事故现场绘图及三维模拟仿真系统研究与应用

文/中国铁路总公司调度部调度处 张凯 北京东方坦达科技有限公司 刘淑芳

铁路事故现场绘图及事故三维模拟仿真系统，能够直观快速再现事故的发生、演变过程，为铁路事故调查工作和辅助应急决策提供强有力的数字化支撑。

图1 各专业标准图形库

铁路交通事故调查是铁路安全监督管理部门重要的法定职责。绘制铁路交通事故现场示意图是铁路交通事故调查工作的基本内容，《铁路安全管理条例》（国务院令第639号）（以下简称《条例》）和《铁路交通事故调查处理规则》（铁道部令第30号）对此都作出了明确要求。目前在铁路交通事故勘查过程中，采用传统的手工绘制事故现场示意图耗时长，专业性和经验要求高，在绘制过程中容易遗漏事故要件，且手工绘制的图片难以在铁路各部门间或与其他相关方共享。

随着铁路安全监督管理业务的日益繁重和对事故调查要求的提升，采用传统手工绘图方式已经无法适应铁路交通事故调查工作需求，为提高铁路事故调查处理工作效能，迫切需要采用新技术方法来解决现场勘察绘图时速度慢、效率低、不专业、不规范、不精确等问题。

铁路事故现场绘图及事故三维模拟仿真系统，是辅助事故调查人员处理事故现场勘查、现场平面图绘制和事故过程模拟仿真重现的软件系统。通过应用先进的计算机绘图和模拟仿真技术，研究建立铁路事故要件标准图形库和三维模型资源库，实现参数化设计，简化绘图操作，直观多角度展示事故现场场景，并支持远程在智能手机终端查看，充分发挥软件绘制的快速、准确和事故过程模拟重现等优势，能够直观快速再现事故的发生、演变过程，为铁路事故调查工作和辅助应急决策提供强有力的数字化支撑，对于铁路部门分析事故原因、研究事故发生演变过程、提升铁路事故调查和应急演练工作水平具有非常重要的现实意义。

图2 相撞模拟

系统设计

系统按照《条例》《铁路交通事故应急救援和调查处理条例》（国务院令第501号）等法规要求进行设计，分为事故现场绘图和事故现场三维模拟仿真2个子系统，系统可以与GIS系统进行集成。

事故现场绘图子系统通过事故要件标准图形库的辅助，快捷方便地调用事故现场示意图基础底图模板，并在底图上添加各事故要件，标注重要距离、插入文字、链接图片和文件，并能调用铁路专业技术指标，对重要数据进行查询、对比。见图1。

事故现场三维模拟仿真子系统建有丰富的三维模型资源库，包括铁路交通事故中涉及到的几乎所有类型的线路、桥梁、隧道、道口、道岔、信号机、接触网、机车、车辆等设施设备及防护标志模型，通过海量三维模型资源库、简单的拖拽操作和三维动画仿真引擎，可以对三维设备设施和车辆行人等模型进行三维仿真动画的编辑和创建，展现事故发生瞬间的车辆、行人等事物的运动状态，协助现场勘查人员进行事故的还原和分析，为事故调查处置和应急救援方案制定提供技术支撑。

功能实现

事故现场绘图子系统

事故现场绘图子系统包含资料引用、现场绘制和辅助功能。事故发生的现场可能是场站、区间的任意位置，如果事故发生在场站区域，直接调用已有的场站图纸资料即可作为事故现场绘图的基本参照；如果是区间事故，典型的道口或者单线、多线事故，也可以通过既有的模板作为当前事故现场绘图的底图参照。现场绘制功能是事故现场绘图系统的核心部分，无论是否具有可引用的资料作为参照，都可以通过此模块完成整个事故现场的图纸绘制工作。本系统按照规范提供各类常见图形符号库以及极高自由度绘图功能，基于CAD绘图平台支持，任意事故现场均可通过二维图形进行表达。辅助功能主要用于当图形表达无法完全展现出事故现场的具体情况时，可借助现场照片、模拟视频插入、文字插入来深化描述事故情况，同时具有事故报告链接查看功能。

