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申请/专利权人：中南大学

摘要：本发明公开了一种针对高精度铁路扣件系统的参数化建模方法，包括针对铁路扣件系统的组成零件进行分类处理；采用处理后的组成零件，建立铁路扣件系统的初步模型；采用建立的初步模型，进行多源模型的重建处理，并设计轻量化模型融合算法针对重建后的多源模型进行统一坐标系处理；采用处理后的模型，设计模型装配算法完成模型的参数化配置处理；采用处理后的模型，完成铁路扣件系统的空间分布；采用完成空间分布后的模型，通过轻量化渲染方案，进行模型的优化处理，获得最终的铁路扣件系统模型。本发明突破了传统BIM平台的各类限制，适用于高精度铁路扣件系统参数化建模，而且本发明的精度提高、实现可参数化与轻量化。

主权项：1.一种针对高精度铁路扣件系统的参数化建模方法，包括如下步骤：S1.针对铁路扣件系统的组成零件进行分类处理；S2.采用步骤S1处理后的组成零件，建立铁路扣件系统的初步模型；S3.采用步骤S2建立的初步模型，进行多源模型的重建处理，并设计轻量化模型融合算法针对重建后的多源模型进行统一坐标系处理；具体包括：1重建处理部分：采用步骤S2建立的初步模型，基于导出获得的GLTF轻量化传输格式，提取多源模型中的网格顶点数据，并在Three.js中实现模型的重建；2统一坐标系处理部分：设计轻量化模型融合算法针对步骤1重建后得到的多源模型进行统一坐标系处理，具体包括：2-1预设模型的三轴长度：通过调用buffergeometry中的computeBoundingBox.方法计算获得一个THREE.Box3对象，包括min和max两个属性，分别表示模型的最小和最大坐标；通过计算min和max之间的差值得到模型的包围盒三轴长度；2-2计算模型的最简旋转：定义模型导入WebGL的初始姿态为IP、模型的标准姿态为SP，采用下述公式针对IP和SP进行表示：IP＝Xi,Yi,ZiSP＝Xp,Yp,Zp其中，Xi是初始姿态包围盒的x轴长度，Yi是初始姿态包围盒的y轴长度，Zi是初始姿态包围盒的z轴长度，Xp是标准姿态包围盒的x轴长度，Yp是标准姿态包围盒的y轴长度，Zp是标准姿态包围盒的z轴长度；基于对包围盒三轴长度的比较进行简化赋值处理：对Xi、Xp赋值为-1，对Yi、Yp赋值为0，对Zi、Zp赋值为1，其中，-1代表最小的轴，1代表最大的轴，0代表中间的轴，如果存在任意两个轴相等，则均赋值为0；采用下述公式计算最简旋转： 其中，R·表示旋转矩阵，r1表示绕x轴顺时针旋转90°，r2表示绕y轴顺时针旋转90°，r3表示绕z轴顺时针旋转90°；2-3计算模型三轴的缩放关系，进而统一模型的尺寸；S4.采用步骤S3处理后的模型，设计模型装配算法完成模型的参数化配置处理；具体包括：步骤S3在Three.js中重建处理后得到的模型为网格模型，失去了参数化的性质，设计模型装配算法完成模型的参数化配置处理，具体包括：1采用特征赋值描述每个零件模型的表面特征，特征赋值包括：特征点FP和特征值FN；特征点FP是一个六维的向量；特征值FN是一个[n×7]的矩阵，n的数值为与本体模型接触的其他模型的数量；通过将FP与FN矩阵拼接，得到一个[n+1×7]的特征矩阵FeaturematrixFM，通过FM描述模型的特征； 其中，FMi表示i号零件的特征矩阵；Rij是表示i号零件控制j号零件的索引，其中，j＝1,2,…,n；xp是i号零件的特征点的x坐标；xij是i号零件控制j号零件的特征值的x坐标；yp是i号零件的特征点的y坐标；yij是i号零件控制j号零件的特征值的y坐标；zp是i号零件的特征点的z坐标；zij是i号零件控制j号零件的特征值的z坐标；是i号零件的特征点的x方向；是i号零件控制j号零件的特征值的x方向；是i号零件的特征点的y方向；是i号零件控制j号零件的特征值的y方向；是i号零件的特征点的z方向；是i号零件控制j号零件的特征值的z方向；2约束矩阵：定位约束LC为三维坐标，表示模型原点的定位位置；姿态约束AC为三维向量，表示模型绕三轴的偏转角；将定位约束与姿态约束拼接得到约束矩阵CM，计算过程采用下述公式表示： 