隧道三维可视化监测系统的研制与开发

计 算 机 工 程 第 33 卷 第22期

Vol .33 No.22 Computer Engineering · 工程应用技术与实现 ·

文章编号：1000—3428(2007)22—0255—03

文献标识码：A

2007年11月

November 2007

中图分类号：TP311

隧道三维可视化监测系统的研制与开发

金 淼1，赵永辉1，吴健生1，谢雄耀2

(1. 同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

摘 要：将工程监测结合数据库技术可快速及时地录入大量的复杂数据，并进行数据分析和信息反馈。依托杭千高度公路中千岛湖隧道群工程项目，在建立监测系统的基础上再加入三维显示模块，提高了监测数据的表达能力，可形象地显示监测时的各种结果状态。系统在Windows下通过OpenGL结合VB进行开发实现。 关键词：OpenGL；隧道；监测；三维可视化

Development of 3D Visualization Tunnel Observation System

JIN Miao1, ZHAO Yong-hui1, WU Jian-sheng1, XIE Xiong-yao2

(1. School of Ocean & Earth Sciences, Tongji University, Shanghai 200092; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092)

【Abstract】Using database technology, the observation system is built as the new trend of modern engineering supervision technical. 3Dvisualization tunnel supervision system has been finished for Qiandao islands branchline of the Hangqian highway using Visual Basic 6.0 programcombined with OpenGL. Combining 3D visualization module with tunnel observation system, the system shows the observation data as severalkinds of vision. It improves the exhibition of data, and is more efficient. 【Key words】OpenGL; tunnel; supervision; 3D visualization

隧道的监控是现代地下工程施工技术中一个极其重要的

组成部分，是保证隧道安全施工必不可少的重要手段，如何对监测得到的大量数据进行及时快速的显示和处理分析，是进行工程决策的前提，是数据库在监测领域应用的一个发展方向[1]。

杭千高速公路建德(安仁～洋溪)段工程全线按双向6车道高速公路标准建设，路线全长33.87km，设计速度为120km/h，路基宽度整体式为33.5m，分离式为17m，公路沿线地质、地形、水文条件复杂，工程施工建设艰巨，全线包括8座隧道，其中1座是连拱隧道，7座是分离式隧道。每一隧道均布置了相当数量的监测断面，获取了大量的监测数据。通过对杭千高速公路建德段工程隧道施工监测数据的辨读、分类及整理、管理，在构建监测数据库的结构、功能等方面的技术环节以及OPENGL可视化技术进行了探讨并解决一些技术难点，采用Visual Basic开发平台及OPENGL图形库技术，将数据库及监测数据可视化等各项功能融和到三维可视化监测系统(3D tunnel observation software, 3DTOS)中，结合了课题组研究的数据预测模块及预警值判断模块，完善了隧道三维可视化监测系统的功能。

开发，而且基于模块化的开发模式，便于系统的改进及扩展。

隧道三维可视化监测系统主要包括8个主要模块：工程管理模块，界面模块，数据库模块，二维曲线绘制模型块，三维可视化模块，二维断面显示模块，预警模块以及监测数据的预测模块。系统整体框架如图1所示。

图1 隧道三维可视化监测系统结构

1 监测系统的设计开发

本系统的开发基于Windows操作系统，以Microsoft Visual Basic 6.0(VB)为开发平台，VB是一个强大的具有图形界面的软件开发工具，可以方便地建立设计图形界面，同时具有较强的数据运算能力；而且VB在与其他技术的结合方面具有比较完善的接口，能很好地结合数据库以及OpenGL。

本系统通过VB以模块化的方式开发，先将所有功能模块单独开发，使各子程序模块之间相对独立，利于开发系统的调试，最终将子程序一起整合到总程序，完成整个系统的

3DTOS监测系统的主要特色有：完善的监测数据导入建库功能；优化的项目管理及查询方式；监测数据的三维交互式可视化表达；监测数据多方式的二维表达；双重预警阈值的综合利用；多种智能预测方法的综合利用。

