交通科技大赛作品申报书.docx
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交通科技大赛作品申报书
竞赛小组：
□交通运输规划与管理
□交通信息工程及控制
☞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×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
王燕林（）
传真：
电子邮箱：
大赛公告发布网址：
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
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
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
1
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
1
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。
☞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。
☞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着进步。
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提供了优化的操作界面和简单流畅的自动化流程，使各级用户方便地通过仿真平台实现交通组织方案的设计、优化、评估工作，以解决各类复杂的交通组织设计问题，提高交通决策的科学化水平，具有一定的客观性和可操作性，结合交通工程学院现有的驾驶模拟系统以及虚拟现实技术，可针对线形方案组织沉浸感强的驾驶模拟实验，以上实验数据的分析结果，可以为交通管理部门提供有力的决策依据。
参考文献资料参见作品说明书
作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示或发表刊物等活动中获奖及鉴定结果
无
作品所处
阶段
（B）
A实验室阶段B中试阶段C生产阶段D（自填）
技术转让方式
软件着作权方式
作品可展示的
形式
□实物、产品□模型□图纸□磁盘
☞现场演示□图片□录像□样品
使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测
一、使用说明
1）导入DEM和影像数据，构建三维虚拟选线环境；
2）线形方案自动生成：
输入起讫点等其它参考点，确定不同构造物的费用权系数，生成公路的平，纵，横线形；
3）线形方案交互编辑，通过定量的控制点参数输入和鼠标拖拉的定性操作，完善线形方案；
4）输出线形方案的DWG文件，INP文件，OpenFlight仿真模型，为VISSIM仿真评价和驾驶模拟器仿真实验奠定基础；
5）对线形方案进行经济和仿真评价。
提取线形方案仿真评价数据，分析线形设计中存在的问题，返回3），直至获得相对满意的设计方案。
二、技术特点和优势
1）能够快速构建公路选线的三维虚拟环境，该平台利用散点高程数据，采用生长算法构建地形三角网，将与地形数据相匹配的影像数据与地形准确叠加，为选线人员提供逼真效果的线形方案设计平台。
2）为设计者提供了实时交互的选线平台，选线人员通过二维视图对线形进行宏观整体设计，并在三维视图下对线形作局部优化；同时平台为选线人员提供了定量与定性的线形交互编辑方式，真正意义上实现了三维虚拟环境下的人机交互式的公路选线。
3）线形方案评价与比选较为综合全面，有助于道路规划设计者确定最优线形方案。
4）集道路线形的虚拟选线环境、交互式选线和综合评价为一体，对选线软件的传统模式进行功能融合与创新。
三、适应范围
本系统提供三维虚拟环境下人机交互的选线功能，并进行客观全面的线形评价，有助于交通规划设计人员更好地决策；线形设计线性方案的效果展示直观、逼真，也可在专业课教学中使用。
四、推广前景、市场分析及经济效益预测
1）项目研究将在一定程度上改变目前公路选线中存在的设计方案有限、决策周期长、评价指标单一、设计劳动强度大以及采用方案难以有效论证等问题，进一步提高我国道路勘测设计技术的现代化水平。
