基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统

易思蓉, 聂良涛

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)

基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统

易思蓉1,2, 聂良涛1,2

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)

为了在逼真显示的三维地理环境中实现铁路三维实体选线设计,研制了一个基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统.该系统集成空间信息技术、数字摄影测量技术、地理遥感技术、虚拟现实技术以及计算机仿真技术,基于航测影像信息和卫星遥感信息,建立了一个逼真显示的铁路虚拟地理环境;采用BIM(building information modeling)技术,构建了铁路构造物基元模型库;通过调用库中的实体基元模型,实时构建方案线三维模型,并在三维环境下对其进行检查修改,比选不同结构类型,实现三维实体选线设计.系统在中老铁路勘测设计中进行了实例验证,结果表明:该系统能够让选线工程师在室内环境下模拟现场实景分析和踏勘,能快速构建方案线三维实体模型,具有方案线比选直观等特点,能满足环境选线、重大工程优先选址选线、海外铁路选线的需求.

虚拟地理环境;铁路;选线设计;BIM;数字化

铁路选线设计是一项涉及多个专业的综合性规划设计工作.在铁路选线设计中,线路工程师必须充分利用他们的领域知识和信息,对地形、地质、水文等自然环境进行分析,以便设计出一条满足政治、经济、技术等各方面要求的铁路线路.由于线路在空间位置的确定依赖于设计人员对自然条件的分析,所以选线设计比其他许多工程设计对地理环境具有更强的依赖性[1].

为了提高设计质量和设计速度,自20世纪50年代以来,铁路与道路领域的专家学者就开始探索基于数字地形信息的计算机辅助线路设计的理论和方法[2-11].经过近60年的研究与发展,选线设计系统已从70年代的孤立和自封闭的专门化软件,向着基于逼真显示的三维地理环境的数字化设计系统发展.

本文详细介绍了一个基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统,该系统集成先进的空间信息技术、现代测绘技术、虚拟现实技术及计算机仿真技术,直接基于航测、卫星影像信息,建立三维立体地理环境模型,采用基于虚拟地理环境的三维数字化选线设计理念代替传统的二维透视设计方法.通过铁路构造物三维实体实时建模,实现了基于真实感地理环境的三维实体选线设计技术.

1 铁路虚拟地理环境建模平台

虚拟地理环境是指由硬件、三维地理环境建模软件和人组成的一个系统.该系统让人在计算机软硬件模拟产生的一个虚拟三维地理空间中,可以自由地行走探索,并可多感知地与虚拟地理空间的物体进行交互[12].

虚拟地理环境的发展存在两个基本的方向:一是基于虚拟现实技术的投入型虚拟地理环境;二是基于因特网和万维网的三维图形环境发展的非投入型虚拟地理环境[13].

投入型虚拟地理环境是参与者作为虚拟三维世界的一部分,与虚拟地理空间的物体交互,具有如同在现实物质世界一样或相似的感觉.参与者一般要戴上立体显示头盔、立体眼睛、数据手套、数据衣等.投入型虚拟环境又分为完全投入型虚拟地理环境和半投入型虚拟地理环境.完全投入型头盔式虚拟地理环境,是参与者要戴上头盔,人完全与现实物质世界相隔离,当参与者移动头部或转动头部方向时,三维境像都要被立即更新.

半投入型的虚拟地理环境,有大屏幕投影方式、虚拟工作台(virtual workbench)方式等.图1是西南交通大学研制的铁路数字化选线设计系统的地理环境建模平台采用的大屏幕投影式半投入型真三维投影平台(3DPT)[14-15].

图1 大屏幕投影式半投入型虚拟地理环境系统Fig.1 Half-input-virtual geographic environment system with large screen projection

根据铁路数字化选线设计需求,铁路虚拟地理环境建模平台应由数字地形数据生成系统、计算机硬件系统、大型数字地形建模系统、虚拟视景仿真系统、工程数据库系统、三维立体投影设备6部分组成,其组成结构如图2所示.

图2 虚拟地理环境建模平台系统结构Fig.2 Structure of modeling platform of virtual geographic environment

虚拟地理环境建模平台是由硬件、专用软件和自行研制的铁路地理环境建模型软件构成的集成化系统.

铁路数字化选线设计系统的虚拟环境硬件系统是一个能进行三维虚拟现实仿真、具有高性能计算和三维交互设计能力的计算机集成系统,其基本配置由通用计算机部分和专用图形设备、数字地形信息采集设备和立体可视设备等构成,如图3所示.

