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摘要:基于在虛擬的立體地理環(huán)境中進(jìn)行鐵路選線設(shè)計的目標(biāo)，構(gòu)建一個以立體地理環(huán)境為基礎(chǔ)的鐵路選線設(shè)計系統(tǒng)。結(jié)合信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、遙感技術(shù)、虛擬技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)等，創(chuàng)建一個相對真實的鐵路地理環(huán)境;采取BIM技術(shù)，建立鐵路基本構(gòu)造元數(shù)據(jù)庫;利用數(shù)據(jù)庫中的基本元構(gòu)件，建造鐵路選線立體模型，并且能不斷檢查和維護(hù)。實現(xiàn)鐵路選線設(shè)計的三維立體化。鐵路選線系統(tǒng)可讓線路設(shè)計師在虛擬環(huán)境中進(jìn)行線路考察和分析，快速建造鐵路選線立體模型，該模型具有直觀性、靈活性等特點，符合地理環(huán)境選線、重大鐵路工程優(yōu)先選線、跨國鐵路選線等的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞:虛擬;立體地理環(huán)境;鐵路選線;模型;設(shè)計

0前言

關(guān)于鐵路選線設(shè)計，其綜合性較強(qiáng)、涉及多個專業(yè)。在具體線路設(shè)計過程中，線路設(shè)計師要有效運用其專業(yè)知識和技能，深入分析地質(zhì)、地形等地理環(huán)境，從而設(shè)計出符合社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等需求的最優(yōu)化鐵路線路。鐵路線路的設(shè)計受設(shè)計師對地理環(huán)境的分析結(jié)果影響顯著，因此和其他類型的工程設(shè)計相比，其對地理環(huán)境的依賴性更明顯［1－2］。虛擬地理環(huán)境，可以定義為是以化身人、化身人群、化身人類為主體的一個虛擬共享空間與環(huán)境。其中的化身人、化身人群、化身人類是表示現(xiàn)實世界中的人與虛擬世界中的化身相結(jié)合后的集合體?；硎怯脩粼谔摂M世界中的三維圖形表達(dá)，是一種身份表達(dá)。通常來講，虛擬地理環(huán)境是由地理環(huán)境建模應(yīng)用程序、硬件和人三者構(gòu)成的。在這種虛擬地理環(huán)境中，人可在計算機(jī)虛擬形成的立體地理環(huán)境中自由行走和探索，同時感受虛擬地理環(huán)境，和其中的物體產(chǎn)生交互作用［3］。基于加強(qiáng)鐵路線路設(shè)計效率的目標(biāo)，自1950年來，鐵路行業(yè)的有關(guān)專家和學(xué)者著重于對以虛擬地理環(huán)境為基礎(chǔ)的計算機(jī)輔助鐵路線路設(shè)計體系的研究。至今為止，鐵路選線設(shè)計體系的發(fā)展通過50年的不懈努力，由傳統(tǒng)的封閉式專用軟件變?yōu)橐蕴摂M立體地理環(huán)境為基礎(chǔ)的數(shù)字化鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了線路設(shè)計軟件的通用化［4－5］。

1地理環(huán)境虛擬建模平臺

至今為止，虛擬地理環(huán)境有兩個發(fā)展趨勢:第一，以虛擬技術(shù)為基礎(chǔ)的進(jìn)入式虛擬地理空間;第二，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的非進(jìn)入式虛擬地理空間［6］。其中，進(jìn)入式虛擬地理空間是設(shè)計人員也被看作虛擬空間的構(gòu)成，可和空間內(nèi)的物體產(chǎn)生交互，讓設(shè)計人員感受猶如進(jìn)入現(xiàn)實地理環(huán)境中，參與者通常需要佩戴立體頭盔、立體眼鏡、虛擬衣服等［7］。一般而言，進(jìn)入式虛擬空間還可劃分成完全進(jìn)入式虛擬地理空間和半進(jìn)入式虛擬地理空間兩種。完全進(jìn)入式虛擬地理空間需要線路設(shè)計人員佩戴立體頭盔，徹底將設(shè)計人員和現(xiàn)實環(huán)境相隔離，在設(shè)計人員頭部移動或轉(zhuǎn)動時，三維立體鏡像會實時更新。半進(jìn)入式虛擬地理空間包括屏幕投影、虛擬平臺等形式。結(jié)合數(shù)字化鐵路選線設(shè)計要求，鐵路虛擬地理空間建模平臺的構(gòu)成有硬件設(shè)備、地形地勢數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)、虛擬視景模型、工程數(shù)據(jù)庫等，虛擬地理空間建模平臺系統(tǒng)是由專業(yè)軟件、硬件設(shè)備和自開發(fā)的地理空間建模應(yīng)用程序集成而成［8－9］。鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)的計算機(jī)硬件系統(tǒng)是集成了虛擬技術(shù)、交互設(shè)計和高效計算能力的一個系統(tǒng)，其基礎(chǔ)構(gòu)成有計算機(jī)、專業(yè)設(shè)備、地形地勢收集設(shè)備和三維可視化設(shè)備等,

