基于虛擬現實技術的車站站場建模關鍵問題的研究

范書恒，宋亞奪

（河北軌道運輸職業技術學院 軌道運輸系，石家莊 050051）

基于虛擬現實技術的車站站場建模關鍵問題的研究

范書恒，宋亞奪

（河北軌道運輸職業技術學院 軌道運輸系，石家莊 050051）

調車作業3D虛擬仿真系統是實時渲染的系統，站場建模質量高低決定系統渲染速度和效果。本文在分析系統需求的基礎上，介紹車站站場建模及模型優化的一般方法，分析道岔及曲線段建模的困難，提出簡單可行的解決方法。

鐵路站場；虛擬技術；模型；調車作業

利用虛擬現實技術開發車站3D模型，基于Virtools開發人機交互界面，針對行車、調車等關鍵崗位人員進行技術培訓，比理論授課等傳統方式有不可替代的優勢。車站建模的質量高低是學員產生沉浸感、真實感的先決條件，復雜而又逼真的虛擬場景可以增強用戶的沉浸感，但是，過于精細的場景會使數據量增加，影響系統的交互性和實時性；虛擬場景太簡單，又會使用戶感覺虛假。因此，首先需要解決的問題是對站場建模，這是整個系統開發工作的前提和基礎。

1 建模任務分析

1.1 建模對象分析

鐵道線路路基上部由鋼軌、軌枕、聯結零件、道床、道岔及防爬設備等組成的整體工程結構，稱為軌道，它引導機車車輛的運行方向，是機車車輛運行的基礎設備。考慮到站場模型用于針對行車、調車人員進行技術業務培訓，因此部分設備可不體現在模型中，具體建模對象如表1所示。

表1 模型對象分類表

1.2 減少站場模型總面數

站場模型中鋼軌、道床、軌枕數量龐大，解決好這3個模型，控制總面數是關鍵點，不能盲目地為了追求真實而無限寫實場景中單體模型。場景總面數直接影響系統的計算機硬件配置、內存空間的開銷、程序執行的靈活性及系統運行時間的可接受性等方面。優化線路設備模型，兼顧模型仿真度與系統性能之間的平衡，是非常必要的。

1.3 提高站場模型的仿真度

站場模型開發應按照相關的技術規范和技術標準進行1:1建模，主要有《鐵路車站及樞紐設計規范》、設備技術標準等。站場模型最終合成仿真效果取決于兩個方面：

（1）單體模型仿真度。對于需要精細建模的單體模型或者單體模型的主要方面，應按照設備技術標準，盡可能使用精確的幾何形體創建模型細節；對于可以粗略建模的單體模型或者單體模型次要方面，盡可能使用較少面數的幾何體或復合對象。

（2）設備準確位置仿真度。單體模型在站場中的準確位置，可依據《車站設備平面布置圖》確定；單體模型之間位置關系應依據《鐵路車站及樞紐設計規范》確定；道岔各組成部分應依據對應型號道岔總布置圖確定。依據上述資料設計線路模型平順性符合標準，機車車輛模型運行軌跡容易確定。

1.4 提高實時渲染速度

站場模型Virtools5.0系統進行實時渲染，場景對象數量越多、單個對象面數越多，實時渲染的時間間隔便越大；單體設備長度或寬度過大，被Virtools5.0相機“發現”的概率就大，也影響系統渲染的時間間隔。因此，站場模型中呈長條狀布置的線路應進行合理細分成段，減少被相機“發現”的概率。

2 建模方法

3DSMax是一款功能強大的三維制作軟件，它提供了非常多的建模方法，如基礎建模、復合對象建模、二維圖形建模、多邊模建模、面片建模、NURBS建模等，面對如此多的建模方法，應充分了解每個方法的優勢和不足，掌握其特點及適用對象，選擇最適合的創建方法，可以創建出逼真的效果。

據前述分析，站場主要由直線鋼軌、曲線鋼軌、軌枕、道床、聯結零件等單體模型搭建而成，因此采用的建模技術主要涉及到基礎建模、復合對象建模等。基礎建模利用3DSMax所提供的點、線、面、體創建和修改工具進行虛擬場景中幾何模型的建立；復合對象建模利用放樣工具建立直線軌、曲線軌、道岔各組成部分等對象。

2.1 基本軌建模

基本軌頭部需要精細建模，軌腰和軌底可以粗略建模；基本軌鋼軌截面是左右兩側完全對稱的結構，因此截面左右兩側的頂點應完全對稱，有利于3DSMax進行放樣物體縱向面數優化。圖1表示了鋼軌截面頂點的兩種設計方案：A方案完全對稱，B方案不完全對稱。

圖1 鋼軌截面頂點設計方案

利用兩種截面設計分別放樣1 m長度的基本軌，經過max優化和設置Shape Steps、Path Steps兩項參數置零后，鋼軌信息統計如表2所示，經過比較，A方案頂點數及面數均為B方案的78%。

