基于uNITY3d的桥梁健康监测三维软件的设计与实现
日期：
2017-02-16
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摘 要：根据桥梁健康监测系统的业务需求，本文阐述了基于uNITY3d的桥梁健康监测三维软件的设计与实现的过程?该软件实现了桥梁三维场景中的漫游，对各类传感器的数据进行显示，模拟车辆在桥梁上的行驶状态等功能?该软件可以自动刷新数据，并按时间进行动态播放，具有网络化?动态化?实时化的特点?
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关键词：uNITY3d；三维软件；桥梁健康监测
随着当代信息技术的发展，桥梁信息化?智能化?网络化的条件也日臻成熟?桥梁健康监测系统作为桥梁科学研究的一门先驱学科，也正印证了这一潮流?桥梁健康监测系统是指为了获取桥梁的各项评估参数，在桥梁结构中安装传感器与数据采集设备，将数据持久化存储，最终以软件的形式来展示?分析?评估?三维软件以其精确性?真实性和可操作性，能够给人直观的体验，带来耳目一新的感觉?三维空间坐标中的桥梁模型，测点模型更能直接模拟实际的状况，加以光影，动画，碰撞检测，数据更新等技术手段使三维场景显得更加逼真，富有生气?本文针对桥梁健康监测系统的业务需求，阐述了如何使用近年来流行的uNITY3d技术，建立桥梁健康监测三维软件的过程，并作为桥梁健康监测系统软件中的一员，应用在多个实际项目中?
1 uNITY3d技术
uNITY3d是由uNITY tECHNOLOGIES公司开发的一项三维引擎技术，在视频游戏?建筑可视化?实时三维动画等领域都有广泛应用?该三维引擎具有良好的可操作性，具有场景编辑器?脚本编辑器?实时运行窗口?属性编辑器等?
场景内使用x?y?z三轴坐标系统，空间定位采用向量的方式?通过向量来描述空间位置?距离?角度等基本几何元素?在资源管理方面，uNITY3d的兼容性也非常出色，能够使用3DSmAX?mAYA等三维软件输出的资源，分类管理网格?材质?贴图?动画等?拥有摄像机?光照渲染?地形编辑?粒子系统?物理系统等完备的功能?uNITY3d的脚本是开发的核心部分，能够通过c#，jAVAsCRIPT，boo三种语言格式的代码编写?通过脚本，能够操作软件运行生命周期中的每一步方法，包括菜单绘制?物体运动?网络访问?系统输入等?使用uNITY3d开发桥梁健康监测三维软件，正是运用以上技术特点，实现系统的功能需求?
2 系统设计思想与系统结构
2.1 系统技术路线?客户端：开发工具：uNITY3d，脚本语言：c#；服务器端：开发工具：eCLIPSE，语言：jAVA；web服务器：tOMCAT
2.2 系统结构
图1 软件架构
基于uNIT3d的桥梁健康监测三维软件，采用客户端?服务器的架构方式?客户端程序由uNIT3d进行开发，服务器端程序由java进行开发?系统的总体结构设计，见图1?
（1）客户端?客户端程序的开发，主要使用uNIT3d技术?能够兼容多个平台运行，可编译发布为wEB3D程序，WINDOWS平台的应用程序，ANDROID平台的手机APP应用程序?首先，通过专业的制图软件aUTOdESK cad制作三维模型?然后，经过3DS mAX渲染贴图，生成可导入的模型文件?将模型导入uNIT3d中，通过编写脚本，实现控制测点模型的展示，数据的显示，三维场景的漫游，桥梁的颜色与透明，车辆行驶的模拟等功能；（2）服务器端?服务器端程序，针对健康监测系统的每一种类的传感器都对应jAVA sERVLET来处理业务逻辑与客户端发送来的http请求，根据请求类型访问健康监测数据库，然后将获取的数据以json的形式返回给客户端?这样客户端就能够实时获取健康监测的数据?
3 数据结构设计
桥梁健康监测系统传感器数据量众多，少则几十个?多则几百个?如何对这些传感器进行标识?分组?管理，并保证一个都不出差错，是一项繁琐而艰巨的任务?为此我们设计了测点表如下：
表1 测点数据结构表
描述 字段 类型
测点编号 pOINT_cODE VARCHAR
测点描述 dESCRIPTION VARCHAR
正常值 nORMAL_vALUE FLOAT
修正值 aMENDvALUE FLOAT
阈值下限 rANGE1_mIN FLOAT
阈值上限 rANGE1_mAX FLOAT
单位 uNIT VARCHAR
数据库 dATAbASE VARCHAR
数据表 tABLEnAME VARCHAR
数据列 tABLEcOLid VARCHAR
空间坐标X X FLOAT
空间坐标Y Y FLOAT
空间坐标Z Z FLOAT
测点表中，测点编号用来标识传感器在系统中的唯一性；每一种类的传感器作用不同，所以要描述安装的位置与作用；单位字段描述不用种类传感器测量数据的单位；通过正常值?修正值?阈值来判断数据是否在正常范围内，如何超出阈值范围则进行报警?空间坐标用来在三维空间中确定传感器所处的位置?数据库?数据表?数据列则指明了获取传感器数据的路径?
4 系统功能实现
4.1 三维漫游?桥梁健康监测三维软件实现了在虚拟场景中空间三维漫游?通过脚本控制场景中摄像机的位置?角度等参数，而实现视角的变化?可以通过点击界面菜单按钮来控制方向?旋转，也可以通过鼠标控制?在手机上可以通过触摸屏?重力来控制方向?
图2 系统总体界面
4.2 传感器数据显示
图3 传感器数据
通过软件左侧菜单，能够控制显示不同种类传感器的数据，数据采用HTTP请求的方式进行访问，这样保证了多种平台?多个终端访问的互通性?实时性? 传感器种类包括液位传感器?温度传感器?倾角仪?光纤光栅应变传感器?索力计?gps?风速风向仪?加速度传感器?磁致伸缩传感器?动态称重系统?在软件中，通过传感器的模型?空间位置?动态数据更新来实现传感器数据的展示?
4.3 车辆行驶模拟
图4 车辆模拟
车辆行驶模拟，是指在桥梁场景中，将实际车辆行驶状况通过软件还原出来，达到与摄像头监控画面一致的效果?首先调出车辆行驶控制面板，在控制面板中，能够输入当前以及历史的时间，点击“播放”按钮，车辆就会模拟行驶在大桥上?只所以能够模拟车辆的行驶，是根据车轴车速传感器测得的数据?数据包括采集时间?车速?车重?车型等?在模拟的车辆上，显示了车速与车重的文字，当车速?车重超出范围，则会以红色的字体作为警示?
5 结束语
基于uNITY3d的桥梁健康监测三维软件，诞生于uNITY3d和互联网技术日趋成熟的今天，体现了三维软件的美观性与易用性，网络软件的时效性与互联性?该软件针对桥梁健康监测系统的业务需求，成功运用在多个大型桥梁的健康监测系统中，包括武汉军山长江大桥?武汉二七长江桥?东莞东江大桥?杭州九堡大桥?涪陵长江大桥?南昌洪都英雄大桥?福建琅岐闽江大桥?
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作者简介：王鑫（1984-），男，河南郑州人，软件工程师，工程师，硕士，研究方向：三维软件开发、ANDROID智能手机开发、WEBGIS开发。
作者单位：中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司，武汉 430034；桥梁结构安全与健康湖北省重点实验室，武汉 430034
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