2鐵路三維立體選線設(shè)計

2.1總體架構(gòu)和功能需求一般而言，數(shù)字化鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)成有線路數(shù)據(jù)庫、立體地理空間建模、鐵路線路設(shè)計和空間視景仿真四種，該系統(tǒng)通過菜單欄或菜單選項等為用戶提供各項功能，具體有工程管理、空間建模、線路設(shè)計、方案選擇、視圖、地形地勢管理、初始設(shè)置、窗口管理、幫助等菜單功能［10］。鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)的功能需求有數(shù)據(jù)庫管理、地理空間建模、方案設(shè)計和選擇、線路設(shè)計和優(yōu)化、線路方案對比和選擇等［11］。2.2基本中心線確定在鐵路線路設(shè)計初期，要先設(shè)置基礎(chǔ)信息，點擊菜單欄的“基礎(chǔ)信息設(shè)置”選項，跳出“線路設(shè)計基本信息設(shè)置”的對話框，比如線路設(shè)計方案名為QJ1、里程單位是m、起始位置里程數(shù)為0m、間距為5m、路寬為13m等。鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)可通過界面交互或控制點移動等方式來確定選線的方形，還可通過導(dǎo)入現(xiàn)有資料或交點選定來設(shè)計鐵路線路。在線路確定之后，可在立體環(huán)境中通過不同顏色來表示橋梁、隧道、路基等。通常情況下，可在三維可視界面、平面界面、縱界面中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，比如可在三維可視界面將交點移動到新位置［12－14］。2.3根據(jù)構(gòu)造物類型和位置進(jìn)行三維立體線路設(shè)計在鐵路線路基本中心線確定之后，可運行菜單欄實體選線功能，對線路上有關(guān)構(gòu)造物(比如橋梁、路堤、隧道等)進(jìn)行選型和位置確定，再點擊構(gòu)造物建模菜單項，建立實時構(gòu)造物BIM模型，同時在三維可視界面中展開構(gòu)造物方案的設(shè)計和優(yōu)化。一般情況下，在三維可視界面中，可點擊鼠標(biāo)來選中鐵路線路構(gòu)造物模型，比如隧道、橋梁、路基等，同時進(jìn)行詳細(xì)分析和深入優(yōu)化。

3結(jié)語

目前，國內(nèi)鐵路運輸行業(yè)正處于快速發(fā)展時期，其線路設(shè)計關(guān)系到鐵路建設(shè)的全局性工作，而計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用對鐵路線路設(shè)計的優(yōu)化有重要作用。本研究涉及的數(shù)字化鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)是基于C/C++語言和大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理構(gòu)建的，可虛擬出較大空間的現(xiàn)實地理環(huán)境，構(gòu)建虛擬的三維地理環(huán)境模型，便于線路設(shè)計人員在室內(nèi)完成鐵路地理環(huán)境現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和分析。該系統(tǒng)可通過三個可視界面協(xié)調(diào)工作，提高鐵路線路設(shè)計效率和質(zhì)量。通過實時的三維線路建模，可調(diào)出數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)造物元模型，建立線路方案立體模型，在虛擬立體空間中，線路設(shè)計人員可檢查、更新數(shù)據(jù)，通過對各類型結(jié)構(gòu)模型的對比，選出最優(yōu)的鐵路線路設(shè)計方案。綜上所述，基于計算機(jī)軟件的鐵路線路設(shè)計系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)等高線平面線路設(shè)計方式的缺陷，通過系統(tǒng)具備的線路方案仿真分析和判斷功能，能有效提升鐵路線路設(shè)計和地理環(huán)境的契合度，降低地理環(huán)境對鐵路線路的影響。至今為止，該系統(tǒng)已被廣泛運用于中鐵的多項鐵路工程建設(shè)中，對線路設(shè)計的效果和建造效率有顯著提升。

參考文獻(xiàn)

［1］陳德論．對山區(qū)鐵路地質(zhì)選線的深入研究［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(03)．

［2］王偉冰，張東梅，李玉菊，高偉．CAD實驗教學(xué)體系的探索與實踐［J］．實驗室科學(xué)，2012(04)

作者:宋尊堯 單位:蘭州鐵道設(shè)計院有限公司