高速铁路虚拟环境与动力学设计平台.pptx

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1、高速铁路虚拟环境与动力学设计平台高速铁路虚拟环境与动力学设计平台2019年7月第二讲一一.背景背景高速铁路大规模建设高速铁路是我国发展的主要方向、2020，3.0万公里（2019年底将实现），高速铁路的运行速度高，对行车平稳和旅客舒适度要求更高。虚拟环境选线设计需求将线路设计问题与虚拟现实技术有效的结合起来，实现设计成果三维直观表达、可视化融入整个设计过程，对于方便设计方案审查、提高设计质量具有重要作用。动力学线路设计优化从动力学角度进行线路平纵断面参数的优化设计，对于提高列车运行安全性和舒适性以及减小轮轨间动力相互作用，获得能够保证高速行车安全性和舒适性的最佳线路设计方案。虚拟环境的理解虚拟

2、环境的理解虚拟现实（VirtualReality）或称虚拟环境，是由计算机生成的，具有临场感觉的环境，它是一种全新的人机交互系统。工程意义上的工程意义上的虚拟环境虚拟环境n以计算技术计算技术为核心，生成感知上与真实环境高度近似，交互上直观自然的数字化环境。数字化环境。虚拟环境选线虚拟环境选线铁路线路中心线铁路线路中心线铁路线路构造物实体铁路线路构造物实体传统的基于数字传统的基于数字线划图的二维透线划图的二维透视选线设计视选线设计基于虚拟环境的基于虚拟环境的三维数字化选线三维数字化选线设计设计（数字化成果（数字化成果所选即所见）所选即所见）虚拟环境选线虚拟环境选线1.1.线路线路平纵断面与高速行

3、车安全平纵断面与高速行车安全舒适性舒适性的关系的关系高速铁路线路平、纵组合断面的形式非常多,在高速行车条件下,可能在线路平纵断面某些位置（如平面曲线直缓点和缓圆点均与纵断面变坡点搭接）产生较剧烈的轮轨动态相互作用,线路平纵断面的设计参数(包括平面曲线及其连接、竖曲线及其连接)对实际运行车辆的安全性和舒适性有很大影响,且这种影响随行车速度提高而迅速增大,有时还可能成为控制因素。动力学选线动力学选线将线路初始设计方案(平纵断面参数及轨道结构参数)连同未来将要运营的机车车辆条件(机车车辆动力学参数及运行速度)输入至动力学仿真分析系统;分析预测轨道结构动力响应,包括轨道振动特性、轨道受力特性及轨道变形

4、特性 同时分析得出机车车辆在设计线路上的走行性能指标(运行平稳性及轮轨动态安全性指标)(2).(2).基于车线最佳匹配基于车线最佳匹配设计原理的线路动态设计方法设计原理的线路动态设计方法动力学选线动力学选线根据相关机车车辆及线路动力性能评定标准(规范)对上述动力响应指标进行综合评估,并由此评价线路设计的合理性;若非理想设计,寻找动力性能较差的指标及对这些指标敏感的线路结构参数(如最小曲线半径、超高、缓和曲线长度参数等);优化相关结构参数,重新输入仿真设计平台进行动力性能分析与评估;如此反复改进直至满意为止,即可获得既能满足线路自身动力性能要求又能保证机车车辆在该设计线路上安全平稳运行的最佳设计

5、方案。(2).(2).基于车线最佳匹配基于车线最佳匹配设计原理的线路动态设计方法设计原理的线路动态设计方法动力学选线动力学选线本讲主要内容三维可视化工程地质环境建模高速铁路虚拟地理环境建模高速铁路动力学选线方法及平台开发线路三维构造物基元模型库系统高速铁路景观环境三维建模系统高速铁路三维牵引计算与运行仿真系统高速铁路线路动态仿真与漫游系统二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模模型和数据结构进行优化组织方法、优化的实时显示算法综合应用航测和卫星遥感快速获取三维空间建模的海量数据方法处理海量数据和高质量的显示效果实现建立高速铁路虚拟地理环境建模系统基于图像和计算机视

