地铁运行视景系统中虚拟线路的实现

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(西南交通大学 信息科学与技术学院,四川 成都 611756)

随着我国公共交通的发展,城市轨道交通已成为当今乃至今后一段时间内我国大城市的发展重点。目前将仿真技术运用到列车运行的研究越来越受到关注。文献[1]中介绍了OpenGL技术支持下的2类三维地形建模技术,并对地形视景进行了仿真实现。文献[2]中利用多媒体技术实现了视景仿真过程线路图像同步,为以虚拟视景进行相关教学提供了可能。文献[3]中利用计算机图形图像技术和虚拟现实技术对列车驾驶进行真实模拟,视觉效果非常直观。文献[4]中提出了一个结合数据库和列车自动监督系统(ATS)的列车自动运行仿真系统,将列车自动运行控制系统(ATC)运用到列车运行仿真,使得仿真系统更加贴近现实情况。

本文以郑州地铁一号线为线路原型,利用微软模拟列车(MSTS)平台对该线路进行了仿真建模,实现了该线路的虚拟还原。MSTS是由微软公司开发的用来模拟列车运行场景的视景系统平台,具有良好的第三方扩展性。针对列车线路的铺设,该平台提供了线路编辑器和地形生成编辑器。地形生成编辑器可以生成列车线路编辑所需要的地形区域,线路编辑器可以在划定的地形区域范围内进行列车线路的编辑工作,完成线路的铺设及周边场景的还原。该平台对视景模型良好的展示效果使得现实世界列车运营场景能够生动形象地复原。

1 地形区域的创建

在创建新的线路之前需要确定新线路的基本属性和所占据的地形区域,并导入对应区域的数字高程模型(DEM)数据。

1.1 线路的基本属性

在地形生成编辑器中,首先需要确定线路的基本属性,包括位置、接触网高度和线路限速等,保存好新建的线路基本属性后,再次利用地形生成编辑器直接选择该线路并进行相关编辑工作,如图1所示。

图1 线路选择Fig.1 Route selection

线路的位置是通过Google earth确定的,利用地标可以将现实世界的线路场景进行复原,将保存后的位置文件转换成MSTS平台能够识别的*.MKR文件后就可以在视景系统运行的时候被加载[5]。

1.2 地形区域的创建

视景显示对存储空间的要求较高,为了合理有效地利用资源,避免不必要的地形区域占用线路文件[6],在地形生成编辑器中利用最小四分树来创建区块。通过最小四分树最终确定线路编辑器中线路编辑的地形区域,使得创建的线路更加精确。最小四分树创建的地形区域如图2所示。经过四分树最小化后,可有效减小线路文件占用的存储空间。

图2 最小四分树创建的地形区域Fig.2 Terrain area created by minimum quadtrees

1.3 DEM数据的导入

DEM是一种利用有序数值阵列来表示海拔的实体模型,本文利用该模型对郑州地铁一号线的地形进行复原。在虚拟的视景环境中,经纬度共同确定了唯一的位置坐标,通过经纬度就可以将DEM数据中的地形特征与MSTS平台虚拟视景中的地形关联起来[5]。在下载好需要的DEM数据文件后,就可以利用地形导入软件DEMEX将DEM数据包导入。

2 线路的编辑

在成功创建了地形区块后,打开线路编辑器,选择已经创建的线路区块就可以看到如图3所示的初始界面,通过键盘按键事件和鼠标点击事件可以实现方向的调整。线路编辑器有5个辅助窗体,分别为模式窗体、地形窗体、对象窗体、设置窗体和摄像机窗体。模式窗体对视景模块进行一系列操作使得视景模块按照要求放置(见图4),地形窗体对地形的参数信息进行设置(如坡度),对象窗体显示当前所操作视景模块的相关位置参数信息,设置窗体选择视景系统中需要使用的视景模块,摄像机窗体将视景显示跳到指定坐标。

图3 线路编辑器初始界面Fig.3 Initial interface of route editor

图4 模式窗体Fig.4 Mode form

2.1 轨道

在MSTS平台底层模型库中有不同类型的轨道模型,轨道的铺设效果如图5所示。在铺设轨道的过程中需要根据实际线路的情况选择合适长度的轨道模型和不同号数的道岔模型,不同模型的合理应用可以有效提高轨道铺设的效率。底层模型库中还包含了大量不同曲率半径的轨道模型,对这些模型的合理运用就可以实现对现实线路的虚拟还原。轨道模型之间的连接实际上是各个模型节点的矢量连接。在线路编辑器中按照郑州地铁一号线实际工程图纸铺设轨道后,MSTS平台底层会生成对应的数据配置文件。9号轨道区段的脚本文件定义如下所示:

TrackNode(9

TrVectorNode(

TrVectorSections(3 191 38048 -1255 14036 118 0 2 00 -1255 … ))

TrPins(1 1

TrPin(4 0)

TrPin(8 1)

))

