高速公路三维形象进度管理系统研究
高速公路三维形象进度管理系统
介绍材料
长沙理工大学公路CAD研究所
长沙华科工程系统信息技术公司
2010年3月
目录
一、系统研究目的、意义和必要性 (5)
二、研究目标 (1)
1、项目研究目标及结构组织 (1)
2、系统主要研究成果 (2)
3、能形成的知识产权情况
三、主要研究开发内容………………………………………………
三、系统总体设计 (7)
1、系统目标及总体结构 (7)
2、系统开发技术标准 (11)
3、系统开发环境 (11)
4、数据组织 (12)
四、解决的关键技术及主要创新点 (13)
1、解决的关键技术 (13)
2、主要创新点 (13)
五、系统功能及特点 (16)
1、三维漫游 (16)
2、三维进度显示 (16)
3、三维进度管理与查询 (16)
六、系统的经济、社会效益及推广应用前景 (17)
一、引言
1、项目研究目标及结构组成
“高速公路三维形象进度管理系统”为广东省交通厅2005年科技项目（项目编号2005-18），项目结合广梧高速公路项目建设需要，主要展开对高速公路建设新型项目管理技术的应用，并结合工程建设的需要进行研究，以提高广东高速公路建设的科技含量和提高公路建设信息化管理水平。
该课题由广东云梧高速公路有限公司主持，由长沙华科工程系统信息技术公司、长沙理工大学公路CAD研究所联合组成课题组承担研究工作。具体分工为：
广东云梧高速公路有限公司——总体负责。负责项目申报、项目研究组织、研究大纲审定、现场组织管理、项目研究经费配套、研究进度监督检查、项目成果推广应用、组织项目鉴定验收。
长沙理工大学公路CAD研究所——承当项目研究技术工作。提出项目研究内容、确定项目研究技术方案、制定项目研究大纲、进行项目测试分析、技术协助现场试验、撰写项目研究报告;编制相应模块开发指南；完成主持单位对项目研究委托的相关内容，协助项目成果推广应用和项目鉴定验收。
长沙华科工程系统信息技术公司——承当项目申报和协调工作。组织项目申报、研究大纲审定、项目研究经费配套、研究进度监督检查、项目成果推广应用和项目鉴定验收。
2、项目主要研究成果
(1)完成了对数据量无限制的海量数据的带状三角网快速整体建模程序，并高效、完善的对地物、地形断裂线进行TIN的网形调整，数模内插精度高，构网速度达到了国际同类软件的先进水平。
（2）三维系统开放的数据接口，使系统能够接受目前常见的各种数据源，并且易于扩展，实用性强。
（3）根据公路平、纵、横、设计资料建立公路表面模型。具体做法是根据定义的路基标准横断面逐桩进行“戴帽子”设计，再由两相邻横断面设计线构建面模型，然后再将公路设计面模型与地表面模型-即数字地面模型进行交接拼合以得到组合面模型。
（4）开发了针对海量数据的三维引擎系统，解决了大场景模型显示和操作的技术难点。
（5）三维引擎系统利用深度缓冲区（Z-Buffer）来实现图像空间中的消隐，利用纹理映射原理还原真实感图形。
（6）基于数据库，完成了功能强大的、灵活的图形与数据的双向动态平衡的三维交互系统，三维模型的选择、360度全方位浏览、三维位置的快速跳转，不仅满足工程建设管理的需要，而且为使用者提供了方便快捷的操作方式。
（7）带地面景观的三维道路工程模型快速、准确、客观的反映道路修建后的真实情况。
（8）基于互联网的分布式数据采集解决了高速公路因工程建设地域性广阔而难以采集数据的难点，使系统能得到较好的应用。
（9）数据更新方式灵活，整体的、局部的数据更新。可以对不同的对象或标段调用不同时期的进度。
(10) 历史进度调度功能。为了方便用户查询过往进度，系统提供了历史进度数据载入功能。可以查询以往的进度数据并在三维仿真系统中以图形的形式表现出来。
(11) 系统的网上维护和更新。为了更好和便捷的维护系统，本系统提供了网上更新的功能。当我们对系统进行更新或升级时，用户只要点击更新便能获取最新的数据库和程序。
(12) 为了保障数据的安全，本系统提供了用户及权限管理。每个合同段都有自己用户和密码，每个标段都只能录入和看到自己标段的进度数据。
