三维虚拟现实隧道施工监测系统研究与应用

张智明， 叶英， 曹蕊

（1. 北京市市政工程研究院；2. 地下工程建设预报预警北京市重点实验室；3. 北京京投城市管廊投资有限公司）

1 引言

目前的隧道施工安全监控系统，大多都采用传统的二维监测方式。随着隧道施工技术复杂程度的提高，施工监测数据也越来越复杂，二维监测系统在监测数据处理数据方面越来越吃力，缺乏直观性导致监测工作抽象、复杂，风险监控和预警滞后，监测结果易出现较大差异和错误[1]。

虚拟现实(Virtual Reality)技术是用一个虚拟系统模仿另一个真实系统的技术，以构建统一完整的虚拟环境为典型特征，通过虚拟环境集成与控制为数众多的实体[2]。实体在虚拟环境中相互作用，或与虚拟环境作用，以表现客观世界的真实特征。虚拟现实具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）、虚幻性（imagination）、逼真性(reality)等特征。

随着虚拟现实技术的逐渐成熟，其应用领域也越来越多样化，把该技术引入到隧道施工监测中可以弥补传统方法的不足。通过建立三维虚拟仿真平台，对隧道现实环境虚拟再现，可以提高隧道监测系统的可视化和交互性，改善监测数据管理系统的易用性和直观性，解决隧道监控数据复杂、可视性差、风险预警不及时等瓶颈问题[3]。

2 系统架构

三维虚拟现实隧道施工监测系统是在二维监测系统TMIGS (Tunnel construction multivariate infor‐mation forewarn and safety guarantee system)的基础上，结合虚拟现实技术构建三维仿真平台开发的一套三维可视化监测系统。系统的总体架构如图1所示，主要由三维虚拟仿真平台、分布式数据库子系统、TMIGS监测子系统组成。三维虚拟仿真平台实现隧道的三维仿真模型建模、勘察信息的管理和监测数据的实时同步等功能；分布式数据库子系统实现系统的数据存储和管理功能；TMIGS监测子系统则实现传统的二维隧道监测的功能。

图1 系统架构

3 系统设计与实现

3.1 TMIGS监测系统功能设计

TMIGS是隧道施工多元信息全方位安全保障系统[4]，具备隧道施工过程中多元信息的自动采集、无线传输、预警及安全管理等功能。系统集成了三维激光扫描、人机定位、传感器数据采集、通讯视频及安全管理等，可以进行隧道施工掌子面图像实时采集、掌子面稳定性监测、洞内人员与车辆定位管理，对选测断面各种传感器的数据自动采集与综合分析，通过有源定位卡、警灯、鸣笛、洞口信息板等，启动四级预警及应急预案，疏导人员撤离。TMIGS系统的功能包括：

1）用户登录管理和系统设置

用户登录系统进行用户的基本管理和相关权限管理，系统设置模块对系统的运行参数和硬件设备如三维扫描、各类传感器、声像设备以及人员定位卡等进行设置；

2）信息采集和数据管理

信息采集模块对监控量测数据进行采集和处理并将其发送到服务器，数据管理提供资料输入功能，通过可视化模块进行数据查看；

3）数据库和预报预警管理

数据库中保存人员定位信息、声像信息和勘察设计资料、各类传感器的测量数据、隧道设计概况、超前地质预报数据以及相关的预警预报信息和应急预案等；

4）数据综合分析和专业分析

提供回归分析、有限元分析等专业分析，通过综合分析，根据相应的应急预案，启动相应的应急措施，同时启动相应的预警预报系统，提供不同级别的预警预报信息。

3.2 分布式数据库子系统的建立

网络化分布式数据库设计是构建三维隧道监测系统的关键，本文在TMIGS系统的原有数据库的基础上，进行了分布式数据库设计并采用网络化的方式将数据的存储与前端数据显示分离，从而有效保障监测数据的安全可靠性[5]。三维虚拟现实隧道施工监测系统的数据库设计包括三部分：

1）功能数据库的设计

将数据库按照在系统中承担的功能进行划分设计，包括数据处理库、空间数据库、权限及交互库和其他的扩展库的设计，实现数据库功能划分清晰，便于升级维护和管理。

2）数据库接口设计

为各个功能数据库设计数据接口，包括了网路数据库接口、三维虚拟仿真平台的数据接口和TMIGS系统的数据库接口，数据库接口的设计围绕网络数据通信协议展开。

3）数据库用户划分

将用户按工程各相关方划分为业主方、设计方、施工方、监理方和其他相关方，并针对不同的相关方提供有针对性的功能和内容。

3.3 三维虚拟仿真平台建设

三维虚拟仿真平台主要实现隧道的三维模型的建模、隧道设计和勘察信息录入和隧道施工监测数据的实时同步。

3.3.1 隧道三维模型建立

进行隧道三维建模必须满足两个方面的基本需求[6]：首先必须满足隧道体三维模型构建的需求，所选数据结构能够表达隧道体的几何特征；其次必须满足隧道体空间分析的需求，能够表达隧道网络的拓扑结构。因此，对隧道的数据结构进行如下的描述：隧道体在隧道网络中以网络分析的“弧段”来表达，“弧段”为由隧道起止节点组成的隧道中线。另外隧道体数据结构中还需包含表达其三维信息的相关数据，最主要的是表达隧道横断面的数据，如隧道宽度、高度、圆心点、各弧段半径等。隧道体的数据结构见表1。

