形模型在距離列車近的部分有較高的精細(xì)度。

1.2 基于云架構(gòu)的GIS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與發(fā)布

當(dāng)前，云端服務(wù)模式已經(jīng)成為解決大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的技術(shù)趨勢(shì)。云GIS技術(shù)是地理信息科學(xué)的理論和方法在云計(jì)算中的實(shí)現(xiàn)，具備按需選擇服務(wù)、跨網(wǎng)絡(luò)訪問、資源池化等特征。在云環(huán)境下，數(shù)據(jù)可能存放在不同磁盤、不同機(jī)器甚至不同地點(diǎn)，這為解決鐵路大場景面臨的數(shù)據(jù)密集、并發(fā)密集等問題提供了技術(shù)方案[18]。因此，本文使用基于云GIS架構(gòu)的存儲(chǔ)與發(fā)布技術(shù)。

基于Web的鐵路仿真GIS數(shù)據(jù)包括DEM瓦片、衛(wèi)星/無人機(jī)影像瓦片、三維模型等，數(shù)據(jù)的請(qǐng)求數(shù)量大。傳統(tǒng)的B/S架構(gòu)通常僅考慮單點(diǎn)服務(wù)器，當(dāng)用戶增加時(shí)，請(qǐng)求數(shù)量將會(huì)超出單點(diǎn)服務(wù)器所能響應(yīng)的數(shù)量極限；另一方面，當(dāng)單點(diǎn)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)影響到整個(gè)服務(wù)，造成系統(tǒng)健壯性低等問 題[19]。因此，本文使用如圖3所示基于云的負(fù)載均衡分布式服務(wù)架構(gòu)，該架構(gòu)在云平臺(tái)上鏈接多個(gè)存儲(chǔ)瓦片數(shù)據(jù)的服務(wù)器，負(fù)載均衡層可以將來自客戶端的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到壓力較小的數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過服務(wù)分流減少壓力的方法解決現(xiàn)有服務(wù)器性能不足的問題，并可隨著請(qǐng)求量的增加擴(kuò)展系統(tǒng)所能承受的請(qǐng)求量。

圖2 模型數(shù)據(jù)組織與模型構(gòu)建

圖3 云服務(wù)器架構(gòu)示意

1.3 基于WebGL的高鐵沿線場景可視化與列車運(yùn)行仿真

使用視點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的場景數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度方法可以解決大規(guī)模高鐵沿線場景三維可視化存在數(shù)據(jù)調(diào)度效率不高、視覺一致性差等問題[20]。根據(jù)空間劃分建立DEM和衛(wèi)星影像瓦片金字塔模型，并根據(jù)視點(diǎn)位置和縮放級(jí)別動(dòng)態(tài)調(diào)度相應(yīng)瓦片數(shù)據(jù)以提高Web環(huán)境下三維地形場景的可視化效率，避免由于單次加載的數(shù)據(jù)量太多加載速度太慢造成頁面卡頓。

列車仿真運(yùn)行時(shí)，由于瀏覽器性能的限制，大規(guī)模鐵路三維場景的可視化存在渲染效率低、視覺連續(xù)性差等問題，本文使用基于WebGL渲染、模型簡化及語義組織、基于列車位置的渲染調(diào)度等方法提高渲染效率，改善視覺效果。首先，基于WebGL渲染技術(shù)可以極大的提高Web端的渲染效率[15]；其次，三維模型經(jīng)過簡化及語義組織，模型的數(shù)據(jù)量小，模型的可復(fù)用性高，可以提高數(shù)據(jù)傳輸和渲染效率。當(dāng)列車在鐵路上運(yùn)行時(shí)，只加載列車所在位置前后一段距離的模型數(shù)據(jù)，只顯示列車附近的鐵路三維場景，從而減小渲染量，使頁面更流暢。如圖4所示，在列車運(yùn)行過程中，始終只加載列車前、后兩段距離的鐵路地物模型且只顯示列車附近的鐵路地物對(duì)象三維模型；列車運(yùn)行前方?jīng)]有加載模型的區(qū)域逐漸加載模型；列車運(yùn)行前方?jīng)]有顯示的模型將逐漸顯示；列車運(yùn)行后方距離列車較遠(yuǎn)的可見模型逐漸隱藏，列車后方隱藏的模型逐漸移除。

