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1、 竞赛小组：交通运输规划与管理交通信息工程与控制R 载运工具运用工程、道路与铁道工程与其它大赛指定主题：城市CBD地区交通组织设计优化序号：编码：第十届全国大学生交通科技大赛作品申报书作品名称：三维虚拟环境下公路智能交互选线与仿真评价系统学校全称：理工大学申报者：兴梦(集体名称)：申武思媛 婷申报年月：2015年4月说明1申报者应在认真阅读此说明各项容后按要求详细填写。2表项目填写时一律用钢笔/水笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书复印有效。3竞赛小组必须且仅能选择一项，在选择项前面的“划勾“。4序号、编码由第十届全国大学生交通科技大赛组委会填写。5学术论文、作品研究报告所附的有关材料必须是中
2、文假设是外文，请附中文本，请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字以文章版面尺寸14.522cm。6作品申报书须按要求由各校竞赛组织协调机构统一报送。7其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。8联系人：马莹莹，亚晶，王燕林报送地址：省市天河区五山路381号华南理工大学交通大楼 马莹莹 收 ：510640联系人：马莹莹亚晶王燕林1 ：0 电子：nactrans_scut163.大赛公揭发布 NACTranS.cnA申报者情况集体项目说明：1. 必须由申报者本人按要求填写； 2. 申报者必须是在读本科学生； 3. 本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况确实认。申报者代表情况兴
3、梦性别男出生年月1992.8学校理工大学系别、专业交通工程学历本科学制四入学时间2012.9作品名称三维虚拟环境下公路智能交互选线与仿真评价系统通讯地址理工大学邮政编码650500办公常住地通讯地址理工大学恬园学生宿舍16栋601邮政编码650500住宅其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位申武男22本科理工大学思媛女21本科理工大学婷女21本科理工大学资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2014年10月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校大陆与港澳台地区中国籍本科学生。R 是否部门签章2015年4月15日院、系负责人意见本作品是否为2014第九届大学生交通科技大赛之后
4、立项，2015年5月之前完成的课外学术科技或社会实践活动成果。R 是否负责人签名：2015年4月15日B申报作品情况科技创造制作说明：1. 必须由申报者本人填写； 2. 本局部中的科研管理部门签章视为对申报者所填容确实认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图照片,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品创造点或创新点所在类别填报。作品全称三维虚拟环境下公路智能交互选线与仿真评价系统作品研究的目的和根本思路，创新点，技术关键和主要技术指标一、研究目的目前，国公路选线根据运输需求和起讫点，拟定数量有限的备选方案，之后根据工程造价、运营特征以与财务评价等经
5、济指标，人为确定一个与主要技术标准相对应的相对满意方案。这种方法在我国的公路建立中发挥了极大作用，选评出了很多优秀的建立方案，但是也存在其固有缺点，如：方案有限、决策周期长、设计人员劳动强度大、评价指标单一；对采用方案的科学性缺乏有效论证。针对既有公路选线方法存在的问题，本作品综合运用地形建模、三维交互、道路勘测、仿真评价等技术，整合线形方案的智能生成，三维交互设计，经济性和平安性仿真评价等功能，开发三维虚拟环境下的公路交互选线与仿真评价系统，将公路选线环境从二维推进到三维；引进群体智能算法，实现智能与人工相结合的线形方案确定方式；为驾驶模拟系统在公路选线阶段的应用奠定根底，实现线形方案设计与
6、仿真评价的一体化。从而提高新建或改建道路线形方案的设计效率和质量。二、根本思路三维虚拟环境下的公路人机交互式选线与评价原型系统将集道路线形设计、评价、方案输出等功能于一体，由虚拟环境构建模块、线形计算模块、人机交互模块、道路模型构建模块、线形方案评价模块等构成，其中虚拟环境构建模块基于数字地面高程和数字影像构建道路设计虚拟环境，是完成道路线形仿真设计的信息来源和根底；线形计算模块基于群体智能算法实现线形方案的自动生成，以导线法和积本法为核心算法，保证设计过程中线形方案三维模型的准确性；人机交互模块基于OpenGL图像驱动技术的拾取与反应机制，实现线形控制交点的交互式编辑。道路模型构建模块基于O
7、penFlight类库，实现道路仿真模型的快速构建，与线形计算模块、人机交互模块协同工作以保障线形设计过程中，人机交互与设计效果的实时准确呈现；通过各模块间的协同工作构建的原型系统功能架构如图1所示。图1.系统功能总体架构系统中主要模块的实现原理如下：1三维虚拟选线环境构建基于DEM和卫片纹理构建虚拟地形环境，基于公路勘测理论，准确计算公路各组成局部的三维坐标，实现公路与地形模型的准确衔接。基于OPENGL视景驱动技术，采用多线程和视图分割编程方法，开设四个线程，实现公路二维和三维线形方案的实时显示。三维虚拟选线环境是线形方案的呈现平台，同时也是线形方案的交互编辑和评价入口，三维虚拟选线环境实