图3 铁路数字化选线设计系统硬件环境配置图Fig.3 Diagram of Hardware c onfiguration of digital railway location design system

2 铁路数字化选线设计系统总体结构与主要功能

铁路数字化选线设计系统主要由选线工程数据库管理、虚拟地理环境建模、数字化选线设计和铁路视景仿真与漫游4大模块组成.其结构组成如图4所示.

系统以菜单命令和菜单形式为用户提供各种功能操作,系统由项目管理、环境建模、方案管理、线路建模、视图、影像、三维景观漫游、工程技术指标、工程地质信息管理、窗口管理、立体调节、帮助等菜单项构成,如图5所示.实现虚拟环境选线设计的主体功能包括数据库管理、虚拟地理环境建模、方案线管理与设计、三维实体线路建模与结构物比选、基于虚拟环境的选线方案评价与比选、选线方案三维视景漫游.

图4 铁路数字化选线设计系统结构图Fig.4 Structure diagram of digital railway location design system

图5 系统主要功能菜单界面Fig.5 The menu interface of main functions

3 铁路线路三维实体选线设计

3.1 初始中心线设计

铁路线路初始中心线设计界面如图6所示.

图6 线路三维设计界面Fig.6 Interface for a 3D railway line design

新建线路方案时,先进行基本信息设置.选择菜单基本信息设置,弹出“方案线基础信息设置”对话框,如图7所示(例如:方案名称为QJ1,里程冠号为DK,起点里程为0 m,拟合间隔为5 m,线路宽度为13.4 m).

图7 方案线基础信息设置Fig.7 Selection of the basic information of a railway line scheme

系统提供屏幕交互模式和控制点选择模式进行线路走向设计,也可以通过既有资料导入或手工输入交点新建线路.方案线在三维场景中,分颜色显示桥、隧、路基段,如图8所示.

方案线设置好后,即可在三维环境视窗、二维平面视窗、纵断面视窗进行三维线路协同设计.如在三维环境视窗中选中交点,可移动交点到新位置.

图8 方案线显示Fig.8 Showing of a railway line scheme

3.2 基于构造物布置的三维实体选线设计

3.2.1 基于三维构造物模型的实体选线设计

初步确定线路中心线空间位置后,运行实体选线功能,进行方案线上所有构造物(桥、桥墩、路堤、路堑、隧道、路基等)的选型及位置设计,运行构造物建模功能,实现构造物模型(BIM)实时建模,建立三维铁路线路BIM模型.并在三维可视化环境中进行构造物布设方案分析,铁路三维实体选线方案路基段如图9(a)所示,桥梁段如图9(b)所示.

3.2.2 基于三维实体设计的选线方案修改

在系统三维环境视窗中,使用鼠标左键可以选中三维铁路构造物模型,如路堤(路堑)、桥梁、隧道,并对其进行分析与修改.路堤(路堑)地段三维实体选线界面如图10所示.

(a)路基段(b)桥梁段图9 铁路三维实体选线方案Fig.9 Railwaylocationschemesin3Dstructures

图11为隧道地段三维实体选线界面.图12为桥梁地段三维实体选线界面.图13为轨道设备三维实体设计界面.系统还提供不同构造物选线方案比选功能,如图14隧道方案与高路堑方案比选.

(a)路堑地段(b)路堤(路堑)编辑界面图10 路堑地段三维实体选线界面Fig.10 3DInterfaceforlinedesignoncuttingsection

(a)隧道地段(b)隧道编辑界面图11 隧道地段三维实体选线界面Fig.11 3DInterfaceforlinedesignontunnelsection

(a)桥梁地段(b)桥梁编辑界面图12 桥梁地段三维实体选线界面Fig.12 3DInterfaceforlinedesignonbridgesection

图13 轨道设备三维实体设计界面Fig.13 3D Interface for track equipment design

(a)隧道方案(b)高路堑方案图14 隧道方案与高路堑方案比选设计界面Fig.14 Interfaceofcomparingbetweentunnelschemeandhighcuttingscheme

4 工程案例

本案例根据中老铁路某段设计资料和DEM、DOM数据进行实验验证.中老铁路是泛亚铁路规划中线方案的重要组成部分,也是东盟相邻国家间大能力、高标准铁路网建设和中国—东盟铁路通道形成的需要.该铁路兼有城际和旅游功能,属促进地方资源开发的客货共线的快速铁路,是我国通往东南亚的重要铁路[16].本实验段DEM范围长约30.5 km,宽约36.5 km,DOM为高清彩色影像,地形数据分辨率为0.2 m.

