CN102201129B - 一种三维可视化地铁综合管线运营维护系统及维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种三维可视化地铁综合管线运营维护系统，包括依次连接的用户管理模块、数据采集与存储模块及三维建模模块，三维建模模块上还分别连接有运营维护模块及三维显示化模块。采用上述系统进行运营维护的方法，首先从图纸中提取地铁管线数据输入到数据采集与存储模块中；其次三维建模模块根据地铁管线数据建立三维模型，通过三维显示化模块将综合管线及地铁场景以三维立体的效果显示出来，并通过运营维护模块对地铁综合管线进行维护管理。本发明维护系统及维护方法，数据来源正确，解决了图实不符的问题。在统一的管理模式下，通过场景漫游可掌握各专业管线的空间布局。实现地铁场景各层空间及所在所有管线的一体化浏览与控制。

Description

一种三维可视化地铁综合管线运营维护系统及维护方法

技术领域

本发明属于城市轨道综合管线运营维护技术领域，具体涉及一种三维可视化地铁综合管线运营维护系统，本发明还涉及采用上述系统进行三维可视化地铁综合管线运营维护的方法。

背景技术

随着我国城市轨道交通，尤其是地铁建设的不断发展，地铁综合管线规模也日益复杂。作为城市建设的重要组成部分，地铁综合管线一旦建成便具有如下特点：

1.空间位置隐蔽性：地铁综合管线通常敷设在地下或者天花板上层，没有相关施工资料难以确定其具体空间位置。

2.管线系统完整性：地铁综合管线具有完整的系统性，任意一段管线的故障都会影响到整个管线系统的正常运行。

3.管线系统复杂性：地铁综合管线种类繁多，包括通信管线、通风管线、给水管线等数十种甚至上百种不同类型管线，而且不同类型的管线具有不同的属性信息以及空间信息，所以地铁综合管线系统具有异常复杂的管线信息及各种管线之间的空间结构。

4.管线系统结构可变性：一方面随着城市轨道交通的不断完善，地铁车站内的管线或被新建或被移除，另一方面在运营维护期间管线的维修或者更新也在不断的变更中。

基于以上特点，地铁综合管线的维护难度较高，同时如何快速定位、合理分配空间及处理工序冲突问题也是地铁综合管线维护过程中的难点与重点，但是传统的地铁综合管线运营维护技术存在如下弊端：

1.基于二维的静态管理：传统的地铁综合管线运营维护管理系统是基于静态的二维AutoCAD平面图纸管理，但是随着空间应用的要求不断的提高，二维的综合管线管理系统已经无法表达管线实体的空间形态以及各管线之间的空间拓扑关系，对管线的空间定位、查询、漫游等操作也难以实现。

2.图实不符：通常传统管线管理信息系统的数据来源的AutoCAD施工图或者竣工图，但实际中的管线可能因为各种原因其空间位置早已改变，而未在图纸中得到展现。这种图实不符的现象在二次施工中埋下了爆管隐患。

3.缺乏统一的管理：城市轨道管线种类繁多，管线权属单位也不尽相同，但传统的管线管理信息系统通常只针对单一的管线进行管理。在没有统一管理的情况下，管线在维修时极易对其它单位的管线造成破坏，此外对管线与管线之间的腐蚀或干扰情况也难以预料。

4.而基于三维可视化的城市轨道综合管线管理信息系统可以对各种管线、建筑物等实现直观地可视化展示，结合专业的管线维护方案对各专业管线进行数字化管理，这已经是城市轨道综合管线管理信息系统的必然发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维可视化地铁综合管线运营维护系统，解决了现有地铁综合管线运营维护时，二维的静态管理无法表达管线实体的空间形态以及各管线之间的空间拓扑关系，出现图实不符的现象，缺乏统一的管理的问题。

本发明的另一目的是提供采用上述系统进行三维可视化地铁综合管线运营维护的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种三维可视化地铁综合管线运营维护系统，包括依次连接的用户管理模块、数据采集与存储模块及三维建模模块，三维建模模块上还分别连接有运营维护模块及三维显示化模块。