6、觉、数据库多维数据集成应用与可视化等术融入既有道路、房屋、水系、景观等属性数据、多媒体数据，建立真三维立体地理环境二二 、基于、基于航测遥感航测遥感的虚拟地理环境建模的虚拟地理环境建模(1)虚拟地理环境建模平台的空间地理数据集成模式二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模结合铁路选线地形的特点，采用外存管理技术和多分辨率LOD技术减少内存中地形三角片绘制数量，结合GPU绘制技术、场景裁剪技术和多线程调度技术加速地形绘制速度，实现适合线路三维设计与漫游的、GPU友好的、基于TIN的大规模带状地形建模与可视化算法,解决海量地形建模与可视化问题。二二 、基于航测遥感的、

7、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模p综合综合采用采用金字塔模型、多分辨率细节层次（MRLOD）技术、多级纹理（MipMap）技术以及Oracle数据库技术，对地形进行，对地形进行预预处理处理；p将将海量地形数据（海量地形数据（DEMDEM）和影像纹理数据（）和影像纹理数据（DOMDOM）处理成）处理成分块分区多层次多细节LOD三角网数据块（chunkschunks），建立二进制的高），建立二进制的高效率效率地形分页数据库。p基于基于Oracle OCI技术解决大规模地形数据的数据库存储和调度问解决大规模地形数据的数据库存储和调度问题题。p采用采用四四叉树组织不同细节层次的地形块，利

8、用数据预取与不同细节层次的地形块，利用数据预取与多线程调度，根据视点位置动态调度数据块，快速实现了铁路大范围地，根据视点位置动态调度数据块，快速实现了铁路大范围地形三维漫游形三维漫游。二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模建模算法流程示意图二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模1）带状离散点DEM分块处理离散点离散点分块分块、分层、分层处理处理示意示意MN2M2N4M4N8M8N金字塔金字塔模型模型二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模2）影像分块处理方法对DOP影像纹理数据也进行分块分层，构建影像

9、金字塔。研究采用GDAL技术进行海量栅格影像读取与分块分层处理。通过三维图形渲染引擎OSG进行Mipmap纹理的创建和纹理文件DXT压缩，从而形成地形多级纹理。二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模1）带状离散点DEM分块处理分块前先对获取的原始带状地形数据进行图幅旋转，以减少分块数图幅旋转前分块示意图幅旋转前分块示意图幅旋转后分块示意图幅旋转后分块示意二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模多分辨率LOD地形模型 最后通过四叉树索引组织调度的多分辨率LOD地形模型显示如图所示。二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模

10、虚拟地理环境建模利用垂直排列的的裙带(skirt)边界来消除裂缝。裙边界裂缝消除二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模采用研究算法生成的带状地形多分辨率TIN模型调度显示情况如图所示，可以看出边界也能保持带状特征。带状地形多分辨率TIN模型二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模铁路虚拟地理环境中的地物，主要指铁路沿线的其他人工构造物或铁路虚拟地理环境中的地物，主要指铁路沿线的其他人工构造物或自然景物，包括自然景物，包括房屋建筑、既有道路，树木、江河湖泊等。通过高等。通过高分辨率正射影分辨率正射影像作为像作为地形纹理映射到数字地形模

11、型上，只能较清晰地形纹理映射到数字地形模型上，只能较清晰的反应这些地物的边界或位置信息，并不能表达它们的三维信息和的反应这些地物的边界或位置信息，并不能表达它们的三维信息和特有的属性和行为信息特有的属性和行为信息，真实感，真实感和沉浸性和沉浸性较差较差。树木模型水系建模建筑物建模二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模1）树模型建模（a a）单片树）单片树 （b b）十字树）十字树虚拟虚拟地理环境中的树木模型地理环境中的树木模型二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模2）水系建模采用动态纹理技术实现采用动态纹理技术实现的的小范围水系小

