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将虚拟仿真技术和高速列车运动结合起来进行研究，在计算机上重建线路设计方案，再现一个真实的铁路运行环境，对评价和优化线路设计结果、高速列车运行的安全性和可靠性、旅客舒适度以及列车运行控制策略等具有重要意义。

综合目前国内外研究现状，主要集中于采用视景仿真软件和三维建模软件，模拟较短的线路进行列车的运动仿真，与实际的线路有着较大的区别，所建的列车模型也主要是单节车辆模型，仿真控制比较简单。缺少基于线路设计与高速列车运动可视化仿真建模的研究。

基于三维线路设计应用的高速列车运动仿真可视化建模的难点在于：

1. 整车模型数据量大，不再是单节列车模型，运动过程中要求实时加载和装配模型，对运动仿真计算算法有较高的要求，在保证加载和装配实时性前提下，必须还具备较高的运动仿真速度；

2. 列车各组成单元模型之间的约束关系以及与线路约关系复杂，既有整列车的运动与三维线路之间的约束关系，又有各列车各单元之间的约束关系，实时运动过程中坐标计算、控制更复杂。

从系统工程的角度，采用面向对象的设计方法，通过引入可视化、三维建模技术和三维动画技术，在所建立的动车单元模型的基础上，建立动车单元模型和三维模型之间建立模型解释和映射机制，将动车几何模型之间的几何约束关系、单元模型和三维线路场景之间的相互对应关系，一并装配在集成模型树中，建立虚拟环境列车三维运动仿真系统，实现三维可视化线路设计与动车运动仿真有机结合。

一、基于面向对象方法的系统分析

面向对象方法

面向对象方法认为，对象是一个有局部状态和操作集合的实体，一个模型及场景的构成如下：

模型场景(Model Scene)::

={S_Object1, S_Object2,…, S_Objectn,NS_Objrct1, NS_Objrct2,…, NS_Objrctm}

动车组模型场景构成为：

动车组模型场景（Model Scene）

={头车1，中间车辆1，中间车辆2，头车2，ID号，名称，纹理，材质，颜色，模型树，光照…}

模型的简化及参数确定

由于机车车辆—轨道耦合模型是一个多变量、多自由度的系统，尤其三维线路场景的动仿真中，系统的复杂性大大加强，所以需要将模型进行简化。

系统模型的面向对象结构   其中动车刚体以轮对和路基对象中的钢轨之间以三个空间方向规定了各对象之间的空间约束关系。本图以动车中间车辆为例，图示其在三维场景中与线路的耦合模型对象组成。

系统模型的对象继承关系图   其中CRHObject代表动车车辆刚体对象，B1，B2等代表派生的动车车辆子对象；RoadObject代表线路整体对象，R1、R2等代表派生线路子对象。两者共同构成动车车辆运动仿真整体对象。

二、机车车辆几何模型的建立及模拟

车辆仿真系统的组成

机车车辆仿真系统的单元组成及动车整体运动系统模型图  为了能够更有效、更逼真的进行列车运动仿真，根据动车特点和单元模型化的概念，建立的动车组仿真模型由两辆头车和两辆中间车辆组成。按照组成方式，组成动车整体运动模型示意图。

机车车辆运动系统的建立

系统的坐标系组成  整个仿真场景有1个全局坐标系，定义在车体质心垂直于轨面的交点处，每1个组件有1个局部坐标系，位置随车在线路上变化而变化。本图以中间车辆为例，图示其在1个相对静态的时刻系统运动坐标系的构成。每个局部坐标系相对位置的变化，严格参照主坐标系的变化而变化。

列车单元模型建模方法

采用3D Max建立动车组三维单元模型，模型最终效果图。

轨道几何模型的模拟

要实现列车运动的视景仿真，建立逼真的列车运行环境是必不可少的，它不仅包括了铁路信号、铁轨、轨枕、接触网等基础设施，及机车、车辆等信息，还包括了周边的地理环境信息共同构成了列车运动仿真的基础。

轨道三维几何模型及三维场景

三、系统动态运动的生成

系统运动数据的生成

为了提高动车组仿真运行和计算速度，在将动车组单元模型存储到数据库时，分别计算不同类型动车组单元模型的几何数据，包括最小最大x、y、z坐标，一同存储到模型数据库中。运用建立标识集来识别三维对象模型库里的目标单元对象的方法，在运动开始阶段从数据库中调入动车组单元模型和读取单元模型的几何参数等相关信息。系统根据运行速度、位移、动车组类型等参数，进行动车组三维场景的装配，从而形成三维动车组模型一个确定的运动数据链。