基金项目：浙江省交通厅科技计划基金资助项目(2005H048) 作者简介：金 淼(1985－)，男，硕士，主研方向：工程地球物理；赵永辉，讲师、博士后；吴健生，教授、博士、博士生导师； 谢雄耀，副教授、博士后

收稿日期：2006-11-25 E-mail：kingballyy@

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系统以单隧道工程为单位建立隧道工程文件(*.prj文件)，最终导入到隧道群文件(*.TOS文件)进行管理。

首先利用数据导入模块实现对监测数据(EXCEL表格)有用信息的筛选并导入到数据库工程文件中。对导入的监测数据通过三维隧道建模查询和二维断面图查询，选定查询的断面以及查询数据类型之后，结果通过曲线图的形式表现出来，结合了课题组研究的预警值判断模块，通过设定的断面具体参数计算出各个断面的最大预警值以及最大预警速率，画出预警线，并将超出预警线或者预警数据的数据通过特殊颜色表示。可以实时切换到断面视图查看断面状态。系统整合了课题组研究的数据预测模块以进行今后几天的监测数据预测，完善了隧道三维可视化监测系统的功能[2]。

2 数据库模块

隧道工程施工监测数据非常复杂庞大，如果将其全部导入到数据库中，会造成过多的数据冗余，管理困难，降低数据查询速度。因此，在导入监测数据的时候应进行必要的筛选，系统可根据用户设定的数据类型(比如拱顶下沉)来进行选取有用的数据列，并且通过判断特定列的数据状况自动过滤其中由于故障等原因测量不全的数据，尽量做到数据库的最优化，各种类型的数据以不同表的形式存入数据库文件中，可随时打开工程添加新类型的数据。

预警值参数设定时，所填入的各种工程信息在设定完后全部入库，既保留了完整的施工工程信息，又可用于程序以后的扩展使用。

断面查询时，通过搜索数据库数据，将其与断面图或者三维隧道模型关联。点击断面查询时，自动从数据库里调出关于该断面的信息；进一步到曲线查询模块时，将数据库中关于该断面的数据读取到数组中，实现数据接口。

曲线查询时，曲线数据自动关联上该断面的预警值数据，判断是否超出进行曲线的特殊表示；调用预测模块进行数据的预测时，可以选择是否将预测的结果更新入数据库，同时保存各种算法的各种参数设定，便于以后对预测算法的效果以及与实际资料进行对比试验。

3 二维断面视图模块

在建立隧道工程时，须导入隧道二维断面图，然后由用户在断面图上标出隧道出入洞口的位置及输入洞口坐标，程序自动查询调用数据库中的数据信息生成断面位置，根据数据类型，用颜色区分显示全面的类型，并且关联每个断面的数据，将鼠标放至断面上可显示断面名称，点击断面弹出信息对话框，给出隧道名称、隧道跨度及高度、断面名称、断面类型以及最后监测日期的监测数据等基本信息，此时可以返回至断面图查询其他断面，也可以点击进行断面信息的具体查询，即切换到曲线查询模块进行断面曲线的查询。

4 基于OpenGL三维可视化模块开发

OpenGL应用范围广泛，具有标准化、稳定性、可扩展性、可靠性和可移植性、可缩放性、易用性、实用性以及文档丰富的特点[2]，用OpenGL实现隧道监测数据的三维可视化表达具有可操作性和可实现性。在实现过程中，重点解决了以下关键问题。

4.1 三维建模

为了使建好的隧道三维模型更便于修改，本系统软件所构建的隧道模型都是从最基本的图元(点线面)自行编写成各种合适的图形元件(比如椭圆弧、三角锥等)再组合进行隧道—256

