基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)

易思蓉, 聶良濤

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)

易思蓉1,2, 聶良濤1,2

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

為了在逼真顯示的三維地理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)鐵路三維實(shí)體選線設(shè)計(jì),研制了一個基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng).該系統(tǒng)集成空間信息技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)、地理遙感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),基于航測影像信息和衛(wèi)星遙感信息,建立了一個逼真顯示的鐵路虛擬地理環(huán)境;采用BIM(building information modeling)技術(shù),構(gòu)建了鐵路構(gòu)造物基元模型庫;通過調(diào)用庫中的實(shí)體基元模型,實(shí)時構(gòu)建方案線三維模型,并在三維環(huán)境下對其進(jìn)行檢查修改,比選不同結(jié)構(gòu)類型,實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體選線設(shè)計(jì).系統(tǒng)在中老鐵路勘測設(shè)計(jì)中進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證,結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠讓選線工程師在室內(nèi)環(huán)境下模擬現(xiàn)場實(shí)景分析和踏勘,能快速構(gòu)建方案線三維實(shí)體模型,具有方案線比選直觀等特點(diǎn),能滿足環(huán)境選線、重大工程優(yōu)先選址選線、海外鐵路選線的需求.

虛擬地理環(huán)境;鐵路;選線設(shè)計(jì);BIM;數(shù)字化

鐵路選線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及多個專業(yè)的綜合性規(guī)劃設(shè)計(jì)工作.在鐵路選線設(shè)計(jì)中,線路工程師必須充分利用他們的領(lǐng)域知識和信息,對地形、地質(zhì)、水文等自然環(huán)境進(jìn)行分析,以便設(shè)計(jì)出一條滿足政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等各方面要求的鐵路線路.由于線路在空間位置的確定依賴于設(shè)計(jì)人員對自然條件的分析,所以選線設(shè)計(jì)比其他許多工程設(shè)計(jì)對地理環(huán)境具有更強(qiáng)的依賴性[1].

為了提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)速度,自20世紀(jì)50年代以來,鐵路與道路領(lǐng)域的專家學(xué)者就開始探索基于數(shù)字地形信息的計(jì)算機(jī)輔助線路設(shè)計(jì)的理論和方法[2-11].經(jīng)過近60年的研究與發(fā)展,選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)已從70年代的孤立和自封閉的專門化軟件,向著基于逼真顯示的三維地理環(huán)境的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)展.

本文詳細(xì)介紹了一個基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng),該系統(tǒng)集成先進(jìn)的空間信息技術(shù)、現(xiàn)代測繪技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),直接基于航測、衛(wèi)星影像信息,建立三維立體地理環(huán)境模型,采用基于虛擬地理環(huán)境的三維數(shù)字化選線設(shè)計(jì)理念代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維透視設(shè)計(jì)方法.通過鐵路構(gòu)造物三維實(shí)體實(shí)時建模,實(shí)現(xiàn)了基于真實(shí)感地理環(huán)境的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)技術(shù).

1 鐵路虛擬地理環(huán)境建模平臺

虛擬地理環(huán)境是指由硬件、三維地理環(huán)境建模軟件和人組成的一個系統(tǒng).該系統(tǒng)讓人在計(jì)算機(jī)軟硬件模擬產(chǎn)生的一個虛擬三維地理空間中,可以自由地行走探索,并可多感知地與虛擬地理空間的物體進(jìn)行交互[12].

虛擬地理環(huán)境的發(fā)展存在兩個基本的方向:一是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的投入型虛擬地理環(huán)境;二是基于因特網(wǎng)和萬維網(wǎng)的三維圖形環(huán)境發(fā)展的非投入型虛擬地理環(huán)境[13].

投入型虛擬地理環(huán)境是參與者作為虛擬三維世界的一部分,與虛擬地理空間的物體交互,具有如同在現(xiàn)實(shí)物質(zhì)世界一樣或相似的感覺.參與者一般要戴上立體顯示頭盔、立體眼睛、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等.投入型虛擬環(huán)境又分為完全投入型虛擬地理環(huán)境和半投入型虛擬地理環(huán)境.完全投入型頭盔式虛擬地理環(huán)境,是參與者要戴上頭盔,人完全與現(xiàn)實(shí)物質(zhì)世界相隔離,當(dāng)參與者移動頭部或轉(zhuǎn)動頭部方向時,三維境像都要被立即更新.