8、现原理如图2图2. 虚拟选线平台构建原理2） 线形方案生成基于上述构建的虚拟选线平台，通过线形方案自动生成和人机交互相结合的方式确定线形方案。 基于DTM，综合运用最优路径算法，蚁群算法，遗传算法，自动快速生成公路的平、纵、横线形，实现原理如图2。 基于上述构建的虚拟选线平台，选线人员通过定量与定性，宏观与微观相结合的方式编辑线形方案。图3. 线形方案自动生成3） 线形方案评价为提高线形方案设计质量，改变传统线形方案评价指标单一等缺陷，本系统在保存原有经济性评价根底上，新增线形方案的仿真评价功能，如图4。图4 线形方案仿真评价基于DTM与上述生成的线形方案，系统快速计算线形方案的填挖方总量，桥
9、隧量和用地围等主要经济指标。将生成的线形方案生成VISSIM仿真系统可识别的INP数据库格式文件，通过VISSIM仿真提取延误，燃油经济性等评价指标。将线形方案的道路和地形模型输出为OpenFlight仿真模型数据库格式。为驾驶模拟系统应用奠定根底，并进一步提取轨迹偏差和速度变化率等评价指标。三、创新点1三维虚拟环境下的选线公路选线中，传统的二维设计环境不易发现各种潜在冲突,设计效率偏低,且易造成设计缺陷，难以满足公路选线设计需求。目前，国外软成熟的软件系统如国的纬地，澳大利亚的旷达能实现二维环境下的线形设计与线形方案的三维效果展示，并未实现真正意义上的三维选线。本系统综合运用三维建模技术、地
10、理信息技术、图像处理技术，实现三维虚拟环境下，基于人机交互的线形方案的实时动态显示，将真正实现三维虚拟环境下的路线平、纵、横的自动化、交互式设计。2自动生成和人机交互相结合的线形方案设计方式尽管我国交通部门已开发了假设干公路路线CAD系统，但这些系统大多在原有的数据根底上，利用CAD系统来提高人工拟定路线后的计算和绘图的效率，而对于原始参数的获取、线形方案的选择、设计结果的优化和比选，缺乏与选线人员人机交互式的交流。在传统选线方法的根底上，引进群体智能算法，既可实现线形方案的自动生成，提高线形方案的设计效率，又可实现参数的交互编辑，支持选线人员可视化的线形交互设计。3经济性和仿真评价相结合的线
11、形方案综合评价方法传统选线过程中，选线人员将更多的精力集中在提高线形方案的经济性，但事实说明，满足公路设计规且经济性达标的线形方案在实际运行过程中仍然存在较多平安隐患。本系统将在线形方案的经济性评价根底上，基于Vissim仿真平台与驾驶模拟系统，提取与交通运行相关的平安性和运行评价参数，对线形方案进展动态仿真评价，为设计人员的线形方案决策提供可靠依据，从而提高线形方案的经济性和平安性。四、技术关键1视景驱动技术与形实时调度和渲染技术本系统基于OPENGL图形库，基于Visual C+和OpenGL设计并实现了三维场景渲染系统。实现了实时性好、延迟性低、图像质量稳定，逼真度高的场景效果。为可视化
12、道路选线提供逼真的三维环境。2基于群体智能算法的公路最优线形方案生成本系统利用具有全局大围的搜索能力遗的传算法，优化道路平面线形，通过优胜劣汰的方式获得道路平面线形的最优解。本系统采用基于蚁群算法的纵断面优化设计方法，在初始纵断面方案根底上，实现了蚁群算法在纵断面优化设计中的应用，解决了纵断面连续优化的问题。3线形方案的VISSIM和OpenFlight数据结构表达道路模型构建模块基于OpenFlight类库，实现道路仿真模型的快速构建，系统将线形方案转换成VISSIM仿真道路，为后续公路仿真评价奠定根底。五、技术指标1交互实时性为保证交互实时性，本系统采用地形简化技术优化数据结构。大大提高软
13、件的运行速度。实现了线形参数的交互编辑和三维效果的实时呈现。线形设计人员既能通过二维窗口宏观把握整体线形，又能通过三维效果进展局部优化，从而提高线形设计质量。2线形方案实用性本系统将整个线形方案的生成和线形编辑过程分成假设干阶段,采用了循环反复的控制流程,提出了以生成、评判表达各个阶段乃至全过程的设计型工作的方法,保证线形方案的实用性。3系统通用性。本系统可将线形方案输出为AUTOCAD文件，将地形与道路模型输出为较通用的OpenFlight格式等，所生成的模型数据通用性好，具有较强的移植性，便于二次编辑与修改，实现输入与输出数据的共享。作品的科学性先进性必须说明与现有技术相比、该作品是否具有
14、突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料一、基于OPENGL的底层图像渲染技术实现三维虚拟环境下的选线OPENGL可以方便灵活地实现二维和三维的高级图形显示，在交互式三维图形建模和编程方面具有较好的优越性。利用其底层图像渲染功能，本系统能高效便捷地实现了三维可视化，保证了选线环节的科学性与先进性。二、传统二维设计根底上，引入智能算法，实现人机结合选线方式蚁群算法具有全局性、并行性、自适应性等特点。遗传算法通过选择、穿插、变异操作可以极丰富优化的搜索围，并且其搜索解空间是在全局的整个可行的连续区域上的，而不是像传统算法从单个解开场，因此遗传算法利于全局择优。其并行性能同
15、时对空间的多个解进展评估，减少了陷入求得局部最优解的风险，保证了道路平面线形方案的设计质量。蚁群算法具有正反应机制，能很好的利用算法搜索过程中的反应信息，保证了优良信息能被保存下来，从而保证了蚁群算法优化纵断面的设计质量。三、提供了VISSIM仿真道路和OpenFlight仿真模型数据接口，可利用通用仿真软件对线形方案进展仿真评价VISSIM提供了优化的操作界面和简单流畅的自动化流程，使各级用户方便地通过仿真平台实现交通组织方案的设计、优化、评估工作，以解决各类复杂的交通组织设计问题，提高交通决策的科学化水平，具有一定的客观性和可操作性，结合交通工程学院现有的驾驶模拟系统以与虚拟现实技术，可针对线形方案
