（车辆工程专业论文）铁路提速改造数据可视化系统.pdf

北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 摘要 摘要 y3 工3 妇 从1 9 9 7 年开始，我国铁路四大繁忙干线以1 4 0 k m h - - 1 6 0 k m h 为目 标进行了全面提速，为此，国家投入了大笔资金迸行既有铁路线路的改 造，以满足提速列车对线路的要求。为节约投资，提高效益，毯整堡速 线路的改造应当尽可能地利用现有的线路设备，减少改造的工程数量。 目前，各设计部门的提速改造设计主要靠手工进行，因涉及的线昭参数 可选方案众多，设计工作量巨大，仅靠人力高强度劳动，难以遵褥多方 案优化组合并选择最佳方案，因此，有必要借助计算机系统来帮助设计 人员迅速、准确、形象、快速地反映出提速改造最佳方案。针对这一问 题，本文提出了建立让篁机数据可视化系统，并借助此系统提高线路改 造设计效率的方案，并讨论厂建立可视化系统的主要思路和关键技术。 i 线路平面图是线路改造设计的依据，对这种连续大幅面带状图形进 l 行以铁路为中心的局部矢量化，可以保持大数据量线路平面图的整体一 致性，并可实现图形的快速检索和定位。论文在对典型点阵图形矢量化 方法优缺点进行分析的基础i ：，提出了包括图象分割、分散图象重定位、 图上铁路线识别、里程关联等一系列处理过程的矢量化策略。 系统采用离散图片描述线路视景，并建立了视景录象资料的定位和 控制算法，使视景录象的检索定位更加迅速。 系统采用计算机图形图象技术，对本段铁路进行点耐动态结合，通 过连续的线路平面图、线路前方视景录象图及列车运行图三者按里程联 动，在屏幕上显示出地形地貌1 i 体形状、地面固定设施分布以及移动设 备的状况，为提速改造提供依据。 现场运行表明，系统稳定性好，信息全面、宜观，达到了预期目的j 一 ) 主题词：挺箍可桡化线路平啬图矢釜化 j ! 查銮望奎堂塑塑兰皇皇三里兰堕堕圭堡塞 垒! ! 坚坐 d a t av i s u a l i z a t i o ns y s t e mo nr a i l w a yr e h a b i l i t a t i o n f o r s p e e d e n h a n c e m e n t a b s t r a c t e x i s t i n ge q u i p m e n ts h o u l db er e u s e da n de n g i n e e r i n gw o r ka m o u n tf o r r a i l w a yt r a c kr e h a b i l i t a t i o ns h o u l db e r e d u c e da sm u c ha sp o s s i b l ei no r d e rt o s a v ef u n d sa n d i m p r o v e b e n e f i tw h e nr a i l w a y r e h a b i l i t a t i o nf o r s p e e d e n h a n c e m e n ti sc a r r i e do u t i t s v e r yd i f f i c u l tt oo p t i m i z em u l t i - s c h e m ea n d g e tt h eb e s tb yh i g hs t r e n g t hh a n d w o r k ，w h i c hi sp u tt o u s eb ym o s td e s i g n b r a n c h ，b e c a u s es om a n ys c h e m e sa r ei n v o l v ea n dd e s i g nw o r ka m o u n ti s s o s t r e n u o u si na c c o r d a n c ew i t h t h i s p r o b l e m ，a s c h e m e s e t t i n gu p d a t a v i s u a l i z a t i o ns y s t e mw i t hw h i c hd e s i g ne f f i c i e n c yo fr a i l w a yr e h a b i l i t a t i o nf o r s p e e de n h a n c e m e n tc a nb ei m p r o v e i sr a i s e d ，m e a n w h i l ek e yt e c h n o l o g ya n d m a i nc o n s i d e r a t i o no nf o u n d i n gt h es y s t e ma r eb ed i s c u s s e di nt h i sp a p e c r a i l w a yt r a c kp l a n ei s t h eb a s e m e n to f r a i l w a yr e h a b i l i t a t i o nf o rs p e e d e n h a n c e m e n tw h e nt h et r a c eo fr a i l w