12、范围水系建模建模。二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模2）水系建模采用采用osgOceanosgOcean技术实现的技术实现的大范围水系大范围水系建模建模。二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模3）与地形弱关联的静态地物与地形的融合二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模4）与地形强关联的静态地物与地形的融合既有道路（a）网格显示模式）网格显示模式（b）纹理显示模式）纹理显示模式道路道路建模在三维地形环境中的融合效果图建模在三维地形环境中的融合效果图二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境

13、建模虚拟地理环境建模基于基于球体进行天空的模拟球体进行天空的模拟，能真实的描述现实天空能真实的描述现实天空。不同不同视点下的球状天空体显示效果图视点下的球状天空体显示效果图二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模不同不同视点下的球状天空体显示效果图视点下的球状天空体显示效果图基于基于球体球体进行天空的进行天空的模拟模拟，能真实的描述现实能真实的描述现实天空天空。二二 、基于航测遥感的、基于航测遥感的虚拟地理环境建模虚拟地理环境建模基于粒子系统的雨雪基于粒子系统的雨雪模拟模拟。三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模三维可视化工程地质环境建模1

14、2345工程地质虚拟环境建模数字地质信息提取 三维地质建模数据模型三维地质体建模三维地质模型可视化及分析三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模在已建立的三维地形环境中集成和描述地质信息；能够对地质信息进行各种空间查询与分析决策；能够以一种动态的交互式的三维影像形式表现出来，实现真三维的地质体数据建模、分析及可视化；使模型真实反映地质构造形态、构造关系及地质体内部属性变化规律。实现选线地质数据的整合、建库与三维数字化管理、表达及应用，为虚拟环境中选线设计提供数据基础。三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视

15、化工程地质环境建模p将地质对象的解译坐标精确定位到三维地形模型上，并叠加上解译图像进行外部显示，是实现不良地质对象融合建模的关键。p采用矢量栅格混合结构数据模型，在计算机内部进行判断分析时，采用矢量结构数据模型，屏幕外部显示时，采用栅格结构数据模型。矢量数据也即解译坐标加入地形，选用动态加入法调入解译坐标。三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模1 1）矢量化建模方法矢量化建模方法 线状地质对象生成线状地质对象生成插值插值n次次Bzier曲线曲线面面状状地质对象生成地质对象生成“点点通过”式累加弦长三次参数样条曲线来描述面状地质对象。面状地质对象绘制效果图面状地质对象绘制

16、效果图三次参数曲线段三次参数曲线段三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模2 2）栅格化建模方法栅格化建模方法不良地质不良地质对象的对象的TINTIN模型模型遥感遥感解译影像纹理解译影像纹理地质地质对象遥感解译影像在三维环境中表达对象遥感解译影像在三维环境中表达线状地质对象约束线状地质对象约束TINTIN模型与解译影像模型与解译影像三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模矢量栅格混合矢量栅格混合（c）更新影响）更新影响区域的三角网区域的三角网（a）地形）地形TIN（b）删除影响）删除影响区域的三角网区域的三角网 三三 、三维可视化工程地质环境建模、三

17、维可视化工程地质环境建模3 3）地质对象文化特征建模）地质对象文化特征建模三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模不良地质不良地质分布分布不良地质界线不良地质界线从地质平面图从地质平面图上提取上提取不良地质不良地质对象对象边界边界和和属性信息。属性信息。基于基于AutoCADAutoCAD编制的数字编制的数字地质信息提取程序，地质信息提取程序，提取不良地质提取不良地质对象的对象的多边形边界数据并存多边形边界数据并存储到数据库中。储到数据库中。三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模钻孔柱状图钻孔柱状图是以是以AutoCADAutoCAD的的dwgdw

18、g格式进行格式进行存储，通存储，通过过项目编制的项目编制的AutoCADAutoCAD二二次开发自动提取程序，次开发自动提取程序，提取既有钻孔柱状图提取既有钻孔柱状图数数据据，存储在钻孔数据库存储在钻孔数据库中。实测钻孔数据的数中。实测钻孔数据的数字化提取和显示见示意字化提取和显示见示意图如图所图如图所示示。实测钻孔柱状图实测钻孔柱状图钻孔文件夹钻孔文件夹钻孔基本信息表钻孔基本信息表钻孔地层详细信息表钻孔地层详细信息表CADCAD提取提取转换模转换模块块钻孔数据可视化 三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模地质剖面地质剖面数据来源主数据来源主要有钻孔地层连接而要有钻孔地