半投入型的虛擬地理環(huán)境,有大屏幕投影方式、虛擬工作臺(virtual workbench)方式等.圖1是西南交通大學(xué)研制的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的地理環(huán)境建模平臺采用的大屏幕投影式半投入型真三維投影平臺(3DPT)[14-15].

圖1 大屏幕投影式半投入型虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)Fig.1 Half-input-virtual geographic environment system with large screen projection

根據(jù)鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)需求,鐵路虛擬地理環(huán)境建模平臺應(yīng)由數(shù)字地形數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、大型數(shù)字地形建模系統(tǒng)、虛擬視景仿真系統(tǒng)、工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、三維立體投影設(shè)備6部分組成,其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 虛擬地理環(huán)境建模平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of modeling platform of virtual geographic environment

虛擬地理環(huán)境建模平臺是由硬件、專用軟件和自行研制的鐵路地理環(huán)境建模型軟件構(gòu)成的集成化系統(tǒng).

鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境硬件系統(tǒng)是一個能進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、具有高性能計(jì)算和三維交互設(shè)計(jì)能力的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng),其基本配置由通用計(jì)算機(jī)部分和專用圖形設(shè)備、數(shù)字地形信息采集設(shè)備和立體可視設(shè)備等構(gòu)成,如圖3所示.

圖3 鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件環(huán)境配置圖Fig.3 Diagram of Hardware c onfiguration of digital railway location design system

2 鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與主要功能

鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由選線工程數(shù)據(jù)庫管理、虛擬地理環(huán)境建模、數(shù)字化選線設(shè)計(jì)和鐵路視景仿真與漫游4大模塊組成.其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示.

系統(tǒng)以菜單命令和菜單形式為用戶提供各種功能操作,系統(tǒng)由項(xiàng)目管理、環(huán)境建模、方案管理、線路建模、視圖、影像、三維景觀漫游、工程技術(shù)指標(biāo)、工程地質(zhì)信息管理、窗口管理、立體調(diào)節(jié)、幫助等菜單項(xiàng)構(gòu)成,如圖5所示.實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境選線設(shè)計(jì)的主體功能包括數(shù)據(jù)庫管理、虛擬地理環(huán)境建模、方案線管理與設(shè)計(jì)、三維實(shí)體線路建模與結(jié)構(gòu)物比選、基于虛擬環(huán)境的選線方案評價與比選、選線方案三維視景漫游.

圖4 鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of digital railway location design system

圖5 系統(tǒng)主要功能菜單界面Fig.5 The menu interface of main functions

3 鐵路線路三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)

3.1 初始中心線設(shè)計(jì)

鐵路線路初始中心線設(shè)計(jì)界面如圖6所示.

圖6 線路三維設(shè)計(jì)界面Fig.6 Interface for a 3D railway line design

新建線路方案時,先進(jìn)行基本信息設(shè)置.選擇菜單基本信息設(shè)置,彈出“方案線基礎(chǔ)信息設(shè)置”對話框,如圖7所示(例如:方案名稱為QJ1,里程冠號為DK,起點(diǎn)里程為0 m,擬合間隔為5 m,線路寬度為13.4 m).

圖7 方案線基礎(chǔ)信息設(shè)置Fig.7 Selection of the basic information of a railway line scheme

系統(tǒng)提供屏幕交互模式和控制點(diǎn)選擇模式進(jìn)行線路走向設(shè)計(jì),也可以通過既有資料導(dǎo)入或手工輸入交點(diǎn)新建線路.方案線在三維場景中,分顏色顯示橋、隧、路基段,如圖8所示.

方案線設(shè)置好后,即可在三維環(huán)境視窗、二維平面視窗、縱斷面視窗進(jìn)行三維線路協(xié)同設(shè)計(jì).如在三維環(huán)境視窗中選中交點(diǎn),可移動交點(diǎn)到新位置.