系统运动数据的生成流程

基于线路函数的动画关键帧的生成

某一时刻图像关键帧数据的生成流程系统的运动情况可由以上流程来抽象描述。每个机车车辆单元模型及其组成的构件（轮对等）在某一时刻的行程数据，必须与其在三维运动模型系统中所处的位置相匹配；同时每个车辆单元模型也必须与其它车辆单元模型相匹配，以减少不必要的误差。

图像帧的数据结构定义及实现

图像帧的数据结构描述   鉴于处理数据的序列性，将每个图像帧序列有序地存储在一个多重线性链表中，定义一个Animation控制集，在该集中存储一个Framelist链表，每一个Framelist链表又包含两个子链表，用于存储当前帧的车辆刚体集和轮对悬挂集。

四、系统集成框架设计与实现

系统集成框架

机车车辆——轨道耦合模型的系统结构

综合考虑机车车辆—轨道耦合动力学的模型细节，系统设计方法是系统集成的关键和纽带，这里采用面向对象的设计方法。系统的三维几何模型和计算模块相对独立，计算模块联结线路三维模型和动车组模型。面向对象不但规定了动车组各单元模型及其各构件之间的几何约束关系，还规定了几何模型和计算模块间的相互对应关系，形成模型解释机制。模型经相应的解释后，产生了系统模型结构的数据对应表和动车组各单元模型及构件的几何表面模型，这些都一并装配在模型树和三维线路仿真场景中。仿真的相关数据和图形的操作都可以依据场景中的模型构件表示作相应的处理。

机车车辆动态运行场景的参数设置

机车车辆动态运行场景的参数设置为了能够对不同类型的动车组进行运动仿真模拟，可通过参数设置模块选取不同类型的动车组模型。在参数设置模块同时也显示了不同类型动车组模型的长度、高度、宽度等几何参数和模型的最大、最小x，y，z坐标。而这些坐标将会用在计算模块中，对动车组各单元模型进行空间定位和运动参数计算。

五、机车车辆动态运行3D声音的实现

DirectSound 的3D模拟空间

声源、听者不同移动组合产生的3D音效为了动车组运动仿真过程中，同时实现运动仿真的3D声音音效将在很大程度上增强仿真效果。DirectSound 3D由微软公司所推出，利用声音大小的比例调整与多普勒效应，来达到以软件来模拟3D音效的效果，创立了在三维空间定位音效文件的标准方式。

基于DirectSound 声音实时仿真实现

3D音效参数设置DirectSound提供了对声音处理的强大的API，特别是DirectSound的声音实时混合功能和3D效果处理功能，使得DirectSound成为很好的声音实时仿真手段。利用DirectSound对象对数字声音的实时播放，实现虚拟环境中列车运动的3D声音效果，提高了列车运动仿真的真实感和沉浸感。

六、列车动态运行场景的仿真模拟

经过对象的组合、模型的解释和装配以及3D音效，系统以一种有序的方式集成在综合仿真平台下，形成了车辆—轨道耦合运动仿真环境。系统以车体重心在轨道平面的投影点作为世界坐标系的原点，轨道沿线路的延伸方向作为行进方向，根据不同的车辆和线路参数建立不同的动车组模型。以下为不同类型动车运动仿真结果。

CRH1动车组运动仿真结果

CRH2动车组运动仿真结果

CRH3动车组运动仿真结果

CRH5动车组运动仿真结果

本文由刘四旦摘编自吕希奎著《线路三维可视化设计理论、方法与应用》一书。

ISBN978-7-03-044796-8

在三维可视化环境中进行线路方案设计与决策，实现线路的三维可视化设计，使设计过程更加形象直观，对提高线路设计效率和设计质量、直观的查看设计效果具有重要的现实意义和应用价值，已成为线路工程设计信息化发展的主要趋势之一。《线路三维可视化设计理论、方法与应用》以铁路和城市轨道交通目前最主要的两大线路工程为研究对象，全面论述了线路三维可视化设计理论、方法与应用。分为两篇共十五章。内容涵盖了三维地形数据采集、海量三维地形建模、线路三维可视化设计理论和方法、线路三维景观建模方法、高速列车运动仿真、线路三维景观建模、三维地质环境建模与线路设计应用、城市三维景观建模、数字管线三维建模、数字管线三维建模、城市轨道交通线路三维地质建模理论与方法、城市轨道交通线路三维建模与设计、线路三维漫游等内容。基于研究成果，开发了铁路和城市轨道交通三维可视化设计系统，并给出了应用及实例，以软件系统进一步展示研究内容和成果。

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