19、层连接而成的剖面图、野外区成的剖面图、野外区域地质调查绘制的剖域地质调查绘制的剖面图以及物探解释后面图以及物探解释后的地质体的地质体剖面图剖面图。在在实际利用此类数据进实际利用此类数据进行建模时，先要进行行建模时，先要进行图片的扫描和文件格图片的扫描和文件格式的转换式的转换。三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模在地质勘察数据库在地质勘察数据库中，以中，以AccessAccess数据数据库方式导入三维地库方式导入三维地质建模所需钻孔、质建模所需钻孔、地层等数据地层等数据。将。将各各钻孔的钻孔数据和钻孔的钻孔数据和地层数据分别存储地层数据分别存储到钻孔数据表和地到钻孔数据

20、表和地层数据表中层数据表中。钻孔数据预处理示意图三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模P1P2P3P5P6P4Node:结点Edge:边（顶底面边、侧边、侧面、对角线）Up_Down_Triangle:顶面底三角形Side_Triangle:侧面三角形GTP:广义三棱柱广义三棱柱模型广义三棱柱模型GTPGTP体元绘制体元绘制1 1）GTPGTP数据模型数据模型三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模2 2）钻孔数据内插钻孔数据内插算法算法采用空间插值算法采用空间插值算法对地层参数进行适对地层参数进行适当的内插和外推来当的内插和外推来估计地层的空间展

21、估计地层的空间展布布规律规律，基于基于C#C#编编程语言开发了钻孔程语言开发了钻孔数据内插程序数据内插程序，为，为三维地质模型的建三维地质模型的建立提供数据基础立提供数据基础。三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模3 3）添加）添加虚拟钻孔虚拟钻孔添加添加虚拟虚拟钻孔钻孔三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模4 4）基于地质剖面的虚拟钻孔加入基于地质剖面的虚拟钻孔加入虚拟钻孔添加示意虚拟钻孔添加示意通过地质剖面数据，通过地质剖面数据，在相邻两个钻孔和在相邻两个钻孔和多个钻孔之间，插多个钻孔之间，插入入“虚拟钻孔虚拟钻孔”，可以获得更详细的可以获得

22、更详细的地层分层地层分层信信息息三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模1 1）地质体表面建模）地质体表面建模地质体表面模型直接采地质体表面模型直接采用数字高程模型数据，用数字高程模型数据，以充分表现高程细节的以充分表现高程细节的变化。根据选定的局部变化。根据选定的局部区域范围，自动提取该区域范围，自动提取该区域范围内的区域范围内的DEMDEM数据，数据，而对多边形范围边界上而对多边形范围边界上的控制点，也作为地形的控制点，也作为地形表面的数据点，共同构表面的数据点，共同构建地表面建地表面TINTIN模型模型。地表面地表面TINTIN模型模型三维地层表面模型三维地层表面模

23、型地质体地层界面模型地质体地层界面模型三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模2 2）基于）基于GTPGTP体元的三维地质体建模体元的三维地质体建模针对针对选定区域进行选定区域进行GTPGTP体元的三体元的三维地质体维地质体建模建模，其其核心是对钻孔核心是对钻孔数据进行层序分层后，采用不规数据进行层序分层后，采用不规则三角网形成地层界面，然后根则三角网形成地层界面，然后根据各钻孔数据，向下生成据各钻孔数据，向下生成GTPGTP体体元模型，并采用遗传元模型，并采用遗传克里金插克里金插值算法对生成地层曲面进行平滑，值算法对生成地层曲面进行平滑，再用这些层面数据生成地质体，再用

