聶良濤,易思蓉,林　俊

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都　610031； 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都　610031；

3.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司,重慶　400039)

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高速鐵路工務(wù)工程基元模型庫(kù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

聶良濤1,2,易思蓉1,2,林俊3

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都610031； 2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610031；

3.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司,重慶400039)

摘要：針對(duì)高速鐵路數(shù)字化工務(wù)工程虛擬環(huán)境建設(shè)過(guò)程中,基元模型管理分散,層次結(jié)構(gòu)不清晰,文件系統(tǒng)存儲(chǔ)查詢低效、安全性低,模型顯示缺乏沉浸感等特點(diǎn),同時(shí)考慮基于BIM的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)需求,提出構(gòu)建高速鐵路工務(wù)工程基元模型庫(kù),對(duì)基元模型進(jìn)行集中組織與管理的方法。研究基元模型分類編碼方法,并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基元模型庫(kù)的層次結(jié)構(gòu)。給出基元模型立體顯示方案和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方案。基于Visual C++、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)及OSG圖形庫(kù)開發(fā)基元模型庫(kù)管理系統(tǒng)。在西部某高速鐵路的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)及視景仿真中對(duì)基元模型庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用,結(jié)果表明利用該系統(tǒng)能有效簡(jiǎn)化工務(wù)工程虛擬環(huán)境的構(gòu)建流程,顯著提高線路構(gòu)造物實(shí)體模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)建模的速度,模型交互沉浸感強(qiáng),有助于提高三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)的效率。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；選線；虛擬環(huán)境；基元模型庫(kù)

信息技術(shù)是現(xiàn)代化鐵路的“龍頭”技術(shù)，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的“數(shù)字鐵路”是21世紀(jì)鐵路現(xiàn)代化建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。高速鐵路工務(wù)工程作為數(shù)字鐵路建設(shè)的重要組成部分，如何利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化，關(guān)鍵技術(shù)之一是對(duì)構(gòu)成高速鐵路工務(wù)工程結(jié)構(gòu)物及設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)映射和數(shù)字化建模，形成完整的靜態(tài)數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行有效地組織和管理。本文將構(gòu)成高速鐵路工務(wù)工程結(jié)構(gòu)物及設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)單元定義為基元模型，將對(duì)基元模型進(jìn)行信息化管理和應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定義為基元模型庫(kù)。通過(guò)對(duì)高速鐵路軌道、路基、橋涵、隧道、站場(chǎng)等主要工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)施進(jìn)行基元模型建模，建立基元模型庫(kù)，為工務(wù)工程設(shè)備及設(shè)施可視化查詢、鐵路虛擬環(huán)境快速建模，以及基于虛擬環(huán)境的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)提供統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)服務(wù)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前行業(yè)內(nèi)針對(duì)鐵路虛擬場(chǎng)景三維建模的研究較多[2-7]，無(wú)論是基于虛擬環(huán)境的鐵路視景仿真或成果展示，還是基于虛擬環(huán)境的鐵路三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)，都需要利用到大量可重用的鐵路基元模型，此時(shí)對(duì)基元模型的分類、存儲(chǔ)及有效管理，資源維護(hù)就顯得尤為重要。文獻(xiàn)[4]對(duì)鐵路三維模型的建立進(jìn)行了研究，但未涉及基元模型的管理與維護(hù)。文獻(xiàn)[5]在構(gòu)建鐵路三維場(chǎng)景過(guò)程中提到建立了鐵路基礎(chǔ)部件模型庫(kù)，模型采用文件目錄管理，存儲(chǔ)的模型為沿線路方向5 m分段的組合結(jié)構(gòu)單元，該方式不利于模型數(shù)據(jù)檢索和基元模型組合重用。文獻(xiàn)[6]采用基元模型組合的方法構(gòu)建了高速鐵路三維場(chǎng)景，基元模型同樣采用文件夾管理。本文圍繞高速鐵路工務(wù)工程虛擬環(huán)境的建設(shè)和基于虛擬環(huán)境的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)應(yīng)用需求，針對(duì)基元模型管理分散，層次結(jié)構(gòu)不清晰，文件系統(tǒng)查詢低效、安全性低，實(shí)體模型顯示缺乏沉浸感等特點(diǎn)，研究基元模型庫(kù)的建庫(kù)技術(shù)，以VS.NET為開發(fā)平臺(tái)，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle作為數(shù)據(jù)庫(kù)支撐系統(tǒng)，采用Oracle Call Interface(簡(jiǎn)稱OCI)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口和OpenSceneGraph(簡(jiǎn)稱OSG)圖形渲染引擎，開發(fā)了高速鐵路工務(wù)工程基元模型庫(kù)管理系統(tǒng)，并將其作為鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)(軟件著作權(quán)登記號(hào)：2013SR117255)的子系統(tǒng)，在西部某高速鐵路的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)和視景仿真中進(jìn)行了訪問(wèn)調(diào)用。

