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1、收稿日期: 20050523 作者简介:葛根荣(1963) ,男, 1984年毕业于兰州铁道学院铁道工程 专业(本科) , 1990年毕业于西南交通大学铁道工程专业(硕士研究 生) ,工学硕士,高级工程师。铁路选线三维联动可视化CAD系统的开发与应用葛根荣(铁道第二勘察设计院,成都610031)The Development and Application of Three2D i mensional Visible CAD System Location RailwayGe Genrong摘 要 在分析英国的MOSS、 美国的InRail与InRoad、 德国的CARD /1等选线软件及澳大
2、利亚旷 达线路三维优化规划系统的基础上,开发了具有实时平纵横三维联动和动态仿真可视化的计算机辅助 选线系统。介绍系统的主要功能及关键技术:快速整体构建数字地面模型算法,夹点驱动平纵断面设计参数与平纵横实时三维联动显示,线路三维可视化与虚拟场景仿真。在武广、 郑西客运专线勘测设计 中,该系统发挥了重要的作用,已成为客运专线选线设计必不可少的设计平台。关键词 铁路选线 计算机辅助设计 三维联动 可视化 虚拟场景仿真在分析英国的MOSS、 美国的InRail与InRoad、 德 国的CARD /1等选线CAD软件和澳大利亚旷达路线 三维优化规划系统的基础上,研究与开发了具有实时 平纵横三维联动和动态
3、仿真可视化的计算机辅助选线 系统。该系统通过武广、 郑西客运专线勘测设计的实践检验,已成为客运专线选线设计必不可少的设计平 台,为计算机辅助铁路选线开辟了新的设计途径。1 系统的主要功能本系统以AutoCAD2002作为图形支撑平台,在总 模块的控制下,以ObjectARX技术定义的线路实体和线路工程数据库为核心,进行线路平、 纵、 横断面三维 交互设计,以三维联动和动态仿真铁路三维场景贯穿 整个设计过程,该系统具有以下主要功能: 建立带约束的Delaunay三角网数字地形模型。 采用方便灵活的人机交互设计命令进行平、 纵断面设计,形成一个或多个线路方案,即生成多个具有 智能特征的线路平、 纵
4、断面设计线实体。 以平、 纵断面设计线实体(线路方案)为基础, 利用实体的多点编辑、 动态拖动和智能实时违规警示,修改和完善线路方案,自动设置或导入桥梁、 隧道的 设置。 编辑或修改线路平面、 纵断面时,利用三角网数 字地形模型,可快速内插地面线,并可三维观察纵断 面、 横断面的变化。 分段或全段浏览线路三维模型,可任意角度鸟 瞰本段线路虚拟场景,实现“ 所设即可见 ” 。 将线路设计成果存入线路工程数据库,实现直 接输出线路诸表功能。 可按要求任意裁折图幅,实现带状图与原图轻 松互换、 实时更新。2 系统关键技术211 快速整体构建数字地面模型算法为满足连续、 高速、 动态显示平纵横断面的要
5、求, 本系统采用了带约束的Delaunay三角网逐点插入优 化算法建立三角网数字地形模型,其基本算法如下。 获取选线范围内数字地形图或横断面的地形点和 地形特征线数据,并进行筛选。 读入该范围内的地形点坐标和地形特征线数据。 基于逐点插入算法建立三角网数字地面模型: 建立初始三角网,求出给定点集的包容盒BOX (Xmin,Ymin,Xmax,Ymax) ,将包容盒沿对角线剖分为两个 初始三角形。1铁路选线三维联动可视化CAD系统的开发与应用:葛根荣 定位三角形。从点集中取出1点,在已建立的 三角网中找到包含该点的三角形,如图1 (a)所示。图1 逐点插入过程 确定影响域。从包含该点的三角形开始
6、,依据 三角形记录的拓扑信息,利用空外接圆检测,找出外接 圆包含当前插入点的三角形集,三角形集的外边界即是要寻找的影响域,如图1 (b)所示。 影响域内的三角网重构。删除影响域内的三角 形,依据Delaunay准则,在影响域内重新联网。以当 前插入点为公共顶点,将影响域的各边界点与当前插 入点顺次连接(如图1 (c) ) ,所得三角化结果即为“D三角网 ” 。 检查给定点集中的所有点是否插入完毕,如没 有完成,重复2、3、4步骤,直到所有数据点被处理。 最后将边界上的冗余三角形删除,如图2所示。图2 冗余三角形的删除将数据点和三角网写到文件中,供内插纵断面、 横断面地面线用。 本系统按上述算法
7、进行构建三角网,其速度(在 个人PV I计算机上)可达每秒68万个三角形,具有 整体快速构网、 海量数据处理、 构筑网形优、 内插精度 高的特点。平纵横联动显示时,纵断面显示窗及控制断面显示窗随平面实时同步变化,无停顿、 滞后现象。 解决了以往数模带状宽受限、 地形点分布不均匀、 内插 高程精度在地形不规则处减低等缺陷。212 夹点驱动平纵断面设计参数与平纵横实 时三维联动显示为配合选线过程中,平面、 纵断面、 横断面设计不 断出现的交替反复,本系统采用了ObjectARX的自定 义实体、 反映器与通知技术,开发出具有铁路设计线设 计参数与特征的平面、 纵断面、 横断面等动态设计线自 定义实体
