高速铁路工务工程基元模型库系统研究与应用

聂良涛,易思蓉,林　俊

(1.西南交通大学土木工程学院,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,成都　610031；

3.中机中联工程有限公司,重庆　400039)



高速铁路工务工程基元模型库系统研究与应用

聂良涛1,2,易思蓉1,2,林俊3

(1.西南交通大学土木工程学院,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,成都610031；

3.中机中联工程有限公司,重庆400039)

摘要：针对高速铁路数字化工务工程虚拟环境建设过程中,基元模型管理分散,层次结构不清晰,文件系统存储查询低效、安全性低,模型显示缺乏沉浸感等特点,同时考虑基于BIM的三维实体选线设计需求,提出构建高速铁路工务工程基元模型库,对基元模型进行集中组织与管理的方法。研究基元模型分类编码方法,并以此为基础设计基元模型库的层次结构。给出基元模型立体显示方案和数据库存储方案。基于Visual C++、Oracle数据库及OSG图形库开发基元模型库管理系统。在西部某高速铁路的三维实体选线设计及视景仿真中对基元模型库系统进行应用,结果表明利用该系统能有效简化工务工程虚拟环境的构建流程,显著提高线路构造物实体模型实时动态建模的速度,模型交互沉浸感强,有助于提高三维实体选线设计的效率。

关键词：高速铁路；选线；虚拟环境；基元模型库

信息技术是现代化铁路的“龙头”技术，以信息技术为基础的“数字铁路”是21世纪铁路现代化建设可持续发展的战略目标[1]。高速铁路工务工程作为数字铁路建设的重要组成部分，如何利用信息技术实现其数字化，关键技术之一是对构成高速铁路工务工程结构物及设备的基本结构单元进行属性数据映射和数字化建模，形成完整的静态数据集，并进行有效地组织和管理。本文将构成高速铁路工务工程结构物及设备的基本结构单元定义为基元模型，将对基元模型进行信息化管理和应用的计算机系统定义为基元模型库。通过对高速铁路轨道、路基、桥涵、隧道、站场等主要工务工程构造物及设施进行基元模型建模，建立基元模型库，为工务工程设备及设施可视化查询、铁路虚拟环境快速建模，以及基于虚拟环境的三维实体选线设计提供统一的模型数据服务具有重要的工程应用价值。

目前行业内针对铁路虚拟场景三维建模的研究较多[2-7]，无论是基于虚拟环境的铁路视景仿真或成果展示，还是基于虚拟环境的铁路三维实体选线设计，都需要利用到大量可重用的铁路基元模型，此时对基元模型的分类、存储及有效管理，资源维护就显得尤为重要。文献[4]对铁路三维模型的建立进行了研究，但未涉及基元模型的管理与维护。文献[5]在构建铁路三维场景过程中提到建立了铁路基础部件模型库，模型采用文件目录管理，存储的模型为沿线路方向5 m分段的组合结构单元，该方式不利于模型数据检索和基元模型组合重用。文献[6]采用基元模型组合的方法构建了高速铁路三维场景，基元模型同样采用文件夹管理。本文围绕高速铁路工务工程虚拟环境的建设和基于虚拟环境的三维实体选线设计应用需求，针对基元模型管理分散，层次结构不清晰，文件系统查询低效、安全性低，实体模型显示缺乏沉浸感等特点，研究基元模型库的建库技术，以VS.NET为开发平台，使用关系型数据库Oracle作为数据库支撑系统，采用Oracle Call Interface(简称OCI)数据库访问接口和OpenSceneGraph(简称OSG)图形渲染引擎，开发了高速铁路工务工程基元模型库管理系统，并将其作为铁路数字化选线设计系统(软件著作权登记号：2013SR117255)的子系统，在西部某高速铁路的三维实体选线设计和视景仿真中进行了访问调用。

1基元模型库建库关键技术

1.1基元模型数字化建模技术

基元模型作为工务工程构造物与设备的基本结构单元，其数据构成主要包含以下4个部分。

(1)矢量文件

矢量文件是工务工程构造物及设备标准设计的原始资料，是实现构造物及设备空间数据标准化和规范存储的前提，也是今后对三维模型进行维护修改的基础。它具有占用内在空间小，放大图像不会失真，表达构造物的空间关系容易等特点。

