桥梁健康监测三维软件的设计与实现

温天宇

摘要 近年来随着经济的不断发展，对于基础建设方面的投入大大增加，建成了多座极具挑战的世纪工程，同时桥梁健康监测软件及系统也不断完善和优化，桥梁健康监测的智能化和实用性大大改善了原有人工监测手段的不足。文章基于实际工程对于桥梁三维可视化监测的需求，实现桥梁实时安全监测软件的建立。构成完整的软件监测系统，实现了计算机技术与桥梁监测系统相互协调工作。该类健康监测软件的构想及实现可推动桥梁建设的不断发展。

关键词 桥梁工程;健康监测;三维软件;数据库分析

中图分类号 TP311.52 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0007-03

0 引言

随着各个学科的不断发展及相互交融，计算机的发展促进了土木工程的革新变化[1]。桥梁工程的智能化、信息化逐渐成为今后的发展趋势。桥梁的健康监测是对桥梁建设过程以及使用运营过程中进行实时或者定期的监测，以此排除桥梁潜在的危险，达到及时发现、尽早处理的目的，保证桥梁在服役期间能够安全使用[2-3]。桥梁健康监测系统的出现，改善了以往老旧、费时的健康监测手段，各类传感系统和相应的数据采集设备安装在桥梁的内部，在对桥梁进行监测时，即可获取桥梁的各类评估数据，并将数据传输到计算机中，进行数据的处理分析，最终通过软件呈现的方式三维展示出来，并对桥梁各部分进行可视化分析，以此实现桥梁整体结构的监测[4-5]。这种智能化监测手段可以方便对桥梁的监测，以真实性、直观性、方便性给工程师们带来全新的体验。

1 相关技术介绍

1.1 HOOPS/3dAF技术

HOOPS/3dAF技术是当今最高端的图像呈现技术，可为用户提供高级的二维及三维图像处理功能，以及图像构架和图像可视化功能，是一个可扩展的、开放性的平台，该平台可以提供满足用户各种需求的接口，以满足用户需求。

HOOPS/3dAF技术是一个完整的体系，由以下几部分组成：

1.1.1 HOOPS3D

HOOPS 3D是面向对象的API，可以为软件开发人员提供更全面的开发平台，该 API实现与最新的结构算法之间的融合，并实时更新其内部的数据库，实现了三维图像的绘制、编辑、优化等操作。

1.1.2 HOOPS Model/View/Operator（简称MVO）

HOOPS/MVO是C语言对象集合，在这个集合中MCAD应用中的大部分功能均可以实现，构建模型的同时，也能通过使用相应的工具对模型进行处理改进。

1.1.3 HOOPS/Stream

HOOPS/Stream 也包含了许多独立于GUI的平台，这些平台都具有可操作性，方便用户进行操作，应用程序如果与这些平台相关联，可以实现数据文件在本地网络中的处理。数据文件可以是二维和三维数据，也可以是用户为了实现某些目的自定义数据。

1.1.4 HOOPS/GUI

HOOPS/GUI的图形用戶界面可以实现和各种GUI 开发包接口进行连接。

1.1.5 HOOPS/GMB

可以连接各种不同的几何模型，省去了操作人员对于图形外部传输接口的需求。

1.2 HOOPS/MVO

HOOPS通常采用MVO模式实现了在MFC上的操作，MVO模式是一种常用的操作模式，可以实现面向对象的操作，具有一个基础的操作平台，即HOOPS。一组具有层次化的类构成了HOOPS/MVO的整体框架，用户实现对于模型的操作必须通过相应的接口，并实现在HOOPS平台上创建、控制、编辑、查询信息。

软件体系的构成可以被该模式分割成三个方面的内容：

（1）Model，表示3D可视化模型。

（2）View，表示模型可以呈现的各个角度的视图。

（3）Operator，可以实现模型的可操作性。

2 3D图形引擎设计

在该系统中，三维建模软件在模型建成之后会生成模型文件，生成的模型文件储存为SAT文件格式。由于打开SAT文件时存在计算机加载速率低等问题，为了提高计算机运行文件的效率，可以改变格式的类型，将SAT文件转换为HSF文件，从而实现文件的快速运行。

2.1 模型文件的建立

在桥梁模型的建立过程中，桥梁模型中的每一个构件，包括桥梁的桥柱、桥的梁板、桥的栏杆等都用实体ENTITY表示出来。在ACIS中，其模型数据结构和功能都是通过实体ENTITY表现出来的，可以实现数据的存取、查询以及备份、通信等功能。为了让桥梁上的每一个部件的身份都能被系统识别出来，在桥梁建模时，给桥梁的每一个部件都赋予相应的身份号码，用此号码来标识桥梁部件的各部分的名称。属性即Attribute，作用是赋予部件相应的信息，对于建模时所构建实体ENTITY，只是将模型的部件构建出来，并不能表现出来各个部件的对应的信息，所以需要通过Attribute将部件的各部分属性表现出来。属性可以通过简单的数据形式表现，也可以是与应用程序相关的长数据形式进行表现。在系统中，为每一个实体都定义了两个自定义的属性，分别用来保存实体的标识ID和名称，如表1所示。