多分辨率带状地形环境如图15所示,图15(a)为正射投影下的地形环境,图15(b)为透视投影下的地形环境.

线路试验段里程范围为DK14+200～D2K52+900.根据给定里程范围和线路控制点资料,系统设计中心线路方案如图16.三维实体选线结果如图17所示.

(a)正射投影下的带状地形环境(b)透视投影下的带状地形环境图15 中老铁路实验区多分辨率带状地形环境Fig.15 Zonalterrainenvironmentwithmulti-resolutionofexperientialsectioninChina-LaosRailway

图16 中老铁路实验段线路中线方案Fig.16 The line scheme of experiential section in China-Laos Railway

(a) 实体选线设计结果(近视点)

(b) 实体选线设计结果(远视点)图17 中老铁路实验段三维实体选线设计结果Fig.17 3D Railway location results of experiential section in China-Laos Railway

5 结 论

我国铁路建设正处在飞速发展的阶段,铁路选线设计是整个铁路建设中关系全局的总体性工作,采用现代化信息技术手段推进铁路选线技术的发展具有重大意义.

本文介绍的铁路数字化选线设计系统(软件著作权登记号:2013SR117255)采用Visual C++工具开发而成,采用大型关系型数据库Oracle进行数据管理,图形化界面简洁明快、美观大方,系统模块功能完善,操作简单、灵活方便,具有很强的维护功能.使用该系统可以对大范围的真实地理场景进行虚拟现实模拟,建立逼真显示的三维立体地理环境模型,使得选线工程师能在室内立体环境下模拟现场实景分析和踏勘.通过3个子窗口协同工作,选线工程师能够方便快捷的进行方案线设计.通过线路三维实时建模,调用线路构造物基元模型库中的实体基元模型,快速构建方案线三维模型,在三维模型环境下对方案进行查看、修改,比选不同结构类型,实现三维实体线路设计.

该系统的应用可以有效克服传统的基于等高线地形图的二维透视设计方法的不足,利用系统提供的选线方案三维仿真分析和评价功能,还可以显著提高铁路设计方案与环境的融合度,改善铁路线路对环境的影响.该系统在中铁二院被用于多个铁路工程项目的勘测设计,大大提高了选线设计质量和生产效率.

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易思蓉(1957—),博士,1984年起至今任职于西南交通大学,现为土木工程学院教授,博士生导师.主要研究方向为铁路选线设计理论与技术、线路工程信息技术、城市轨道交通与磁浮交通线路工程技术.第二届国家级教学名师奖获得者,国家级精品课程、国家级精品视频公开课程、国家级精品资源课程负责人,国家级教学团队带头人.承担国家自然科学基金、863项目和铁路科技计划项目等30余项;获得国家软件著作权3项;省部级科技进步奖4项.兼任高等教育土木工程专业评估委员会副主任委员;教育部本科教学指导委员会铁道与城市轨道工程分委会委员、秘书长.

E-mail:sryi@swjtu.edu.cn

(中、英文编辑:徐 萍)

Digital Railway Location System Based on Virtual Geographic Environment

YISirong1,2,NIELiangtao1,2

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To realize the railway location design with 3D entity in a vivid 3D geographic environment, the digital railway location design system based on virtual geographic environment was developed.Integrating space information technology, digital photography measurement technology, geographic remote sensing technology, virtual reality technology and computer simulation technology together, based on aerial image and satellite remote sensing information, the system establish a virtual geographic environment for railway. BIM (building information modeling) technology was used to set up a library for primitive models of railway structures. The railway location design in 3D entity is realized by calling 3D primitive models in the library, building 3D models for railway schemes in real time, inspecting and revising the schemes in 3D environment, comparing and selecting different structural types. The system was verified in the survey and design of China-Laos Railway project. The results show that engineers can simulate the real site analysis and survey indoor through the system. The system is featured with quickly seting up 3D models for railway schemes and intuitive comparison and selection. It can meet the demands of environment, major projects and oversea railways location.

virtual geographic environment; railway; railway location; BIM; digital

2015-10-23

铁道部科技开发计划项目-铁路数字化选线系统研究(2008G022-B);中国中铁科技开发计划项目-铁路工程三维设计关键技术研究及应用(2014-重点-72)

易思蓉,聂良涛. 基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 373-380.

0258-2724(2016)02-0373-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.016

U212.32; TP391.9

A