—模型的构建，这样可以根据需要随意地更改每个细节部分来达到最佳效果。

以白炭坞隧道右线为例，图2给出了按上述思想绘制的隧道三维模型，以监沿断面为各个三维实体的分界面，根据每个断面所导入的数据信息，在断面上放置了监测点，通过改变监测点位置，断面的颜色体现了监测数据的状态(参照图2)。由断面将整条隧道划分为若干个单元，便于后期的交互式操作。每一个监测断面用一个单元表示。

图2 利用视点转换实现的三维交互查询

4.2 三维渲染

三维渲染通过消隐及光照材质来实现。隧道的内部并无直射的光源，为了有较好的显示效果，采用了一定亮度的环境光照射。图2反映出了使用消隐及光照材质的最终三维表现效果，通过光线的明暗程度、隧道材质表现的不同，更加真实地表现出隧道的三维空间感，采用OpenGL的贴图功能实现了地表路面的效果。 4.3 三维交互

三维交互功能的实现对于本系统非常关键，三维交互功能可以使三维空间查询成为可能，在本系统中通过视点转换实现。视点的初始坐标位于三维坐标的原点，可以根据被观察物体的需要及物体本身的大小选择视点位置、视点方向、观察的视角大小及近裁剪面和远裁剪面。视点和实体的位置是相对的，可以移动物体或视点，从而使实体以适当的比例投影到视平面上[3]。

用以下3个模型变换函数组合应用来实现观察物体在OPENGL三维坐标体系中的移动，从而实现相对视点的变换：(1)平移物体，gITranslatef(TYPE x, TYPE y, TYPE z)； (2)旋转物体，gIRotatef(TYPE angel, TYPE x, TYPE y, TYPE z)；

(3)缩放物体，glScalef(TYPE x, TYPE y, TYPE z)。 本系统采用视点转换实现了对于隧道模型的旋转、平移、

缩放功能[2]

；进一步地通过帧技术以及时间控件的应用，实现了虚拟视点进出隧道，从而达到隧道虚拟行走的效果。用户可利用鼠标或方向键控制，模拟在隧道中漫游。在虚拟漫游过程中，当用户对某一个断面感兴趣，或需要查询某一监测断面的监测数据，或须及时了解某一监测断面的安全性级别时，用户仅须点击当前断面即可获取此类信息。在图2状态预观察当点的断面时，用户点击此监测断面，即时弹出有关该断面的信息对话框，可以返回，继续在隧道中行走，或切换到曲线查询模块进行断面曲线的查询。

5 曲线查询模块

用户进入曲线查询模块，选定查询的数据类型、断面以及要查询的测点就可以进行多条曲线显示，将鼠标放置在界

面曲线区域任何位置就会显示此位置的监测值，用户还可以自己设定曲线的线形以及线的颜色来达到满意的效果。模块提供了数据时间区间查询功能，可以根据用户的需要设定查询的时间区间。根据查询结果数据的最大最小值自动调整坐标系，防止生成的曲线在界面中过大或者过小，以达到最佳显示效果，如果数据库中包含掌子面距离信息，点击与“掌子面距离”复选框可以显示掌子面距离曲线，以虚线的形式表示，坐标纵轴为图片框右侧的标值。

选定断面后，调用数据库中通过预警模块计算获得的预警值以及预警速率信息，并将预警值以红色粗虚线的形式在图中绘出，对比监测数据，将超出预警速率的数据以显眼的粗红色线段分段表现在视图中。在曲线查询模块中，可以调用预测模块预测数据，预测结果数据以不同颜色形式分段显示在曲线上。模块直接支持曲线视图的部分放大功能，如果对某部分数据感兴趣，可以通过鼠标划定时间区间进行曲线局部放大，方便细节的查看。

模块还提供了鹰眼功能，选中“鹰眼视图”复选框，在界面右上角出现隧道纵断面的缩小视图，红色线段所在的部位表示当前查看的断面位置，可以随时点击复选框开启关闭该功能。

在曲线查询时，用户可以点击界面左下方按钮随时返回到二维或者三维整体视图，可以根据用户的需要来回切换查询。选定查询断面后可以查看断面的二维图示表现。用户根据二维图示中各数值的背景色即可判断变形是否接近、达到或超过设定的警界值。

