基于MSTS的列車運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)三維建模

王懷松，陳榮武，楊 城

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

基于MSTS的列車運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)三維建模

王懷松，陳榮武，楊 城

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

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍式發(fā)展，無論是硬件設(shè)備功能還是軟件工具平臺(tái)都已具備了強(qiáng)大的處理功能，列車運(yùn)行仿真方法日趨多元化。提出了一種基于MSTS（Microsoft Train Simulator）平臺(tái)的列車運(yùn)行仿真方法，并通過建立成遂線的線路模型介紹了利用該方法建模的基本過程和內(nèi)容，分析了建模過程中可能存在的問題并提出了相應(yīng)解決辦法。最后依據(jù)成遂線真實(shí)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景逼真模擬了列車運(yùn)行客觀環(huán)境。實(shí)踐證明，該方法具有高效性、靈活性與可擴(kuò)展性。

列車運(yùn)行仿真；線路模型；MSTS；場(chǎng)景

1 引 言

自上個(gè)世紀(jì)八十年代末九十年代初，我國(guó)開始將三維仿真技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域，起初的目的主要是為培訓(xùn)列車司機(jī)提供一種模擬駕駛平臺(tái)［1］。近年來，隨著我國(guó)鐵路現(xiàn)代化建設(shè)快速推進(jìn)以及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，列車運(yùn)行仿真技術(shù)也在不斷進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。作為現(xiàn)代化的培訓(xùn)平臺(tái)，列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)可以使列車駕駛員或乘務(wù)員更好更快地熟悉和掌握機(jī)車的編組和運(yùn)行工況。作為模擬演示平臺(tái)，我們可以在虛擬卻高度真實(shí)的場(chǎng)景里模擬各種有可能在現(xiàn)實(shí)世界里發(fā)生的突發(fā)情況［2－3］，為相關(guān)人員處理突發(fā)事故積累經(jīng)驗(yàn)。作為研究測(cè)試平臺(tái)，不論是新線的試運(yùn)營(yíng)還是舊線的改造，都可以通過該仿真系統(tǒng)觀察預(yù)期效果，了解是否滿足運(yùn)營(yíng)和安全需求。

2 三維視景開發(fā)工具簡(jiǎn)介

本文所提出的建模工具M(jìn)STS（MicrosoftTrain Simulator）是美國(guó)微軟公司推出的基于模擬火車駕駛的軟件開發(fā)平臺(tái)，MSTS是一個(gè)比較開放性的軟件平臺(tái)，用戶可以根據(jù)它提供的工具來進(jìn)行二次開發(fā)，按照自己的需求進(jìn)行線路編輯以及創(chuàng)建各種模型，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)交互性的模擬駕駛，現(xiàn)被廣泛用于各種火車模擬游戲的開發(fā)中。這種基于微軟MSTS開發(fā)平臺(tái)的建模方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的CAD、3dsmax、Multigen Creator等建模方法而言，該方法憑借強(qiáng)大的圖像處理能力、強(qiáng)大的模型數(shù)據(jù)庫(kù)以及批量式布景功能，大大提高了建模的質(zhì)量與效率。MSTS開發(fā)平臺(tái)不僅可以對(duì)地鐵、高鐵、有軌電車等任何軌道交通進(jìn)行直觀真實(shí)的模擬，而且還能夠?qū)⒁呀?jīng)完成的線路運(yùn)用到其他的線路，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性［4］。

3 列車運(yùn)行環(huán)境三維模型的建立

列車運(yùn)行環(huán)境需要構(gòu)建的三維模型主要包括：軌道、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)以及橋梁、隧道等。同時(shí)，為使仿真系統(tǒng)更加具有真實(shí)感，還需增加諸如樹木、山川、湖泊、公路等建筑景觀以及設(shè)定天氣、季節(jié)等環(huán)境特性。本文中列車運(yùn)行環(huán)境的建模原型是成渝線的成都至遂寧段，該線路是成渝線的一部分，全長(zhǎng)146公里，線路環(huán)境比較豐富，包含了平原、山川、湖泊以及隧道和橋路，是比較理想的仿真研究對(duì)象。列車運(yùn)行環(huán)境的三維模型建立流程如圖1所示。

3.1 地形區(qū)域創(chuàng)建

鐵路線路模型所在地形區(qū)域的創(chuàng)建是在MSTS的地形生成器中完成的。以創(chuàng)建成遂線路模型為例，首先進(jìn)入MSTS的地形生成器新建一條線路，然后在地球儀上找到需要?jiǎng)?chuàng)建線路的大致位置并連續(xù)放大該區(qū)域，此時(shí)可以看到地圖上以紅色線條標(biāo)注的就是既有鐵路（2001年前修建），如圖2（a）所示。如果是新的線路可能無法找到，就要用Google Earth或者其他的工具先確定要建立線路的大致經(jīng)緯度，這些經(jīng)緯度信息可以從谷歌地球中的地標(biāo)工具獲得，然后通過地標(biāo)轉(zhuǎn)換工具軟件將地標(biāo)文件編碼為MSTS可以識(shí)別的MKR文件，那么在隨后制作線路的過程中，就可以沿著這些標(biāo)記往前鋪軌，而不會(huì)偏離實(shí)際走向。