事故现场三维模拟仿真子系统

事故现场三维模拟仿真子系统包含创建场景、事故模拟和辅助功能3部分。

创建场景是完成整个事故模拟第一部分，也是最能够清晰、直观观察到事故现场主要信息的必要步骤。事故车辆、行人、周围建筑物、洒落物等元素都要提前布置到事故场景相应位置，从而创建一个静态场景。通过模型插入，展现现场铁路线路、隧道、桥梁、公路、建筑、车辆等物体三维模型，文本插入描述出当前场景基本信息，环境设定展示出事故现场的天气情况。

事故模拟功能是该子系统核心部分，由于每一起事故都是在多种情况和原因下造成的，所以事故模拟是十分复杂的过程，子系统通过对发生事故的火车、汽车、行人等实体选择，按事故类型自动计算运动轨迹，自动计算触发条件，拟合实体起始点和事故发生点的运行路线、运行速度，检测事故发生位置，最终实现事故关键过程的模拟。

图3 脱轨模拟

事故发生的瞬间通过“相撞”“冲突”“火爆”模拟功能实现之外，车辆、行人或周围物体的运动状态需要通过辅助功能继续完善，比如火车撞击汽车事故发生前，二者是如何进入事故发生区域的，事故发生后，火车是如何发生脱轨、汽车如何发生侧翻等，实体运动路径的设定、姿态的设定、速度的设定可以有效补充整个事故的发展过程。

模型插入可将动态实体、铁路实体、静态实体以任意位置、角度插入到场景中，包括各类型火车、汽车、人物、场站建筑等。插入的模型可进行移动、复制、旋转、缩放等操作，以保证创建模型最大限度地反映出事故现场真实场景。

通过设置撞击发生地点、撞击对象的运动速度以及撞击部位，可以实现火车与汽车、火车与自行车等各类实体的相撞过程模拟。选择不同的撞击部位，可以精准地控制火车撞击汽车的头部、中部或者尾部，同样也可以控制汽车撞击火车的第几节车厢。相撞模拟如图2。

脱轨模拟用于模拟发生撞击、冲突等事故后，通过对列车车体解组、车厢姿态设定，实现任意情况的列车脱轨模拟，包括车头脱轨、车厢脱轨。脱轨模拟如图3。

系统特点

丰富 标准的铁路交通事故要件图形库

系统内置大量标准的铁路交通事故要件图形，包括线路、桥梁、隧道、道口、道岔、信号机、接触网、机车、车辆等设施设备及防护标志；同时，建有庞大、专业的三维模型资源库和逼真模型动作资源库，较全面地覆盖铁路交通场景和事故模型。

简单便捷完成标准 专业的铁路事故现场图形绘制

基于强大的快速建模功能，根据不同铁路环境需求，通过海量二维图形库和简单的拖拽操作方式，可简捷、快速绘制与真实场景极为接近的铁路事故现场状况，并实现事故现场的还原和分析。

快速制作生成形象逼真的铁路事故三维模拟仿真动画

根据勘查人员对铁路事故过程的推理和分析，利用系统丰富的三维模型和模型动作资源库，可快速对车辆、人物等模型进行三维仿真动画的编辑和创建。操作和使用方式简单快捷，可在短时间内创建多种方案的铁路事故模拟仿真动画，逼真形象地展示铁路事故发生和演变过程，并支持动态模拟过程输出视频文件播放。

系统操作使用简单 易学易用

系统有PC端和平板端版本，软件界面友好，格式统一，操作简单，无需大量培训即可熟练使用。能够支持Windows 7及以上的操作系统。应用高性能三维数据压缩等技术方法，实现较低硬件配置高效率运行，能够在日常办公电脑（内存4 G、CUP主频2.0、硬盘120 G）流畅运行。

应用与展望

铁路事故现场绘图及事故三维模拟仿真系统已在上海、成都等铁路监督管理局进行应用和推广，使用该系统开发了多个事故的现场图形绘制和事故现场动画模拟。

随着铁路安全监督管理业务深化和对事故调查工作要求的不断提升，通过使用铁路事故现场绘图及事故三维模拟仿真系统，可有效提升铁路事故调查处理等工作的规范化、标准化和专业化水平，增强事故调查工作效能，有力支持铁路事故应急管理和应急决策，系统具有良好的应用前景。