公路隧道三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)設計與仿真成像實現(xiàn)分析

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，也加強了各個子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。文章通過對下位機控制系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)和三維仿真成像的實現(xiàn)進行系統(tǒng)闡述，借助相關軟件進行隧道主體結構和監(jiān)控設備三維建模和仿真分析，運行結果說明三維監(jiān)控系統(tǒng)可明顯提高監(jiān)控效果。

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

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(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控隧道內(nèi)部的基本情況，疏導交通，預防交通事故。隧道監(jiān)控系統(tǒng)在國外發(fā)達國家起步較早，美國、日本和歐洲發(fā)達國家的隧道監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展已比較完善。美國將自動控制網(wǎng)絡技術應用到隧道安全監(jiān)控中，德國采用現(xiàn)場總線技術，日本采用環(huán)網(wǎng)控制技術，都可對隧道內(nèi)基本情況進行實時準確的監(jiān)控。我國隧道監(jiān)控系統(tǒng)研究起步較晚，相較其他發(fā)達國家還有較大差距。

虛擬現(xiàn)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(yè)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(fā)展。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，三維圖像成像技術被應用到隧道監(jiān)控中，并得到了廣泛的應用。借助圖形處理軟件，對隧道內(nèi)部的結構物進行三維建模，提高圖像的現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)，結合三維建模技術對監(jiān)控系統(tǒng)下位機、上位機控制系統(tǒng)設計與三維仿真成像的實現(xiàn)進行分析，全面闡述三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)的應用。

1 三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)總體設計方案

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，構建三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)，生動直觀地顯示隧道的整體運行狀態(tài)。通過三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)，將隧道監(jiān)控系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的監(jiān)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(tǒng)之間的聯(lián)系。同時，借助漫游功能，監(jiān)控中心的管理人員可以進行實時監(jiān)控，有效提高監(jiān)控效果。

本項目采用3DS MAX軟件進行隧道主體結構和監(jiān)控設備的三維建模，并導出STL格式模型數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)導入，進行隧道內(nèi)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(tài)軟件中的VB編輯環(huán)境，結合OpenGL工具構建仿真平臺，從而實現(xiàn)iFIX組態(tài)軟件與三維仿真平臺的良好結合，形成隧道三維監(jiān)控系統(tǒng)。

2 下位機控制系統(tǒng)設計

2.1 交通控制模塊設計

交通控制模塊可以根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，分析隧道內(nèi)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(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)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(nèi)的有害氣體濃度進行檢測，并在發(fā)生緊急狀況時進行報警。監(jiān)控系統(tǒng)開始運行時對隧道內(nèi)部的監(jiān)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(nèi)部射流風機、主風機與風門的工作狀態(tài)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(tǒng)探頭、風機等設備的檢測數(shù)據(jù)，設定閥值參數(shù)，根據(jù)需求選用自動、手動或應急狀態(tài)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(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、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備的工作狀態(tài)進行自動檢測，發(fā)現(xiàn)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(jù)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(jiān)控中心系統(tǒng)管理人員可以通過上位機控制系統(tǒng)調(diào)整設備工作參數(shù)，對照明設備進行遠程控制，也可以根據(jù)隧道內(nèi)部照明需求，確定開啟和關閉照明設備的位置和數(shù)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(tǒng)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(nèi)部的照明情況隨時進行調(diào)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(fā)生火災，煙霧蔓延容易造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。火災報警模塊是通過在隧道內(nèi)部設置火災探測器，收集信息反饋到監(jiān)控中心，分析確定隧道內(nèi)部火災的發(fā)生地點，實施火災報警。根據(jù)火災處治方案，系統(tǒng)控制防火卷簾門、消防水泵，配合消防人員撲滅火災。同時，系統(tǒng)控制通風模塊、廣播、照明和交通控制系統(tǒng)聯(lián)動，配合進行火災處理。

3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計需要結合下機位監(jiān)控系統(tǒng)進行總體設計，根據(jù)系統(tǒng)需求，采用三維可視化技術，結合iFIX組態(tài)軟件進行系統(tǒng)總體設計。上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計方案如下：（1）采用三維可視化技術對隧道內(nèi)部場景進行三維仿真模型設計，建模后在VB編輯環(huán)境下進行場景模擬，實現(xiàn)隧道內(nèi)部場景的三維仿真;（2）iFIX組態(tài)軟件的主要作用是設定系統(tǒng)參數(shù)、在系統(tǒng)運行過程中貯存實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、報表查詢和打印、數(shù)據(jù)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(tǒng)組織結構如圖3所示。

4 三維仿真成像的實現(xiàn)

4.1 三維建模

三維建模流程主要分成三個步驟：（1）通過調(diào)用隧道設計圖紙，實地調(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(jiān)控系統(tǒng)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(diào)整視角，也可通過鍵盤方向鍵實現(xiàn)漫游前進后退或視角轉(zhuǎn)換，以便于對隧道內(nèi)部構造進行全方位的觀察。隧道內(nèi)部漫游場景如圖6所示。

4.3 隧道監(jiān)控系統(tǒng)三維仿真實現(xiàn)

采用3DS MAX軟件完成隧道主體和監(jiān)控設施三維仿真模型建立后，導入三維仿真平臺實現(xiàn)模型仿真，重現(xiàn)隧道三維仿真監(jiān)控場景重現(xiàn)。以iFIX組態(tài)軟件為載體，結合三維仿真平臺，與隧道現(xiàn)場PLC建立OPC通訊，實現(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)仿真實現(xiàn)如圖7所示。隧道三維仿真監(jiān)控系統(tǒng)運行后畫面清晰，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(jiān)控系統(tǒng)對隧道內(nèi)的基本情況進行實時監(jiān)測，對下位機控制系統(tǒng)、上位機軟件設計和三維仿真成像的實現(xiàn)技術進行研究，得出以下結論：

（1）對下位機系統(tǒng)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(xiàn)進行重點說明。

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

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

參考文獻：

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

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

[3]黃鵬程.高速公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)應用軟件的設計與實現(xiàn)[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(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].山西電子技術，2016（4）：28-30.