地鐵運行視景系統(tǒng)中虛擬線路的實現(xiàn)

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(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 611756)

隨著我國公共交通的發(fā)展,城市軌道交通已成為當今乃至今后一段時間內(nèi)我國大城市的發(fā)展重點。目前將仿真技術(shù)運用到列車運行的研究越來越受到關(guān)注。文獻[1]中介紹了OpenGL技術(shù)支持下的2類三維地形建模技術(shù),并對地形視景進行了仿真實現(xiàn)。文獻[2]中利用多媒體技術(shù)實現(xiàn)了視景仿真過程線路圖像同步,為以虛擬視景進行相關(guān)教學(xué)提供了可能。文獻[3]中利用計算機圖形圖像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)對列車駕駛進行真實模擬,視覺效果非常直觀。文獻[4]中提出了一個結(jié)合數(shù)據(jù)庫和列車自動監(jiān)督系統(tǒng)(ATS)的列車自動運行仿真系統(tǒng),將列車自動運行控制系統(tǒng)(ATC)運用到列車運行仿真,使得仿真系統(tǒng)更加貼近現(xiàn)實情況。

本文以鄭州地鐵一號線為線路原型,利用微軟模擬列車(MSTS)平臺對該線路進行了仿真建模,實現(xiàn)了該線路的虛擬還原。MSTS是由微軟公司開發(fā)的用來模擬列車運行場景的視景系統(tǒng)平臺,具有良好的第三方擴展性。針對列車線路的鋪設(shè),該平臺提供了線路編輯器和地形生成編輯器。地形生成編輯器可以生成列車線路編輯所需要的地形區(qū)域,線路編輯器可以在劃定的地形區(qū)域范圍內(nèi)進行列車線路的編輯工作,完成線路的鋪設(shè)及周邊場景的還原。該平臺對視景模型良好的展示效果使得現(xiàn)實世界列車運營場景能夠生動形象地復(fù)原。

1 地形區(qū)域的創(chuàng)建

在創(chuàng)建新的線路之前需要確定新線路的基本屬性和所占據(jù)的地形區(qū)域,并導(dǎo)入對應(yīng)區(qū)域的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。

1.1 線路的基本屬性

在地形生成編輯器中,首先需要確定線路的基本屬性,包括位置、接觸網(wǎng)高度和線路限速等,保存好新建的線路基本屬性后,再次利用地形生成編輯器直接選擇該線路并進行相關(guān)編輯工作,如圖1所示。

圖1 線路選擇Fig.1 Route selection

線路的位置是通過Google earth確定的,利用地標可以將現(xiàn)實世界的線路場景進行復(fù)原,將保存后的位置文件轉(zhuǎn)換成MSTS平臺能夠識別的*.MKR文件后就可以在視景系統(tǒng)運行的時候被加載[5]。

1.2 地形區(qū)域的創(chuàng)建

視景顯示對存儲空間的要求較高,為了合理有效地利用資源,避免不必要的地形區(qū)域占用線路文件[6],在地形生成編輯器中利用最小四分樹來創(chuàng)建區(qū)塊。通過最小四分樹最終確定線路編輯器中線路編輯的地形區(qū)域,使得創(chuàng)建的線路更加精確。最小四分樹創(chuàng)建的地形區(qū)域如圖2所示。經(jīng)過四分樹最小化后,可有效減小線路文件占用的存儲空間。

圖2 最小四分樹創(chuàng)建的地形區(qū)域Fig.2 Terrain area created by minimum quadtrees

1.3 DEM數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

DEM是一種利用有序數(shù)值陣列來表示海拔的實體模型,本文利用該模型對鄭州地鐵一號線的地形進行復(fù)原。在虛擬的視景環(huán)境中,經(jīng)緯度共同確定了唯一的位置坐標,通過經(jīng)緯度就可以將DEM數(shù)據(jù)中的地形特征與MSTS平臺虛擬視景中的地形關(guān)聯(lián)起來[5]。在下載好需要的DEM數(shù)據(jù)文件后,就可以利用地形導(dǎo)入軟件DEMEX將DEM數(shù)據(jù)包導(dǎo)入。

2 線路的編輯

在成功創(chuàng)建了地形區(qū)塊后,打開線路編輯器,選擇已經(jīng)創(chuàng)建的線路區(qū)塊就可以看到如圖3所示的初始界面,通過鍵盤按鍵事件和鼠標點擊事件可以實現(xiàn)方向的調(diào)整。線路編輯器有5個輔助窗體,分別為模式窗體、地形窗體、對象窗體、設(shè)置窗體和攝像機窗體。模式窗體對視景模塊進行一系列操作使得視景模塊按照要求放置(見圖4),地形窗體對地形的參數(shù)信息進行設(shè)置(如坡度),對象窗體顯示當前所操作視景模塊的相關(guān)位置參數(shù)信息,設(shè)置窗體選擇視景系統(tǒng)中需要使用的視景模塊,攝像機窗體將視景顯示跳到指定坐標。

