城軌三維電子沙盤中列車運(yùn)行仿真的研究

曹 磊，郎誠廉

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200331）

虛擬仿真技術(shù)就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。目前在我國，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用在城市規(guī)劃、大型工程漫游、數(shù)字化酒店、展會(huì)、博物館展示系統(tǒng)等領(lǐng)域。而電子沙盤仿真也是虛擬仿真技術(shù)在實(shí)際中的運(yùn)用之一，可應(yīng)用于國家軍事方面，為軍事作戰(zhàn)和指揮提供三維模擬地形環(huán)境，為指揮者提供決策幫助。

本文介紹利用MultiGen Creator三維實(shí)體建模軟件設(shè)計(jì)的城軌三維電子沙盤以及在沙盤中使用OSG實(shí)現(xiàn)列車實(shí)時(shí)運(yùn)行可視化仿真的研究。通過對列車在三維空間中位置定位算法的研究，用計(jì)算機(jī)編程控制電子沙盤中動(dòng)態(tài)的場景，直觀準(zhǔn)確地演示列車在電子沙盤中運(yùn)行狀況和運(yùn)行過程。從虛擬的三維場景中體驗(yàn)比較真實(shí)的可視化仿真效果，加深對城軌列車運(yùn)行系統(tǒng)特點(diǎn)的理解與認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)教學(xué)演示、模擬操作等功能。

1 城軌三維電子沙盤模型的建立

目前廣泛使用物理沙盤來研究城軌列車系統(tǒng)，但物理沙盤有明顯的缺點(diǎn)，例如：沙盤模型不易建立和維護(hù)，模型修改復(fù)雜和擴(kuò)展性差，所以無論從時(shí)間和經(jīng)濟(jì)方面考慮，建設(shè)物理沙盤來研究城軌系統(tǒng)都是巨大的浪費(fèi)。而電子沙盤與物理沙盤相比，除了可以研究城軌列車系統(tǒng)功能外，它的模型建立簡單，設(shè)計(jì)和建設(shè)成本低，模型維護(hù)和修改方便靈活。基于電子沙盤這些優(yōu)點(diǎn)，以計(jì)算機(jī)為工具使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立城軌三維電子沙盤，搭建城軌列車的實(shí)驗(yàn)平臺，對城軌列車運(yùn)行系統(tǒng)研究和城軌技術(shù)發(fā)展具有十分重要的意義。

使用MultiGen Creator 3D建模軟件建立城軌三維電子沙盤，沙盤由軌道、道岔、車站、信號燈、周邊房屋建筑模型組成。下面對這些模型建立進(jìn)行說明：

（1）將Openflight API和VC++程序設(shè)計(jì)語言相結(jié)合，編寫自動(dòng)建立大面積三維軌道模型的程序，模型和現(xiàn)實(shí)軌道是1:1的三維模型，真實(shí)模擬列車的運(yùn)行軌道。

（2）使用MultiGen Creator軟件在軌道模型的基礎(chǔ)上添加了車站模型，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的列車運(yùn)行線路。

（3）為了模擬列車在軌道上運(yùn)行，增加了列車的模型。

（4）添加信號燈和道岔模型來模擬列車變軌情況。

（5）為使三維沙盤更接近現(xiàn)實(shí)，添加了軌道周圍環(huán)境的模型，主要包括居民房、樹木等模型虛擬周圍環(huán)境。城軌三維電子沙盤如圖1所示。

