公路隧道三維仿真監控系統設計與仿真成像實現分析

闕斐一

摘要：公路隧道三維仿真監控系統與二維監控系統相比，大大提高了空間展示能力，也加強了各個子系統之間的聯系。文章通過對下位機控制系統、上位機監控系統和三維仿真成像的實現進行系統闡述，借助相關軟件進行隧道主體結構和監控設備三維建模和仿真分析，運行結果說明三維監控系統可明顯提高監控效果。

關鍵詞：公路隧道;三維仿真;監控系統;下機位控制系統;上機位監控系統

0 引言

為了保證高速公路長大公路隧道車輛運行安全，采用監控系統實時監控隧道內部的基本情況，疏導交通，預防交通事故。隧道監控系統在國外發達國家起步較早，美國、日本和歐洲發達國家的隧道監控系統發展已比較完善。美國將自動控制網絡技術應用到隧道安全監控中，德國采用現場總線技術，日本采用環網控制技術，都可對隧道內基本情況進行實時準確的監控。我國隧道監控系統研究起步較晚，相較其他發達國家還有較大差距。

虛擬現實技術誕生于美國，我國近年來也開展了大量研究，如北京航空航天大學、浙江大學、哈爾濱工業大學相關學者先后開展研究，有力推動這項技術向世界先進水平發展。近年來，隨著虛擬現實技術的發展，三維圖像成像技術被應用到隧道監控中，并得到了廣泛的應用。借助圖形處理軟件，對隧道內部的結構物進行三維建模，提高圖像的現實感，提高隧道運行管理效率，保證運營安全。文章結合特長隧道監控系統開發與實現，結合三維建模技術對監控系統下位機、上位機控制系統設計與三維仿真成像的實現進行分析，全面闡述三維仿真監控系統的應用。

1 三維仿真監控系統總體設計方案

為了提高隧道監控系統可視化程度，采用三維建模的方式，構建三維仿真監控系統，生動直觀地顯示隧道的整體運行狀態。通過三維仿真監控系統，將隧道監控系統各個子系統的監控畫面集成到三維場景中，大大提高了空間展示能力，也加強了各個子系統之間的聯系。同時，借助漫游功能，監控中心的管理人員可以進行實時監控，有效提高監控效果。

本項目采用3DS MAX軟件進行隧道主體結構和監控設備的三維建模，并導出STL格式模型數據。仿真平臺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據導入，進行隧道內部構造物三維場景的仿真。三維模型仿真平臺是利用iFIX組態軟件中的VB編輯環境，結合OpenGL工具構建仿真平臺，從而實現iFIX組態軟件與三維仿真平臺的良好結合，形成隧道三維監控系統。

2 下位機控制系統設計

2.1 交通控制模塊設計

交通控制模塊可以根據現場采集的數據，分析隧道內部的交通情況，有針對性地采取有效措施進行應對，保證隧道內部交通正常運行。交通控制模塊設計流程如圖1所示。

2.2 通風控制模塊設計

隧道監控系統通風控制模塊可以保證隧道通風設備的正常運行，對隧道內的有害氣體濃度進行檢測，并在發生緊急狀況時進行報警。監控系統開始運行時對隧道內部的監測探頭（CO、VI、WS）進行檢測，判斷探頭是否存在故障。同時對隧道內部射流風機、主風機與風門的工作狀態進行檢測，查看是否存在過載、緊急停機、控制命令失誤等故障。通過分析隧道通風系統探頭、風機等設備的檢測數據，設定閥值參數，根據需求選用自動、手動或應急狀態控制模式。通風控制模塊設計流程如圖2所示。

2.3 照明控制模塊設計

隧道監控系統照明控制模塊的主要功能是根據隧道內部采集回來的光強、車速、Ⅵ等數據，確定隧道照明的控制方案。根據隧道內部的照明情況，分析照明需求，調整各類照明燈具。系統能夠對照明設備的工作狀態進行自動檢測，發現故障后及時報警，通知維修人員及時維修或更換照明設備。根據照明需求，照明控制模塊分為手動模式和定時控制模式。

2.3.1 手動模式

照明控制模塊手動模式下，監控中心系統管理人員可以通過上位機控制系統調整設備工作參數，對照明設備進行遠程控制，也可以根據隧道內部照明需求，確定開啟和關閉照明設備的位置和數量。

2.3.2 定時模式

照明控制模塊定時模式是采用分時段控制的方式，結合自然光源的照明情況，將一整天分為四個時段，設置照明設備開啟時間間隔和開啟時間。在定時模式下，隧道照明設備可按照系統設置的時間或時間間隔自動開啟。雖然這種模式的自動化程度不高，但可以結合隧道內部的照明情況隨時進行調整，操作方便。