圖1 線路模型建立流程Fig.1 Model building process

定位至成遂線所占據(jù)的地圖區(qū)域上，通過用鼠標(biāo)拖出矩形框來選擇線路，并在矩形的內(nèi)部添加所選擇的全部區(qū)塊，然后重復(fù)這個(gè)步驟，直到添加若干塊區(qū)域以覆蓋整條線路。此時(shí)，在所選矩形中會(huì)出現(xiàn)很多黑色的方格，最小的方格代表大約1.5公里見方的地形方塊。然后對(duì)所要建設(shè)線路周圍的小方格對(duì)線路進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記后相應(yīng)小方格會(huì)變成藍(lán)色，最終要確保線路經(jīng)過的小方格全部被標(biāo)記，如圖2（b）所示。

在線路上選擇一點(diǎn)作為線路編輯器的開始區(qū)塊，這里的開始區(qū)塊就是在打開線路編輯器后攝像機(jī)視角的初始位置。最后下載該線路所涉及的經(jīng)緯度DEM數(shù)據(jù)包，用地塊軟件DEMEX將該區(qū)域的數(shù)據(jù)包導(dǎo)入線路。由于使用的DEM地形地貌數(shù)據(jù)包是通過衛(wèi)星拍攝處理之后得到的數(shù)據(jù)包，可以從中看到起伏的地形地貌，所以整個(gè)地形地貌較為真實(shí)的還原了實(shí)際環(huán)境。導(dǎo)入成功后，在MSTS線路編輯器查看所創(chuàng)建的地形，如圖2（c）所示。

圖2 地形區(qū)域創(chuàng)建Fig.2 Terrain area created

3.2 線路三維模型的建立

軌道交通包含多個(gè)運(yùn)行場(chǎng)景，本文根據(jù)成遂線的真實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行建模。以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行客觀環(huán)境的模擬，讓人能有一種身臨其境的真實(shí)感，從而達(dá)到視景仿真的效果。通過對(duì)成遂線的線路建模分析，總結(jié)出了列車運(yùn)行視景仿真系統(tǒng)中主要的場(chǎng)景模型，如圖3所示。

圖3 列車視景仿真線路三維模型Fig.3 The 3D model of train visual simulation

3.2.1 軌道的鋪設(shè)

MSTS線路編輯器提供了大量的模型庫(kù)，包括常見的軌道模型、信號(hào)機(jī)模型以及隧道、橋梁等建筑模型。創(chuàng)建好地形區(qū)域之后就像有了畫布一樣，我們就可以借助MSTS平臺(tái)提供的線路編輯器這支“畫筆”在這塊“畫布”上盡情發(fā)揮來設(shè)計(jì)自己的線路三維模型。

在鋪設(shè)軌道時(shí)，為防止偏離線路實(shí)際走向，可以利用前面提到的包含線路經(jīng)緯度信息的MKR文件，沿著Google Earth中建立的坐標(biāo)進(jìn)行鋪軌。在新建鐵路線路時(shí)如果選擇新建“電氣化”鐵路線路，則在鋪軌時(shí)就可以自動(dòng)生成接觸網(wǎng)和電桿。如果遇到雙線線路在區(qū)間分離之后需要重新并軌，首先需要知道軌道的彎曲情況，比如彎曲軌道的朝向、半徑、弧度等，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息將其逆向還原即可。軌道的鋪設(shè)如圖4所示。

3.2.2 信號(hào)機(jī)模型的布置與顯示原理

信號(hào)機(jī)是鐵路或者地鐵線路的基礎(chǔ)軌旁設(shè)備，用燈光的顏色指揮列車的運(yùn)行，防護(hù)信號(hào)機(jī)所保護(hù)的區(qū)段。信號(hào)機(jī)模型可以從線路編輯器模型數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇，也可以從外部添加。在“成遂線”三維模型中使用三顯示信號(hào)機(jī)，采用速差制信號(hào)顯示。

如圖5所示，信號(hào)機(jī)A與信號(hào)機(jī)B之間的距離以及信號(hào)機(jī)C與信號(hào)機(jī)D之間的距離小于安全制動(dòng)距離時(shí)，如果信號(hào)機(jī)D處于危險(xiǎn)側(cè)，那么信號(hào)機(jī)C和B必須顯示黃燈以限制后續(xù)列車速度；同理，如果C處于危險(xiǎn)側(cè)，則信號(hào)機(jī)B和A同樣也應(yīng)該顯示黃燈以保證行車安全。

