基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的車站站場建模關(guān)鍵問題的研究

范書恒，宋亞奪

（河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道運(yùn)輸系，石家莊 050051）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的車站站場建模關(guān)鍵問題的研究

范書恒，宋亞奪

（河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道運(yùn)輸系，石家莊 050051）

調(diào)車作業(yè)3D虛擬仿真系統(tǒng)是實(shí)時(shí)渲染的系統(tǒng)，站場建模質(zhì)量高低決定系統(tǒng)渲染速度和效果。本文在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，介紹車站站場建模及模型優(yōu)化的一般方法，分析道岔及曲線段建模的困難，提出簡單可行的解決方法。

鐵路站場；虛擬技術(shù)；模型；調(diào)車作業(yè)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)車站3D模型，基于Virtools開發(fā)人機(jī)交互界面，針對行車、調(diào)車等關(guān)鍵崗位人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，比理論授課等傳統(tǒng)方式有不可替代的優(yōu)勢。車站建模的質(zhì)量高低是學(xué)員產(chǎn)生沉浸感、真實(shí)感的先決條件，復(fù)雜而又逼真的虛擬場景可以增強(qiáng)用戶的沉浸感，但是，過于精細(xì)的場景會使數(shù)據(jù)量增加，影響系統(tǒng)的交互性和實(shí)時(shí)性；虛擬場景太簡單，又會使用戶感覺虛假。因此，首先需要解決的問題是對站場建模，這是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)工作的前提和基礎(chǔ)。

1 建模任務(wù)分析

1.1 建模對象分析

鐵道線路路基上部由鋼軌、軌枕、聯(lián)結(jié)零件、道床、道岔及防爬設(shè)備等組成的整體工程結(jié)構(gòu)，稱為軌道，它引導(dǎo)機(jī)車車輛的運(yùn)行方向，是機(jī)車車輛運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)備?？紤]到站場模型用于針對行車、調(diào)車人員進(jìn)行技術(shù)業(yè)務(wù)培訓(xùn)，因此部分設(shè)備可不體現(xiàn)在模型中，具體建模對象如表1所示。

表1 模型對象分類表

1.2 減少站場模型總面數(shù)

站場模型中鋼軌、道床、軌枕數(shù)量龐大，解決好這3個(gè)模型，控制總面數(shù)是關(guān)鍵點(diǎn)，不能盲目地為了追求真實(shí)而無限寫實(shí)場景中單體模型。場景總面數(shù)直接影響系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件配置、內(nèi)存空間的開銷、程序執(zhí)行的靈活性及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的可接受性等方面。優(yōu)化線路設(shè)備模型，兼顧模型仿真度與系統(tǒng)性能之間的平衡，是非常必要的。

1.3 提高站場模型的仿真度

站場模型開發(fā)應(yīng)按照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1:1建模，主要有《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》、設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。站場模型最終合成仿真效果取決于兩個(gè)方面：

（1）單體模型仿真度。對于需要精細(xì)建模的單體模型或者單體模型的主要方面，應(yīng)按照設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡可能使用精確的幾何形體創(chuàng)建模型細(xì)節(jié)；對于可以粗略建模的單體模型或者單體模型次要方面，盡可能使用較少面數(shù)的幾何體或復(fù)合對象。

（2）設(shè)備準(zhǔn)確位置仿真度。單體模型在站場中的準(zhǔn)確位置，可依據(jù)《車站設(shè)備平面布置圖》確定；單體模型之間位置關(guān)系應(yīng)依據(jù)《鐵路車站及樞紐設(shè)計(jì)規(guī)范》確定；道岔各組成部分應(yīng)依據(jù)對應(yīng)型號道岔總布置圖確定。依據(jù)上述資料設(shè)計(jì)線路模型平順性符合標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)車車輛模型運(yùn)行軌跡容易確定。

