CN105679169A - 一种铁路电子沙盘系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路运输领域，公开了一种铁路电子沙盘系统，该铁路电子沙盘系统包括：数据单元，用于存储铁路的影像数据、GIS数据和三维模型；虚拟现实单元，用于通过虚拟现实引擎模块利用所述影像数据、GIS数据和三维模型，构建可视化三维电子沙盘；以及展示单元，用于生成所述可视化三维电子沙盘的操作界面，并展示所述可视化三维电子沙盘。本发明针对铁路公司的实际情况开发基于虚拟现实技术的铁路电子沙盘系统，该铁路电子沙盘系统可与铁路原有培训系统相结合，以补充和完善原有培训体系，提高了用户体验，更有利于有的放矢地帮助培训者提高职业技能。

Description

一种铁路电子沙盘系统

技术领域

本发明涉及铁路运输领域，具体地，涉及一种铁路电子沙盘系统。

背景技术

重载铁路在铁路运输行业中占有非常重要的地位，因此针对重载铁路进行铁路运输培训也尤为重要。随着科技的发展，铁路运输培训已由传统的培训方式转变为通过电子化的铁路运输系统进行培训，而铁路运输培训系统基于电子沙盘的仿真系统，其是一个庞大的系统工程，其首先要解决的基本问题是能否从全局的角度，在三维地理信息空间对整个铁路的整体面貌进行可视化显示，且同时还要求能够从局部细节的角度对铁路沿线的车站、轨道、桥梁、隧道等进行直观的显示，以便能够给学员一个直观和感性的认识。因此，随着对铁路运输培训系统的要求的不断提高，铁路运输培训系统对于支撑其进行培训仿真的电子沙盘的要求也不断提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁路电子沙盘系统，该铁路电子沙盘系统用于实现从全局的角度，在三维地理信息空间对整个铁路的整体面貌进行可视化显示，且同时实现从局部细节的角度对铁路沿线的车站、轨道、桥梁、隧道等进行直观的显示。

为了实现上述目的，本发明提供一种铁路电子沙盘系统，该铁路电子沙盘系统包括：数据单元，用于存储铁路的影像数据、GIS数据和三维模型；虚拟现实单元，用于通过虚拟现实引擎模块利用所述影像数据、GIS数据和三维模型，构建可视化三维电子沙盘；以及展示单元，用于生成所述可视化三维电子沙盘的操作界面，并展示所述可视化三维电子沙盘。

优选地，所述数据单元包括：影像数据库模块，用于存储铁路的影像数据；GIS数据库模块，用于存储铁路的GIS数据；以及模型库模块，用于存储铁路的三维模型；其中，所述影像数据是多源的影像数据，且该多源的影像数据能被对应分解为铁路的各种设施和地形环境，且所述模型库模块中存储有与铁路的各种设施和地形环境相匹配的三维模型。

优选地，所述虚拟现实单元包括：导入模块，用于从所述数据单元导入构建可视化三维电子沙盘所需的影像数据、GIS数据和三维模型；以及虚拟现实平台，用于提供各种构建可视化三维电子沙盘所需的虚拟现实引擎模块，并基于所述影像数据、GIS数据和三维模型，选择相应的虚拟现实引擎模块以构建出可视化三维电子沙盘。

优选地，所述虚拟现实引擎模块包括：可视化场景构造引擎模块、对象处理引擎模块和渲染引擎模块。

优选地，所述渲染引擎模块是能够同时渲染左右眼图像的引擎模块。

优选地，所述数据单元与所述虚拟现实单元之间设置有数据接口单元，该数据接口单元用于实现所述数据单元与所述虚拟现实单元之间的读写交互。

优选地，所述展示单元包括：界面生成模块，用于生成所述可视化三维电子沙盘的操作界面，并为生成的操作界面配置指示操作的功能模块；以及展示模块，用于展示构建的可视化三维电子沙盘的三维地形环境、三维车站、三维轨道和多媒体信息，还用于综合集成展示多源的影像数据。

优选地，所述三维地形环境、三维车站、三维轨道和多媒体信息设置有与所述数据单元关联的超链接。

优选地，所述展示模块采用多通道环幕显示装置。

优选地，该铁路电子沙盘系统还包括用于支持所述数据单元、所述虚拟现实平台及所述展示单元工作的硬件设备。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明针对铁路公司的实际情况开发基于虚拟现实技术的铁路电子沙盘系统，该铁路电子沙盘系统可与铁路原有培训系统相结合，以补充和完善原有培训体系，提高了用户体验，更有利于有的放矢地帮助培训者提高职业技能。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的实施例中铁路电子沙盘系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的实施例给出了一种铁路电子沙盘系统，该铁路电子沙盘系统包括：数据单元，用于存储铁路的影像数据、GIS(GeographicInformationSystem，地理信息系统)数据和三维模型；虚拟现实单元，用于通过虚拟现实引擎模块利用所述影像数据、GIS数据和三维模型，构建可视化三维电子沙盘；以及展示单元，用于生成所述可视化三维电子沙盘的操作界面，并展示所述可视化三维电子沙盘。此外，该铁路电子沙盘系统还包括设置在所述数据单元与所述虚拟现实单元之间的数据接口单元，该数据接口单元用于实现所述数据单元与所述虚拟现实单元之间的读写交互。

