城市軌道車輛仿真系統(tǒng)研究

高坤 楊吉波 蔡敦潔

摘要：近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)一些大中型城市將軌道交通作為緩解交通擁堵及引領(lǐng)城市發(fā)展的首選方案。本論文主要闡述列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的研究，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)的功能。以期能夠?qū)ο嚓P(guān)從業(yè)者提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：仿真系統(tǒng);結(jié)構(gòu);特點(diǎn);功能

1.引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市軌道交通在人們的日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。許多城市都大力興建地鐵，開發(fā)城市軌道交通，以緩解城市交通的壓力。地鐵信號(hào)系統(tǒng)是指揮地鐵列車安全運(yùn)行的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在保證乘客安全的同時(shí)也為乘客提供更好舒適度的乘車環(huán)境，地鐵信號(hào)系統(tǒng)在列車運(yùn)行中扮演著非常重要的角色，在正式投入運(yùn)用前要經(jīng)過(guò)大量的反復(fù)的測(cè)試，如果每次都要去現(xiàn)場(chǎng)才能進(jìn)行測(cè)試，這將會(huì)消耗大量的社會(huì)資源。同時(shí)隨著地鐵的大力發(fā)展，這也會(huì)大大增加對(duì)地鐵駕駛?cè)藛T的需求，使得地鐵運(yùn)營(yíng)公司要進(jìn)行大量的司機(jī)培訓(xùn)的工作，如果駕駛?cè)藛T也要去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行培訓(xùn)，那也必將花費(fèi)大量的社會(huì)資源，所以地鐵運(yùn)行仿真就變得日趨重要。

2.仿真概念

三維視景仿真技術(shù)包含計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)圖形圖像、信息合成以及三維顯示等技術(shù)，它通過(guò)三維建模以及模型驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的模擬;該技術(shù)可通過(guò)視景的圖形圖像表示以及結(jié)構(gòu)信息和體視特征來(lái)再現(xiàn)逼真的三維仿真場(chǎng)景，并且可實(shí)現(xiàn)與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)的一種交互式的三維場(chǎng)景，可為用戶創(chuàng)建一個(gè)模擬真實(shí)環(huán)境變化并且與它實(shí)時(shí)交互作用的多維的圖形圖像世界。近年來(lái)，隨著地鐵技術(shù)的快速發(fā)展，在模擬地鐵運(yùn)行等方面，采用了視景仿真技術(shù)，并且都取得了不錯(cuò)的效果。

3.仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

可視化仿真系統(tǒng)主要由圖像生成器、可視化數(shù)據(jù)庫(kù)以及仿真應(yīng)用程序等模塊組成。

圖像生成器主要是指實(shí)現(xiàn)可視化仿真所需要的計(jì)算機(jī)硬件配置設(shè)備，這里主要指電腦的顯示器系統(tǒng)。圖像生成器的性能是由每幀所能繪制的多邊形數(shù)量來(lái)決定的，它的好壞是由計(jì)算機(jī)顯卡對(duì)圖形的植染速度、中央處理器的運(yùn)行速度以及其它電腦硬件的配置來(lái)決定的。

可視化仿真的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)就是可視化數(shù)據(jù)庫(kù)，可視化數(shù)據(jù)庫(kù)是指用來(lái)構(gòu)建仿真對(duì)象的三維模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，它是由支撐整個(gè)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)三維模型組成，所以對(duì)于整個(gè)仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可視化數(shù)據(jù)庫(kù)決定著整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行條件，通過(guò)逼真的三維建模以及更加優(yōu)化的三維模型，就能獲得更加真實(shí)以及效率更高的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

可視化仿真一個(gè)重要的特征就是可視化仿真具有高度的交互性，操作人員可以自主的參與到仿真的過(guò)程中去，讓操作人員就像在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行模擬操作一樣，為了實(shí)現(xiàn)可視化仿真的實(shí)時(shí)交互性，需要由仿真應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，它不但可以驅(qū)動(dòng)可視化場(chǎng)景的三維模型，而且也可以實(shí)現(xiàn)一些特別的效果，同時(shí)也可以對(duì)用戶的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)的響應(yīng)。

由此可見(jiàn)，可視化仿真需要在圖像生成器這個(gè)硬件平臺(tái)，用仿真的可視化數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，通過(guò)仿真應(yīng)用程序來(lái)驅(qū)動(dòng)可視化的三維場(chǎng)景模型，從而達(dá)到仿真的目的。

4.仿真系統(tǒng)模型的特點(diǎn)

