橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

向 陽(yáng)，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(xùn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

向 陽(yáng)，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(guó)橋梁施工培訓(xùn)的現(xiàn)狀，提出將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工人員培訓(xùn)。研究和設(shè)計(jì)橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和特點(diǎn)，并且闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)路線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能對(duì)橋梁現(xiàn)場(chǎng)的施工操作和安全事故過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，使培訓(xùn)不受天氣等惡劣環(huán)境的影響。縮短培訓(xùn)時(shí)間。節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用。橋梁施工操作人員通過(guò)在該仿真培訓(xùn)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(yàn)，對(duì)保證橋梁施工的安全具有重要意義。

橋梁；三維仿真；培訓(xùn)

隨著我國(guó)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(jì)損失，嚴(yán)重地威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，帶來(lái)惡劣的社會(huì)影響。在橋梁施工建設(shè)過(guò)程中，由于橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工人員存在著安全生產(chǎn)意識(shí)薄弱、施工專業(yè)技術(shù)缺乏及工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足等問(wèn)題，人為因素而導(dǎo)致的橋梁施工事故頻發(fā)。目前，國(guó)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(xué)培訓(xùn)是通過(guò)文字和圖片進(jìn)行講解，學(xué)員的操作實(shí)踐機(jī)會(huì)較少，從而導(dǎo)致培訓(xùn)效果不理想，施工技能提高緩慢。橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工涉及高空作業(yè)、大型機(jī)械設(shè)備的駕駛操作等，不僅危險(xiǎn)性較大、而且容易受到自然天氣和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件的限制。因此，如何克服傳統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)的缺點(diǎn)，提高橋梁施工培訓(xùn)的效率，是亟待解決的問(wèn)題。

基于以上考慮，針對(duì)橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工人員這一特殊人群，設(shè)計(jì)了面向橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工人員的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，建立一個(gè)仿真模擬平臺(tái)，一個(gè)虛擬環(huán)境，讓受訓(xùn)人員產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)橋梁施工三維仿真模擬培訓(xùn)，達(dá)到減少安全事故發(fā)生，提升現(xiàn)場(chǎng)橋梁施工人員的技術(shù)操作水平，提高培訓(xùn)效率的目的。基于三維仿真的橋梁施工培訓(xùn)系統(tǒng)可以模擬橋梁現(xiàn)場(chǎng)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(xùn)成本，提高了培訓(xùn)效率。本系統(tǒng)在Windows 平臺(tái)上，采用三維仿真引擎進(jìn)行開發(fā)，通過(guò)三維仿真技術(shù)，三維建模技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等開發(fā)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于橋梁施工的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)[1]。

1 橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)概況

橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)包括鍵盤鼠標(biāo)輸入設(shè)備，三維仿真引擎子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)和專家評(píng)估報(bào)警子系統(tǒng)。其中，三維仿真引擎為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，用戶通過(guò)鍵盤鼠標(biāo)的輸入控制進(jìn)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(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，專家評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)用戶的操作等進(jìn)行專家評(píng)估打分以及智能報(bào)警。橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要用于橋梁施工培訓(xùn)者的施工教學(xué)安全培訓(xùn)等[2]，學(xué)員通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁三維場(chǎng)景中實(shí)物的操作控制，達(dá)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(xùn)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(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)建立一個(gè)模擬環(huán)境，構(gòu)造一個(gè)具有視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等多種感知的具有真實(shí)環(huán)境的培訓(xùn)系統(tǒng)。將三維仿真技術(shù)運(yùn)用于橋梁施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景漫游、同虛擬環(huán)境中的物體相互作用實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等，解決機(jī)械硬件設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地和天氣環(huán)境等的限制。通過(guò)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(hù)等多種施工工序，使用戶身臨其境。三維仿真引擎通過(guò)用戶的錯(cuò)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(chǎng)真實(shí)環(huán)境帶來(lái)的危險(xiǎn)。