圖8 方案線顯示Fig.8 Showing of a railway line scheme

3.2 基于構(gòu)造物布置的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)

3.2.1 基于三維構(gòu)造物模型的實(shí)體選線設(shè)計(jì)

初步確定線路中心線空間位置后,運(yùn)行實(shí)體選線功能,進(jìn)行方案線上所有構(gòu)造物(橋、橋墩、路堤、路塹、隧道、路基等)的選型及位置設(shè)計(jì),運(yùn)行構(gòu)造物建模功能,實(shí)現(xiàn)構(gòu)造物模型(BIM)實(shí)時建模,建立三維鐵路線路BIM模型.并在三維可視化環(huán)境中進(jìn)行構(gòu)造物布設(shè)方案分析,鐵路三維實(shí)體選線方案路基段如圖9(a)所示,橋梁段如圖9(b)所示.

3.2.2 基于三維實(shí)體設(shè)計(jì)的選線方案修改

在系統(tǒng)三維環(huán)境視窗中,使用鼠標(biāo)左鍵可以選中三維鐵路構(gòu)造物模型,如路堤(路塹)、橋梁、隧道,并對其進(jìn)行分析與修改.路堤(路塹)地段三維實(shí)體選線界面如圖10所示.

(a)路基段(b)橋梁段圖9 鐵路三維實(shí)體選線方案Fig.9 Railwaylocationschemesin3Dstructures

圖11為隧道地段三維實(shí)體選線界面.圖12為橋梁地段三維實(shí)體選線界面.圖13為軌道設(shè)備三維實(shí)體設(shè)計(jì)界面.系統(tǒng)還提供不同構(gòu)造物選線方案比選功能,如圖14隧道方案與高路塹方案比選.

(a)路塹地段(b)路堤(路塹)編輯界面圖10 路塹地段三維實(shí)體選線界面Fig.10 3DInterfaceforlinedesignoncuttingsection

(a)隧道地段(b)隧道編輯界面圖11 隧道地段三維實(shí)體選線界面Fig.11 3DInterfaceforlinedesignontunnelsection

(a)橋梁地段(b)橋梁編輯界面圖12 橋梁地段三維實(shí)體選線界面Fig.12 3DInterfaceforlinedesignonbridgesection

圖13 軌道設(shè)備三維實(shí)體設(shè)計(jì)界面Fig.13 3D Interface for track equipment design

(a)隧道方案(b)高路塹方案圖14 隧道方案與高路塹方案比選設(shè)計(jì)界面Fig.14 Interfaceofcomparingbetweentunnelschemeandhighcuttingscheme

4 工程案例

本案例根據(jù)中老鐵路某段設(shè)計(jì)資料和DEM、DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.中老鐵路是泛亞鐵路規(guī)劃中線方案的重要組成部分,也是東盟相鄰國家間大能力、高標(biāo)準(zhǔn)鐵路網(wǎng)建設(shè)和中國—東盟鐵路通道形成的需要.該鐵路兼有城際和旅游功能,屬促進(jìn)地方資源開發(fā)的客貨共線的快速鐵路,是我國通往東南亞的重要鐵路[16].本實(shí)驗(yàn)段DEM范圍長約30.5 km,寬約36.5 km,DOM為高清彩色影像,地形數(shù)據(jù)分辨率為0.2 m.

多分辨率帶狀地形環(huán)境如圖15所示,圖15(a)為正射投影下的地形環(huán)境,圖15(b)為透視投影下的地形環(huán)境.

線路試驗(yàn)段里程范圍為DK14+200～D2K52+900.根據(jù)給定里程范圍和線路控制點(diǎn)資料,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中心線路方案如圖16.三維實(shí)體選線結(jié)果如圖17所示.

(a)正射投影下的帶狀地形環(huán)境(b)透視投影下的帶狀地形環(huán)境圖15 中老鐵路實(shí)驗(yàn)區(qū)多分辨率帶狀地形環(huán)境Fig.15 Zonalterrainenvironmentwithmulti-resolutionofexperientialsectioninChina-LaosRailway

圖16 中老鐵路實(shí)驗(yàn)段線路中線方案Fig.16 The line scheme of experiential section in China-Laos Railway

(a) 實(shí)體選線設(shè)計(jì)結(jié)果(近視點(diǎn))

(b) 實(shí)體選線設(shè)計(jì)結(jié)果(遠(yuǎn)視點(diǎn))圖17 中老鐵路實(shí)驗(yàn)段三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.17 3D Railway location results of experiential section in China-Laos Railway

5 結(jié) 論

我國鐵路建設(shè)正處在飛速發(fā)展的階段,鐵路選線設(shè)計(jì)是整個鐵路建設(shè)中關(guān)系全局的總體性工作,采用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段推進(jìn)鐵路選線技術(shù)的發(fā)展具有重大意義.