圖4 鐵路線路模型渲染調(diào)度

2 高速鐵路列車運(yùn)行仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和多尺度數(shù)據(jù)組織

鐵路沿線場景中的空間數(shù)據(jù)主要包含鐵路沿線地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無人機(jī)影像數(shù)據(jù)等；非空間數(shù)據(jù)包括鐵路對(duì)象三維模型數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行參數(shù)及調(diào)度數(shù)據(jù)等。此外，在構(gòu)建列車場景前，必須導(dǎo)入鐵路線路的設(shè)計(jì)中線數(shù)據(jù)。這里分別對(duì)3類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1) 鐵路沿線場景空間數(shù)據(jù)預(yù)處理與多尺度數(shù)據(jù)組織

分別將無人機(jī)和衛(wèi)星獲取的不同精度的原始DEM數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)精校正，分別構(gòu)建多尺度地形數(shù)據(jù)集和多尺度影像數(shù)據(jù)集，在本文實(shí)驗(yàn)中，我們采用開源數(shù)據(jù)，其中DEM分辨率為30~90 m不等，影像分辨率1 m到10 m不等。對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行切片處理后，DEM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為Terrain格式的瓦片數(shù)據(jù)集，影像數(shù)據(jù)保存成JPEG格式的瓦片數(shù)據(jù)集。

2) 鐵路沿線場景非空間數(shù)據(jù)預(yù)處理與多尺度數(shù)據(jù)組織

據(jù)前述鐵路場景語義分析，在3D Studio Max中構(gòu)建一段實(shí)際長度為20 m的鐵路設(shè)施三維模型，包括道床、軌枕、鋼軌、橋墩、隧道、接觸網(wǎng)、接觸網(wǎng)架等鐵路設(shè)施，從列車模型中截取車頭模型和車身模型。減少鐵路模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的同時(shí)用適當(dāng)?shù)募y理貼圖保證模型視覺效果以減小模型的數(shù)據(jù)量[21]，如圖5所示。調(diào)整模型的朝向、模型之間的相對(duì)位置和相對(duì)大小以簡化模型姿態(tài)參數(shù)的設(shè)置，如圖6所示。最后，將模型按組件分別導(dǎo)出為OBJ格式再轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)壓縮比率高的GLB格式的模型數(shù)據(jù)。經(jīng)過細(xì)節(jié)簡化和格式轉(zhuǎn)換，鐵路設(shè)施和列車的模型數(shù)據(jù)總共只有4.97兆字節(jié)。

(a) 鐵軌簡化前后的細(xì)節(jié)；(b) 鐵軌簡化前后的整體

圖6 列車與鐵路設(shè)施的相對(duì)姿態(tài)調(diào)整

3) 鐵路設(shè)計(jì)線路中線數(shù)據(jù)預(yù)處理

從原始鐵路設(shè)計(jì)中線中獲取的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)分布是不均勻的：直線只有2個(gè)端點(diǎn)，曲線部分有密集的點(diǎn)。因此需要對(duì)中線點(diǎn)進(jìn)行等距離處理，得到線路中線點(diǎn)集。首先，在直線部分插值同時(shí)去除曲線上太密集的點(diǎn)并調(diào)整曲線部分點(diǎn)的位置使線路上相鄰兩點(diǎn)間的距離統(tǒng)一為20 m，使基于樁距均勻的點(diǎn)構(gòu)建的鐵路模型各處的幾何精度、紋理分辨率均勻、可控，若對(duì)曲線部分有更高精度要求，可適當(dāng)減小曲線的樁距。如圖7所示。再根據(jù)等距離處理后的點(diǎn)位數(shù)據(jù)從地形服務(wù)中查詢得到每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地形高程，最后將得到線路中線特征點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、設(shè)計(jì)高程、地形高程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為JSON數(shù)據(jù)。