24、这些层面数据生成地质体，建立三维地质体模型。建立三维地质体模型。GTPGTP构建三棱柱模型构建三棱柱模型三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模2 2）基于）基于GTPGTP体元的三维地质体建模体元的三维地质体建模基于基于GTPGTP法法构建构建的的三维三维地地质质体体模型模型三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模2 2）基于）基于GTPGTP体元的三维地质体建模体元的三维地质体建模基于基于GTPGTP构建构建长带状长带状地质地质实体模型实体模型三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模3 3）剖面建模）剖面建模沿线路中线剖面查

25、询沿线路中线剖面查询 路基某桩号横断面剖面查询路基某桩号横断面剖面查询三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模4 4）剖面建模剖面建模多边形剖面查询多边形剖面查询三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模4 4）断层建模断层建模 含断层地质体三维建模示意图含断层地质体三维建模示意图断层建模效果图断层建模效果图三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模5 5）滑坡滑坡地质地质体体建模建模曲面外形渐变曲面外形渐变钻孔加密钻孔加密滑坡整体滑坡整体岩层分界面岩层分界面单级单级滑坡体滑坡体多级滑坡体多级滑坡体三三 、三维可视化工程地质环境建模

26、、三维可视化工程地质环境建模6 6）长大带状地质环境建模）长大带状地质环境建模 将建模区域的带状边界范围特征线数据、地表地理环境、带状边界范围特征线数据、地表地理环境、分块地质实体对象、钻孔数据、剖面数据分块地质实体对象、钻孔数据、剖面数据进行融合建模，对分块地质实体对象进行空间定位分块地质实体对象进行空间定位，建立适合铁路地质选线的长大带状地质环境模型，为选线工程师实时获取地质信息、分析地质对象提供直观的可视环境。三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模6 6）长大带状地质环境建模）长大带状地质环境建模长大长大带状地质环境模型带状地质环境模型三三 、三维可视化工程地质环

27、境建模、三维可视化工程地质环境建模6 6）长大带状地质环境建模）长大带状地质环境建模长大长大带状地质环境模型带状地质环境模型三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模6 6）长大带状地质环境建模）长大带状地质环境建模长大长大带状地质环境模型带状地质环境模型三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模1 1）钻孔可视化及查询）钻孔可视化及查询三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模1 1）钻孔可视化及查询）钻孔可视化及查询三维钻孔图三维钻孔图和和钻孔空间分布查询结果钻孔空间分布查询结果三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地

28、质环境建模1 1）钻孔可视化及查询）钻孔可视化及查询叠加地表后的钻孔实体对象可视化建模效果叠加地表后的钻孔实体对象可视化建模效果三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模2 2）工程地质剖面生成及可视化查询）工程地质剖面生成及可视化查询根据既有地质剖面图生成的三维空间下的地质剖面根据既有地质剖面图生成的三维空间下的地质剖面三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模2 2）工程地质剖面生成及可视化查询）工程地质剖面生成及可视化查询三维地质模型多截面剖三维地质模型多截面剖切效果图切效果图横剖面效果横剖面效果平切面效果平切面效果三三 、三维可视化工程地质环境建

29、模、三维可视化工程地质环境建模根据钻孔数据连接生成的地质剖面图根据钻孔数据连接生成的地质剖面图2 2）工程地质剖面生成及可视化查询）工程地质剖面生成及可视化查询三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模根据地质实体任意剖切生成的剖面根据地质实体任意剖切生成的剖面2 2）工程地质剖面生成及可视化查询）工程地质剖面生成及可视化查询三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模3 3）基于基于GTPGTP地质体的剖面生成及查询地质体的剖面生成及查询地层剖切效果地层剖切效果地层剖面生成效果地层剖面生成效果三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模

30、4 4）模型提取模型提取与与可视化可视化表达表达地质体提取效果图地质体提取效果图三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模4 4）模型提取模型提取与与可视化可视化表达表达矩形区域提取建模矩形区域提取建模与可视化与可视化 多边形形区域提取建多边形形区域提取建模与可视化模与可视化 大比例尺地质对象提取建模与显示大比例尺地质对象提取建模与显示矩形区域提取建模与可视化矩形区域提取建模与可视化 三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模4 4）模型提取模型提取与与可视化可视化表达表达三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模4 4）模型提取模型