a yt r a c k so nal a r g es i z er a s t e ri m a g eo f r a i l w a yt r a c kp l a n e i sv e c t o r i z e d ，v a l u a b l ef e a t u r e se m e r g ei n c l u d i n gs u s t a i n e d g l o b ec o n s i s t e n c ea n df a s tm a pl o c a t i o n a sw e l la sm a pr e t r i e v i n g i nt h i s p a p e gas e r i a lo f v e c t o rt a c t i c si n c l u d i n gi m a g ec u t t i n ga p a r t ，s c a t t e r e di m a g e r e l o c a t i o n ，r e c o g n k i o nt ot h et r a c eo fr a i l w a yt r a c k so ni m a g ea n dr e l a t i o nt o m i l e a g ea r ep o s e do nt h eb a s eo fa n a l y s i st oa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f t y p i c a lr a s t e ri m a g e v e c t o rm e t h o d s s e p a r a t e di m a g ei s u s e dt od e s c r i b er a i l w a ys c e n em e a n w h i l el o c a t i o n a n dc o n t r o lm e t h o dw h i c hf a s tt h er e t r i e v ea n dl o c a t i o no fr a i l w a y s c e n e r e c o r da r eb u i i t i i 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文a b s t r a c t u s i n gt h ec o m p u t e rg r a p h i ca n di m a g et e c h n o l o g y , s y s t e mc a nc o m b i n e p o i n t si n f o r m a t i o nw i t hp l a n e sd y n a m i c a l l yb yc o n d i s p l a y i n gt h er a i l w a y t r a c k p l a n e ，r a i l w a y s c e n er e c o r d i m a g ea n dr u n n i n g s t a t e g r a p h o ft r a i n a c c o r d i n gw i t ht h eu n i f o r mm i l e a g e ，m a i ns h a p eo ft e r r a i na n dt h eg e n e r a l c o n f i g u r a t i o no f t h ee a r t h ss u r f a c e ，f i x e df a c i l i t i e sa n d m o v i n ge q u i p m e n t c a l l b ed i s p l a y e do ns c r e e n a l lt h e s ef e a t u r e sp r o v i d ei n f o r m a t i o nt ot h er a i l w a y r e h a b i l i t a t i o nf o rs p e e de n h a n c e m e n t t h eo n s p o tr u n n i n g d e m o n s t r a t et h a t s y s t e m h a s g o o ds t a b i l i t y ， c o m p r e h e n s i v e a n d d i r e c t l yp e r c e i v e di n f o r m a t i o n ，e x p e c t e dt a r g e t i s a c h i e y e d k e y w o r d ：s p e e de n h a n c e m e n t ，v i s u a l i z a t i o n ，r a i l w a yt r a c kp l a n e ，r a s t e ri m a g e v e c t o r i z e d 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铁路提速的背景 长期以来，铁路以其快捷、安全、舒适、廉价等明显优势，在社会 f ：站稳了脚跟，并得到迅速发展。 