橋梁健康監(jiān)測三維軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫天宇

摘要 近年來隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對于基礎(chǔ)建設(shè)方面的投入大大增加，建成了多座極具挑戰(zhàn)的世紀(jì)工程，同時(shí)橋梁健康監(jiān)測軟件及系統(tǒng)也不斷完善和優(yōu)化，橋梁健康監(jiān)測的智能化和實(shí)用性大大改善了原有人工監(jiān)測手段的不足。文章基于實(shí)際工程對于橋梁三維可視化監(jiān)測的需求，實(shí)現(xiàn)橋梁實(shí)時(shí)安全監(jiān)測軟件的建立。構(gòu)成完整的軟件監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與橋梁監(jiān)測系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)工作。該類健康監(jiān)測軟件的構(gòu)想及實(shí)現(xiàn)可推動(dòng)橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞 橋梁工程;健康監(jiān)測;三維軟件;數(shù)據(jù)庫分析

中圖分類號 TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0007-03

0 引言

隨著各個(gè)學(xué)科的不斷發(fā)展及相互交融，計(jì)算機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了土木工程的革新變化[1]。橋梁工程的智能化、信息化逐漸成為今后的發(fā)展趨勢。橋梁的健康監(jiān)測是對橋梁建設(shè)過程以及使用運(yùn)營過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)或者定期的監(jiān)測，以此排除橋梁潛在的危險(xiǎn)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、盡早處理的目的，保證橋梁在服役期間能夠安全使用[2-3]。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，改善了以往老舊、費(fèi)時(shí)的健康監(jiān)測手段，各類傳感系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在橋梁的內(nèi)部，在對橋梁進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，即可獲取橋梁的各類評估數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析，最終通過軟件呈現(xiàn)的方式三維展示出來，并對橋梁各部分進(jìn)行可視化分析，以此實(shí)現(xiàn)橋梁整體結(jié)構(gòu)的監(jiān)測[4-5]。這種智能化監(jiān)測手段可以方便對橋梁的監(jiān)測，以真實(shí)性、直觀性、方便性給工程師們帶來全新的體驗(yàn)。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 HOOPS/3dAF技術(shù)

HOOPS/3dAF技術(shù)是當(dāng)今最高端的圖像呈現(xiàn)技術(shù)，可為用戶提供高級的二維及三維圖像處理功能，以及圖像構(gòu)架和圖像可視化功能，是一個(gè)可擴(kuò)展的、開放性的平臺，該平臺可以提供滿足用戶各種需求的接口，以滿足用戶需求。

HOOPS/3dAF技術(shù)是一個(gè)完整的體系，由以下幾部分組成：

1.1.1 HOOPS3D

HOOPS 3D是面向?qū)ο蟮腁PI，可以為軟件開發(fā)人員提供更全面的開發(fā)平臺，該 API實(shí)現(xiàn)與最新的結(jié)構(gòu)算法之間的融合，并實(shí)時(shí)更新其內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了三維圖像的繪制、編輯、優(yōu)化等操作。

1.1.2 HOOPS Model/View/Operator（簡稱MVO）

HOOPS/MVO是C語言對象集合，在這個(gè)集合中MCAD應(yīng)用中的大部分功能均可以實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建模型的同時(shí)，也能通過使用相應(yīng)的工具對模型進(jìn)行處理改進(jìn)。

1.1.3 HOOPS/Stream

HOOPS/Stream 也包含了許多獨(dú)立于GUI的平臺，這些平臺都具有可操作性，方便用戶進(jìn)行操作，應(yīng)用程序如果與這些平臺相關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件在本地網(wǎng)絡(luò)中的處理。數(shù)據(jù)文件可以是二維和三維數(shù)據(jù)，也可以是用戶為了實(shí)現(xiàn)某些目的自定義數(shù)據(jù)。

1.1.4 HOOPS/GUI

HOOPS/GUI的圖形用戶界面可以實(shí)現(xiàn)和各種GUI 開發(fā)包接口進(jìn)行連接。

1.1.5 HOOPS/GMB

可以連接各種不同的幾何模型，省去了操作人員對于圖形外部傳輸接口的需求。

1.2 HOOPS/MVO

HOOPS通常采用MVO模式實(shí)現(xiàn)了在MFC上的操作，MVO模式是一種常用的操作模式，可以實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮牟僮?，具有一個(gè)基礎(chǔ)的操作平臺，即HOOPS。一組具有層次化的類構(gòu)成了HOOPS/MVO的整體框架，用戶實(shí)現(xiàn)對于模型的操作必須通過相應(yīng)的接口，并實(shí)現(xiàn)在HOOPS平臺上創(chuàng)建、控制、編輯、查詢信息。