圖3 線路編輯器初始界面Fig.3 Initial interface of route editor

圖4 模式窗體Fig.4 Mode form

2.1 軌道

在MSTS平臺底層模型庫中有不同類型的軌道模型,軌道的鋪設(shè)效果如圖5所示。在鋪設(shè)軌道的過程中需要根據(jù)實際線路的情況選擇合適長度的軌道模型和不同號數(shù)的道岔模型,不同模型的合理應(yīng)用可以有效提高軌道鋪設(shè)的效率。底層模型庫中還包含了大量不同曲率半徑的軌道模型,對這些模型的合理運用就可以實現(xiàn)對現(xiàn)實線路的虛擬還原。軌道模型之間的連接實際上是各個模型節(jié)點的矢量連接。在線路編輯器中按照鄭州地鐵一號線實際工程圖紙鋪設(shè)軌道后,MSTS平臺底層會生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)配置文件。9號軌道區(qū)段的腳本文件定義如下所示:

TrackNode(9

TrVectorNode(

TrVectorSections(3 191 38048 -1255 14036 118 0 2 00 -1255 … ))

TrPins(1 1

TrPin(4 0)

TrPin(8 1)

))

通過括號中的數(shù)字可以獲取相關(guān)信息。TrVectorSections字段的數(shù)據(jù)標識了與該軌道區(qū)段相連接的其他節(jié)點的相關(guān)信息,包括軌道和道岔類型、位置坐標等;TrPins字段代表與本區(qū)段節(jié)點連接的矢量端。27號有岔軌道區(qū)段的腳本文件定義如下所示:

TrackNode(27

TrJunctionNode(0 38048 0 )

UiD(-1252 14035 62 0 -1252 14035 868.265 104.733 622.847 0 1.75273 0 )

TrPins(12

TrPin(36 0 )

TrPin(49 1 )

TrPin(51 1 )

))

TrJunctionNode字段表示道岔節(jié)點,標識了道岔類型;UiD字段唯一標識了該道岔節(jié)點,包含了坐標位置和其他屬性等。

同時,模型庫中還包含高架、隧道和橋梁等特殊的場景模型,現(xiàn)有模型庫已經(jīng)能夠滿足如今對地鐵、鐵路、有軌電車等進行仿真的要求。若有其他需求還可以利用第三方建模軟件如3DsMAX進行建模,將模型文件轉(zhuǎn)換成MSTS平臺能夠識別的文件格式再進行加載即可。

2.2 信號機

在軌道鋪設(shè)完畢后,就可以根據(jù)實際線路的工程圖紙來鋪設(shè)信號機。將信號機按照指定要求鋪設(shè)完畢后,在MSTS平臺底層生成信號機的相關(guān)配置文件*.dat并對信號機的基本信息進行相關(guān)定義,如下所示:

SignalItem(

TrItemId( 36 )

TrItemSData( 46.0623 00000002 )

TrItemRData(2.46327 124.152 677.838 -1256 14036)

TrSignalType( 00000001 1 5.60554 CNTG3xZDS ))

TrItemId字段標識信號機的編號,TrItemSData字段標識信號機模型的相關(guān)信息,TrItemRData字段標識信號機在視景系統(tǒng)中的坐標,TrSignalType字段標識信號機模型的類型。

通過對該文件的修改可以直接定義信號機的顯示狀態(tài)和該顯示狀態(tài)的顯示條件。

在MSTS平臺中,信號機實際上不是一種“動態(tài)模型”,因為信號機顯示的改變是通過貼圖的改變來實現(xiàn)的。要改變信號機的顯示只需屏蔽掉原來的顯示貼圖并在對應(yīng)燈位貼上要求的貼圖即可,如圖6所示。

3 周邊場景模型的創(chuàng)建

在完成了主體線路的鋪設(shè)工作后,可以自定義地對線路周邊的環(huán)境進行鋪設(shè)。為了演示多種站臺效果,本文針對車站設(shè)置了地面站臺、地下站臺和高架站臺等多種站臺模型,在線路周邊還添加了高樓建筑模型、汽車模型、銀行模型等城市標志性模型。

4 系統(tǒng)測試

在同一個局域網(wǎng)中,多個視景系統(tǒng)客戶端可以連入同一個作為服務(wù)器的視景系統(tǒng)主機。視景系統(tǒng)運行需要的底層框架為.NET Framework 3.5和XNA Framework Redistributable 3.1。本文方法搭建起來的線路環(huán)境如圖7所示。

圖7 本文方法搭建的線路環(huán)境Fig.7 Route environment constructed by the proposed method

5 結(jié)語

通過對視景系統(tǒng)的測試可以看到,利用本文提出的MSTS平臺對鄭州地鐵一號線的線路進行虛擬還原,演示效果逼真,可以對現(xiàn)實世界的模型進行直觀地虛擬演示。通過軌道模型和信號機的底層文件可以獲取視景系統(tǒng)中虛擬線路的相關(guān)數(shù)據(jù),為后期利用線路數(shù)據(jù)做進一步的研究和開發(fā)提供了可能。同時,該視景系統(tǒng)具有豐富的現(xiàn)實意義,在對視景系統(tǒng)進一步完善后可以將其作為教學(xué)演示平臺或者司機駕駛培訓(xùn)平臺。

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