(2)模型文件

模型文件即存储工务工程构造物及设备模型几何实体数据的文件，它是模型库仿真的核心部分。

(3)纹理文件

纹理文件是在高速铁路工程项目实景中利用高倍照相机或摄像机采集的工务工程构造物及设备外观特性的照片、图片，是用以进行模型纹理贴图和渲染的文件。

(4)属性文件

属性文件是表示工务工程构造物及设备相关性能、功用的文字资料，是描述基元模型属性的文件。

由此可知，基元模型是为基元模型库设计划分的最基本结构单元，它实质上是一个包含工务工程构造物及设备矢量数据、模型数据、纹理数据和属性数据的静态数据集。基元模型的数字化建模需分别针对不同对象数据进行，其核心是解决模型对象的几何建模问题，也即如何在计算机中描述对象的形状(多边形、三角形、顶点和样条)和外观(表面纹理、表面光强度和颜色)，并从铁路工程应用角度考虑，要求所建的三维模型必须具有逼真性、准确性和实时性。

目前模型的几何建模方法通常有采用三维参数化建模，利用图形API或软件平台渲染和直接采用第三方软件AutoCAD、3DSMAX、MAYA等进行建模两种[8-10]。由于工务工程专业领域性强，且工务构造物设备及设施多由标准构件组成，有大量的标准设计图，本文选择采用计算机CAD技术和3DS MAX技术进行模型添加，利用AutoCAD软件根据构件标准结构图或尺寸创建基元模型的矢量图形文件，利用3DS MAX软件对基元模型实体对象进行纹理映射、烘焙、光照及颜色处理，最后渲染输出保存。其实该方法看似复杂，确重在积累，目前铁路三维建模方面也积累了大量的模型成果，在后续系统使用过程中，只涉及到少量新型结构的基元模型添加。例如对高速铁路使用的钢系杆拱桥进行建模添加，其矢量模型和实体渲染模型的显示如图1所示。

图1　钢系杆拱桥建模

1.2基元模型库层次结构设计方法

(1)基元模型分类编码方法

高速铁路工务工程构造物及设备种类繁多，几何形体各异，材质和性能复杂，基元模型数据的管理存在一定的困难。一个较为理想的解决办法就是按照轨道、路基、桥涵、隧道、站场、沿线其它设施及设备等工务工程的组成结构进行分类，再对各组成部分的基本结构单元也即基元模型进行详细编码，形成对高速铁路工务工程组成单元的唯一标识。基元模型ID编码方法设计如下。

基元模型的数字化建模流程如图2所示。

图2　基元模型数字化建模流程

基元模型ID：XXXX=X(子库目录代码A～Z)+X(模型类别代码1～9)+XX(基元代码01～99)。

基于模型重用和分割—组合的思想，根据工务工程构造物及设备的不同类型、功能和属性，以及最终模型访问的便利，将基元模型库分为轨道工程，路基工程、桥涵工程，隧道工程，站场工程、沿线其他设施及设备共6个子库，每个子库又包含不同的结构类型，该分类编码方式基本上覆盖了全部的高速铁路工务工程构造物、设备及相关设施，并可以进行动态扩展，具体分类见表1。

表1　高速铁路工务工程基元模型库分类

(2)层次结构设计

基元模型库的层次结构探讨的是模型资源及其配套的资源以何种方式组织的问题。它既要与三维模型的资源组成吻合，又要与基元模型分类编码方法相一致，还要便于基元模型的检索与使用。本文研究采用树型结构分类存储基元模型，这样既可以符合OSG场景图的组织结构，又结合了分类编码设计的思想。树型结构根节点是模型库目录，枝干节点是子库目录，叶子节点是模型类型，每种类型都包含一个独立的列表存储目录，存放着所有属于该类型的基元模型，最后所有的类型包含于模型库根目录下，组成了完整的基元模型库层次结构树，如图3所示。

图3　基元模型库层次结构树

1.3三维图形库技术

三维图形库技术的代表有Direct3D和OpenGL。Direct3D和OpenGL都是属于为了实现三维场景图形结构管理和绘制而提供的一系列底层3D图形API集合，它们都提供了建立基础模型和渲染环境的工具集，OpenGL能运行于多平台下，Direct3D只能运行于Windows平台下。无论OpenGL还是Direct3D都是只提供了底层图形操作的接口，仿真模拟时需要开发者进行大量的底层实现，于是基于OpenGL或Direct3D的高阶图形库得到了大力的发展。OSG正是这样一种高阶图形引擎，它基于OpenGL标准开发，对底层做了大量封装，使得专业领域的研究人员可以更多地关注本专业的功能实现。基元模型库系统正是使用了该图形库技术，用于构建支持立体显示的逼真图形渲染环境。

