（车辆工程专业论文）磁浮列车系统视景仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 s i m u l a t et h er u n n i n go fi h em a g l c vt r a i np c r f e c t l y v i e w e rc a no b s e el h er u n n i n go f i h em a g l e vt r a i nf i d md i f f e r e n iv i e w p o j n t s l h es o f t w a r ei ni h j sp a p e rw a sd e v e l o p e d ， d e b u g g e d ，r u n n i n go nw i n d o w2 0 0 3p l a t f b r m k e y - o r d s ：m a g l e vt f a i n ；e i e v a t e d - g u i d e w a y ；v i r i u a ir e a l i t y ；s u a ls i m u i a t i o n ； r e a l i s t i cg r a p h i c s ；r e x t u 佗m a p p j n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 德国高速常导磁浮列车试验线已经经历了二十余年的运行，累计安全运行 里程超过6 0 万k m ，上海高速磁浮线也已安全运行了两年。但磁浮列车的商业化 运营时间短，目前尚未长大干线应用实践，其技术性、安全性和经济性尚未进 一步验证，还有很多问题需要研究和解决。而且建一条试验线，造价非常贵。 很多专家提出了用计算机对磁浮列车进行系统仿真豹建议，借助各种软件不同 的功能，取长补短，集成协同地对磁浮列车这一复杂系统进行数学建模与仿真， 以期提高研发质量、缩短研发周期、减少研发费用。 计算机仿真技术的发展，特别是计算机图形可视化技术的迅速发展，为磁 浮车一桥耦合动力学仿真分析系统的完善和提高提供了强有力的技术支持。在 以往的磁浮车一桥耦合动力学和传统的轮轨车辆动力学仿真中，大多数集中在 模型的数值仿真方面，即只关心数值计算结果而忽略了结果的显示与直观判断， 而且多以计算模块的形式出现，系统的集成性和综合性稍差。运用计算机图形 可视技术，可以建立一个综合模拟整车动态运行的计算机仿真平台，将车辆与 桥各部件的几何关系及其动态变化特性与耦合动力学计算结果有机结合起来， 同时建立形象直观的可视视景仿真，从而实现列车与线路系统的无风险动力学 试验，进行系统安全性评价、参数设计与优化研究等“1 。 本文在此背景下开发了一套磁浮列车视景仿真系统，有曲线部分的高架桥 及磁浮车辆和其他所需的建筑物。而这些物体都是虚拟的，不用花1 分钱。并且 可实现磁浮车一桥耦合动力学数值可视化，实现列车与线路系统的无风险动力 学实验，进行磁浮列车系统的综合评估与辅助设计。 1 2 研究目的和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，随着复杂系统仿真应用需求的不断提高和应用领域的 不断扩展，计算机仿真技术已从纯数字仿真，实物在回路中的半实物仿真，发 展到人在回路中的虚拟仿真技术的新阶段。对真实系统的仿真，不再是只采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 某种仿真技术，而是构造集纯数：f 仿真、实物彳1 = | l q 踏t i - 的? 实物仿舆和人在 凹路巾的虚拟仿真技术为一体的综合仿真系统。同时，高性能仿真计算平台也 从单机平台转向基于计算机互连i 硪络的机群系统，它综合麻用了分斫j 奠b 理、网 络通讯、c i i e n t s e r v e r 、面向对象、并行数据库、可视化等先进技术，从而构 成具衙强实耐性和交互性的分川i 协i 司的仿真计算休系，充分支持分狮j 交互仿真 所需要的互操作性、可移植性、可伸缩性和高可靠性等要求【2 l 。 传统的数字仿真技术主要用于科学计算。因为复杂系统仿真应用需求的不 断增加，使这种以数学模型为r | _ l 心的仿真系统无论是对建模过程的描述，还 是对仿真结果的分析，都t 分复杂，而且很难得到整体、形象、直观的仿真结 果，无法及时判断与决策甚至可能会丢失大量有用的信息，所以计算机仿真 技术的高效和仿真结果的形象逼真的展示就显得十分重要，仿真与可视化技术 的结合，即仿真可视化也因此成为人们同益关注的问题。 通常，仿真结果的表现形式可分为数侬结果和图形结果，数值结果用于对 仿真过程中的备利一数搬统i ：卜和分析，图形结果用j ：图形演示分析即图形模拟。 图形模拟是最生动的表现形式，直观地显示仿真对蒙的运动状态，并且可以利 用它更直观的检验数值结果的可靠性，找i f 仿真过程巾存在的问题，改进各模 块中算法存在的错误。 图形模拟是将每一扫描时段系统的状态以图形的方式演示出来。对于磁浮 列车图肜模拟，每一扫描时段需要对车辆运行坏境( 道路条件、道路标志条件、 道路信号控制条件等) 、车辆运行状态( 位置、速度、加速度、减速度等) 和 车辆判断条件( 刹车等) 进行描述，然后丽出每一扫捕时段的图形，连续的播 放就可以生成动态的图形模拟了。 