事故現(xiàn)場繪圖及三維模擬仿真系統(tǒng)研究與應(yīng)用

文/中國鐵路總公司調(diào)度部調(diào)度處 張凱 北京東方坦達科技有限公司 劉淑芳

鐵路事故現(xiàn)場繪圖及事故三維模擬仿真系統(tǒng)，能夠直觀快速再現(xiàn)事故的發(fā)生、演變過程，為鐵路事故調(diào)查工作和輔助應(yīng)急決策提供強有力的數(shù)字化支撐。

圖1 各專業(yè)標準圖形庫

鐵路交通事故調(diào)查是鐵路安全監(jiān)督管理部門重要的法定職責。繪制鐵路交通事故現(xiàn)場示意圖是鐵路交通事故調(diào)查工作的基本內(nèi)容，《鐵路安全管理條例》（國務(wù)院令第639號）（以下簡稱《條例》）和《鐵路交通事故調(diào)查處理規(guī)則》（鐵道部令第30號）對此都作出了明確要求。目前在鐵路交通事故勘查過程中，采用傳統(tǒng)的手工繪制事故現(xiàn)場示意圖耗時長，專業(yè)性和經(jīng)驗要求高，在繪制過程中容易遺漏事故要件，且手工繪制的圖片難以在鐵路各部門間或與其他相關(guān)方共享。

隨著鐵路安全監(jiān)督管理業(yè)務(wù)的日益繁重和對事故調(diào)查要求的提升，采用傳統(tǒng)手工繪圖方式已經(jīng)無法適應(yīng)鐵路交通事故調(diào)查工作需求，為提高鐵路事故調(diào)查處理工作效能，迫切需要采用新技術(shù)方法來解決現(xiàn)場勘察繪圖時速度慢、效率低、不專業(yè)、不規(guī)范、不精確等問題。

鐵路事故現(xiàn)場繪圖及事故三維模擬仿真系統(tǒng)，是輔助事故調(diào)查人員處理事故現(xiàn)場勘查、現(xiàn)場平面圖繪制和事故過程模擬仿真重現(xiàn)的軟件系統(tǒng)。通過應(yīng)用先進的計算機繪圖和模擬仿真技術(shù)，研究建立鐵路事故要件標準圖形庫和三維模型資源庫，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，簡化繪圖操作，直觀多角度展示事故現(xiàn)場場景，并支持遠程在智能手機終端查看，充分發(fā)揮軟件繪制的快速、準確和事故過程模擬重現(xiàn)等優(yōu)勢，能夠直觀快速再現(xiàn)事故的發(fā)生、演變過程，為鐵路事故調(diào)查工作和輔助應(yīng)急決策提供強有力的數(shù)字化支撐，對于鐵路部門分析事故原因、研究事故發(fā)生演變過程、提升鐵路事故調(diào)查和應(yīng)急演練工作水平具有非常重要的現(xiàn)實意義。

圖2 相撞模擬

系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)按照《條例》《鐵路交通事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理條例》（國務(wù)院令第501號）等法規(guī)要求進行設(shè)計，分為事故現(xiàn)場繪圖和事故現(xiàn)場三維模擬仿真2個子系統(tǒng)，系統(tǒng)可以與GIS系統(tǒng)進行集成。

事故現(xiàn)場繪圖子系統(tǒng)通過事故要件標準圖形庫的輔助，快捷方便地調(diào)用事故現(xiàn)場示意圖基礎(chǔ)底圖模板，并在底圖上添加各事故要件，標注重要距離、插入文字、鏈接圖片和文件，并能調(diào)用鐵路專業(yè)技術(shù)指標，對重要數(shù)據(jù)進行查詢、對比。見圖1。

事故現(xiàn)場三維模擬仿真子系統(tǒng)建有豐富的三維模型資源庫，包括鐵路交通事故中涉及到的幾乎所有類型的線路、橋梁、隧道、道口、道岔、信號機、接觸網(wǎng)、機車、車輛等設(shè)施設(shè)備及防護標志模型，通過海量三維模型資源庫、簡單的拖拽操作和三維動畫仿真引擎，可以對三維設(shè)備設(shè)施和車輛行人等模型進行三維仿真動畫的編輯和創(chuàng)建，展現(xiàn)事故發(fā)生瞬間的車輛、行人等事物的運動狀態(tài)，協(xié)助現(xiàn)場勘查人員進行事故的還原和分析，為事故調(diào)查處置和應(yīng)急救援方案制定提供技術(shù)支撐。

功能實現(xiàn)

事故現(xiàn)場繪圖子系統(tǒng)

事故現(xiàn)場繪圖子系統(tǒng)包含資料引用、現(xiàn)場繪制和輔助功能。事故發(fā)生的現(xiàn)場可能是場站、區(qū)間的任意位置，如果事故發(fā)生在場站區(qū)域，直接調(diào)用已有的場站圖紙資料即可作為事故現(xiàn)場繪圖的基本參照；如果是區(qū)間事故，典型的道口或者單線、多線事故，也可以通過既有的模板作為當前事故現(xiàn)場繪圖的底圖參照?，F(xiàn)場繪制功能是事故現(xiàn)場繪圖系統(tǒng)的核心部分，無論是否具有可引用的資料作為參照，都可以通過此模塊完成整個事故現(xiàn)場的圖紙繪制工作。本系統(tǒng)按照規(guī)范提供各類常見圖形符號庫以及極高自由度繪圖功能，基于CAD繪圖平臺支持，任意事故現(xiàn)場均可通過二維圖形進行表達。輔助功能主要用于當圖形表達無法完全展現(xiàn)出事故現(xiàn)場的具體情況時，可借助現(xiàn)場照片、模擬視頻插入、文字插入來深化描述事故情況，同時具有事故報告鏈接查看功能。