表1 隧道体数据结构

根据表1的数据结构进行隧道三维仿真模型的构建，流程如图2所示：

图2 隧道三维模型建模流程

3.3.2 隧道信息绘制

勘察信息的绘制在三维虚拟仿真系统中表现为三维模型的纹理处理[7]。利用OpenGL的纹理映射技术将勘察信息图片进行纹理映射，可以得到较为真实的隧道模型。勘察信息纹理映射必须执行的工作步骤如下：①为对象设定纹理；②设定纹理工作的方式；③激活纹理映射，使纹理进入工作状态；④设置纹理坐标和几何坐标，绘制场景。

3.3.3 监测数据实时同步

数据同步是将远程服务器数据实时同步更新到本地监控系统，是保持监控系统数据实时性的关键步骤[8]。系统支持必测项目如地质支护与观察、拱顶下沉、净空收敛、地表沉降、锚杆轴力等自动测量，测点数据包括：电压型、电流型、振弦型、激光型、人工型、数字信号、串口信号等，可以有选择性地更新数据。

数据同步的主要步骤包括：①通过本地客户端发送所需更新信息，调用数据库存储过程接口；②在本地数据库调用存储过程，连接远程服务器数据库；③远程数据库接收存储过程连接请求；④通过建立的连接，调取远程库里所需信息，更新本地数据库；⑤接到通知后，在本地客户端重新绘制更新当前显示信息。

4 工程应用

4.1 工程概况

东天山隧道为分离式隧道，隧道总体轴线方向约42°贯通天山南北，全长11km。隧道洞身衬砌按“新奥法”原理进行设计，采用复合式衬砌。隧道位于 Ⅷ度地震区，采用轻型洞门形式，洞门结构采用钢筋混凝土，并设置抗震缝，活动断层段隧道结构断面整体扩大40cm，每板二次衬砌之间设置2cm宽抗震缝，且在二衬和初支间增设5cm厚的抗震缓冲层。

4.2 系统应用

4.2.1 东天山隧道三维模型绘制

东天山隧道内轮廓设计采用单心圆断面，拱部采用R=555cm的圆，仰拱与侧墙间用半径R=100cm的小半径圆弧连接，仰拱半径R=1500cm，主洞内路面宽度为7.75m，轮廓高7.1m。利用五心圆算法计算出断面数据，绘制东天山隧道断面模型如图3所示：

图3 东天山隧道断面模型

4.2.2 东天山隧道信息绘制

依据东天山隧道勘察资料，将隧道概况和围岩分级信息资料录入数据库，绘制围岩分级信息如图4所示：

图4 围岩分级资料显示

4.2.3 东天山隧道的监控量测数据同步

系统启动后，在后台自动连接数据库，并获取数据库数据，监控端可设置测点显示类型等信息，东天山隧道的监测数据在三维虚拟仿真系统中的显示和更新效果如图5所示：

图5 数据显示及更新效果

4.3 应用效果分析

在东天山隧道工程的应用中，构建了东天山隧道三维仿真模型，实现远程监控终端与施工现场数据同步以及风险数据的及时预警，确保风险数据的及时发现和及时定位。工程验证结果表明该系统的使用有助于监控人员实时掌握施工现场真实情况，降低监控人员的决策失误，提高工作效率，降低人员成本。

5 结语

基于虚拟现实仿真技术，在二维隧道施工监测系统(TMIGS)的基础上构建的三维虚拟现实隧道施工监测系统，可以建立三维虚拟仿真模型模拟施工进度，利用数据同步技术实现虚拟端与施工现场实际数据保持同步，实现施工风险及时预警。系统在实际工程中通过三维可视化的显示系统帮助监测人员实时掌握现场监测数据，快速定位风险数据位置，对施工现场作业进行安全指导。

应用结果表明该系统满足隧道信息化施工的要求，具有快捷、直观、实用等优点，尤其在确保工程安全和进度方面，有着很大的实际应用价值。在隧道工程的发展中，随着虚拟现实技术应用的越来越成熟和广泛，三维虚拟现实隧道施工监测将成为施工监测的重要趋势。