(13) 系统为用户提供了简捷明了的录入界面和帮助系统，用户基本不需任何培训，通过系统界面基本就能掌握数据的录入。结合系统帮助用户能在短时间内准确无误的掌握进度数据的录入方法。
（14）灵活的自定义信息录入。系统管理者可以根据需要，定制输入信息。并对录入的信息进行查询。例如，系统本身没有提供让各个标段进行进隧道进度的文字报告功能（假设）。管理者只需通过表单设计器添加该项内容，用户通过互联网录入数据时就会要求用户录入该信息。系统提供了该信息录入的界面，并能在信息查询时显示用户录入的该信息。
(15) 用户权限管理功能，系统用户可以针对各个标段对用户的权限进行限制。
（16）所见即所得的智能表单设计，用户可通过智能表单设计器对用户的输入界面进行定义。
（17）由于本系统对公路设计的成果通过全三维的形式表现出来，对公路设计选线方面有一定的参考价值。
二、系统研究目的意义
目前，我国公路建设正处在前所未有的高速发展时期。在大规模的进行高等级公路建设中，工程管理是这项庞大的系统工程的重中之重，直接关系到工程建设质量的好坏。而目前影响我国公路建设工程管理水平和效益的重要因素依然是没有突破传统的管理模式和方法，技术含量相对较低，特别是高科技含量不足，严重的制约了我国高等级公路的发展。
针对当前项目建设管理技术高科技含量不足的问题，研究技术先进可靠、管理方便、简单易用的新型实用成套技术，已是一个急需解决的紧迫课题。
2007年，正在施工建设的广梧高速公路二期工程针对进度管理海量的数据，为提高高速公路建设的高科技含量和项目建设管理的信息化水平，广东云梧高速公路有限公司提出了采用全三维的进度管理方案。鉴于该技术在国内为初步应用，初步审查意见明确提出要结合高速公路建设，对这一新型的进度管理模式进行专题试验和研究。
为了适应广东省公路建设的技术需要，提高公路建设管理的技术含量，节约工程投资，加快工程建设进度，广东云梧高速公路有限公司结合广梧高速公路建设，联合长沙华科工程系统信息技术公司、长沙理工大学公路CAD研究所，对“高速公路三维形象进度管理系统”项目进行系统开发研究。拟通过对工程实际建设过程进行试验研究，开发出一套与工程建设相结合，兼具二维形象进度和三维形象进度的综合管理平台。
因此本项目研究具有重要的现实意义和实用价值，同时将产生显著的社会效益和经济效益。
三、系统总体设计
本系统共分为如下几个子系统模块，由广东云梧高速公路有限公司与长沙理工大学CAD研究所共同开发。
1、系统目标及总体结构
本系统的目标是建立一个集三维漫游、三维进度显示、三维进度管理与查询、多媒体动画及三维模型的观察和显示等功能为一体的公路三维进度管理系统。在系统的开发过程中，始终体现面向用户、面向工程的思想，并尽可能的反映有关最新科研成果和计算机技术的发
展水平，追求系统的实用性、先进性，以满足工程实际应用的需要。（1）系统目标
三维漫游
·利用虚拟现实技术，结合现有的真实地形数据和高速公路完整设计资料，构建出设计完成后的“广梧”高速公路场景。
·提供道路真实场景的交互与查询，用户可以选择自动式或者交互式的方式进行道路三维漫游。
·对于自动式漫游而言，用户只能以预设好的线路进行漫游。
·交互式漫游可以利用有关知识和经验操作交互设备（如鼠标、键盘），进而操纵屏幕中的照相机在三维中定位，并允许用户在界面上进行定位查询公路相关构造物信息以及公路的进度信息。
三维进度显示
·对于路基，系统通过对填挖方高程的判断来进行三维进度表现。
·对于隧道以及路面，系统通过对工程完成的起止桩号的判断来进行三维进度表现。
·对于桥梁，系统通过桥梁各组成部分的名称的判断来进行三维进度表现。
三维进度录入管理与查询
·为了保障数据的安全，本系统提供了用户及权限管理。每个合
同段都有自己用户和密码，每个标段都只能录入和看到自己标段的进度数据。
·系统为用户提供了简捷明了的录入界面和帮助系统，用户基本不需任何培训，通过系统界面基本就能掌握数据的录入。结合系统帮助用户能在短时间内准确无误的掌握进度数据的录入方法。
