橋梁施工三維仿真培訓系統的研究與設計

向 陽，舒 昕，蘆 亮，沈 翔

（中鐵大橋局 武漢橋梁特種技術有限公司，武漢 430074）

橋梁施工三維仿真培訓系統的研究與設計

向 陽，舒 昕，蘆 亮，沈 翔

（中鐵大橋局 武漢橋梁特種技術有限公司，武漢 430074）

分析和研究了我國橋梁施工培訓的現狀，提出將計算機仿真技術應用到橋梁現場施工人員培訓。研究和設計橋梁施工三維仿真培訓系統，介紹該系統的構成、功能和特點，并且闡述了該系統的設計思想和技術路線。實驗結果表明，橋梁施工三維仿真培訓系統能對橋梁現場的施工操作和安全事故過程進行模擬仿真，使培訓不受天氣等惡劣環境的影響。縮短培訓時間。節省培訓費用。橋梁施工操作人員通過在該仿真培訓系統上的演練，有利于快速掌握橋梁施工的工藝流程，積累施工操作經驗，對保證橋梁施工的安全具有重要意義。

橋梁；三維仿真；培訓

隨著我國橋梁工程建設的高速發展，橋梁施工安全事故不斷發生。事故的危害也逐漸增大，造成了巨大的經濟損失，嚴重地威脅到人民的生命財產安全，帶來惡劣的社會影響。在橋梁施工建設過程中，由于橋梁現場施工人員存在著安全生產意識薄弱、施工專業技術缺乏及工程建設經驗不足等問題，人為因素而導致的橋梁施工事故頻發。目前，國內橋梁施工人員數量眾多，專業技術和文化程度參差不齊。傳統的教學培訓是通過文字和圖片進行講解，學員的操作實踐機會較少，從而導致培訓效果不理想，施工技能提高緩慢。橋梁現場施工涉及高空作業、大型機械設備的駕駛操作等，不僅危險性較大、而且容易受到自然天氣和現場設備條件的限制。因此，如何克服傳統教學培訓的缺點，提高橋梁施工培訓的效率，是亟待解決的問題。

基于以上考慮，針對橋梁現場施工人員這一特殊人群，設計了面向橋梁現場施工人員的三維仿真培訓系統，建立一個仿真模擬平臺，一個虛擬環境，讓受訓人員產生身臨其境的感覺，實現橋梁施工三維仿真模擬培訓，達到減少安全事故發生，提升現場橋梁施工人員的技術操作水平，提高培訓效率的目的。基于三維仿真的橋梁施工培訓系統可以模擬橋梁現場的具體施工操作步驟和各種突發狀況、安全事故等，節約了培訓成本，提高了培訓效率。本系統在Windows 平臺上，采用三維仿真引擎進行開發，通過三維仿真技術，三維建模技術和數據庫技術等開發實現應用于橋梁施工的三維仿真培訓系統[1]。

1 橋梁施工三維仿真培訓系統概況

橋梁施工三維仿真培訓系統包括鍵盤鼠標輸入設備，三維仿真引擎子系統，數據庫子系統和專家評估報警子系統。其中，三維仿真引擎為整個系統的核心部分，用戶通過鍵盤鼠標的輸入控制進行三維系統的交互操作，并將操作記錄等一系列數據存儲到系統數據庫，專家評估報警系統通過讀取數據庫并對用戶的操作等進行專家評估打分以及智能報警。橋梁施工三維仿真培訓系統主要用于橋梁施工培訓者的施工教學安全培訓等[2]，學員通過系統實現對橋梁三維場景中實物的操作控制，達到身臨其境的效果。系統總體架構如圖1所示。

圖1 橋梁施工三維仿真培訓系統圖

2 unity3d三維仿真系統

三維仿真系統是指利用計算機三維仿真技術建立一個模擬環境，構造一個具有視覺、觸覺和聽覺等多種感知的具有真實環境的培訓系統。將三維仿真技術運用于橋梁施工過程，實現橋梁施工現場的三維場景漫游、同虛擬環境中的物體相互作用實現人機交互等，解決機械硬件設備、現場場地和天氣環境等的限制。通過三維仿真引擎，用戶可以模擬橋梁施工中的澆注、架設鋼筋、養護等多種施工工序，使用戶身臨其境。三維仿真引擎通過用戶的錯誤虛擬施工操作，還可以模擬操作事故、故障等，使用戶可在虛擬三維仿真環境中，放心大膽的去做橋梁施工操作，規避橋梁現場真實環境帶來的危險。