我国铁路是运输业的主力，国民经济的大动脉。由于运能不足，铁 路一直处于紧张状态，在运输市场上从没有出现过市场虚靡现象，因 而在运营机制上缺乏改革动力，列车速度长期徘徊不前( 见图l 1 ) 。 图l l 我国铁路旅行速度变化情况 1 9 9 5 年，旅客列车和货物列车平均旅行速度分别为4 9 o k m h 和 3 02 k m h ，旅客列车最高速度不到1 2 0 k m h ，与世界水平相距甚远。但 是近年来，我国运输市场发生了明显的变化，公路与航空运输的发展， 抢占了铁路的部分市场，铁路在运输业中客货运量所占比重逐年缩小， 以至在一些地区和线路上失去了部分市场份额，出现了供大于求的买 方市场局面。国内外实践表明，造成这一局面的原因很多，但是，根 本性的原因却是运输速度问题。因此，从根本上看，提高列车运行速 度是铁路适应市场竞争的必由之路。从6 0 年代起，列车速度2 0 0 k m h 以上的高速铁路专线的投入运用及发展，使铁路进入了高速化发展的 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 第一章绪论 阶段。8 0 年代以来，随着高速铁路的迅速发展，既有铁路的提速改造 得到普遍的重视。除了已发展高速铁路的日本、法国和德国等主要国 家外，北美和欧洲各国也积极进行列车提速。当前，除非洲外，几乎 各大洲的所有发达国家的铁路旅客列车运行的虽高速度都已经超过 1 4 0 k m h 。其中有些经济发达国家还发展了时速2 0 0 k m h ，甚至3 0 0 k m h 以上的高速列车。一些积极发展高速铁路的国家，为了充分发挥高速 的优势，在与高速铁路接壤和延伸的既有铁路线上大范围的进行配套 提速，实现铁路的快速运输。从世界范围来看，铁路提高列车速度已 经形成高潮，高速化是铁路发展的趋势，是经济和社会发展的需要， 也是时代提出的挑战。我国经济的发展，同样也向铁路提出了这一挑 战。 9 0 年代以来，我国铁路向高速化发展进入了新的里程，国家批准 在广州至深圳间进行旅客列车最高速度1 6 0 k m h 的试点，从而开始了 对车、机、工、电、辆各方面技术装备配套应用的研制和试验工作， 并于1 9 9 4 年底正式建成通车，成为我国第一条准高速铁路。另外，1 9 9 6 年4 月l 曰，沪宁线首次在繁忙干线上开行快速旅客列车，最高速度 达1 4 0 k m h ：此后，1 0 月1 日又把最高速度提到1 6 0 k m h ，使上海到 南京的旅行时间由4 小时缩短到25 小时以内；1 9 9 6 年7 月1 日京秦 线开行了最高速度1 4 0 k m h 的快速旅客列车“北戴河”号，使北京一 一北戴河的旅行时间由3 小时3 8 分钟缩短到2 小时3 0 分钟；1 9 9 6 年 1 0 月8 日由北京经京秦、沈山、沈大线全部编挂新型双层客车的快速 旅客列车开往大连，最高速度1 4 0 k m h ，该径路成为我国第一条跨区域、 氏距离的旅客列车快速通道；此外，还在京广线郑州武汉及成渝 线等既有铁路上进行了提速试验，旅客列车的最高速度和旅行速度较 以前都有了很大的提高。上述这些准高速铁路建设及既有繁忙干线提 2 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第一章绪论 速技改，为我国既有铁路开行时速在1 6 0 k m h 以内的快速列车提供了 经验，同时也证明，我国的技术力量已经有能力制造和运用开行1 6 0 k m h 列车的各种技术装备。1 9 9 7 年4 月1 日，新的列车运行图开始运营， 我国四大繁忙干线的旅客列车正式以1 4 0 k “h 1 6 0 k m h 为目标进行 全面提速。为此，国家投入了大笔资金进行既有线路的改造，以满足 提速列车对线路的要求。 1 2 铁路提速改造数据可视化的意义 列车速度的提高，要受到机车车辆性能、既有线线路情况、通信信 号设备等方面因素的制约。其中线路情况对速度的制约主要存在于以 下几个方面： 1 ) 线形限速 2 ) 轨道部件限速 3 1 路基限速 4 1 桥梁限速 5 1 道口限速 就线路的允许速度而言，由于线路等级及轨道结构类型不同，各条铁 路的线路允许速度也不同。据统计，在我国现行铁路网中，线路允许 速度在l o o k m h 及其以上者，占营业里程的1 9 ，其中1 2 0k m h 者仅 占营业里程的5 ；8 0 k 州h 9 0 k l t l h 者居多数，占了5 6 ；尚有l 4 的营业里程，其线路允许速度在8 0 k m h 以下，这与1 4 0 k 耐h 1 6 0 k 州h 的提速目标相去甚远。因此，既有铁路列车提速，必须对现有线路进 行改造，即对线形、轨道部件、路基、桥梁、道口进行改造。 线路各限速因素对列车速度的影响因线而异，对既有铁路提速改 造，不能对线路的各限速因素进行全面的改造。如果这样做的话，刁i 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第一章结论 但提速效果不一定明显，而且会造成资金的巨大浪费。因此，线路改 造首先应针对具体线、段进行限速因素分析，在弄清各限速因素的分 布状况后，确定各线、段的提速目标和应采取的相应措施，之后再根 据线路改造情况进行工程数薰计算及投资估算分析，其主要工作流程 如图1 2 所示。 