对于本实施例的技术方案，其核心是利用了虚拟现实技术构建可视化三维电子沙盘。虚拟现实(VirtualReality，简称VR)，又译为临境，灵境等，其特点在于以模仿的方式为用户创造一种虚拟的环境，通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化。因此，将虚拟现实技术应用至重载铁路，以构建重载铁路的电子沙盘，再基于电子沙盘进一步开发各类铁路运输培训仿真系统，有利于满足铁路公司日益艰巨的培训任务的需求。

本实施例中，构建的电子沙盘要求能够从全局的角度，在三维地理信息空间对整个铁路的整体面貌进行可视化显示，也能够从局部细节的角度对铁路沿线的车站、轨道、桥梁、隧道等进行直观的显示。因此，在构建电子沙盘之前首先需要存储构建电子沙盘所需要的数据。

在本实施例中，通过数据单元存储构建电子沙盘所需要的数据，而所述数据单元包括：影像数据库模块，用于存储铁路的影像数据；GIS数据库模块，用于存储铁路的GIS数据；以及模型库模块，用于存储铁路的三维模型。

其中，所述影像数据是多源的影像数据，即具有不同的空间分辨率、时间分辨率和波谱分辨率的同一目标的影像数据。多源的影像数据能集成同一地区不同数据源的互补信息，从而降低数据的不精确性，以形成对目标的完整一致的信息描述。因此，在本领域中，多源的影像数据能够被对应分解为铁路的各种设施和地形环境。另外，所述模型库模块中存储的主要是结合铁路的各种设施和地形环境所预先配置的三维模型，一般有多个公知的三维模型模板供用户使用。本实施例中，为便于后续构建电子沙盘，所述模型库模块中要求存储有与分解影像数据所得到的铁路的各种设施和地形环境相匹配的三维模型。

进一步地，所述GIS数据包括电子地图、地理信息数据、图形数据等。

需说明的是，在本领域中，可通过卫星、无人机设备、各类传感器等多种现有采集方式采集获得上述的影像数据和GIS数据，且将影像数据分解为铁路的各种设施和地形环境以及预先配置三维模型也是本领域的常用技术手段，在此不再多述。

进一步地，所述虚拟现实单元包括：导入模块，用于从所述数据单元导入构建可视化三维电子沙盘所需的影像数据、GIS数据和三维模型；以及虚拟现实平台，用于提供各种构建可视化三维电子沙盘所需的引擎模块，并基于所述影像数据、GIS数据和三维模型，选择相应的引擎模块以构建出可视化三维电子沙盘。

据此，所述虚拟现实平台构成了虚拟现实单元的软件环境，其主要任务是设计参与者在虚拟境界中所会遇到的景和物，用户可利用虚拟现实平台对铁路系统进行建模，即构建铁路电子沙盘。虚拟现实平台包括有多个虚拟现实工具包，如可视化场景构造引擎模块、对象处理引擎模块和渲染引擎模块等构建可视化三维电子沙盘所需的引擎模块，这些虚拟现实工具包可用来将三维物体与虚拟境界组合在一起，并赋予它们指定的特性，比如一个虚拟现实工具包用于实现变更轨道等轨道基本操作。利用虚拟现实工具包，可以产生各种虚拟境界，本实施中即是利用可视化场景构造引擎模块、对象处理引擎模块和渲染引擎模块等构建出可视化三维电子沙盘。典型的虚拟现实工具包有：SGI公司的PROvision系统，Sense8公司的WordToolkit系统和Super-scape公司的VRT系统等。另外，也可直接使用本领域也有的虚拟现实平台产品。

优选地，所述虚拟现实平台基于所述影像数据、GIS数据和三维模型，选择相应的引擎模块以构建出可视化三维电子沙盘具体包括以下步骤：首先，对根据影像数据分解成铁路的各种设施和地形环境匹配三维模型，并基于匹配的三维模型和GIS数据，采用可视化场景构造引擎模块完成对应的设施和地形环境的虚拟重建，构建出可视化场景；其次，在构建出可视化场景后，基于GIS数据，采用对象处理引擎模块对场景中的对象进行调整；最后，对可视化场景中的基本对象元素进行渲染，得到求出整个铁路系统场景的可视化三维电子沙盘。

