高速铁路虚拟环境与动力学设计平台(232页)
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➢ 工程意义上的虚拟环境
以计算技术为核心，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。
传统的基于数字 线划图的二维透 视选线设计
基于虚拟环境的 三维数字化选线 设计
（数字化成果 所选即所见）
铁路线路中心线 铁路线路构造物实体
1.线路平纵断面与高速行车安全舒适性的关系
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。
综合采用金字塔模型、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，对地形进行预 处理；
将海量地形数据（DEM）和影像纹理数据（DOM）处理成分块分 区多层次多细节LOD三角网数据块（chunks），建立二进制的高 效率地形分页数据库。
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 题。
➢ 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 佳设计方案。
高速铁路虚 拟地理环 境建模
高速铁路 三维牵引计算
与运行仿真 系统
三维可视化工程 地质环 境建模
高速铁路 动力学选线
方法及 平台开发
高速铁路 线路动态仿
真与漫游 系统
线路三维 构造物基元
(2). 基于车线最佳匹配设计原理的线路动态设计方法
➢ 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 ;
模型库 系统
高速铁路 景观环境 三维建模
系统
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
基于图像和计算机 视觉、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
模型和数据结构进行 优化组织方法、优化 的实时显示算法
多分辨率LOD地形模型
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
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。
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。
虚拟现实（Virtual Reality）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。
➢ 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。
1）带状离散点DEM分块处理
y
分块前先对
图幅边界矩形
y 图幅边界矩形
DEMGrid
获取的原始
带状地形数
35块
16块
据进行图幅 旋转，以减 少分块数
Pa
x
图幅旋转前分块示意
P
x
图幅旋转后分块示意
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。
采用四叉树组织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 形三维漫游。
原始DEM
原始DOM
带状分块分层处理
预处理阶段
地块数据构TIN
纹理Mipmap及dds压缩
建
多级LOD地块chunks
模
算
四叉树索引与组织
法
入库
流
Oracle
程
数据库
出库
(2). 基于车线最佳匹配设计原理的线路动态设计方法
➢ 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)
GDAL/OGR开源库 OSG开源库
铁路数字化选线系统 虚拟地理环境建模平台
数据层面集成
Sql
ADO、ODBC
Oracle 数据库
Access 数据库
…
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。
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
(1) 虚拟地理环境建模平台的空间地理数据集成模式
图形层面集成
CAD
BIM
(dxf/dwg/dgn)
(ifc)
GIS （asc/tiff/img...）
三维模型数据 (3ds/wrl/flt...)
Teigha™开源库
Ifcplusplus开源C++类库
第二讲
石家庄铁道大学
一.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。
示
线程1：预加载线程进行数据预取
实时调度 渲染阶段
意
CPU
图
线程2：绘制线程绘制渲染
读入的chunks
顶点着色器
像素着色器
GPU
源自文库
1）带状离散点DEM分块处理 离散点分块、分层处理示意
M×N 2M×2N 4M×4N
8M×8N
金字塔模型
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。
以计算技术为核心，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。
传统的基于数字 线划图的二维透 视选线设计
基于虚拟环境的 三维数字化选线 设计
（数字化成果 所选即所见）
铁路线路中心线 铁路线路构造物实体
1.线路平纵断面与高速行车安全舒适性的关系
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。
综合采用金字塔模型、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，对地形进行预 处理；
将海量地形数据（DEM）和影像纹理数据（DOM）处理成分块分 区多层次多细节LOD三角网数据块（chunks），建立二进制的高 效率地形分页数据库。
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 题。
➢ 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 佳设计方案。
高速铁路虚 拟地理环 境建模
高速铁路 三维牵引计算
与运行仿真 系统
三维可视化工程 地质环 境建模
高速铁路 动力学选线
方法及 平台开发
高速铁路 线路动态仿
真与漫游 系统
线路三维 构造物基元
(2). 基于车线最佳匹配设计原理的线路动态设计方法
➢ 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 ;
模型库 系统
高速铁路 景观环境 三维建模
系统
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
基于图像和计算机 视觉、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
模型和数据结构进行 优化组织方法、优化 的实时显示算法
多分辨率LOD地形模型
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
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。
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。
虚拟现实（Virtual Reality）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。
➢ 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。
1）带状离散点DEM分块处理
y
分块前先对
图幅边界矩形
y 图幅边界矩形
DEMGrid
获取的原始
带状地形数
35块
16块
据进行图幅 旋转，以减 少分块数
Pa
x
图幅旋转前分块示意
P
x
图幅旋转后分块示意
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。
采用四叉树组织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 形三维漫游。
原始DEM
原始DOM
带状分块分层处理
预处理阶段
地块数据构TIN
纹理Mipmap及dds压缩
建
多级LOD地块chunks
模
算
四叉树索引与组织
法
入库
流
Oracle
程
数据库
出库
(2). 基于车线最佳匹配设计原理的线路动态设计方法
➢ 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)
GDAL/OGR开源库 OSG开源库
铁路数字化选线系统 虚拟地理环境建模平台
数据层面集成
Sql
ADO、ODBC
Oracle 数据库
Access 数据库
…
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。
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
(1) 虚拟地理环境建模平台的空间地理数据集成模式
图形层面集成
CAD
BIM
(dxf/dwg/dgn)
(ifc)
GIS （asc/tiff/img...）
三维模型数据 (3ds/wrl/flt...)
Teigha™开源库
Ifcplusplus开源C++类库
第二讲
石家庄铁道大学
一.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。
示
线程1：预加载线程进行数据预取
实时调度 渲染阶段
意
CPU
图
线程2：绘制线程绘制渲染
读入的chunks
顶点着色器
像素着色器
GPU
源自文库
1）带状离散点DEM分块处理 离散点分块、分层处理示意
M×N 2M×2N 4M×4N
8M×8N
金字塔模型
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。