2.1 三維場景建模

三維虛擬場景建模步驟是：（1）根據已獲得的橋梁CAD圖形，利用3Dmax建模工具制作橋梁模型，并依據橋梁現場獲取的實物模型數據完成橋梁實物模型建模，將實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，對橋梁三維場景中的三維模型進行紋理貼圖，達到三維逼真效果，并通過減少模型面數等優化技術對橋梁虛擬場景的模型進行內存開銷方面的優化，提高整個橋梁三維仿真系統的運行速度；（3）用三維引擎的外部引用功能把各個實物模型加入到橋梁三維場景中。具體操作流程如圖2所示。

圖2 三維場景建模流程圖

2.2 三維場景漫游功能

在橋梁施工三維仿真培訓系統中用戶通過計算鍵盤的W、S、 A、D按鍵控制人物的前進、后退、左轉和右轉，實現用戶在橋梁三維虛擬場景中的漫游功能。系統根據檢測到的鍵盤和鼠標事件，實現了用戶與虛擬場景中物體的動作交互。

本系統采用unity3d三維引擎開發，在unity3d三維引擎系統API函數庫中，Time.deltaTime是常量，表示時間間隔，橋梁施工三維仿真培訓系統每隔Time.deltaTime時間就會刷新一次。RotationSpeed表示物體的旋轉角度。通過transform.Translate()函數和transform.Rotate()函數可以分別用來控制人物在橋梁三維場景中的空間位移變化和旋轉操作。Vector3.forward 和Vector3.up表示物體的移動沿著自身的正方向和沿著物體自身的y軸旋轉方向。

例如，用戶通過鍵盤的W鍵實現人物的前進功能，具體功能代碼如下：

以上兩段功能代碼實現了人物在橋梁施工三維場景中的空間位置移動變化以及人物的空間旋轉操作，但是還缺少人物的行走動作，只有播放人物模型相應的行走動作才可以使人物真正的運動起來，達到人物行走的三維仿真效果。通過三維引擎unity3d函數庫提供的animation.Play()函數可以實現對人物模型動畫的調用，橋梁施工三維仿真培訓系統中人物模型的行走動畫命名為go，在人物模型漫游的移動、轉身代碼中添加animation.Play(“go”)方法實現人物的前進、后退以及轉身等動作，如圖3所示。

圖3 三維人物漫游行走控制圖

2.3 三維碰撞檢測功能

三維碰撞檢測是unity3d三維仿真引擎的核心功能之一，在橋梁施工三維場景中，橋梁施工人員三維模型是不能穿透其他實體物體模型的，需要對三維人物模型以及其他相對運動模型進行碰撞檢測，否則模型之間會發生穿透現象。但是橋梁施工三維場景中的模型大多是不規則的模型，倘若對不規則三維模型的每一個坐標都進行碰撞檢測計算，不僅計算工作量較大，而且需要花費較長的計算時間，不符合三維系統的實際功能需求[4～7]。

unity3d三維仿真引擎采用包圍盒碰撞檢測算法，主要通過矩形盒碰撞檢測（BoxCollider）和膠囊碰撞檢測（CapsuleCollider）包圍盒進行碰撞檢測，如圖4所示。不同的三維模型碰撞檢測部分可采用相應的包圍盒算法進行碰撞檢測，這樣可以避免不規則模型的大量坐標計算，通過包圍盒的簡單計算便可檢測出是否發生碰撞。通過包圍盒碰撞檢測算法可以大幅度提高不規則物體的碰撞檢測時間，提高系統的運行效率。