(a) 等距離散化前中線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布；(b) 等距離散化后中線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布

2.2 分布式數(shù)據(jù)發(fā)布與存儲(chǔ)

由于高分辨率的DEM和影像的瓦片數(shù)據(jù)量巨大，故將案例區(qū)的DEM瓦片數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像瓦片數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器中。根據(jù)用戶操作和服務(wù)器狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)服務(wù)地址，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的負(fù)載均衡，改善瓦片請(qǐng)求的處理效率。

如圖8所示，將處理后的三維模型數(shù)據(jù)、案例區(qū)的DEM瓦片數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像瓦片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云服務(wù)器Server0后，復(fù)制Server0數(shù)據(jù)得到Server1和Server2。通過反向代理服務(wù)器將來自瀏覽器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)發(fā)到負(fù)載較輕的數(shù)據(jù)服務(wù)。單個(gè)用戶的數(shù)據(jù)請(qǐng)求過程如圖9所示，根據(jù)前端請(qǐng)求和數(shù)據(jù)服務(wù)的負(fù)載情況從特定數(shù)據(jù)服務(wù)中返回對(duì)應(yīng)區(qū)域的瓦片數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)，以減輕每個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器的帶寬壓力，提高數(shù)據(jù)的加載速度。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)其他數(shù)據(jù)服務(wù)恢復(fù)，當(dāng)3個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)難以負(fù)載數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，可以通過復(fù)制擴(kuò)展出更多的數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖8 分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

圖9 數(shù)據(jù)請(qǐng)求

2.3 WebGL高速鐵路沿線場景構(gòu)建

根據(jù)縮放級(jí)別和視點(diǎn)位置從服務(wù)端請(qǐng)求獲取對(duì)應(yīng)的影像瓦片和高程瓦片數(shù)據(jù)，其中案例區(qū)獲取細(xì)節(jié)層次高的瓦片數(shù)據(jù)，其他區(qū)域請(qǐng)求公開的瓦片服務(wù)數(shù)據(jù)，基于Cesium構(gòu)建三維地形場景。再根據(jù)得到的鐵路線路數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)模型的空間位置和確定三維姿態(tài)的參數(shù)，用一段鐵路設(shè)施三維模型拼接成一條完整的鐵路。每隔一定距離加載一次電線架，在線路高程比地形高程高的點(diǎn)每隔一定距離加載一次橋墩模型，在線路高程比地形高程低的點(diǎn)加載一次隧道模型，最終得到的三維鐵路虛擬地理場景如圖10所示。基于WebGL渲染可以利用顯卡加速，Cesium中瓦片數(shù)據(jù)的加載和場景的渲染應(yīng)用了視角依賴的LOD(Levels of Detail)技術(shù)，可以保證渲染效率，防止場景卡頓[22]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)有高分辨率數(shù)據(jù)時(shí)，可以加載高分辨率數(shù)據(jù)。此時(shí)，Web瀏覽器端宜使用性能較好的顯卡。

(a) 直線；(b) 曲線；(c) 橋梁；(d) 隧道

2.4 列車運(yùn)行仿真

根據(jù)線路數(shù)據(jù)使車頭、車身、車尾依次沿著鐵路中線運(yùn)行，每節(jié)列車模型長度和一段鐵路模型的長度均為20 m；為車頭、車身、車尾的三維模型添加相同的運(yùn)行參數(shù)，并使后一節(jié)車廂的初始運(yùn)行時(shí)刻比前一節(jié)車廂的初始運(yùn)行時(shí)刻延遲列車運(yùn)行20 m的所用時(shí)長，實(shí)現(xiàn)車身依次逐節(jié)向前運(yùn)行的效果，如圖11所示。

