城市軌道車輛仿真系統(tǒng)研究

高坤 楊吉波 蔡敦潔

摘要：近年來，我國城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅猛，國內(nèi)一些大中型城市將軌道交通作為緩解交通擁堵及引領(lǐng)城市發(fā)展的首選方案。本論文主要闡述列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)的研究，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)的功能。以期能夠?qū)ο嚓P(guān)從業(yè)者提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：仿真系統(tǒng);結(jié)構(gòu);特點(diǎn);功能

1.引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市軌道交通在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。許多城市都大力興建地鐵，開發(fā)城市軌道交通，以緩解城市交通的壓力。地鐵信號系統(tǒng)是指揮地鐵列車安全運(yùn)行的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在保證乘客安全的同時(shí)也為乘客提供更好舒適度的乘車環(huán)境，地鐵信號系統(tǒng)在列車運(yùn)行中扮演著非常重要的角色，在正式投入運(yùn)用前要經(jīng)過大量的反復(fù)的測試，如果每次都要去現(xiàn)場才能進(jìn)行測試，這將會(huì)消耗大量的社會(huì)資源。同時(shí)隨著地鐵的大力發(fā)展，這也會(huì)大大增加對地鐵駕駛?cè)藛T的需求，使得地鐵運(yùn)營公司要進(jìn)行大量的司機(jī)培訓(xùn)的工作，如果駕駛?cè)藛T也要去現(xiàn)場進(jìn)行培訓(xùn)，那也必將花費(fèi)大量的社會(huì)資源，所以地鐵運(yùn)行仿真就變得日趨重要。

2.仿真概念

三維視景仿真技術(shù)包含計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)圖形圖像、信息合成以及三維顯示等技術(shù)，它通過三維建模以及模型驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)場景的模擬;該技術(shù)可通過視景的圖形圖像表示以及結(jié)構(gòu)信息和體視特征來再現(xiàn)逼真的三維仿真場景，并且可實(shí)現(xiàn)與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)的一種交互式的三維場景，可為用戶創(chuàng)建一個(gè)模擬真實(shí)環(huán)境變化并且與它實(shí)時(shí)交互作用的多維的圖形圖像世界。近年來，隨著地鐵技術(shù)的快速發(fā)展，在模擬地鐵運(yùn)行等方面，采用了視景仿真技術(shù)，并且都取得了不錯(cuò)的效果。

3.仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

可視化仿真系統(tǒng)主要由圖像生成器、可視化數(shù)據(jù)庫以及仿真應(yīng)用程序等模塊組成。

圖像生成器主要是指實(shí)現(xiàn)可視化仿真所需要的計(jì)算機(jī)硬件配置設(shè)備，這里主要指電腦的顯示器系統(tǒng)。圖像生成器的性能是由每幀所能繪制的多邊形數(shù)量來決定的，它的好壞是由計(jì)算機(jī)顯卡對圖形的植染速度、中央處理器的運(yùn)行速度以及其它電腦硬件的配置來決定的。

可視化仿真的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)就是可視化數(shù)據(jù)庫，可視化數(shù)據(jù)庫是指用來構(gòu)建仿真對象的三維模型的數(shù)據(jù)庫，它是由支撐整個(gè)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)三維模型組成，所以對于整個(gè)仿真系統(tǒng)來說，可視化數(shù)據(jù)庫決定著整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行條件，通過逼真的三維建模以及更加優(yōu)化的三維模型，就能獲得更加真實(shí)以及效率更高的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

可視化仿真一個(gè)重要的特征就是可視化仿真具有高度的交互性，操作人員可以自主的參與到仿真的過程中去，讓操作人員就像在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行模擬操作一樣，為了實(shí)現(xiàn)可視化仿真的實(shí)時(shí)交互性，需要由仿真應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)，它不但可以驅(qū)動(dòng)可視化場景的三維模型，而且也可以實(shí)現(xiàn)一些特別的效果，同時(shí)也可以對用戶的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)的響應(yīng)。

由此可見，可視化仿真需要在圖像生成器這個(gè)硬件平臺，用仿真的可視化數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)，通過仿真應(yīng)用程序來驅(qū)動(dòng)可視化的三維場景模型，從而達(dá)到仿真的目的。