1.4三维立体显示技术

在虚拟现实计算机系统中，立体显示技术是非常关键的技术之一，没有深度的立体视觉效果就没有虚拟现实的沉浸感。立体显示的基本原理就是仿真人类观看事物的生理过程，人类在观察真实世界时，实际看到的是两幅不同的图像，分别进入左右眼后，就会产生出有空间感的立体视觉效果在大脑中，这也即双目视差产生的原理。OSG图形库支持立体显示技术的开发，它提供了两个附加的颜色缓冲区来生成左右屏幕图像，通过正确选择每只眼睛的观察位置就可以生成真实的立体图像。从立体图像的显示来看，主要有3种方法：头盔显示器立体显示、眼镜式立体显示和裸眼式立体显示。头盔显示器立体显示是让一只眼睛看一个显示器，每个显示器只显示对应眼睛的图像，这样头脑中就产生了立体图像。这种方法的实现是把显示器缩小，放入到头盔中。眼镜式立体显示是在显示器上快速地显示两眼不同的图像，而观察者戴上立体眼镜进行观察。眼镜中的液晶片与显示的图像同步地进行开关切换，使得在每一时刻只有一只眼睛能够看到对应的图像，只要速度足够快，由眼睛的暂留现象和大脑的作用，感觉到的就是立体的图像[11-12]，这也是大多数立体投影系统采用的方式。而裸眼式立体显示则是使用专门的显示器将左右视图独立传输送入左右眼，常用技术有视差照明技术、狭缝光栅技术、柱面透镜光栅技术和时序显示技术等。从目前技术成熟程度、设备成本和立体显示效果看，基元模型库系统采用眼镜式立体显示方式最为合理。

眼镜式立体显示的硬件配置根据微机平台和大屏幕投影平台的不同可采用以下2种。

(1)基于微机平台的立体显示配置

图形工作站或商用机，支持四缓冲立体的NVIDIA Quadro显卡，刷新频率120 Hz及以上的显示器，英伟达3D Vision Pro发射器和眼镜。

(2)基于大屏幕投影的立体显示配置

图形工作站或商用机，支持四缓冲立体的NVIDIA Quadro显卡，主动式单机(或被动式双机)立体投影机；背投硬幕；主动式液晶快门眼镜(或被动式偏振光眼镜)。

1.5数据库技术

数据库是以一定组织方式动态存储的相互关联的数据的集合，它独立于具体应用程序而存在，可为多个用户所共享。数据库系统是基元模型库的关键组成部分，控制着基元模型信息的存储与管理，数据的流入与流出。基元模型库的数据库系统要求具有存储容量大、数据共享、支持分布处理，支持C/S、B/S、Web技术应用、具有良好的安全性等技术特点。大型数据库Oracle正是具有以上优点而被广泛应用。

出于模型存储和发布的方便，基元模型在入库时会进行统一的标准化处理，最后以二进制数据格式存储进Oracle数据库中。字段类型选择BLOB，一种大型二进制对象，可以存储海量的二进制数据，如图像、视频、音频等，基元模型库系统使用BLOB字段，通过OCI接口函数实现基元模型文件的数据库存储。其中模型文件的存储表结构设计如表2所示，对应的字段名分别代表模型编号、模型所属子库、模型类型、模型名称、模型文件、模型属性备注。

表2　基元模型库模型存储表结构

2基元模型库管理系统设计

2.1系统总体结构设计

基元模型库管理系统本质上是对高速铁路工务工程构造物及设备模型空间信息进行的采集、处理、建模、分析、输出的过程。因此，系统在总体上可划分为3D模型入库管理、场景编辑、信息查询、基元模型资源维护等模块，系统的总体结构设计如图4所示。

图4　基元模型库管理系统总体结构

2.2系统主要功能设计

(1)用户权限管理

针对不同的用户，如系统管理员、工务技术人员或普通用户需要设置不同的操作权限。普通用户只能进行模型浏览，查询操作。最高级别的为管理员账户，可以对普通用户进行管理和执行模型添加、删除、修改、输出等操作。

(2)三维模型读写及入库管理

(3)模型信息查询

模型信息查询是基元模型库最基本的操作之一，可以通过导航栏选择进行查询，或者点选场景中的模型进行属性查询。基元模型库导航栏设置了一个树视图和一个列表视图，通过点击树形结构的每个分类节点，都可以展开下一级节点。当用户点击树视图中的根目录(库节点)、一级子目录(模型子库节点)和二级子目录(模型子类节点)时，列表视图都会动态更新，显示出符合该分类节点的所有模型单元，找到所需模型单击，以实现模型的三维预览和属性查询。这种设计清晰地显示了当前模型库的层次结构及各层级下存储的模型单元。当直接在场景中的选取模型，尤其是组合模型时，可以针对模型的组成部件进行浏览，可选择线框模型或渲染模型显示，或关闭任意组成部件进行显示。如图5所示查询模型CRTSⅡ型双块式无砟轨道后的显示结果。

