数字化工务工程基元模型库建模方法研究
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（ １ ． 西南交通大学 土木工程学院 ， 四川 成 都 重点实验室 ， 四川 成 都 ６ １ ０ ０ ３ １ ； ２ ． 西 南 交 通 大 学 高 速 铁 路 线 路 工 程 教 育 部 ４ ０ ０ ０ ３ ９ ） ６ １ ０ ０ ３ １ ； ３ ． 机械工业第三设计研究院 ， 重庆
摘要 ： 数 字化 工务 工程 虚拟 环境 是数 字铁路 系统的 重要 组 成部ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分 。通 过 建立 工 务 工程 基 元模 型 库 来 构
数字地 球是 信 息时 代 的 必然 产 物 ， 也 是 世 界 各 国 争先 研究 的热 点 问题
一
了三维模 型数 据库 的存 取 。最后对 大规 模 的铁路 场景 中模 型调 用 与优化 方法进 行 了研究 。本 文针 对模 型 的 生产、 读取 、 存储 、 维护 、 输 出调用提 供 了详细 的解 决方 案， 可用 于工务 工 程虚拟 环境 的快 速构 建 。
１ ． １ 三维 参数化 建模 目前 铁路设 计 采用 的是 一种基 于标 准 图设 计 的方 法， 铁 路 三维模 型基 元可 以依 据标 准结构 图进 行构 建 。 采用 三维 参数 化建模 的 目的就 是能 够按 照不 同 的仿 真 级别 或用 户 的仿真 需 求对 模 型 基 元 进 行灵 活 的修 改 ， 所 以它 的易 于修改 性至关 重要 。三 维参 数化 建模 的关 键在 于用 参数 、 公式 及 特 征 等驱 动 图形 以 达 到修 改 图
形 的 目的 ， 本 文以 Ｖ Ｓ ． Ｎ ｅ ｔ ２ ０ ０ ５和 Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ图 形 库
建 模方 法用 于生 成较 简单铁 路模 型基元 。针对 复杂铁
路 模 型基元 ， 使用 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ和 ３ Ｄ Ｓ ＭＡ Ｘ建模 ， 并 使 用 Ｌ Ｏ Ｄ算法对 其进 行 简化 。 针对 模 型 管理 和 维 护 ， 设计 了通 用模 型读写 接 口 ， 采用 Ｖ ５ ２ ０ ０ ５＋Ｏ ｒ ａ ｃ ｌ ｅ编 程 实 现
１ 模 型 基 元 建 模 技 术
基元 原是 生物 学 上 的一 个 概 念 ， 指 构 成 生物 体 的
大 分子上 局部 区域 构成特 征性 序列 以适 应大 分子 之间
相互 结合 （ 或 吻合 ） 的基 本结 构 单 位 ， 有 时也 称作 模 块 或模 式 。随着 科学 技术 的发 展 ， 很 多 专 业 领域 都 引 入 了基元 的概 念 ， 基 元 被赋 予 了不 同的 内涵 。本 文所 述 三维模 型基 元 是 指 在 铁 路 视 景仿 真 环 境 中构 成 轨 道、 路基、 桥涵 、 隧道 及 沿线 附属 设 施 等线 路 实 体 模 型
临 的艰 巨任 务 。 因此 从铁 路勘 测一建 设一 运 营管理 信 息技 术一体 化 和模 型重 用 的 思路 出发 ， 研 究 铁 路 工 务 工程 基元模 型库 （ 以下 简 称基 元模 型库 ） 建模技术 ， 将 轨道 、 桥隧、 路 基 支挡 等 构 造 物 及 设 备 绘 制 成 结 构 单 元， 在 铁路 三维 场景 中直接 访 问和调用 具有 实用 价值 。 目前模 型创 建 的方法 有很 多 ， 主要分 为两类 ： ① 利 用 第 三 方 软 件 如 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ，３ Ｄ Ｓ ＭＡ Ｘ，ＭＡ Ｙ Ａ，
。数字 铁 路 作 为数 字 地 球 的
个 子集 ， 是我 国铁 路 现代 化 的战 略 目标 。铁 路 数
字化 工务工 程虚 拟环 境是 数字铁 路 系统 的重要组 成 部 分 。新 建铁 路特 别是 高速铁 路 和客运 专线 的数 字化 工
务 工程 虚拟 环境 建设 ， 将 是 数 字铁 路基 础 信 息 建 设 面