1.4 提高實(shí)時(shí)渲染速度

站場模型Virtools5.0系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，場景對象數(shù)量越多、單個(gè)對象面數(shù)越多，實(shí)時(shí)渲染的時(shí)間間隔便越大；單體設(shè)備長度或?qū)挾冗^大，被Virtools5.0相機(jī)“發(fā)現(xiàn)”的概率就大，也影響系統(tǒng)渲染的時(shí)間間隔。因此，站場模型中呈長條狀布置的線路應(yīng)進(jìn)行合理細(xì)分成段，減少被相機(jī)“發(fā)現(xiàn)”的概率。

2 建模方法

3DSMax是一款功能強(qiáng)大的三維制作軟件，它提供了非常多的建模方法，如基礎(chǔ)建模、復(fù)合對象建模、二維圖形建模、多邊模建模、面片建模、NURBS建模等，面對如此多的建模方法，應(yīng)充分了解每個(gè)方法的優(yōu)勢和不足，掌握其特點(diǎn)及適用對象，選擇最適合的創(chuàng)建方法，可以創(chuàng)建出逼真的效果。

據(jù)前述分析，站場主要由直線鋼軌、曲線鋼軌、軌枕、道床、聯(lián)結(jié)零件等單體模型搭建而成，因此采用的建模技術(shù)主要涉及到基礎(chǔ)建模、復(fù)合對象建模等。基礎(chǔ)建模利用3DSMax所提供的點(diǎn)、線、面、體創(chuàng)建和修改工具進(jìn)行虛擬場景中幾何模型的建立；復(fù)合對象建模利用放樣工具建立直線軌、曲線軌、道岔各組成部分等對象。

2.1 基本軌建模

基本軌頭部需要精細(xì)建模，軌腰和軌底可以粗略建模；基本軌鋼軌截面是左右兩側(cè)完全對稱的結(jié)構(gòu)，因此截面左右兩側(cè)的頂點(diǎn)應(yīng)完全對稱，有利于3DSMax進(jìn)行放樣物體縱向面數(shù)優(yōu)化。圖1表示了鋼軌截面頂點(diǎn)的兩種設(shè)計(jì)方案：A方案完全對稱，B方案不完全對稱。

圖1 鋼軌截面頂點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

利用兩種截面設(shè)計(jì)分別放樣1 m長度的基本軌，經(jīng)過max優(yōu)化和設(shè)置Shape Steps、Path Steps兩項(xiàng)參數(shù)置零后，鋼軌信息統(tǒng)計(jì)如表2所示，經(jīng)過比較，A方案頂點(diǎn)數(shù)及面數(shù)均為B方案的78%。

表2 鋼軌信息統(tǒng)計(jì)表

不區(qū)分模型需要表現(xiàn)的主要方面和次要方面，不合理的建模方案，會提高單體模型對象面數(shù)。鋼軌數(shù)量龐大，優(yōu)化后截面會大大減低站場模型總面數(shù)。

2.2 直線段建模

站場模型需要鋪設(shè)大量的形狀和屬性相同的鋼軌、軌枕、道床，它們之間的差別在于其位置、大小、方向的不同，如果把每個(gè)部件都放到內(nèi)存中，將造成很大的浪費(fèi)，應(yīng)采用實(shí)例化復(fù)制的方法進(jìn)行搭建站場直線部分，在很大程度上節(jié)約了內(nèi)存空間。

一般情況下軌枕間隔為600 mm，因此設(shè)計(jì)一段標(biāo)準(zhǔn)直線線路，長度可采用18 m標(biāo)準(zhǔn)。

（1）利用多邊形技術(shù)，設(shè)計(jì)道床截面、鋼軌截面、軌枕模型。（2）使用3DSMax擠出或放樣命令，形成18 m道床模型；使用放樣命令，形成18 m鋼軌，實(shí)例化復(fù)制一份，形成一條線路兩根鋼軌。（3）實(shí)例化陣列軌枕30根，間隔600 mm。（4）軌枕、鋼軌、道床成組，使用實(shí)例化陣列復(fù)制命令，形成站場模型全部直線地段的線路。

