Digital Railway Location System Based on Virtual Geographic Environment
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(2) 西 南 交 通 大 学 学 报 第51 卷 路 选 线 设计是一项涉及多个专业的综合性 半 投 入型的虚拟地理环境 ,有大屏幕投影方 铁 铁路选线设计中 ,线路工程师必 式 规 划 设 计 工 作 、虚 拟 工 作 台 (virtual workbench)方式等 .在 .图 1是 南 交 通 大 学 研制的铁路数字化选线设计系统的 须 充 分 利 用 他 们 的 领 域 知 识 和 信 息 ,对 地 形 、地 质 、 西 理 环 境 建 模 平台采用的大屏幕投影式半投入型 水 文 等 自 然 环 境 进 行 分 析 ,以 便 设 计 出 一 条 满 足 政 地 三 维 投 影 平 台 (3DPT)[ ]. 于 线 路 真 .由 治 、经 济 、技 术 等 各 方 面 要 求 的 铁 路 线 路 在 空 间 位 置 的 确定依赖于设计人员对自然条件的 分 析 ,所 以 选 线 设 计 比 其 他 许 多 工 程 设 计 对 地 理 环 [ ] 境 具 有 更 强 的 依 赖 性. 为 了提高设计质量和设计速度 ,自20 世纪 50 年 代 以 来 ,铁路与道路领域的专家学者就开始 探 索 基 于 数 字 地形信息的计算机辅助线路设计的 [ 理 论 和 方 法 ]. 经 过 近60 年的研究与发展 ,选线 代 的 孤 立 和 自 封 闭 的 专 门 化软 设 计 系 统 已 从70 年 件 ,向 着 基 于 逼 真 显 示 的 三 维 地 理 环 境 的 数 字 化 设 图1 大 屏 幕 投 影 式 半 投 入 型 虚 拟 地 理 环 境 系 统 . 计 系 统 发 展 Fig. 1 Halfinputvirtual geographic environment 本文详细介绍了一个基于虚拟地理环境的铁 system with large screen projection 路 数 字 化 选 线 设 计 系 统 ,该 系 统 集 成 先 进 的 空 间 信 据 铁 路 数 字 化 选 线 设 计 需 求 ,铁 路 虚 拟 地 理 息 技 术 、现 代 测 绘技术 、虚拟现实技术及计算机仿 根 境 建 模 平 台 应 由 数 字 地 形 数 据 生 成 系 统 、计 算 机 真 技 术 ,直 接 基 于 航 测 、卫 星 影 像 信 息 ,建 立 三 维 立 环 硬 件 系 统 、 大 型 数 字 地 形 建 模 系 统 、 虚 拟 视 景 仿 真 体 地 理 环 境 模 型 ,采 用 基 于 虚 拟 地 理 环 境 的 三 维 数 系 统 、工 程 数 据 库系统 、三维立体投影设备6 部分 . 字 化 选 线 设 计 理 念 代 替 传 统 的 二 维 透 视 设 计 方 法 成 ,其 组 成 结 构 如 图2 所 示 . 通 过 铁 路 构 造 物 三 维 实 体 实 时 建 模 ,实 现 了 基 于 真 组 . 实 感 地 理 环 境 的 三 维 实 体 选 线 设 计 技 术 . 374. 1415. 1. 211. . . 1 . 铁路虚拟地理环境建模平台. 虚 拟 地 理 环 境 是 指 由 硬 件 、三 维 地 理 环 境 建 模 软 件 和 人 组 成 的 一 个 系 统 系 统 让 人 在 计 算 机 软 .该 硬 件 模 拟 产 生 的 一 个 虚 拟 三 维 地 理 空 间 中 ,可 以 自 由 地 行 走 探 索 ,并 可 多 感 知 地 与 虚 拟 地 理 空 间 的 物 [ ] 体 进 行 交 互. 虚 拟 地 理 环 境 的 发 展 存 在 两 个 基 本 的 方 向 :一 是 基 于 虚 拟 现 实 技 术 的 投 入 型 虚 拟 地 理 环 境 ;二 是 基 于 因 特 网 和 万维网的三维图形环境发展的非投 入 型 虚 拟 地 理 环 境[ ]. 投入型虚拟地理环境是参与者作为虚拟三维 世 界 的 一 部 分 ,与虚拟地理空间的物体交互 ,具有 如 同 在 现 实 物 质 世 界 一 样 或 相 似 的 感 觉 与 者 一 .参 般 要 戴 上 立 体 显 示 头 盔 、立 体 眼 睛 、数 据 手 套 、数 据 衣 等 .投 入 型 虚 拟 环 境 又 分 为 完 全 投 入 型 虚 拟 地 理 环 境 和 半 投 入 型 虚 拟 地 理 环 境 全 投 入 型 头 盔 式 .完 虚 拟 地 理 环 境 ,是参与者要戴上头盔 ,人完全与现 实 物 质 世 界 相 隔 离 ,当 参 与 者 移 动 头 部 或 转 动 头 部 . 方 向 时 ,三 维 境 像 都 要 被 立 即 更 新 . 12. 13.