圖1 城軌三維電子沙盤

2 電子沙盤中列車運(yùn)行

OSG是一個(gè)基于工業(yè)圖形標(biāo)準(zhǔn)OpenGL的高層次圖形開發(fā)API接口，即三維渲染引擎。通過它能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。其優(yōu)點(diǎn)顯而易見：開源和平臺無關(guān)性，它還封裝并提供了數(shù)量眾多的提升程序運(yùn)行性能的算法、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分頁機(jī)制，以及對其他語言系統(tǒng)的（包括Python、C#，C++）封裝支持。OSG的核心代碼支持多種場景裁剪技術(shù)（Culling）、細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)（LOD）、渲染狀態(tài)排序（State Sort）、頂點(diǎn)數(shù)組，VBO、PBO、FBO、OPenGL著色語言等，以及場景動(dòng)態(tài)調(diào)度、多線程渲染等各種機(jī)制。OSG高效的場景驅(qū)動(dòng)渲染功能結(jié)合C++面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)語言編寫三維電子沙盤中列車運(yùn)行的仿真程序，可視化展現(xiàn)出沙盤中列車運(yùn)行的過程。

仿真列車運(yùn)行的流程如下：

仿真驅(qū)動(dòng)程序開始先載入已經(jīng)建好的城軌三維電子沙盤模型到視圖場景中，讀入所有的軌道線路數(shù)據(jù)，然后初始模型的位置工作和增加相應(yīng)的事件處理類addEventHandler（new Event-Handler)，實(shí)現(xiàn)和場景的交互控制并實(shí)時(shí)接受消息，在自定義函數(shù)中計(jì)算和處理數(shù)據(jù)和指令信息。啟動(dòng)列車仿真線程，在該線程中處理列車的運(yùn)行過程。循環(huán)仿真程序是三維繪制和交互過程，判斷是否有外部控制信息，然后根據(jù)仿真線程中列車運(yùn)行的位置繪制更新場景中的列車模型，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行可視化仿真。仿真程序流程如圖2所示。

圖2 仿真程序流程圖

（1）創(chuàng)建場景：建立一個(gè)osgViewer::Viewer類的對象。

（2）加載模型數(shù)據(jù)庫：首先將已經(jīng)建好的城軌三維電子沙盤模型加載到所建場景中，即對場景數(shù)據(jù)庫初始化。然后組織節(jié)點(diǎn)關(guān)系，建立一個(gè)拓?fù)鋱D來體現(xiàn)模型的基本關(guān)系。同時(shí)創(chuàng)建列車仿真線程，最后加載組織后的模型到所建場景中通過"setSceneData(root.get())"實(shí)現(xiàn)。

（3）最后進(jìn)入循環(huán)，進(jìn)行列車節(jié)點(diǎn)的繪制與更新，同時(shí)接受并響應(yīng)外部控制信息。

3 列車仿真運(yùn)行

模擬列車在沙盤中的運(yùn)行情況，利用定時(shí)器仿真列車運(yùn)行時(shí)鐘，定時(shí)器每次到1 s時(shí)，列車的仿真時(shí)鐘增加1 s,然后仿真時(shí)鐘與列車運(yùn)行時(shí)刻表比較，組織和控制列車運(yùn)行。列車時(shí)刻表規(guī)定列車在一個(gè)車站到達(dá)和出發(fā)(或通過)的時(shí)刻、列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分、列車在車站的停站時(shí)分、折返站列車折返作業(yè)時(shí)間以及列車出入場時(shí)刻。并且在定時(shí)器中根據(jù)列車運(yùn)行情況調(diào)整列車的速度，計(jì)算出列車運(yùn)行距離，然后繪制和更新列車在電子沙盤中的位置，實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行。