軟件體系的構(gòu)成可以被該模式分割成三個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）Model，表示3D可視化模型。

（2）View，表示模型可以呈現(xiàn)的各個(gè)角度的視圖。

（3）Operator，可以實(shí)現(xiàn)模型的可操作性。

2 3D圖形引擎設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，三維建模軟件在模型建成之后會生成模型文件，生成的模型文件儲存為SAT文件格式。由于打開SAT文件時(shí)存在計(jì)算機(jī)加載速率低等問題，為了提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行文件的效率，可以改變格式的類型，將SAT文件轉(zhuǎn)換為HSF文件，從而實(shí)現(xiàn)文件的快速運(yùn)行。

2.1 模型文件的建立

在橋梁模型的建立過程中，橋梁模型中的每一個(gè)構(gòu)件，包括橋梁的橋柱、橋的梁板、橋的欄桿等都用實(shí)體ENTITY表示出來。在ACIS中，其模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能都是通過實(shí)體ENTITY表現(xiàn)出來的，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取、查詢以及備份、通信等功能。為了讓橋梁上的每一個(gè)部件的身份都能被系統(tǒng)識別出來，在橋梁建模時(shí)，給橋梁的每一個(gè)部件都賦予相應(yīng)的身份號碼，用此號碼來標(biāo)識橋梁部件的各部分的名稱。屬性即Attribute，作用是賦予部件相應(yīng)的信息，對于建模時(shí)所構(gòu)建實(shí)體ENTITY，只是將模型的部件構(gòu)建出來，并不能表現(xiàn)出來各個(gè)部件的對應(yīng)的信息，所以需要通過Attribute將部件的各部分屬性表現(xiàn)出來。屬性可以通過簡單的數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)，也可以是與應(yīng)用程序相關(guān)的長數(shù)據(jù)形式進(jìn)行表現(xiàn)。在系統(tǒng)中，為每一個(gè)實(shí)體都定義了兩個(gè)自定義的屬性，分別用來保存實(shí)體的標(biāo)識ID和名稱，如表1所示。

2.2 SAT文轉(zhuǎn)換為HSF文件

將SAT文件轉(zhuǎn)換為HSF文件，并不是單純地將文件名稱轉(zhuǎn)變一下，文件轉(zhuǎn)換之后，加載過程中，會自動(dòng)忽略SAT文件，選擇加載HSF文件，而不會加載SAT文件，所以為了實(shí)現(xiàn)文件的無差別轉(zhuǎn)化，自定義的屬性也必須跟隨文件轉(zhuǎn)化的同時(shí)轉(zhuǎn)化到HSF文件中。在HOOPS中，圖形數(shù)據(jù)被保存在“段（segment）”的對象中，每一個(gè)屬性都對應(yīng)到相應(yīng)的segment，用戶自行定義的東西也囊括在內(nèi)，因此，只要將SAT文件中每一個(gè)實(shí)體的所有信息都保存到HOOPS中與之相對應(yīng)的segment中，然后再把所有這些segment全部存儲到一個(gè)HSF文件上，轉(zhuǎn)換就完成了。

2.3 模型文件加載

程序啟動(dòng)時(shí)，跳過加載SAT文件，轉(zhuǎn)向加載HSF文件，首先要將橋梁模型的整體呈現(xiàn)出來，同時(shí)讀取屬性，將系統(tǒng)程序和橋梁的各部分的部件建立聯(lián)系，同時(shí)要管理好segment中的每一個(gè)信息，模型加載后的界面形式如圖1所示。

2.4 橋梁模型顯示

HOOPS平臺包括核心處理系統(tǒng)HOOPS/3DGS、操作器HOOPS/MVO系統(tǒng)以及基于不同操作系統(tǒng)的GUI集成交互處理系統(tǒng)，構(gòu)成了顯示處理的一套體系，此處建模的坐標(biāo)系統(tǒng)由HOOPS/3DGS提供。HOOPS 3D圖形系統(tǒng)是一個(gè)開放式的工作窗口，開發(fā)人員可以在其基礎(chǔ)上建立其他形式的圖形應(yīng)用系統(tǒng)，它在本質(zhì)上屬于高效開發(fā)工具。