表2 鋼軌信息統計表

不區分模型需要表現的主要方面和次要方面，不合理的建模方案，會提高單體模型對象面數。鋼軌數量龐大，優化后截面會大大減低站場模型總面數。

2.2 直線段建模

站場模型需要鋪設大量的形狀和屬性相同的鋼軌、軌枕、道床，它們之間的差別在于其位置、大小、方向的不同，如果把每個部件都放到內存中，將造成很大的浪費，應采用實例化復制的方法進行搭建站場直線部分，在很大程度上節約了內存空間。

一般情況下軌枕間隔為600 mm，因此設計一段標準直線線路，長度可采用18 m標準。

（1）利用多邊形技術，設計道床截面、鋼軌截面、軌枕模型。（2）使用3DSMax擠出或放樣命令，形成18 m道床模型；使用放樣命令，形成18 m鋼軌，實例化復制一份，形成一條線路兩根鋼軌。（3）實例化陣列軌枕30根，間隔600 mm。（4）軌枕、鋼軌、道床成組，使用實例化陣列復制命令，形成站場模型全部直線地段的線路。

2.3 道岔及道岔后部連結曲線建模

2.3.1 模型數據分析

以60 kg/m鋼軌12號單開道岔（圖號：專線4190-2）為例，其主要參數如表3所示。

表3 主要參數

根據道岔主要參數，導曲線半徑350 717.5 mm。3DSMax繪制該圓曲線以N條直線段拼接而成，依據放樣導曲線軌會影響線路平順性。因此，設計道岔模型的困難在于導曲線線型不容易確定，需要結合圓曲線支距計算公式確定。

F=L2/8R （1）

尖軌長度11 300 mm，除去直線段2 728 mm部分外，其他部分等間隔劃分4段，段長2 143 mm，這樣支距計算表中增補4個支距點（1’～4’支距點）。其他支距點按照道岔總布置圖2 000 mm等間隔劃分，最后剩余一段1 416 mm長度。支距點在導曲線理論起點計算需要附加411.5 mm。

按照公式（1）計算，結果如表4所示。

根據支距計算公式，可得2 728 mm處導曲線中心距離水平基本軌偏移：26 mm。其他增補的支距點亦照此計算。

其他支距點經過Excel計算后，與道岔總圖核對誤差在2 mm，可以使用。這樣就確定了道岔導曲線線型。

2.3.2 建模

根據上述支距計算表，如果直接由3DSMax處理的話，可利用L、Y視作一個矩形的寬度和高度，利用腳本語言生成14個矩形；矩形最小邊對齊后，將各矩形（Li，Yi）點利用畫線工具生成樣條線即可。

矩形示例：Rectangle length:14.0518512 width: 3139.5 pos:[0,- 14.0518512/2,0]。

如果站場模型采用同一類道岔，通過實例化復制，可得到車站全部道岔模型。

道岔后部連接曲線可采用同樣方法建模。

3 結束語

通過上述方法建模，系統開發人員建立一個包含貨場在內的典型中間站三維模型，將其應用到了北京鐵路局陽泉實訓中心的調車三維虛擬仿真系統中，該模型仿真度高；在3DSMax系統安裝Virtools導出插件后，順利導出為.nmo文件，文件容量比較小；導入到Virtools系統后，系統運行流暢，兼顧了模型仿真度與系統性能之間的平衡，取得了較好的用戶感受。

表4 道岔導曲線支距計算表

[1]鄒 紅，王 健，馬英瑞，趙 輝.3dsMax在虛擬場景建模中的應用[J].智能計算機與應用，2012（8）：75-77.

[2]鄧昌大.計算圓曲線正矢公式的推導與應用[J].鐵道運營技術，2006，12（1）：6-8.

[3]范國華，杜哲明，張友華，樂 毅.基于Virtools的虛擬火車站漫游系統的設計與實現[J].紅河學院學報，2014，12（5）：30-32.

[4]中鐵寶橋集團有限公司.鐵路道岔參數手冊[M].北京：中國鐵道出版社， 2008.

[5]曹 洋.道岔平面線性動力分析及其設計方法研究[D].成都：西南交通大學，2013.

責任編輯 陳 蓉

Several key issues of modeling for railway station yard based on virtual
reality technology

FAN Shuheng, SONG Yaduo
( Department of Rail Transportation, Hebei Vocational College of Rail Transportation, Shijiazhuang 050051, China )

3D Virtual Simulation System for shunting service was a real-time rendering system. Modeling quality influenced the rendering speed and effect of the System. Based on the analysis of the system demand, this paper introduced a general method of the station yard modeling and optimization, analyzed several diff i culties for the switch and curve segment modeling, and therefore put forward some simple and feasible solutions.

railway station; virtual technology; modeling; shunting service

U291.1∶TP39

A

1005-8451（2015）06-0014-03

2015-01-24

范書恒，高級講師；宋亞奪 ，講師。