1基元模型庫(kù)建庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)

1.1基元模型數(shù)字化建模技術(shù)

基元模型作為工務(wù)工程構(gòu)造物與設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)單元，其數(shù)據(jù)構(gòu)成主要包含以下4個(gè)部分。

(1)矢量文件

矢量文件是工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的原始資料，是實(shí)現(xiàn)構(gòu)造物及設(shè)備空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范存儲(chǔ)的前提，也是今后對(duì)三維模型進(jìn)行維護(hù)修改的基礎(chǔ)。它具有占用內(nèi)在空間小，放大圖像不會(huì)失真，表達(dá)構(gòu)造物的空間關(guān)系容易等特點(diǎn)。

(2)模型文件

模型文件即存儲(chǔ)工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備模型幾何實(shí)體數(shù)據(jù)的文件，它是模型庫(kù)仿真的核心部分。

(3)紋理文件

紋理文件是在高速鐵路工程項(xiàng)目實(shí)景中利用高倍照相機(jī)或攝像機(jī)采集的工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備外觀特性的照片、圖片，是用以進(jìn)行模型紋理貼圖和渲染的文件。

(4)屬性文件

屬性文件是表示工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備相關(guān)性能、功用的文字資料，是描述基元模型屬性的文件。

由此可知，基元模型是為基元模型庫(kù)設(shè)計(jì)劃分的最基本結(jié)構(gòu)單元，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)包含工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備矢量數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的靜態(tài)數(shù)據(jù)集?；Ｐ偷臄?shù)字化建模需分別針對(duì)不同對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行，其核心是解決模型對(duì)象的幾何建模問(wèn)題，也即如何在計(jì)算機(jī)中描述對(duì)象的形狀(多邊形、三角形、頂點(diǎn)和樣條)和外觀(表面紋理、表面光強(qiáng)度和顏色)，并從鐵路工程應(yīng)用角度考慮，要求所建的三維模型必須具有逼真性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

目前模型的幾何建模方法通常有采用三維參數(shù)化建模，利用圖形API或軟件平臺(tái)渲染和直接采用第三方軟件AutoCAD、3DSMAX、MAYA等進(jìn)行建模兩種[8-10]。由于工務(wù)工程專業(yè)領(lǐng)域性強(qiáng)，且工務(wù)構(gòu)造物設(shè)備及設(shè)施多由標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成，有大量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖，本文選擇采用計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)和3DS MAX技術(shù)進(jìn)行模型添加，利用AutoCAD軟件根據(jù)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖或尺寸創(chuàng)建基元模型的矢量圖形文件，利用3DS MAX軟件對(duì)基元模型實(shí)體對(duì)象進(jìn)行紋理映射、烘焙、光照及顏色處理，最后渲染輸出保存。其實(shí)該方法看似復(fù)雜，確重在積累，目前鐵路三維建模方面也積累了大量的模型成果，在后續(xù)系統(tǒng)使用過(guò)程中，只涉及到少量新型結(jié)構(gòu)的基元模型添加。例如對(duì)高速鐵路使用的鋼系桿拱橋進(jìn)行建模添加，其矢量模型和實(shí)體渲染模型的顯示如圖1所示。

圖1　鋼系桿拱橋建模

1.2基元模型庫(kù)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

(1)基元模型分類編碼方法

高速鐵路工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備種類繁多，幾何形體各異，材質(zhì)和性能復(fù)雜，基元模型數(shù)據(jù)的管理存在一定的困難。一個(gè)較為理想的解決辦法就是按照軌道、路基、橋涵、隧道、站場(chǎng)、沿線其它設(shè)施及設(shè)備等工務(wù)工程的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，再對(duì)各組成部分的基本結(jié)構(gòu)單元也即基元模型進(jìn)行詳細(xì)編碼，形成對(duì)高速鐵路工務(wù)工程組成單元的唯一標(biāo)識(shí)?；Ｐ虸D編碼方法設(shè)計(jì)如下。

