鐵路模擬在現代運輸和物流中發揮著重要作用，為軌道、交換機和軌道車輛之間復雜的相互作用提供了一個虛擬試驗場。它是工程師和開發者微調和優化鐵路系統的關鍵工具，可確保效率、安全性和成本效益。
物理仿真支持全面的場景分析、預測性維護和創新解決方案的探索，最終有助于鐵路基礎設施的發展和可持續性。
然而，有效且準確地模擬鐵路絕非易事。必須對各種互聯和動態組件進行精確建模。此外，還必須考慮現實世界的物理特性、安全協議和各種操作場景。
借助 railOmniverse 擴展程序實現逼真的鐵路模擬
行業內計劃 Digitale Schiene Deutschland，Deutsche Bahn（DB）的目標是利用數字化來提高其鐵路網絡的容量、質量和效率。其中一項措施是在德國創建物理屬性準確的全國鐵路系統仿真。
railOmniverse 是一個 C++ 擴展程序，NVIDIA Omniverse 作者 Trend Verlag（趨勢）與 Deutsche Bahn 合作，旨在促進其高度復雜的鐵路系統模擬。該擴展程序基于 Trend Trax 追蹤庫，提供了一系列工具，用于在物理鐵路模擬中創建和管理軌道系統、電機模型、制動系統和車輪摩擦。railOmniverse 利用 NVIDIA PhysX 支持鐵路系統各組件間真實的物理交互、力學和動力學模擬。
Omniverse 是一個開放的開發計算平臺，它讓開發者能夠基于 通用場景描述 (OpenUSD) 進行工作。OpenUSD 是一個可擴展的開源框架，用于描述、合成和協作 3D 世界中的內容。
通過將 railOmniverse 擴展程序集成到其數字孿生中，DB 能夠利用 Trend TrackJoint 及其 Trax Track 庫中的其他功能。這在創建逼真的鐵路模擬方面節省了大量時間。
“我們認為 [railOmniverse] 是迄今為止最好的方法，因為它使我們能夠在極端條件下平穩行駛，但在極端條件下仍然會脫軌。”DB Systel GmbH 高級軟件開發人員 Jose Minguez 在 GTC 2023 會議上說，“構建德國鐵路網的數字孿生，提供新一代鐵路系統。它還讓我們可以根據不同的天氣條件或列車中不同的負載權重等變量自由調整一些參數，以影響速度變化。”
借助 TrackJoint 和 NVIDIA PhysX 微調列車的物理模擬
Trend 和 DB 進行了大量實驗，探索各種碰撞、附加力、位置校正等。目標是將列車運動限制在軌道上。但是，這些方法始終損害了模擬的真實感，并且經常導致穩定性問題。
TrackJoint 功能的引入提供了可靠的解決方案。TrackJoint 是將列車的車輪框架連接到軌道系統的組件。它限制了車輪框架相對于軌道的移動，同時保持模擬的穩定性和真實感。
經過多次實驗后，Trax 庫的設計初衷是省略每個旋轉車輪復雜物理細節的模擬，而是專注于保持每個轉向架的粒度。轉向架是沿著軌道運行的物理實體。
甚至列車的行駛也可以作為約束實施，將包含加速、制動和摩擦的電機模型無縫集成到模擬中。該模型幾乎可以容納各種類型的推進引擎及其齒輪箱和車輪配置，這些引擎通過根據特定鐵路車輛的具體情況定制的引力特性曲線進行模擬。
使用 Omniverse 中的自定義關節接口實現了與 NVIDIA PhysX 的集成。TrackJoint 的實現反映了用于內置關節(例如旋轉或球形)的方法。這涉及為相對平移和旋轉速度定義一系列約束，然后將這些約束提供給 PhysX 約束求解器供直接使用。
在 Omniverse 中處理車輪框架及其與軌道車主體的連接時，用戶可以利用該平臺提供的實用程序。例如，轉向架鏈可采用旋轉接頭，貨車之間的聯軸器可采用距離接頭。
與任何其他 PhysX 接頭類似，車輪框架本身由配備 TrackJoint 的 NVIDIA PhysX 機身表示。這意味著 railOmniverse 引入的新元素可以與 Omniverse 和 PhysX 中使用的所有標準仿真工具無縫集成。
PhysX 專注于求解器中的相對速度，可實現不受靜態環境限制的軌道，還可連接到物理物體。這為在其他鐵路車輛(例如適配器貨車或火車輪船)上運行的轉臺或火車開辟了可能性。
使用 OpenUSD 實現協作和自定義模式
事實證明，OpenUSD 交換是 DB 和 Trend 之間進行協作的有效媒介。要在軌道上運行列車，首先需要軌道和交換機。DB 和 Trend 就這些實體的自定義 USD 基元定義達成一致，從而支持使用 Trax 庫的功能從 DB 提供的樣本數據中創建數據。
Trend 開發團隊利用模式機制，為軌道、交換機、TrackJoint 和電機模型的各個方面定義并注冊了新的基元。這促進了兩端的同步開發。例如，DB 使用 Omniverse Bezier BasisCurves 提供軌道幾何數據，而 Trend 使用專用的樣條曲線對系統進行擴展，該曲線按弧長進行參數化，使其能夠用于 TrackJoint 的模擬。
探索 Trax 庫
在創建逼真的模擬時，使用像Trend Trax 追蹤庫這樣的庫至關重要，因為它們可以節省時間和精力。利用已經解決了基本問題的庫是非常重要的。有了合適的庫，您的模擬項目不是從明天開始的；實際上，是從多年前 Trax 庫創立之時就已經啟動了。
該庫包含 TrackJoint 等眾多功能，這些功能已在真實用例中進行測試，并可隨時用于您自己的鐵路模擬。其中包括以下內容：
- 軌跡系統創建工具：用于定義軌跡的幾何形狀、指定曲線和扭轉，以及管理不同軌跡段之間的切換和過渡的工具。
- 電機模型：該模型支持模擬列車電機的行為。它建立了速度與在特定速度下可應用的最大電機力之間的關系，確保列車的真實加速和減速。
- 摩擦和制動：用于模擬車輪相關摩擦和制動的模型。這有助于模擬摩擦對列車運動的影響，并施加制動力以減慢列車速度或使其停止。
- 轉向架和 RailRunners：用于表示轉向架的接口。通過 RailRunner 接口，您可以將多個轉向架連接成一列火車。它還包括了用于鏈接轉向架和配置鐵路車輛的模型。
- 傳感器和信號：用于檢測軌道沿線事件的機制。傳感器可用于偵測車輪對或其他特定事件的通過，而信號則用于傳遞信息，以便在列車沿軌道移動時將其發送給列車。
- 曲線理論：該庫整合了曲線理論中的數學概念，從曲率和扭轉的角度出發描述曲線。這有助于在曲線和速度變化時，準確地表示曲線和速度。
Trend 計劃于 2024 年初發布 railOmniverse 的公開版本。如需了解詳細信息，我們維護了一份名為 Trax Book 的詳細文檔，其中概述了 Trax 庫使用的基本原理。有關 railOmniverse 開發的最新信息，請訪問Trax 手冊第 12 章。
我們期待了解您的用例。如果您有任何疑問或建議，請發送電子郵件至 horstmann.Marc@trendverlag.de。要注冊 railOmniverse 時事通訊，請在主題行中加入`railNewsletter`。
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