CN103236084B - 一种大规模轨道线路的动态建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模轨道线路的动态建模方法，为了能根据不同的轨道线路数据动态进行三维轨道建模，在初始化阶段对使用专业建模软件构建的轨道模型基本单元段进行一次加载，并分解计算线路上各个轨道的位置、方向等参数，然后在仿真阶段直接根据当前视点位置对轨道及场景进行实时拼接和显示。本方法简单有效，能在普通个人计算机上进行大规模轨道线路的实时仿真；本发明可应用于大型轨道交通工程项目的设计、规划，基于车辆运行视景仿真的驾驶员培训、安全性分析等工程应用中。

Description

一种大规模轨道线路的动态建模方法

技术领域

本发明涉及一种应用于轨道交通仿真中以实际轨道线路数据为依据的三维轨道模型动态建模及实时仿真方法，可应用于大型轨道交通工程项目的设计、规划，基于车辆运行视景仿真的驾驶员培训、安全性分析等工程应用中。

背景技术

需要进行高质量轨道交通仿真时，传统处理方法是使用专业建模软件根据线路数据进行手工建模，但是这种方法很难处理大规模的实际轨道线路数据，并且需要巨额的研发投入。

有学者提出根据实际轨道线路数据进行动态建模，典型的如蒲浩等人提出的建模方法：1)用扫描面的生成方法来构建，如铁路轨道，公路的中央分隔带，防撞护栏等，只需设计好放样截面，再指定放样路径便可完成三维造型；2)利用空间阵列复制技术，能按照指定的轨迹线复制对象，对铁路沿线的枕木，电线杆等进行建模。这类方法的缺点在于：基于放样和扫描生成的三维轨道模型不精细、仿真度不高，同时对枕木，电线杆等进行单个的复制建模的速度较慢，只在以离线方法生成所有轨道模型，再进行加载和仿真，而不可能对任意输入的实际轨道线路数据进行即时动态建模和实时运行仿真。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种大规模轨道线路的动态建模方法，使仿真系统能在普通个人计算机上运行，能根据给定的实际轨道线路数据进行快速的、包括较高真实感模型的动态建模，并进行实时的运行仿真。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大规模轨道线路的动态建模方法，该方法为：

1)根据仿真系统的精度要求和轨道线路曲率半径的统计信息，确定轨道模型基本单元段的长度和类别，对轨道基本单元段进行建模；所述轨道段的类型包括直道和弯道；

2)将所有轨道模型基本单元段进行一次加载；

3)读取当前要仿真的实际轨道线路数据，计算虚拟场景中所有轨道段的位置及方向参数；

4)根据当前视点所处线路公里标位置，动态拼接当前公里标周围的轨道模型；

5)根据当前视点和视线方向对虚拟场景进行实时渲染显示。

6)判断当前视点所在位置是否超出当前轨道场景的有效范围，若超出，且用户未要求结束仿真，则返回4)；否则，退出仿真系统。

作为优选方案，所述步骤1)中，采用建模软件3DSMAX对轨道基本单元段进行建模。

所述步骤3)中，轨道段的位置及方向参数过程如下：

1)假设当前轨道段起始点A_i的坐标为方向角为α_i；

2)对于当前类型为直道，长度为L_i的轨道段，下一轨道段，即弯道段的起点坐标及方向角α_i+1满足 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{A_{i+1}}=x_{A_i}+L_i\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)\\ y_{A_{i+1}}=y_{A_i}+L_i\sin \left({\mathrm{\α}}_i\right)\\ {\mathrm{\α}}_{i+1}={\mathrm{\α}}_i\end{array}\right.;$ 对于当前类型为弯道，长度为L_i，曲率半径为r_i的轨道段，其圆心坐标满足 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{O_i}=x_{A_i}-r_i\sin \left({\mathrm{\α}}_i\right)\\ y_{O_i}=y_{A_i}+r_i\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)\end{array}\right.,$ 下一轨道段，即直道段的起点坐标和方向角α′_i+1满足 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{A_{i+1}}^{\′}=x_{O_i}+r_i\sin ({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\θ}}_i)\\ y_{A_{i+1}}^{\′}=y_{O_i}-r_i\cos ({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\θ}}_i)\\ {\mathrm{\α}}_{i+1}^{\′}={\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\θ}}_i\end{array},{\mathrm{\θ}}_i=L_i/r_i\right..$

