列控設(shè)備三維建模及動(dòng)態(tài)展現(xiàn)技術(shù)研究

張毅楠（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

近年來，我國的高速鐵路飛速發(fā)展，為保障高速鐵路的安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行，我國鐵路領(lǐng)域的科研工作者進(jìn)行了大量的研究和創(chuàng)新。在鐵路信號(hào)和列控系統(tǒng)方面，為了保證CTCS-3（簡(jiǎn)稱C3）級(jí)列控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成測(cè)試和后期的故障重現(xiàn)及驗(yàn)證能夠有效實(shí)施，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司自主創(chuàng)新研發(fā)了C3列控系統(tǒng)的集成測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)通過將實(shí)物設(shè)備和模型設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一建模和接入，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建鐵路全線的仿真運(yùn)行環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備的測(cè)試。

通過總結(jié)和歸納C3列控系統(tǒng)集成測(cè)試平臺(tái)在實(shí)踐中遇到問題，發(fā)現(xiàn)它在用戶界面的友好性方面做得不夠好，主要體現(xiàn)如下。

1）為了展現(xiàn)列車在線路上的運(yùn)行情況，集成測(cè)試平臺(tái)具有二維的線路圖界面，用于顯示列車的位置、信號(hào)的開閉、移動(dòng)授權(quán)的覆蓋范圍等信息。該界面的不足之處在于：展示某個(gè)具體列車的運(yùn)行狀況時(shí)不夠直觀，不能準(zhǔn)確地反映列車的動(dòng)力學(xué)特征，如：?jiǎn)?dòng)、加速、制動(dòng)的過程等。

2）C3集成測(cè)試平臺(tái)具備虛擬駕駛臺(tái)和真實(shí)駕駛臺(tái)的接口，用戶可以操控列車在線路上行駛，但由于缺乏一個(gè)司機(jī)視角的視景展示系統(tǒng)，所以駕駛起來真實(shí)感不高。

3）C3集成測(cè)試平臺(tái)的列車動(dòng)力學(xué)模型預(yù)留了處理冰雪、雷雨天氣條件下列車動(dòng)力學(xué)特征的接口，可以模擬列車在特殊天氣下的運(yùn)動(dòng)情況，如果有一個(gè)具有真實(shí)感的人機(jī)交互界面，能夠?qū)⑻鞖鈼l件逼真地展現(xiàn)出來，會(huì)使整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的界面子系統(tǒng)的展示效果大大提升。

基于以上的三點(diǎn)，本文提出C 3集成測(cè)試平臺(tái)的三維視景仿真系統(tǒng)的構(gòu)建方案。該系統(tǒng)目標(biāo)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套配置靈活、高真實(shí)感、可獨(dú)立運(yùn)行且易于系統(tǒng)集成的高速列車三維仿真系統(tǒng)，它能夠與二維的線路圖互為補(bǔ)充，并能以三維虛擬現(xiàn)實(shí)的方式對(duì)動(dòng)車的駕駛、列控設(shè)備和列車的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行仿真。

張毅楠，男，碩士畢業(yè)于清華大學(xué)，助理工程師，主要研究方向包括綜合監(jiān)測(cè)、故障診斷，曾參與十二五國家科技支撐計(jì)劃課題：全息化運(yùn)行環(huán)境感知系統(tǒng)，C3綜合測(cè)評(píng)系統(tǒng)的研究。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

三維建模技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生和發(fā)展不斷地進(jìn)步，從最初的通過頂點(diǎn)、多邊形和面的組合組成“立體”的物體到通過多細(xì)節(jié)層次建模并動(dòng)態(tài)決定物體渲染的資源分配，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算等技術(shù)的出現(xiàn)，使得虛擬世界中的物體越來越逼近真實(shí)的物體。

三維仿真，或稱虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)，是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，用戶可以使用各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用的一種技術(shù)[1]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可使用計(jì)算機(jī)將客觀世界的數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為不同形態(tài)的光點(diǎn)與聲波，并以適當(dāng)?shù)姆绞郊右匀诤希瑥亩鵂I(yíng)造一個(gè)虛擬的世界。

在高速列車的三維建模和仿真系統(tǒng)的研究方面，西南交通大學(xué)的列車仿真中心做出了許多有意義的工作[2][3]，他們所做的列車視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：對(duì)列車和周圍環(huán)境的建模比較細(xì)致，且采用多通道環(huán)幕技術(shù)，能給用戶提供一個(gè)具有包圍感的視場(chǎng)，逼真度較好。但不足之處在于：場(chǎng)景需在建模時(shí)預(yù)先定義好，在建模完畢后幾乎無法定制，這就導(dǎo)致對(duì)于不同的線路需分別進(jìn)行三維建模，工作的重復(fù)性太大。

