基于MSTS的列车运行视景仿真系统三维建模

王怀松，陈荣武，杨 城

（西南交通大学信息科学与技术学院，成都 611756）

基于MSTS的列车运行视景仿真系统三维建模

王怀松，陈荣武，杨 城

（西南交通大学信息科学与技术学院，成都 611756）

近年来，随着计算机技术的飞跃式发展，无论是硬件设备功能还是软件工具平台都已具备了强大的处理功能，列车运行仿真方法日趋多元化。提出了一种基于MSTS（Microsoft Train Simulator）平台的列车运行仿真方法，并通过建立成遂线的线路模型介绍了利用该方法建模的基本过程和内容，分析了建模过程中可能存在的问题并提出了相应解决办法。最后依据成遂线真实运营场景逼真模拟了列车运行客观环境。实践证明，该方法具有高效性、灵活性与可扩展性。

列车运行仿真；线路模型；MSTS；场景

1 引 言

自上个世纪八十年代末九十年代初，我国开始将三维仿真技术应用于城市轨道交通领域，起初的目的主要是为培训列车司机提供一种模拟驾驶平台［1］。近年来，随着我国铁路现代化建设快速推进以及计算机软硬件技术的飞速发展，列车运行仿真技术也在不断进步，其应用领域更加广泛。作为现代化的培训平台，列车运行仿真系统可以使列车驾驶员或乘务员更好更快地熟悉和掌握机车的编组和运行工况。作为模拟演示平台，我们可以在虚拟却高度真实的场景里模拟各种有可能在现实世界里发生的突发情况［2－3］，为相关人员处理突发事故积累经验。作为研究测试平台，不论是新线的试运营还是旧线的改造，都可以通过该仿真系统观察预期效果，了解是否满足运营和安全需求。

2 三维视景开发工具简介

本文所提出的建模工具MSTS（MicrosoftTrain Simulator）是美国微软公司推出的基于模拟火车驾驶的软件开发平台，MSTS是一个比较开放性的软件平台，用户可以根据它提供的工具来进行二次开发，按照自己的需求进行线路编辑以及创建各种模型，然后进行实时交互性的模拟驾驶，现被广泛用于各种火车模拟游戏的开发中。这种基于微软MSTS开发平台的建模方法，相对于传统的CAD、3dsmax、Multigen Creator等建模方法而言，该方法凭借强大的图像处理能力、强大的模型数据库以及批量式布景功能，大大提高了建模的质量与效率。MSTS开发平台不仅可以对地铁、高铁、有轨电车等任何轨道交通进行直观真实的模拟，而且还能够将已经完成的线路运用到其他的线路，具有较强的可扩展性［4］。

3 列车运行环境三维模型的建立

列车运行环境需要构建的三维模型主要包括：轨道、信号机、站台以及桥梁、隧道等。同时，为使仿真系统更加具有真实感，还需增加诸如树木、山川、湖泊、公路等建筑景观以及设定天气、季节等环境特性。本文中列车运行环境的建模原型是成渝线的成都至遂宁段，该线路是成渝线的一部分，全长146公里，线路环境比较丰富，包含了平原、山川、湖泊以及隧道和桥路，是比较理想的仿真研究对象。列车运行环境的三维模型建立流程如图1所示。

3.1 地形区域创建

铁路线路模型所在地形区域的创建是在MSTS的地形生成器中完成的。以创建成遂线路模型为例，首先进入MSTS的地形生成器新建一条线路，然后在地球仪上找到需要创建线路的大致位置并连续放大该区域，此时可以看到地图上以红色线条标注的就是既有铁路（2001年前修建），如图2（a）所示。如果是新的线路可能无法找到，就要用Google Earth或者其他的工具先确定要建立线路的大致经纬度，这些经纬度信息可以从谷歌地球中的地标工具获得，然后通过地标转换工具软件将地标文件编码为MSTS可以识别的MKR文件，那么在随后制作线路的过程中，就可以沿着这些标记往前铺轨，而不会偏离实际走向。

图1 线路模型建立流程Fig.1 Model building process

定位至成遂线所占据的地图区域上，通过用鼠标拖出矩形框来选择线路，并在矩形的内部添加所选择的全部区块，然后重复这个步骤，直到添加若干块区域以覆盖整条线路。此时，在所选矩形中会出现很多黑色的方格，最小的方格代表大约1.5公里见方的地形方块。然后对所要建设线路周围的小方格对线路进行标记，标记后相应小方格会变成蓝色，最终要确保线路经过的小方格全部被标记，如图2（b）所示。

在线路上选择一点作为线路编辑器的开始区块，这里的开始区块就是在打开线路编辑器后摄像机视角的初始位置。最后下载该线路所涉及的经纬度DEM数据包，用地块软件DEMEX将该区域的数据包导入线路。由于使用的DEM地形地貌数据包是通过卫星拍摄处理之后得到的数据包，可以从中看到起伏的地形地貌，所以整个地形地貌较为真实的还原了实际环境。导入成功后，在MSTS线路编辑器查看所创建的地形，如图2（c）所示。

