一種鐵路應(yīng)急輔助救援三維虛擬電子沙盤系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于物理仿真的三維可視化領(lǐng)域、鐵路應(yīng)急救援領(lǐng)域，尤其涉及一種鐵路應(yīng)急輔助救援電子沙盤。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵路運(yùn)輸作為一種運(yùn)載量大、速度快、運(yùn)輸效率高的載運(yùn)工具，承擔(dān)著一個(gè)國(guó)家整體交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵角色。近年來頻頻出現(xiàn)的列車碰撞及脫軌事故，使得軌道運(yùn)輸?shù)目煽啃约鞍踩仍c防范措施成為發(fā)展高速列車所關(guān)注的核心問題。根據(jù)鐵路運(yùn)輸安全事故普遍具有傷害程度嚴(yán)重、涉及人群范圍廣、設(shè)備損壞大等特點(diǎn)，行車安全一直成為我國(guó)確保運(yùn)輸系統(tǒng)穩(wěn)定、維持社會(huì)秩序的基本保障。在近段高速列車的發(fā)展歷史上，雖然人為主動(dòng)防護(hù)及自動(dòng)安全防護(hù)裝置能有效避免大部分行車事故發(fā)生，但列車碰撞及脫軌事故并不鮮見，國(guó)外2010年烏克蘭列車與公共汽車相撞事故、2011年德國(guó)馬格德保塔勒線的貨車與客車相撞事故，國(guó)內(nèi)2008年膠濟(jì)線列車相撞事故和2011年的甬溫線“7.23”動(dòng)車追尾碰撞事故等。這些列車碰撞事故造成的嚴(yán)重的人員傷亡和惡劣的社會(huì)影響均說明:僅依靠鐵路事故主動(dòng)防護(hù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足保護(hù)人員財(cái)產(chǎn)安全的需求。因此，完善鐵路事故應(yīng)急救援方案制定，提高事故救援效率成為了減少民生生命財(cái)產(chǎn)損失，提升交通運(yùn)輸效率極為必要的被動(dòng)防護(hù)措施。
[0003]傳統(tǒng)的鐵路事故應(yīng)急救援方案的具體實(shí)施，首先是獲得事故發(fā)生點(diǎn)的地理信息，由負(fù)責(zé)部門趕往事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，通過起重機(jī)的吊復(fù)、頂復(fù)、拉復(fù)作業(yè)技術(shù)對(duì)事故列車主體進(jìn)行糾正、復(fù)位或托運(yùn)以達(dá)到有效處理事故現(xiàn)場(chǎng)的目的。傳統(tǒng)鐵路應(yīng)急救援方案的制定到實(shí)施均需要技術(shù)人員快速趕往現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，主要依賴于已有救援經(jīng)驗(yàn)與人員專業(yè)知識(shí)加以完成。然而在鐵路事故的應(yīng)急救援中，時(shí)間效率是減少生命財(cái)廣損失的重要指標(biāo)。盡快制定出有效的鐵路事故救援方案是處理鐵路事故應(yīng)急救援的首要目標(biāo)。
[0004]在國(guó)內(nèi)到目前為止，尚未檢索到類似相關(guān)專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種有效的鐵路應(yīng)急輔助救援三維虛擬電子沙盤，以輔助鐵路事故應(yīng)急救援部門，快速制定有效的鐵路事故應(yīng)急救援決策方案。
[0006]本發(fā)明的目的是通過如下的手段實(shí)現(xiàn)的。
[0007]一種鐵路應(yīng)急輔助救援三維虛擬電子沙盤系統(tǒng)，用以輔助鐵路事故應(yīng)急救援部門快速制定有效的鐵路事故應(yīng)急救援決策方案；采用由圖像采集模塊、圖像識(shí)別模塊、三維模型耦合模塊、三維場(chǎng)景可視化模塊、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊組成的電子沙盤構(gòu)建鐵路應(yīng)急輔助救援三維虛擬電子沙盤系統(tǒng)，包括以下步驟:
[0008]I)鐵路事故發(fā)生后，系統(tǒng)接收事發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)信號(hào)，確定事故發(fā)生點(diǎn)地理坐標(biāo)信息及事故車型，并將信號(hào)傳輸至沙盤的地理場(chǎng)景可視化處理器與無(wú)人機(jī)設(shè)備，以并行調(diào)用對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景可視化模塊與圖像采集模塊，三維場(chǎng)景可視化模塊計(jì)算流程轉(zhuǎn)入步驟5，圖像采集模塊計(jì)算流程轉(zhuǎn)入步驟2 ;
[0009]2)沙盤的圖像采集模塊接收到輸入的事發(fā)點(diǎn)信號(hào)，并接收由飛行器航拍獲取的事故主體與地理環(huán)境圖像序列并將信號(hào)輸入圖像處理器，調(diào)用圖像識(shí)別模塊；
[0010]3)圖像識(shí)別模塊接收到圖像采集模塊返回的信號(hào)，通過圖像處理器計(jì)算，完成下列步驟，并將計(jì)算結(jié)果輸入三維模型耦合模塊:
[0011]a)對(duì)返回的多幅圖像進(jìn)行圖像拼接，構(gòu)建事發(fā)主體的地理環(huán)境全景圖。
[0012]b)對(duì)事發(fā)地地理環(huán)境全景圖進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括幾何變換、直方圖修正、圖像濾波，為高層圖像處理做準(zhǔn)備；
[0013]c)將預(yù)處理好的圖像對(duì)列車進(jìn)行基于點(diǎn)/邊緣/區(qū)域的列車檢測(cè)與分割，獲得基于不同方法分割得到的全景圖中的二維列車圖像；