圖4 左開道岔（左）與交叉渡線（右）Fig.4 Left-open sw itch（left）and cross over lines（right）

圖5 MSTS信號(hào)機(jī)示意圖Fig.5 MSTS signal schematic diagram

如圖6所示，以確定信號(hào)機(jī)A的顯示狀態(tài)為例，假設(shè)B為A后方第一架信號(hào)機(jī)，C為A后方第n架信號(hào)機(jī)。

圖6 MSTS信號(hào)機(jī)顯示原理圖Fig.6 The principle diagram of MSTS signal disp lay

在實(shí)際MSTS控制過程中，只需要先檢查信號(hào)機(jī)B的顯示狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)機(jī)B顯示紅燈時(shí)，信號(hào)機(jī)A顯示黃燈；當(dāng)B為黃燈時(shí)，通過檢查C的顯示狀態(tài)即可確定A的顯示狀態(tài)，控制程序如下。

if（next_sig_lr（SIGFN_NORMAL）＝＝SIGASP_APPROACH_1）

｛

if（next_nsig_lr（SIGFN_NORMAL，2）＝＝SIGASP_STOP）

｛state＝＝SIGASP_APPOROACH_1；｝else

｛state＝SIGASP_CLEAR_1；｝

｝

其中，SIGASP_STOP表示信號(hào)機(jī)顯示紅燈，SIGASP_APPROACH_1表示信號(hào)機(jī)顯示黃燈，SIGASP_CLEAR_1表示信號(hào)機(jī)顯示綠燈。

3.3 隧道模型的構(gòu)建

隧道是建立于地層內(nèi)的一種利用地下空間的建筑物，一般都包含隧道整體框架、軌道、線纜以及照明設(shè)備等部件［5－6］。在鋪設(shè)線路的時(shí)候，先在已有的隧道模型庫(kù)中選擇合適的隧道模型，將其添加到線路中，然后通過反復(fù)地平移或旋轉(zhuǎn)調(diào)整隧道位置，直到隧道口處于合適的開口位置，最后再使用隧道洞口修飾模型對(duì)隧道洞口進(jìn)行修飾，如覆蓋掉隧道與山體間的白色空洞等。

3.4 制作和導(dǎo)入模型庫(kù)中沒有的模型

在制作線路時(shí)可能會(huì)遇到的一個(gè)問題是，在線路編輯器的模型庫(kù)里找不到想要的模型，這時(shí)候就需要借助平面設(shè)計(jì)軟件和三維建模軟件的支持，先設(shè)計(jì)出模型再將其導(dǎo)入到線路中。模型的制作過程如圖7所示。

圖7 模型制作流程Fig.7 Modelmaking process

創(chuàng)建好模型的ACE、s、sd文件后，接著就可以向線路里導(dǎo)入我們自己設(shè)計(jì)的模型。以向成遂線導(dǎo)入“站臺(tái)”模型為例，主要分為兩步進(jìn)行：

（1）把s，sd文件放到成遂線的SHAPES文件夾里，把ACE文件放到TEXTURES里。

（2）用記事本打開線路文件夾中的REF文件，選擇成遂線，在REF文件末尾添加以下代碼：

Static（

FileName（HN_GaoZhanTai_30m.s）

Class（＂站臺(tái)＂）

Align（None）

Description（HN_GaoZhanTai_30m）

）

其中，F(xiàn)ileName為s文件名，Class表示分類，Description是對(duì)模型的描述。

然后打開線路編輯器，在其模型數(shù)據(jù)庫(kù)中就可以找到我們自己所設(shè)計(jì)的站臺(tái)模型了。

在其模型數(shù)據(jù)庫(kù)中就可以找到我們自己所設(shè)計(jì)的站臺(tái)模型了。

模型制作完成后一般需要將模型分為動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型兩組［7］。貼圖格式為BMP或者TGA，轉(zhuǎn)換后是ACE格式。模型轉(zhuǎn)換為s文件后無法逆向轉(zhuǎn)換，但是貼圖可以逆向轉(zhuǎn)換。模型制作時(shí)應(yīng)該遵循的原則：盡量刪除不需要的面，面數(shù)數(shù)量盡量少；貼圖空間充分利用，盡量使用大規(guī)格貼圖，這樣可以使顯示更加清楚，而且一個(gè)貼圖可以為很多模型所共用。

4 不同場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)

不同場(chǎng)景效果包括：季節(jié)的變化、天氣的變化及白夜、黑晝的變化。這些場(chǎng)景的變化通過貼圖的切換來實(shí)現(xiàn)。其中，貼圖的切換由sd文件中相應(yīng)代碼控制?？刂瀑N圖顯示效果的代碼為：