HOOPS/3DGS在工作時(shí)，Camera和Projection Window相互配合，建完模型之后即可進(jìn)行視圖的處理。Camera獲取的內(nèi)容被投射到HOOS/3DGS上，可以在窗口上顯示出來，而該窗口會與segment上的實(shí)例聯(lián)系起來，連接打印設(shè)備即可將視圖打印。HOOPS/3dDGS的工作原理類似相機(jī)，可以將場景里的所有視圖“拍攝”出來。相機(jī)構(gòu)成要素：相機(jī)定位、目標(biāo)對象、正方向的規(guī)定，視圖窗口。在三維世界中定義相機(jī)的投影模式。HOOPS/3DGS的照相機(jī)理和現(xiàn)實(shí)中的相機(jī)的工作原理類似，可以實(shí)現(xiàn)鏡頭的平移和旋轉(zhuǎn)，滿足不同視角的拍攝需求。

2.5 相機(jī)的工作機(jī)理

相機(jī)拍攝系統(tǒng)由目標(biāo)位置點(diǎn)、正方向、視圖界面以及投影組成，相機(jī)的工作原理如圖2所示。

圖中各個(gè)要素的含義：

（1）position：相機(jī)的位置在整個(gè)視圖界面中對應(yīng)的就是一個(gè)點(diǎn)，簡單來講這個(gè)點(diǎn)就相當(dāng)于實(shí)際相機(jī)拍攝時(shí)，相機(jī)鏡頭所在的位置，一般出現(xiàn)在目標(biāo)物體的旁邊。

（2）target point：目標(biāo)點(diǎn)指的是坐標(biāo)系中相機(jī)所要捕捉的點(diǎn)，通常該點(diǎn)位于物體的幾何中心處，并且與相機(jī)的位置之間保持一定的距離。

（3）field（相機(jī)的投影場）。相機(jī)的投影場通常包括field height和field width，這兩個(gè)參數(shù)定義了場視角的區(qū)域。投影范圍不同，相機(jī)與目標(biāo)的距離不同，所選擇的相機(jī)的高度也是不同的。如果相機(jī)的位置和target的位置是固定不變的，投影場大小的改變只會改變影響鏡頭的大小。

3 橋梁模型的變形分析

橋梁位移變形可根據(jù)布置在部件各個(gè)位置上的位移傳感器對比變形前后的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)計(jì)算分析，可以計(jì)算出各個(gè)部位的變形情況，計(jì)算結(jié)束后的變形云圖可以以可視化的方式呈現(xiàn)出來，通過變形前后三維圖像的對比，進(jìn)行橋梁受力分析。橋梁受力會在不同部位發(fā)生不同程度的變形，其變形量相對于整個(gè)橋梁的尺寸影響微乎其微，因此可視化展現(xiàn)出來的變形后的模型是很難進(jìn)行分析的，因此需要將變形的微小尺寸進(jìn)行放大，通常軟件中可以設(shè)定不同的變形放大系數(shù)，以滿足不同觀測尺度的需求，橋梁變形后并且放大合理的倍數(shù)所得到的模型圖如圖3所示。

3.1 應(yīng)變分析方法

橋梁受力發(fā)生應(yīng)變，隨著加載時(shí)程的不同，截面監(jiān)測值的獲取的值也會不同。軟件會呈現(xiàn)出整個(gè)橋梁受力后的三維變形云圖，并且對于不同位置受力不同，呈現(xiàn)出來的顏色也是有區(qū)別的，用以區(qū)分各個(gè)部位的不同的變形情況，各個(gè)顏色對應(yīng)的數(shù)值譜有利于橋梁結(jié)構(gòu)變形的對比分析。用戶可以根據(jù)不同觀察時(shí)段獲取對應(yīng)時(shí)段的相應(yīng)的信息，具體的分析方法及流程如圖4所示。

3.2 應(yīng)變對比圖分析

根據(jù)模型上不同部位各傳感器獲取的監(jiān)測值，計(jì)算得到的數(shù)值對應(yīng)存儲到相應(yīng)位置的mash點(diǎn)上，然后以不同顏色表達(dá)不同的值，渲染出整座橋梁的可視化三維圖形，如圖5所示。

4 結(jié)論

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，可以利用HOOPS平臺實(shí)現(xiàn)建模及分析的系統(tǒng)化操作，體現(xiàn)了三維軟件在橋梁監(jiān)測領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值。軟件對于橋梁的健康的發(fā)展還會伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，相關(guān)的橋梁變形算法和監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方法也將有所突破。就目前監(jiān)測所取得的進(jìn)步的成果，可以斷定此類健康監(jiān)測軟件的構(gòu)想及實(shí)現(xiàn)可進(jìn)一步推動(dòng)橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展。

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