优选地，实施例采用的渲染引擎模块是能够同时渲染左右眼图像的引擎模块，以实现左右眼图像的输出与同步，提高用户体验。

进一步地，所述展示单元包括：界面生成模块，用于生成所述可视化三维电子沙盘的操作界面，并为生成的操作界面配置指示操作的功能模块；以及展示模块，用于展示构建的可视化三维电子沙盘的三维地形环境、三维车站、三维轨道和多媒体信息，还用于综合集成展示多源的影像数据。另外，所述三维地形环境、三维车站、三维轨道和多媒体信息设置有与所述数据单元关联的超链接，以便于配合相应的功能模块从所述数据单元调出所需要的数据。

需说明的是，在已构建电子沙盘的基础上，生成相应的操作界面及配置相应的功能模块为现有技术，在此不在多述。

优选地，所述指示操作的功能模块包括车站展示模块、图层设置模块、属性查看模块、综合查询模块、帮助模块、鼠标点击查询模块、最小化模块和退出模块中的一者或多者，下面介绍这几个功能模块所能实现的具体功能。

1)车站展示模块：当在操作界面点击此模块时，界面会弹出详细的车站信息，各车站信息的下级菜单又包括站场的建筑、桥涵(桥和涵洞)名称等，而用户点击相应的建筑名称以快速到达目标位置。

2)图层设置模块：当点击此模块时，界面会弹出下级的显示或隐藏菜单，以实现显示或隐藏相应建筑或桥涵模型。

3)属性查看模块：当点击此模块时，界面会弹出详细的车站信息，各车站信息的下级菜单又包括站场的建筑、桥涵名称等，点击相应建筑、桥涵名称可以实现查询此建筑或桥涵的图片、视频、文字说明等属性信息。

4)综合查询模块：当点击此模块时，可弹出查询输入框，在该查询输入框中输入建筑或桥涵名称，如桥涵名称时，会直接进入到该桥涵名称所在的位置。

5)鼠标点击查询模块，用于实现在场景中通过鼠标点击弹出被点击的建筑或桥涵的名称。

6)最小化模块，用于实现最小化电子沙盘。

7)退出模块，用于实现退出电子沙盘。

结合上述内容，本实施例中，所述展示模块用于展示构建的可视化三维电子沙盘的三维地形环境、三维车站、三维轨道和多媒体信息，还用于综合集成展示多源的影像数据，可见其要显示的内容众多。而在电子沙盘的实际应用中，视效是用户极为重视的指标，显示的大尺寸、大视野、沉浸感、互动性等成为展示电子沙盘的重要要求，据此本实施例中的展示模块采用多通道环幕显示装置。

多通道环幕显示装置实质上是一种采用多台投影机组合而成的多通道立体虚拟仿真环幕大屏幕显示系统，是虚拟三维投影显示系统中一种沉浸式虚拟仿真显示环境，该装置采用边缘融合技术把多台投影打出的图像形成立体数字图像实时输出并显示在一个超大幅面的平面投影幕墙上，使观看和参与者获得一种身临其境的虚拟仿真视觉感受，其比普通的环幕系统具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率，以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。

进一步地，该铁路电子沙盘系统还包括用于支持所述数据单元、所述虚拟现实平台及所述展示单元工作的硬件设备，其中部分硬件设备已在上文中有所描述，比如上述的多通道环幕显示装置。硬件设备主要包括支持数据单元的数据存储的数据服务器、运行所述虚拟现实平台的虚拟现实服务器以及与构建出的可视化三维电子沙盘的配合使用的外设装置。

其中，因为所述虚拟现实平台包括有以软件方式运行的多个虚拟现实工具包，因此需要设置虚拟现实服务器以实现虚拟现实工具包的正常运行，该虚拟现实服务器可选用满足运行需求的本领域常规服务器。

另外，基于虚拟现实构建出的可视化三维电子沙盘还需要配置多个外设设备才能使用，主要的外设装置包括键盘、鼠标、操纵杆、语言识别装置、耳机、立体眼镜、头戴式显示器等。

进一步地，本实施例的铁路电子沙盘系统可与铁路的其他培训系统(车务培训系统、工务培训系统、供电培训系统等)相配合，以构成相应的培训系统。因此，该铁路电子沙盘还具有用户管理功能，包括分层管理用户的培训信息和培训资料、设置用户角色(教员、学员、旁观者等)、设置培训模式(单人、多人、多工种培训等)以及其他方面的用户管理。

