﻿ 基于虚拟现实的高铁在坡道地段的运动仿真
 计算机系统应用  2020, Vol. 29 Issue (5): 264-269 PDF

Motion Simulation of High-Speed Railway on Ramp Based on Virtual Reality
GAO Rui, LUO Xun
School of Computer Science and Technology, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China
Abstract: Motion simulation on ramp is an important part of the whole motion simulation of high-speed railway. In order to study the motion simulation of high-speed railway on ramp, this study puts forward a simulation method based on virtual reality. First, the high-speed railway model and terrain are constructed. Then, high-speed railway is abstracted into rope model, and the force and motion state of high-speed railway on ramp are analyzed from a dynamic point of view. Finally, related blueprint nodes are connected in virtual reality engine Unreal Engine, and it is applied to the high-speed railway simulation using the complete suite and real-time high-fidelity rendering effects provided by it. It provides a satisfied means and method for studying the design of high-speed railway line selection, simulated operation, and the adaptability of parameters such as train speed and terrain, so that the simulation effect can be matched with the actual operation status of the train to the maximum extent, and also to provide reference for other related studies.
Key words: high speed railway     3D modeling     virtual reality     motion simulation     Unreal Engine

1 虚拟高铁仿真模型

 图 1 高铁仿真模型

1.1 高铁模型构建

 图 2 高铁厢体模型

 图 3 高铁整体模型

1.2 高铁动力学建模

1.2.1 非变坡点受力分析

1)列车上坡

 $R = F - f - {G_x}$ (1)

2)列车下坡

 $R' = {G_x} - F' - f$ (2)

 $f = 0.42 + 0.0016v + 0.000\;1302{v^2}$ (3)

1.2.2 变坡点受力分析

 $F = {F_1} + {F_2}$ (4)
 $F_1' = {G_1}\sin \alpha = \frac{{{L_1}}}{L}mg\sin \alpha$ (5)
 $F_2' = {G_2}\sin \beta = \frac{{{L_2}}}{L}mg\sin \beta$ (6)
 图 4 变坡点受力分析

 $\frac{{{F_2} - F_2' + {F_0}}}{{{m_2}}} = \frac{{{F_1} + F_1' - {F_0}\sin \alpha }}{{{m_1}}}$ (7)
 $\frac{{{F_2} - F_2' + {F_0}}}{{{L_2}}} = \frac{{{F_1} + F_1' - {F_0}\sin \alpha }}{{{L_1}}}$ (8)
 ${F_0} = \frac{{{L_2}({F_1} + F_1') - {L_1}({F_2} - F_2')}}{{{L_1} - {L_2}\sin \alpha }}$ (9)

 ${F_1} = \frac{{{L_1}}}{L}F$ (10)
 ${F_2} = \frac{{{L_2}}}{L}F$ (11)

 $\begin{split} {F_0} &= \dfrac{{{L_2}(\dfrac{{{L_1}}}{L}F + \dfrac{{{L_1}}}{L}mg\sin \alpha )}}{{{L_1} - {L_2}\sin \alpha }} - \dfrac{{{L_1}(\dfrac{{{L_2}}}{L}F + \dfrac{{{L_2}}}{L}mg\sin \beta )}}{{{L_1} - {L_2}\sin \alpha }} \\ & ={ \dfrac{{{L_1}{L_2}(\sin \alpha + \sin \beta )mg}}{{L({L_1} - {L_2}\sin \alpha )}}} \end{split}$ (12)

 $a = \frac{{({F_0} - F_2')L}}{{m{L_2}}}$ (13)
1.3 Unreal Engine引擎 1.3.1 场景模型构建

 图 5 地形场景

1.3.2 蓝图可视化脚本构建

Unreal Engine引擎中的蓝图可视化脚本系统是一套完整的游戏性脚本程序系统, 它使用基于蓝图节点, 包括实例、函数、变量、宏等, 来创建庞杂的游戏性元素去完成对对象的驱动. 蓝图包括关卡蓝图和蓝图类两大类. 其中, 每个关卡拥有一个关卡蓝图, 可以在关卡中引用并操作Actor、对关卡流送、检查点等相关事务进行管理, 还可与关卡中拖放的蓝图类进行交互, 从而触发相应的事件等; 蓝图类包含很多子类, 可以创建Actor类、Character类、Player Controller玩家控制器类、Game Mode游戏模式类以及用于UI显示的控件蓝图类等等.

(1)高铁蓝图

 图 6 高铁驱动蓝图

(2) UI控件蓝图

1.3.3 引擎渲染

Unreal Engine引擎具有实时逼真渲染的特点. 一方面由于具有基于物理的渲染技术、高级动态阴影选项、光线追踪功能、屏幕空间反射以及光照通道等; 另一方面, 引擎带有自动LOD生成系统, 可以自动决定

 图 7 速度文本蓝图

 图 8 切换视角主要蓝图

 图 9 侧面视角蓝图脚本

2 结果分析

1)根据前文分析得到的公式对坡道上速度随坡长和坡度的关系进行模拟测试.

 图 10 上坡时速度的变化情况

 图 11 下坡时速度的变化情况

2) 系统运行实时帧率

 图 12 系统运行帧率

 图 13 切换视角上方图

3 结论

 [1] 今年高铁投产新线3200公里. 人民网. http://www.gov.cn/xinwen/2019-01/04/content_5354663.htm. [2019-01-04]. [2] 张守帅, 田长海. 高速铁路长大下坡地段列车运行速度相关问题研究. 中国铁道科学, 2017, 38(3): 124-129. DOI:10.3969/j.issn.1001-4632.2017.03.18 [3] 尹国栋, 魏庆朝, 招阳. 高速列车在不同运行工况下速度变化与坡度和坡长的关系研究. 铁道建筑, 2010(10): 93-96. DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2010.10.029 [4] 唐金金. 基于运行图的高速列车群运行过程全息优化仿真方法与系统研究[博士学位论文]. 北京: 北京交通大学, 2012. [5] 张昊, 蒲浩, 胡光常, 等. 基于OSG的铁路三维实时交互式可视化技术研究. 铁道勘察, 2010, 36(1): 3-7. DOI:10.3969/j.issn.1672-7479.2010.01.002 [6] 徐阳. 列车视景仿真中三维建模技术的研究[硕士学位论文]. 长沙: 中南大学, 2011. [7] 宋晓伟. 地铁列车运行控制视景仿真系统中三维建模技术的研究与实现[硕士学位论文]. 北京: 北京交通大学, 2007. [8] 张曙光. 高速列车设计方法研究. 北京: 中国铁道出版社, 2009.