本发明所采用的另一技术方案是，一种三维可视化地铁综合管线运营维护方法，采用三维可视化地铁综合管线运营维护系统，其结构为：包括依次连接的用户管理模块、数据采集与存储模块及三维建模模块，三维建模模块上还分别连接有运营维护模块及三维显示化模块，

具体按照以下步骤实施：

步骤1：从图纸中提取地铁管线数据输入到数据采集与存储模块中；

步骤2：三维建模模块根据步骤1得到的地铁管线数据建立三维模型，通过三维显示化模块将综合管线及地铁场景以三维立体的效果显示出来，并通过运营维护模块对地铁综合管线进行维护管理，维护管理包括：管线信息查询、管线空间定位、管线信息编辑、添加管线、移动管线、图例管理及碰撞检测。

本发明的特点还在于，

其中的步骤2中的建立三维模型，具体按照以下步骤实施：包括地铁场景建模及管线数字化建模，

所述的地铁场景建模采用3Ds Max工具，首先设置3Ds Max的单位与DWG图的单位一样，即按照1∶1的比例尺进行建模，然后导入DWG格式图的地铁房建图，使用3Ds Max工具生成地铁场景模型，然后使用移动命令将场景三维坐标的原点移动至3Ds Max的三维坐标原点处，场景的主体部分采用纹理贴图技术，最后将完成的地铁场景模型用3ds格式的文件保存，供OpenGL调用；

所述的管线数字化建模采用OpenGL技术，管线的形状由存储在关系数据库中的关系类型及规格确定，管线的空间位置由存储在XML文件中的有序坐标序列确定，重复调用OpenGL的图形绘制功能绘制每节管线直到绘制完毕，管线接口根据管线端口的相对距离自动生成，当两节或者三节同规格的管线端口小于0.8米时，根据各管线端口的中点坐标及规格计算出接口长度及大小，调用OpenGL的图形绘制功能在各端口之间绘制与管线相同表现形式的接口。

其中的步骤2中的管线信息查询，具体按照以下步骤实施：

通过用户输入的查询条件，在关系数据库中查询所有满足条件的管线信息，并将查询到的信息以列表的形式提交给用户；

或者，当在三维场景中双击查看某一管线信息时，首先拾取该管线并获取其ID，根据此ID查询关系数据库，获得该管线的属性信息并以窗口的形式显示给用户，当场景的摄像机发生移动，该窗口自动消失。

其中的步骤2中的管线空间定位，具体按照以下步骤实施：在管线信息查询功能的基础上获得所要定位的管线的ID，并依据此ID在XML文件中查询此管线的空间信息，获得此管线起点的空间坐标与终点空间坐标，并计算起点与终点之间的中心点坐标，然后设置场景的摄像机位置为此中心点位置，则场景移动到所要定位的管线中心处。

其中的步骤2中的管线信息编辑，包括属性信息编辑与空间信息编辑，

所述的属性信息编辑具体按照以下步骤实施：获取管线的ID，并依据此ID查询关系数据库并将其所有属性信息以可编辑模式显示给用户，用户对其进行修改编辑，用户编辑完毕并确定后，系统获取修改后的数据，并依据此管线的ID更新关系数据库；

所述的空间信息编辑具体按照以下步骤实施：获取管线的ID，依据此ID查询XML文件，获取其所有空间信息，以可编辑模式显示给用户，用户修改完毕选择确定后系统根据ID修改XML文件并保存。

其中的步骤2中的添加管线，具体按照以下步骤实施：用户输入管线属性信息及空间信息，输入完毕后，系统获取属性信息并将其添加到关系数据库中，获取空间信息添加到XML文件中，并重绘场景显示新添加的管线。

其中的步骤2中的移动管线，具体按照以下步骤实施：

首先获取管线的ID，并查询XML文件，获取其空间位置，并以可编辑方式显示给用户，用户在此基础上输入新的空间位置，确定完后修改XML文件并重绘场景，在更新后的空间中显示此管线；

或者，当用户选择其中一个方向轴时，系统识别此方向所指向的方向，在鼠标拖动的过程中，系统根据鼠标移动的距离计算此管线的原空间位置上发生的偏移，从而得到新的空间位置，将此空间位置写回XML文件中并重绘场景。