的基 本结 构单元 。
Ｍｕ ｈ ｉ Ｇ ｅ ｎ Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ 等建 模 ， 再 将 模 型 导 出。② 利 用 图形
Ａ Ｐ Ｉ 渲染 绘 制生成 。前 一类 方法 生成 复杂模 型 较 为方 便， 但 不易修 改 ； 后 一类 方法 通过 图形 Ａ Ｐ Ｉ 提供 的 函数 进 行模 型 构 建 比较 困 难 ， 但 编 程 生成 模 型 易 于 控 制 。 本 文综 合使 用 了上述 两 种 方 法 ， 并 提 出 了三 维 参 数化
研 究， 结果表 明 ， 基元模 型 库的使 用有 效 简化 了工务 ＿ Ｔ － － 程 虚拟环 境 的构建 流程 。
关键词 ： 基 元 模 型 库 工 务 工 程 数 字 铁 路 虚 拟 环 境 模 型 基 元
中 图分 类 号 ： Ｕ ２ １ ２ ． ３ ２ ； Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９ 文献 标识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ２ ９
模 型 来源 ， 设 计 了一 个通 用的模 型读 取 接 口， 并 给 出 了模 型 Ｏ ｒ ａ ｃ ｌ ｅ数 据库 存 储 解 决 方 案 。通过 在 铁 路 数 字化 选 线 系统 和 高速列 车数 字化仿 真 系统 中模 型基 元 的应 用对虚 拟场 景构 建方 法和使 用 效果进 行 了
造 线路 实体构造 物 ， 可有 效 简化 工务 工程 虚拟 环境 的构 建流程 。提 出 了参 数 化 三 维建 模 方 法 建立 简 单
模 型基 元 ， 采用 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ及 ３ Ｄ Ｓ ＭＡ Ｘ软 件 建立复 杂模 型基 元 ， 并研 究 了模 型 简化 算 法 。针 对异 质 异构
铁
道 建 筑
Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ － ０ ０ ９ ０ — ０ ５
数 字化 工务 工 程 基 元模 型 库 建模 方 法研 究
聂 良涛 一， 易思 蓉 ， 李 阳 ， 林 俊
摘要 ： 数 字化 工务 工程 虚拟 环境 是数 字铁路 系统的 重要 组 成部ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分 。通 过 建立 工 务 工程 基 元模 型 库 来 构
数字地 球是 信 息时 代 的 必然 产 物 ， 也 是 世 界 各 国 争先 研究 的热 点 问题
一
了三维模 型数 据库 的存 取 。最后对 大规 模 的铁路 场景 中模 型调 用 与优化 方法进 行 了研究 。本 文针 对模 型 的 生产、 读取 、 存储 、 维护 、 输 出调用提 供 了详细 的解 决方 案， 可用 于工务 工 程虚拟 环境 的快 速构 建 。
１ ． １ 三维 参数化 建模 目前 铁路设 计 采用 的是 一种基 于标 准 图设 计 的方 法， 铁 路 三维模 型基 元可 以依 据标 准结构 图进 行构 建 。 采用 三维 参数 化建模 的 目的就 是能 够按 照不 同 的仿 真 级别 或用 户 的仿真 需 求对 模 型 基 元 进 行灵 活 的修 改 ， 所 以它 的易 于修改 性至关 重要 。三 维参 数化 建模 的关 键在 于用 参数 、 公式 及 特 征 等驱 动 图形 以 达 到修 改 图
形 的 目的 ， 本 文以 Ｖ Ｓ ． Ｎ ｅ ｔ ２ ０ ０ ５和 Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ图 形 库
建 模方 法用 于生 成较 简单铁 路模 型基元 。针对 复杂铁
路 模 型基元 ， 使用 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ和 ３ Ｄ Ｓ ＭＡ Ｘ建模 ， 并 使 用 Ｌ Ｏ Ｄ算法对 其进 行 简化 。 针对 模 型 管理 和 维 护 ， 设计 了通 用模 型读写 接 口 ， 采用 Ｖ ５ ２ ０ ０ ５＋Ｏ ｒ ａ ｃ ｌ ｅ编 程 实 现