2.1 三維場(chǎng)景建模

三維虛擬場(chǎng)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(chǎng)獲取的實(shí)物模型數(shù)據(jù)完成橋梁實(shí)物模型建模，將實(shí)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(duì)橋梁三維場(chǎng)景中的三維模型進(jìn)行紋理貼圖，達(dá)到三維逼真效果，并通過(guò)減少模型面數(shù)等優(yōu)化技術(shù)對(duì)橋梁虛擬場(chǎng)景的模型進(jìn)行內(nèi)存開銷方面的優(yōu)化，提高整個(gè)橋梁三維仿真系統(tǒng)的運(yùn)行速度；（3）用三維引擎的外部引用功能把各個(gè)實(shí)物模型加入到橋梁三維場(chǎng)景中。具體操作流程如圖2所示。

圖2 三維場(chǎng)景建模流程圖

2.2 三維場(chǎng)景漫游功能

在橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中用戶通過(guò)計(jì)算鍵盤的W、S、 A、D按鍵控制人物的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)用戶在橋梁三維虛擬場(chǎng)景中的漫游功能。系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的鍵盤和鼠標(biāo)事件，實(shí)現(xiàn)了用戶與虛擬場(chǎng)景中物體的動(dòng)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(kù)中，Time.deltaTime是常量，表示時(shí)間間隔，橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)每隔Time.deltaTime時(shí)間就會(huì)刷新一次。RotationSpeed表示物體的旋轉(zhuǎn)角度。通過(guò)transform.Translate()函數(shù)和transform.Rotate()函數(shù)可以分別用來(lái)控制人物在橋梁三維場(chǎng)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(dòng)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(guò)鍵盤的W鍵實(shí)現(xiàn)人物的前進(jìn)功能，具體功能代碼如下：

以上兩段功能代碼實(shí)現(xiàn)了人物在橋梁施工三維場(chǎng)景中的空間位置移動(dòng)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(dòng)作，只有播放人物模型相應(yīng)的行走動(dòng)作才可以使人物真正的運(yùn)動(dòng)起來(lái)，達(dá)到人物行走的三維仿真效果。通過(guò)三維引擎unity3d函數(shù)庫(kù)提供的animation.Play()函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人物模型動(dòng)畫的調(diào)用，橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中人物模型的行走動(dòng)畫命名為go，在人物模型漫游的移動(dòng)、轉(zhuǎn)身代碼中添加animation.Play(“go”)方法實(shí)現(xiàn)人物的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)身等動(dòng)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(cè)功能

三維碰撞檢測(cè)是unity3d三維仿真引擎的核心功能之一，在橋梁施工三維場(chǎng)景中，橋梁施工人員三維模型是不能穿透其他實(shí)體物體模型的，需要對(duì)三維人物模型以及其他相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，否則模型之間會(huì)發(fā)生穿透現(xiàn)象。但是橋梁施工三維場(chǎng)景中的模型大多是不規(guī)則的模型，倘若對(duì)不規(guī)則三維模型的每一個(gè)坐標(biāo)都進(jìn)行碰撞檢測(cè)計(jì)算，不僅計(jì)算工作量較大，而且需要花費(fèi)較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，不符合三維系統(tǒng)的實(shí)際功能需求[4～7]。

unity3d三維仿真引擎采用包圍盒碰撞檢測(cè)算法，主要通過(guò)矩形盒碰撞檢測(cè)（BoxCollider）和膠囊碰撞檢測(cè)（CapsuleCollider）包圍盒進(jìn)行碰撞檢測(cè)，如圖4所示。不同的三維模型碰撞檢測(cè)部分可采用相應(yīng)的包圍盒算法進(jìn)行碰撞檢測(cè)，這樣可以避免不規(guī)則模型的大量坐標(biāo)計(jì)算，通過(guò)包圍盒的簡(jiǎn)單計(jì)算便可檢測(cè)出是否發(fā)生碰撞。通過(guò)包圍盒碰撞檢測(cè)算法可以大幅度提高不規(guī)則物體的碰撞檢測(cè)時(shí)間，提高系統(tǒng)的運(yùn)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(xùn)系統(tǒng)采用第一人稱主視角的方式進(jìn)行橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)漫游，用戶通過(guò)逼真的三維仿真漫游功能，在橋梁施工場(chǎng)地進(jìn)行漫游行走，身臨其境。為了避免人物穿墻而過(guò)等碰撞問(wèn)題，本系統(tǒng)利用膠囊包圍盒，通過(guò)計(jì)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(shí)現(xiàn)人物模型的碰撞檢測(cè)。避免施工人員人物穿透三維場(chǎng)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(píng)估報(bào)警系統(tǒng)