其中的步骤2中的图例管理，具体按照以下步骤实施：系统根据用户选择的站层、综合管线类别以及管线名称在关系数据库中查出此管线的图例颜色，并以可编辑方式显示给用户，用户修改此管线的图例颜色后，系统获取修改后的图例颜色并修改关系数据库中此管线的图例颜色信息，然后重绘场景使得该站层中的所有该管线的颜色为更新后的颜色。

其中的步骤2中的碰撞检测，具体按照以下步骤实施：系统根据每段管线的两端点空间坐标，计算出过这两个点所在的空间的直线方程，通过两条管线中轴线之间的最小距离d、两管线半径之和s的大小来判断这两段管线是否发生碰撞，若d＞s，则两条管线未发生碰撞；反之，若d≤s，则管线发生碰撞，提交发生碰撞的管线信息与碰撞位置。

本发明的有益效果是，

1.基于三维的管理：突破了传统管线管理系统基于二维平面的静态管理方式，数据来源正确，解决了图实不符的问题，具有内容更丰富、场景更逼真、图形更直观等特点，满足辅助运营方在管线维护时准确定位、快速查找管线信息，及检测管线空间碰撞等需要。

2.面向综合管线的统一管理：由于管线的信息以数字化的形式存储和管理，所以各专业管线具有统一的管理模式。在统一的管理模式下，通过场景漫游可掌握各专业管线的空间布局，并通过碰撞检测可避免管线之间发生“打架”等损害管线的现象发生。

3.综合管线结合地铁地场景的一体化浏览与控制：实现管线与地铁场景一体化表达，可在地铁各层之间可自由移动，实现地铁场景各层空间及所在所有管线的一体化浏览与控制。场景镜头模式具有全方位自由度，三维空间漫游模式多样灵活，镜头可在地上地下及地铁各层之间进行无缝的切换。

附图说明

图1为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护系统的结构示意图；

图2为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护系统中数据采集与存储模块工作原理图；

图3为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护系统的系统功能模块图；

图4为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中管线与地铁场景的三维建模过程；

图5为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中管线信息查询流程图；

图6为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中管线空间定位流程图；

图7为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中管线信息编辑流程图；

图8为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中添加管线流程图；

图9为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中管线移动流程图；

图10为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中图例管理流程图；

图11为本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法中碰撞检测流程图；

图12为本发明实施例中的管线实例表。

图中，1.用户管理模块，2.数据采集与存储模块，3.三维建模模块，4.运营维护模块，5.三维显示化模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明三维可视化地铁综合管线运营维护系统的结构，如图1所示，包括依次连接的用户管理模块1、数据采集与存储模块2及三维建模模块3，三维建模模块3上还分别连接有运营维护模块4及三维显示化模块5。

用户管理模块1主要负责整个系统的安全和登录，包括用户信息的添加和修改，检查登录用户的合法性及权限等。数据采集与存储模块2为三维建模模块3提供数据支持，同时也是整个系统的正常运行所需数据的主要来源。在三维建模模块3的基础上，在三维显示化模块3中将综合管线及地铁场景以三维立体的效果显示，并提供空间漫游及漫游导航等功能。与三维显示化模块3相结合，运营维护模块4以三维动态的方式对地铁综合管线进行维护管理，运营维护模块4提供了管线信息查询、空间定位、管线信息编辑、添加关系、移动管线、图例管理以及碰撞检测七大功能。系统功能模块图如图3所示。

系统架构中各个模块介绍如下：

(1)数据采集与存储模块2

参见图2，综合管线信息以数字化描述是管线数字化管理的核心，也是三维数字化建模的关键，数据来源主要分两大部分：DWG格式的二维施工图或者竣工图以及实地探测的结果。

从AutoCAD图中提取管线的类型、连续的坐标对(X坐标与Y坐标)、标高、规格等信息。二维坐标对结合标高构成该管线的三维空间坐标。实地探测补充图纸中无法表达的信息(如管线颜色等)，纠正图纸中错误或者过时信息，并通过摄影等技术获取地铁车站场景的外观。