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(4) . . 图2 虚 拟 地 理 环 境 建 模 平 台 系 统 结 构 Fig. 2 Structure of modeling platform of virtual geographic environment. 虚 拟 地 理 环 境 建 模 平 台 是 由 硬 件 、专 用 软 件 和 自 行 研 制 的 铁 路地理环境建模型软件构成的集成 化 系 统 . 铁路数字化选线设计系统的虚拟环境硬件系 统 是 一 个 能 进 行 三 维 虚 拟 现 实 仿 真 、具 有 高 性 能 计 算 和 三 维 交 互 设 计 能 力 的 计 算 机 集 成 系 统 ,其 基 本 配 置 由 通 用 计 算 机 部 分 和 专 用 图 形设备 、数字地形 示 . 信 息 采 集 设 备 和 立 体 可 视 设 备 等 构 成 ,如 图3 所.
(5) 第2 期. 易思蓉,等:基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统. 375. .
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(17). 图铁 路 数 字 化 选 线 设 计 系 统 硬 件 环 境 配 置 图. 3 Fig. 3 Diagram of Hardware c onfiguration of digital railway location design system. 铁 路 视 景 仿 真 与 漫 游大 模 块 组 成其 结 构 组 成如 铁路数字化选线设计系统总体结 图 所 示 系统以菜单命令和菜单形式为用户提供各种 构与主要功能 4. 2 . 4. .. .. 能操作 ,系统由项目管理 、环境建模 、方案管理 、 铁 路 数 字 化选线设计系统主要由选线工程数 功 路建模、视图、影像、三维景观漫游、工程技术指 据 库 管 理 、虚 拟 地理环境建模 、数字化选线设计和 线. . .
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(41) . 图铁 路 数 字 化 选 线 设 计 系 统 结 构 图. 4 Fig. 4 Structure diagram of digital railway location design system. 标 、工程地质信息管理 、窗口管理 、立体调节 、帮助 模 、方 案 线 管 理 与设计 、三维实体线路建模与结构 等 菜 单 项 构 成 ,如图5 所示 现虚拟环境选线设 物 比 选 、基 于 虚 拟环境的选线方案评价与比选 、选 .实 计 的 主 体功能包括数据库管理 、虚拟地理环境建 线 方 案 三 维 视 景 漫 游 ..
(42) 376. 西 南 交 通 大 学 学 报. 第51 卷.
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(44) . . 图系 统 主 要 功 能 菜 单 界 面. 5 Fig. 5 The menu interface of main functions. 3 3. 1 . 铁路线路三维实体选线设计. 初始中心线设计 铁 路 线 路 初 始 中 心 线 设 计 界 面 如 图6 所 示 .. 系统提供屏幕交互模式和控制点选择模式进 行 线 路 走 向 设 计 ,也 可 以 通 过 既 有 资 料 导 入 或 手 工 输 入 交 点 新 建 线路 .方 案线在三维场景中 ,分颜色 显 示 桥 、隧 、路 基 段 ,如 图8 所 . 示 方 案 线 设 置 好 后 ,即 可 在 三 维 环 境 视 窗 、二 维 平 .如 在 三 面 视 窗 、纵 断 面 视 窗 进 行 三 维 线 路 协 同 设 计 维 环 境 视 窗 中 选 中 交 点 ,可 移 动 交 点 到 新 位 置 .. 图线 路 三 维 设 计 界 面. 6 Fig. 6 Interface for a 3D railway line design. 新 建 线 路 方案时 ,先进行基本信息设置 择 .选 菜 单 基 本信息设置 ,弹出“方案线基础信息设置” 对 话 框 ,如 图7 所示(例如 :方案名称为QJ1,里程 冠 号 为DK,起 点 里 程 为0 m,拟 合 间 隔 为5 m,线 路 宽 度 为13. 4 m).. 图方 案 线 基 础 信 息 设 置. 7 Fig. 7 Selection of the basic information of a railway line scheme. 图方 案 线 显 示. 8 Fig. 8 Showing of a railway line scheme. 基于构造物布置的三维实体选线设计 于 三 维 构 造 物 模 型 的 实 体 选 线 设 计 3. 