在結(jié)果中，列車和鐵路三維模型的相對(duì)位置始終保持一致，且列車在線路中線特征點(diǎn)上的位置姿態(tài)參數(shù)與鐵路三維模型的位置姿態(tài)參數(shù)保持一致。列車運(yùn)行時(shí)始終保持在軌道模型的兩軌中間，且姿態(tài)與鐵路模型的姿態(tài)吻合，不會(huì)離開軌道；列車轉(zhuǎn)彎時(shí)車身也能保持與軌道線一致。

列車運(yùn)行時(shí)，通過動(dòng)態(tài)改變鐵路三維模型的狀態(tài)進(jìn)行場景調(diào)度。僅加載列車所處位置前后2 000 m的鐵路設(shè)施三維模型并移除其他模型，從而減小程序的內(nèi)存占用。僅渲染列車所處位置前后1 600 m的鐵路設(shè)施三維模型以減小渲染量使仿真效果更加流暢。動(dòng)態(tài)地加載和移除、渲染和隱藏三維模型，實(shí)現(xiàn)鐵路設(shè)施三維模型基于列車位置的動(dòng)態(tài)渲染，顯著提高了系統(tǒng)的性能。

(a) 曲線軌道處列車運(yùn)行仿真效果；(b) 隧道、橋梁處列車運(yùn)行仿真效果

(a) 列車運(yùn)行控制；(b) 列車信息交互查詢

列車運(yùn)行仿真時(shí)，使用列車運(yùn)行定時(shí)器表示列車在某兩點(diǎn)間運(yùn)行所用的時(shí)間。通過調(diào)整列車運(yùn)行定時(shí)器實(shí)現(xiàn)對(duì)列車車速的仿真，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)行速度并進(jìn)行可視化，如圖12(a)所示。同時(shí)，為每個(gè)模型增加屬性信息，在點(diǎn)擊列車或者鐵路設(shè)施等三維模型時(shí)可顯示對(duì)應(yīng)屬性信息，如列車的車次、時(shí)刻表等(圖12(b))。從而增強(qiáng)了三維鐵路虛擬地理場景的語義信息，便于模型對(duì)象管理，為擴(kuò)展鐵路三維場景的應(yīng)用提供了更多可能。

3 結(jié)果與分析

仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)向服務(wù)端請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包括底圖切片數(shù)據(jù)和帶屬性的模型數(shù)據(jù)。由于DEM數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像等底圖數(shù)據(jù)以文件體積較小的瓦片形式動(dòng)態(tài)加載，對(duì)仿真平臺(tái)加載速度的影響較小，系統(tǒng)加載速度主要取決于模型數(shù)據(jù)的加載速度。在100Mbit帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，使用操作系統(tǒng)為64位Windows 10專業(yè)版，瀏覽器為Google Chrome 73，CPU為Intel Core i5 4210M CPU @2.60GHz，內(nèi)存為8 GB，顯卡為NVIDIA GeForce 840M的個(gè)人電腦訪問系統(tǒng)。經(jīng)測試，模型加載用時(shí)如表1所示，加載完所有模型用時(shí)低于2.5 s。

表1 測試環(huán)境下模型加載用時(shí)

圖13 幀率測試結(jié)果

當(dāng)列車以345 km/h速度運(yùn)行時(shí)，使用Chrome Dev tools記錄頁面的幀率(每秒鐘幀數(shù))，當(dāng)視野范圍內(nèi)顯示的地物模型對(duì)象較多時(shí)幀率較低，當(dāng)頁面中地物模型對(duì)象較少時(shí)幀率較高。在整個(gè)渲染過程中，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，平均幀率高于30 f/s，如圖13所示，總體性能表現(xiàn)良好。

