向 陽，舒 昕，蘆 亮，沈 翔

（中鐵大橋局 武漢橋梁特種技術(shù)有限公司，武漢 430074）

橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)的研究與設(shè)計

向 陽，舒 昕，蘆 亮，沈 翔

（中鐵大橋局 武漢橋梁特種技術(shù)有限公司，武漢 430074）

分析和研究了我國橋梁施工培訓的現(xiàn)狀，提出將計算機仿真技術(shù)應(yīng)用到橋梁現(xiàn)場施工人員培訓。研究和設(shè)計橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和特點，并且闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計思想和技術(shù)路線。實驗結(jié)果表明，橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)能對橋梁現(xiàn)場的施工操作和安全事故過程進行模擬仿真，使培訓不受天氣等惡劣環(huán)境的影響。縮短培訓時間。節(jié)省培訓費用。橋梁施工操作人員通過在該仿真培訓系統(tǒng)上的演練，有利于快速掌握橋梁施工的工藝流程，積累施工操作經(jīng)驗，對保證橋梁施工的安全具有重要意義。

橋梁；三維仿真；培訓

隨著我國橋梁工程建設(shè)的高速發(fā)展，橋梁施工安全事故不斷發(fā)生。事故的危害也逐漸增大，造成了巨大的經(jīng)濟損失，嚴重地威脅到人民的生命財產(chǎn)安全，帶來惡劣的社會影響。在橋梁施工建設(shè)過程中，由于橋梁現(xiàn)場施工人員存在著安全生產(chǎn)意識薄弱、施工專業(yè)技術(shù)缺乏及工程建設(shè)經(jīng)驗不足等問題，人為因素而導致的橋梁施工事故頻發(fā)。目前，國內(nèi)橋梁施工人員數(shù)量眾多，專業(yè)技術(shù)和文化程度參差不齊。傳統(tǒng)的教學培訓是通過文字和圖片進行講解，學員的操作實踐機會較少，從而導致培訓效果不理想，施工技能提高緩慢。橋梁現(xiàn)場施工涉及高空作業(yè)、大型機械設(shè)備的駕駛操作等，不僅危險性較大、而且容易受到自然天氣和現(xiàn)場設(shè)備條件的限制。因此，如何克服傳統(tǒng)教學培訓的缺點，提高橋梁施工培訓的效率，是亟待解決的問題。

基于以上考慮，針對橋梁現(xiàn)場施工人員這一特殊人群，設(shè)計了面向橋梁現(xiàn)場施工人員的三維仿真培訓系統(tǒng)，建立一個仿真模擬平臺，一個虛擬環(huán)境，讓受訓人員產(chǎn)生身臨其境的感覺，實現(xiàn)橋梁施工三維仿真模擬培訓，達到減少安全事故發(fā)生，提升現(xiàn)場橋梁施工人員的技術(shù)操作水平，提高培訓效率的目的。基于三維仿真的橋梁施工培訓系統(tǒng)可以模擬橋梁現(xiàn)場的具體施工操作步驟和各種突發(fā)狀況、安全事故等，節(jié)約了培訓成本，提高了培訓效率。本系統(tǒng)在Windows 平臺上，采用三維仿真引擎進行開發(fā)，通過三維仿真技術(shù)，三維建模技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等開發(fā)實現(xiàn)應(yīng)用于橋梁施工的三維仿真培訓系統(tǒng)[1]。

1 橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)概況

橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)包括鍵盤鼠標輸入設(shè)備，三維仿真引擎子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和專家評估報警子系統(tǒng)。其中，三維仿真引擎為整個系統(tǒng)的核心部分，用戶通過鍵盤鼠標的輸入控制進行三維系統(tǒng)的交互操作，并將操作記錄等一系列數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，專家評估報警系統(tǒng)通過讀取數(shù)據(jù)庫并對用戶的操作等進行專家評估打分以及智能報警。橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)主要用于橋梁施工培訓者的施工教學安全培訓等[2]，學員通過系統(tǒng)實現(xiàn)對橋梁三維場景中實物的操作控制，達到身臨其境的效果。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)圖