所谓仿真可视化，就是把仿真中的数字信息变为甑观的、以图形图像形式 表示的、随时f | _ 1 j 和空间变化的仿真过程譬现在研究人员面前，使研究人员能够 知道系统中变量之n u 、变量与参数之洲、变爨与外部环境之问的关系，直接获 得系统的静态和动态特性。仿真可 见化不仪足，f j 嗣形与图像来表征仿真计算结 果的，更熏要的是为研究人员提供了观察数据交。旺作用的手段，实时地跟踪，r 有效地驾驭数掘模拟与实验过程i ”。 针埘列车动力一仿真，订两种方式。种足攮r 数1 _ | l f 的形式，建立并求解 仿真纳数值模，诬，得 i j 数值解，”分析仿真训钳。再的响府i | l i 线，以及影1 1 日系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 统年丌应的拜利| 土1 索。这种传统的仿r e 模n ：数值仿真方丽墩4 了秘并的成功。 但分析寸很不龃观。另外刷- 足综合考虑列1 i 的动力学模型雨i 儿何可视模型， 并研究它们树互之州的关系，建证n i 对统的综合仿真模吧，以求数值和可视 效果的紧密接合，真实和直观地认识仿真列琢的木质。但这类研究棚刘。较晚， 目前所见的只有一些成熟软什具有类似效果，j f ：儿也考虑的不完善。 本文力求结合柑关数值仿真的研究绪聚，建守磁浮列车列车动力学数值模 型和运动学几何模型结合统一的仿真系统。车辆的动力学仿真模型参数输入可 视界而，研究和实施了这种可视化的具1 木疗法，1 ：刘动力学模型计算结果批j j 二 可视化的3 d 动画显示，试验结果说明这利一疗法增强了4 i 辆建模f l q 真实性，从某 种角度反映了车辆的动态运行的动态特性，而j ：l ，这利方法将仿真和图形技术 有效结合起来。也可f j 于大型系统动力学建模中，具有较大的推广价值。这剩 方法如果与虚拟现实技术结合起来，将不但能仿真车辆复杂的结构，而且能更 细致地深入了解和改进车辆各个细微的嘶i 局。 山于人类赖以生存的环境本身就表现为幅幅的图案，因而j t | 图形表达思 想最自然、晟直接。在仿真巾应用图形技术，就能表现许多刚语言难以表达的 信息，便于信息交流，降低对用户操作水x 严的要求，所以图形技术在仿真巾的 应用同益广泛深入。 目前计算机在动画制作中的应用主要分为两大类：计算机辅助动画( 即二维 动画) 和计算机生成动丽( 即三维动画) 。三维动画与二维动画最大的区别之一， 就是三维动硒t l ，的各个对象不是简单地由外部输入，而是由三维数据在计算机 内部生成。其运动轨迹和运动的设计也是在计算机内部以三维数据确定的。也 就是蜕三维动画首先是在计算机中建立角色、视景的三维数据( 初始数掘) ， 然后设定运动轨迹和动作的三维数挠：，所以其问的蕊i f 【生成就可以完全山汁算 机完成，而不必一对应地给以各个部分的捅值规件了i ”。 小仪虫此，托动i i i i i 生成之后，还t i 】以神引算机，i t 架起摄像机，渊整镜头， 设胃_ ! c i j 装饯，打j 捧利- 照i l j “灯光”，对舶色、。耍物! i i c 了材质，使其真一成为 个t 实物”，然后进行拍摄，牛成七刳糊如佻的动i 嘶。【也就是说，三维动硒n q 制 作儿乎完全是再训。算机 1 进f j 的。此，- i 维动i 嘶也称为汁铭机生成动i i i i 。 二维动i f i i j 的现使冲锋机动l f i i i ：仃，烈人n j 乍命j 。阿先铆：动i i i i i 不仪仪足 j i f r 二i 维尺| j 们“木”z m 州，也f i 仪仪址摆脱了制f 1 ：i f l 州、捌l 线j ：包等繁 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 杂的工作亚二t 要的足它使动l f 耐制作进入了一个全新时代：首先降低了对制作 者专业修养的要求；其次面向社会大众，提供了适宜的制作设备，使得人人都 能进行动蕊制作。 仿真动砸是最为直接地表现模型行为的图形技术方法。把仿真技术与动两 技术相结合，利用动画把仿真过程描述褥曩三直观、更形象，可以达到以下目标： ( 1 ) 提高仿真精度和统计数字的有效性，对仿真动画的致观察，使决策 者对系统的动念特性更加清楚，然后再去分析统计结果就更有把握； ( 2 ) 改善人一人界面和人一机界面，仿真动丽给仿真建模者和该领域工程 师提供了直观的模型及其运行状况，增强了仿真的可信度； ( 3 ) 验证建模的准确性和可靠性，减少模型丌发时洲，这是因为模型的错 误可通过动画直观地显示出来，及时地加以纠下，而不必去钻研一大堆打印结 果，提高了仿真结果的讵确性。 仿真结果的可视化不仅能够加快与加深仿真人员对仿真对象变化过程的认 识而且可以发现通常通过数值信息很难发现的现象，获得意料之外的启发与 灵感，从而缩短仿真试验周期，提高仿真效率，取得更好的仿真效果。由于实 时三维动圃仿真可以在仿真实时运行过程中展示模型中的实体运动及其相应属 性的动态变化规律，使研究人员对系统模型得到概念化及形象化的理解，知道 系统已经发生的或将要发生的变化。阂此，实时三维动画仿真已广泛应用于仿 真可视化研究。 