下面给出一个应用例，其以神木地区的三维地理信息系统为背景，选择神木北车站、大柳塔车站、府谷车站、燕家塔车站这四个车站为建模和显示对象。采用上述的技术方案建立该应用例对应的铁路电子沙盘系统，得到的电子沙盘能够综合显示铁路三维地理GIS信息、地形、山脉、河流基本地理信息，支持三维场景漫游、二三维联动、信息分层控制显示、信息查询与检索，还能显示声音、图片、动画、视频等多媒体信息。具体地，建立的铁路电子沙盘系统具有以下特点：

一、虚拟漫游

通过该铁路电子沙盘系统，构建了一个个虚拟的三维车站、铁路、桥、涵等场景，用户可以自由的漫步其间，可以快速到达想去的地点，且可以亲手控制漫游。用户还可以在虚拟场景中可以边走边学，获得身临其境的感觉。另外，还可以通过键盘、鼠标或操纵杆实现前、后、左、右、上、下方向的位移，同时可以实现左转、右转、仰视、俯视等功能。

二、信息查询

用户可使用鼠标选择场景中的建筑及设备等，并迅速获得相关的资料信息，包括文字介绍、图片、视频等。

三、信息分层管理

可以根据不同培训信息及资料，对用户进行分层管理。

四、二三维导航地图

可建立一个平面导航地图，使用户清楚了解自身所处地理位置，并可以利用该地图迅速到达指定地点，该地图可以缩小、放大或隐藏。

五、重点目标快速定位

可在系统虚拟场景上方，布置一排小型的重点站点设置，即可迅速到达该车站，方便了操作，节约了培训时间。

六、单机及网络版角色体验模式

针对培训职工的培训内容，可采用单人、多人、多工种的一体式联合训练，并有的放矢地帮助培训者提高职业技能。

七、多媒体资源集成

可以将与该物体相关的视频、音频、实景图片、电子文档等多媒体资源统统整合在该电子沙盘系统中，作为培训辅助资料，电子沙盘系统的相关展示对象设置有超链接，只需用鼠标轻轻一点，即可调出所需资料。

综上所述，本实施例针对铁路公司的实际情况开发基于虚拟现实技术的铁路电子沙盘系统，该铁路电子沙盘系统可与铁路原有培训系统相结合，以补充和完善原有培训体系，提高了用户体验，更有利于有的放矢地帮助培训者提高职业技能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种铁路电子沙盘系统，其特征在于，该铁路电子沙盘系统包括：

数据单元，用于存储铁路的影像数据、GIS数据和三维模型；

虚拟现实单元，用于通过虚拟现实引擎模块利用所述影像数据、GIS数据和三维模型，构建可视化三维电子沙盘；以及

展示单元，用于生成所述可视化三维电子沙盘的操作界面，并展示所述可视化三维电子沙盘。

2.根据权利要求1所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述数据单元包括：

影像数据库模块，用于存储铁路的影像数据；

GIS数据库模块，用于存储铁路的GIS数据；以及

模型库模块，用于存储铁路的三维模型；

其中，所述影像数据是多源的影像数据，且该多源的影像数据能被对应分解为铁路的各种设施和地形环境，且所述模型库模块中存储有与铁路的各种设施和地形环境相匹配的三维模型。

3.根据权利要求1所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述虚拟现实单元包括：

导入模块，用于从所述数据单元导入构建可视化三维电子沙盘所需的影像数据、GIS数据和三维模型；以及

虚拟现实平台，用于提供各种构建可视化三维电子沙盘所需的虚拟现实引擎模块，并基于所述影像数据、GIS数据和三维模型，选择相应的虚拟现实引擎模块以构建出可视化三维电子沙盘。

4.根据权利要求3所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述虚拟现实引擎模块包括：可视化场景构造引擎模块、对象处理引擎模块和渲染引擎模块。

5.根据权利要求4所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述渲染引擎模块是能够同时渲染左右眼图像的引擎模块。

6.根据权利要求1所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述数据单元与所述虚拟现实单元之间设置有数据接口单元，该数据接口单元用于实现所述数据单元与所述虚拟现实单元之间的读写交互。

7.根据权利要求1所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述展示单元包括：

界面生成模块，用于生成所述可视化三维电子沙盘的操作界面，并为生成的操作界面配置指示操作的功能模块；以及

展示模块，用于展示构建的可视化三维电子沙盘的三维地形环境、三维车站、三维轨道和多媒体信息，还用于综合集成展示多源的影像数据。

8.根据权利要求7所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述三维地形环境、三维车站、三维轨道和多媒体信息设置有与所述数据单元关联的超链接。

9.根据权利要求8所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，所述展示模块采用多通道环幕显示装置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的铁路电子沙盘系统，其特征在于，该铁路电子沙盘系统还包括用于支持所述数据单元、所述虚拟现实平台及所述展示单元工作的硬件设备。