ESD_Alternative_Texture（n）

其中，n默認(rèn)有以下4個(gè)取值：0，1，252，256。

n＝0，表示模型只有一套貼圖，在任何時(shí)間段里都只顯示這一套貼圖的效果。

n＝1，表示模型就有兩套貼圖，則多出來的一套貼圖需要放在SNOW文件夾里，作為雪景貼圖。

n＝252，表示模型的貼圖套數(shù)更多，可以使四季均有對(duì)應(yīng)的貼圖，而且每個(gè)季節(jié)都可以細(xì)分為有雪和無雪兩種場(chǎng)景。

n＝256，表示模型只有兩套貼圖，其中一套貼圖需要放在NIGHT文件夾里，作為夜景貼圖。

圖8為雨雪場(chǎng)景對(duì)比圖。

圖8 雨雪場(chǎng)景對(duì)比圖Fig.8 The comparison of rain and snow scene

5 仿真測(cè)試結(jié)果

線路模型建立好后，就完成了成都至遂寧段列車運(yùn)行平臺(tái)的搭建。接下來在MSTS任務(wù)編輯器中編組好車輛，規(guī)劃好列車運(yùn)行路徑就可以對(duì)所建立的線路三維模型進(jìn)行仿真測(cè)試了。測(cè)試的主要目的是驗(yàn)證線路模型中信號(hào)機(jī)、道岔、軌道之間的聯(lián)鎖關(guān)系是否正確，同時(shí)還要驗(yàn)證列車運(yùn)行過程中的線路狀況、環(huán)境特性以及線路中各種三維模型是否能正常顯示或工作。在本次成遂線的線路模型測(cè)試中均滿足以上要求，達(dá)到仿真目的。成遂線路模型測(cè)試如圖9和圖10所示。

圖9 線路模型仿真測(cè)試（成都東站視景）Fig.9 M odel simulation test（Chengdu East Railway station）

圖10 線路模型仿真測(cè)試（駕駛室視景）Fig.10 M odel simulation test（CAB visual）

6 結(jié)束語

本論文以建立成遂線三維模型為例，介紹了基于MSTS的列車運(yùn)行視景仿真建模的基本方法和過程，并且在建立模型的過程中分析了可能存在的問題并提出相應(yīng)解決辦法。

最終在MSTS平臺(tái)上成功測(cè)試了成遂線的三維模型，達(dá)到了列車運(yùn)行視景仿真的目的。實(shí)踐表明，該方法在建立線路三維模型上具有較強(qiáng)的真實(shí)性、可擴(kuò)展性以及高效性。但本研究工作尚有一些地方值得改進(jìn)與優(yōu)化，未來可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：

（1）在仿真系統(tǒng)中增加更多的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模型或人物模型，讓用戶能夠有身臨其境的真實(shí)感，提升用戶與仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互信息的真實(shí)感。

（2）基于MSTS提供的API接口，進(jìn)行仿真系統(tǒng)與列車運(yùn)行控制系統(tǒng)之間接口的研究，把該仿真系統(tǒng)應(yīng)用于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的測(cè)試，使得仿真系統(tǒng)的列車在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)下自動(dòng)運(yùn)行。

［1］ 宋曉偉，唐濤.視景仿真技術(shù)在地鐵列控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31（2）：67－71.

SONG Xiawei，TANG Tao.Application of scene visual simulation in subway trains operation control system［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2007，31（2）：67－71.

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LIYunxiang.Research on key technique＆art of visual system of driving simulator based on VR［D］.Wuhan University of Technology，2006.

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LIKe.The design and implementation of 3D effects in high-speed train virtual simulation［D］.Chengdu：Southwest Jiao Tong University，2013.

王懷松 男（1989－），四川眉山人，碩士生，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂啤?/p>

陳榮武 男（1971－），湖南東安人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂?、?jì)算機(jī)應(yīng)用。

3D Modeling of Visual Simulation for Train Operation Based On MSTS

WANG Huaisong，CHEN Rongwu，YANG Cheng
（School of Information Science＆Technology，South West Jiaotong University，Chengdu 611756，China）

W ith the rapid development of computer science and technology，software platform provides stronger processes aswell as hardware.Multi－variantmethods of train simulation evolve rapidly.This paper provides a way to emulate train operation based on MSTS and the basic process and content of the 3D modeling are introduced by building themodel of Chengdu－Suining route.This paper analyzes the possible problems in the process of modeling and puts forward the corresponding solutions.Finally，the objective environment of the train operation is simulated according to the real railway of Chengdu－Suining.Practices have demonstrated that themethod is efficient，flexible and extensible.

train operation simulation；train routemodel；MSTS；scene

TP 391.9

A