[0014]d)調(diào)用已有的列車圖像與環(huán)境圖像數(shù)據(jù)庫(kù)作為訓(xùn)練樣本，通過模式識(shí)別方法，對(duì)基于多種分割方法得到的列車圖像進(jìn)行識(shí)別，以判別驗(yàn)證分割結(jié)果的正確性，從而選出與實(shí)際列車二維圖像匹配程度最高的分割結(jié)果，得到列車在圖像中的二維坐標(biāo)并傳輸至三維模型耦合模塊；
[0015]4)三維模型耦合模塊接收到步驟3輸出的列車二維圖像分割結(jié)果及其坐標(biāo)。首先從步驟I獲得事發(fā)車輛的列車型號(hào)，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入該車型的三維車體模型，通過步驟3中的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法，對(duì)分割得到的列車圖像，估計(jì)其車廂姿態(tài)，得到車廂姿態(tài)后，調(diào)整三維車體的模型至對(duì)應(yīng)狀態(tài)，通過最小二乘法，按二維圖像中的車廂順序進(jìn)行三維模型排布以完成耦合；從而完成事故發(fā)生后的列車三維模型復(fù)原；
[0016]5)三維場(chǎng)景可視化模塊接收到步驟I返回的事發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)信息，通過場(chǎng)景可視化處理器計(jì)算，完成以下步驟，并將計(jì)算如果輸入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊:
[0017]a)查找對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的GIS信息數(shù)據(jù)庫(kù)，貼圖/紋理數(shù)據(jù)庫(kù)，三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，以整合事發(fā)點(diǎn)三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)至地理場(chǎng)景可視化處理器；
[0018]b)基于GIS信息及高程數(shù)據(jù)與地理屬性信息、貼圖與紋理信息完成事發(fā)點(diǎn)三維地理環(huán)境的重建；
[0019]c)在重建完成事發(fā)地三維地理環(huán)境后，調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，完成三維對(duì)象處理；
[0020]d)對(duì)已完成的鐵路事故三維地理基本場(chǎng)景元素進(jìn)行渲染，得到獲得鐵路事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)可視化場(chǎng)景。進(jìn)而對(duì)步驟4完成的事故列車三維模型進(jìn)行貼圖處理，整合事故場(chǎng)景三維電子沙盤構(gòu)建；
[0021]6)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊接收到步驟5整合的事故場(chǎng)景三維電子沙盤，首先從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取起重機(jī)虛擬三維模型，根據(jù)事故三維可視化場(chǎng)景，智能選擇救援方案，根據(jù)智能提取的方案，通過動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)模擬救援過程，虛擬輔助鐵路應(yīng)急救援部門制定有效的救援方案；
[0022]7)完成以上步驟后，最終通過可視化數(shù)據(jù)傳輸返回救援部門終端設(shè)備。
[0023]所述救援方案包括:救援起重機(jī)吊復(fù)作業(yè)法虛擬仿真、液壓起復(fù)機(jī)頂復(fù)作業(yè)法虛擬仿真、救援復(fù)軌器拉復(fù)作業(yè)法虛擬仿真、周圍建筑物干涉檢查與起重機(jī)調(diào)參。
[0024]本發(fā)明主要由五個(gè)模塊組成:1.圖像采集模塊；2.圖像識(shí)別模塊；3.三維模型耦合模塊；4.三維場(chǎng)景可視化模塊；5.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊。其對(duì)應(yīng)的功能分別如下:
[0025]圖像采集模塊:主要基于四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)備，及時(shí)對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的圖像進(jìn)行獲取并返回至電子沙盤主機(jī)。
[0026]圖像識(shí)別模塊:對(duì)獲取得到的圖像進(jìn)行拼接、預(yù)處理、檢測(cè)與分割、列車識(shí)別，最終得到列車在圖像中的二維位置。
[0027]三維模型耦合模塊:通過數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)車型的三維模型，根據(jù)算法獲得事故車體的姿勢(shì)，根據(jù)二維圖像耦合三維模型，完成事故發(fā)生后的列車三維模型復(fù)原。
[0028]三維場(chǎng)景可視化模塊:采用GIS數(shù)據(jù)與衛(wèi)星圖片等數(shù)據(jù)庫(kù)完成事發(fā)點(diǎn)的地理場(chǎng)景構(gòu)建，最終導(dǎo)入事故列車的三維模型以完成三維虛擬電子沙盤的建立。
[0029]機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊:完成起重機(jī)在救援過程中智能化模擬，即基于智能方案搜索算法選取最優(yōu)的救援措施，完成救援過程并動(dòng)畫呈現(xiàn)。
