闕斐一

摘要：公路隧道三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)與二維監(jiān)控系統(tǒng)相比，大大提高了空間展示能力，也加強(qiáng)了各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。文章通過對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和三維仿真成像的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)闡述，借助相關(guān)軟件進(jìn)行隧道主體結(jié)構(gòu)和監(jiān)控設(shè)備三維建模和仿真分析，運(yùn)行結(jié)果說明三維監(jiān)控系統(tǒng)可明顯提高監(jiān)控效果。

關(guān)鍵詞：公路隧道;三維仿真;監(jiān)控系統(tǒng);下機(jī)位控制系統(tǒng);上機(jī)位監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

為了保證高速公路長(zhǎng)大公路隧道車輛運(yùn)行安全，采用監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道內(nèi)部的基本情況，疏導(dǎo)交通，預(yù)防交通事故。隧道監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，美國(guó)、日本和歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家的隧道監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展已比較完善。美國(guó)將自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到隧道安全監(jiān)控中，德國(guó)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，日本采用環(huán)網(wǎng)控制技術(shù)，都可對(duì)隧道內(nèi)基本情況進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控。我國(guó)隧道監(jiān)控系統(tǒng)研究起步較晚，相較其他發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生于美國(guó)，我國(guó)近年來也開展了大量研究，如北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)相關(guān)學(xué)者先后開展研究，有力推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)向世界先進(jìn)水平發(fā)展。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，三維圖像成像技術(shù)被應(yīng)用到隧道監(jiān)控中，并得到了廣泛的應(yīng)用。借助圖形處理軟件，對(duì)隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行三維建模，提高圖像的現(xiàn)實(shí)感，提高隧道運(yùn)行管理效率，保證運(yùn)營(yíng)安全。文章結(jié)合特長(zhǎng)隧道監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，結(jié)合三維建模技術(shù)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)、上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與三維仿真成像的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，全面闡述三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為了提高隧道監(jiān)控系統(tǒng)可視化程度，采用三維建模的方式，構(gòu)建三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)，生動(dòng)直觀地顯示隧道的整體運(yùn)行狀態(tài)。通過三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)，將隧道監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)控畫面集成到三維場(chǎng)景中，大大提高了空間展示能力，也加強(qiáng)了各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。同時(shí)，借助漫游功能，監(jiān)控中心的管理人員可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效提高監(jiān)控效果。

本項(xiàng)目采用3DS MAX軟件進(jìn)行隧道主體結(jié)構(gòu)和監(jiān)控設(shè)備的三維建模，并導(dǎo)出STL格式模型數(shù)據(jù)。仿真平臺(tái)也具有一定的建模功能，但效果不如3DS MAX軟件，主要功能是將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)行隧道內(nèi)部構(gòu)造物三維場(chǎng)景的仿真。三維模型仿真平臺(tái)是利用iFIX組態(tài)軟件中的VB編輯環(huán)境，結(jié)合OpenGL工具構(gòu)建仿真平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)iFIX組態(tài)軟件與三維仿真平臺(tái)的良好結(jié)合，形成隧道三維監(jiān)控系統(tǒng)。

2 下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 交通控制模塊設(shè)計(jì)

交通控制模塊可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，分析隧道內(nèi)部的交通情況，有針對(duì)性地采取有效措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，保證隧道內(nèi)部交通正常運(yùn)行。交通控制模塊設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2.2 通風(fēng)控制模塊設(shè)計(jì)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)通風(fēng)控制模塊可以保證隧道通風(fēng)設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)隧道內(nèi)的有害氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，并在發(fā)生緊急狀況時(shí)進(jìn)行報(bào)警。監(jiān)控系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)對(duì)隧道內(nèi)部的監(jiān)測(cè)探頭（CO、VI、WS）進(jìn)行檢測(cè)，判斷探頭是否存在故障。同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)部射流風(fēng)機(jī)、主風(fēng)機(jī)與風(fēng)門的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，查看是否存在過載、緊急停機(jī)、控制命令失誤等故障。通過分析隧道通風(fēng)系統(tǒng)探頭、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定閥值參數(shù)，根據(jù)需求選用自動(dòng)、手動(dòng)或應(yīng)急狀態(tài)控制模式。通風(fēng)控制模塊設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.3 照明控制模塊設(shè)計(jì)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)照明控制模塊的主要功能是根據(jù)隧道內(nèi)部采集回來的光強(qiáng)、車速、Ⅵ等數(shù)據(jù)，確定隧道照明的控制方案。根據(jù)隧道內(nèi)部的照明情況，分析照明需求，調(diào)整各類照明燈具。系統(tǒng)能夠?qū)φ彰髟O(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障后及時(shí)報(bào)警，通知維修人員及時(shí)維修或更換照明設(shè)備。根據(jù)照明需求，照明控制模塊分為手動(dòng)模式和定時(shí)控制模式。

2.3.1 手動(dòng)模式

照明控制模塊手動(dòng)模式下，監(jiān)控中心系統(tǒng)管理人員可以通過上位機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)整設(shè)備工作參數(shù)，對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以根據(jù)隧道內(nèi)部照明需求，確定開啟和關(guān)閉照明設(shè)備的位置和數(shù)量。

