橋梁健康監測三維軟件的設計與實現

溫天宇

摘要 近年來隨著經濟的不斷發展，對于基礎建設方面的投入大大增加，建成了多座極具挑戰的世紀工程，同時橋梁健康監測軟件及系統也不斷完善和優化，橋梁健康監測的智能化和實用性大大改善了原有人工監測手段的不足。文章基于實際工程對于橋梁三維可視化監測的需求，實現橋梁實時安全監測軟件的建立。構成完整的軟件監測系統，實現了計算機技術與橋梁監測系統相互協調工作。該類健康監測軟件的構想及實現可推動橋梁建設的不斷發展。

關鍵詞 橋梁工程;健康監測;三維軟件;數據庫分析

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

0 引言

隨著各個學科的不斷發展及相互交融，計算機的發展促進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展趨勢。橋梁的健康監測是對橋梁建設過程以及使用運營過程中進行實時或者定期的監測，以此排除橋梁潛在的危險，達到及時發現、盡早處理的目的，保證橋梁在服役期間能夠安全使用[2-3]。橋梁健康監測系統的出現，改善了以往老舊、費時的健康監測手段，各類傳感系統和相應的數據采集設備安裝在橋梁的內部，在對橋梁進行監測時，即可獲取橋梁的各類評估數據，并將數據傳輸到計算機中，進行數據的處理分析，最終通過軟件呈現的方式三維展示出來，并對橋梁各部分進行可視化分析，以此實現橋梁整體結構的監測[4-5]。這種智能化監測手段可以方便對橋梁的監測，以真實性、直觀性、方便性給工程師們帶來全新的體驗。

1 相關技術介紹

1.1 HOOPS/3dAF技術

HOOPS/3dAF技術是當今最高端的圖像呈現技術，可為用戶提供高級的二維及三維圖像處理功能，以及圖像構架和圖像可視化功能，是一個可擴展的、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技術是一個完整的體系，由以下幾部分組成：

1.1.1 HOOPS3D

HOOPS 3D是面向對象的API，可以為軟件開發人員提供更全面的開發平臺，該 API實現與最新的結構算法之間的融合，并實時更新其內部的數據庫，實現了三維圖像的繪制、編輯、優化等操作。

1.1.2 HOOPS Model/View/Operator（簡稱MVO）

HOOPS/MVO是C語言對象集合，在這個集合中MCAD應用中的大部分功能均可以實現，構建模型的同時，也能通過使用相應的工具對模型進行處理改進。

1.1.3 HOOPS/Stream

HOOPS/Stream 也包含了許多獨立于GUI的平臺，這些平臺都具有可操作性，方便用戶進行操作，應用程序如果與這些平臺相關聯，可以實現數據文件在本地網絡中的處理。數據文件可以是二維和三維數據，也可以是用戶為了實現某些目的自定義數據。

1.1.4 HOOPS/GUI

HOOPS/GUI的圖形用戶界面可以實現和各種GUI 開發包接口進行連接。

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模式實現了在MFC上的操作，MVO模式是一種常用的操作模式，可以實現面向對象的操作，具有一個基礎的操作平臺，即HOOPS。一組具有層次化的類構成了HOOPS/MVO的整體框架，用戶實現對于模型的操作必須通過相應的接口，并實現在HOOPS平臺上創建、控制、編輯、查詢信息。

軟件體系的構成可以被該模式分割成三個方面的內容：

（1）Model，表示3D可視化模型。

（2）View，表示模型可以呈現的各個角度的視圖。

（3）Operator，可以實現模型的可操作性。

2 3D圖形引擎設計

在該系統中，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文件時存在計算機加載速率低等問題，為了提高計算機運行文件的效率，可以改變格式的類型，將SAT文件轉換為HSF文件，從而實現文件的快速運行。

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構件，包括橋梁的橋柱、橋的梁板、橋的欄桿等都用實體ENTITY表示出來。在ACIS中，其模型數據結構和功能都是通過實體ENTITY表現出來的，可以實現數據的存取、查詢以及備份、通信等功能。為了讓橋梁上的每一個部件的身份都能被系統識別出來，在橋梁建模時，給橋梁的每一個部件都賦予相應的身份號碼，用此號碼來標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的信息，對于建模時所構建實體ENTITY，只是將模型的部件構建出來，并不能表現出來各個部件的對應的信息，所以需要通過Attribute將部件的各部分屬性表現出來。屬性可以通過簡單的數據形式表現，也可以是與應用程序相關的長數據形式進行表現。在系統中，為每一個實體都定義了兩個自定義的屬性，分別用來保存實體的標識ID和名稱，如表1所示。