图5　CRTSⅡ型双块式无砟轨道模型查询

(4)模型场景编辑

模型场景编辑主要用于控制预览区中模型的立体显示和交互操作。基元模型库管理系统提供了场景三维对象的选取与操控的方法，通过相机矩阵操作可以实现不同视角下的交互查看，射线求交可以实现对不同模型部件的选择。模型在场景中的立体显示可以通过对视差、景深、显示模式选择等参数进行控制。模型场景的编辑功能还能对构造物实体进行组合、拆分、平移、旋转、缩放、更换纹理、输出模型对象等操作。

其中模型组合过程针对直线段和曲线段略有不同，直线段模型组合根据实际模型长度直接进行线性组合即可，并且不会出现拼接裂缝。而曲线段模型组合需要采用分段拟合的方法，具体分段长度可以根据仿真精度和曲率进行确定，分段长度越小，拼接裂缝误差越小。如图6(a)、(b)中为直线段路基和隧道的组合模型示意，图6(c)为分段长度取5 m的曲线桥梁组合模型示意。

图6　工务工程构造物组合模型显示

(5)基元模型资源维护

在建筑施工项目安全管理过程中，采用标准化的安全防护措施，可以有效减少安全事故的发生频次。主要包括建筑物临边防护管理、洞口防护管理以及安全通道防护管理等。

由于仿真环境的变化，可能要对基元模型资源作适当修改更新，比如，更新纹理文件，修改属性信息等。高级用户可以使用“索引”标签功能，进入资源索引窗口，读取并显示当前基元模型资源文件的缩略图，单击缩略图，可启动相应的程序(比如3DMAX、PhotoShop或AutoCAD等)打开模型元件、纹理或矢量图形，进行编辑，由此对基元模型进行更新和维护。

3系统应用

建立基元模型库的最终目的是为了将其应用于实际铁路工程设计或视景仿真中。本文研究结合相关科研项目与铁路设计企业联合，将基元模型库系统作为铁路数字化选线设计系统的子系统，在西部某高速铁路的三维实体选线设计及视景仿真中进行了应用。

在铁路数字化选线设计系统中调用基元模型库构建线路构造物三维模型，要求线路构造物能快速建模，动态修改，这实际上是一个调度基元模型库，进行基元模型组合建模的过程。以CRTSII型双块式无砟轨道访问调用为例，实现核心代码如下：

//根据基元模型编码ID读取库中模型节点

readModelfromBuf( m_node_id );

//读取模型后，记录模型x、y、z尺寸

double m_xMax;double m_yMax;double m_zMax;

//定义轨道板x、y、z方向比例，默认为1；

double m_xscale=1; double m_yscale=1; double m_zscale=1;

//在循环中定义模型变换矩阵

osg::PositionAttitudeTransform*m_trackpat=new osg::PositionAttitudeTransform();

//设置轨道板局部坐标原点位置偏移

double m_pian_x=0;

double m_pian_y=0;

double m_pian_z=m_zMax/2;

m_trackpat->setPivotPoint(m_pian_x，m_pian_y，m_pian_z);

//根据线路中心线计算放置轨道板的三维坐标

……

m_Center //当前轨道板对应线路位置三维坐标

m_trackpat->setPosition(m_Center); //设置位置

//根据线路中心线计算当前轨道板的旋转角度

m_hudu_x//沿x轴的旋转角度，单位弧度

m_hudu_y//沿y轴的旋转角度，单位弧度

m_hudu_z //沿z轴的旋转角度，单位弧度

……

m_trackpat->setAttitude();//设置旋转角度

//根据x、y、z比例设置模型大小

m_trackpat->setScale(m_xscale，m_yscale，m_zscale);

//添加变换好的模型矩阵m_trackpat到LOD中

osg::ref_ptr m_lod=new osg::LOD();

m_lod->addChild(m_trackpat，mindistance，maxdistance);

//将lod节点添加到场景中

myScene->addChild(m_lod);

基元模型的调用大同小异，要做到场景实时显示更多的工作是在场景优化上。基元模型在铁路数字化选线系统中的应用效果如图7所示，图7(a)为三维实体选线设计过程中某一桥梁段基元模型的局部修改界面截图，图7(b)为基元模型在线路视景仿真中的漫游效果图。