图2 地形区域创建Fig.2 Terrain area created

3.2 线路三维模型的建立

轨道交通包含多个运行场景，本文根据成遂线的真实运行场景进行建模。以实现对列车运行客观环境的模拟，让人能有一种身临其境的真实感，从而达到视景仿真的效果。通过对成遂线的线路建模分析，总结出了列车运行视景仿真系统中主要的场景模型，如图3所示。

图3 列车视景仿真线路三维模型Fig.3 The 3D model of train visual simulation

3.2.1 轨道的铺设

MSTS线路编辑器提供了大量的模型库，包括常见的轨道模型、信号机模型以及隧道、桥梁等建筑模型。创建好地形区域之后就像有了画布一样，我们就可以借助MSTS平台提供的线路编辑器这支“画笔”在这块“画布”上尽情发挥来设计自己的线路三维模型。

在铺设轨道时，为防止偏离线路实际走向，可以利用前面提到的包含线路经纬度信息的MKR文件，沿着Google Earth中建立的坐标进行铺轨。在新建铁路线路时如果选择新建“电气化”铁路线路，则在铺轨时就可以自动生成接触网和电杆。如果遇到双线线路在区间分离之后需要重新并轨，首先需要知道轨道的弯曲情况，比如弯曲轨道的朝向、半径、弧度等，然后根据这些数据信息将其逆向还原即可。轨道的铺设如图4所示。

3.2.2 信号机模型的布置与显示原理

信号机是铁路或者地铁线路的基础轨旁设备，用灯光的颜色指挥列车的运行，防护信号机所保护的区段。信号机模型可以从线路编辑器模型数据库中选择，也可以从外部添加。在“成遂线”三维模型中使用三显示信号机，采用速差制信号显示。

如图5所示，信号机A与信号机B之间的距离以及信号机C与信号机D之间的距离小于安全制动距离时，如果信号机D处于危险侧，那么信号机C和B必须显示黄灯以限制后续列车速度；同理，如果C处于危险侧，则信号机B和A同样也应该显示黄灯以保证行车安全。

图4 左开道岔（左）与交叉渡线（右）Fig.4 Left-open sw itch（left）and cross over lines（right）

图5 MSTS信号机示意图Fig.5 MSTS signal schematic diagram

如图6所示，以确定信号机A的显示状态为例，假设B为A后方第一架信号机，C为A后方第n架信号机。

图6 MSTS信号机显示原理图Fig.6 The principle diagram of MSTS signal disp lay

在实际MSTS控制过程中，只需要先检查信号机B的显示状态，当信号机B显示红灯时，信号机A显示黄灯；当B为黄灯时，通过检查C的显示状态即可确定A的显示状态，控制程序如下。

if（next_sig_lr（SIGFN_NORMAL）＝＝SIGASP_APPROACH_1）

｛

if（next_nsig_lr（SIGFN_NORMAL，2）＝＝SIGASP_STOP）

｛state＝＝SIGASP_APPOROACH_1；｝else

｛state＝SIGASP_CLEAR_1；｝

｝

其中，SIGASP_STOP表示信号机显示红灯，SIGASP_APPROACH_1表示信号机显示黄灯，SIGASP_CLEAR_1表示信号机显示绿灯。

3.3 隧道模型的构建

隧道是建立于地层内的一种利用地下空间的建筑物，一般都包含隧道整体框架、轨道、线缆以及照明设备等部件［5－6］。在铺设线路的时候，先在已有的隧道模型库中选择合适的隧道模型，将其添加到线路中，然后通过反复地平移或旋转调整隧道位置，直到隧道口处于合适的开口位置，最后再使用隧道洞口修饰模型对隧道洞口进行修饰，如覆盖掉隧道与山体间的白色空洞等。

3.4 制作和导入模型库中没有的模型

在制作线路时可能会遇到的一个问题是，在线路编辑器的模型库里找不到想要的模型，这时候就需要借助平面设计软件和三维建模软件的支持，先设计出模型再将其导入到线路中。模型的制作过程如图7所示。

图7 模型制作流程Fig.7 Modelmaking process

创建好模型的ACE、s、sd文件后，接着就可以向线路里导入我们自己设计的模型。以向成遂线导入“站台”模型为例，主要分为两步进行：

（1）把s，sd文件放到成遂线的SHAPES文件夹里，把ACE文件放到TEXTURES里。

（2）用记事本打开线路文件夹中的REF文件，选择成遂线，在REF文件末尾添加以下代码：

Static（

FileName（HN_GaoZhanTai_30m.s）

Class（＂站台＂）

Align（None）

Description（HN_GaoZhanTai_30m）

）

其中，FileName为s文件名，Class表示分类，Description是对模型的描述。

然后打开线路编辑器，在其模型数据库中就可以找到我们自己所设计的站台模型了。

在其模型数据库中就可以找到我们自己所设计的站台模型了。

模型制作完成后一般需要将模型分为动态模型和静态模型两组［7］。贴图格式为BMP或者TGA，转换后是ACE格式。模型转换为s文件后无法逆向转换，但是贴图可以逆向转换。模型制作时应该遵循的原则：尽量删除不需要的面，面数数量尽量少；贴图空间充分利用，尽量使用大规格贴图，这样可以使显示更加清楚，而且一个贴图可以为很多模型所共用。