2 unity3d三維仿真系統(tǒng)

三維仿真系統(tǒng)是指利用計算機三維仿真技術(shù)建立一個模擬環(huán)境，構(gòu)造一個具有視覺、觸覺和聽覺等多種感知的具有真實環(huán)境的培訓系統(tǒng)。將三維仿真技術(shù)運用于橋梁施工過程，實現(xiàn)橋梁施工現(xiàn)場的三維場景漫游、同虛擬環(huán)境中的物體相互作用實現(xiàn)人機交互等，解決機械硬件設(shè)備、現(xiàn)場場地和天氣環(huán)境等的限制。通過三維仿真引擎，用戶可以模擬橋梁施工中的澆注、架設(shè)鋼筋、養(yǎng)護等多種施工工序，使用戶身臨其境。三維仿真引擎通過用戶的錯誤虛擬施工操作，還可以模擬操作事故、故障等，使用戶可在虛擬三維仿真環(huán)境中，放心大膽的去做橋梁施工操作，規(guī)避橋梁現(xiàn)場真實環(huán)境帶來的危險。

2.1 三維場景建模

三維虛擬場景建模步驟是：（1）根據(jù)已獲得的橋梁CAD圖形，利用3Dmax建模工具制作橋梁模型，并依據(jù)橋梁現(xiàn)場獲取的實物模型數(shù)據(jù)完成橋梁實物模型建模，將實物照片制作成紋理貼圖；（2）利用三維引擎制作紋理貼圖映射，對橋梁三維場景中的三維模型進行紋理貼圖，達到三維逼真效果，并通過減少模型面數(shù)等優(yōu)化技術(shù)對橋梁虛擬場景的模型進行內(nèi)存開銷方面的優(yōu)化，提高整個橋梁三維仿真系統(tǒng)的運行速度；（3）用三維引擎的外部引用功能把各個實物模型加入到橋梁三維場景中。具體操作流程如圖2所示。

圖2 三維場景建模流程圖

2.2 三維場景漫游功能

在橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)中用戶通過計算鍵盤的W、S、 A、D按鍵控制人物的前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，實現(xiàn)用戶在橋梁三維虛擬場景中的漫游功能。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的鍵盤和鼠標事件，實現(xiàn)了用戶與虛擬場景中物體的動作交互。

本系統(tǒng)采用unity3d三維引擎開發(fā)，在unity3d三維引擎系統(tǒng)API函數(shù)庫中，Time.deltaTime是常量，表示時間間隔，橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)每隔Time.deltaTime時間就會刷新一次。RotationSpeed表示物體的旋轉(zhuǎn)角度。通過transform.Translate()函數(shù)和transform.Rotate()函數(shù)可以分別用來控制人物在橋梁三維場景中的空間位移變化和旋轉(zhuǎn)操作。Vector3.forward 和Vector3.up表示物體的移動沿著自身的正方向和沿著物體自身的y軸旋轉(zhuǎn)方向。

例如，用戶通過鍵盤的W鍵實現(xiàn)人物的前進功能，具體功能代碼如下：

以上兩段功能代碼實現(xiàn)了人物在橋梁施工三維場景中的空間位置移動變化以及人物的空間旋轉(zhuǎn)操作，但是還缺少人物的行走動作，只有播放人物模型相應(yīng)的行走動作才可以使人物真正的運動起來，達到人物行走的三維仿真效果。通過三維引擎unity3d函數(shù)庫提供的animation.Play()函數(shù)可以實現(xiàn)對人物模型動畫的調(diào)用，橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)中人物模型的行走動畫命名為go，在人物模型漫游的移動、轉(zhuǎn)身代碼中添加animation.Play(“go”)方法實現(xiàn)人物的前進、后退以及轉(zhuǎn)身等動作，如圖3所示。