采集完毕的信息分管线空间信息与管线属性信息两部分储存，管线空间信息包括空间坐标等，由XML文件存储；管线属性信息包括管线类型、规格、使用期限、维护周期等，由关系数据库存储。管线空间信息与关系属性信息通过管线ID号关联。

(2)三维建模模块3

三维建模分地铁场景建模与管线数字化建模两部分，如图4所示：

地铁场景建模主要是根据实际的地铁场景制作其三维模型，为综合管线的空间拓扑关系提供最直接的参考。管线数字化建模是根据采集的综合管线信息生成三维动态可管理的管线模型。

地铁场景建模由3Ds Max工具完成，管线数字化模型由OpenGL技术生成，管线的形状由存储在关系数据库中的关系类型及规格确定，其空间位置由存储在XML文件中的有序坐标序列确定，重复调用OpenGL的图形绘制功能绘制每节管线直到绘制完毕。管线接口根据管线端口的相对距离自动生成，当两节或者三节同规格的管线端口小于0.8米时，根据各管线端口的中点坐标及规格计算出接口长度及大小，调用OpenGL的图形绘制功能在各端口之间绘制与管线相同表现形式的接口。

管线模型为数字化模型，可以被选择拾取，并在此基础上进行一系列管理操作。

(3)三维显示化模块5

三维显示化模块5主要将场景建筑、各类管线、附属设备及它们之间的空间关系以三维立体的效果显示或者隐藏，为用户提供一个效果逼真、内容丰富的可视化系统，该模块主要包括三维展现、图层管理及空间漫游及漫游导航等功能。

三维展示：系统通过模型导入功能可以将绘制好的地铁三维场景导入系统场景中，并根据XML配置文件中的空间信息，系统自动调用OpenGL模型绘制函数生成管线模型，最终将地铁场景、综合管线以三维立体的效果展示给用户，形象直观地展示它们之间的空间关系。

空间漫游：本系统提供全方位自由度的场景漫游，包括无碰撞漫游和带有碰撞检测两种漫游模式，操作分为鼠标操作和键盘操作两种。用户可以在三维场景中以漫游的方式查看管线的空间拓扑结构。

图层管理：系统按照用户需求显示或隐藏其指定的场景、管线等模型。当用户仅需要查看某几种管线的空间拓扑结构时，则可以将其它管线及地铁场景隐藏掉，或者当需要查看某类管线在地铁场景中的布局时可以选择将其它管线隐藏，只留该类管线与地铁场景。通过对图层的控制可以方便用户对地铁综合管线进行统一的管理。

漫游导航：即在用户熟悉的AutoCAD平面图上显示用户所在的当前位置，或者用户直接从当前位置跳转的希望到达的位置。当用户在三维场景中漫游时，系统根据用户在三维场景中的空间坐标计算出当前地铁场景的站层，若在地下负一层则显示负一层的AutoCAD平面图，如在地下负二层则显示负二层的AutoCAD平面图，同时计算用户在平面中的位置，并在AutoCAD图中以小红点的形式显示其当前所在的平面位置，小红点随着用户的移动而移动；当用户希望到达AutoCAD图中某一位置时，点击该点，则三维场景直接跳转至AutoCAD图中被点击区域。

本系统采用三维可视化分层管理及动态调度方案。

一方面因为地铁场景模型区域广大，且管线数字化模型数据量庞大，当场景重绘时，如果将场景模型与管线模型一次性全部导入，计算机所要做的计算量过于巨大，会降低系统性能。另一方面，封闭的车站场景及复杂的管线系统结构会限制用户对管线的观察角度，降低系统的实用性，故本系统采用分层管理思想，即按照地铁的站层结构，分层载入场景模型及所在该场景的所有管线数字模型，两层之间的公共模型如电梯、垂直管线等划分到下层模型中，管线模型按照类别分类，各层场景模型及各类管线模型可单独显示或者隐藏；同时，在三维场景中根据场景视角的位置动态调度周围的数据，而并非所有数据都一次性载入系统。采用分层管理及动态调度方案大大提高计算机的运行效率，保证漫游顺畅，提高用户对管线的维护管理效率。