在國外的列車仿真系統(tǒng)也有較多的應(yīng)用先例，比如日本三菱開發(fā)的新干線司機(jī)模擬訓(xùn)練機(jī)，可以真實(shí)地再現(xiàn)駕駛員室，各種配電盤和操作臺(tái)，還能模擬列車實(shí)際運(yùn)行過程中的速度感和顛簸感，并模擬各種天氣狀況，使得操作員能更真實(shí)地感受列車的運(yùn)行。但是這套系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于：只側(cè)重于對(duì)司機(jī)駕駛時(shí)所需進(jìn)行的操作進(jìn)行模擬和仿真，而對(duì)于鐵路沿線的工務(wù)和信號(hào)設(shè)備的仿真度不夠，無法進(jìn)行復(fù)雜列車進(jìn)路的模擬等。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

三維仿真系統(tǒng)與C3集成測(cè)試平臺(tái)的功能邏輯關(guān)系如圖1所示。

三維仿真系統(tǒng)與C3集成測(cè)試平臺(tái)采用以太網(wǎng)絡(luò)的U DP協(xié)議進(jìn)行通信，采用C/S架構(gòu)，三維仿真系統(tǒng)為服務(wù)端，C3集成測(cè)試平臺(tái)為客戶端。C3集成平臺(tái)將控制命令（如：添加列車、刪除列車等）和列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（如：列車的速度、位置信息），外部運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)（如：信號(hào)機(jī)狀態(tài)、道岔狀態(tài)等）發(fā)送給三維仿真系統(tǒng)，后者接收命令和數(shù)據(jù)后對(duì)消息進(jìn)行解析并操控列車在虛擬場(chǎng)景中行駛。

三維仿真系統(tǒng)的內(nèi)部模塊如圖2所示。

三維仿真系統(tǒng)的內(nèi)部模塊按照其功能的劃分可分為如下幾方面。

1）區(qū)域風(fēng)景編輯器：編輯器中有一個(gè)模型庫，庫中存放著不同的山巒、農(nóng)田、樹木和房屋等素材，通過編輯器將這些素材組合在一起可以生成鐵路沿線的景色。

2）鐵路線路編輯器：使用軌道單元配置數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)生成軌道模型。

3）UDP網(wǎng)絡(luò)通信模塊：接收C3集成測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)包，驅(qū)動(dòng)三維列車運(yùn)行和場(chǎng)景變換。

4）列車運(yùn)行及IK處理模塊：驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)動(dòng)，并處理列車車廂之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

5）坐標(biāo)系變換模塊：執(zhí)行相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，防止列車運(yùn)行到場(chǎng)景遠(yuǎn)端出現(xiàn)的由于距離坐標(biāo)原點(diǎn)太遠(yuǎn)而導(dǎo)致浮點(diǎn)數(shù)精度不夠問題。

6）天氣模塊：模擬不同的天氣狀況之間的轉(zhuǎn)換。

7）相機(jī)切換模塊：可以切換觀察的視角。

8）日志模塊：記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)日志及通信數(shù)據(jù)日志。

在以上的8個(gè)模塊中，鐵路線路編輯器中的線路生成算法和列車運(yùn)行街IK處理模塊中的控車算法是關(guān)鍵，這也是本文要重點(diǎn)討論的內(nèi)容。

4 軌道線路生成算法

軌道線路生成分為2步：關(guān)鍵線路的生成和三維模型的生成。

關(guān)鍵線路的生成即根據(jù)軌道單元之間的連接關(guān)系建立整條線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，生成的關(guān)鍵線路是具有二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)線。

三維模型的生成過程即在關(guān)鍵線路上鋪設(shè)鐵軌的模型，包括無岔區(qū)段的鐵軌和道岔區(qū)段的鐵軌兩種主要類型。

軌道單元之間的連接方式由配置文件在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)提供，對(duì)每個(gè)軌道單元的描述如表1所示。