3.1 列車運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)模型的控制

整個(gè)三維電子沙盤場景模型分為2類：靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。靜態(tài)模型分別是軌道模型、車站模型、周邊環(huán)境模型。這些模型只要首次載入場景視圖中就保持固定不變，列車運(yùn)行過程中它們是相對靜止不動(dòng)的。動(dòng)態(tài)模型有列車模型、道岔DOF模型和信號燈模型。道岔DOF模型，信號燈模型根據(jù)軌道前方進(jìn)路、軌道區(qū)域占用情況、道岔的狀態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)控制。信號燈有3種狀態(tài)：紅色、藍(lán)色，白色。當(dāng)列車前方道路被占用時(shí)，信號燈為紅色表示列車禁止前行，應(yīng)在此停車；當(dāng)?shù)啦鞤OF模型打開時(shí)信號燈變藍(lán)色表示列車要直行；道岔DOF模型處在合上的狀態(tài)信號燈變白色表示列車側(cè)行。場景中主要用鍵盤控制道岔尖軌的轉(zhuǎn)動(dòng)，程序中添加了基于GUIEventHandler的派生類KeyBoardHandler來作為傳遞給場景的鍵盤事件處理終端，通過重構(gòu)handle函數(shù)的方法，獲取實(shí)時(shí)的鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)自定義handle函數(shù)實(shí)現(xiàn)道岔控制，根據(jù)道岔的狀態(tài)通過切換Switch節(jié)點(diǎn)改變信號燈顏色，道岔和信號燈的效果如圖3所示。

圖3 道岔與信號燈效果圖

3.2 列車速度控制

列車仿真運(yùn)行過程中，設(shè)定列車的最大限速度90 km/h，加減速度a=1 m/s2。以列車在軌道上2站臺之間運(yùn)行為例子，說明列車運(yùn)行過程。程序中從列車時(shí)刻表得到在2站臺間列車運(yùn)行時(shí)間，然后根據(jù)站臺間的距離為2 km，計(jì)算出仿真列車運(yùn)行的速度曲線如圖4所示。

圖4 速度曲線圖

列車開始出站臺的初速度為0，仿真程序中設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)間隔Δt，每次定時(shí)時(shí)間到來，計(jì)算列車當(dāng)前速度和列車實(shí)際行駛距離：

公式（1）中vk+1是當(dāng)前列車速度，vk是上一次刷新的速度，Sk+1列車當(dāng)前距離，Sk上一次列車距離。 列車在三維空間中的位置是（x，y，z，h，p，r)，(x，y，z)是列車坐標(biāo)值，（h，p，r）表示列車方位角。列車是沿著已建好軌道線路模型運(yùn)動(dòng)，整個(gè)列車軌道線路是由多段曲線組成，每條曲線是由一段段直線段組成，曲線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的是每條直線段端點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)（x,y,z,h,p,r）和曲線長度，曲線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 軌道曲線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

仿真過程中，首先要確定當(dāng)前列車處于整個(gè)曲線段的哪個(gè)區(qū)間內(nèi)，對應(yīng)的距離位置為（Sn，Sn+1），則相對于曲線起點(diǎn)的位置偏移為ΔS=S_Sn，該段曲線的起點(diǎn)坐標(biāo)為（xn，yn，zn，hn，pn，rn），列車空間坐標(biāo)（x，y，z，h，p，r）計(jì)算公式：

隨著列車行駛距離的不斷增加，根據(jù)公式（2）計(jì)算出列車位置坐標(biāo)(x，y，z，h，p，r)也是不斷變化的，通過OSG編程驅(qū)動(dòng)場景循環(huán)繪制和更新列車在三維沙盤場景中位置，實(shí)現(xiàn)列車沿著軌道光滑的行駛。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了城軌三維電子沙盤中主要的模型設(shè)計(jì)與建立，并使用OSG三維渲染引擎實(shí)時(shí)的渲染和控制場景中的動(dòng)態(tài)模型，仿真列車在電子沙盤中的運(yùn)行過程。城軌電子沙盤能夠高效、精確地模擬城軌列車的運(yùn)行環(huán)境，最大限度地接近現(xiàn)實(shí)情況，解決城軌物理沙盤建立和修改不靈活問題。隨著城軌系統(tǒng)的發(fā)展，電子沙盤能夠及時(shí)、靈活地?cái)U(kuò)展城軌沙盤的模型和周邊環(huán)境模型，作為實(shí)驗(yàn)平臺展現(xiàn)城軌列車運(yùn)行過程，為城軌交通系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、可行性研究、立項(xiàng)建設(shè)乃至運(yùn)營過程中列車控制與監(jiān)控設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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