(4)运营维护模块4

运营维护模块4为本发明最为重要的模块，为地铁运营维护方提供地铁综合管线运营维护的方法，通过运营维护模块4可以查询管线信息、进行空间定位、实时更新管线信息、模拟管线移动、检测管线之间是否发生碰撞等，为综合管线的运营维护提供数据支持。

管线信息查询：

系统提供两种查询模式：在条件查询模块中，用户根据管线类型或者名称可以查询到所有满足条件的管线的所有信息，管线信息以列表的形式显示；在三维场景中，用户直接双击要查看的管线，系统弹出信息显示界面，显示该管线的所有信息。用户可查看的管线信息包括管线名称、类型、规格、敷设日期、维护周期、敷设单位、上次维护日期等。信息查询功能方便用户找到自己所需的数据资料，为管线维护提供数据支持。

管线空间定位：

在管线信息查询功能的基础上，当用户查询到所要求的管线后，希望查看其空间位置，则双击此管线在信息列表中的位置，系统根据此管线的空间信息，迅速将三维场景转换到此管线处。空间定位功能方便用户快速找到所要查找管线的空间位置，提高管线维护效率，并能快速确定管线故障范围，降低维护成本。

管线信息编辑：

管线信息编辑主要分为属性信息编辑与空间信息编辑两部分。当在运营维护过程中，管线一旦出现故障并被维修过，其上次维护时间发生变化，其规格与空间位置也可能发生变化，则需要及时地将这些信息反馈到系统中。如果是管线属性信息如上次维修时间或者规格等发生变化，则用户直接调用此模块更新关系数据库中的数据；如果是管线的空间位置发生变化，用户或者直接移动场景中的管线到与实际相符的位置，系统记录该位置，并自动更新XML文件中此管线的空间坐标值，或者用户直接修改XML文件中的数据，系统重新读取数据并绘管线制模型以显示最新的管线空间拓扑结构。

添加管线：

在实际的运营维护期间，运营方根据需要会增加新的管线，如通信管线等，用户调用此模块，选择此管线所属类型，输入基本属性信息(名称、规格、用途、敷设单位、敷设日期及备注信息的等)，以及与实际相符的空间数据。该模块将此管线的基本属性信息作为一个新的记录项插入对应的数据库表中，同时查询该管线所在类的XML文件，并以节点数据的方式插入此新管线的空间坐标对数据，然后绘制新管线模型，将其显示到正确的空间位置。

移动管线：

用来将管线的空间数据修到与实际相符，实现管线空间位置的实时更新。一方面，在运营方通过实际物探发现实际中的管线位置与AutoCAD图所示不符，即图实不符现象，这时候就需要根据物探的结果来修改管线模型在场景中的空间位置，以此解决图示不符的问题。另一方面，运营方根据实际需要，移动了某管线，这时候也需要将移动后的情况及时地反馈回系统。

系统提供了两种管线移动模式：手动模式与编辑模式。手动模式是用户在三维场景中直接拖动管线使管线空间位置发生变化，系统为每段管线的每一端提供了六个自由度的移动。当处于手动模式时，管线端口中心处自动出现六个带箭头的轴，分别指向的方向为：上、下、左、右、前、后，每一个方向的轴代表了这一方向的自由度，用户可以拖动不同的轴以此把管线模型移动到相应方向的位置上，比如拖住向上的箭头拉动管线，则管线的这一端口向上移动，其它方向也是如此，系统记录移动之后管线模型所在的空间位置的数据，并更新到对应的XML文件中。当处于编辑模式时，用户输入此管线的空间数据坐标对数据，包括起始X坐标、起始Y坐标、起始Z坐标、终点X坐标、终点Y坐标以及终点Z坐标，确定后删除原有管线模型，根据新的空间数据重新绘制管线模型，同时查询此管线所在的XML文件，并更新其空间坐标对数据。

图例管理：

形象化显示不同类型的管线，有助于用户对管线的统一管理。为了更好地将错综复杂的管线区分开来，用户需要将不同类型或者处于不同站层的管线用不同的颜色来表示。在此模块中，用户可以根据管线所在的站层、管线种类及名称查看此管线的颜色，并可以将此管线颜色替换为其他不同的颜色。本系统共提供了48种不同的颜色，同时用户也可以根据需要自定义颜色。