1 3 虚拟现实技术简介 1 3 1 虚拟现实技术的概念 虚拟现实( v i r l u a lr e a l i t y ，简称v r ) 足种基于计算信息的沉浸式交互环境， 与传统的模拟技术完全不同，它是采用以计算机技术为核心的现代高科授手段， 生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范阐的虚拟环境，用户借助必要的设备 如运动模拟器、头盔鼎示器、图形眼镜、数据服、立体j ；耳机、数据手套及脚 踏板等以自然的方式j 虚拟环境巾的对象进行交互作用、槲影响，从而产生 亲临等同真实环境的感受和体验。、“。从这垠- 叮以祈j i ；廉拟现实的概念包括以 下含义： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) “模拟环境”就足 j i ”算机小成的l 仃双视点的、实时动态的三二维： 体逼真图像。逼真就是要达到三维视觉，甚至包括三维听觉、触觉、嗅觉等的 逼真，而模拟环境某特定现实世界的真实实现，也可以是虚拟构想的世界。 ( 2 ) “感知”是指理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知，除 了计算机图形技术所生成的视觉感知以外，还应有听觉、触觉、力觉、运动等 感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知( m u l i i s e n s a “o n ) 。山于相关技 术受到传感器的限制，目前所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、触觉、力觉、 运动等，嗅觉方面也已有了新的进展。但无论从感知的范围和精确程度都无法 与人相比拟。 ( 3 ) “自然技能”指的是人的头部转动、眼睛、手势或其他人体的行为动 作，出计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入( 手势、口 头命令等) 做出实时响应同时分别反馈到用户的五官，使用户产生身临其境的 感觉。 ( 4 ) “传感设备”是指三维交互设备，常用的有立体头盔、数据手套、三 维鼠标、数据衣等穿戴予用户身上的装鼹私i 安胃在现实环境中的传感装箴( 不直 接戴在身上) ，如摄像机、地板压力传感器等。 1 3 2 虚拟现实技术的特点 美国科学家b u f d e ag 和p h i l i p p ec o i f f e f 曾在1 9 9 3 年世界电子年会上发表的 “v i r t u a lr e a l i t ys y s t e m sa n da p p l i c a t i o n s ”一文中，提出一个“虚拟现实技术的 三角形l7 j ，它简明地表示了虚拟现实技术所具有的3 个最突出特征：交互性 ( i n t c r a c t i v i t y ) 、沉浸感( i m m e f s i o n ) 和构想性( i m a g i n a t i o n ) ，也就是所谓的3 “i ” 特性( 如图l 一1 所示) 。 图l l虚拟现实技术的3 竹牛r l ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 1 ) 交互性( i n t e r a c t i o n ) 指川户j 虚拟场景 l 符种对象射i1 作用的能力，它 是人机和谐的= ) 乏键傩因素，交! i 性包禽对琢f | ，j 可操作黠! 度、用，、从环境 f 1 得到 反馈的程度以及虚拟场景中则致依 l i ：物理学定律运动的程度等。 ( 2 ) 沉浸感( i m m e r s i o n ) 这足v r 系统f f j 核心，指使用户投入到由计算机生 成的虚拟场景i t 的能力，用户在虚拟场景t f - 要有“身临其境”之感。它是由计算 机，土成的具有双视点的、实时动态的三维立体逼真图像，在此模拟环境中参与 者在视觉、听觉、触觉、味觉等各方面( 4 s ) 有身临其境的感觉。 ( 3 ) 构想性( 1 m a g i n a t i o n ) 虚拟现实不仅仅是一个门j ，、与终端的接口，而且 可以使 1 j 户沉浸于此环境中获墩新的知识，提高感性和理性认谚 ，从而产生新 的构思。这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或山 传感装置反馈给用户。如此反复，这是一个学习一创造一再学习一再创造的过 稷，因而可以说，v r 是启发人的创造性思维的活动。 这三个“i ”反映了虚拟现实系统的关键特性。就是系统与人的充分交互， 它强调入在虚拟现实环境中的主导作用。 1 3 3 虚拟仿真技术研究历史与现状 虚拟现实视景仿真技术是一种以计算机图形学为基础的综合运用计算机软 硬件资源的计算机仿真技术。要实现三维模型的实时动态显示，一方面要求计 算机硬件有高速运算能力和很强的三维图形处理功能：另一方面还要求在算法 和软件上有所发展，以期在硬件平台上取得更好的实时动态显示效果。图形硬 件的核心是采用并行处理和流水线工作方式的体系结构，把计算机图形显示的 某些算法过程用高速处理器进行专门处理，以提高图形的性能和处理速度。同 时还要有相应的软似：即图形库来支持。通过软、硬件的结合，充分发挥整个图 形系统的性能。在现有高性能图形j ：作站的支持下，运用十应的图形丌发工具， 再= i i | l 上对模型数据的优化处理， ：应用动态共享模块链接方法，可以编程实现 一定程度上的实时视景仿真。 