圖3 三維人物漫游行走控制圖

2.3 三維碰撞檢測功能

三維碰撞檢測是unity3d三維仿真引擎的核心功能之一，在橋梁施工三維場景中，橋梁施工人員三維模型是不能穿透其他實體物體模型的，需要對三維人物模型以及其他相對運動模型進行碰撞檢測，否則模型之間會發(fā)生穿透現(xiàn)象。但是橋梁施工三維場景中的模型大多是不規(guī)則的模型，倘若對不規(guī)則三維模型的每一個坐標都進行碰撞檢測計算，不僅計算工作量較大，而且需要花費較長的計算時間，不符合三維系統(tǒng)的實際功能需求[4～7]。

unity3d三維仿真引擎采用包圍盒碰撞檢測算法，主要通過矩形盒碰撞檢測（BoxCollider）和膠囊碰撞檢測（CapsuleCollider）包圍盒進行碰撞檢測，如圖4所示。不同的三維模型碰撞檢測部分可采用相應(yīng)的包圍盒算法進行碰撞檢測，這樣可以避免不規(guī)則模型的大量坐標計算，通過包圍盒的簡單計算便可檢測出是否發(fā)生碰撞。通過包圍盒碰撞檢測算法可以大幅度提高不規(guī)則物體的碰撞檢測時間，提高系統(tǒng)的運行效率。

圖4 三維仿真系統(tǒng)中不同的包圍盒

橋梁施工三維仿真安全培訓系統(tǒng)采用第一人稱主視角的方式進行橋梁施工現(xiàn)場漫游，用戶通過逼真的三維仿真漫游功能，在橋梁施工場地進行漫游行走，身臨其境。為了避免人物穿墻而過等碰撞問題，本系統(tǒng)利用膠囊包圍盒，通過計算膠囊包圍盒的空間是否與其他模型物體發(fā)生碰撞，從而實現(xiàn)人物模型的碰撞檢測。避免施工人員人物穿透三維場景內(nèi)的物體模型。圖5展示了加入膠囊包圍盒CapsuleCollider后的橋梁施工人員三維模型[8～14]。

圖5 添加CapsuleCollider后的人物模型

3 專家評估報警系統(tǒng)

專家評估報警系統(tǒng)主要包括統(tǒng)計評分和智能報警兩個功能。系統(tǒng)可以根據(jù)培訓人員的施工操作進行專家評估打分，計算出培訓人員最終的操作成績。當培訓人員在操作過程中出現(xiàn)操作錯誤，會引起安全事故時，系統(tǒng)還可以進行智能報警等[15]。

3.1 統(tǒng)計評分功能

系統(tǒng)管理員可先將橋梁施工操作手冊中橋梁施工標準規(guī)范的操作過程錄入到專家系統(tǒng)中，將需要考核評分的橋梁施工操作步驟設(shè)置相應(yīng)的分數(shù)值，根據(jù)不同的施工操作的關(guān)鍵性和重要性設(shè)置不同分值的大小。在專家系統(tǒng)的設(shè)計中有一點需要考慮：橋梁施工操作步驟的強相關(guān)性，即橋梁施工操作步驟的順序必須完全正確，否則會引起操作安全事故等。專家系統(tǒng)將橋梁工藝參數(shù)標準值和橋梁施工受訓人員的相關(guān)三維施工操作值進行比較，兩者相差越少，則橋梁施工操作步驟分越高，反之，則越低。 具體代碼如下所示：

其中，OperateValue為受訓人員操作值，StandardValue為相應(yīng)的操作標準值，StepValue為相應(yīng)步驟的滿分值，Calculate函數(shù)根據(jù)操作值和標準值的差值計算出相應(yīng)的操作步驟分。

3.2 智能報警功能

在橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)中，學員由于操作失誤等，導致某些施工操作數(shù)值超過報警界線，專家系統(tǒng)會根據(jù)系統(tǒng)錄入的報警越界值進行判定，當超過報警界線時系統(tǒng)給出相應(yīng)的報警。

