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使用虚拟现实技术设计铁路
2010年6月7日    评论:    分享:

    来源:计算机世界

 

    地理信息系统平台与卫星影像地图软件可提供便利的、开放式、丰富的真实地理环境信息资源。铁路研究单位可通过真实地理环境与设计方案有效地结合,并应用在城际铁路、客运专线隧道与桥梁等项目中,利用虚拟现实技术直观地展现设计方案,评价相应工程设计方案对沿线地区所产生的影响,实现工程前期设计方案的优化和论证。

 

  场景再现

 

  在铁路工程方案前期策划和论证的过程中,需要直观地表现出设计方案与既有线路周边环境和地貌的融合,为方案选型提供重要的决策依据,而三维虚拟现实技术能够将工程建成后的情况生动真实地展现出来。但是在实际项目中,时间紧、工作量大和基础数据缺乏,往往使得铁路项目的虚拟展现非常困难。

 

  首先,由于铁路线路跨度大,野外环境沿线的三维地形数据又不完备,所以无法准确真实地表示沿线地形的趋势、地貌植被等信息; 其次,出于真实性的要求,制作工程项目的三维虚拟现实场景需要大量的建模和渲染工作,尤其是与城市环境相关的三维模型,但是如果没有现成的数字城市模型可利用,那么只通过传统的AutoCAD3DMax建模再现沿线建筑环境的工作量将会非常大。所以,铁路工程项目的虚拟展现需要在一个具备完整三维地形数据的平台上,摸索出一套高效、准确、真实的工程方案场景展示方法。

 

  结合地理信息系统与卫星影像信息服务软件,可以通过地图、卫星图片和三维实景等不同的方式展示地球上任何一个区域的图像和信息。对于工程方案的前期而言,这些系统提供的坐标、高程、地貌等免费的信息完全能够满足要求,在某些发达地区,甚至城市的三维模型都已建立,完全可以用三维的视角查看。另外通过快速三维建模工具,重点关注于在建模过程中如何快速展现建筑物的外部形状和材质,用户通过直观的界面和拉伸、掏空等简单的操作,就可以很快地在地图上叠加建筑物的三维模型,达到实景展示的目的,其建模效率比在3DMax等传统软件下的繁琐的建模方法要提高很多。

 

  所以,铁路线路工程方案的展示,应该采用基于地理信息展示平台,通过快速建模技术在卫星影像图上进行周边环境的建模,再将建好的模型和三维工程设计方案模型一并导入到地理信息系统平台当中去,这样与工程相关的建筑、线路及地形环境就会“拔地而起”,可以通过指定的线路进行环境浏览,从而使实现直观地对虚拟环境线路方案进行论证成为可能。

 

  但是,由于快速建模技术的精度还不能完全作为详细工程方案设计的依据,而是比较适合前期概念设计和方案选型,这也是应用中需要注意的一点。

 

    虚拟漫游

 

  京津城际(天津段)是在地形信息相对比较平缓的基础上选线论证的实例,主要涉及城市路网、立交桥和地标建筑,特点是大部分建筑工作是规则模型,而虚拟漫游的路径比较平滑。

 

  首先,在系统中将线路方案以及沿线需要展示的环境和建筑物标注出来,对于需要以三维形式展示的环境建筑,还要现场拍摄建筑物的实体照片,将建筑物表面的图片作为模型渲染贴图的材质。

 

  其次,通过建模软件在卫星影像图上进行三维建模,沿线楼房大部分是规则建筑,可以直接在建模软件中建立矩形实体,并贴好材质,进行真实感处理,再把建好的模型导入到系统当中。

 

  在此基础上,将京津城际的线路设计方案中的轨道、路基、桥墩等三维模型也按照线路走向导入到系统中,并定好路径和调整摄像机位置与高度,然后进行三维动画漫游,从而把京津城际线路与和沿线地形、地物及地貌以真实的三维模型展现在面前。游览方式可采用人机交互与自动方式,全面准确地展现铁路设计方案与沿线环境、建筑之间的关系和相互产生的影响。

 

  充分论证

 

  在某个穿越山区的客运专线项目中,需要论证长隧道、桥梁等关键控制工程的可行性,就需要在真实野外场景之上建立隧道、高架桥梁的模型,并将模型与地形融合后,利用地理信息系统的全方位、多视角的演示来充分论证线路选择的合理性,从而实现在多山复杂地形上的应用。

 

  由于在地理信息系统中具备准确的坐标、高度等信息,而卫星图片上也能反映出当地的地貌、植被特点,这为我们展示工程项目的野外环境提供了完整的基础信息。首先,以三维地形为平台,通过线路坐标将二维的线路平面图叠加到真实位置; 第二步,通过快速建模软件建立隧道、桥梁等控制工程的三维模型; 第三步,将工程模型放置到设计的线路坐标上,将工程方案与三维地形进行合成,就可以在三维的实景下展示设计方案。

 

  通过虚拟现实技术手段,可以充分论证隧道或桥梁等工程设计方案的合理性、完美性以及准确性,全面和准确地评价隧道与桥梁相应工程设计方案对沿线地区所产生的影响。尽可能协调、避免及解决隧道与桥梁相应工程设计方案中出现大量切割山坡、开挖山岳岗地、填平沟壑、砍伐树林、侵占湿地、分割草地等侵害自然地貌与生态环境的问题,使铁路的设计充分考虑到与周围环境之间的相互融合与协调。

 

  以往在进行工程项目的虚拟现实展示的过程中,面临着两大难题,一是环境与地貌的数字化基础资料不够准确和全面,造成环境失真; 二是环境建筑需要大量、长期的建模工作,效率低、投入大、时间长。而本方法以具备三维数字化地形的地理信息系统平台作为基础,运用快速建模技术,可以快速、高效地形成工程方案的实景,对于铁路工程项目前期进行方案论证、比选,准确评估工程与周边环境的影响方面具有重要的实用意义。

 

   接:铁路设计的发展趋势

 

  铁路线路设计是涉及面广、技术性强、关系全局的总体性工作,也是一项复杂的系统工程。最早的铁路线路设计手段以人工与图板为主,逐渐发展成为甩掉图板,运用计算机辅助设计的阶段,后来又朝着平面、纵断面、横断面优化设计的方向发展。实践证明,铁路设计应尽快由三维设计环境向多维设计环境发展,由计算机辅助设计向人工智能设计发展,应建成数字铁路线路的专家系统,这必将大大提高铁路线路设计的生产效率,缩短工程周期,提高质量。

 

  单从虚拟现实技术来说,主要应用在该领域中的四个方面,即实施虚拟设计环境、实施铁路设计中多专业协同设计、实施铁路设计方案综合评价、实施铁路设计智能化。

 

 

标签:铁路设计
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