通过括号中的数字可以获取相关信息。TrVectorSections字段的数据标识了与该轨道区段相连接的其他节点的相关信息,包括轨道和道岔类型、位置坐标等;TrPins字段代表与本区段节点连接的矢量端。27号有岔轨道区段的脚本文件定义如下所示:

TrackNode(27

TrJunctionNode(0 38048 0 )

UiD(-1252 14035 62 0 -1252 14035 868.265 104.733 622.847 0 1.75273 0 )

TrPins(12

TrPin(36 0 )

TrPin(49 1 )

TrPin(51 1 )

))

TrJunctionNode字段表示道岔节点,标识了道岔类型;UiD字段唯一标识了该道岔节点,包含了坐标位置和其他属性等。

同时,模型库中还包含高架、隧道和桥梁等特殊的场景模型,现有模型库已经能够满足如今对地铁、铁路、有轨电车等进行仿真的要求。若有其他需求还可以利用第三方建模软件如3DsMAX进行建模,将模型文件转换成MSTS平台能够识别的文件格式再进行加载即可。

2.2 信号机

在轨道铺设完毕后,就可以根据实际线路的工程图纸来铺设信号机。将信号机按照指定要求铺设完毕后,在MSTS平台底层生成信号机的相关配置文件*.dat并对信号机的基本信息进行相关定义,如下所示:

SignalItem(

TrItemId( 36 )

TrItemSData( 46.0623 00000002 )

TrItemRData(2.46327 124.152 677.838 -1256 14036)

TrSignalType( 00000001 1 5.60554 CNTG3xZDS ))

TrItemId字段标识信号机的编号,TrItemSData字段标识信号机模型的相关信息,TrItemRData字段标识信号机在视景系统中的坐标,TrSignalType字段标识信号机模型的类型。

通过对该文件的修改可以直接定义信号机的显示状态和该显示状态的显示条件。

在MSTS平台中,信号机实际上不是一种“动态模型”,因为信号机显示的改变是通过贴图的改变来实现的。要改变信号机的显示只需屏蔽掉原来的显示贴图并在对应灯位贴上要求的贴图即可,如图6所示。

3 周边场景模型的创建

在完成了主体线路的铺设工作后,可以自定义地对线路周边的环境进行铺设。为了演示多种站台效果,本文针对车站设置了地面站台、地下站台和高架站台等多种站台模型,在线路周边还添加了高楼建筑模型、汽车模型、银行模型等城市标志性模型。

4 系统测试

在同一个局域网中,多个视景系统客户端可以连入同一个作为服务器的视景系统主机。视景系统运行需要的底层框架为.NET Framework 3.5和XNA Framework Redistributable 3.1。本文方法搭建起来的线路环境如图7所示。

图7 本文方法搭建的线路环境Fig.7 Route environment constructed by the proposed method

5 结语

通过对视景系统的测试可以看到,利用本文提出的MSTS平台对郑州地铁一号线的线路进行虚拟还原,演示效果逼真,可以对现实世界的模型进行直观地虚拟演示。通过轨道模型和信号机的底层文件可以获取视景系统中虚拟线路的相关数据,为后期利用线路数据做进一步的研究和开发提供了可能。同时,该视景系统具有丰富的现实意义,在对视景系统进一步完善后可以将其作为教学演示平台或者司机驾驶培训平台。

参考文献:

[1] 丁斌,祖家奎.三维可视化中的地形建模与实现技术研究[J].计算机仿真,2008,25(12):212-215.

DING Bin,ZU Jiakui.Modeling and realization of 3D visualization terrain technology[J].Computer Simulation,2008,25(12):212-215.

[2] 周磊,余祖俊,史红梅.列车运行线路仿真系统的研究[J].系统仿真学报,2004,16(7):1463-1466.

ZHOU Lei,YU Zujun,SHI Hongmei.Research on train running line simulation system[J].Journal of System Simulation,2004,16(7):1463-1466.

[3] 唐国森,王成国,王月仙.高速列车运行仿真视景系统研究[J].中央民族大学学报(自然科学版),2009,18(增1):110-113.

TANG Guosen,WANG Chengguo,WANG Yuexian.The research of high-speed train operation visual simulation system[J].Journal of MUC(Natural Sciences Edition),2009,18(S1):110-113.

[4] 施卫忠,张海明,宁建国.城市轨道交通列车自动运行仿真系统[J].中国铁路,2004(1):40-43.

SHI Weizhong,ZHANG Haiming,NING Jianguo.Urban rail transit train automatic operation simulation system[J].Chinese Railways,2004(1):40-43.

[5] 杨城,陈荣武,王怀松.基于MSTS与DEM数据的线路地形仿真与实现[J].系统仿真技术,2015,11(4):323-326.

YANG Cheng,CHEN Rongwu,WANG Huaisong.Simulation and implementation of route terrain based on MSTS amd DEM data[J].System Simulation Technology,2015,11(4):323-326.

[6] LUO Zhicai,LI Zhenhai,ZHONG Bo.Modeling of earth’s gravity fields visualization based on quad tree[J].Geo-spatial Information Science,2010,13(3):216-220.