进行牵引计算，得到 本路段的速度睦线 根据速度曲线找出本 路段的速度受限区段 线路改造设计 工程数量计算 投资估算分析 方案最优? - - - - 1 - c 结束 否 图l 2 工程数量投资估算计算流程 4 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第一章绪论 在铁路提速线路的改造过程中，为节约投资，提高效益，应当尽 可能地利用现有的线路设备，减少改造的工程数量。手工方式进行限 速因素分析、工程数量计算和投资估算分析，首先要进行繁复的牵引 计算，之后根据所得的速度曲线找出速度受限区段，再进行线路改造 设计、工程数量计算及投资估算分析，为找出既节约投资又有较好提 速效果的较优方案，往往需要将上述过程重复多遍，更不可能找出最 优方案。这种方式计算周期长，计算工作量大，精度不高，尤其当存 在多种改造方案时，进行多方案优化组合、比较并选取最佳方案时非 常困难，往往得不到最佳方案。另外，工程技术人员和管理决策人员 只能依据线路平纵断面图( 如图1 3 ) 了解线路情况。 图卜3 线路平面图 在线路比较长( 如1 0 0 0 公里) 的情况下，图纸信息量必然很大( 在 比例尺为l ：2 0 0 0 时，图纸长5 0 0 米) ，这给读图和决策都带来了很多 不便，而且仅仅依据线路平纵断面图无法了解实际线路周围一定范围 内的地形、地貌情况，有时不得不进行一定的野外踏勘作业。因而， 有必要借助计算机可视化系统迅速、准确、形象、直观地找出提速改 造最佳方案。铁路提速改造数据可视化系统可以提供全线地面固定设 施( 线路、桥梁、隧道、车站、道岔、平立交道口等) 的可视画面和 5 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 第一章绪论 相关信息，将部分野外踏勘作业工作改为在计算机屏幕前观察分析， 减少勘测作业量，缩短勘测设计周期，提高设计生产效率。在线路改 造设计方面，较以往人工设计，可大大减少设计错误，提高设计精度 和准确性，使投资发挥最大效益。同时可为工务维修及查找线路故障 设备原因及地点提供便利。 铁路提速改造数据可视化系统的主要特征在于：它将铁路固定设 备( 铁路线路) 和移动设备( 机车车辆) 两方面的因素综合进行考虑， 研究两者在提速改造过程中的相互关系、相互影响，从而帮助工程技 术人员和决策人员作出最终决策( 如图1 4 所示) 。 图l 一4 固定设备和移动设备的关系 1 3 国内外同类系统的研究开发状况 在铁路固定设备( 铁路线路) 的研究方面，铁道部各勘测设计研 究院以及部分高校在“铁路勘测设计一体化、智能化和自动化”的研 6 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第一章绪论 究方面作r 大量的工作，并取得了一批很有价值的成果，有的已经用 于生产实践，线路纵断面优化设计的软件已经比较成熟，线路平纵断 面联合优化的方法研究和软件开发，也取得了关键性的突破。国际上 发达国家在道路的勘测设计方面，更是采用了包括gis ( 地理信息 系统) 、gps ( 全球定位系统) 、rs ( 遥感) 、三维图形在内的成套 自动化技术，其中，有代表性的产品有：英国的m o s s 公路设计系统 和美国b r e n t w o o d 公司开发的三维公路设计系统。但是，就铁路线路改 造、维护的基本数据依据线路平面图来说，由于其主要表现为横 纵比例很大的带状图形，对这种图形的计算机连续矢量化处理比较困 难，目前还没有见到对这种图形的计算机连续矢量化处理的较好的算 法模型和成熟软件。在铁路移动设备( 机车车辆) 的研究方面，与提 速线路改造关系最密切的部分主要是牵引计算。对此，北方交通大学、 西南交通大学以及铁道部科学研究设计院都作了大量的研究，并有完 善的算法模型和成熟的软件，而且这些软件已经在实际应用中发挥了 重要作用。 当前，国内工程设计部门在进行铁路提速改造工程研究设计的过 程中，各项计算和分析主要靠手工来进行，尚未有较合适的计算机辅 助设计工具来帮助工程设计部门提高提速线路改造的效率与质量。国 内。一一些单位也开发了一些站场、隧道、选线等的计算机辅助工具，但 其主要是应用于单个的站场、隧道或较短线路的辅助设计，而且这些 计算机辅助系统没有综合考虑移动设备对设计的影响，这方面的考虑 主要是通过人工方式来进行。在选题调研中，还未查阅到与本可视化 系统类似的软件系统的介绍，表明该问题至今还很少或未曾有人详细 研究开发过。因此本课题对于解决现场实际问题具有一定的现实意义。 7 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 第一章绪论 1 4 本课题的主要内容 针对这种现状，有必要研究开发适合于现场需要的、有效的计算 机数据可视化系统，将工程设计人员从繁复的数值计算、比较中解脱 出来，把大量的重复性工作交给计算机去完成，使工程设计人员致力 于设计、决策这一类工作，并且用计算机来帮助设计人员管理大量的 图纸、录象等线路资料，为工程设计人员提供方便。 本论文所展开的研究，就是尝试通过用计算机对铁路线路图形直 观数据、属性数据以及机车车辆运行模拟过程进行可视化，探索针对 铁路线路地形、地貌、周围景物描述数据的可视化处理方法，进而建 立实用的可视化系统，为铁路提速改造的工程设计决策提供帮助。