所述步骤4)中，动态拼接当前公里标周围的轨道段的过程为：

1)找到当前视点公里标附近的轨道模型所包含的轨道段，根据不同类型的轨道段，采用不同的拼接方式：对于所拼接类型为直道、长度为L的轨道段，如果所述直道的轨道基本单元段长度为m，则使用L/m个轨道基本单元段对该轨道段进行以原点为轴心的平移空间变换进行组合拼接；对于所拼接类型为弯道、长度为L、曲率半径为r的轨道段，如果所述弯道的轨道基本单元段长度为m，则使用L/m个曲率半径为r的轨道基本单元段对该轨道段进行以原点为轴心的旋转空间变换进行组合拼接；

2)获取上述步骤3)中轨道段的位置和方向参数，并根据位置和方向参数信息，应用平移、旋转变换指定1)中拼接好的轨道段至其在整个轨道中的位置。

所述步骤5)中，调用OpenGL底层渲染平台对虚拟场景进行实时渲染显示。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明解决了在普通的个人计算机(不超过4G内存)运行大规模大三维轨道场景仿真时资源不足的问题；能对根据给定的实际轨道线路数据进行快速的、包括较高真实感模型的动态建模；能在大规模大三维轨道场景中以任意视点、任意视角进行实时的运行仿真。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为长度为某类弯道和直道基本单元段在其三维物体坐标系下的俯视图；图2(a)弯道基本单元段；图2(b)直道基本单元段；

图3为本发明一实施例轨道段的参数的示意图；图3(a)直道参数计算；图3(b)弯道参数计算；

图4是一段高速铁路轨道三维几何模型的展示图；图4(a)高空俯视图；图4(b)远距离视图；图4(c)近距离侧视图；图4(d)近距离俯视图；

图5是基于京沪高速铁路真实数据的轨道在某视点处的三维几何模型展示图；图5(a)视点跟随列车，车厢左侧视角；图5(b)视点跟随列车，司机室正前视角；图5(c)固定视点，车厢右侧视角。

具体实施方式

下面依据本发明的流程图(图1)对各个部分进行详细说明。

1.前期准备

前期准备工作包括根据仿真精度和对轨道数据信息的统计分析，确定轨道模型基本单元段的类别、长度、曲率半径，并按照这些参数使用专业建模软件进行建模，所得模型保存于可读模型文件中。图2是长度为一类弯道和直道基本单元段在其三维物体坐标系下的俯视图。

2.读取轨道数据及轨道模型基本单元段

读取用户给定轨道数据，包括各个轨道段的类型、长度(或者起始里程和终止里程)、曲率半径(对于弯道而言)。这些数据在应用之前需要进行预处理，其中的主要操作是将各个轨道段的起始和终止里程数规整到轨道模型基本单元段长度的整数倍。另外，还要读取上一步保存的轨道模型基本单元段。所有轨道模型基本单元段需要进行一次加载。

3.各轨道段的参数计算

在进行轨道动态实时拼接之前需要确定各个轨道段在整体轨道中所处的空间位置、方向等参数。

如图3所示，假设当前轨道段起始点A_i的坐标为方向角为α_i。对于当前类型为直道，长度为L_i的轨道段，则下一轨道段(即弯道段)的起点坐标及方向角α_i+1满足 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{A_{i+1}}=x_{A_i}+L_i\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)\\ y_{A_{i+1}}=y_{A_i}+L_i\sin \left({\mathrm{\α}}_i\right)\\ {\mathrm{\α}}_{i+1}={\mathrm{\α}}_i\end{array}\right.;$ 对于当前类型为弯道，长度为L_i，曲率半径为r_i的轨道段，则其圆心坐标满足 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{O_i}=x_{A_i}-r_i\sin \left({\mathrm{\α}}_i\right)\\ y_{O_i}=y_{A_i}+r_i\cos \left({\mathrm{\α}}_i\right)\end{array}\right.,$ 下一轨道段(即直道段)的起点坐标和方向角α′_i+1满足 $\left\{\begin{array}{c}{x}_{A_{i+1}}^{\′}=x_{O_i}+r_i\sin ({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\θ}}_i)\\ y_{A_{i+1}}^{\′}=y_{O_i}-r_i\cos ({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\θ}}_i)\\ {\mathrm{\α}}_{i+1}^{\′}={\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\θ}}_i\end{array},{\mathrm{\θ}}_i=L_i/r_i\right..$

