列控設備三維建模及動態(tài)展現(xiàn)技術研究

張毅楠（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

近年來，我國的高速鐵路飛速發(fā)展，為保障高速鐵路的安全、高效、平穩(wěn)運行，我國鐵路領域的科研工作者進行了大量的研究和創(chuàng)新。在鐵路信號和列控系統(tǒng)方面，為了保證CTCS-3（簡稱C3）級列控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成測試和后期的故障重現(xiàn)及驗證能夠有效實施，北京全路通信信號研究設計院有限公司自主創(chuàng)新研發(fā)了C3列控系統(tǒng)的集成測試平臺。該平臺通過將實物設備和模型設備進行統(tǒng)一建模和接入，可在實驗室內(nèi)構建鐵路全線的仿真運行環(huán)境，從而實現(xiàn)對被測系統(tǒng)或設備的測試。

通過總結和歸納C3列控系統(tǒng)集成測試平臺在實踐中遇到問題，發(fā)現(xiàn)它在用戶界面的友好性方面做得不夠好，主要體現(xiàn)如下。

1）為了展現(xiàn)列車在線路上的運行情況，集成測試平臺具有二維的線路圖界面，用于顯示列車的位置、信號的開閉、移動授權的覆蓋范圍等信息。該界面的不足之處在于：展示某個具體列車的運行狀況時不夠直觀，不能準確地反映列車的動力學特征，如：啟動、加速、制動的過程等。

2）C3集成測試平臺具備虛擬駕駛臺和真實駕駛臺的接口，用戶可以操控列車在線路上行駛，但由于缺乏一個司機視角的視景展示系統(tǒng)，所以駕駛起來真實感不高。

3）C3集成測試平臺的列車動力學模型預留了處理冰雪、雷雨天氣條件下列車動力學特征的接口，可以模擬列車在特殊天氣下的運動情況，如果有一個具有真實感的人機交互界面，能夠將天氣條件逼真地展現(xiàn)出來，會使整個測試平臺的界面子系統(tǒng)的展示效果大大提升。

基于以上的三點，本文提出C 3集成測試平臺的三維視景仿真系統(tǒng)的構建方案。該系統(tǒng)目標是設計并實現(xiàn)一套配置靈活、高真實感、可獨立運行且易于系統(tǒng)集成的高速列車三維仿真系統(tǒng)，它能夠與二維的線路圖互為補充，并能以三維虛擬現(xiàn)實的方式對動車的駕駛、列控設備和列車的運行環(huán)境進行仿真。

張毅楠，男，碩士畢業(yè)于清華大學，助理工程師，主要研究方向包括綜合監(jiān)測、故障診斷，曾參與十二五國家科技支撐計劃課題：全息化運行環(huán)境感知系統(tǒng)，C3綜合測評系統(tǒng)的研究。

2 現(xiàn)有技術分析

三維建模技術伴隨著計算機圖形學的誕生和發(fā)展不斷地進步，從最初的通過頂點、多邊形和面的組合組成“立體”的物體到通過多細節(jié)層次建模并動態(tài)決定物體渲染的資源分配，從而獲得高效率的渲染運算等技術的出現(xiàn)，使得虛擬世界中的物體越來越逼近真實的物體。

三維仿真，或稱虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實，是指利用計算機技術生成一個逼真的虛擬環(huán)境，用戶可以使用各種傳感設備同虛擬環(huán)境中的實體相互作用的一種技術[1]。利用虛擬現(xiàn)實技術，可使用計算機將客觀世界的數(shù)字化模型轉化為不同形態(tài)的光點與聲波，并以適當?shù)姆绞郊右匀诤希瑥亩鵂I造一個虛擬的世界。

在高速列車的三維建模和仿真系統(tǒng)的研究方面，西南交通大學的列車仿真中心做出了許多有意義的工作[2][3]，他們所做的列車視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)點在于：對列車和周圍環(huán)境的建模比較細致，且采用多通道環(huán)幕技術，能給用戶提供一個具有包圍感的視場，逼真度較好。但不足之處在于：場景需在建模時預先定義好，在建模完畢后幾乎無法定制，這就導致對于不同的線路需分別進行三維建模，工作的重復性太大。

在國外的列車仿真系統(tǒng)也有較多的應用先例，比如日本三菱開發(fā)的新干線司機模擬訓練機，可以真實地再現(xiàn)駕駛員室，各種配電盤和操作臺，還能模擬列車實際運行過程中的速度感和顛簸感，并模擬各種天氣狀況，使得操作員能更真實地感受列車的運行。但是這套系統(tǒng)的缺點在于：只側重于對司機駕駛時所需進行的操作進行模擬和仿真，而對于鐵路沿線的工務和信號設備的仿真度不夠，無法進行復雜列車進路的模擬等。

3 系統(tǒng)結構與組成

三維仿真系統(tǒng)與C3集成測試平臺的功能邏輯關系如圖1所示。

三維仿真系統(tǒng)與C3集成測試平臺采用以太網(wǎng)絡的U DP協(xié)議進行通信，采用C/S架構，三維仿真系統(tǒng)為服務端，C3集成測試平臺為客戶端。C3集成平臺將控制命令（如：添加列車、刪除列車等）和列車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)（如：列車的速度、位置信息），外部運行環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)（如：信號機狀態(tài)、道岔狀態(tài)等）發(fā)送給三維仿真系統(tǒng)，后者接收命令和數(shù)據(jù)后對消息進行解析并操控列車在虛擬場景中行駛。

三維仿真系統(tǒng)的內(nèi)部模塊如圖2所示。

三維仿真系統(tǒng)的內(nèi)部模塊按照其功能的劃分可分為如下幾方面。

1）區(qū)域風景編輯器：編輯器中有一個模型庫，庫中存放著不同的山巒、農(nóng)田、樹木和房屋等素材，通過編輯器將這些素材組合在一起可以生成鐵路沿線的景色。