2.2 SAT文轉換為HSF文件

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

2.3 模型文件加載

程序啟動時，跳過加載SAT文件，轉向加載HSF文件，首先要將橋梁模型的整體呈現出來，同時讀取屬性，將系統程序和橋梁的各部分的部件建立聯系，同時要管理好segment中的每一個信息，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HOOPS/3DGS、操作器HOOPS/MVO系統以及基于不同操作系統的GUI集成交互處理系統，構成了顯示處理的一套體系，此處建模的坐標系統由HOOPS/3DGS提供。HOOPS 3D圖形系統是一個開放式的工作窗口，開發人員可以在其基礎上建立其他形式的圖形應用系統，它在本質上屬于高效開發工具。

HOOPS/3DGS在工作時，Camera和Projection Window相互配合，建完模型之后即可進行視圖的處理。Camera獲取的內容被投射到HOOS/3DGS上，可以在窗口上顯示出來，而該窗口會與segment上的實例聯系起來，連接打印設備即可將視圖打印。HOOPS/3dDGS的工作原理類似相機，可以將場景里的所有視圖“拍攝”出來。相機構成要素：相機定位、目標對象、正方向的規定，視圖窗口。在三維世界中定義相機的投影模式。HOOPS/3DGS的照相機理和現實中的相機的工作原理類似，可以實現鏡頭的平移和旋轉，滿足不同視角的拍攝需求。

2.5 相機的工作機理

相機拍攝系統由目標位置點、正方向、視圖界面以及投影組成，相機的工作原理如圖2所示。

圖中各個要素的含義：

（1）position：相機的位置在整個視圖界面中對應的就是一個點，簡單來講這個點就相當于實際相機拍攝時，相機鏡頭所在的位置，一般出現在目標物體的旁邊。

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

（3）field（相機的投影場）。相機的投影場通常包括field height和field width，這兩個參數定義了場視角的區域。投影范圍不同，相機與目標的距離不同，所選擇的相機的高度也是不同的。如果相機的位置和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布置在部件各個位置上的位移傳感器對比變形前后的數據，通過系統計算分析，可以計算出各個部位的變形情況，計算結束后的變形云圖可以以可視化的方式呈現出來，通過變形前后三維圖像的對比，進行橋梁受力分析。橋梁受力會在不同部位發生不同程度的變形，其變形量相對于整個橋梁的尺寸影響微乎其微，因此可視化展現出來的變形后的模型是很難進行分析的，因此需要將變形的微小尺寸進行放大，通常軟件中可以設定不同的變形放大系數，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所得到的模型圖如圖3所示。

3.1 應變分析方法

橋梁受力發生應變，隨著加載時程的不同，截面監測值的獲取的值也會不同。軟件會呈現出整個橋梁受力后的三維變形云圖，并且對于不同位置受力不同，呈現出來的顏色也是有區別的，用以區分各個部位的不同的變形情況，各個顏色對應的數值譜有利于橋梁結構變形的對比分析。用戶可以根據不同觀察時段獲取對應時段的相應的信息，具體的分析方法及流程如圖4所示。

3.2 應變對比圖分析

根據模型上不同部位各傳感器獲取的監測值，計算得到的數值對應存儲到相應位置的mash點上，然后以不同顏色表達不同的值，渲染出整座橋梁的可視化三維圖形，如圖5所示。

4 結論

隨著互聯網技術日趨成熟，可以利用HOOPS平臺實現建模及分析的系統化操作，體現了三維軟件在橋梁監測領域的實用價值。軟件對于橋梁的健康的發展還會伴隨著計算機的發展進行進一步的改進，相關的橋梁變形算法和監測數據的處理方法也將有所突破。就目前監測所取得的進步的成果，可以斷定此類健康監測軟件的構想及實現可進一步推動橋梁建設的不斷發展。

參考文獻

[1]董洪偉， 周儒榮， 周來水， 等. 在ACIS平臺上開發三維軟件[J]. 計算機輔助工程， 2002（4）： 53-58.

[2]萬凱， 何援軍. 基于ACIS平臺的大型三維CAD系統的設計與開發[J]. 計算機仿真， 2004（10）： 178-181.

[3]唐澤圣. 三維數據場可視化（精）[M]. 北京：清華大學出版社， 1999.

[4]張啟偉. 大型橋梁健康監測概念與監測系統設計[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2001（1）： 65-69.

[5]康紅輝， 王同洋， 王波興. 三維幾何約束建模的研究與實現[J]. 華中理工大學學報， 2000（8）： 50-52.