·灵活的自定义信息录入。系统管理者可以根据需要，定制输入信息。并对录入的信息进行查询。例如，系统本身没有提供让各个标段进行进隧道进度的文字报告功能（假设）。管理者只需通过表单设计器添加该项内容，用户通过互联网录入数据时就会要求用户录入该信息。系统提供了该信息录入的界面，并能在信息查询时显示用户录入的该信息。
·用户权限管理功能，系统用户可以针对各个标段对用户的权限进行限制。
·所见即所得的智能表单设计，用户可通过智能表单设计器对用户输入界面进行定义。
·进度数据更新，当三维进度系统需要更新数据时，从服务器获取最新的进度数据，并在三维进度系统中把各标段输入的进度信息以图形的形式表现出来。
·灵活的更新方式、整体的、局部的数据更新。可以对不同的对象或标段调用不同时期的进度。
·历史进度调度。为了方便用户查询过往进度，系统提供了历史进度数据载入功能。可以查询以往的进度数据并在三维仿真系统中以
图形的形式表现出来。
·系统的网上维护和更新。为了更好和便捷的维护系统，本系统提供了网上更新的功能。当我们对系统进行更新或升级时，用户只要点击更新便能获取最新的数据库和程序。
·基于互联网和本地的数据更新。当我们在外演示或交流时可能并不方便上网。用户可以先下载最新的进度，然后在本地模式下运行。可以进行所有的系统操作，也可调取任意时刻的进度数据并显示。
三维模型的观察和显示
·全景方式：公路及沿线山体、河流及相关物体都以纹理贴图的方式显示。展现公路修筑完成后的景象。
·网格方式：以三角网格线的方式显示高速公路及沿线的山体。
·设计及进度方式：高速公路以黑色背景加白色网格线的方式显示，山体、河流、及其他相关物体以全景方式显示，展现公路的设计模型。在进度显示时，修筑完成部分以贴图的形式展现。
全景浏览网格浏览进度浏览
（2）系统结构
本系统的总体框架由三层组成（图1），分别为后台数据库、系统管理层、前端应用层。
图1 系统总体结构示意
2、系统开发技术标准
交通部CAD工程软件规范
公路工程技术标准
公路线路设计规范
公路路基设计规范
公路桥涵设计规范
信息产业部颁布的《软件产品管理办法》
《JSPTC软件产品登记测试规范》
《信息技术软件产品评价质量特性及其使用指南》
《公路工程质量检验评定标准》
3、系统开发环境
·硬件：
微机(最低配置：CPU1.8G以上，内存：1G以上，硬盘：40G
以上，图形加速卡)
大屏幕显示器
·软件：
服务器端：Windows 2003 企业版+Sp1，DotNet FrameWork2.0框架，IIS6或IIS7+SQL Server2005 图形系统：AutoCAD 2004, Autodesk 3ds Max8
开发工具：Visual C++6.0, Visual Basic 6.0, .net2.0
4、数据组织
根据各模块的特点、各模块之间的关系、以及各模块的相对独立性，考虑到数据的共享及数据处理的效率，本系统采用数据库及文件的形式组织数据及其传递。采集并整合各类涉及“广梧”高速公路建设的基础数据，形成完备高效的公路建设信息数据库。本系统涉及的数据大致分为两大类，即场景以及构造物的空间数据和属性数据。空间数据包括公路路面、构造物等的三维模型数据。属性数据包括公路及各构造物的名称及实时进度信息等。根据公路的属性数据特征，数据库中属性数据记录采用里程桩号和构造物名称作为定位坐标。
公路数据库中的空间数据分为道路路线、桥梁、隧道、互通等。将各种生成的桥梁、隧道、路基等三维模型数据文件与实际地形三维模型数据组装成分段的高速公路三维模型。同时建立属性数据和空间数据的关联信息，并保存至本地或者相应的数据库中。
四、解决的关键技术及主要创新点
1、解决的关键技术
(1)地形点的粗差检测与删除是影响建模精度的最主要原因之一。本课题基于统计学原理，创造性的提出采用地形模拟的方法检测并剔除粗差点，有效的保证了地形原始数据的正确和可靠。
（2）完善和改进了不规则三角网构网的动态插入算法，提出了动态维护拓扑关系技术，系统的构网速度较常规算法提高3-5倍。
（3）针对海量数据的特点，运用了背面消影、大规模图形LOD 等优化三角格网的技术，保证了系统在数据处理、构网、渲染、运动处理等过程的高速度。