2. 1 基 初 步 确 定 线 路 中 心 线 空 间 位 置 后 ,运 行 实 体 选 线 功 能 ,进 行 方 案 线 上 所 有 构 造 物 (桥 、桥墩 、路堤 、 路 堑 、隧 道 、路 基 等 )的 选 型 及 位 置 设 计 ,运 行 构 造 物 建 模 功 能 ,实 现 构 造 物 模 型 (BIM)实 时 建 模 ,建 立 三 维 铁 路 线 路BIM 模 型 在 三 维 可 视 化 环 境 中 进 行 .并 构 造 物 布 设 方 案 分 析 ,铁 路 三 维 实 体选线方案路基 . 段 如 图9(a)所 示 ,桥 梁 段 如 图9(b)所 示 于 三 维 实 体 设 计 的 选 线 方 案 修 改 3. 2. 2 基 在 系 统 三 维 环 境 视 窗 中 ,使 用 鼠 标 左 键 可 以 选 中 三 维 铁 路构造物模型 ,如路堤(路堑)、桥梁 、隧 3. 2 .
(45) 第2 期 易思蓉,等:基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统 道 ,并 对 其 进 行 分 析 与 修改 堤(路堑)地段三维 实 体 选 线 界 面 如 图10 所 示 .路 .. (a)路 基 段. 路 三 维 实 体 选 线 方 案 图铁. 377. (b)桥 梁 段. 9 Fig. 9 Railway location schemes in 3D structures. .图 12 为 维 .系 图11 为 隧 道 地 段 三 维 实 体 选 线 界 面 实 体 设 计 界 面 统 还 提 供 不 同 构 造 物 选 线 方 案 .图 13 为 . 桥 梁 地 段 三 维 实体选线界面 轨道设备三 比 选 功 能 ,如 图14 隧 道 方 案 与 高 路 堑 方 案 比 选 . (a)路 堑 地 段. (b)路 堤 (路 堑 )编 辑 界 面 图10 路 堑 地 段 三 维 实 体 选 线 界 面. Fig. 10 3D Interface for line design on cutting section. (a)隧 道 地 段. 道 地 段 三 维 实 体 选 线 界 面 图 隧. (b)隧 道 编 辑 界 面. 11 Fig. 11 3D Interface for line design on tunnel section. (a)桥 梁 地 段. 图 桥 梁 地 段 三 维 实 体 选 线 界 面. (b)桥 梁 编 辑 界 面. 12 Fig. 12 3D Interface for line design on bridge section.
(46) 西 南 交 通 大 学 学 报. 378. 第51 卷. 图 轨 道 设 备 三 维 实 体 设 计 界 面. 13 Fig. 13 3D Interface for track equipment design. (a)隧 道 方 案 (b)高 路 堑 方 案 图14 隧 道 方 案 与 高 路 堑 方 案 比 选 设 计 界 面 Fig. 14 Interface of comparing between tunnel scheme and high cutting scheme. 4 . 工程案例. ,宽 约36. 5 km,DOM 为高清彩色影像 ,地 形 数 据 分 辨 率 为0. 2 m. 多 分 辨 率 带 状 地 形 环 境 如图15 所示,图15(a) 为 正 射 投 影 下 的 地 形 环 境 ,图15(b)为透视投影下 的 地 形 环 境 . 线路试验段里程范围为DK14 + 200 ~ 据给定里程范围和线路控制点资 D2K52 + 900. 根 料 ,系 统 设 计 中 心 线 路 方案如图16. 三维实体选线 结 果 如 图17 所 . 示. 30. 5 km. 本 案 例根据中老铁路某段设计资料和DEM、 据进行实验验证 老铁路是泛亚铁路规 DOM 数 .中 划 中 线 方 案 的 重 要 组 成 部 分 ,也 是 东 盟 相 邻 国 家 间 大 能 力 、高 标 准 铁 路 网 建 设 和 中 国 — 东 盟 铁 路 通 道 形 成 的 需 要 铁路兼有城际和旅游功能 ,属促进 .该 地 方 资 源 开 发 的 客 货 共 线 的 快 速 铁 路 ,是 我 国 通 往 [ ] 东 南 亚的重要铁路 . 本实验段DEM 范围长约 . 16. (a)正 射 投 影 下 的 带 状 地 形 环 境 (b)透 视 投 影 下 的 带 状 地 形 环 境 图15 中 老 铁 路 实 验 区 多 分 辨 率 带 状 地 形 环 境 Fig. 15 Zonal terrain environment with multiresolution of experiential section in ChinaLaos Railway.