表1 軌道單元信息示例

根據(jù)表1中的信息，可以利用軌道單元之間的連接關(guān)系生成關(guān)鍵線路曲線，其流程如圖3所示。

生成了關(guān)鍵線路之后，就可以根據(jù)關(guān)鍵線路生成鐵軌的三維模型。程序自動(dòng)根據(jù)軌道單元的形狀和長(zhǎng)度從事先由美工設(shè)計(jì)好的模型庫中選取相應(yīng)的鋼軌模型，并對(duì)其尺寸進(jìn)行相應(yīng)的變換后，擺放到相應(yīng)的位置。擺放后的鋼軌模型如圖4所示。

5 列車行駛路徑算法

在列車運(yùn)行及IK處理模塊中，列車的運(yùn)動(dòng)由公里標(biāo)與速度雙重驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行，系統(tǒng)通過C3集成測(cè)試平臺(tái)發(fā)送的公里標(biāo)確定火車的靜態(tài)位置，再根據(jù)發(fā)送的速度值決定列車在虛擬世界中的單位時(shí)間內(nèi)行進(jìn)的距離。為了保證展現(xiàn)的連續(xù)性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信突然中斷時(shí)，火車可以按照最后接收到的數(shù)據(jù)包中火車速度繼續(xù)前進(jìn)，并等待通信的恢復(fù)；為了保證列車速度的平穩(wěn)過渡，使用緩沖隊(duì)列對(duì)速度和位置數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，這樣可使列車的運(yùn)行軌跡平滑連續(xù)。

在三維仿真系統(tǒng)中，列車的運(yùn)行軌跡是根據(jù)C3集成測(cè)試平臺(tái)發(fā)送的應(yīng)答器序列確定的。整個(gè)過程的流程如圖5所示。

列車在線路上運(yùn)行時(shí)，利用U DP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的公里標(biāo)進(jìn)行定位。三維列車IK控制模塊會(huì)根據(jù)列車車廂數(shù)和車廂長(zhǎng)度，以及線路曲線或直線段對(duì)三維車廂模型進(jìn)行放置。

1）首先根據(jù)U DP網(wǎng)絡(luò)包的火車公里標(biāo)和應(yīng)答器序列算出三維場(chǎng)景中列車所在的線路或股道。

2）獲取鐵路線路容器中的折線段。

3）根據(jù)列車車廂長(zhǎng)度和車廂的間距，將每段車廂視為線段放置在曲線上。

4）將線段的中心算出，并根據(jù)中心計(jì)算出車廂模型坐標(biāo)的數(shù)學(xué)矩陣，將三維模型放置到數(shù)學(xué)矩陣代表的坐標(biāo)上。

根據(jù)以上步驟，即完成了列車在三維場(chǎng)景中的定位。

6 討論

本文提出的列控設(shè)備三維建模及展現(xiàn)系統(tǒng)相比以往的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：虛擬場(chǎng)景中所展現(xiàn)的高速鐵路線路是可靈活配置的，用戶可以根據(jù)需要以更改配置文件的形式簡(jiǎn)便更改線路結(jié)構(gòu)，所以它的通用性強(qiáng)。它的缺點(diǎn)在于：為了滿足動(dòng)態(tài)生成軌道的需求，對(duì)軌道區(qū)段特別是道岔區(qū)段的建模精度會(huì)受到影響。實(shí)際的鐵路中道岔具有多種型號(hào)，且岔尖、翼軌、護(hù)軌的配置也不盡相同，使用自動(dòng)生成算法對(duì)道岔區(qū)段的鋼軌進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)由于算法考慮不周導(dǎo)致的生成結(jié)果不美觀，與真實(shí)道岔相差較大的問題，這是今后需努力改進(jìn)的地方。

7 結(jié)論

本文所述的列控設(shè)備三維建模及動(dòng)態(tài)展現(xiàn)系統(tǒng)可作為C3集成化仿真測(cè)試平臺(tái)的一個(gè)重要的組成部分，它作為后者的界面展現(xiàn)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一套配置靈活、高真實(shí)感的、可獨(dú)立運(yùn)行且易于系統(tǒng)集成的三維仿真界面。該子系統(tǒng)的建設(shè)充實(shí)了C3集成測(cè)試平臺(tái)的功能，為在集成測(cè)試平臺(tái)上開展新的實(shí)驗(yàn)和研究提供了保障，為集成平臺(tái)進(jìn)一步改良升級(jí)為人員培訓(xùn)平臺(tái)做了技術(shù)的鋪墊，故具有深遠(yuǎn)的意義。

[1]劉光然．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]唐冰．基于微機(jī)的多通道列車視景仿真系統(tǒng)的研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2003.

[3]閆偉萍．基于CTCS-2的列車視景仿真系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2009.