高速列车运动仿真可视化建模研究

吕希奎， 周小平， 贾晓秋

（1. 石家庄铁道大学交通运输学院，河北 石家庄 050043 2. 交通安全与控制河北省重点实验室，河北 石家庄 050043）

高速列车运动仿真可视化建模研究

吕希奎1,2， 周小平1， 贾晓秋1

（1. 石家庄铁道大学交通运输学院，河北 石家庄 050043 2. 交通安全与控制河北省重点实验室，河北 石家庄 050043）

以CRH系列高速列车为研究对象，建立了基于变参数的列车三维动态仿真模型，实现了多种列车单元模型在运动过程中的实时调入和装配，满足了高速列车运动仿真多样性的要求。采用Visual C++ 6.0、OpenGL三维图形库和Oracle数据库开发完成高速列车运动仿真系统，实现高速列车运动仿真可视化建模以及与线路设计之间的有效集成。通过实际应用，取得了较好的仿真效果。

高速列车；三维建模；运动仿真；仿真系统；三维可视化

将虚拟仿真技术和高速列车运动结合起来进行研究，在计算机上重建线路设计方案，再现一个真实的铁路运行环境，对评价和优化线路设计结果、高速列车运行的安全性和可靠性、旅客舒适度以及列车运行控制策略等具有重要意义。对此，国内外很多专家学者进行了相关的研究，就高速列车运动仿真可视化建模而言，国内主要有：黄友能、唐涛、牛清华等采用MultiGen Creator三维建模软件构建三维视景模型，采用 Vega视景仿真软件进行视景驱动实现了城轨列车虚拟驾驶仿真[1-2]。刘敏贤和王家素采用 3DMAX构建了视景仿真的三维场景，根据高温超导磁悬浮车及其在轨道上的运行情况和运行特点，模拟了高温超导磁悬浮车的运动仿真[3]。刘博、徐元铭和史红伟对基于 Creator的列车运行三维建模技术进行了详细研究，并用 Creator软件建立了简化的列车、线路及环境模型，但没有对列车运动仿真进行研究[4]。姜璐和宁滨以 Creator建立线路虚拟场景，以 Vega为软件设计平台，建立了列车驾驶室仿真模型，应用在列车三维驾驶仿真中，而不是整列高速列车模型和运动仿真[5]。翟婉明实现了基于轨道动力学应用的单节车辆运动仿真，但也不是一列完整的列车，其线路场景也是较短的虚拟的一段线路三维场景，并不是实际的线路设计方案实景[6-7]。在国外，都灵理工大学的 Caneparo L研究了都灵伯塔苏萨高速列车车站的虚拟现实设计与管理[8]；韩国铁道研究院的Jun和Hyun-Kyu研究了在一个交互式虚拟环境下的多列车运行模拟[9]；俄亥俄大学的Kljuno、Elvedin、Williams II等研究了以控制和虚拟现实为基础的车辆仿真系统，实现了车辆的动态模拟[10]；罗马大学的Bruner M和Rizzetto L对列车在铁路轨道动态模拟进行了深入研究[11]。

综合目前国内外研究现状，主要集中于采用视景仿真软件和三维建模软件，模拟较短的线路进行列车的运动仿真，与实际的线路有着较大的区别，所建的列车模型也主要是单节车辆模型，仿真控制比较简单。缺少基于线路设计与高速列车运动可视化仿真建模的研究。基于三维线路设计应用的高速列车运动仿真可视化建模的难点在于：

1） 整车模型数据量大，不再是单节列车模型，运动过程中要求实时加载和装配模型，对运动仿真计算算法有较高的要求，在保证加载和装配实时性前提下，必须还具备较高的运动仿真速度；

2） 列车各组成单元模型之间的约束关系以及与线路约关系复杂，既有整列车的运动与三维线路之间的约束关系，又有各列车各单元之间的约束关系，实时运动过程中坐标计算、控制更复杂。

本文将重点解决上述两个难点问题，实现基于三维线路设计的高速列车运动仿真三维可视化建模。

1 三维视景模型的分析和建立

1.1 列车模型的建模流程

系统中的高速列车选取CRH系列动车组，列车运动在具体的线路上，而线路是由直线和曲线组成，这种特性决定了无法预先建立一列完整的高速列车模型，因为在曲线部分，由于整列车模型具有一定长度，在曲线段列车部分模型有可能位于线路外，这将导致运动仿真不真实，示意图如图1所示。