图7　基元模型库模型应用效果图

4结语

中国铁路正面临着蓬勃的发展机遇，尤其是高速铁路和客运专线的大力建设，为了适应铁路大规模建设的新形势，铁路行业正在积极推进铁路数字化进程。在高速铁路数字化工务工程虚拟环境建设过程中，需要使用大量的基元模型资源，针对这些资源的组织与管理提出了有效的解决办法，建立了基元模型库系统，设计的基元模型库层次结构有利于基元模型的积累和扩展。基元模型库系统除了可应用于铁路数字化选线平台外，还可作为其他铁路信息可视化支撑平台的组成部分，它的建立与完善可以有效加快铁路信息可视化建模的速度，大大简化铁路虚拟环境的构建流程。本文研究的基元模型库具有良好的工程应用前景。

参考文献：

[1]阮秋奇.“数字铁路”—21世纪我国铁路现代化建设的战略目标[J].铁道学报，2000，22(3)：96-101.

[2]蒲浩，宋占峰，詹振炎.铁路线路设计中三维实时交互式仿真研究[J].中国铁道科学，2003，24(5):56-60.

[3]吕希奎，易思蓉.基于分形技术的铁路选线虚拟环境三维动态建模方法[J].中国铁道科学，2005，26(2):44-48.

[4]张昊，蒲浩，胡光常，等.基于OSG的铁路三维实时交互式可视化技术研究[J].铁道勘察，2010(1):3-7.

[5]朱颖，闵世平，代强玲.面向铁路行业三维场景快速构建一体化技术研究[J].铁道工程学报，2011(12):4-10.

[6]Wang Jinhong， Zhu Jun， Liu Zhujun， et a1. A Virtual High-speed Railway Scene Modeling Method Based on Basic-element Model Combination[C]//2013 Seventh International Conference on Image and Graphics， 2013:711-715.

[7]朱颖，蒲浩，刘江涛，等.基于数字地球的铁路三维空间选线技术研究[J].铁道工程学报，2009(7):33-37.

[8]朱德荣.箱梁三维实体自动建模方法研究[J].铁道标准设计，2014，58(3):54-58.

[9]王华，韩祖杰，王志敏.高速铁路桥梁三维参数化建模方法研究[J].计算机应用与软件，2013，9(30):71-73，76.

[10]蒋红斐.集成3DSMAX和AutoCAD进行路线三维建模[J].计算机应用，2003，23(3):132-132.

[11]陈怀友，张天驰，张菁.虚拟现实技术[M].北京:清华大学出版社，2012:187-188.

[12]易思蓉.铁路数字化选线设计系统的理论与方法[M].成都:西南交通大学出版社，2011:122-124.

Development and Application of Primitive Model Bank System of Permanent Way Engineering for High-speed RailwaysNIE Liang-tao1,2， YI Si-rong1,2， LIN Jun3

(1School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3.CMCU Engineering Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

Abstract：In view of the primitive model with decentralized management, unclear hierarchical structure, inefficient querying file system, low security and insufficient model displaying when the virtual environment of the digitizing permanent way engineering of high-speed railway is being established, and of the requirements for 3D railway location design, this paper establishes a primitive model bank for the permanent way engineering of high speed railway and proposes the method to organize and manage the model. In additions, this paper puts forward a coding method to classify primitive models and also design the hierarchical structure of the primitive model bank in accordance with the coding method. The three-dimensional displaying scheme and the database storage scheme for the primitive model are provided. Furthermore, the management system for the primitive model is developed based on Visual C++, Oracle database and OSG graphics library. The system of the primitive model bank is applied in 3D railway route selection and visual simulation for a high speed railway in West China. The result indicates that the system can simplify the process to set up virtual environment of the permanent way engineering, significantly improve the real-time dynamic modeling speed for solid models of railway line structures, reinforce model interaction and improve the efficiency of 3D railway route selection.

Key words：High-speed railway; Route selection; Virtual environment; Primitive model bank

中图分类号：U212.32； TP391.9

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.002

文章编号：1004-2954(2015)05-0005-06

作者简介：聂良涛(1985—)，男，博士研究生，E-mail：ltnie@163.com。

基金项目：国家自然科学基金(51278316)；西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室开放研究基金(2010-HRE-02)；铁道部科技开发计划项目(重大-33-2011)

收稿日期：2014-07-30； 修回日期：2014-08-22