基元模型的數(shù)字化建模流程如圖2所示。

圖2　基元模型數(shù)字化建模流程

基元模型ID：XXXX=X(子庫(kù)目錄代碼A～Z)+X(模型類別代碼1～9)+XX(基元代碼01～99)。

基于模型重用和分割—組合的思想，根據(jù)工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備的不同類型、功能和屬性，以及最終模型訪問(wèn)的便利，將基元模型庫(kù)分為軌道工程，路基工程、橋涵工程，隧道工程，站場(chǎng)工程、沿線其他設(shè)施及設(shè)備共6個(gè)子庫(kù)，每個(gè)子庫(kù)又包含不同的結(jié)構(gòu)類型，該分類編碼方式基本上覆蓋了全部的高速鐵路工務(wù)工程構(gòu)造物、設(shè)備及相關(guān)設(shè)施，并可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，具體分類見(jiàn)表1。

表1　高速鐵路工務(wù)工程基元模型庫(kù)分類

(2)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基元模型庫(kù)的層次結(jié)構(gòu)探討的是模型資源及其配套的資源以何種方式組織的問(wèn)題。它既要與三維模型的資源組成吻合，又要與基元模型分類編碼方法相一致，還要便于基元模型的檢索與使用。本文研究采用樹型結(jié)構(gòu)分類存儲(chǔ)基元模型，這樣既可以符合OSG場(chǎng)景圖的組織結(jié)構(gòu)，又結(jié)合了分類編碼設(shè)計(jì)的思想。樹型結(jié)構(gòu)根節(jié)點(diǎn)是模型庫(kù)目錄，枝干節(jié)點(diǎn)是子庫(kù)目錄，葉子節(jié)點(diǎn)是模型類型，每種類型都包含一個(gè)獨(dú)立的列表存儲(chǔ)目錄，存放著所有屬于該類型的基元模型，最后所有的類型包含于模型庫(kù)根目錄下，組成了完整的基元模型庫(kù)層次結(jié)構(gòu)樹，如圖3所示。

圖3　基元模型庫(kù)層次結(jié)構(gòu)樹

1.3三維圖形庫(kù)技術(shù)

三維圖形庫(kù)技術(shù)的代表有Direct3D和OpenGL。Direct3D和OpenGL都是屬于為了實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景圖形結(jié)構(gòu)管理和繪制而提供的一系列底層3D圖形API集合，它們都提供了建立基礎(chǔ)模型和渲染環(huán)境的工具集，OpenGL能運(yùn)行于多平臺(tái)下，Direct3D只能運(yùn)行于Windows平臺(tái)下。無(wú)論OpenGL還是Direct3D都是只提供了底層圖形操作的接口，仿真模擬時(shí)需要開發(fā)者進(jìn)行大量的底層實(shí)現(xiàn)，于是基于OpenGL或Direct3D的高階圖形庫(kù)得到了大力的發(fā)展。OSG正是這樣一種高階圖形引擎，它基于OpenGL標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，對(duì)底層做了大量封裝，使得專業(yè)領(lǐng)域的研究人員可以更多地關(guān)注本專業(yè)的功能實(shí)現(xiàn)。基元模型庫(kù)系統(tǒng)正是使用了該圖形庫(kù)技術(shù)，用于構(gòu)建支持立體顯示的逼真圖形渲染環(huán)境。