影響可視化仿真性能的因素有很多，就像三維模型的優(yōu)化程度、硬件平臺(tái)的配置差別等，它們或多或少都會(huì)在仿真的過(guò)程中影響著模型渲染的效果。通過(guò)理解可視化仿真模型的植染過(guò)程，可以有針對(duì)性的改進(jìn)模型的優(yōu)化過(guò)程以及提高硬件設(shè)施配置，從而提高仿真系統(tǒng)的運(yùn)行速率。可視化仿真模型的渲染一般要經(jīng)過(guò)應(yīng)用、剔除以及繪制等過(guò)程。

4.1應(yīng)用階段

在可視化過(guò)程中首先要進(jìn)行一些操作處理，例如要實(shí)時(shí)更新可視化三維場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)庫(kù)的一些數(shù)據(jù)，獲取操作臺(tái)按鈕以及鍵盤等輸入裝置的操作信息，并且查找當(dāng)前視點(diǎn)和三維視景內(nèi)的三維模型的矢量位置，將這些獲得的三維場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)庫(kù)、輸入裝置的操作信息以及當(dāng)前視點(diǎn)和可視化場(chǎng)景內(nèi)的三維模型的矢量位置存儲(chǔ)起來(lái)，成為了場(chǎng)景圖，接下來(lái)實(shí)現(xiàn)植染過(guò)程的別除與繪制。

4.2剔除階段

在可視化仿真過(guò)程中會(huì)經(jīng)常涉及到邊界體與觀測(cè)體兩個(gè)概念，邊界體就是用來(lái)指定三維模型邊界范圍的封閉幾何體，而觀測(cè)體就是可視化仿真中觀察者視線范圍內(nèi)的虛擬幾何體。在剔除階段，通過(guò)場(chǎng)景圖中的信息的來(lái)斷定可視化仿真三維場(chǎng)景模型的邊界體與觀測(cè)體的相交關(guān)系，從而就可以判斷場(chǎng)景圖中在當(dāng)前視點(diǎn)下所能看見(jiàn)的模型節(jié)點(diǎn)，以此為依據(jù)來(lái)剔除當(dāng)前視點(diǎn)范圍內(nèi)看不見(jiàn)的模型節(jié)點(diǎn)，將需要這染的三維模型和這染指令存儲(chǔ)為顯示列表，用于接下來(lái)對(duì)三維模型進(jìn)行繪制。

4.3繪制階段

經(jīng)過(guò)可視化仿真的應(yīng)用和剔除，通過(guò)顯示列表中存儲(chǔ)的渲染信息和指令，把三維場(chǎng)景的模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型多邊形以及紋理映射等相關(guān)數(shù)據(jù)渲染為巾貞緩存，從而進(jìn)一步將三維場(chǎng)景的場(chǎng)景圖數(shù)據(jù)信息以圖形圖像的形式繪制到顯示終端設(shè)備上的窗口和通道等位置上，然后濱染下一巾貞的模型多邊形以及紋理信息，以此進(jìn)行循環(huán)達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示的效果。

5.仿真系統(tǒng)功能

列車仿真系統(tǒng)首先能實(shí)現(xiàn)的功能便是人工駕駛操作的實(shí)現(xiàn)。主要包括：信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈操作旳實(shí)現(xiàn)、列車牽引或制動(dòng)操作的實(shí)現(xiàn)、列車緊急制動(dòng)操作的實(shí)現(xiàn)、仿真系統(tǒng)視點(diǎn)的切換、列車開關(guān)門的操作。

6.結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代社會(huì)城市化進(jìn)程的加劇，往往伴隨著人口的快速增長(zhǎng)，這就給現(xiàn)代化的城市交通帶來(lái)了嚴(yán)重的壓力;道路、航空、城市軌道交通和船舶等現(xiàn)代化的城市交通承載著越來(lái)越重要的運(yùn)輸責(zé)任，與其他運(yùn)輸方式不同的是，城市軌道交通的運(yùn)輸量更大，同時(shí)它還具備安全、快速以及準(zhǔn)時(shí)的特點(diǎn)。車輛仿真系統(tǒng)的應(yīng)用能夠減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資源的使用，同時(shí)也消除了現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患，這對(duì)于城市軌道交通的發(fā)展有著重大的戰(zhàn)略意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王偉明，何亞軒，任彬，張勇.軌道車輛運(yùn)行的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)研究[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（04）：577-581.

[2]韋莉，張逸成，達(dá)世鵬，沈小軍.城市軌道交通牽引系統(tǒng)仿真技術(shù)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（08）：1161-1166.