本 课题就以上述内容为目标，完成了以下的工作： ( 1 ) 研究建立线路平面扫描图局部矢量化的算法模型及数据结构，并编 制相应的预处理工具软件，对大量的线路扫描图进行预处理。 ( 2 ) 研究建立录象资料的组织、管理算法，使其不仅适用于本系统，而 且可方便地移植，服务于其它需要对录象资料进行实时处理的系 统。 ( 3 ) 建立包含客货列车牵引计算、线路平面浏览、线路视景播放、工程 数量计算及投资估算在内的系统软件。 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 通过上一章的介绍知道，铁路提速改造数据可视化系统的目的是辅 助设计、辅助决策，它涉及面广、涉及的内容多。本章就系统的总体情 况及主要软件模块进行介绍。 2 i 系统的功能及特点 铁路提速改造数据可视化系统是建立在m i c r o s o f t 公司的w i l l d o w s n t 操作系统基础上的，用于帮助工程设计人员和管理决策人员进行线 路改造辅助设计、辅助决策的应用软件。它主要具有以下几方面功能： l 实现铁路线路全线范围内点面动态结合，通过计算机屏幕画面 描述线路、桥梁、隧道、车站、平立交道口等设施，反映出任何断面的 主体形状，为线路改造提供依据。 2 计算并显示提速参数( 如牵引类型、牵引定数、速度目标、允 许欠超高、各站停车时间及平纵断面改造情况等) 和主要运营指标( 具 体是指各区间长度、客货车的区间最高速度、技术速度、旅行速度及旅 行时间等) 。 3 人机交互给定提速列车配置、设定线路平纵断面，进行客货列 车牵引计算，并反求缓和曲线长度、超高、欠超高，得出优化的提速列 车配置方案。 4 显示线路允许速度及列车牵引速度曲线，反映出各区间提速列 车运行速度和时分，并计算相应区段主要工程数量及投资估算。 5 通过线路平面扫描图和线路视景录象画面以及列车牵引工况实 时反映列车运行的位置和速度、线路地形地貌及周围景物。 6 可以进行多方案的比较优选，并用各种画面、图表反映出最优 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 提速改造方案。 与其它线路、车站等计算机辅助设计软件相比，它具有以下的独 特功能： 1 线路数据量大，数据齐全，查询方便。系统维护管理了包括线 路平面图和线路视景录象图片在内的全线1 0 5 4 公里的线路数据，可以 随时查看任意地点的线路信息。 2 线路数据独立性强。由于种种原因，实际线路的情况随时都可 能发生变化，例如某些车站站址的变更，或某段线路小半径的修改等， 这就要求软件设计人员在编程时充分考虑系统的可维护性。当某段线路 的数据发生变化时，可以将其暂时摘离系统，待不一致的数据被更正后， 再重新投入运用。 3 具有独立的线路平面图、录象图处理工具。可以独立的处理睹 如线路平面图的局部矢量化、录象图与线路里程的关联等工作，为图形 图象的处理提供方便。 2 2 系统分析与设计 铁路提速改造数据可视化系统是一项较为复杂的工程。由于其主 要目的是服务于铁路提速线路改造的设计决策，所以应当尽可能的将与 线路改造有关的各项重要数据进行可视化，故此其涉及的内容包括线路 属性参数数据结构的建立，线路平纵断面、线路视景录象的同步显示， 机车车辆、牵引计算参数的修改，工程数量、投资的计算，以及操作界 面的设计等。在软件的研制与开发中，我们从实际出发，密切结合京广 铁路武昌至广州段线路改造设计工作的需要，听取工程设计部门的意 见，力求使系统达到先进性、可靠性和实用性，提高线路改造设计的效 率。 1 0 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 2 2 1 系统的工作流程及主要对象模块划分 正如上一节系统功能所描述的，系统的主要工作是： 1 根据给定的列车配置、线路参数、线路改造要求进行牵引计算， 得出列车运行的时分曲线。 2 计算列车在提速线路上的运营指标； 3 计算线路改造的工程数量和投资 4 根据时分曲线进行线路平面图、线路视景录象的同步显示。 因此，其主要工作流程围绕上述工作展开： l 运营指标的计算 根据给定的提速方案，确定列车配置( 包括机车的类型、车辆情 况以及牵引定数) 、速度目标和线路改造情况，之后进行牵引计算，算 出本方案的列车速度时分曲线，进而由此速度时分曲线数据统计列车的 最高速度、技术速度、旅行速度、旅行时间等运营指标。 2 工程数量和投资计算 由本方案的速度时分曲线数据和线路的改造标准，确定改线铺轨、 换铺道岔、填挖土方、安全护栏、征用土地等方面的工程数量，并计算 进行相应改造的投资情况。 3 重要线路数据、列车运行速度时分信息同步显示 将经过局部矢量化的线路平面图和与线路里程相关联的线路视景 录象图片以及本方案的列车模拟运行速度时分曲线显示在屏幕上，并且 以线路里程为唯一同步信息，使三者在保持线路里程一致的情况下，提 供不同的线路信息。 系统的工作流程如图2 1 所示。 在设计这一系统时，考虑到系统涉及的数据类型虽然较多，但总体 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 上主要分为图象资料数据和线路及机车车辆属性数据，故此系统以数据 图2 一l 系统工作流程图 类型为中心将系统总体分为三层结构，分别为主界面描述、牵引计算及 工程数量计算、线路平面图及线路视景录象资料联动显示。