1 3 3 1 虚拟现实视景仿真技术的历史 过去， i 于软什条件的限制，视景仿真系统的) i ：发般完全采川臼1 1 刁r 发 的方式进行。即歼发靠须从最底层的点、线、而”始构造，j 【：作量会特别火， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ) l ：发周期k ，需要较强的技术力屉年1 1 4 交多的人力资源干i 州n u ，这利，丌发方式的 局限性在于羁! 序写起来会十分复杂和烦琐，i i i 程序的性能i 1 ：徒难以保障，但 其优点在于它是免费的。 由于硬仆条件的限制，必须有高性能阁形二 ：作站的支持，才能达到真i 卜三 维模型的实时真实感动画的要求。蜘果要实现具有虚拟现实效果的视景仿真系 统，还必须要有高性能的支持立体图形的图形加速卡( 能够交瞥的产生左右艰 的图像) 和立体观察设备( 分别提取左右眼的图像) ，这些设备在过去都是非 常昂贵的。 1 3 3 2 虚拟现实视景仿真技术的现状 月j ； f ，订算机软硬件飞速发展，基于p c 机平台的视景仿真系统的丌发和应 用日益广泛。在硬件上，各种3 d 加速卡性能越来越高，使用这些廉价的3 d 加速 卡丌发模拟仿真的视景系统已经成为现实。软件上，专业的高层虚拟现实视景 仿真软件( 如v c + + 、v c g a 、0 p e ng v s ) 的出现和普及，使图形编程变得十分 方便、快捷；交互式三维建模工具( 如m u i t i g e n c r e a t o r ) 可以在很短的时间内 建造出高质量的三维模型。同时，虚拟现实技术的迅速发展，为计算机立体图 形技术的广泛应用提供了良好的条件。 因而，现在的视景仿真系统一般基于p c 平台，使用专业的高层虚拟现实 视景仿真软件丌发，如v c + + 、v e g a 、o p e ng v s 、v t r e e 等；三维建模采用3 d s 、 m a y a 、m u l t j g e nc r e a l o f 等。在虚拟现实视景仿真方而虚拟现实设备丌始逐渐 脱去华贵的外衣，步入普通用户的家门，尤其是基于p c 机的小型3 dv r 实现系 统丌始得到广泛应用。 1 4 磁浮列车技术发展概况 在高速地面交通领域，与高速轮轨列车的功能和社会影响捆近的交通技术 系统还有高速磁浮列车。它是一种新型的有轨的交通系统。 德国磁浮列车技术的丌发始于1 9 6 9 f f 关于“高运力快速铁路系统”的研究。 德国联邦交通部、联邦铁路和德因 ：、l k 界参与了这个研究项 = = i ，探讨德国发展 高速交通系统的技术可能性和经济性。所研究的高速交通涉及传统的轮轨系统 高速铁路技术和全新的磁浮交通技术。为了建造磁汗列下试验线，德田t q k 界 组成了t r a n s r a p i d 联合体，在德国两，l k 部的埃姆炳兰( e m s l a n d ) 地区建设 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 t r a n s r a p i d 试验线，简称t v e 。第 期 ：秘了：1 9 7 9 ，r 一l ，1 9 8 4 i ：建成包括2 1 5 k m 试验线路、试验中心和试验车t r a n s r a p i d0 6 ( 简称t r 0 6 ) ，1 9 8 5 年初，磁浮列车铁 路试验和规划委员会( m v p ) 作为试验设施的所有者与经营者接管了试验设施。考 虑到将柬的实际应用，需要形成一条闭合的环形试验线，按实际运营要求连续 运行，煨高速度达到4 0 0 k i i l h 以上，德国联邦研究与技术部于1 9 8 4 年决定在t v e 扩建南环线，即试验线路的第二线路段。南环线于1 9 8 4 年丌通，在试验线上达 到4 0 6 k m ，h 的速度。1 9 8 8 年最高试验速度提高到4 1 2 6 k m ，h 。 从1 9 8 6 年玎始，德国开发面向应用的t l m 7 磁浮列车，1 9 8 9 年该列车投入试 验线运行，1 9 9 3 年t r 0 7 在载人试验运行中达到了4 5 0 k m h 的速度。由于线路长 度豹限制，磁浮列车不允许再往上加速。1 9 9 9 年l o 月，为柏林一汉堡线研制的 t r 0 8 列车( 三节编组) ，r 始在t v e 上试运行，该车后来也成为中国上海高速磁浮 列车示范运营线的基础车型。 同本于1 9 6 2 年丌始磁浮列车技术的研究，1 9 7 7 年在南部九州建成7 k m 超导 磁浮列车试验线，即宫崎试验线。宫崎试验线是单线，没有坡道和隧道。1 9 9 7 年4 月3f 1 ，f 1 本建成的1 8 4 k m 长的山梨试验线，山梨线为双线，分别称为南线 和北线。线路的8 7 在隧道内，变电站和控制中心设在露天线路旁。在1 9 9 7 年 1 2 月2 4 开的不载入试验运行中，最高试验速度达到5 5 0 k m l l ，创下地面交通速度 的最高世界纪录。1 9 9 9 年4 月1 4 同载人运行试验速度达到5 5 2 k m h ，2 0 0 3 年达到 5 8 0 k m h ，再次刷新地面交通工具最高试验速度。 从2 0 世纪6 0 年代开始，f = l 本、德国、英国、前苏联、韩国和中国等国都先 后投入力量研究低速磁浮列车。英国为了将新建的伯明翰机场与国际博览会展 区及火车站连接起来，建造了一条6 2 0 m 长的磁浮列线，该线路于1 9 8 4 年投入载 客运行。