4.仿真系統(tǒng)模型的特點(diǎn)

影響可視化仿真性能的因素有很多，就像三維模型的優(yōu)化程度、硬件平臺的配置差別等，它們或多或少都會(huì)在仿真的過程中影響著模型渲染的效果。通過理解可視化仿真模型的植染過程，可以有針對性的改進(jìn)模型的優(yōu)化過程以及提高硬件設(shè)施配置，從而提高仿真系統(tǒng)的運(yùn)行速率?？梢暬抡婺Ｐ偷匿秩疽话阋?jīng)過應(yīng)用、剔除以及繪制等過程。

4.1應(yīng)用階段

在可視化過程中首先要進(jìn)行一些操作處理，例如要實(shí)時(shí)更新可視化三維場景模型數(shù)據(jù)庫的一些數(shù)據(jù)，獲取操作臺按鈕以及鍵盤等輸入裝置的操作信息，并且查找當(dāng)前視點(diǎn)和三維視景內(nèi)的三維模型的矢量位置，將這些獲得的三維場景模型數(shù)據(jù)庫、輸入裝置的操作信息以及當(dāng)前視點(diǎn)和可視化場景內(nèi)的三維模型的矢量位置存儲起來，成為了場景圖，接下來實(shí)現(xiàn)植染過程的別除與繪制。

4.2剔除階段

在可視化仿真過程中會(huì)經(jīng)常涉及到邊界體與觀測體兩個(gè)概念，邊界體就是用來指定三維模型邊界范圍的封閉幾何體，而觀測體就是可視化仿真中觀察者視線范圍內(nèi)的虛擬幾何體。在剔除階段，通過場景圖中的信息的來斷定可視化仿真三維場景模型的邊界體與觀測體的相交關(guān)系，從而就可以判斷場景圖中在當(dāng)前視點(diǎn)下所能看見的模型節(jié)點(diǎn)，以此為依據(jù)來剔除當(dāng)前視點(diǎn)范圍內(nèi)看不見的模型節(jié)點(diǎn)，將需要這染的三維模型和這染指令存儲為顯示列表，用于接下來對三維模型進(jìn)行繪制。

4.3繪制階段

經(jīng)過可視化仿真的應(yīng)用和剔除，通過顯示列表中存儲的渲染信息和指令，把三維場景的模型數(shù)據(jù)庫中的模型多邊形以及紋理映射等相關(guān)數(shù)據(jù)渲染為巾貞緩存，從而進(jìn)一步將三維場景的場景圖數(shù)據(jù)信息以圖形圖像的形式繪制到顯示終端設(shè)備上的窗口和通道等位置上，然后濱染下一巾貞的模型多邊形以及紋理信息，以此進(jìn)行循環(huán)達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示的效果。

5.仿真系統(tǒng)功能

列車仿真系統(tǒng)首先能實(shí)現(xiàn)的功能便是人工駕駛操作的實(shí)現(xiàn)。主要包括：信號機(jī)點(diǎn)燈操作旳實(shí)現(xiàn)、列車牽引或制動(dòng)操作的實(shí)現(xiàn)、列車緊急制動(dòng)操作的實(shí)現(xiàn)、仿真系統(tǒng)視點(diǎn)的切換、列車開關(guān)門的操作。

6.結(jié)束語

現(xiàn)代社會(huì)城市化進(jìn)程的加劇，往往伴隨著人口的快速增長，這就給現(xiàn)代化的城市交通帶來了嚴(yán)重的壓力;道路、航空、城市軌道交通和船舶等現(xiàn)代化的城市交通承載著越來越重要的運(yùn)輸責(zé)任，與其他運(yùn)輸方式不同的是，城市軌道交通的運(yùn)輸量更大，同時(shí)它還具備安全、快速以及準(zhǔn)時(shí)的特點(diǎn)。車輛仿真系統(tǒng)的應(yīng)用能夠減少對現(xiàn)場資源的使用，同時(shí)也消除了現(xiàn)場的安全隱患，這對于城市軌道交通的發(fā)展有著重大的戰(zhàn)略意義。

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