整个软件系 统采用了模块化的程序设计，除牵引计算模块由于出入模块的数据流较 特殊外，其它各模块都完成独立的功能，各模块之间通过公用数据库来 进行数据交换和通信，不仅便于理解，而且增加了程序的可生产性、可 维护性和可移植性。整个体系主要包括主控模块、牵引计算、工程数量 与投资估算、线路视景录象数据维护与显示、线路平面图管理、工况图 模块、联动控制等程序模块，软件主要对象模块结构如图2 2 。 1 2 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 图2 2 主要对象模块结构 2 2 2工作界面设计 与系统的三层结构对应，同时为使用户使用简单方便，将系统的 工作界面设计为三层，即主界面、牵引计算子界面和三图( 运行工况图、 线路平面图、线路视景录象图) 联动子界面。 1 主界面。在主界面上，用图表的形式反映出提速改造方案的基本参 数，如速度目标值，线路平纵断面改造状况( 改造与否) ，机车类 型，牵引定数等；绘出全线牵引速度曲线，为列车全线运行状况提 供一个直观、全局、概括性的图表描述；列表显示运营指标( 运行 速度，旅行时间等) ，并可计算列出主要的工程数量及相应的投资 估算。提速改造基本参数可直接进行交互修改设定，经系统进行全 】3 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 面分析后得出不同的改造方案，以便于进行宏观决策。 2牵引计算子界面。在此界面中，可将主界面选定的改造方案展开， 大比例显示全线速度曲线，观察牵引时分曲线的微观部分，可对照 实际线路的每一个曲线或其他固定设施( 桥梁、隧道、坡度、车站 等) 研究速度值高低变化的原因，并可进行人机交互修改线路参数， 使提速方案更趋合理。同时，在此界面中可以进行任意区段的限速 设定，并可随时启动牵引计算模块进行计算，以分析任意区段的限 速因素对局部和全线运营指标的影响，找出在不同区段影响列车运 营指标的关键因素。 3三图联动子界面。此界面将线路平面图、列车前方视景录象图及列 车运行工况图( 列车牵引速度曲线) 按线路里程同步连续显示，可 同时多角度地对任何地点进行分析，以验证第二层子界面( 牵引计 算子界面) 选定的改造方案的正确性。尤其在进行线路改造设计时， 在此界面中，不仅可以根据列车运行工况图找出影响列车运行速度 的线路平纵断面因素，如限制坡度、小半径曲线等，而且可以直接 对照线路平面图观察线路两侧的周边地形地貌，直接对照线路视景 录象图片了解线路实际状况，为线路改造设计提供方便。 2 2 3系统软件关键技术 软件的研制开发过程中，主要解决的技术问题包括以下的几方面 内容： 1 图形处理技术 本软件系统大量采用了图形化的数据表达方式，以曲线、图标等手 段形象直观的描述了线路参数，运行时分及线路走向等，通过对线 路平面图中线路进行局部矢量化处理，从点阵图中获取矢量化的线 1 4 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 路，在局部坐标系下建立图象与实际运行轨迹的对应关系，生成图 象运动轨迹控制数据，这一图形处理过程是本软件系统图形处理的 关键。( 具体算法见第三章线路平面图处理系统) 2 图象处理技术 图象处理是本软件系统的另一个中心问题。它涉及两方面的内容： 第一方面，由于图象频繁调用，线路平面图和线路视景录象图数量 庞大，在微机平台运行必须对计算机内存进行很好的管理，保证三 图联动的连续性。本软件运用磁盘交换与动态调图技术控制软件运 行所耗费内存的大小( 详细的处理过程在第三章线路平面图处理 系统中介绍) 。第二方面的内容是线路视景录象图的采集、里程关 联的算法问题，这部分详细的内容将在第四章线路视景录象定位与 控制系统中进行讨论。 3 三图联动计算方法与数学模型 三图联动是指运行工况图、线路平面图、线路视景录象图三者在运 行过程中里程的精确统一。系统采用事件驱动方式，以线路实际里 程值为各模块的同步标志，由主动模块将事件消息发送给从动模 块，驱动从动模块对主动模块进行跟随，保证三者在里程上的精确 缔一。 2 3 系统开发环境 铁路提速改造数据可视化系统是一个具有大数据量图象连续显 示、数值计算功能的、以微机为核心的系统。因此，在硬件方面，系统 除了要求具有一般微机的基本配置外，还在存储设备、处理速度方面提 出了更高的要求。另外，为使系统既易于移植又具有友好的用户界面， 必须选择合适的开发平台和开发工具。 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 2 3 1 硬件基础 本可视化系统的硬件平台由p e n t i u mp r o 及以上高性能微机( 3 2 兆 以上内存) 、大容量硬盘、2 1 ”高分辨率监视器、v g a 兼容卡( 1 0 2 4 x 7 6 8 全彩色) 构成。 大容量硬盘是关键的设备之一。对于本系统来说，图象数据量主 要是从武昌到广( 全长1 0 5 4 公里) 全线上下行的线路平面图和线路 视景录象资料。其中，线路平面图是比例尺为1 ：2 0 0 0 的w i n d o w s 设 备无关位图，即b m p 图形，为加快系统运行的速度，减轻c p u 运算负 担，这些图形都没有经过压缩，故此所需硬盘空间很大，大约需要3 g b 以上外部存储空间。在系统的设计过程中，为既能提供一定精度范围内 的视景录象信息，又不占用太大的存储空间，线路视景录象按照1 0 0 米 采集一帧的标准给出。