基于虚拟现实技术的车站站场建模关键问题的研究

范书恒，宋亚夺

（河北轨道运输职业技术学院 轨道运输系，石家庄 050051）

基于虚拟现实技术的车站站场建模关键问题的研究

范书恒，宋亚夺

（河北轨道运输职业技术学院 轨道运输系，石家庄 050051）

调车作业3D虚拟仿真系统是实时渲染的系统，站场建模质量高低决定系统渲染速度和效果。本文在分析系统需求的基础上，介绍车站站场建模及模型优化的一般方法，分析道岔及曲线段建模的困难，提出简单可行的解决方法。

铁路站场；虚拟技术；模型；调车作业

利用虚拟现实技术开发车站3D模型，基于Virtools开发人机交互界面，针对行车、调车等关键岗位人员进行技术培训，比理论授课等传统方式有不可替代的优势。车站建模的质量高低是学员产生沉浸感、真实感的先决条件，复杂而又逼真的虚拟场景可以增强用户的沉浸感，但是，过于精细的场景会使数据量增加，影响系统的交互性和实时性；虚拟场景太简单，又会使用户感觉虚假。因此，首先需要解决的问题是对站场建模，这是整个系统开发工作的前提和基础。

1 建模任务分析

1.1 建模对象分析

铁道线路路基上部由钢轨、轨枕、联结零件、道床、道岔及防爬设备等组成的整体工程结构，称为轨道，它引导机车车辆的运行方向，是机车车辆运行的基础设备。考虑到站场模型用于针对行车、调车人员进行技术业务培训，因此部分设备可不体现在模型中，具体建模对象如表1所示。

表1 模型对象分类表

1.2 减少站场模型总面数

站场模型中钢轨、道床、轨枕数量庞大，解决好这3个模型，控制总面数是关键点，不能盲目地为了追求真实而无限写实场景中单体模型。场景总面数直接影响系统的计算机硬件配置、内存空间的开销、程序执行的灵活性及系统运行时间的可接受性等方面。优化线路设备模型，兼顾模型仿真度与系统性能之间的平衡，是非常必要的。

1.3 提高站场模型的仿真度

站场模型开发应按照相关的技术规范和技术标准进行1:1建模，主要有《铁路车站及枢纽设计规范》、设备技术标准等。站场模型最终合成仿真效果取决于两个方面：

（1）单体模型仿真度。对于需要精细建模的单体模型或者单体模型的主要方面，应按照设备技术标准，尽可能使用精确的几何形体创建模型细节；对于可以粗略建模的单体模型或者单体模型次要方面，尽可能使用较少面数的几何体或复合对象。

（2）设备准确位置仿真度。单体模型在站场中的准确位置，可依据《车站设备平面布置图》确定；单体模型之间位置关系应依据《铁路车站及枢纽设计规范》确定；道岔各组成部分应依据对应型号道岔总布置图确定。依据上述资料设计线路模型平顺性符合标准，机车车辆模型运行轨迹容易确定。

1.4 提高实时渲染速度

站场模型Virtools5.0系统进行实时渲染，场景对象数量越多、单个对象面数越多，实时渲染的时间间隔便越大；单体设备长度或宽度过大，被Virtools5.0相机“发现”的概率就大，也影响系统渲染的时间间隔。因此，站场模型中呈长条状布置的线路应进行合理细分成段，减少被相机“发现”的概率。

2 建模方法

3DSMax是一款功能强大的三维制作软件，它提供了非常多的建模方法，如基础建模、复合对象建模、二维图形建模、多边模建模、面片建模、NURBS建模等，面对如此多的建模方法，应充分了解每个方法的优势和不足，掌握其特点及适用对象，选择最适合的创建方法，可以创建出逼真的效果。

据前述分析，站场主要由直线钢轨、曲线钢轨、轨枕、道床、联结零件等单体模型搭建而成，因此采用的建模技术主要涉及到基础建模、复合对象建模等。基础建模利用3DSMax所提供的点、线、面、体创建和修改工具进行虚拟场景中几何模型的建立；复合对象建模利用放样工具建立直线轨、曲线轨、道岔各组成部分等对象。

2.1 基本轨建模

基本轨头部需要精细建模，轨腰和轨底可以粗略建模；基本轨钢轨截面是左右两侧完全对称的结构，因此截面左右两侧的顶点应完全对称，有利于3DSMax进行放样物体纵向面数优化。图1表示了钢轨截面顶点的两种设计方案：A方案完全对称，B方案不完全对称。

图1 钢轨截面顶点设计方案

利用两种截面设计分别放样1 m长度的基本轨，经过max优化和设置Shape Steps、Path Steps两项参数置零后，钢轨信息统计如表2所示，经过比较，A方案顶点数及面数均为B方案的78%。