伯明翰机场线为复线，高6 m 的钢结构线路上来往运行3 辆有电磁支承、 导向系统和直线电机驱动的小型磁浮列车速度可达5 0 k m 1 1 。磁浮车辆重约5 t ， 具有铝焊接底架和玻璃纤维强化塑料制成的车厢结构。每车有6 个座位和2 6 个站 位。伯明翰磁浮线是第一个用在公，e 旅客运输上的磁浮交通系统。1 9 9 0 年，由 于故障率高，维护困难，伯明翰磁浮线于t 9 9 0 年关闭停运。英国的磁浮列车实 际上没有发展为有市场价值的商业应用系统。最近，英固规划了伦敦至格拉斯 哥贯通南北的磁浮列1 i 汁划，最高时速5 0 0 k l n 不久1 1 1 ：f 一划q 财政人豫号聪米r i 一 国考察了i | 海磁浮列1 i 示范运彳等线并得到极为i 违n r 的叫缘。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 | | 术的h s s t ( h i g hs p e e d s u s p e n d t r a b s p o “a t i o n ) 磁浮列1 ：系统最初足l 【l l i 木航空公司投资成：盘：h s s t 公司硼 究j i ：发，希望用j 机场到市i 基f 向伙速轨道交 通，后又与其它股东联合) 1 ：发。1 9 9 0 年在名古屋附近的大江动1 ：兴建1 5 k m 乏的 试验线。并于1 9 9 1 年5 月丌始试运行。试验线l f 线f l c j 最小转弯半径为1 0 0 m ，最 大坡度为7 ，最高运行速度1 1 0k m h 。1 9 9 3 年3 月，以运输省、建设省和其他啦 位的专家学者组成的可行性研究委员会对试验结果进行了最后论证考察了它 的噪声、振动和磁场f f j 影响，结论是h s s t 是舒适的低污染交通系统，能够应付 紧急情况，k 朋的运行试验证明它是可靠的，j f f = i i “于悬浮的优点，使得它的 维修量降低。作为城市交通系统，曰胁，门本的h s s t 常导低速磁浮列车线路系 统发展到实用水平， ：具有商业成j 1 的可能r e 。2 0 0 5 印f 本名古屡市建成8 9 k m 市内低速磁浮列车商业运行线，连接名古屋一个地铁车站和市郊的一个现代化 居住区。 在t r a n s r a p j d 高速磁浮列车丌发过程巾，德团联邦铁路乖1 7 所著名大学的专 家组成工作组，由位于慕尼黑的联邦铁路中心局牵头对t r a n s r a p i d 系统进行了 独立、全面的评价和鉴定。1 9 9 1 年得出该系统在技术上应用成熟的结论。以此 为基础，联邦交通部在评价6 条可能的磁浮列车应f f _ i 线后，于1 9 9 2 年7 月将柏林 一汉堡线作为磁浮列车第一条应用线纳入“9 2 联邦交通线路计划”。经过近5 年的 争论，1 9 9 7 年4 月2 5 闩，德固联邦交通部长维斯曼( w i s s m a n n ) 公嘶j 了山两个咨询 公司对t r a n s r a p i d 磁浮列车高速铁路柏林一汉堡项同的运营经济性评价结果。宣 砷i 德国政府决定修建柏林一汉堡磁浮线。这条磁浮线全长为2 9 2 k m 复线，其中 高架线路占4 5 ，地面低置线路占5 5 ，包括车辆等运营设备在内的总投资为9 8 亿德国马克( 1 9 9 0 年物价，不包括建造期间物价上涨和投资利息) 。计划2 0 0 0 年，1 ： 工，但由于预测旅客量下降，而建设投资预算增加，造成线路经营的经济风险 提高。2 0 0 0 年2 月5 几，德国联邦交通部宣和放弃柏林汉堡磁浮线，政府继续 支持磁浮列车技术的，r 发，并存阿j f 内裨! 德阍选定另一条新的线路，建设 t r a n s r a p ；d 高速磁浮列4 j 样扳线。经过两年的矽f 究，德冈存5 个符选项e i 【f 1 论证 了北威州董l ：塞尔多大一多特蒙特和巴伐利q 删- l 慕尼照火1 i 站一机场两条线路存 技术嗣i 经济f ：的可 l j 寸，l ：。r 2 0 0 2 年1 j 宙嘶j 进入筹资办案策划阶段。 | i l = 界筇条确述磁浮列1 i 商q k 运? v 线j ：2 ( ) 0 l ，l 3j jm - l ，t 海) j 建设1 i 线为双线，? ! ；、i 旧哺1 3 i ，k 1 1 1 ，包括维修j 地等附i e 线蹄j e 3 5 k m 。2 0 0 2 年1 2jj 3 i 西南交通大学硕士研究生学位论文一第1 ( ) 页 r i 汀划三谚编组的磁浮列乍成功实现m 线迎1 i 试运行。2 0 0 3 年实现了舣线 i l 列车丰三列车循q ：折返全自动运行，两列4 i 以4 3 0 k m h 的最高速度交会运行 节编封 列车展商试验运行速度达5 0 i k m h 。2 ( ) 0 4 年5 月，j ：海磁浮线正式投入商 业运营，至2 0 0 5 年2 月载客最逾2 6 5 几人次，安全运行i ! 稃逾1 3 5 万公叫8 t 蚍。 1 5 本文主要研究工作 磁浮列车系统的环境虚拟仿真十分复杂，需要做大量的物体建模工作。限 于时间关系，本文仪研究了其中的媳型景物如地形、磁浮列车、磁浮线路、树 木、建筑物等的建模技术，采用微软的w i n d o w s 为丌发平台，以标准v c + + 为开 发环境( w i n d o w ，环境下采用v i s u a lc + + 6 o 为编译器) ，以l r i sp e r f 0 珊e f 为模型 驱动软件，将0 p e n g l 作为可视化支撑软件，建立磁浮列车系统虚拟环境。