專家評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)主要包括統(tǒng)計(jì)評(píng)分和智能報(bào)警兩個(gè)功能。系統(tǒng)可以根據(jù)培訓(xùn)人員的施工操作進(jìn)行專家評(píng)估打分，計(jì)算出培訓(xùn)人員最終的操作成績(jī)。當(dāng)培訓(xùn)人員在操作過(guò)程中出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，會(huì)引起安全事故時(shí)，系統(tǒng)還可以進(jìn)行智能報(bào)警等[15]。

3.1 統(tǒng)計(jì)評(píng)分功能

系統(tǒng)管理員可先將橋梁施工操作手冊(cè)中橋梁施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的操作過(guò)程錄入到專家系統(tǒng)中，將需要考核評(píng)分的橋梁施工操作步驟設(shè)置相應(yīng)的分?jǐn)?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(jì)中有一點(diǎn)需要考慮：橋梁施工操作步驟的強(qiáng)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(huì)引起操作安全事故等。專家系統(tǒng)將橋梁工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和橋梁施工受訓(xùn)人員的相關(guān)三維施工操作值進(jìn)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(xùn)人員操作值，StandardValue為相應(yīng)的操作標(biāo)準(zhǔn)值，StepValue為相應(yīng)步驟的滿分值，Calculate函數(shù)根據(jù)操作值和標(biāo)準(zhǔn)值的差值計(jì)算出相應(yīng)的操作步驟分。

3.2 智能報(bào)警功能

在橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，學(xué)員由于操作失誤等，導(dǎo)致某些施工操作數(shù)值超過(guò)報(bào)警界線，專家系統(tǒng)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)錄入的報(bào)警越界值進(jìn)行判定，當(dāng)超過(guò)報(bào)警界線時(shí)系統(tǒng)給出相應(yīng)的報(bào)警。

專家評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)可以根據(jù)整個(gè)三維仿真系統(tǒng)的不斷完善和改進(jìn)，不斷的充實(shí)和添加評(píng)估報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，可以同時(shí)運(yùn)行多套評(píng)估報(bào)警體系，并對(duì)多個(gè)評(píng)估報(bào)警體系進(jìn)行算數(shù)平均，使得評(píng)估報(bào)警更加準(zhǔn)確和完善。

4 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)件

數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心部分，系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊通過(guò)調(diào)用核心數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)使其正常運(yùn)行。由于橋梁施工三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較小，為了保證系統(tǒng)的流暢以及運(yùn)行效率，采用mysql輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，既滿足系統(tǒng)的功能需求同時(shí)，也能保證整個(gè)三維系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

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

圖6 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)庫(kù)及其關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于三維仿真的橋梁施工培訓(xùn)系統(tǒng)，研究了三維虛擬場(chǎng)景建模過(guò)程中的場(chǎng)景建模，橋梁建模，環(huán)境建模等，實(shí)現(xiàn)了橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景制作以及在虛擬場(chǎng)景中的漫游功能，使培訓(xùn)者能夠熟悉虛擬培訓(xùn)場(chǎng)景[16]，增加學(xué)員培訓(xùn)時(shí)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(tái)，可以實(shí)時(shí)模擬各種場(chǎng)景、天氣以及其后的變化，滿足培訓(xùn)學(xué)員適應(yīng)多變環(huán)境的需求，降低各種費(fèi)用和人為、天氣因素影響，對(duì)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(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。雖然該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電腦PC端的三維仿真模擬培訓(xùn)，但對(duì)于手機(jī)平板等移動(dòng)端的開發(fā)還有待進(jìn)一步研究。

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責(zé)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(yǔ)

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

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責(zé)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(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)綜合試點(diǎn)項(xiàng)目（2011-dhfwy-029）。

向 陽(yáng)，助理工程師；舒 昕，助理工程師。