2）鐵路線路編輯器：使用軌道單元配置數(shù)據(jù)，動態(tài)生成軌道模型。

3）UDP網(wǎng)絡通信模塊：接收C3集成測試平臺的數(shù)據(jù)包，驅動三維列車運行和場景變換。

4）列車運行及IK處理模塊：驅動列車運動，并處理列車車廂之間的運動關系。

5）坐標系變換模塊：執(zhí)行相對坐標系統(tǒng)的轉換，防止列車運行到場景遠端出現(xiàn)的由于距離坐標原點太遠而導致浮點數(shù)精度不夠問題。

6）天氣模塊：模擬不同的天氣狀況之間的轉換。

7）相機切換模塊：可以切換觀察的視角。

8）日志模塊：記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)日志及通信數(shù)據(jù)日志。

在以上的8個模塊中，鐵路線路編輯器中的線路生成算法和列車運行街IK處理模塊中的控車算法是關鍵，這也是本文要重點討論的內(nèi)容。

4 軌道線路生成算法

軌道線路生成分為2步：關鍵線路的生成和三維模型的生成。

關鍵線路的生成即根據(jù)軌道單元之間的連接關系建立整條線路的拓撲結構圖，生成的關鍵線路是具有二維網(wǎng)狀結構的基準線。

三維模型的生成過程即在關鍵線路上鋪設鐵軌的模型，包括無岔區(qū)段的鐵軌和道岔區(qū)段的鐵軌兩種主要類型。

軌道單元之間的連接方式由配置文件在系統(tǒng)運行時提供，對每個軌道單元的描述如表1所示。

表1 軌道單元信息示例

根據(jù)表1中的信息，可以利用軌道單元之間的連接關系生成關鍵線路曲線，其流程如圖3所示。

生成了關鍵線路之后，就可以根據(jù)關鍵線路生成鐵軌的三維模型。程序自動根據(jù)軌道單元的形狀和長度從事先由美工設計好的模型庫中選取相應的鋼軌模型，并對其尺寸進行相應的變換后，擺放到相應的位置。擺放后的鋼軌模型如圖4所示。

5 列車行駛路徑算法

在列車運行及IK處理模塊中，列車的運動由公里標與速度雙重驅動的方式進行，系統(tǒng)通過C3集成測試平臺發(fā)送的公里標確定火車的靜態(tài)位置，再根據(jù)發(fā)送的速度值決定列車在虛擬世界中的單位時間內(nèi)行進的距離。為了保證展現(xiàn)的連續(xù)性，當網(wǎng)絡通信突然中斷時，火車可以按照最后接收到的數(shù)據(jù)包中火車速度繼續(xù)前進，并等待通信的恢復；為了保證列車速度的平穩(wěn)過渡，使用緩沖隊列對速度和位置數(shù)據(jù)進行平滑處理，這樣可使列車的運行軌跡平滑連續(xù)。

在三維仿真系統(tǒng)中，列車的運行軌跡是根據(jù)C3集成測試平臺發(fā)送的應答器序列確定的。整個過程的流程如圖5所示。

列車在線路上運行時，利用U DP網(wǎng)絡發(fā)送過來的公里標進行定位。三維列車IK控制模塊會根據(jù)列車車廂數(shù)和車廂長度，以及線路曲線或直線段對三維車廂模型進行放置。

1）首先根據(jù)U DP網(wǎng)絡包的火車公里標和應答器序列算出三維場景中列車所在的線路或股道。

2）獲取鐵路線路容器中的折線段。

3）根據(jù)列車車廂長度和車廂的間距，將每段車廂視為線段放置在曲線上。

4）將線段的中心算出，并根據(jù)中心計算出車廂模型坐標的數(shù)學矩陣，將三維模型放置到數(shù)學矩陣代表的坐標上。

根據(jù)以上步驟，即完成了列車在三維場景中的定位。

6 討論

本文提出的列控設備三維建模及展現(xiàn)系統(tǒng)相比以往的系統(tǒng)的優(yōu)點在于：虛擬場景中所展現(xiàn)的高速鐵路線路是可靈活配置的，用戶可以根據(jù)需要以更改配置文件的形式簡便更改線路結構，所以它的通用性強。它的缺點在于：為了滿足動態(tài)生成軌道的需求，對軌道區(qū)段特別是道岔區(qū)段的建模精度會受到影響。實際的鐵路中道岔具有多種型號，且岔尖、翼軌、護軌的配置也不盡相同，使用自動生成算法對道岔區(qū)段的鋼軌進行鋪設時，難免會出現(xiàn)由于算法考慮不周導致的生成結果不美觀，與真實道岔相差較大的問題，這是今后需努力改進的地方。

7 結論

本文所述的列控設備三維建模及動態(tài)展現(xiàn)系統(tǒng)可作為C3集成化仿真測試平臺的一個重要的組成部分，它作為后者的界面展現(xiàn)子系統(tǒng)實現(xiàn)了一套配置靈活、高真實感的、可獨立運行且易于系統(tǒng)集成的三維仿真界面。該子系統(tǒng)的建設充實了C3集成測試平臺的功能，為在集成測試平臺上開展新的實驗和研究提供了保障，為集成平臺進一步改良升級為人員培訓平臺做了技術的鋪墊，故具有深遠的意義。

[1]劉光然．虛擬現(xiàn)實技術[M]．北京：清華大學出版社，2011.

[2]唐冰．基于微機的多通道列車視景仿真系統(tǒng)的研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2003.

[3]閆偉萍．基于CTCS-2的列車視景仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 成都: 西南交通大學, 2009.