室外压力管道三维管网可视化设计与实现

武江瑞 钱建新 成新民

（1.湖州师范学院 浙江省湖州市 313000 2.湖州市特种设备检测研究院 浙江省湖州市 313000）

1 引言

伴随着当代工业的不断进步，压力管道广泛应用于各个行业中,如传统化工、电力、冶金等[1]。室外压力管道自建设以来，一直采用人工检测手绘图纸方式对管线进行管理，图纸经过长时间的使用会出现损坏遗失等情况，对室外压力管道的管理带来重重阻碍。室外压力管道直观有效的管理是当前所面临的急需解决的问题，采用三维的管网管理方式相比传统二维方式直观性更强，可以从不同的方位重建物体，具有较强的逼真度和立体度，是解决这种矛盾的有效方式[2-3]。国内近年来对管网三维模型的研究方向，主要还停留在基于三维建模软件例如Blender、Catia 等，采用手工或者半手工的方式对管线进行建模[4]。随着计算机图形学与三维可视化技术的发展，城市室外压力管网的科学管理具有了更加高效的方式[5-6]。

本文基于Three.js 在浏览器端对室外压力管道三维模型进行展示，通过对三维管线结构和模型的分析，对管线进行简化剖分，采用数学类方法绘制，设置管线材质和着色，实现完整的室外压力管道三维管网模型，利用该方法生成的三维管网具有较好的逼真效果，且相较于传统方式可实现自动化建模。

2 室外压力管道三维管网的建模设计

2.1 直管段模型设计

室外压力管道截面一般为圆，在三维模型建立过程中选择圆柱体代表管段，管段三维数据由管线截面圆心P，管线半径R，以及管线空间方向θ 来计算得到管线离散点坐标。一般管线截面以xoy面作为参考面，采用正多边形拟合，在实际拟合中，等分值k 越大，拟合效果越好，我们将管线分为16 等分，如图1所示。

图1：管线截面拟合圆示例（十六边形）

p 为圆心，pl 为拟合圆上的顶点，2π/16 为等分角，管线方向角为θ，首先求出顶点pl 的坐标，如式（1）：

2.2 管点模型设计

通过对管线切分，设置断点，从而使室外压力管道三维模型中仅包含直管段和管点，简化室外压力管道三维管网模型。管点模型又包含简单拐点模型和复杂拐点模型（三连通，四连通），分别对管点建立三维模型，完成管点绘制。

2.2.1 简单拐点模型设计

由获取到的圆心坐标，弧度圆半径r，可以求得弧线的拟合点s1坐标，以s1和s2坐标点为圆心，管道半径R 为半径，可以求得两个截面圆的坐标，确定好坐标相连的初始方向，将以s1和s2为圆心的截面圆上的坐标两两相连，完成弯管段的绘制。

2.2.2 复杂拐点模型设计

变径拐点建模：在实际布设管线中，存在一种管径不同却相连的情况，由于需要不同的管径流量，在大口径的地方转变为小口径，这个衔接的模块为变径拐点。建模方式上拟采用在不同管径截面中利用圆台衔接，细管径的截面为圆台顶部截面，粗管径的截面为圆台底部截面，将两个截面上的坐标两两相连即可完成变径拐点的建模。如图3所示。

图3：变径拐点建模图例

四通拐点建模：计算椭圆上的坐标，如图4所示，建立局部坐标系，由管线半径R 和四个管线截面的中心点坐标，可以求得坐标原点O。

图4：四通拐点建模图例

利用4 公式求得四个管道圆截面的坐标，将圆截面的坐标点与椭圆截面的坐标点对应相连，椭圆截面的坐标需满足与圆截面x 轴方向一致，且Y 轴方向分量值相等，从而完成四通拐点的建模。

三通T 型拐点建模：与四通拐点类似，但y 轴方向分量取正值，即可实现三通T 型拐点建模，如图5所示。

图5：三通拐点建模图例

3 室外压力管道三维管网的可视化实现

管道绘制采用模拟的压力管道三维数据，数据传输到管网系统服务器中，通过管点标记值，调用相应的建模方法，完成管道绘制，绘制流程为将数据加载存入数据集，遍历数据集，判断管径变化情况，管径发生变化则获取数据集里的数据，并清空原始数据集，绘制变径前的管段。根据管点的标记值绘制非变径区域的管段，若标记值为一，则为直管段绘制，调用直管段绘制方式；标记值为二，则为弯管拐点，调用弯管的绘制方式；若标记值为三，调用三通点的绘制方式；若标记值为四，完成四通点的绘制。变径点处调用变径管道的绘制方式完成。管径若没有发生变化，则按照管点标记值绘制完成。

Three.js 主要组件包含场景、相机、渲染器、光源和物体[7-8]。创建场景，通过三维空间的观察者相机将室外压力管道三维模型添加至场景中，并设置光源显示管线材质和阴影，调用渲染器完成渲染，实现了室外压力管道的三维可视化，运行效果如图6所示。

图6：室外压力管道三维图

在渲染过程中，室外压力管道的三维可视化过程运行流畅，模型精细程度较高，实现了管道的圆滑过渡。实验证明，管道的三维建模方式是有效可行的。

4 结语

室外压力管道三维可视化是管网管理的重要环节，可以实现信息共享，为城市压力管道的规划、管理和建设提供不可或缺的基础信息资料。本文通过对管点和管段三维建模分析，基于Three.js 设计实现了室外压力管道的三维可视化，且建模过程自动化，精细度更高，同时能够满足在浏览器端三维跨平台应用需求。