8、对象,并在设计图上为这些设计线定义了多个编辑点(夹点) ,以驱动设计参数的反复修改,同时 将设计参数的变动与设计图形表达融为一体,方便设 计人员利用计算机进行选线设计(如图3所示)。下 面以平面设计线为例,简要说明Object ARX自定义实 体的特征及其响应器算法。图3 平、 纵、 横三维设计(1)平面设计线的自定义ObjectARX实体特征平面设计线拥有的私有特征数据,主要为设计参 数,如各交点坐标、 曲线半径与缓和曲线长、 曲线要素、 里程冠号、 起终点信息、 断链信息等。平面设计线拥有的共有特征数据,主要为设计规 范数据,如最短直线、 曲线长度、 最小曲线半径,以及一 般允许使用的半径
9、系列和相应缓和曲线长等。 以上述数据为基础定义的算法(操作)主要有: 定义平面设计参数检验是否满足规范要求的 算法。 由交点坐标、 曲线半径与缓和曲线长计算曲线 要素,并检验是否满足规范要求。 定义输入或修改平面交点坐标、 曲线半径与缓 和曲线长的操作。 将交点、 曲线中点等平面设计线上的特征点定 义为驱动平面设计参数修改的夹点(编辑点) ,并定义 各夹点变化时对设计参数修改的算法,同时检验是否 满足规范要求。 定义绘制平面设计线图形的算法。2铁 道 勘 察2005年第4期(2)自定义的平面设计线ObjectARX实体响应器算法步骤 以读方式打开平面设计线实体。 读取实体中的平面线形资料。 以
10、写方式打开与平面设计线实体相关联的纵、横断面地面线实体,利用数字地面模型内插出新的地面线,并刷新地面线实体。 以写方式打开与平面设计线实体相关联的纵断 面上的里程实体、 平曲线实体,并按新的平面线路位置刷新纵断面上的里程、 平曲线数据。按上述方法可定义纵断面、 横断面、 桥梁、 隧道等多个自定义的实体与响应器算法。当在计算机上拖动编辑点(夹点)以驱动线路平面位置、 半径、 纵断面变坡点、 坡度等设计参数时,实体响应器会实时监控自身 的变化,并自动通知所关联实体(如纵断面或横断面)的变化,同时从纵断面显示窗和控制断面显示窗可直 观地观察到所设计铁路线的三维联动显示。当平面、纵断面设计线不满足最短
11、坡长、 坡度代数差限值、 竖缓不能重合等相关的设计规定时,系统以彩色图形自动 提示或限定,并可查阅审核结果。213 线路三维可视化与虚拟场景仿真为实现设计过程的三维可视化,开发了基于OpenGL、 具有实时生成铁路三维场景并可进行交互漫游的三维浏览平台,实现了线路三维可视化与虚拟场 景仿真,其基本原理与方法如下。(1)铁路线路三维场景建模将整个铁路三维实体划分为现状景物实体和虚拟景物实体两大类,现状景物实体是指现实中已存在的实体,如地形、 地物等,虚拟景物实体是指所设计的实 体,如路基、 桥涵、 隧道等基础结构物和沿线设施(如轨道结构、 里程碑、 接触网等)。通过读入实体数模数据和所设计构造物
12、的设计数据,按相应的三维实体造 型方法,依据其线路里程次序将各实体拼合成铁路线路三维整体模型,如图4所示。 (2)光照模拟和纹理映射为达到较好的立体效果,对所形成的铁路线路三维整体模型采用特定的光照模型进行计算,生成视觉 上光滑的物体表面。但经光照模拟所得到物体表面缺乏表面细节描述,与真实场景有很大差别,需进行纹理 映射,将平面图形或图像覆盖到物体的表面,在物体表面形成真实的色彩花纹。为取得与现实铁路相似的效果,本系统将路基、 桥涵、 隧道照片或经PotoShop加工 所得的图片加工成纹理图片(虚拟纹理) ,并映射到虚图4 铁路三维场景模型拟景物实体模型上,实现虚拟现实;将现场地形照片、 正射
13、影像等图片作为地表真实纹理映射到数字地面模型上,实现可视现实。 (3)动态浏览应用OpenGL技术实现动态浏览。设计人员从不 同角度鸟瞰或浏览线路虚拟场景,随时察看线路三维 动态仿真效果,以便对线路进行综合评判。图5为某线局部三维动态虚拟场景浏览画面。图5 三维动态虚拟场景3 结束语本系统已广泛应用于常规铁路选线与武广、 郑西 线客运专线的勘测设计中,现已累计设计线路约3 000km。实践表明,使用该系统能提高工效8倍以上。参考文献1 余承飞,方勇. AutoCAD 2000二次开发技术M .北京:人民邮电出版社, 19992 邓午天,李泽民.线路工程M .成都:西南交通大学出版社, 20003 詹振炎.铁路选线设计的现代理论和方法M .北京:中国铁道出版社, 20014 汪树玉,杨德铨,刘国华等.优化原理、 方法与工程应用M .杭州:浙江大学出版社, 19913铁路选线三维联动可视化CAD系统的开发与应用:葛根荣