[0030]基于本虛擬電子沙盤系統(tǒng)，在具體實(shí)施鐵路應(yīng)急救援過程中，主要的有益效果體現(xiàn)在:
[0031]1.在救援部門趕往事故現(xiàn)場(chǎng)之前，系統(tǒng)就能向救援人員終端提供事故本身的直觀三維事故現(xiàn)場(chǎng)信息，便于提前開展應(yīng)急救援方案的制定與實(shí)施，提高救援效率。
[0032]2.由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊，通過智能搜索算法選擇最優(yōu)的應(yīng)急救援方案并通過終端顯示，配合輔助救援人員制定事故救援方案。
[0033]3.通過虛擬動(dòng)畫方式對(duì)某次應(yīng)急救援過程進(jìn)行演練與回放，再現(xiàn)事故救援現(xiàn)場(chǎng)，便于進(jìn)行后續(xù)的鐵路救援教育與人員培訓(xùn)。
[0034]4.系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)綜合了各種型號(hào)的列車三維模型，便于處理任何車型的事故現(xiàn)場(chǎng)模擬。
[0035]本發(fā)明從列車事故的安全救援出發(fā)構(gòu)造鐵路應(yīng)急輔助救援沙盤，輔助傳統(tǒng)鐵路事故應(yīng)急救援部門以快速制定救援預(yù)案，提高救援效率，進(jìn)一步減少生命財(cái)產(chǎn)損失?？朔藗鹘y(tǒng)實(shí)體沙盤的建造過程耗時(shí)周期長(zhǎng)、維護(hù)成本高、無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行應(yīng)急輔助救援的缺點(diǎn)，快速有效地構(gòu)建鐵路應(yīng)急輔助救援三維虛擬電子沙盤。
[0036]本發(fā)明集成了圖像采集模塊、圖像識(shí)別模塊、三維模型耦合模塊，三維可視化仿真模塊快速重建列車事故現(xiàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景，以呈現(xiàn)直觀的列車事故三維場(chǎng)景沙盤模型，進(jìn)而構(gòu)建各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊模擬列車事故應(yīng)急救援，為列車突發(fā)事故救援方案的制定提供參考。
[0037]綜上所述，較傳統(tǒng)方法，本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
[0038]1.本發(fā)明通過圖像采集模塊處理，在事故發(fā)生后立即返回現(xiàn)場(chǎng)圖像信息至電子沙盤主機(jī)并導(dǎo)入至后續(xù)模塊進(jìn)行處理，快速建立事故現(xiàn)場(chǎng)三維虛擬電子沙盤并模擬救援實(shí)施，最終返回至救援人員終端顯示設(shè)備，為救援部門趕到提前做好預(yù)案參考，具有及時(shí)性。
[0039]2.本發(fā)明結(jié)合三維地形可視化仿真技術(shù)與基于圖像識(shí)別的列車事故主體三維模型復(fù)原技術(shù)，快速捕獲事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的三維環(huán)境信息，建立三維虛擬電子沙盤，為救援部門趕往現(xiàn)場(chǎng)過程中提供直觀的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)視覺參考。
[0040]3.基于重建的三維虛擬電子沙盤，本發(fā)明構(gòu)建一種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊，模擬救援過程中起重機(jī)的吊復(fù)、頂復(fù)、拉復(fù)及干涉檢查等現(xiàn)場(chǎng)處理措施，并智能優(yōu)化查找最優(yōu)的應(yīng)急救援方案，為救援部門的具體實(shí)施提供參考。
【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明功能連接示意圖。
[0042]圖2是本發(fā)明軟件模塊及數(shù)據(jù)傳輸連接示意圖。
[0043]圖3是本發(fā)明硬件連接示意圖。
[0044]圖4是本發(fā)明無(wú)人機(jī)拍攝角度示意圖。
[0045]圖5是本發(fā)明具體實(shí)施總體流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046]由硬件連接示意圖(圖3)可知，本發(fā)明主要由無(wú)人機(jī)設(shè)備，圖像處理器，地理場(chǎng)景可視化處理器，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真處理器及終端顯示設(shè)備組成。
[0047]從硬件所對(duì)應(yīng)的功能模塊角度看(圖1與圖2)，在鐵路事故發(fā)生時(shí)，首先將信號(hào)以及事發(fā)地的地理位置信息、事故主體車型返回至即無(wú)人機(jī)設(shè)備，以調(diào)用圖像采集模塊。并將地理經(jīng)瑋度信息傳輸至地理場(chǎng)景可視化處理器，以調(diào)用三維場(chǎng)景可視化模塊對(duì)事發(fā)地點(diǎn)的地理環(huán)境信息進(jìn)行三維模型的建立。
[0048]無(wú)人機(jī)設(shè)備，主要為四旋翼飛行器，集成了圖像采集模塊的主要功能及數(shù)據(jù)傳輸功能，即根據(jù)地理坐標(biāo)獲取事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)圖像、地理信息等數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)返回至圖像處理器。在圖像采集模塊中，無(wú)人機(jī)的圖像獲取需依賴人為操