4 不同场景的实现

不同场景效果包括：季节的变化、天气的变化及白夜、黑昼的变化。这些场景的变化通过贴图的切换来实现。其中，贴图的切换由sd文件中相应代码控制。控制贴图显示效果的代码为：

ESD_Alternative_Texture（n）

其中，n默认有以下4个取值：0，1，252，256。

n＝0，表示模型只有一套贴图，在任何时间段里都只显示这一套贴图的效果。

n＝1，表示模型就有两套贴图，则多出来的一套贴图需要放在SNOW文件夹里，作为雪景贴图。

n＝252，表示模型的贴图套数更多，可以使四季均有对应的贴图，而且每个季节都可以细分为有雪和无雪两种场景。

n＝256，表示模型只有两套贴图，其中一套贴图需要放在NIGHT文件夹里，作为夜景贴图。

图8为雨雪场景对比图。

图8 雨雪场景对比图Fig.8 The comparison of rain and snow scene

5 仿真测试结果

线路模型建立好后，就完成了成都至遂宁段列车运行平台的搭建。接下来在MSTS任务编辑器中编组好车辆，规划好列车运行路径就可以对所建立的线路三维模型进行仿真测试了。测试的主要目的是验证线路模型中信号机、道岔、轨道之间的联锁关系是否正确，同时还要验证列车运行过程中的线路状况、环境特性以及线路中各种三维模型是否能正常显示或工作。在本次成遂线的线路模型测试中均满足以上要求，达到仿真目的。成遂线路模型测试如图9和图10所示。

图9 线路模型仿真测试（成都东站视景）Fig.9 M odel simulation test（Chengdu East Railway station）

图10 线路模型仿真测试（驾驶室视景）Fig.10 M odel simulation test（CAB visual）

6 结束语

本论文以建立成遂线三维模型为例，介绍了基于MSTS的列车运行视景仿真建模的基本方法和过程，并且在建立模型的过程中分析了可能存在的问题并提出相应解决办法。

最终在MSTS平台上成功测试了成遂线的三维模型，达到了列车运行视景仿真的目的。实践表明，该方法在建立线路三维模型上具有较强的真实性、可扩展性以及高效性。但本研究工作尚有一些地方值得改进与优化，未来可以在以下几个方面进行深入研究：

（1）在仿真系统中增加更多的动态场景模型或人物模型，让用户能够有身临其境的真实感，提升用户与仿真系统实时交互信息的真实感。

（2）基于MSTS提供的API接口，进行仿真系统与列车运行控制系统之间接口的研究，把该仿真系统应用于列车运行控制系统的测试，使得仿真系统的列车在列车运行控制系统下自动运行。

［1］ 宋晓伟，唐涛.视景仿真技术在地铁列控系统中的应用［J］.北京交通大学学报，2007，31（2）：67－71.

SONG Xiawei，TANG Tao.Application of scene visual simulation in subway trains operation control system［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2007，31（2）：67－71.

［2］ 黄友能，唐涛，宋晓伟.虚拟仿真技术在地铁列车运行仿真系统中的研究［J］.系统仿真学报，2008，20（12）：3208－3211.

HUANG Youneng，TANG Tao，SONG Xiaowei.Research on application of visual simulation in subway trains operation system［J］.Journal of System Simulation，2008，20（12）：3208－3211.

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DU Xiao，TANG Tao.Analysis and modeling of threedimension visualof subway trains operation simulation system［J］.Journal of System Simulation，2006，18（6）：1724-1728.

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LIYunxiang.Research on key technique＆art of visual system of driving simulator based on VR［D］.Wuhan University of Technology，2006.

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LI Huan.Simulation of subway train operation and optimization strategy［D］.Southwest Jiao Tong University，2012.

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YAO Lijuan.Current situation and development of railway signal system in china［J］.Railway Communication Signal，2003，39（4）：27－29.

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LIKe.The design and implementation of 3D effects in high-speed train virtual simulation［D］.Chengdu：Southwest Jiao Tong University，2013.

王怀松 男（1989－），四川眉山人，硕士生，主要研究方向为交通信息工程及控制。

陈荣武 男（1971－），湖南东安人，高级工程师，主要研究方向为交通信息工程及控制、计算机应用。

3D Modeling of Visual Simulation for Train Operation Based On MSTS

WANG Huaisong，CHEN Rongwu，YANG Cheng
（School of Information Science＆Technology，South West Jiaotong University，Chengdu 611756，China）

W ith the rapid development of computer science and technology，software platform provides stronger processes aswell as hardware.Multi－variantmethods of train simulation evolve rapidly.This paper provides a way to emulate train operation based on MSTS and the basic process and content of the 3D modeling are introduced by building themodel of Chengdu－Suining route.This paper analyzes the possible problems in the process of modeling and puts forward the corresponding solutions.Finally，the objective environment of the train operation is simulated according to the real railway of Chengdu－Suining.Practices have demonstrated that themethod is efficient，flexible and extensible.

train operation simulation；train routemodel；MSTS；scene

TP 391.9

A