圖4 三維仿真系統中不同的包圍盒

橋梁施工三維仿真安全培訓系統采用第一人稱主視角的方式進行橋梁施工現場漫游，用戶通過逼真的三維仿真漫游功能，在橋梁施工場地進行漫游行走，身臨其境。為了避免人物穿墻而過等碰撞問題，本系統利用膠囊包圍盒，通過計算膠囊包圍盒的空間是否與其他模型物體發生碰撞，從而實現人物模型的碰撞檢測。避免施工人員人物穿透三維場景內的物體模型。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 專家評估報警系統

專家評估報警系統主要包括統計評分和智能報警兩個功能。系統可以根據培訓人員的施工操作進行專家評估打分，計算出培訓人員最終的操作成績。當培訓人員在操作過程中出現操作錯誤，會引起安全事故時，系統還可以進行智能報警等[15]。

3.1 統計評分功能

系統管理員可先將橋梁施工操作手冊中橋梁施工標準規范的操作過程錄入到專家系統中，將需要考核評分的橋梁施工操作步驟設置相應的分數值，根據不同的施工操作的關鍵性和重要性設置不同分值的大小。在專家系統的設計中有一點需要考慮：橋梁施工操作步驟的強相關性，即橋梁施工操作步驟的順序必須完全正確，否則會引起操作安全事故等。專家系統將橋梁工藝參數標準值和橋梁施工受訓人員的相關三維施工操作值進行比較，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為受訓人員操作值，StandardValue為相應的操作標準值，StepValue為相應步驟的滿分值，Calculate函數根據操作值和標準值的差值計算出相應的操作步驟分。

3.2 智能報警功能

在橋梁施工三維仿真培訓系統中，學員由于操作失誤等，導致某些施工操作數值超過報警界線，專家系統會根據系統錄入的報警越界值進行判定，當超過報警界線時系統給出相應的報警。

專家評估報警系統可以根據整個三維仿真系統的不斷完善和改進，不斷的充實和添加評估報警標準和規則，可以同時運行多套評估報警體系，并對多個評估報警體系進行算數平均，使得評估報警更加準確和完善。

4 數據庫構件

數據庫是整個三維仿真培訓系統的數據核心部分，系統的各個功能模塊通過調用核心數據庫的數據使其正常運行。由于橋梁施工三維仿真培訓系統數據量較小，為了保證系統的流暢以及運行效率，采用mysql輕量級數據庫進行開發，既滿足系統的功能需求同時，也能保證整個三維系統的運行速度。

橋梁施工仿真數據庫按功能劃分，包括橋梁模型庫、橋梁施工培訓試題庫、歷史數據庫以及橋梁施工培訓學員操作記錄庫。數據庫間的關系如圖6所示。

圖6 仿真培訓系統主要數據庫及其關系

5 結束語

本文提出了一種基于三維仿真的橋梁施工培訓系統，研究了三維虛擬場景建模過程中的場景建模，橋梁建模，環境建模等，實現了橋梁施工現場的場景制作以及在虛擬場景中的漫游功能，使培訓者能夠熟悉虛擬培訓場景[16]，增加學員培訓時的沉浸感以及交互感。利用環境效果的設置以及聲音的加載技術，完善了系統的仿真功能。

該系統是一種既有效、又安全的提高施工人員技術水平的操作平臺，可以實時模擬各種場景、天氣以及其后的變化，滿足培訓學員適應多變環境的需求，降低各種費用和人為、天氣因素影響，對培養高素質的橋梁施工技術人員具有重大的使用價值和現實意義。雖然該系統實現了電腦PC端的三維仿真模擬培訓，但對于手機平板等移動端的開發還有待進一步研究。

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責任編輯 徐侃春

圖8 鐵路總公司Web Service跨鐵路局信息共享方案示意圖

4 結束語

本文提出系統的技術方案和功能設計滿足目前鐵路貨物押運安全管理的業務需求，系統的應用，將有助于實現押運監控與管理的信息化和智能化，改變傳統的押運管理模式和作業方式，有效防范押運過程中的安全隱患，提高押運工作質量和工作效率，為鐵路貨運安全保障提供技術支撐。今后，要重點開展系統的推廣應用研究，結合實際需要，進一步完善系統，全面發揮系統聯網應用價值。

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責任編輯 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

東湖國家自主創新示范區現代服務業綜合試點項目（2011-dhfwy-029）。

向 陽，助理工程師；舒 昕，助理工程師。