31、提取与与可视化可视化表达表达 多边形切割效果图多边形切割效果图三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模5 5）地质模型三维可视化表达地质模型三维可视化表达复合切割效果复合切割效果 多边形切割效果图（交叉折剖面）多边形切割效果图（交叉折剖面）各地层离层模型展示（切割模式）各地层离层模型展示（切割模式）多边形切割效果图（剖面生成）多边形切割效果图（剖面生成）三三 、三维可视化工程地质环境建模、三维可视化工程地质环境建模5 5）地质模型三维可视化表达地质模型三维可视化表达方形隧道隧道漫游方形隧道隧道漫游效果效果纹理纹理模式模式三维地质模型基坑开挖三维地质模型基坑开挖多开挖模式图

32、多开挖模式图四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统p采用构建模型库来管理铁路线路构造物三维模型资源，可有效辅助工程师在铁路虚拟环境选线系统中进行结构物选型决策，提高三维实体选线设计的效率。p与普通铁路相比，高速铁路的环境建模更为复杂，特别是线路构造物及设备的技术标准与普通铁路均有较大差异。p因此，建立高速铁路数字化线路基元模型库也是实现高速铁路虚拟环境选线的关键环节和重要步骤。四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统p高速铁路结构物主要包括轨道结构、路基支挡、防护结构物、桥跨结构物、桥梁墩台、涵洞、隧道洞门、站场；除上述结构物外，高速铁路沿

33、线还有很多附属结构物，如接触网、声屏障、栏杆等，将它们归为线路附属结构物子库中并分别建模。p每种结构物由不同的构件组成，每种构件再细分为具体的基元，通过基元组合形成构造物模型。为高速铁路景观设计奠定基础。四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统构造构造物物及设备分类情况较为复杂，对模型数据的管理存在及设备分类情况较为复杂，对模型数据的管理存在一定困难。一个较为理想的解决办法是给每一个模型分配一定困难。一个较为理想的解决办法是给每一个模型分配一个唯一的模型编码一个唯一的模型编码IDID号，并且采用多级目录进行分类储号，并且采用多级目录进行分类储存管理。分类编码方法如下存

34、管理。分类编码方法如下：基元模型基元模型ID：wxxyyzz=w（子库目录代码（子库目录代码AZ）+xx（结构（结构物类型代码物类型代码0199）+yy（构件模型类别代码（构件模型类别代码0199）+zz（基元模型类别代码（基元模型类别代码0199）。四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统1 1）轨道工程轨道工程结构物类型结构物类型构件类型构件类型基元模型类型基元模型类型A01A01钢轨钢轨A0101 75A0101 75轨轨A010101 75A010101 75轨轨A0102 60A0102 60轨轨A010201 60A010201 60轨轨A0103 50A

35、0103 50轨轨A010301 50A010301 50轨轨A0104 43A0104 43轨轨A010401 43A010401 43轨轨四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统混凝土桥枕混凝土桥枕型混凝土枕型混凝土枕 有挡肩有挡肩2.6m长长1 1）轨道工程轨道工程四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统1 1）轨道工程轨道工程CRTS平板型板式无砟轨道平板型板式无砟轨道CRTS框架型板式无砟轨道框架型板式无砟轨道四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统1 1）轨道工程轨道工程CRTS型板式无砟轨道型板式无砟轨

36、道6 CRTS型双块式无砟轨道型双块式无砟轨道四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统1 1）轨道工程轨道工程1弹条弹条型扣件型扣件弹条弹条型扣件型扣件 四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统1 1）道岔道岔12#左开道岔左开道岔12#可动心轨右开道岔可动心轨右开道岔四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统2 2）道岔道岔18#可动心轨左开道岔可动心轨左开道岔 18#可动心轨右开道岔可动心轨右开道岔四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程时速时速350km大跨度预应