图1 整车一体模型部分位于线路外示意图

为了能更有效、更逼真的进行列车运动仿真，根据动车组特点和单元模型化的概念，采用单元建模的方法解决该问题，即将整列列车模型拆分成多个单元模型，在运动过程中再实时对各单元模型进行组装成整列列车模型，而运动控制则由各单元模型独立控制自己的运动。为简化说明，以2M2T编组为例，建立高速列车仿真模型（两辆头车和两辆中间车组成），如图2所示。

图2 仿真系统车辆单元模型组成

按照图2系统模型的单元组成方式，列车整体模型如图3所示。

图3 列车整体运动模型

高速列车模型的多样化和任意编组，可以有多个不同列车模型，如2M2T、4M4T、6M2T等。通过编组设置，能够根据需求，进行多种列车模型的运动仿真，如图4所示。

图4 列车模型编组设置

1.2 列车几何模型

根据系统的模型组成（以 2M2T为例），采用面向对象方法，列车模型三维场景构成为：

高速列车模型场景={头车 1，中间车辆 1，中间车辆2，头车2，ID号，名称，纹理，材质，颜色，光照…}

由于列车三维运动仿真系统是一个多变量、多自由度的系统[7]，尤其是三维线路场景的运动仿真中，系统的复杂性大大加强，需要将模型进行简化。系统几何模型归结为以下对象的相互作用：

1） 动车车体对象：车体，转向架，轮对组成为动车车辆刚体对象。

2） 线路整体对象：离散的钢轨、轨枕、道床、路基等统一简化为一个线路刚体对象。

动车刚体以轮对和路基对象中的钢轨之间以3个空间方向规定了各对象之间的空间约束关系。在三维场景中与线路模型对象组成如图5所示。

图5 系统模型结构

1.3 运动系统坐标系的建立

列车的运动由车辆的各构件运动组成，其中刚性构件包括：车体、轮对等。每一个可移动的刚性构件有6个规定的自由度，即X、Y、Z方向的位移和绕X、Y、Z方向的旋转角。整个仿真场景有一个全局坐标系，定义在车体质心垂直于轨面的交点处，每一个组件有一个局部坐标系，位置随车在线路上变化而变化。在列车运动仿真系统中，需要实现实时互动。如列车运行时轮对的转动、转向架的运动情况等，这些都需要由 DOF技术来实现。它通过定义坐标系和设定运动属性，使模型对象具有各自运动的能力，可以控制它的所有子节点，按照所设置的自由度范围运动。以中间车辆为例，其系统运动坐标系的构成如图6所示。每个局部坐标系相对位置的变化，严格参照主坐标系的变化而变化。

1.4 列车三维线路场景

要实现列车运动的视景仿真，建立逼真的列车运行环境是必不可少的，它不仅包括了铁路信号、铁轨、轨枕、接触网等基础设施，及机车、车辆等信息，还包括了周边的地理环境信息共同构成了列车运动仿真的基础。本文是在已有的三维线路设计系统基础上进行研究，系统根据设计方案为列车运动仿真构建了三维线路场景，这为列车运动仿真提供了线路条件和基础，如图7所示。

图6 运动系统性坐标系

图7 轨道三维几何模型

2 列车运动仿真实时处理算法

在列车运动过程中，必须解决列车运动过程中在线路空间位置的确定。针对列车运动是离散计算问题，采用如下算法：以线路作为轨迹函数，求出线路与车辆在不同位置的运动系列，然后计算列车单元模型各构件叠加在不同行驶位置的运动上，构成整个列车系统的运动。

其流程如下：

根据当前运动的里程s，从线路设计数据库中读取设计方案的线路三维坐标数据，计算当前里程s位于的线路的哪两个断面内。

确定好所处两个断面后，根据两个断面三维坐标插值出单元模型的当前在线路上的空间坐标。

其中 ),,(111zyx和 ),,(222zyx是轨道相临断面中心点三维坐标，断面处里程分别为l1和l2，两断面里程间距为12lll-= 。

将机车车辆定义为在线路上行驶的连续运动对象，而线路作为连续运动的路径函数，线路函数定义为

因此，在渲染某一帧图形时，首先要在线路上搜索，头车及构件模型在当前行程在轨道某相邻关键节点之间，获得当前帧图像的实际运动位置点。这种插值可以描述为图8所示[7]。然后再将列车其它单元模型叠加在不同行驶位置上（直线段平移；线路曲线段平移+旋转），构成整个耦合系统的运动。