本文介紹的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)(軟件著作權(quán)登記號:2013SR117255)采用Visual C++工具開發(fā)而成,采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle進(jìn)行數(shù)據(jù)管理,圖形化界面簡潔明快、美觀大方,系統(tǒng)模塊功能完善,操作簡單、靈活方便,具有很強(qiáng)的維護(hù)功能.使用該系統(tǒng)可以對大范圍的真實(shí)地理場景進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)模擬,建立逼真顯示的三維立體地理環(huán)境模型,使得選線工程師能在室內(nèi)立體環(huán)境下模擬現(xiàn)場實(shí)景分析和踏勘.通過3個子窗口協(xié)同工作,選線工程師能夠方便快捷的進(jìn)行方案線設(shè)計(jì).通過線路三維實(shí)時建模,調(diào)用線路構(gòu)造物基元模型庫中的實(shí)體基元模型,快速構(gòu)建方案線三維模型,在三維模型環(huán)境下對方案進(jìn)行查看、修改,比選不同結(jié)構(gòu)類型,實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體線路設(shè)計(jì).

該系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效克服傳統(tǒng)的基于等高線地形圖的二維透視設(shè)計(jì)方法的不足,利用系統(tǒng)提供的選線方案三維仿真分析和評價功能,還可以顯著提高鐵路設(shè)計(jì)方案與環(huán)境的融合度,改善鐵路線路對環(huán)境的影響.該系統(tǒng)在中鐵二院被用于多個鐵路工程項(xiàng)目的勘測設(shè)計(jì),大大提高了選線設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)效率.

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易思蓉(1957—),博士,1984年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為土木工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)殍F路選線設(shè)計(jì)理論與技術(shù)、線路工程信息技術(shù)、城市軌道交通與磁浮交通線路工程技術(shù).第二屆國家級教學(xué)名師獎獲得者,國家級精品課程、國家級精品視頻公開課程、國家級精品資源課程負(fù)責(zé)人,國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)帶頭人.承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、863項(xiàng)目和鐵路科技計(jì)劃項(xiàng)目等30余項(xiàng);獲得國家軟件著作權(quán)3項(xiàng);省部級科技進(jìn)步獎4項(xiàng).兼任高等教育土木工程專業(yè)評估委員會副主任委員;教育部本科教學(xué)指導(dǎo)委員會鐵道與城市軌道工程分委會委員、秘書長.

E-mail:sryi@swjtu.edu.cn

(中、英文編輯:徐 萍)

Digital Railway Location System Based on Virtual Geographic Environment

YISirong1,2,NIELiangtao1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To realize the railway location design with 3D entity in a vivid 3D geographic environment, the digital railway location design system based on virtual geographic environment was developed.Integrating space information technology, digital photography measurement technology, geographic remote sensing technology, virtual reality technology and computer simulation technology together, based on aerial image and satellite remote sensing information, the system establish a virtual geographic environment for railway. BIM (building information modeling) technology was used to set up a library for primitive models of railway structures. The railway location design in 3D entity is realized by calling 3D primitive models in the library, building 3D models for railway schemes in real time, inspecting and revising the schemes in 3D environment, comparing and selecting different structural types. The system was verified in the survey and design of China-Laos Railway project. The results show that engineers can simulate the real site analysis and survey indoor through the system. The system is featured with quickly seting up 3D models for railway schemes and intuitive comparison and selection. It can meet the demands of environment, major projects and oversea railways location.

virtual geographic environment; railway; railway location; BIM; digital

2015-10-23

鐵道部科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目-鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)研究(2008G022-B);中國中鐵科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目-鐵路工程三維設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用(2014-重點(diǎn)-72)

易思蓉,聶良濤. 基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報,2016,51(2): 373-380.

0258-2724(2016)02-0373-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.016

U212.32; TP391.9

A