1.4三維立體顯示技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，立體顯示技術(shù)是非常關(guān)鍵的技術(shù)之一，沒(méi)有深度的立體視覺(jué)效果就沒(méi)有虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感。立體顯示的基本原理就是仿真人類觀看事物的生理過(guò)程，人類在觀察真實(shí)世界時(shí)，實(shí)際看到的是兩幅不同的圖像，分別進(jìn)入左右眼后，就會(huì)產(chǎn)生出有空間感的立體視覺(jué)效果在大腦中，這也即雙目視差產(chǎn)生的原理。OSG圖形庫(kù)支持立體顯示技術(shù)的開發(fā)，它提供了兩個(gè)附加的顏色緩沖區(qū)來(lái)生成左右屏幕圖像，通過(guò)正確選擇每只眼睛的觀察位置就可以生成真實(shí)的立體圖像。從立體圖像的顯示來(lái)看，主要有3種方法：頭盔顯示器立體顯示、眼鏡式立體顯示和裸眼式立體顯示。頭盔顯示器立體顯示是讓一只眼睛看一個(gè)顯示器，每個(gè)顯示器只顯示對(duì)應(yīng)眼睛的圖像，這樣頭腦中就產(chǎn)生了立體圖像。這種方法的實(shí)現(xiàn)是把顯示器縮小，放入到頭盔中。眼鏡式立體顯示是在顯示器上快速地顯示兩眼不同的圖像，而觀察者戴上立體眼鏡進(jìn)行觀察。眼鏡中的液晶片與顯示的圖像同步地進(jìn)行開關(guān)切換，使得在每一時(shí)刻只有一只眼睛能夠看到對(duì)應(yīng)的圖像，只要速度足夠快，由眼睛的暫留現(xiàn)象和大腦的作用，感覺(jué)到的就是立體的圖像[11-12]，這也是大多數(shù)立體投影系統(tǒng)采用的方式。而裸眼式立體顯示則是使用專門的顯示器將左右視圖獨(dú)立傳輸送入左右眼，常用技術(shù)有視差照明技術(shù)、狹縫光柵技術(shù)、柱面透鏡光柵技術(shù)和時(shí)序顯示技術(shù)等。從目前技術(shù)成熟程度、設(shè)備成本和立體顯示效果看，基元模型庫(kù)系統(tǒng)采用眼鏡式立體顯示方式最為合理。

眼鏡式立體顯示的硬件配置根據(jù)微機(jī)平臺(tái)和大屏幕投影平臺(tái)的不同可采用以下2種。

(1)基于微機(jī)平臺(tái)的立體顯示配置

圖形工作站或商用機(jī)，支持四緩沖立體的NVIDIA Quadro顯卡，刷新頻率120 Hz及以上的顯示器，英偉達(dá)3D Vision Pro發(fā)射器和眼鏡。

(2)基于大屏幕投影的立體顯示配置

圖形工作站或商用機(jī)，支持四緩沖立體的NVIDIA Quadro顯卡，主動(dòng)式單機(jī)(或被動(dòng)式雙機(jī))立體投影機(jī)；背投硬幕；主動(dòng)式液晶快門眼鏡(或被動(dòng)式偏振光眼鏡)。

1.5數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是以一定組織方式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的集合，它獨(dú)立于具體應(yīng)用程序而存在，可為多個(gè)用戶所共享。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是基元模型庫(kù)的關(guān)鍵組成部分，控制著基元模型信息的存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)的流入與流出。基元模型庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)要求具有存儲(chǔ)容量大、數(shù)據(jù)共享、支持分布處理，支持C/S、B/S、Web技術(shù)應(yīng)用、具有良好的安全性等技術(shù)特點(diǎn)。大型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle正是具有以上優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

出于模型存儲(chǔ)和發(fā)布的方便，基元模型在入庫(kù)時(shí)會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化處理，最后以二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)進(jìn)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。字段類型選擇BLOB，一種大型二進(jìn)制對(duì)象，可以存儲(chǔ)海量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，如圖像、視頻、音頻等，基元模型庫(kù)系統(tǒng)使用BLOB字段，通過(guò)OCI接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)基元模型文件的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。其中模型文件的存儲(chǔ)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示，對(duì)應(yīng)的字段名分別代表模型編號(hào)、模型所屬子庫(kù)、模型類型、模型名稱、模型文件、模型屬性備注。

表2　基元模型庫(kù)模型存儲(chǔ)表結(jié)構(gòu)

2基元模型庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基元模型庫(kù)管理系統(tǒng)本質(zhì)上是對(duì)高速鐵路工務(wù)工程構(gòu)造物及設(shè)備模型空間信息進(jìn)行的采集、處理、建模、分析、輸出的過(guò)程。因此，系統(tǒng)在總體上可劃分為3D模型入庫(kù)管理、場(chǎng)景編輯、信息查詢、基元模型資源維護(hù)等模塊，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　基元模型庫(kù)管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

(1)用戶權(quán)限管理

針對(duì)不同的用戶，如系統(tǒng)管理員、工務(wù)技術(shù)人員或普通用戶需要設(shè)置不同的操作權(quán)限。普通用戶只能進(jìn)行模型瀏覽，查詢操作。最高級(jí)別的為管理員賬戶，可以對(duì)普通用戶進(jìn)行管理和執(zhí)行模型添加、刪除、修改、輸出等操作。