4 結(jié)論

本文基于WebGL和WebGIS技術(shù)提出了高速列車在線運(yùn)行及沿線虛擬地理環(huán)境仿真的構(gòu)建方法。并基于Cesium開源框架以高鐵鄭西線為例研制仿真運(yùn)行驗(yàn)證系統(tǒng)。經(jīng)測試，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1) 跨平臺(tái)。基于B/S架構(gòu)，用戶使用支持WebGL的瀏覽器即可訪問系統(tǒng)，進(jìn)行查看三維鐵路虛擬地理場景、控制高速列車運(yùn)行仿真、查詢場景內(nèi)對(duì)象信息等操作。

2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量小。采用克隆聚合法，僅傳輸少量經(jīng)過簡化處理的模型即完成了列車、鐵軌、路基、橋梁、隧道等地物的在線可視化，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。

3) 場景渲染速度快。通過增加場景地物三維模型的加載、渲染邏輯，實(shí)現(xiàn)場景渲染的高效調(diào)度和實(shí)時(shí)渲染。

4) 視覺效果較好。相鄰兩段鐵路模型的姿態(tài)參數(shù)是相關(guān)的，直線、曲線的相鄰鐵路模型間無視覺上的明顯縫隙，在列車運(yùn)行時(shí)，每節(jié)車身在直線或曲線上均能與鐵軌較好吻合。

5) 列車仿真操作流暢。采用預(yù)先計(jì)算鐵路模型的位置參數(shù)、動(dòng)態(tài)加載隱藏鐵路模型、少量模型拼接等方法，使系統(tǒng)的運(yùn)算量、內(nèi)存占用量、渲染量減小，列車運(yùn)行流暢。

當(dāng)然，本文僅在實(shí)現(xiàn)基于Web的高速列車運(yùn)行仿真方面做了初步探索，在此基礎(chǔ)上仍然可以豐富其功能。隨著在線可視化技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，鐵路三維場景的在線可視化效果將會(huì)越來越好，列車仿真的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛，有望用于鐵路勘察設(shè)計(jì)、工程建造、運(yùn)營維護(hù)全生命周期各個(gè)階段，此外，通過與BIM技術(shù)的恰當(dāng)結(jié)合，可為鐵路領(lǐng)域土木、機(jī)電、運(yùn)輸?shù)葘I(yè)內(nèi)容的可視化提供共同的地理場景基礎(chǔ)。

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Simulation of high-speed train on-line operation and virtual geographic environment along the line based on WebGL

GUO Shenfu1, ZHAO Kongyang1, WANG Xiaolong1, XU Zhu1, YAN Gaoxiang2

(1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. China Railway Liuyuan Group Co., Ltd, Tianjin 300308, China)

The virtual geographical environment of the high-speed railway was built under the Web environment, and the operating of trains was simulated. Firstly, the semantic organization of multi-scale virtual geographic environment was determined, and terrain surface along the railway was deployed with multi-scale data. Then, the solution of releasing basic geographic data and the scene data into distributed storage scheme based on GIS technology was proposed. Finally, a non-plug-in construction method for virtual geographic environment along the railway was provided based on WebGL, which integrates high-speed railway tracks, multi-scale remote sensing images, digital surface models and other multi-source data. The management and simulation tools of railway information were also developed. The realization of the high-speed railway of Zhengzhou-Xi’an line shows that this method takes multi-scale terrain and ground object modeling, large scene rendering in web environment and high-efficiency visualization of complex terrain into consideration. The virtual geographic environment along the railway is built and the train running simulation is provided, which values a lot for the reference of high-speed railway train running simulations.

high-speed railway; virtual geographic environment; train running simulation; WebGL; online interaction

P208

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0573 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190591

2019?06?29

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重大課題(2017X001-B)；中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司重點(diǎn)課題(KY-2017-13)

徐柱(1972?)，男，湖南長沙人，教授，博士，從事地理信息系統(tǒng)理論、技術(shù)與應(yīng)用的教學(xué)和研究；E?mail：xuzhu@sujtu.edu.cn

(編輯 涂鵬)