37、力箱梁大跨度预应力箱梁40m连续梁刚构桥连续梁刚构桥四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程门式刚构桥门式刚构桥 斜腿刚构桥斜腿刚构桥四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程1上承式桁梁钢上承式桁梁钢 下承式桁梁钢下承式桁梁钢四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程中承式钢筋混凝土拱中承式钢筋混凝土拱连续梁拱组合桥连续梁拱组合桥四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程钢系杆拱桥钢系杆拱桥公铁两用钢

38、桁梁斜拉桥公铁两用钢桁梁斜拉桥四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程矩形墩矩形墩 圆形墩圆形墩四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程Y型桥墩型桥墩双柱式矩形墩双柱式矩形墩四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程埋式桥台埋式桥台矩形桥台矩形桥台四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程单线桥梁护坡单线桥梁护坡双线桥梁护坡双线桥梁护坡四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统

39、3 3）桥涵工程桥涵工程栏杆栏杆 有砟轨道桥梁人行道栏杆有砟轨道桥梁人行道栏杆四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3 3）桥涵工程桥涵工程八字式洞门圆管涵八字式洞门圆管涵端墙式洞门拱涵端墙式洞门拱涵四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统4 4）隧道工程隧道工程 端墙式洞门端墙式洞门 柱式洞门柱式洞门四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统4 4）隧道工程隧道工程直切式洞门直切式洞门 倒切式洞门倒切式洞门 四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统5 5）牵引供电工程牵引供电工程横腹杆式支

40、柱横腹杆式支柱工字形钢管支柱工字形钢管支柱四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统5 5）牵引供电工程牵引供电工程格构式支柱格构式支柱格构式硬横跨支柱格构式硬横跨支柱四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统6 6）沿线其它设施及设备沿线其它设施及设备直臂式声屏障直臂式声屏障弧形式声屏障弧形式声屏障四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统基元模型库管理系统本质上是对高速铁路线路构造物及设备模型空间信息进行的采集、处理、建模、分析、输出过程。因此，系统在总体上划分为3D模型入库管理、场景编辑、信息查询、基元模型资源维护等

41、模块。基元模型库管理系统界面基元模型库管理系统界面四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统3D3D模型模型入库入库模型控制模型控制四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统三维模型资源查询界面三维模型资源查询界面通过资源管理窗口更换基元模型纹理通过资源管理窗口更换基元模型纹理四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统通过资源管理窗口查询矢量文件通过资源管理窗口查询矢量文件四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统无砟轨道结构单元无砟轨道结构单元隧道地段隧道地段基元模型库三维模型调用效果图基元模型库

42、三维模型调用效果图四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统桥梁地段桥梁地段路基地段路基地段基元模型库三维模型调用效果图基元模型库三维模型调用效果图四四 、铁路线路构造物基元模型库系统、铁路线路构造物基元模型库系统（1）建立了高速铁路线路工程构造物常用类型基元库，涵盖了轨道、路基支挡及防护结构物、桥跨结构物、桥梁墩台、涵洞、隧道洞门，共8个大类的各种模型。（2）采用Visual C+和Oraele10G相结合，研制了高速铁路线路工程基元模型库管理系统，初步实现了在三维设计系统中查询、修改和调用线路工程构造物及设备模型基元的功能，并在构建高速铁路视景仿真三维场景中得以验证

43、。五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模p轨道建模是铁路线路三维场景建模中重要的一部分。本研究以无砟轨道为例。由于无砟轨道零件多，结构复杂、精细，不适合使用几何图元法对轨道建模，而适合用基于模型库的外部模型导入法进行建模。p先使用CAD结合3DMAX对轨道进行精细化建模，并将不同种类的无砟轨道板基元模型储存在模型库中。p再根据轨道与线路中线的相对位置和角度，调用模型库中基元模型，导入三维场景，通过缩放和旋转后平铺到线路上。五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模单线路堑段无砟轨道建模效果单线路堑段无砟轨道建模效果双线高架桥上无砟轨道建模效果双线高架桥上无砟轨道