该系 统可根据外部键盘，实时显示磁浮利车的运行环境( 包括地景、磁浮列车和天空) 及列车当前的运行姿态，并有若干种观察点可选择。 本论文分为六章，各章的主要研究内容如下： 第一章介绍了磁浮列车线路的发展概况，削析了虚拟现实技术，探讨了虚 拟现实视景仿真研究的历史和现状，并概述了本论文的研究背景、研究内容以 及论文的目的和意义。 在第二章对上海磁浮列车系统的车辆系统、线路系统进行分析。在车辆系 统中分析车厢、悬浮架、悬浮系统、导向系统、二系悬挂和一系悬挂结构和作 用。 第三章结合生成真实感图形的绘制技术，讨论了在线路三维设计中，真实 感线路景观模型的生成与显示技术。 第四章利用m u l t i g e nc r e a t o r 建立磁浮列车系统三维实休模型库，用以保存 三维实体外观、几何和物理信息。 第h 章介绍磁浮列车线路系统! l 成的软、硬件j f 台卅述了磁浮列车视景 仿真系统实现原硎，以及模型驱动硐i 视点 m 标推导，给f l 了模型视景图。 第六尊结论部分列本文的研究进行了系统地概括利总结，提小了需进一少 研究的问题及不足。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 第2 章磁浮列车运行系统 上海高速磁浮线路山湘东高科技工业吲区通往浦东国际机场，全l 毛约 3 0 k m 。大体可以分为车辆、控制、驱动( 牵引供电) 、线路( 轨道梁和土建工程部 分) 系统，其q 1 轨道梁在德国技术转让的基础上山我国设计制造，整个运行系统 的设备包括车辆、控制系统、驱动系统以及附属在轨道梁上的定子铁：醛和线圈 电缆全部采用德国的设备。本章将以上海磁浮铁路为例剥磁浮列车铁路的运行 系统进行分析。 2 1 磁浮列车基本原理 磁浮列车从悬浮机理上可分为电磁浮列车和电动悬浮。前者以德国t r 系统 为代表，后者以同本m l x 系列为代表【j 。 图2 1 德睡【t r 高速磁浮列车结构简图 电磁浮列车是对乍载的怂浮电磁铁通电励磁而产生可柠制的电磁场，电磁 铁与轨道上的铁磁性构件( 锏质支承轨或长定f 阿线r n 机定r 铁芯) 桐! l ：吸0 i ，将 列女：向【：l 啦起( 乍上的懋浮f b 磁铁咀外包形式臀 ：轨道卜- 力) ，h _ l 磁铁与轨道之 l j 的悬浮问隙般控制n ：8 一1 0 m m 。列车通过商线电机柬牵引行走，通过控制悬浮 的悬浮问隙般控制诒8 一1 0 m m 。列车通过啊线电机浆牵引行走，通过控制悬浮 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 励磁l l i 流来仪i i f 稳定的怂浮隙。蚓2 ，i 为德m il l 磁汗州i 系统原理罔。 l u 动悬浮足和i ：【：安装液氦冷卸的低濉超导线l j ! i 励磁，形成超导磁铁。磁 铁的n 极年1 l s 扳沿乍的运行方向交咎分枷。线路侧她j ：安装牵引线圈羽1 恳浮导向 线圈( 定子线圈) 。当给线路上的线圈通i 乜时，产生沿线路方向移动酌磁场，吸 引棼上的超导磁铁向前运动。改变定二线圈叫1 f 乜流的频率和强度可以调节牵引 力的大小。车辆丌始运动以后，车上的超导磁铁与线路上构线圈产生 = 【l 对运动， 产尘感应电流和感应磁场，该感应磁场与车b 匿导磁铁的磁场相互作用，产生 悬浮力和导向力，车辆与线路之闽的相对运动速度越高，产生的悬浮力和导向 力越人。因此，列车静止时没有：鼠浮力和导向力，列车速度达到1 5 0 1 8 0 k m h 对，列车彳能进入与线路完全无接触的悬浮状念。图2 2 为f l 奉m l x 系统悬浮原 理图。 悬浮导向磁铁 牵引线圈 图2 2同本m l ，x 系统：悬浮原理图 山于德圜t r 系统技术较为成熟，一l 海磁浮线采用了电磁悬浮的t r 0 8 系统， 本文主要是以德国t r 0 8 系统为基础进行分析和研究。 2 2 磁浮车辆结构 车辆是挺个商述磁浮交通的核心技术之一。商速磁浮交通的技术特征与车 辆的技术特钮：密啪棚荚，尤j c 足午辆们悬汗特性。 j 海磁浮铁路的个，钮与德国t r 0 8j 鹌磁 予列1 i ：氍水致( 阁2 3 ) 。乍厢为 三明治铝材轻型种r 峙津j ，流线j 弘外j 三没汁。悬浮架为铸钳 合会挤爪甚l ，诅村川 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 结合的轻质高灶度结构，悬浮磁铁的史承小体为钳l 材每i 粱，磁极采用钾1 粥绝缘 的摆式结构。绝人部分i u 气控制单兀以“抽删”的办代安装住央层结构内。它 与在t v e 运行的t r 0 8 型磁浮列乖丰【i 比，卜要祚! 可靠性一艺技术、空调系统和火 警探测等方面有所改进。车辆主要包括车厢及其附属设施、悬浮耍e ：碌浮导向 单元、二系悬挂系统、悬浮系统、导向系统等予系统。 l 兰。竺一 唾鲴t 霭 旷薛一 锄雕t “一曩 一曲馈 镍土膏 肝量 向身正 百一蔷r 。7 、一誓莳、。弋丽一 惫洱t 铰靠位总长鹰虫车2 3 丁5 3 _ 中同事2 7 6 8 m 图2 3 上海磁浮车辆结构示意图 2 2 1 车厢及其附属设备 磁浮列车车厢参照航空器参数设计。 b 铝型材料和三明治蜂窝铝板通过焊 接和铆接的方式构成。