１ 模 型 基 元 建 模 技 术
基元 原是 生物 学 上 的一 个 概 念 ， 指 构 成 生物 体 的
大 分子上 局部 区域 构成特 征性 序列 以适 应大 分子 之间
相互 结合 （ 或 吻合 ） 的基 本结 构 单 位 ， 有 时也 称作 模 块 或模 式 。随着 科学 技术 的发 展 ， 很 多 专 业 领域 都 引 入 了基元 的概 念 ， 基 元 被赋 予 了不 同的 内涵 。本 文所 述 三维模 型基 元 是 指 在 铁 路 视 景仿 真 环 境 中构 成 轨 道、 路基、 桥涵 、 隧道 及 沿线 附属 设 施 等线 路 实 体 模 型
临 的艰 巨任 务 。 因此 从铁 路勘 测一建 设一 运 营管理 信 息技 术一体 化 和模 型重 用 的 思路 出发 ， 研 究 铁 路 工 务 工程 基元模 型库 （ 以下 简 称基 元模 型库 ） 建模技术 ， 将 轨道 、 桥隧、 路 基 支挡 等 构 造 物 及 设 备 绘 制 成 结 构 单 元， 在 铁路 三维 场景 中直接 访 问和调用 具有 实用 价值 。 目前模 型创 建 的方法 有很 多 ， 主要分 为两类 ： ① 利 用 第 三 方 软 件 如 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ，３ Ｄ Ｓ ＭＡ Ｘ，ＭＡ Ｙ Ａ，
。数字 铁 路 作 为数 字 地 球 的
个 子集 ， 是我 国铁 路 现代 化 的战 略 目标 。铁 路 数
字化 工务工 程虚 拟环 境是 数字铁 路 系统 的重要组 成 部 分 。新 建铁 路特 别是 高速铁 路 和客运 专线 的数 字化 工
务 工程 虚拟 环境 建设 ， 将 是 数 字铁 路基 础 信 息 建 设 面
的基 本结 构单元 。
Ｍｕ ｈ ｉ Ｇ ｅ ｎ Ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｏ ｒ 等建 模 ， 再 将 模 型 导 出。② 利 用 图形
Ａ Ｐ Ｉ 渲染 绘 制生成 。前 一类 方法 生成 复杂模 型 较 为方 便， 但 不易修 改 ； 后 一类 方法 通过 图形 Ａ Ｐ Ｉ 提供 的 函数 进 行模 型 构 建 比较 困 难 ， 但 编 程 生成 模 型 易 于 控 制 。 本 文综 合使 用 了上述 两 种 方 法 ， 并 提 出 了三 维 参 数化
研 究， 结果表 明 ， 基元模 型 库的使 用有 效 简化 了工务 ＿ Ｔ － － 程 虚拟环 境 的构建 流程 。
关键词 ： 基 元 模 型 库 工 务 工 程 数 字 铁 路 虚 拟 环 境 模 型 基 元
中 图分 类 号 ： Ｕ ２ １ ２ ． ３ ２ ； Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９ 文献 标识 码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ２ ９
模 型 来源 ， 设 计 了一 个通 用的模 型读 取 接 口， 并 给 出 了模 型 Ｏ ｒ ａ ｃ ｌ ｅ数 据库 存 储 解 决 方 案 。通过 在 铁 路 数 字化 选 线 系统 和 高速列 车数 字化仿 真 系统 中模 型基 元 的应 用对虚 拟场 景构 建方 法和使 用 效果进 行 了
造 线路 实体构造 物 ， 可有 效 简化 工务 工程 虚拟 环境 的构 建流程 。提 出 了参 数 化 三 维建 模 方 法 建立 简 单
模 型基 元 ， 采用 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ及 ３ Ｄ Ｓ ＭＡ Ｘ软 件 建立复 杂模 型基 元 ， 并研 究 了模 型 简化 算 法 。针 对异 质 异构
铁
道 建 筑
Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ － ０ ０ ９ ０ — ０ ５
数 字化 工务 工 程 基 元模 型 库 建模 方 法研 究
聂 良涛 一， 易思 蓉 ， 李 阳 ， 林 俊