其中，CMi表示i号零件的约束矩阵，xi是i号零件原点在世界坐标系的x坐标，yi是i号零件原点的y坐标，zi是i号零件原点的z坐标，θx是i号零件绕x轴的偏转角，θy是i号零件绕y轴的偏转角，θz是i号零件绕z轴的偏转角；通过对零件模型施加正确的定位约束与姿态约束进行模型的装配处理；3基于特征矩阵与约束矩阵的模型装配算法：模型采取自下而上的层级约束关系，针对层级约束关系进行如下定义：如果B模型优先于A模型被装配，且B模型对A模型有约束关系，称B模型为A模型的上级模型，A模型为B模型的下级模型，约束关系仅由B模型传递至A模型，而不会逆向传递；将模型之间的接触关系简化为面完全约束、线部分约束、点定位约束，具体包括：①面完全约束：指模型之间存在面与面的完全约束，上级模型可以对下级模型实现定位与姿态的完全约束；面完全约束的传递公式如下所示：定义B模型为A模型的上一级面接触模型；LCA＝LCB+FNBA＝[xB+xBA,yB+yBA,zB+zBA]其中，LCA是A模型的定位约束或模型A原点的三维坐标，LCB是B模型的定位约束或模型B原点的三维坐标，FNBA是B模型控制A模型的特征值，xB是B模型原点的x坐标，xBA是B模型控制A模型的特征值的x坐标，yB是B模型原点的y坐标，yBA是B模型控制A模型的特征值的y坐标，zB是B模型原点的z坐标，zBA是B模型控制A模型的特征值的z坐标； 其中，θAx是A模型绕x轴的偏转角，θAy是A模型绕y轴的偏转角，θAz是A模型绕z轴的偏转角，arccos·表示反余弦，是A模型特征点的x方向，是A模型特征点的y方向，是A模型特征点的z方向，是B模型特征点的x方向，是B模型特征点的y方向，是B模型特征点的z方向，·表示点积，|·|表示模长；传递公式计算结果表示B模型实现了对A模型的完全约束，A模型表面需要与B模型表面实现位置与角度的完全贴合，B模型作为上级模型确定了下级模型A的装配；②线部分约束：指模型之间仅存在线性的接触关系，接触关系导致上级模型仅对下级模型的约束丧失了一维的姿态约束；线部分约束的传递公式如下所示：定义B模型为A模型的上一级线接触模型；LCA＝LCB+FNBA＝[xB+xBA,yB+yBA,zB+zBA] 传递公式计算结果表示B模型仅对A模型有定位约束和部分角度约束，A模型表面仅需要与B模型表面有一条线完全贴合，线部分约束相较于面完全约束丧失了一维的角度约束，A模型对于完全贴合的线的旋转角而言是自由的；③点定位约束：指有模型之间仅存在单点接触关系，单点接触关系导致上级模型仅对下级模型有定位约束；点定位约束的传递公式如下所示：定义B模型为A模型的上一级点接触模型；LCA＝LCB+FNBA＝[xB+xBA,yB+yBA,zB+xBA]传递公式计算结果表示B模型仅对A模型有定位约束，A模型表面仅需要与B模型表面有一个点相互接触，A模型对于相互接触的点的任意轴的旋转角而言是自由的；④约束矩阵的确定：模型的装配完全由单一的约束矩阵CM确定，如果遇到过约束或超静定的情况，采用线性平均的方法将过约束的矩阵整合为一个单一的约束矩阵，进而实现模型的参数化装配；S5.采用步骤S4处理后的模型，完成铁路扣件系统的空间分布；具体包括：A1.基于轨道板的第二对扣件中心或世界坐标，采用下述公式计算第一对扣件中心坐标：x1＝x-24.8×sinv×cos-p+s3×sin-py1＝y+24.8×sinv×sin-p+s3×cos-pz1＝z-24.8×cosv其中，x,y,z是轨道板的世界坐标，v是轨道板垂直旋转角，p是轨道板水平旋转角，s3是相邻扣件中心横向间距，扣件底部与钢轨顶面距离为24.8cm，x1,y1,z1是第一对扣件中心坐标；A2.轨道板上的扣件位置按照设定的间距分布，根据成对的扣件的中心坐标，采用下述公式，计算得到轨道板上所有扣件的空间坐标： yi＝y1±b1×sin-p-i×s3×cos-pzi＝z1±b1×sinv其中，xi,yi,zi表示每对承轨台在世界坐标系下的坐标，i是每对承轨台的序号，b1是轨道板上的扣件中心距离轨道板中心线的距离；A3.轨道板的三轴偏角与板上扣件的三轴偏角一一对应，结合扣件空间坐标得到铁路扣件的空间分布矩阵，采用下述公式表示：θx＝vθy＝αθz＝p 其中，DMt表示t号扣件的三维坐标，xt是t号扣件的三维坐标的x坐标，yt是t号扣件的三维坐标的y坐标，zt是t号扣件的三维坐标的z坐标；α是轨道板调高偏角；S6.采用步骤S5完成空间分布后的模型，通过轻量化渲染方案，进行模型的优化处理，获得最终的铁路扣件系统模型。

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