44、建模效果五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模双线隧道内无砟轨道建模效果双线隧道内无砟轨道建模效果轨道结构细部建模效果轨道结构细部建模效果五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模1 1）桥身桥身建模建模 上承式钢筋混凝土空腹拱上承式钢筋混凝土空腹拱五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模1 1）桥身桥身建模建模扇形竖直双面索面斜拉桥扇形竖直双面索面斜拉桥中承式钢筋混凝土拱中承式钢筋混凝土拱(双拱双拱)五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模2 2）桥墩桥墩建模建模桥墩结构形式也比较复杂，并且桥墩的类型丰富多样，选线工程师经常需要

45、根据不同的情况选择使用不同类型的桥墩，所以本研究采用导入场景模型的方法对桥墩进行建模。重力式矩形桥墩五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模3 3）栏杆建模栏杆建模桥梁同样是需要根据栏杆间距计算桥梁栏杆的坐标，然后导入把模型移动、旋转和缩放后放到到相应的位置，方法与桥墩建模的计算方法类似。中承拱桥与栏杆五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模4 4）参数化设计参数化设计设计桥梁的时候，根据地形、地质条件，选择和修改桥梁类型、桥墩类型和栏杆类型，也可以实时的查询桥梁信息。桥梁参数设置五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模4 4）参数化设计参数化设

46、计五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模4 4）参数化设计参数化设计通过桥梁模型的参数设置，选择不同桥墩模型、支梁模型、桥梁桥面模型组合成一个完整的桥梁模型，实现多景观桥梁模型的建立和应用。桥梁桥梁三维景观三维景观1 1五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模4 4）参数化设计参数化设计桥梁桥梁三维景观三维景观2 2桥梁桥梁三维景观三维景观3 3五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模1 1）隧道洞身建模隧道洞身建模五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模1 1）隧道参数设置隧道参数设置五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景

47、观环境三维建模2 2）隧道洞门建模隧道洞门建模隧道绘制三维效果图隧道绘制三维效果图五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模路堑隧道过渡段几何建模，采用对路堑隧道过渡段重叠的地块进行重新构网并开挖，并取代原有的地块节点的方法。这里把地块和路堑重叠部分成为约束边界。路堑开挖前路堑开挖前(三角网模式三角网模式)路堑开挖后路堑开挖后(三角网模式三角网模式)五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模路堑开挖前路堑开挖前(纹理模式纹理模式)路堑开挖后路堑开挖后(纹理模式纹理模式)五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景

48、观环境三维建模通过在路基两侧，计算出左右接触网模型对应的三维坐标位置，读取选择的接触网模型，然后通过旋转、缩放和平移操作，将模型在计算出来的位置进行绘制。接触网模型参数设置界面接触网模型参数设置界面五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模接触网模型景观建模效果接触网模型景观建模效果五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模接触网模型景观建模效果接触网模型景观建模效果五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模1 1）数据资源的获取与处理数据资源的获取与处理图片处理前图片处理前 图片处理后图片处理后五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模

49、1 1）数据资源的获取与处理数据资源的获取与处理系统树木景观模型库系统树木景观模型库五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模2 2）三维树木景观参数设置三维树木景观参数设置三维树木景观参数设置三维树木景观参数设置五、五、高速铁路景观环境三维建模高速铁路景观环境三维建模3 3）三维树木三维树木景观建模效果景观建模效果六、高速铁路三维牵引计算系统六、高速铁路三维牵引计算系统动车组牵引力数据、基本阻力数据和制动力数据，是牵引计算所必需的基础力学数据。然而，我国高速铁路目前运行的多种CRH型动车组并没有提供这些力学数据。因此，在进行牵引计算时，特性曲线成为获取牵引力、基本阻力和制动力主

50、要数据源。六、高速铁路三维牵引计算系统六、高速铁路三维牵引计算系统速度v(km/h)牵引力F(kN)050100150200250050100150200250300350CRH1-200速度v(km/h)牵引力F(kN)050100150200250050100150200CRH2-200速度v(km/h)牵引力F(kN)350300250200150100500050100150200250300350CRH3-350六、高速铁路三维牵引计算系统六、高速铁路三维牵引计算系统速度v(km/h)基本阻力Wo(kN)0501001502002500102030405060空载情况定员情况 CRH