4.动态拼接当前视点公里标附近的轨道模型

根据当前视点所在公里标就能确定当前视野中需要拼接和显示的轨道段。

首先采用合适的轨道模型基本单元段拼接这些轨道段，方法为：

1)对于所拼接类型为直道、长度为L的轨道段，如果直道基本单元段长度为m，则使用L/m个直道基本单元段实例对该轨道段进行以原点为轴心的平移空间变换进行组合拼接；对于所拼接类型为弯道、长度为L、曲率半径为r的轨道段，如果弯道基本单元段长度为m，则使用L/m个曲率半径为r的弯道单元实例模型对该轨道段进行以原点为轴心的旋转空间变换进行组合拼接；

2)再获取这些轨道段在步骤3中已计算好的位置和方向信息，并根据这些参数信息应用平移、旋转变换指定轨道段至其在整个轨道中的位置。

5.实时渲染

根据当前视点和视线方向调用如OpenGL一类底层渲染平台对虚拟场景进行实时渲染显示。

6.更新轨道模型及仿真结束选择

根据当前视点所在公里标判断是否更新当前轨道模型，即如果用户视点所在位置即将超出当前轨道场景的有效范围，则重新执行4和5中的步骤。一旦用户要求结束仿真，则退出。图4是本发明方法所生成的一段高速铁路轨道三维几何模型。图5是本发明方法应用于京沪高速铁路(其轨道全长超过1千公里)列车运行视景仿真系统中的轨道三维几何模型展示。

Claims (4)

1.一种大规模轨道线路的动态建模方法，其特征在于，该方法为：

1)根据仿真系统的精度要求和轨道线路曲率半径的统计信息，确定轨道模型基本单元段的长度和类别，对轨道模型基本单元段进行建模；

2)将所有轨道模型基本单元段进行一次加载；

3)读取当前要仿真的实际轨道线路数据，计算虚拟场景中所有轨道段的位置及方向参数；所述轨道段的类型包括直道和弯道；计算过程如下：

3a)假设当前轨道段起始点A_i的坐标为方向角为α_i；

3b)对于当前类型为直道，长度为L_i的轨道段，下一轨道段，即弯道段的起点坐标及方向角α_i+1满足对于当前类型为弯道，长度为L_i，曲率半径为r_i的轨道段，其圆心坐标满足下一轨道段，即直道段的起点坐标和方向角α′_i+1满足

4)根据当前视点所处线路公里标位置，动态拼接当前公里标周围的轨道段；

5)根据当前视点和视线方向对虚拟场景进行实时渲染显示；

6)判断当前视点所在位置是否超出当前轨道场景的有效范围，若超出，且用户未要求结束仿真，则返回4)；否则，退出仿真系统。

2.根据权利要求1所述的大规模轨道线路的动态建模方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用建模软件3DSMAX对轨道模型基本单元段进行建模。

3.根据权利要求1所述的大规模轨道线路的动态建模方法，其特征在于，所述步骤4)中，动态拼接当前公里标周围的轨道段的过程为：

a)找到当前视点公里标附近的轨道模型所包含的轨道段，根据不同类型的轨道段，采用不同的拼接方式：对于所拼接类型为直道、长度为L_i的轨道段，如果所述直道的轨道模型基本单元段长度为m，则使用L_i/m个轨道模型基本单元段对该轨道段进行以原点为轴心的平移空间变换进行组合拼接；对于所拼接类型为弯道、长度为L_i、曲率半径为r_i的轨道段，如果所述弯道的轨道模型基本单元段长度为m，则使用L_i/m个曲率半径为r_i的轨道模型基本单元段对该轨道段进行以原点为轴心的旋转空间变换进行组合拼接；

b)获取上述步骤3)中轨道段的位置和方向参数，并根据位置和方向参数信息，应用平移、旋转变换指定步骤a)中拼接好的轨道段至其在整个轨道中的位置。

4.根据权利要求1所述的大规模轨道线路的动态建模方法，其特征在于，所述步骤5)中，调用OpenGL底层渲染平台对虚拟场景进行实时渲染显示。