(2)三維模型讀寫及入庫(kù)管理

(3)模型信息查詢

模型信息查詢是基元模型庫(kù)最基本的操作之一，可以通過(guò)導(dǎo)航欄選擇進(jìn)行查詢，或者點(diǎn)選場(chǎng)景中的模型進(jìn)行屬性查詢?；Ｐ蛶?kù)導(dǎo)航欄設(shè)置了一個(gè)樹視圖和一個(gè)列表視圖，通過(guò)點(diǎn)擊樹形結(jié)構(gòu)的每個(gè)分類節(jié)點(diǎn)，都可以展開下一級(jí)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)用戶點(diǎn)擊樹視圖中的根目錄(庫(kù)節(jié)點(diǎn))、一級(jí)子目錄(模型子庫(kù)節(jié)點(diǎn))和二級(jí)子目錄(模型子類節(jié)點(diǎn))時(shí)，列表視圖都會(huì)動(dòng)態(tài)更新，顯示出符合該分類節(jié)點(diǎn)的所有模型單元，找到所需模型單擊，以實(shí)現(xiàn)模型的三維預(yù)覽和屬性查詢。這種設(shè)計(jì)清晰地顯示了當(dāng)前模型庫(kù)的層次結(jié)構(gòu)及各層級(jí)下存儲(chǔ)的模型單元。當(dāng)直接在場(chǎng)景中的選取模型，尤其是組合模型時(shí)，可以針對(duì)模型的組成部件進(jìn)行瀏覽，可選擇線框模型或渲染模型顯示，或關(guān)閉任意組成部件進(jìn)行顯示。如圖5所示查詢模型CRTSⅡ型雙塊式無(wú)砟軌道后的顯示結(jié)果。

圖5　CRTSⅡ型雙塊式無(wú)砟軌道模型查詢

(4)模型場(chǎng)景編輯

模型場(chǎng)景編輯主要用于控制預(yù)覽區(qū)中模型的立體顯示和交互操作?；Ｐ蛶?kù)管理系統(tǒng)提供了場(chǎng)景三維對(duì)象的選取與操控的方法，通過(guò)相機(jī)矩陣操作可以實(shí)現(xiàn)不同視角下的交互查看，射線求交可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模型部件的選擇。模型在場(chǎng)景中的立體顯示可以通過(guò)對(duì)視差、景深、顯示模式選擇等參數(shù)進(jìn)行控制。模型場(chǎng)景的編輯功能還能對(duì)構(gòu)造物實(shí)體進(jìn)行組合、拆分、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、更換紋理、輸出模型對(duì)象等操作。

其中模型組合過(guò)程針對(duì)直線段和曲線段略有不同，直線段模型組合根據(jù)實(shí)際模型長(zhǎng)度直接進(jìn)行線性組合即可，并且不會(huì)出現(xiàn)拼接裂縫。而曲線段模型組合需要采用分段擬合的方法，具體分段長(zhǎng)度可以根據(jù)仿真精度和曲率進(jìn)行確定，分段長(zhǎng)度越小，拼接裂縫誤差越小。如圖6(a)、(b)中為直線段路基和隧道的組合模型示意，圖6(c)為分段長(zhǎng)度取5 m的曲線橋梁組合模型示意。

圖6　工務(wù)工程構(gòu)造物組合模型顯示

(5)基元模型資源維護(hù)

在建筑施工項(xiàng)目安全管理過(guò)程中，采用標(biāo)準(zhǔn)化的安全防護(hù)措施，可以有效減少安全事故的發(fā)生頻次。主要包括建筑物臨邊防護(hù)管理、洞口防護(hù)管理以及安全通道防護(hù)管理等。

由于仿真環(huán)境的變化，可能要對(duì)基元模型資源作適當(dāng)修改更新，比如，更新紋理文件，修改屬性信息等。高級(jí)用戶可以使用“索引”標(biāo)簽功能，進(jìn)入資源索引窗口，讀取并顯示當(dāng)前基元模型資源文件的縮略圖，單擊縮略圖，可啟動(dòng)相應(yīng)的程序(比如3DMAX、PhotoShop或AutoCAD等)打開模型元件、紋理或矢量圖形，進(jìn)行編輯，由此對(duì)基元模型進(jìn)行更新和維護(hù)。