2.3 道岔及道岔后部連結(jié)曲線建模

2.3.1 模型數(shù)據(jù)分析

以60 kg/m鋼軌12號單開道岔（圖號：專線4190-2）為例，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 主要參數(shù)

根據(jù)道岔主要參數(shù)，導(dǎo)曲線半徑350 717.5 mm。3DSMax繪制該圓曲線以N條直線段拼接而成，依據(jù)放樣導(dǎo)曲線軌會影響線路平順性。因此，設(shè)計(jì)道岔模型的困難在于導(dǎo)曲線線型不容易確定，需要結(jié)合圓曲線支距計(jì)算公式確定。

F=L2/8R （1）

尖軌長度11 300 mm，除去直線段2 728 mm部分外，其他部分等間隔劃分4段，段長2 143 mm，這樣支距計(jì)算表中增補(bǔ)4個(gè)支距點(diǎn)（1’～4’支距點(diǎn)）。其他支距點(diǎn)按照道岔總布置圖2 000 mm等間隔劃分，最后剩余一段1 416 mm長度。支距點(diǎn)在導(dǎo)曲線理論起點(diǎn)計(jì)算需要附加411.5 mm。

按照公式（1）計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)支距計(jì)算公式，可得2 728 mm處導(dǎo)曲線中心距離水平基本軌偏移：26 mm。其他增補(bǔ)的支距點(diǎn)亦照此計(jì)算。

其他支距點(diǎn)經(jīng)過Excel計(jì)算后，與道岔總圖核對誤差在2 mm，可以使用。這樣就確定了道岔導(dǎo)曲線線型。

2.3.2 建模

根據(jù)上述支距計(jì)算表，如果直接由3DSMax處理的話，可利用L、Y視作一個(gè)矩形的寬度和高度，利用腳本語言生成14個(gè)矩形；矩形最小邊對齊后，將各矩形（Li，Yi）點(diǎn)利用畫線工具生成樣條線即可。

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

如果站場模型采用同一類道岔，通過實(shí)例化復(fù)制，可得到車站全部道岔模型。

道岔后部連接曲線可采用同樣方法建模。

3 結(jié)束語

通過上述方法建模，系統(tǒng)開發(fā)人員建立一個(gè)包含貨場在內(nèi)的典型中間站三維模型，將其應(yīng)用到了北京鐵路局陽泉實(shí)訓(xùn)中心的調(diào)車三維虛擬仿真系統(tǒng)中，該模型仿真度高；在3DSMax系統(tǒng)安裝Virtools導(dǎo)出插件后，順利導(dǎo)出為.nmo文件，文件容量比較?。粚?dǎo)入到Virtools系統(tǒng)后，系統(tǒng)運(yùn)行流暢，兼顧了模型仿真度與系統(tǒng)性能之間的平衡，取得了較好的用戶感受。

表4 道岔導(dǎo)曲線支距計(jì)算表

[1]鄒 紅，王 健，馬英瑞，趙 輝.3dsMax在虛擬場景建模中的應(yīng)用[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2012（8）：75-77.

[2]鄧昌大.計(jì)算圓曲線正矢公式的推導(dǎo)與應(yīng)用[J].鐵道運(yùn)營技術(shù)，2006，12（1）：6-8.

[3]范國華，杜哲明，張友華，樂 毅.基于Virtools的虛擬火車站漫游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].紅河學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，12（5）：30-32.

[4]中鐵寶橋集團(tuán)有限公司.鐵路道岔參數(shù)手冊[M].北京：中國鐵道出版社， 2008.

[5]曹 洋.道岔平面線性動力分析及其設(shè)計(jì)方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

責(zé)任編輯 陳 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

范書恒，高級講師；宋亞奪 ，講師。