表2 钢轨信息统计表

不区分模型需要表现的主要方面和次要方面，不合理的建模方案，会提高单体模型对象面数。钢轨数量庞大，优化后截面会大大减低站场模型总面数。

2.2 直线段建模

站场模型需要铺设大量的形状和属性相同的钢轨、轨枕、道床，它们之间的差别在于其位置、大小、方向的不同，如果把每个部件都放到内存中，将造成很大的浪费，应采用实例化复制的方法进行搭建站场直线部分，在很大程度上节约了内存空间。

一般情况下轨枕间隔为600 mm，因此设计一段标准直线线路，长度可采用18 m标准。

（1）利用多边形技术，设计道床截面、钢轨截面、轨枕模型。（2）使用3DSMax挤出或放样命令，形成18 m道床模型；使用放样命令，形成18 m钢轨，实例化复制一份，形成一条线路两根钢轨。（3）实例化阵列轨枕30根，间隔600 mm。（4）轨枕、钢轨、道床成组，使用实例化阵列复制命令，形成站场模型全部直线地段的线路。

2.3 道岔及道岔后部连结曲线建模

2.3.1 模型数据分析

以60 kg/m钢轨12号单开道岔（图号：专线4190-2）为例，其主要参数如表3所示。

表3 主要参数

根据道岔主要参数，导曲线半径350 717.5 mm。3DSMax绘制该圆曲线以N条直线段拼接而成，依据放样导曲线轨会影响线路平顺性。因此，设计道岔模型的困难在于导曲线线型不容易确定，需要结合圆曲线支距计算公式确定。

F=L2/8R （1）

尖轨长度11 300 mm，除去直线段2 728 mm部分外，其他部分等间隔划分4段，段长2 143 mm，这样支距计算表中增补4个支距点（1’～4’支距点）。其他支距点按照道岔总布置图2 000 mm等间隔划分，最后剩余一段1 416 mm长度。支距点在导曲线理论起点计算需要附加411.5 mm。

按照公式（1）计算，结果如表4所示。

根据支距计算公式，可得2 728 mm处导曲线中心距离水平基本轨偏移：26 mm。其他增补的支距点亦照此计算。

其他支距点经过Excel计算后，与道岔总图核对误差在2 mm，可以使用。这样就确定了道岔导曲线线型。

2.3.2 建模

根据上述支距计算表，如果直接由3DSMax处理的话，可利用L、Y视作一个矩形的宽度和高度，利用脚本语言生成14个矩形；矩形最小边对齐后，将各矩形（Li，Yi）点利用画线工具生成样条线即可。

矩形示例：Rectangle length:14.0518512 width: 3139.5 pos:[0,- 14.0518512/2,0]。

如果站场模型采用同一类道岔，通过实例化复制，可得到车站全部道岔模型。

道岔后部连接曲线可采用同样方法建模。

3 结束语

通过上述方法建模，系统开发人员建立一个包含货场在内的典型中间站三维模型，将其应用到了北京铁路局阳泉实训中心的调车三维虚拟仿真系统中，该模型仿真度高；在3DSMax系统安装Virtools导出插件后，顺利导出为.nmo文件，文件容量比较小；导入到Virtools系统后，系统运行流畅，兼顾了模型仿真度与系统性能之间的平衡，取得了较好的用户感受。

表4 道岔导曲线支距计算表

[1]邹 红，王 健，马英瑞，赵 辉.3dsMax在虚拟场景建模中的应用[J].智能计算机与应用，2012（8）：75-77.

[2]邓昌大.计算圆曲线正矢公式的推导与应用[J].铁道运营技术，2006，12（1）：6-8.

[3]范国华，杜哲明，张友华，乐 毅.基于Virtools的虚拟火车站漫游系统的设计与实现[J].红河学院学报，2014，12（5）：30-32.

[4]中铁宝桥集团有限公司.铁路道岔参数手册[M].北京：中国铁道出版社， 2008.

[5]曹 洋.道岔平面线性动力分析及其设计方法研究[D].成都：西南交通大学，2013.

责任编辑 陈 蓉

Several key issues of modeling for railway station yard based on virtual
reality technology

FAN Shuheng, SONG Yaduo
( Department of Rail Transportation, Hebei Vocational College of Rail Transportation, Shijiazhuang 050051, China )

3D Virtual Simulation System for shunting service was a real-time rendering system. Modeling quality influenced the rendering speed and effect of the System. Based on the analysis of the system demand, this paper introduced a general method of the station yard modeling and optimization, analyzed several diff i culties for the switch and curve segment modeling, and therefore put forward some simple and feasible solutions.

railway station; virtual technology; modeling; shunting service

U291.1∶TP39

A

1005-8451（2015）06-0014-03

2015-01-24

范书恒，高级讲师；宋亚夺 ，讲师。