3系統(tǒng)應(yīng)用

建立基元模型庫(kù)的最終目的是為了將其應(yīng)用于實(shí)際鐵路工程設(shè)計(jì)或視景仿真中。本文研究結(jié)合相關(guān)科研項(xiàng)目與鐵路設(shè)計(jì)企業(yè)聯(lián)合，將基元模型庫(kù)系統(tǒng)作為鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，在西部某高速鐵路的三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)及視景仿真中進(jìn)行了應(yīng)用。

在鐵路數(shù)字化選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)中調(diào)用基元模型庫(kù)構(gòu)建線路構(gòu)造物三維模型，要求線路構(gòu)造物能快速建模，動(dòng)態(tài)修改，這實(shí)際上是一個(gè)調(diào)度基元模型庫(kù)，進(jìn)行基元模型組合建模的過(guò)程。以CRTSII型雙塊式無(wú)砟軌道訪問(wèn)調(diào)用為例，實(shí)現(xiàn)核心代碼如下：

//根據(jù)基元模型編碼ID讀取庫(kù)中模型節(jié)點(diǎn)

readModelfromBuf( m_node_id );

//讀取模型后，記錄模型x、y、z尺寸

double m_xMax;double m_yMax;double m_zMax;

//定義軌道板x、y、z方向比例，默認(rèn)為1；

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

//在循環(huán)中定義模型變換矩陣

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

//設(shè)置軌道板局部坐標(biāo)原點(diǎn)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);

//根據(jù)線路中心線計(jì)算放置軌道板的三維坐標(biāo)

……

m_Center //當(dāng)前軌道板對(duì)應(yīng)線路位置三維坐標(biāo)

m_trackpat->setPosition(m_Center); //設(shè)置位置

//根據(jù)線路中心線計(jì)算當(dāng)前軌道板的旋轉(zhuǎn)角度

m_hudu_x//沿x軸的旋轉(zhuǎn)角度，單位弧度

m_hudu_y//沿y軸的旋轉(zhuǎn)角度，單位弧度

m_hudu_z //沿z軸的旋轉(zhuǎn)角度，單位弧度

……

m_trackpat->setAttitude();//設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度

//根據(jù)x、y、z比例設(shè)置模型大小

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

//添加變換好的模型矩陣m_trackpat到LOD中

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

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

//將lod節(jié)點(diǎn)添加到場(chǎng)景中

myScene->addChild(m_lod);

基元模型的調(diào)用大同小異，要做到場(chǎng)景實(shí)時(shí)顯示更多的工作是在場(chǎng)景優(yōu)化上。基元模型在鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)中的應(yīng)用效果如圖7所示，圖7(a)為三維實(shí)體選線設(shè)計(jì)過(guò)程中某一橋梁段基元模型的局部修改界面截圖，圖7(b)為基元模型在線路視景仿真中的漫游效果圖。

圖7　基元模型庫(kù)模型應(yīng)用效果圖

4結(jié)語(yǔ)

中國(guó)鐵路正面臨著蓬勃的發(fā)展機(jī)遇，尤其是高速鐵路和客運(yùn)專線的大力建設(shè)，為了適應(yīng)鐵路大規(guī)模建設(shè)的新形勢(shì)，鐵路行業(yè)正在積極推進(jìn)鐵路數(shù)字化進(jìn)程。在高速鐵路數(shù)字化工務(wù)工程虛擬環(huán)境建設(shè)過(guò)程中，需要使用大量的基元模型資源，針對(duì)這些資源的組織與管理提出了有效的解決辦法，建立了基元模型庫(kù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的基元模型庫(kù)層次結(jié)構(gòu)有利于基元模型的積累和擴(kuò)展。基元模型庫(kù)系統(tǒng)除了可應(yīng)用于鐵路數(shù)字化選線平臺(tái)外，還可作為其他鐵路信息可視化支撐平臺(tái)的組成部分，它的建立與完善可以有效加快鐵路信息可視化建模的速度，大大簡(jiǎn)化鐵路虛擬環(huán)境的構(gòu)建流程。本文研究的基元模型庫(kù)具有良好的工程應(yīng)用前景。

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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

中圖分類號(hào)：U212.32； TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.002

文章編號(hào)：1004-2954(2015)05-0005-06

作者簡(jiǎn)介：聶良濤(1985—)，男，博士研究生，E-mail：ltnie@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51278316)；西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(2010-HRE-02)；鐵道部科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(重大-33-2011)

收稿日期：2014-07-30； 修回日期：2014-08-22