專家評估報警系統(tǒng)可以根據(jù)整個三維仿真系統(tǒng)的不斷完善和改進，不斷的充實和添加評估報警標準和規(guī)則，可以同時運行多套評估報警體系，并對多個評估報警體系進行算數(shù)平均，使得評估報警更加準確和完善。

4 數(shù)據(jù)庫構(gòu)件

數(shù)據(jù)庫是整個三維仿真培訓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心部分，系統(tǒng)的各個功能模塊通過調(diào)用核心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)使其正常運行。由于橋梁施工三維仿真培訓系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較小，為了保證系統(tǒng)的流暢以及運行效率，采用mysql輕量級數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)，既滿足系統(tǒng)的功能需求同時，也能保證整個三維系統(tǒng)的運行速度。

橋梁施工仿真數(shù)據(jù)庫按功能劃分，包括橋梁模型庫、橋梁施工培訓試題庫、歷史數(shù)據(jù)庫以及橋梁施工培訓學員操作記錄庫。數(shù)據(jù)庫間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 仿真培訓系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)庫及其關(guān)系

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于三維仿真的橋梁施工培訓系統(tǒng)，研究了三維虛擬場景建模過程中的場景建模，橋梁建模，環(huán)境建模等，實現(xiàn)了橋梁施工現(xiàn)場的場景制作以及在虛擬場景中的漫游功能，使培訓者能夠熟悉虛擬培訓場景[16]，增加學員培訓時的沉浸感以及交互感。利用環(huán)境效果的設(shè)置以及聲音的加載技術(shù)，完善了系統(tǒng)的仿真功能。

該系統(tǒng)是一種既有效、又安全的提高施工人員技術(shù)水平的操作平臺，可以實時模擬各種場景、天氣以及其后的變化，滿足培訓學員適應(yīng)多變環(huán)境的需求，降低各種費用和人為、天氣因素影響，對培養(yǎng)高素質(zhì)的橋梁施工技術(shù)人員具有重大的使用價值和現(xiàn)實意義。雖然該系統(tǒng)實現(xiàn)了電腦PC端的三維仿真模擬培訓，但對于手機平板等移動端的開發(fā)還有待進一步研究。

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責任編輯 徐侃春

圖8 鐵路總公司W(wǎng)eb Service跨鐵路局信息共享方案示意圖

4 結(jié)束語

本文提出系統(tǒng)的技術(shù)方案和功能設(shè)計滿足目前鐵路貨物押運安全管理的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)的應(yīng)用，將有助于實現(xiàn)押運監(jiān)控與管理的信息化和智能化，改變傳統(tǒng)的押運管理模式和作業(yè)方式，有效防范押運過程中的安全隱患，提高押運工作質(zhì)量和工作效率，為鐵路貨運安全保障提供技術(shù)支撐。今后，要重點開展系統(tǒng)的推廣應(yīng)用研究，結(jié)合實際需要，進一步完善系統(tǒng)，全面發(fā)揮系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用價值。

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責任編輯 徐侃春

Three-dimensional Simulation Training System for bridge construction

XIANG Yang,SHU Xin,LU Liang,SHEN Xiang
( Wuhan Bridge Special Technology Ltd.,China Railway Major Bridge Engineering Group,Wuhan 430074,China)

This article analyzed and researched on the current situation of bridge construction training in our country,put forward to apply computer simulation technology to the bridge site construction personnel training,designed Three-dimensional Simulation Training System,introduced the structure,function and characteristics of the System,described the design idea and technical route of the System.The experimental result showed that the Threedimensional Simulation Training System for bridge construction could simulate the concrete operation and all kinds of faults,be not affected by the weather and other adverse conditions,shorten the training time,save the training costs.The bridge construction operator could exercise through the System to control the process of bridge construction,accumulate operation experience.It was of great signifcance to ensure the safety of bridge construction.

bridge;three-dimensional simulation;training

U245：TP391.6

A

1005-8451（2016）04-0014-05

2015-10-08

東湖國家自主創(chuàng)新示范區(qū)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)綜合試點項目（2011-dhfwy-029）。

向 陽，助理工程師；舒 昕，助理工程師。