管线碰撞检测：

在实际的运营维护过程中经常会遇到管线因布局不合理而造成的“打架”现象，运营维护方对这一问题的解决有着非常迫切的需要。当用户确定进行碰撞检测的管线所在的站层、类别及名称后，系统将所有与其发生碰撞的管线以列表的形式显示给用户。

本发明三维可视化地铁综合管线运营维护方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：从图纸中提取地铁管线数据输入到数据采集与存储模块2中；

步骤2：三维建模模块3根据步骤1得到的地铁管线数据建立三维模型，通过三维显示化模块3将综合管线及地铁场景以三维立体的效果显示出来，并通过运营维护模块4对地铁综合管线进行维护管理，维护管理包括：管线信息查询、管线空间定位、管线信息编辑、添加管线、移动管线、图例管理及碰撞检测。

其中的建立三维模型，具体按照以下步骤实施：包括地铁场景建模及管线数字化建模，

地铁场景建模由3Ds Max工具完成。首先将设置3Ds Max的单位与DWG图的单位一样，即按照1：1的比例尺进行建模，然后导入DWG格式图的地铁房建图，使用3Ds Max工具生成地铁场景模型，然后使用移动命令将场景三维坐标的原点移动至3Ds Max的三维坐标原点处。场景的主体部分如墙壁、地板等为使其逼真采用纹理贴图技术。最后将完成的地铁场景模型用3ds格式的文件保存，供OpenGL调用。

管线数字化建模由OpenGL技术生成。管线的形状由存储在关系数据库中的关系类型及规格确定，其空间位置由存储在XML文件中的有序坐标序列确定，重复调用OpenGL的图形绘制功能绘制每节管线直到绘制完毕。管线接口根据管线端口的相对距离自动生成，当两节或者三节同规格的管线端口小于0.8米时，根据各管线端口的中点坐标及规格计算出接口长度及大小，调用OpenGL的图形绘制功能在各端口之间绘制与管线相同表现形式的接口。管线模型为数字化模型，可以被选择拾取，并在此基础上进行一系列管理操作。

其中的运营维护模块4对地铁综合管线进行维护管理，具体按照以下步骤实施：

管线信息查询：

方法一：通过用户输入的查询条件如管线ID或者名称等，在关系数据库中查询所有满足条件的管线信息，并将它们以列表的形式提交给用户。

方法二：当在三维场景中双击查看某一管线信息时，首先拾取该管线并获取其ID，根据此ID查询关系数据库，获得该管线的属性信息并以窗口的形式显示给用户，当场景的摄像机发生移动，该窗口自动消失，管线信息查询方法流程如图5所示。

管线空间定位：

在管线信息查询功能的基础上获得所要定位的管线的ID，并依据此ID在XML文件中查询此管线的空间信息，获得此管线起点的空间坐标与终点空间坐标，并计算起点与终点之间的中心点坐标，然后设置场景的摄像机位置为此中心点位置(为避免视角进入管线内，摄像机的位置可稍作偏移)，则场景移动到所要定位的管线中心处，如图6所示。

管线信息编辑：

管线信息编辑分为属性信息编辑与空间信息编辑两部分。

1.属性信息编辑：获取管线的ID，并依据此ID查询关系数据库并将其所有属性信息以可编辑模式显示给用户，用户可对其进行修改编辑。用户编辑完毕并确定后，系统获取修改后的数据，并依据此管线的ID更新关系数据库，如图7所示。

2.空间信息编辑：同样获取此管线的ID，依据此ID查询XML文件，获取其所有空间信息，同样以可编辑模式显示给用户，用户修改完毕选择确定后系统根据ID修改XML文件并保存。

添加管线：

在此添加管线模块中，用户输入管线属性信息及空间信息，输入完毕后，系统获取属性信息并将其添加到关系数据库中，获取空间信息添加到XML文件中，并重绘场景显示新添加的管线，如图8所示。

