交通科技大赛作品申报书.doc
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竞赛小组：
□交通运输规划与管理
□交通信息工程及控制
R载运工具运用工程、道路与铁道工程及其它
□大赛指定主题：
城市CBD地区交通组织设计优化
序号：
编码：
第十届全国大学生交通科技大赛
作品申报书
作品名称：
三维虚拟环境下公路智能交互选线
及仿真评价系统
学校全称：
昆明理工大学
申报者姓名：
陈兴梦
（集体名称）：
杨申武陈思媛张婷
申报年月：
2015年4月
说明
1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2．表内项目填写时一律用钢笔/水笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书复印有效。
3．竞赛小组必须且仅能选择一项，在选择项前面的“□”内划勾“√”。
4．序号、编码由第十届全国大学生交通科技大赛组委会填写。
5．学术论文、作品研究报告所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字以内（文章版面尺寸14.5×22cm）。
6．作品申报书须按要求由各校竞赛组织协调机构统一报送。
7．其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。
8．联系人：
马莹莹，郑亚晶，王燕林
报送地址：
广东省广州市天河区五山路381号华南理工大学交通大楼马莹莹收
邮编：
510640
联系人：
马莹莹（13076856230）郑亚晶（15602210235）王燕林（020-87112741）
传真：
020-87114460
电子邮箱：
nactrans_scut@
大赛公告发布网址：
NACTranS
A申报者情况（集体项目）
说明：
1.必须由申报者本人按要求填写；
2.申报者必须是在读本科学生；
3.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。
申报者代表情况
姓名
陈兴梦
性别
男
出生年月
1992.8
学校
昆明理工大学
系别、专业
交通工程
学历
本科
学制
四
入学时间
2012.9
作品名称
三维虚拟环境下公路智能交互选线及仿真评价系统
通讯地址
昆明理工大学
邮政编码
650500
办公电话
15887025493
常住地
通讯地址
昆明理工大学恬园学生宿舍
16栋601
邮政编码
650500
住宅电话
15887025493
其他作者情况
姓名
性别
年龄
学历
所在单位
杨申武
男
22
本科
昆明理工大学
陈思媛
女
21
本科
昆明理工大学
张婷
女
21
本科
昆明理工大学
资格认定
学校学籍管理部门意见
以上作者是否为2014年10月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校大陆及港澳台地区中国籍本科学生。
R是□否（部门签章）
2015年4月15日
院、系负责人意见
本作品是否为2014第九届大学生交通科技大赛之后立项，2015年5月之前完成的课外学术科技或社会实践活动成果。
R是□否
负责人签名：
2015年4月15日
B申报作品情况（科技发明制作）
说明：
1.必须由申报者本人填写；
2.本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；
3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书；
4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。
作品全称
三维虚拟环境下公路智能交互选线及仿真评价系统
作品研究的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标
一、研究目的
目前，国内公路选线根据运输需求和起讫点，拟定数量有限的备选方案，之后根据工程造价、运营特征以及财务评价等经济指标，人为确定一个与主要技术标准相对应的相对满意方案。
这种方法在我国的公路建设中发挥了极大作用，选评出了很多优秀的建设方案，但是也存在其固有缺点，如：
方案有限、决策周期长、设计人员劳动强度大、评价指标单一；对采用方案的科学性缺乏有效论证。
针对既有公路选线方法存在的问题，本作品综合运用地形建模、三维交互、道路勘测、仿真评价等技术，整合线形方案的智能生成，三维交互设计，经济性和安全性仿真评价等功能，开发三维虚拟环境下的公路交互选线及仿真评价系统，将公路选线环境从二维推进到三维；引进群体智能算法，实现智能与人工相结合的线形方案确定方式；为驾驶模拟系统在公路选线阶段的应用奠定基础，实现线形方案设计与仿真评价的一体化。
从而提高新建或改建道路线形方案的设计效率和质量。
二、基本思路
三维虚拟环境下的公路人机交互式选线及评价原型系统将集道路线形设计、评价、方案输出等功能于一体，由虚拟环境构建模块、线形计算模块、人机交互模块、道路模型构建模块、线形方案评价模块等构成，其中虚拟环境构建模块基于数字地面高程和数字影像构建道路设计虚拟环境，是完成道路线形仿真设计的信息来源和基础；线形计算模块基于群体智能算法实现线形方案的自动生成，以导线法和积本法为核心算法，保证设计过程中线形方案三维模型的准确性；人机交互模块基于OpenGL图像驱动技术的拾取与反馈机制，实现线形控制交点的交互式编辑。
道路模型构建模块基于OpenFlight类库，实现道路仿真模型的快速构建，与线形计算模块、人机交互模块协同工作以保障线形设计过程中，人机交互及设计效果的实时准确呈现；通过各模块间的协同工作构建的原型系统功能架构如图1所示。
图1.系统功能总体架构
系统中主要模块的实现原理如下：
1）三维虚拟选线环境构建
①基于DEM和卫片纹理构建虚拟地形环境，基于公路勘测理论，准确计算公路各组成部分的三维坐标，实现公路与地形模型的准确衔接。