2.2 SAT文转换为HSF文件

将SAT文件转换为HSF文件，并不是单纯地将文件名称转变一下，文件转换之后，加载过程中，会自动忽略SAT文件，选择加载HSF文件，而不会加载SAT文件，所以为了实现文件的无差别转化，自定义的属性也必须跟随文件转化的同时转化到HSF文件中。在HOOPS中，图形数据被保存在“段（segment）”的对象中，每一个属性都对应到相应的segment，用户自行定义的东西也囊括在内，因此，只要将SAT文件中每一个实体的所有信息都保存到HOOPS中与之相对应的segment中，然后再把所有这些segment全部存储到一个HSF文件上，转换就完成了。

2.3 模型文件加载

程序启动时，跳过加载SAT文件，转向加载HSF文件，首先要将桥梁模型的整体呈现出来，同时读取属性，将系统程序和桥梁的各部分的部件建立联系，同时要管理好segment中的每一个信息，模型加载后的界面形式如图1所示。

2.4 桥梁模型显示

HOOPS平台包括核心处理系统HOOPS/3DGS、操作器HOOPS/MVO系统以及基于不同操作系统的GUI集成交互处理系统，构成了显示处理的一套体系，此处建模的坐标系统由HOOPS/3DGS提供。HOOPS 3D图形系统是一个开放式的工作窗口，开发人员可以在其基础上建立其他形式的图形应用系统，它在本质上属于高效开发工具。

HOOPS/3DGS在工作时，Camera和Projection Window相互配合，建完模型之后即可进行视图的处理。Camera获取的内容被投射到HOOS/3DGS上，可以在窗口上显示出来，而该窗口会与segment上的实例联系起来，连接打印设备即可将视图打印。HOOPS/3dDGS的工作原理类似相机，可以将场景里的所有视图“拍摄”出来。相机构成要素：相机定位、目标对象、正方向的规定，视图窗口。在三维世界中定义相机的投影模式。HOOPS/3DGS的照相机理和现实中的相机的工作原理类似，可以实现镜头的平移和旋转，满足不同视角的拍摄需求。

2.5 相机的工作机理

相机拍摄系统由目标位置点、正方向、视图界面以及投影组成，相机的工作原理如图2所示。

图中各个要素的含义：

（1）position：相机的位置在整个视图界面中对应的就是一个点，简单来讲这个点就相当于实际相机拍摄时，相机镜头所在的位置，一般出现在目标物体的旁边。

（2）target point：目标点指的是坐标系中相机所要捕捉的点，通常该点位于物体的几何中心处，并且与相机的位置之间保持一定的距离。

（3）field（相机的投影场）。相机的投影场通常包括field height和field width，这两个参数定义了场视角的区域。投影范围不同，相机与目标的距离不同，所选择的相机的高度也是不同的。如果相机的位置和target的位置是固定不变的，投影场大小的改变只会改变影响镜头的大小。

3 桥梁模型的变形分析

桥梁位移变形可根据布置在部件各个位置上的位移传感器对比变形前后的数据，通过系统计算分析，可以计算出各个部位的变形情况，计算结束后的变形云图可以以可视化的方式呈现出来，通过变形前后三维图像的对比，进行桥梁受力分析。桥梁受力会在不同部位发生不同程度的变形，其变形量相对于整个桥梁的尺寸影响微乎其微，因此可视化展现出来的变形后的模型是很难进行分析的，因此需要将变形的微小尺寸进行放大，通常软件中可以设定不同的变形放大系数，以满足不同观测尺度的需求，桥梁变形后并且放大合理的倍数所得到的模型图如图3所示。

3.1 应变分析方法

桥梁受力发生应变，随着加载时程的不同，截面监测值的获取的值也会不同。软件会呈现出整个桥梁受力后的三维变形云图，并且对于不同位置受力不同，呈现出来的颜色也是有区别的，用以区分各个部位的不同的变形情况，各个颜色对应的数值谱有利于桥梁结构变形的对比分析。用户可以根据不同观察时段获取对应时段的相应的信息，具体的分析方法及流程如图4所示。

3.2 应变对比图分析

根据模型上不同部位各传感器获取的监测值，计算得到的数值对应存储到相应位置的mash点上，然后以不同颜色表达不同的值，渲染出整座桥梁的可视化三维图形，如图5所示。

4 结论

随着互联网技术日趋成熟，可以利用HOOPS平台实现建模及分析的系统化操作，体现了三维软件在桥梁监测领域的实用价值。软件对于桥梁的健康的发展还会伴随着计算机的发展进行进一步的改进，相关的桥梁变形算法和监测数据的处理方法也将有所突破。就目前监测所取得的进步的成果，可以断定此类健康监测软件的构想及实现可进一步推动桥梁建设的不断发展。

参考文献

[1]董洪伟， 周儒荣， 周来水， 等. 在ACIS平台上开发三维软件[J]. 计算机辅助工程， 2002（4）： 53-58.

[2]万凯， 何援军. 基于ACIS平台的大型三维CAD系统的设计与开发[J]. 计算机仿真， 2004（10）： 178-181.

[3]唐泽圣. 三维数据场可视化（精）[M]. 北京：清华大学出版社， 1999.

[4]张启伟. 大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2001（1）： 65-69.

[5]康紅辉， 王同洋， 王波兴. 三维几何约束建模的研究与实现[J]. 华中理工大学学报， 2000（8）： 50-52.