（4）运用了多重纹理映射技术，使得物体表面含有大量丰富的纹理细节，增强了场景的真实感，丰富了视觉效果。
（5）双缓冲技术使图象转换更平滑，屏幕无闪烁。反走样技术的应用消除了由于以离散点生成图形和曲线所带来的锯齿现象，提高了画面质量。
（6）针对系统的需要，利用OpenGL给我们提供的GLU 函数gluUnProject()，计算出拣选射线，从何实现选择物体的功能。
（7）通过开发三维引擎数据接口和数据输入端进行数据对接，从而实现三维进度的实时显示。
2、主要创新点
（1）首次将工程进度通过虚拟现实技术进行三维表现，同时将各种图文资料和数据与三维工程对象关联。
（2）本系统是基于OpenGL、先进的游戏技术、专业图形显卡和WEB技术的项目建设进度管理的三维可视化解决方案，用户可以在任何时间、任何地点通过浏览器来查看报表、通过三维引擎查看各工程对象的三维进度。
（3）系统严格遵循主流数据仓库理论规范。在经典的二维形象进度方面，完全覆盖国内同类产品。在三维进度方面，属于国际先进水平，是唯一一套能同时提供完整二维形象进度和三维形象进度的综合平台。
五、系统功能及特点
本系统由三维漫游、三维进度显示、三维进度管理与查询、多媒体动画、三维模型的观察和显示等几个主要部分组成。系统的开发紧密结合工程建设的需要，尽可能反映有关的最新研究成果和计算机技术发展水平，以其实用性、先进性为目标。系统具有如下主要功能和特点：
1、三维漫游
利用虚拟现实技术，结合现有的真实地形数据和高速公路完整设计资料，构建出设计完成后的“广梧”高速公路场景，提供道路真实场景的交互与查询，用户可以选择自动式或者交互式的方式进行道路三维漫游。对于自动式漫游而言，用户只能以预设好的线路进行漫游。而交互式漫游可以利用有关知识和经验操作交互设备（如鼠标、键盘），进而操纵屏幕中的照相机在三维中定位，并允许用户在界面上进行定位查询公路相关构造物信息以及公路的进度信息。
2、数据查询
在三维漫游时，我们可以通过点击路边的构造物以及标识牌调出有关于该路段的工程进度信息。此外配合整个系统中的位置（桩号、桥梁、隧道）跳转功能，对虚拟场景进行浏览的快速定位操作。
3、进度管理
作为本系统的主要用途，“进度管理”功能必不可少，为了能够通过三维系统真实再现公路工程的进度，我们将本系统与数据库相连接，同时为各个要体现进度的对象依次建立数据表。数据表根据对象
类别的不同设置不同的表结构，达到公路工程建设的需要。由于公路工程建设地域广阔，数据类型多样，所以必须提供一个工程进度数据录入接口。考虑到现实的可操作性，我们通过B/S客户端将各标段分别建立用户，用户只需通过互联网登陆系统即可将进度数据方便快捷的上报到中心数据库。
六、系统的社会、经济效益及推广应用前景
我国传统的公路建设管理方式方法主要存在两个方面的问题：一方面是人工采集数据，中间环节多、出错率高、效率相对较低，是影响工程建设质量和建设周期的主要因素。另一方面，公路建设质量的好坏、效益高低主要取决于设计方案的优劣和管理手段和方法的先进性，传统的进度管理多采用报表形式，数量多，分析和整理工作相当繁琐。传统的进度管理手段和方法已成为工程管理过程中的一个瓶颈和难点，不适应目前公路建设发展的需要。
本系统是基于虚拟现实技术的三维形象进度管理系统。在建立数字地面模型和公路三维场景的基础上，将三维模型转入OpenGL程序以实现人机交互控制，同时可以根据客户的需要定制各种基于工程进度管理需要的各种数据及信息。该系统的应用，将彻底改变目前的工程进度管理的手段和方法，它不仅能最大限度的减少人工整体工作的复杂度和出错率，更重要的是管理者能通过本系统直观的了解到公路建设情况。这是真正意义上的三维进度管理软件，它的应用对提高工程建设质量和效率具有重要意义。
目前计算机在公路建设领域得到普及，计算机硬件发展达到了一定的水平，能够满足海量数据系统的运行，本系统在公路建设领域大规模推广应用已是最佳时机。目前，该系统已在高速公路建设中得到成功应用，产生了显著的社会效益和经济效益，随着我国公路建设事业的持续发展，该系统有广阔的推广应用前景。