数之后导入隧道所在地区的平面图。通过放大缩小按钮可以将图调整到合适的大小，用鼠标点击来划出各个隧道的区域(以矩形框的形式标在图上)，双击划出的每个区域，可关联上每个单隧道工程文件(*.prj)，同时可以附上对此单隧道的说明，完成之后存成TOS文件。

建立完隧道工程项目文件之后可直接通过点击管理视图界面中的各个区域，进行单隧道查询，并且在查询的任何阶段都可以通过菜单选项返回至管理视图界界面查询其他断面，方便用户对整个项目的查询管理。

7 结束语

隧道的监控与三维可视化技术仍是现今的热门技术，尤其是三维可视化技术，其应用领域正在不断拓展。本文结合杭千隧道工程项目的应用实例介绍了隧道三维可视化监测软件系统中几个主要模块的开发思路及成果，系统运行稳定可靠，工程应用成果很好地反映了实际情况，为施工提供了一定的指导依据。

整个系统是在Visual Basic 6.0平台上开发的，基于OpenGL的三维可视化图形库，既保证了该系统具有简洁、界面友好、操作简易的特点，又为其算法及结构的可靠性提供了保障。工程应用的结果也证明了这一点。系统采取模块化结构，具有很好的扩展性，便于系统以后不断完善。

参考文献

1 李志刚, 丁文其, 李晓军, 等. 隧道工程监测数据库管理系统的开发[J]. 地下空间, 2004, 24(5): 755-758.

2 彭 剑, 陈文彤, 贾东乐, 等. 利用OpenGL技术实现的卫星轨道可视化[J]. 计算机工程, 2005, 31(14): 62-66.

3 任 杰, 马民涛, 李 旭, 等. OpenGL在开发区综合管网管理信息系统中的应用[J]. 城市勘测, 2005, 20(6): 19-21.

6 隧道群管理模块

通过隧道群管理模块以整个隧道工程项目为单位的形式对建立的各个单隧道文件进行管理，设定项目名称及隧道个

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(上接第254页)

706050403020100

64

数据传输率/(Mb·s)

-1

输速率已能满足应用需要。目前系统主频仅33 MHz，若提高主频(如提高为66MHz)，网络数据处理能力也将提高。

4 结束语

本以太网IP核符合IEEE 802.3 规范，可集成于具有AMBA AHB总线接口的SoC中，外接一个物理层PHY接口芯片便可以接入局域网。经RTL级和FPGA验证及功能和性能测试表明，此IP核能满足系统应用需要。

另外，本以太网内核具有标准的总线接口，因此，完全可以作为一个通用的IP核集成在各SoC设计中，并可满足各种嵌入式通信系统的应用要求，具有广泛的应用价值。

参考文献

1 Hennessy J L, Patterson D A. 计算机体系结构: 量化研究方法[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

128

256512帧长/B

1 0241 500

图7 以太网IP核单向发送数据传输率

数据传输率/(Mb·s)

6050403020100

64

128

256512帧长/B

1 024

1 500

-1

2 ARM Ltd. Co. AMBA Specification(Rev2.0)[Z]. (1999-05). http:// www. /products/solutions/AMBA_Spec.html.

3 李 瑞, 张春元, 罗 莉. 三种常用SoC片上总线的分析与比 较[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2004, (2).

4 Committee of the IEEE Computer Society. IEEE Std. 802.3-2002 LAN/MAN Standards[S]. 2002-03.

5 谢希仁. 计算机网络[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003.

图8 以太网IP核单向接收数据传输率

由图7和图8可知，对于10Mb/s网络，发送和接收网络数据的传输率分别高达7.54 Mb/s和6.26 Mb/s，充分发挥了性能。对于100Mb/s网络，发送和接收网络数据传输率分别高达59.4 Mb/s和49.56 Mb/s，也基本发挥了性能。此数据传

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wvi1.html