山于高速磁浮交通的线路采j i j 高架方式，因此，出于安 全考虑，每节车厢配有4 套紧急逃生系统，分别独立安装在车门附近。 2 2 2 悬浮架 悬浮架足车辆止行结构的1 ：要部件，圳刘2 4 所示。何一1 ”i 有4 个：碌浮架。 每个悬浮架包括两纰c 型悬浮脚i j ，它们通过根纵梁连接起来形成完褴的怂浮 架。悬浮架的作j j 足装载f u 磁铁并将怂亍孚j ，岢i 柚肌币引力和制动力通过 二系悬扑 递给1 ij i i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 4 悬浮架结构示意图 悬浮架纵梁具有适应随后c 型：碌浮脚弓扭转变化的能力，结构的扭转刚度较 小，使得列车高速通过曲线时更好地适应线路曲率的变化。同一组c 型悬浮脚弓 也有可能发生横向变形，但从结构特点看，其刚度较大，以承受高速通过曲线 时的导向力，因此在动力学仿真中忽略这一影响。 2 2 3 悬浮导向系统 悬浮磁铁和导向磁铁安装在相邻的两个悬浮臂上，构成一个基本的磁铁模 块巾元，如图2 5 所示。 图2 5 悬浮导m h 元 2 2 3 1 悬浮系统 悬浮系统包括怂浮l u 磁铁、；镍浮f 感器、怂汗 夺制器等- 三种类型的设持， 其批本功能足实现个辆稳定怂浮并跟踪轨道巾个仃1 4 个惟体悬_ 乎f u 磁铁干4 个 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 j 卜体悬浮l u 磁铁：端乍柯【4 个糖休悬浮 u 磁铁_ _ f l l 2 个、i ，- 休悬浮i u 磁铁。个蟾体 悬浮电磁铁包括2 个半体懋浮电磁铁。每个j 卜体悬浮电磁铁对应一套悬浮传感器 和一套悬浮控制器。图2 6 为悬浮电磁铁的1 意图，：悬浮屯磁铁同时具备悬浮励 磁、牵引励磁和发也i 种助能。 图2 6 悬浮r u 磁铁示意l 硐 2 2 3 2 导向系统 导向系统包括导向电磁铁、导向传感器、导向控制器等三种类型的设备， 其基本功能是实现车辆横向稳定控制并跟踪轨道。每= i ，车有1 2 个导向电磁铁 左右两侧各分们6 个。每个导向电磁铁包含6 个磁极，根据导向磁铁在车辆的不 同安装位置，6 个磁极分为2 组或3 组。侮个导向点对应一套导向传感器和一套导 向控制器。图2 7 为导向电磁铁示意图。在导向磁铁的表面装有导磁的防撞板 同2 7时向l l l 磁铁弧意图 2 2 3 3 涡流制动系统 磁浮列l ，| ：僻肖1 i 仃州个涡流：| j i i 动i u 磁铁，分斫j m l ：辆l 部n 勺以i 7 i 州侧。j5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 有在牵弓i 系统制动失效或其他紧急情况下，j 启动涡流制动系统。 每个制动磁铁山1 2 个极组成，沿车体j i 进疗向分靠。这1 2 个磁极被分成4 组， 每组对应一套涡流制动控制系统。 当列车速度低于约1 5 0 k m b 对，涡流制动磁铁将相对悬浮架发生位移并接触 侧导轨，磨耗板与导向轨发生摩擦制动。当速度接近1 0 k m h 时，涡流制动控制 系统将被关闭，转为滑橇摩擦制动。 2 2 4 一系悬挂 t r 0 8 车辆的整车重量通过铁芯与线路上对应点之删的力元，近似分和地山 轨道承担，而悬浮架单元以上的重量则通过电磁铁模块与悬浮架单元之间的盒 属橡胶件支撑在电磁铁模块上，这里将b 磁铁与悬浮架单元问的弹性连接称为 车辆的一系悬挂。 一系悬挂中悬浮电磁铁的弹性连接结构主要提供垂向刚度，当连接一个磁 铁模块的两个端点发生相对运动时，这种会属橡胶支撑可以起到很好的运动补 偿作用，不会发生很大的应力，橡胶件具有免维护优点，提高了悬挂的可靠性。 一系悬挂中导向电磁铁与悬浮架单元的连接更复杂一些，必须实现四个功 能：一是要使电磁铁能够承受主要的横向荷载，二是导向电磁铁模块不起悬浮 作用，重量要由悬浮架犟元来承受。三是要防止模块绕纵向长轴转动，四是悬 挂要具有运动补偿功能以适应动态下出现的各种相对运动。在t r 0 8 车辆中，前 两个功能是由模块两端的三角形支承实现，第三个功能是出模块对角稚置的两 个侧翻拉杆实现，第四个功能是通过使上述拉杆、三角形支承具有一定的横向 长度、以及橡胶球关节作为连接关节束实现的。 2 2 5 二系悬挂 二系悬挂系统结构主要包括空气弹簧支座、空气弹簧、摇臂、防滚件、摆 杆和y 向弹簧等，如图2 8 所示。_ ：系悬挂系统结构纳主要功能是：通过摆式结 构确保车厢与悬浮架的匹配。通过渊* 审气掸簧，使车厢在所有运行状况下 保持在一个设定的相对高度位冒，且不受车厢负载变化的影响。通过y 向定位 弹簧或辅助弹簧提供侧向f f l 尼，y 向定位弹赞随着爪力增人，刚性呈级数增大， 因此，它能使y 向的能移限制m 。个最大的允y i ：f i i 。通过摇臂之州的金属橡胶 件连接，提供防滚稳定机制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 帖膏件赫臀 i： 空气弹冀支摩中气鼻冀桎抒 图2 8 二系悬挂系统结构示意图 2 2 ，5 1 抗侧滚装置 抗侧滚装嗣是决定磁浮列车走行部机械形式的关键，它与轮轨铁路的抗测 滚装鬻用完全不同的结构形式，实现了同样的功能，而且各国磁浮列车抗侧滚 装嚣的结构也不相同。