系统操作简易方便，线形画面实时呈现，具有良好的推广前景。
2）目前，我国公路基础设施建设任务仍十分繁重，只有通过提高公路设计技术水平，利用先进的科技设计理念和技术方法，才能快速完成满足工程、环境、经济等诸因素要求的公路设计方案。
本系统基于虚拟三维地理环境构建复杂地形条件下的公路交互式的选线方法能进一步减轻设计人员的劳动强度，通过自动生成、评价、筛选，对选线结果的优化有显着效果，对保障设计线形的安全性、经济性及规范性具有重大意义。
3）研究成果可用于开发下一代道路勘测设计软件，以突出公路设计整体质量的提高和设计方案的全局优化，实现道路勘测设计智能化的现代设计理念。
借助全新的选线方法，可以明显地缩短设计周期，并能使公路里程缩短、设计指标提高，使路线与景观协调、环境美化，能绕避不良地质灾区等，从而降低工程建设、运营和养护的费用，减少交通事故，降低油耗等，取得明显的经济效益。
科研管理部门
签章
2015年4月15日
C.当前国内外同类课题研究水平概述
说明：
1.申报者可根据作品类别和情况填写；
2.填写此栏有助于评审。
公路选线是整个公路勘测设计过程的关键，决策过程复杂。
国内外相关研究者进行了不倦的探索。
国内外智能选线相关技术的发展状况如下：
1一般计算机辅助设计
国内外勘测设计CAD都经历了简单数值计算、纵断面优化、线路空间线形优化、交互式图形设计、勘测设计一体化的发展历程。
国外出现了BENTLEY的InRail/InRoads系列和MX系列、Autodesk公司的LanddeskTop系列、德国IB&T公司的CARD／1等软件，国内则有纬地、EICAD、RDCAD、捷力软件、路线大师等，国外软件一般自成独立系统、庞大且功能多，但在规范和使用习惯上不能完全满足国内用户要求，国内软件则针对性强、没有独立的制图环境，基本上基于AutoCAD建立。
2利用GIS的路线方案设计
国内外对基于GIS的选线方法已有探索性研究，大多集中于路线优化、交互式设计和路线方案评价。
如长安大学的奥勇结合GIS的空间分析将三维影像直接应用于青海省黑泉水库一带的公路选线设计方案的设计，直观地进行了公路选线边坡设计、路线平纵参数设计、计算工程量。
刘丹萍等研究了工程地质层在GIS中的表达方法，并综合考虑地形因素和地质条件，研究了GIS在公路地质选线中的应用。
但都没有从设计方案的自动生成和综合决策角度探讨GIS技术的应用，它可为选线提供三维可视化的选线环境、多种空间数据结构分析及其转换功能、空间属性的查询与编辑等，但目前还未有实用系统出现。
3智能化、自动化设计方法
为改变现有选线方法完全依赖于设计人员自身技能水平的手工作业方式，国内外研究者提出了多种解决方法，包括基于优化技术、知识工程和虚拟环境铁路选线等方法。
国内外对优化算法在选线中的应用研究，早期采用的是传统优化方法，以工程投资为目标的单目标优化。
由于传统优化对目标和约束函数要求高，且全局搜索能力不强，因此只实用于路线方案的局部优化。
西南交通大学的王抵教授提出了主要技术标准的综合优化，基于综合优化思想提出并验证了“线路标准适应地形，固定设备与移动设备协调配套”的线路设计方法。
但该方法应用到具体项目时，由于其工程量计算模型基于统计资料而不是紧密结合建设项目所处的地理环境，因此实际应用存在困难。
旷达路线三维优化辅助决策系统是目前国内外唯一采用优化技术达到实用的铁路、公路路线方案辅助决策软件系统，应用表明该系统能明显缩短方案规划时间，并显着降低工程投资。
旷达系统能够快捷高效地处理大量复杂的数据并自动产生及评估一系列最佳路线方案，由于商业机密和知识产权保护等缘故，目前旷达系统的数学模型和相关算法研究的科研成果采取了核心技术保密措施，在国际学术期刊和交通工程出版物中很难见到有公开发表的相关资料，因此很难借鉴其采用的方法。
4虚拟环境选线
虚拟现实技术（VirtualReality，VR）在九十年代初逐渐为各界所关注，曾钱帮等利用数字化方法，成功地实现了川藏公路典型路段三维地形的显示和实时浏览，完成了川藏公路典型路段的三维可视化，该三维可视化虚拟环境，为川藏铁路选线、地质灾害多发地段绕避和铁路隧道位置确定等提供了一定参考。
此外，国内的一些利用虚拟现实技术进行工程设计的公司也实现了将真实地貌用三维立体景观技术展现于电脑上，并实现真实场景的三维工程施工进度展示与模拟飞行，展示工程周边地貌及工程中出现的各种问题。