(47) 第2 期. 易思蓉,等:基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统. 379. 图 中 老 铁 路 实 验 段 线 路 中 线 方 案. 16 Fig. 16 The line scheme of experiential section in ChinaLaos Railway. (a)实 体 选 线 设 计 结 果 (近 视 点 ). (b)实 体 选 线 设 计 结 果 (远 视 点 ) 图17 中 老 铁 路 实 验 段 三 维 实 体 选 线 设 计 结 果 Fig. 17 3D Railway location results of experiential section in ChinaLaos Railway. 5 . 结 论. 我 国 铁 路 建 设 正 处 在 飞 速 发 展 的 阶 段 ,铁 路 选 线 设 计 是 整 个 铁 路 建 设 中 关 系 全 局 的 总 体 性 工 作 , 采 用 现 代 化 信 息技术手段推进铁路选线技术的发 展 具 有 重 大 意 义 . 本 文 介 绍的铁路数字化选线设计系统(软件 著 作 权 登 记 号 :2013SR117255)采 用Visual C + + 工 具 开 发 而成 ,采用大型关系型数据库Oracle 进行 . 数 据 管 理 ,图 形 化 界 面 简 洁 明 快 、美 观 大 方 ,系 统 模 块 功 能 完 善 ,操 作 简 单 、灵 活 方 便 ,具 有 很 强 的 维 护 功 能 .使 用 该 系 统 可 以 对 大 范 围 的 真 实 地 理 场 景 进 行 虚 拟 现 实 模 拟 ,建 立 逼 真 显 示 的 三 维 立 体 地 理 环 境 模 型 ,使 得 选 线 工 程 师 能 在 室 内 立 体 环 境 下 模 拟 现 场 实 景 分 析 和踏勘 过3 个子窗口协同工作 , .通 选 线 工 程 师 能 够 方 便 快 捷 的 进 行 方 案 线 设 计 过 .通 线 路 三 维 实 时 建 模 ,调 用 线 路 构 造 物 基 元 模 型 库 中 的 实 体 基 元 模 型 ,快速构建方案线三维模型 ,在三.
(48) 西 南 交 通 大 学 学 报 第51 卷 NIE Liangtao,YI Sirong,LI Yang. Web geographic 维 模 型 环 境 下 对方案进行查看 、修改 ,比选不同结 information servicesbased acquisition method of 构 类 型 ,实 现 三 维 实 体 线 路 设 计 . digitalterrain data for highway location[J]. Journal of 该系统的应用可以有效克服传统的基于等高 50 (5 ):803810. Jiaotong University,2015 , 线 地 形 图 的 二 维 透 视 设 计 方 法 的 不 足 ,利 用 系 统 提 [10] Southwest 杜 红 星 , 周 安 荔 维 可 视 化 铁 路 选线辅助设计系 . 三 供 的 选 线 方 案 三 维 仿 真 分 析 和 评 价 功 能 ,还 可 以 显 统 研 究 [J]. 铁 道 工 程 学 报 ,2004(1):4851. 著 提 高 铁 路 设 计 方 案 与 环 境 的 融 合 度 ,改 善 铁 路 线 DU Hongxing,ZHOU Anli. Study on auxiliary design 路 对 环 境 的 影 响 系 统 在 中 铁 二 院 被 用 于 多 个 铁 .该 system with threedimensional visualization for railway 路 工 程 项 目 的 勘 测 设 计 ,大 大 提 高 了 选 线 设 计 质 量 location[J]. Journal of Railway Engineering Society, 和 生 产 效 率 . 2004 (1 ):4851. [11] 朱 颖 ,蒲 浩 ,刘 江 涛 ,等 于 数 字 地 球 的 铁 路 三 维 . 基 参考文献: 空 间 选 线 技 术研究[J]. 铁道工程学报 ,2009 (7 ): 380. [1] 易 思 蓉 拟 环境铁路选线设计系统的理论与方法 . 虚 都 :西 南 交 通 大 学 ,2000. 研 究 [D]. 成 [2] 邓域才 路选线自动化述评[J ]. 铁道建筑 , . 铁 1981 (2 ):16. [3] WETHAL H. Use of digital maps in road design[J]. Kart og Plan,1988 ,48 (2 ):125127. . 十 [4] KEITHTURHER A,陈以兴 年来的机助选线经验 [J]. 