事故現(xiàn)場三維模擬仿真子系統(tǒng)

事故現(xiàn)場三維模擬仿真子系統(tǒng)包含創(chuàng)建場景、事故模擬和輔助功能3部分。

創(chuàng)建場景是完成整個事故模擬第一部分，也是最能夠清晰、直觀觀察到事故現(xiàn)場主要信息的必要步驟。事故車輛、行人、周圍建筑物、灑落物等元素都要提前布置到事故場景相應(yīng)位置，從而創(chuàng)建一個靜態(tài)場景。通過模型插入，展現(xiàn)現(xiàn)場鐵路線路、隧道、橋梁、公路、建筑、車輛等物體三維模型，文本插入描述出當前場景基本信息，環(huán)境設(shè)定展示出事故現(xiàn)場的天氣情況。

事故模擬功能是該子系統(tǒng)核心部分，由于每一起事故都是在多種情況和原因下造成的，所以事故模擬是十分復(fù)雜的過程，子系統(tǒng)通過對發(fā)生事故的火車、汽車、行人等實體選擇，按事故類型自動計算運動軌跡，自動計算觸發(fā)條件，擬合實體起始點和事故發(fā)生點的運行路線、運行速度，檢測事故發(fā)生位置，最終實現(xiàn)事故關(guān)鍵過程的模擬。

圖3 脫軌模擬

事故發(fā)生的瞬間通過“相撞”“沖突”“火爆”模擬功能實現(xiàn)之外，車輛、行人或周圍物體的運動狀態(tài)需要通過輔助功能繼續(xù)完善，比如火車撞擊汽車事故發(fā)生前，二者是如何進入事故發(fā)生區(qū)域的，事故發(fā)生后，火車是如何發(fā)生脫軌、汽車如何發(fā)生側(cè)翻等，實體運動路徑的設(shè)定、姿態(tài)的設(shè)定、速度的設(shè)定可以有效補充整個事故的發(fā)展過程。

模型插入可將動態(tài)實體、鐵路實體、靜態(tài)實體以任意位置、角度插入到場景中，包括各類型火車、汽車、人物、場站建筑等。插入的模型可進行移動、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，以保證創(chuàng)建模型最大限度地反映出事故現(xiàn)場真實場景。

通過設(shè)置撞擊發(fā)生地點、撞擊對象的運動速度以及撞擊部位，可以實現(xiàn)火車與汽車、火車與自行車等各類實體的相撞過程模擬。選擇不同的撞擊部位，可以精準地控制火車撞擊汽車的頭部、中部或者尾部，同樣也可以控制汽車撞擊火車的第幾節(jié)車廂。相撞模擬如圖2。

脫軌模擬用于模擬發(fā)生撞擊、沖突等事故后，通過對列車車體解組、車廂姿態(tài)設(shè)定，實現(xiàn)任意情況的列車脫軌模擬，包括車頭脫軌、車廂脫軌。脫軌模擬如圖3。

系統(tǒng)特點

豐富 標準的鐵路交通事故要件圖形庫

系統(tǒng)內(nèi)置大量標準的鐵路交通事故要件圖形，包括線路、橋梁、隧道、道口、道岔、信號機、接觸網(wǎng)、機車、車輛等設(shè)施設(shè)備及防護標志；同時，建有龐大、專業(yè)的三維模型資源庫和逼真模型動作資源庫，較全面地覆蓋鐵路交通場景和事故模型。

簡單便捷完成標準 專業(yè)的鐵路事故現(xiàn)場圖形繪制

基于強大的快速建模功能，根據(jù)不同鐵路環(huán)境需求，通過海量二維圖形庫和簡單的拖拽操作方式，可簡捷、快速繪制與真實場景極為接近的鐵路事故現(xiàn)場狀況，并實現(xiàn)事故現(xiàn)場的還原和分析。

快速制作生成形象逼真的鐵路事故三維模擬仿真動畫

根據(jù)勘查人員對鐵路事故過程的推理和分析，利用系統(tǒng)豐富的三維模型和模型動作資源庫，可快速對車輛、人物等模型進行三維仿真動畫的編輯和創(chuàng)建。操作和使用方式簡單快捷，可在短時間內(nèi)創(chuàng)建多種方案的鐵路事故模擬仿真動畫，逼真形象地展示鐵路事故發(fā)生和演變過程，并支持動態(tài)模擬過程輸出視頻文件播放。

系統(tǒng)操作使用簡單 易學(xué)易用

系統(tǒng)有PC端和平板端版本，軟件界面友好，格式統(tǒng)一，操作簡單，無需大量培訓(xùn)即可熟練使用。能夠支持Windows 7及以上的操作系統(tǒng)。應(yīng)用高性能三維數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)方法，實現(xiàn)較低硬件配置高效率運行，能夠在日常辦公電腦（內(nèi)存4 G、CUP主頻2.0、硬盤120 G）流暢運行。

應(yīng)用與展望

鐵路事故現(xiàn)場繪圖及事故三維模擬仿真系統(tǒng)已在上海、成都等鐵路監(jiān)督管理局進行應(yīng)用和推廣，使用該系統(tǒng)開發(fā)了多個事故的現(xiàn)場圖形繪制和事故現(xiàn)場動畫模擬。

隨著鐵路安全監(jiān)督管理業(yè)務(wù)深化和對事故調(diào)查工作要求的不斷提升，通過使用鐵路事故現(xiàn)場繪圖及事故三維模擬仿真系統(tǒng)，可有效提升鐵路事故調(diào)查處理等工作的規(guī)范化、標準化和專業(yè)化水平，增強事故調(diào)查工作效能，有力支持鐵路事故應(yīng)急管理和應(yīng)急決策，系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。