但这些技术只实现了已有选线方案的可视化，不能让设计人员以人机交互的方式，完成选线设计工作。
综上所述，学者前期在智能选线算法和实现上，进行了诸多有益探索和实践，取得了一系列研究成果，但是公路选线是一个复杂的系统工程，因素之间交错影响，导致完全利用智能算法生成的公路线形方案往往不能直接用于生产实践。
其次，对生成的线形方案往往缺乏有效的验证手段。
近年来，驾驶模拟系统通过驾驶人在环的模拟驾驶实验能发现设计过程存在的事故黑点。
为线形方案评价提供了有效的手段和工具。
本作品希望通过对已有资料的收集和整理，基于图像建模技术，人机交互技术和数据库技术等，打通各环节之间的数据交换障碍，实现线形方案从设计到仿真评价的一体化集成。
在线形设计方面，实现智能与人工相结合的线形方案设计方式，即智能生成是基础，人工编辑是导向的人机不分离的线形方案设计。
在方案比选方面，保留原有经济性评价方法，引入仿真评价方法，以提高线形方案比选的科学性和先进性。
D.推荐者情况及对作品的说明
说明:
1.由推荐者本人填写；
2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；
3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；
4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认;
5.每件作品需由两名推荐者推荐。
推荐者
情况
（1）
姓名
何民
性别
男
年龄
42
职称
教授
工作单位
昆明理工大学交通工程学院
通讯地址
云南省昆明市呈贡大学城景明南路昆明理工大学
邮政编码
650500
单位电话
住宅电话
推荐者所在
单位签章
（签章）2015年4月15日
请对申报者申报情况的真实性做出阐述
申报情况属实，系统功能基本实现，同意推荐。
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景做出您的评价
该项目具有一定的适用性、创新性、研究性和学术性，实现真正意义上的三维环境下人机交互选线，该系统可用于道路选线及线路的仿真评价，还可用于专业人员的学习交流，教学等之用；该平台提供开放性接口，具有良好的开发潜能。
其它说明
推荐者
情况
（2）
姓名
秦雅琴
性别
女
年龄
42
职称
教授
工作单位
昆明理工大学交通工程学院
通讯地址
云南省昆明市呈贡大学城景明南路昆明理工大学
邮政编码
650500
单位电话
住宅电话
推荐者所在
单位签章
（签章）2015年4月15日
请对申报者申报情况的真实性做出阐述
该系统实现三维虚拟环境下人机交互选线及仿真评价；能以多种格式输出，应用前景较好。
申报情况属实，同意推荐
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景做出您的评价
该项目探究三维环境下的道路选线，可以用于新建或改建道路的线形方案生成和仿真评价；具有开发性接口，有很高的开发潜能和应用价值
其它说明
学校组织协调机构确认并盖章
（教务处代章）2015年4月15日
各高校评审委员会初评意见
评委签名：
2015年4月15日
校主管领导或
校主管部门确认盖章
（盖章）2015年4月15日
E．大赛组织委员会秘书处资格和形式审查意见
组委会秘书处资格审查意见（不合格请注明原因）
1）参赛单位资格：
2）参赛对象资格：
审查人（签名）
年月日
组委会秘书处形式审查意见（不合格请注明原因）
1）小组成员限定2-5人：
2）作品指导老师不超过2人：
3）报送时间（4月15日17:
00前发送电子版，4月19日24:
00前邮寄纸质版）：
4）参赛高校报送作品数目（最多4件，1-3竞赛小组每组不超过2件，总数不超过3件，第4竞赛小组不超过2件；承办学校最多5件，1-3竞赛小组每组不超过2件，总数不超过4件，第4竞赛小组不超过2件）：
5）作品申报材料符合规定，签章齐全：
审查人（签名）
年月日
组委会秘书处审查结果
□合格□不合格
负责人（签名）
年月日
F．参赛作品打印处
G1．通讯评审委员会预审意见粘贴处
G2．大赛评审委员会终审意见粘贴处
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