t r 0 8 的抗侧滚装嚣非常独立，与t r 0 7 相比又做了进一步 的简化，取消了减震器，左右梁耦台部分仅用一个橡胶块束实现，使得结构相 对更简单，重量更轻，成本也更低，特别有利于列车的批量生产。 t r 0 8 车体的侧滚恢复力来自于左右砥侧梁在车辆中部相对错位引起橡胶 件变形，而传统铁路车辆的侧滚恢复力来自于抗扭杆左右端部承受相反的力矩 使扭杆发生扭转变形；t r 0 8 车辆抗侧滚梁一直在承受车体重量，但耦台橡胶件在 车体与走行部没有侧滚角时不承载，铁路车辆的抗侧滚扭杆在车体与走行部 相对无侧滚时也是不承载的，但车体重量直接由空气弹簧作用于构架，抗扭杆 不起作用。 2 2 5 2 垂向悬挂 h m 8 车辆的车体通过总，1 6 根吊杆垂向悬挣神i 1 6 件抗侧滚梁的一端。车体 与吊秆下部关节的连接处有金属橡胶连接件，用于隔离从转动梁传向车体的高 频振动，但真f 起作用的年体垂向悬挂刚度是i _ j 窄气掸簧提供的，山于空气弹 簧砷i 冠在转动梁与c 型悬浮弓之叫，而这两者之| n j 除了转动没有其他相对运动， 因此空气弹簧的横向刚度不会作川于车体水平面内的运动，这表i 仆j 车体的垂向 悬挂是独立。j ：横慨戤拌的部什，”独挝供的，这j f 统铁路币辆是不样的。 空气卵债没有独市| j 附加7 飞审，找竹变化州审气弹簧的胍力凋整通过i 体 j _ = 的气窀水完成，1 ：底架纵泶i ：j i ：布州路7l 孔，分 i j j | 门：两种，志气弹簧，为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 两剩- 空气弹簧的额定载荷不同。 2 2 5 3 横向悬挂 t r 0 8 车辆中的横向刚度由吊丰1 、横向附期l 橡胶块、横向橡胶止档三个独立 的部分提供。 横向附加橡胶块向车体提供附加的横向刚度。横向橡胶止档布置在处于车 体与抗侧滚梁端部之间但留有9 0 m m 横向自由问隙，一旦间隙用完，止档橡胶元 件的横向刚度就丌始起作用。 2 3 磁浮交通线路系统 磁浮列车能够离，1 ：地谣定的高度高速运行，但不能像飞机一样以空气为 依托，因而在地面上必须有一个坚实可靠的支承和导向系统，即线路系统。它 包括轨道设备及其支承结构。轨道设备包括轨道结构两侧磁性导向板、顶部滑 行板、定予铁芯和线圈、供电轨等，磁浮列车的无接触支承、导向和驱动就是 依靠上述轨道设备和磁浮列车支承导向系统相互作用来实现的。轨道结构在构 造上应能满足轨道设备的安装、固定和界限等要求，并且满足磁浮列车的导向、 悬浮和驱动等受力要求。此外，还必须满足磁浮列车在不同环境条件下运行的 舒适性和安全性。 2 3 1 线路平纵断面 2 3 1 1 平面曲线 上海磁浮列车示范运营线全线共设置了6 处曲线。曲线总长1 8 6 3 k m ，占线 路总长的6 2 3 。各曲线要素之间用正弦形缓和曲线连接。曲线半径的选用综合 考虑工程和运营两方面的因素，在保证高速地段不限制行车速度的前提下尽 量满足降低轨道梁结构设计、制造难度的要求，采用能满足以直梁拟合曲线的 结构设计要求。币弦型缓和曲线可使列车在行驶过拍圳一保持稳定。浚缓和曲线 线型除能满足曲率、外轨超高及自横向加速度的连续变化外，还能保证列车 运行过程q 1 垂直加速度和横向冲出f 门连续变化。缓和曲线的最小 乏度决定于最 大侧向：l 速度的参数、最大允诈：扭转率及最火法向加速度时变率。 为消除和减少帅线运行寸的r l l j 1 侧向加述度心须为轨i i 设胃横坡。横坡 角的设茕导致线路的抓转。线路的钉【转足f 粜特线杵i 心线的商称和纵断而不变， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 将上部结构绕线路中心线旋转得到所需要的超高横坡，如图2 9 所示1 。线路扭 转使列车在运行中车辆的中心与线路中心线的垂直距离始终保持不变。 图2 9 线路横坡形成的空间扭转曲面图 对于高速行车，当列车以较高的速度通过曲线时，为了平衡较大的离心加 速度，需要在线路上设置较大的横向超高坡度。由于t r 磁浮列车线路采用可防 止脱轨的车辆从外面包住线路的方案，选线中可采用较大的横向坡度，允许的 最大坡度可达1 2 。线路横坡变化是在线路的扭转段内实现的。该扭转段横坡角 的变化规律应当与线路平面中的缓和曲线变化相对应。个别情况下扭转段也可 以处于平面曲率为常数的路段上。正线上线路扭转段的横坡角变化规律采用正 弦曲线。 2 3 1 2 纵断面 正线纵断面由直线和竖曲线组成。磁浮列车线路选线中可以采用较大的纵 向坡度，最大纵坡可达1 0 。因此，磁浮线路较易按照地形的起伏选线能更方 便地克服高程障碍，减少既有市政工程结构的改建。 为了避免坡道上法向加速度、法向加速度时变率出现突变，必须在坡段的 直线和竖曲线之间设置竖向缓和曲线。竖曲线缓和曲线线型采用回旋曲线，竖 曲线半径的取值应满足行车舒适度的要求。为了预留将来速度提高到5 0 3 k m l l 的线路条件，竖曲线半径在正线上按不小于4 5 0 0 0 | l n 设计。竖曲线半径也不宜取 得太大。高速客运行车线路上，竖曲线半径的设置主要考虑满足旅客舒适条件 和降低工程设计、施工难度。根据上海磁浮列车示范运营线路轨道梁结构的设 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 计要求，竖曲线半径大。j ：3 5 0 0 0 m ，便能满足轨道粱蝇