②基于OPENGL视景驱动技术，采用多线程和视图分割编程方法，开设四个线程，实现公路二维和三维线形方案的实时显示。
三维虚拟选线环境是线形方案的呈现平台，同时也是线形方案的交互编辑和评价入口，三维虚拟选线环境实现原理如图2
图2.虚拟选线平台构建原理
2）线形方案生成
基于上述构建的虚拟选线平台，通过线形方案自动生成和人机交互相结合的方式确定线形方案。
基于DTM，综合运用最优路径算法，蚁群算法，遗传算法，自动快速生成公路的平、纵、横线形，实现原理如图2。
基于上述构建的虚拟选线平台，选线人员通过定量与定性，宏观与微观相结合的方式编辑线形方案。
图3.线形方案自动生成
3）线形方案评价
为提高线形方案设计质量，改变传统线形方案评价指标单一等缺陷，本系统在保留原有经济性评价基础上，新增线形方案的仿真评价功能，如图4。
图4线形方案仿真评价
基于DTM及上述生成的线形方案，系统快速计算线形方案的填挖方总量，桥隧量和用地范围等主要经济指标。
将生成的线形方案生成VISSIM仿真系统可识别的INP数据库格式文件，通过VISSIM仿真提取延误，燃油经济性等评价指标。
将线形方案的道路和地形模型输出为OpenFlight仿真模型数据库格式。
为驾驶模拟系统应用奠定基础，并进一步提取轨迹偏差和速度变化率等评价指标。
三、创新点
1）三维虚拟环境下的选线
公路选线中，传统的二维设计环境不易发现各种潜在冲突,设计效率偏低,且易造成设计缺陷，难以满足公路选线设计需求。
目前，国内外软成熟的软件系统（如国内的纬地，澳大利亚的旷达）能实现二维环境下的线形设计及线形方案的三维效果展示，并未实现真正意义上的三维选线。
本系统综合运用三维建模技术、地理信息技术、图像处理技术，实现三维虚拟环境下，基于人机交互的线形方案的实时动态显示，将真正实现三维虚拟环境下的路线平、纵、横的自动化、交互式设计。
2）自动生成和人机交互相结合的线形方案设计方式
尽管我国交通部门已开发了若干公路路线CAD系统，但这些系统大多在原有的数据基础上，利用CAD系统来提高人工拟定路线后的计算和绘图的效率，而对于原始参数的获取、线形方案的选择、设计结果的优化和比选，缺乏与选线人员人机交互式的交流。
在传统选线方法的基础上，引进群体智能算法，既可实现线形方案的自动生成，提高线形方案的设计效率，又可实现参数的交互编辑，支持选线人员可视化的线形交互设计。
3）经济性和仿真评价相结合的线形方案综合评价方法
传统选线过程中，选线人员将更多的精力集中在提高线形方案的经济性，但事实说明，满足公路设计规范且经济性达标的线形方案在实际运行过程中仍然存在较多安全隐患。
本系统将在线形方案的经济性评价基础上，基于Vissim仿真平台与驾驶模拟系统，提取与交通运行相关的安全性和运行评价参数，对线形方案进行动态仿真评价，为设计人员的线形方案决策提供可靠依据，从而提高线形方案的经济性和安全性。
四、技术关键
1）视景驱动技术及大地形实时调度和渲染技术
本系统基于OPENGL图形库，基于VisualC++和OpenGL设计并实现了三维场景渲染系统。
实现了实时性好、延迟性低、图像质量稳定，逼真度高的场景效果。
为可视化道路选线提供逼真的三维环境。
2）基于群体智能算法的公路最优线形方案生成
①本系统利用具有全局大范围的搜索能力遗的传算法，优化道路平面线形，通过优胜劣汰的方式获得道路平面线形的最优解。
②本系统采用基于蚁群算法的纵断面优化设计方法，在初始纵断面方案基础上，实现了蚁群算法在纵断面优化设计中的应用，解决了纵断面连续优化的问题。
3）线形方案的VISSIM和OpenFlight数据结构表达
道路模型构建模块基于OpenFlight类库，实现道路仿真模型的快速构建，系统将线形方案转换成VISSIM仿真道路，为后续公路仿真评价奠定基础。
五、技术指标
1）交互实时性
为保证交互实时性，本系统采用地形简化技术优化数据结构。
大大提高软件的运行速度。
实现了线形参数的交互编辑和三维效果的实时呈现。
线形设计人员既能通过二维窗口宏观把握整体线形，又能通过三维效果进行局部优化，从而提高线形设计质量。
2）线形方案实用性
本系统将整个线形方案的生成和线形编辑过程分成若干阶段,采用了循环反复的控制流程,提出了以生成、评判体现各个阶段乃至全过程的设计型工作的方法,保证线形方案的实用性。
3）系统通用性。
本系统可将线形方案输出为AUTOCAD文件，将地形及道路模型输出为较通用的OpenFlight格式等，所生成的模型数据通用性好，具有较强的移植性，便于二次编辑及修改，实现输入与输出数据的共享。
作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。
请提供技术性分析说明和参考文献资料）
一、基于OPENGL的底层图像渲染技术实现三维虚拟环境下的选线
OPENGL可以方便灵活地实现二维和三维的高级图形显示，在交互式三维图形建模和编程方面具有较好的优越性。
利用其底层图像渲染功能，本系统能高效便捷地实现了三维可视化，保证了选线环节的科学性及先进性。
二、传统二维设计基础上，引入智能算法，实现人机结合选线方式
蚁群算法具有全局性、并行性、自适应性等特点。
遗传算法通过选择、交叉、变异操作可以极大地丰富优化的搜索范围，并且其搜索解空间是在全局的整个可行的连续区域上的，而不是像传统算法从单个解开始，因此遗传算法利于全局择优。
其并行性能同时对空间的多个解进行评估，减少了陷入求得局部最优解的风险，保证了道路平面线形方案的设计质量。
蚁群算法具有正反馈机制，能很好的利用算法搜索过程中的反馈信息，保证了优良信息能被保存下来，从而保证了蚁群算法优化纵断面的设计质量。
三、提供了VISSIM仿真道路和OpenFlight仿真模型数据接口，可利用通用仿真软件对线形方案进行仿真评价
VISSIM提供了优化的
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