2.4 火災報警模塊設計

隧道是一個相對封閉的空間，如果發生火災，煙霧蔓延容易造成嚴重的人員傷亡和財產損失。火災報警模塊是通過在隧道內部設置火災探測器，收集信息反饋到監控中心，分析確定隧道內部火災的發生地點，實施火災報警。根據火災處治方案，系統控制防火卷簾門、消防水泵，配合消防人員撲滅火災。同時，系統控制通風模塊、廣播、照明和交通控制系統聯動，配合進行火災處理。

3 上位機監控系統設計

上位機監控系統設計需要結合下機位監控系統進行總體設計，根據系統需求，采用三維可視化技術，結合iFIX組態軟件進行系統總體設計。上位機監控系統設計方案如下：（1）采用三維可視化技術對隧道內部場景進行三維仿真模型設計，建模后在VB編輯環境下進行場景模擬，實現隧道內部場景的三維仿真;（2）iFIX組態軟件的主要作用是設定系統參數、在系統運行過程中貯存實時監測數據、報表查詢和打印、數據變化趨勢顯示、應急情況報警記錄和安全登陸等。隧道三維仿真系統組織結構如圖3所示。

4 三維仿真成像的實現

4.1 三維建模

三維建模流程主要分成三個步驟：（1）通過調用隧道設計圖紙，實地調查確定隧道基本圖像資料，掌握隧道建模的基本資料;（2）將收集的數據進行整理分類，輸入到3DS MAX軟件中，得出隧道基本輪廓，開始三維建模;（3）優化三維模型，在建立后的三維模型中進行貼圖分析和處理，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軟件確定簡易模型，貼圖處理后采用OpenGL工具進行后期處理，對三維場景進行渲染后完成三維仿真平臺構建。本項目隧道三維仿真模型建設的對象主要包括隧道主體、路面、車行橫洞、人行橫道、變電室、通風設備、照明設備、緊急停車帶等設施。隧道燈具、攝像頭、通風設備模型如圖5所示。

4.2 場景漫游

場景漫游是隧道三維仿真監控系統中的一項基本功能，可通過操作鼠標和鍵盤在虛擬場景中進行漫游，了解隧道的結構組成和布置情況。同時，也可通過鍵入命令進行便攜操作，通過不同視角對隧洞仿真場景進行瀏覽。另外，可以通過操作鼠標調整視角，也可通過鍵盤方向鍵實現漫游前進后退或視角轉換，以便于對隧道內部構造進行全方位的觀察。隧道內部漫游場景如圖6所示。

4.3 隧道監控系統三維仿真實現

采用3DS MAX軟件完成隧道主體和監控設施三維仿真模型建立后，導入三維仿真平臺實現模型仿真，重現隧道三維仿真監控場景重現。以iFIX組態軟件為載體，結合三維仿真平臺，與隧道現場PLC建立OPC通訊，實現隧道監控系統的三維仿真。隧道三維仿真監控系統仿真實現如圖7所示。隧道三維仿真監控系統運行后畫面清晰，系統狀態良好，監控效果明顯提高。

5 結語

為了保證高速公路隧道的安全運行，設計采用三維仿真監控系統對隧道內的基本情況進行實時監測，對下位機控制系統、上位機軟件設計和三維仿真成像的實現技術進行研究，得出以下結論：

（1）對下位機系統的交通、通風、照明、火災報警四大控制模塊設計流程進行闡述，并對模塊功能實現進行重點說明。

（2）結合下位機系統設計，采用三維可視化技術，結合iFIX組態軟件，對上位機監控系統進行總體設計。

（3）采用3DS MAX軟件對隧道主體和監控設施建立三維模型，導入三維仿真平臺實現模型仿真，以iFIX組態軟件為載體，結合三維仿真平臺，與隧道現場PLC建立OPC通訊，實現隧道監控系統的三維仿真，且監控系統運行后畫面清晰，系統狀態良好，監控效果明顯提高。

參考文獻：

[1]馮海玲.高速公路隧道監控系統設計與實現[J].科技視界，2019（19）：196-197.

[2]劉育圣.高速公路隧道監控系統設計與實現[J].華東公路，2016（1）：48-50.

[3]黃鵬程.高速公路隧道監控系統應用軟件的設計與實現[J].交通建設與管理，2014（14）：294-296.

[4]任拴哲，孟引鵬，馮 慧.高速公路隧道監控系統設計與實現分析[J].電聲技術，2018（5）：50-51，65.

[5]趙向南.基于PLC的高速公路隧道監控系統的設計與實現[J].山西電子技術，2016（4）：28-30.