即使这样，全长1 0 5 4 公里的上下行线路视景录 象图片也大约需要2 0 0 0 0 张，如果每张图片按照3 2 0 2 4 0 x2 4 比特的 规格进行采集( 这是较低的要求) ，那么每张线路视景录象图片的大小 约为2 2 5 k b ，则所有线路视景录象图片总共所需的外部存储空间大约为 4 5 g b 。这样，图象数据大约就需要7 5 g b 存储空间，再加上系统的其 它数据文件、支持文件及操作系统，至少要求硬盘具有9 g b 的存储空间。 对于本可视化系统的这一至关重要的设备来说，仅有大容量的存储空间 是不够的。由于系统有时运行在大数据量图象连续显示的状态下，这就 需要系统对图象数据具有高速的运算能力和吞吐能力，这部分能力的好 坏，除取决于c p u 的运算速度和内存容量的大小外，硬盘的i o 响应速 度也是一个非常重要的因素。因此，还要求硬盘具有较高的i 0 速度。 目前，硬盘按接口来分，可以分为两种类型：s c s i 型接口和i d e 接口。s c s i 型接口的硬盘的速度较i d e 型接口要快，目前它可以达到 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 每分钟7 5 0 0 转的转速，而i d e 型接口硬盘的最高转速大约在4 5 0 0 - - 5 0 0 0 转之间，因此这两种类型的硬盘速度有着明显的差距，但是，s c s i 型 的硬盘价格比i d e 型硬盘的价格要贵很多。兼顾速度和价格两方面的因 素，本可视化系统在开发过程中选用了转速4 5 0 0 转的i d e 型硬盘，目 前系统的运行情况表明，这一硬件的选型是合理的。 显示设备是可视化系统的另一个关键的硬件设备。为使系统运行 时图象信息更加丰富，屏幕显示更多的相关可视化数据，系统要求显 示器和显示卡必须支持到1 0 2 4 x7 6 8 全彩色的显示属性。 2 3 2 软件平台及开发工具 软件平台及开发工具对系统的开发周期和系统质量有着重要的影 响，为保证本系统的开发质量和周期，软件平台及开发工具必须满足以 f 要求： 1 在保证开发周期方面： 必须易于有效地使用； 必须使人乐于使用，而且响应时间令人满意； 必须是稳定的： 必须保证数据的安全 2 在保证开发质量方面： 应该易于控制： 应便于提供提示数据； 3 为便于应用： 易于学习或用户已经熟悉； 具备“友好的”且提供信息的用户界面； 适用于当前项目和使用方法； 1 7 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文 第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 针对以上要求，本可视化系统建立在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sn t 操作系统基础上，以v i s u a lc + + 作为系统的开发平台，调用了v i s u a lc + + 的基础类库和w i n 3 2a p i 函数，可以容易地被移植到以w i n d o w sn t 为 操作系统的任何微型计算机上。 之所以选择w i n d o w sn t 作为本可视化系统的软件平台，是由于 w i n d o w sn t 是一个具有抢先多任务方式、存储器保护、支持对称多处 理( s m p ) 和联网的3 2 位操作系统。它支持d o s 、w i n d o w s 、w i n 3 2g u i 和基本字符的应用程序，支持p o s i x 规范和基于字符的o s l 21 x 应用 程序，并且还包含集成的联网、安全性和管理工具。它可以无需修改而 运行在一个或多个c p u 之上，支持i n t e l 处理器和一些r i s c 芯片。更 为重要的是n t 的内部客户机服务器模式把操作系统内部分为两个部 分，并且动态地采用磁盘高速缓冲，极大地改进了系统的性能。 w i n d o w sn t 的多任务特性使它可以同时做几件事情，这得益于它 支持多线程。这里先来解释一下“进程”和“线程”的概念。进程是应 用程序的一个运行实例。每个进程由若干代码和数据块( 从e x e 和d l l 文件中调入) 组成，它们被存放在进程所属的4g b 地址空间中。每个 进程还拥有别的资源，比如文件、动态内存地址，以及线程( t h r e a d ) 。 这些不同的资源随着进程的生成而产生，当进程终止时，它们也同时被 撒消。线程是进程中的一个执行单元。同一进程中的各个线程对应于 组c p u 指令、一组c p u 寄存器以及一个堆栈。进程并不执行代码，它 只是代码存放的地址空间。进程地址空间中所存放的代码由线程来执 行。 在w i n d o w s n t 中，一个进程可以被进一步划分为若干个线程。n t 中事件的调度是基于线程单元，而不是进程。因此，这些独立的线程每 个都由w i n d o w sn tk e r n e l ( 核心) 来调度c p u 时间，w i n d o w sn t 把 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 它的时间片按照线程的优先级分配给处于活动状态的线程，直到该线程 结束或被挂起。