2.3.2 定時(shí)模式

照明控制模塊定時(shí)模式是采用分時(shí)段控制的方式，結(jié)合自然光源的照明情況，將一整天分為四個(gè)時(shí)段，設(shè)置照明設(shè)備開啟時(shí)間間隔和開啟時(shí)間。在定時(shí)模式下，隧道照明設(shè)備可按照系統(tǒng)設(shè)置的時(shí)間或時(shí)間間隔自動(dòng)開啟。雖然這種模式的自動(dòng)化程度不高，但可以結(jié)合隧道內(nèi)部的照明情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，操作方便。

2.4 火災(zāi)報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

隧道是一個(gè)相對(duì)封閉的空間，如果發(fā)生火災(zāi)，煙霧蔓延容易造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失?；馂?zāi)報(bào)警模塊是通過在隧道內(nèi)部設(shè)置火災(zāi)探測(cè)器，收集信息反饋到監(jiān)控中心，分析確定隧道內(nèi)部火災(zāi)的發(fā)生地點(diǎn)，實(shí)施火災(zāi)報(bào)警。根據(jù)火災(zāi)處治方案，系統(tǒng)控制防火卷簾門、消防水泵，配合消防人員撲滅火災(zāi)。同時(shí)，系統(tǒng)控制通風(fēng)模塊、廣播、照明和交通控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，配合進(jìn)行火災(zāi)處理。

3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要結(jié)合下機(jī)位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)需求，采用三維可視化技術(shù)，結(jié)合iFIX組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：（1）采用三維可視化技術(shù)對(duì)隧道內(nèi)部場(chǎng)景進(jìn)行三維仿真模型設(shè)計(jì)，建模后在VB編輯環(huán)境下進(jìn)行場(chǎng)景模擬，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部場(chǎng)景的三維仿真;（2）iFIX組態(tài)軟件的主要作用是設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、在系統(tǒng)運(yùn)行過程中貯存實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)表查詢和打印、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)顯示、應(yīng)急情況報(bào)警記錄和安全登陸等。隧道三維仿真系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 三維仿真成像的實(shí)現(xiàn)

4.1 三維建模

三維建模流程主要分成三個(gè)步驟：（1）通過調(diào)用隧道設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)地調(diào)查確定隧道基本圖像資料，掌握隧道建模的基本資料;（2）將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分類，輸入到3DS MAX軟件中，得出隧道基本輪廓，開始三維建模;（3）優(yōu)化三維模型，在建立后的三維模型中進(jìn)行貼圖分析和處理，完成模型建立。三維模型建立流程如圖4所示。

按照三維建模流程，首先分析隧道總體輪廓，確定抽象模型，然后采用3DS MAX軟件確定簡(jiǎn)易模型，貼圖處理后采用OpenGL工具進(jìn)行后期處理，對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行渲染后完成三維仿真平臺(tái)構(gòu)建。本項(xiàng)目隧道三維仿真模型建設(shè)的對(duì)象主要包括隧道主體、路面、車行橫洞、人行橫道、變電室、通風(fēng)設(shè)備、照明設(shè)備、緊急停車帶等設(shè)施。隧道燈具、攝像頭、通風(fēng)設(shè)備模型如圖5所示。

4.2 場(chǎng)景漫游

場(chǎng)景漫游是隧道三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)中的一項(xiàng)基本功能，可通過操作鼠標(biāo)和鍵盤在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行漫游，了解隧道的結(jié)構(gòu)組成和布置情況。同時(shí)，也可通過鍵入命令進(jìn)行便攜操作，通過不同視角對(duì)隧洞仿真場(chǎng)景進(jìn)行瀏覽。另外，可以通過操作鼠標(biāo)調(diào)整視角，也可通過鍵盤方向鍵實(shí)現(xiàn)漫游前進(jìn)后退或視角轉(zhuǎn)換，以便于對(duì)隧道內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行全方位的觀察。隧道內(nèi)部漫游場(chǎng)景如圖6所示。

4.3 隧道監(jiān)控系統(tǒng)三維仿真實(shí)現(xiàn)

采用3DS MAX軟件完成隧道主體和監(jiān)控設(shè)施三維仿真模型建立后，導(dǎo)入三維仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型仿真，重現(xiàn)隧道三維仿真監(jiān)控場(chǎng)景重現(xiàn)。以iFIX組態(tài)軟件為載體，結(jié)合三維仿真平臺(tái)，與隧道現(xiàn)場(chǎng)PLC建立OPC通訊，實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的三維仿真。隧道三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)如圖7所示。隧道三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行后畫面清晰，系統(tǒng)狀態(tài)良好，監(jiān)控效果明顯提高。

5 結(jié)語

為了保證高速公路隧道的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)的基本情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和三維仿真成像的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的交通、通風(fēng)、照明、火災(zāi)報(bào)警四大控制模塊設(shè)計(jì)流程進(jìn)行闡述，并對(duì)模塊功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行重點(diǎn)說明。

（2）結(jié)合下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用三維可視化技術(shù)，結(jié)合iFIX組態(tài)軟件，對(duì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

（3）采用3DS MAX軟件對(duì)隧道主體和監(jiān)控設(shè)施建立三維模型，導(dǎo)入三維仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模型仿真，以iFIX組態(tài)軟件為載體，結(jié)合三維仿真平臺(tái)，與隧道現(xiàn)場(chǎng)PLC建立OPC通訊，實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)控系統(tǒng)的三維仿真，且監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行后畫面清晰，系統(tǒng)狀態(tài)良好，監(jiān)控效果明顯提高。

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