铁 路 航 测 ,1983(1):3443. . 国 [5] 卢 洪 讦 外 铁 路 、公 路 勘 测 设 计 采 用 数 字 地 形 模 型 路 航 测 ,1978(2):1631. 的 研 究 概 况 [J]. 铁 [6] 易 思 蓉 ,邓域才 路线路局部走向选择智能CAD . 铁 方 法 [J]. 铁 道 学 报 ,2000(S1):2024. YI Sirong,DENG Yucai. An intelligent CAD method for railway local route selection[J]. Journal of the China Railway Society,2000 (S1 ):2024. [7] 蒲 浩 ,宋 占 峰 ,蒋 红 斐 ,等 角 网 数 字 地 面 模 型 的 生 . 三 ,2000, 成 及 其 在路线设计中的应用[J]. 铁道学报 22 (3 ):7477. PU Hao, SONG Zhanfeng, JIANG Hongfei,et al. Creation of triangulation digital terrain model and its. [] Railway Society,2000 ,22 (3 ):7477. [8] 易 思 蓉 ,吕 希 奎 ,张家玲 种大型带状数字地形模 . 一 型 建 模 方 法 [J]. 西南交通大学学报 ,2005,40 (3 ): applicationin alignment design J . Journal of the China. 308312. YI Sirong. , L. Xikui. , ZHANG. Jialing.. Modeling. [] , , ( ):308. method for large strip digital terrain model J . Journal of Southwest Jiaotong University 2005 40 3 312.. . 基 [9] 聂 良 涛 ,易 思 蓉 ,李阳 于网络地理信息服务的选 线 数 字 地 形 获 取 方 法 [J]. 西 南 交 通 大 学 学 报 ,2015, 50 (5 ):803810.. 3337.. ,. ,. ,. ZHU Ying PU Hao LIU Jiangtao et al. Research on the digital earthbased 3D spatial technology for railway. [] Society,2009 (7 ):3337. . 论 [12] 林珲 ,龚建华 虚拟地理环境[J ]. 测绘学报 , 2002 , 31 (1 ):16. LIN Hui, GONG Jianhua. On virtual geographic environments[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2002 ,31 (1 ):16. . 虚 [13] 龚 建 华 ,林 珲 拟 地 理 环 境 — — — 在 线 虚 拟 现 实 的 地 京 :高 等 教 育 出 版 社 ,2001:6061. 理 学 透 视 [M]. 北 [14] 易思蓉 路数字化选线设计系统的理论与方法 . 铁 都 :西 南 交 通 大 学 出 版 社 ,2011:277278. [M]. 成 [15] 易 思 蓉 ,朱 颖 ,许 佑 顶 路 线 路BIM 与 数 字 化 选 线 技 . 铁 术 [M]. 北 京 :中 国 铁 道 出 版 社 ,2014:191192. route selection J . Journal of Railway Engineering. 作者简介: 易思蓉(1957— ),博士 ,1984 年起至 今 任 职 于西南交通大学 ,现为土木工 程 学 院 教 授 ,博 士 生 导师 要研究方 .主 向 为 铁 路选线设计理论与技术 、线路 工 程 信 息技术 、城市轨道交通与磁浮 交 通 线 路工程技术 二届国家级教 .第 学 名 师 奖 获 得 者 ,国 家 级 精 品 课 程 、国 家 级 精 品 视 频 公 开 课 . 程 、国 家 级 精 品 资 源课程负责人 ,国家级教学团队带头人 承 担 国 家 自 然科学基金 、863 项目和铁路科技计划项目等 项 ;获得国家软件著作权3 项 ;省部级科技进步奖 30 余 4项 .兼 任 高 等 教 育 土 木 工 程 专业评估委员会副主任委员 ; 教 育 部 本 科 教 学 指 导 委 员 会 铁 道 与 城 市 轨 道 工 程 分 委 会 委 员 、秘 书 长 . Email: sryi@ swjtu. edu. cn (中、英文编辑:徐 萍).
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