如果是在多处理器系统上运行n t ，还可将线程分配给 另外的c p u 从而使线程的执行更加平滑。w i n d o w sn t 的这种抢先式多 任务调度方式能够让一个应用程序抢先与另一个应用程序，动态分配 c p u 周期，甚至在必要时进行周期挪用，提高了多任务方式下应用程 序运行的可靠性。 w i n d o w sn t 的存储器保护方式使每个应用都有独立的4 g b 可寻 址逻辑地址空间，各个应用程序运行在自己的逻辑地址空间内，不但保 证了每个应用都有足够的内存空间来运行程序，而且各应用程序之间互 不影响，一个应用程序的崩溃不会导致其它应用程序和操作系统的崩 溃，从而提高了系统的可靠性。本可视化系统对图形的处理很频繁，同 上 1w i n d o w s n t 执行体 图2 3n 1 、的客户机服务器结构 用户 内核 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 一时刻调入计算机内存中的图形数据量也较大，因此，对计算机系统的 内存管理要求很高，w i n d o w sn t 的存储器保护方式在这方面有着独特 的优势，不仅可以提供足够的逻辑空间，而且保证系统运行的稳定性。 w i n d o w s n t 广泛使用了( 图2 3 ) 所示的一种客户服务器结构。 在这种结构之下，应用程序是客户，它们申请各种服务，让操作系统完 成诸如在屏幕上创建窗口、数据发送等工作。它们的所有请求都通过n t e x e c u t i v e 实现，n te x e c u t i v e 管理这些请求，将请求按队列排序，然后 把它们传递给相应的服务器。服务器则提供操作系统的功能。由于服务 器能给任意数量的客户( 应用程序) 提供服务，从而缩小了操作系统的 规模，提高了系统运行的速度。 在w i n d o w s n t 的结构模块中，w i n 3 2 予系统是建立在w i n d o w s n t 内部的、支持3 2 位w i n d o w s n t 应用程序的3 2 位环境，是n t 功能中 最核心的部分，也是3 2 位应用程序运行的基础。w i n d o w sn t 执行体 ( w i n d o w sn te x e c u t i v e ) 负责进程和线程管理及内存分配，但不管用 户界面；w i n 3 2 子系统提供图形用户界面和控制所有的用户输入和应用 程序输出。如图所示，w i n 3 2 子系统与一个应用程序差不多，与任何其 它的应用程序相似，但其特别之处在于操作系统一开始运行就装入 w i n 3 2 子系统，并且w i n 3 2 子系统被所有的应用程序所使用，包括o s 2 和p o s i x 子系统。这一特点使3 2 位的应用程序可以在w i n d o w sn t 上 很好的运行，操作系统在处理时的吞吐总量得以提高。 以上讨论的n t 的这些特点对于本可视化系统来说具有很大的优 点：它可以满足本可视化系统在进行大数据量图象处理时对系统存储器 的要求，为本可视化系统提供很高的运行可靠性和很好的移植能力。对 于用户来说，几乎所有的用户计算机上都安装了或安装过w i n d o w s 系 统，w i n d o w s 系统的图形化界面和统一的风格对于用户并不陌生。因此， 2 0 北方交通大学机械与电气工程学院硕士论文第二章铁路提速改造数据可视化系统总体介绍 本可视化系统选择w i n d o w sn t 作为软件平台。 v i s u a lc 十+ 是一个可视化的、用于编译、链接w i n d o w s 程序的软件 开发系统。武广铁路提速改造数据可视化系统选择v i s u a lc + + 作为开发 工具的最直接的理由在于：v i s u a l c + + 和w i n d o w s n t 都来自于m i c r o s o f t 公司，毫无疑问，这将提供最大的代码一致性和应用程序运行的可靠性。 除此之外，对于w i n d o w s 程序开发来说，v i s u a lc + + 还是一个优秀、方 便、高效的开发工具。v i s u a lc + + 软件开发系统包括一个c c + + 编译器， 一个链接器和一个基于图形的编程辅助工具包v i s u a l 工作平台。它 可以帮助生成程序的基本代码、定义c + + 类、处理w i n d o w s 消息和完 成其它任务。随v i s u a lc + + 开发系统提供的m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) ， 是c - 广+ 类库的扩展，用于生成w i n d o w sg u i ( 图形用户接口) 程序，它 提供了许多高级特性，它的引入简化了w i n d o w s 程序的编写，可以节 省很多的编码工作，提高程序开发的效率。 2 4 主要模块功能 通过第2 2 节“系统的工作流程及主要对象模块划分”的介绍，我 们知道整个软件系统主要分为主控模块、牵引计算模块、工程数量与投 资估算模块、线路平面图动态调入与显示、线路录象图维护和显示、工 况图管理、联动控制七个模块。这一节我们来介绍各模块的功能。 1主控模块 主要完成总体数据的装载、系统的初始化及对其它模块的控制， 协调其它各功能模块的工作，并对独立的改造方案参数进行设定和修 改。 2 牵引计算模块 根据给定的线路参数数据、列车配置数