图8 运动轨迹的位置插值

算法具体描述如图9所示。

通过图9所示的算法，就可以实现每个列车车辆单元模型及其组成的构件在某一时刻的行程数据，与其在三维运动模型系统中所处的位置相匹配，同时每个车辆单元模型也与其它车辆单元模型相匹配。经过这种处理，将当前行驶位置车辆单元模型及其各构件与当前行驶位移量叠加起来，就得到了动车组整体模型在线路上的运动仿真。

图9 算法流程图

3 高速列车运动仿真实现

3.1 列车单元模型建模方法

建立三维模型的软件有多种，如AutoCAD，3Dmax，Maya等。其中3D Max是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，广泛应用于工业设计、建筑设计、工程可视化等领域。具有建模功能强大、扩展性好、操作简单等特点。本文采用3D Max建立动车组三维单元模型。模型最终效果如图10所示。

图10 模型最终效果图

3.2 系统实现

系统采用Visual C++编程语言、OpenGL三维图形库和 Oracle数据库开发完成高速列车运动仿真系统。系统是在已有的铁路线路三维系统基础之上的子系统，实现过程如下：

1） 首先在线路三维系统中进行线路设计，然后建立三维线路模型，运行主界面如图 11所示。

图11 系统运行主界面

2） 按照图4列车模型编组设置，选择CRH系列动车进行编组，从模型数据库调入模型，经过模型解释和装配以及基于线路函数的动画关键帧生成，可以得到合理简化的列车、线路及环境模型，实现了逼真的铁路运行环境。系统以一种有序的方式集成在综合仿真平台下，形成了车辆—线路运动仿真环境。根据不同的动车车辆和线路参数建立多种高速列车模型。图 12、图 13为不同类型动车组的运动仿真结果。

图12 CRH5动车组运动仿真结果

图13 CRH3动车组运动仿真结果

在运动仿真过程中，动车单元模型组装和空间约束正确，完好的建立了整列列车模型，整个系统能够以每秒30～45帧运行，完全满足实时运动仿真的要求。

4 结 论

在面向对象的建模方法基础上，通过引入三维建模和模型可视化技术，对列车运动仿真系统中的列车可视化建模进行了研究。分析了列车三维模型的层次和建模特点，给出了相关建模流程。通过模型和运动数据实时插值与匹配的图像关键帧生成技术，实现了列车三维模型与线路设计之间最终集成。建立了高速列车运动与三维线路设计综合集成的仿真系统。通过实际建模和应用，取得了满意的仿真效果，满足视景仿真的实时驱动要求 。

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[3] 刘敏贤, 王家素, 王素玉. 高温超导磁悬浮列车视景仿真系统[J]. 超导技术, 2011, 39(3)：40-44.

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The motion simulation of high-speed train

Lü Xikui1,2, ZhouXiaoping1, Jia Xiaoqiu1

( 1. School of Traffic and Transportation of Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China;2. Traffic Safeties and Control Lab of Hebei Province, Shijiazhuang Hebei 050043, China )

The three-dimensional dynamic simulation model based on varying parameters is established for the CRH high-speed train, and the real-time transfer and assembly of various train element models during the process of motion are achieved. A high-speed train movement simulation system is developed using Visual C++ 6.0, OpenGL 3D graphics library and the Oracle Database. A comprehensive integrated simulation system between High-speed train movement and three-dimensional line design is established. The experiments show that good simulation results are obtained.

high-speed train; three-dimensional modeling; motion simulation; simulation system; 3D visualization

U 29-39

A

2095-302X (2013)01-0087-05

2011-09-16；定稿日期：2011-12-15

国家自然科学基金资助项目（51278316）

吕希奎（1976-），男，辽宁绥中人，副教授，主要研究方向为工程信息技术与虚拟环境仿真技术、线路勘测设计现代技术。E-mail：Lvxikui@163.com