移动管线：

方法一：编辑方式移动管线。首先获取此管线的ID，并查询XML文件，获取其空间位置，并以可编辑方式显示给用户，用户在此基础上输入新的空间位置，确定完后修改XML文件并重绘场景，在更新后的空间中显示此管线，如图9所示。

方法二：手动方式移动管线，当用户选择其中一个方向轴时，系统便可识别此方向所指向的方向，在鼠标拖动的过程中，系统根据鼠标移动的距离计算此管线的原空间位置上发生的偏移，从而得到新的空间位置，将此空间位置写回XML文件中并重绘场景。

图例管理：

在图例管理界面中，系统根据用户选择的站层、综合管线类别以及管线名称在关系数据库中查出此管线的图例颜色，并以可编辑方式显示给用户。用户修改此管线的图例颜色后，系统获取修改后的图例颜色并修改关系数据库中此管线的图例颜色信息，然后重绘场景使得该站层中的所有该管线的颜色为更新后的颜色，如图10所示。

碰撞检测：

系统根据每段管线的两端点空间坐标，计算出过这两个点所在的空间直线(即此管线模型的中轴线)方程。通过两条管线中轴线之间的最小距离d与两管线半径(如果是方口管线则取其端口外接圆的半径)之和s的大小来判断这两段管线是否发生碰撞。若d＞s，则说明此两条管线未发生碰撞。反之，若d≤s，则说明管线发生碰撞，则提交发生碰撞的管线信息与碰撞位置，如图11所示。

由于碰撞检测是一个场景中的所有管线模型进行两两比较的过程，其中涉及管线数据的提取、计算等步骤，而且场景中通常包含数千乃至数万段的管线模型，所以如果一次性计算出所有碰撞结果才返回给用户的话，将会花费很长时间，严重降低系统的性能。为此，本系统采用分批处理的方法，先依次计算比较出若干个(本系统设定为10)发生碰撞的管线对，并以列表的形式提交给用户，用户在此基础上可以查看管线信息，并将场景转移至碰撞位置。当用户处理完毕这一批碰撞管线之后，可以继续下一批的处理。采用分批处理的方法使得系统处理的总延时在用户可接受的范围之内，在满足用户需求的同时提高了系统的性能。

实施例

以西安市图书馆地铁车站并结合图12中所列的部分地铁综合管线为例说明。步骤如下：

步骤①：首先对西安市图书馆地铁站进行实地考察，对照从AutoCAD图纸中提取图12中所述的管线数据。为该地铁的场景建模及综合管线的三维可视化管理提供数据支撑。

步骤②：设计两个数据库表并建立5个XML文件。一个数据库表用来存储风管与水管这两类管线的类信息，另一个用来存储空调送风管、新风管以、排风管、排水管以及污水管的基本属性信息。5个XML文件分别用来存储这5条管线的空间信息与敷设信息。

步骤③：按照图4对西安市图书馆地铁车站建立三维模型。

步骤④：配置系统开发环境，按照图1搭建系统框架，设定空间坐标系为默认坐标系，初步实现三维地铁模型导入及空间漫游功能。

步骤⑤：设置场景光照，实现与步骤②所设计的数据库(包括关系数据库与XML文件)的链接。

步骤⑥：实现图12中所有管线模型绘制模块，即能够调用关系数据库及XML文件中的数据绘制管线模型，并进行单元测试，确定管线的空间位置是否准确。

步骤⑦：完成管线模型拾取功能，并在此基础上完成运营维护模块，如：空间定位、信息查询、添加管线、移动管线、管线信息编辑和碰撞检测等各项功能，并进行单元测试。

步骤⑧：用户管理模块的实现，同样进行单元测试。

步骤⑨：在各功能模块实现的基础上进行集成测试。

以上的每一个步骤都会产生一个相应的开发文档，一方面可以作为系统开发的辅助工具，另一方面有助于系统问题的回溯和系统功能的扩充。

通过以上步骤可以实现一个基于三维可视化的地铁综合管线运营维护管理系统，并且系统具有很强的实用性，能够为地铁综合管线的运营维护起到有效地的辅助作用。

Claims (9)

1.一种三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，采用三维可视化地铁综合管线运营维护系统，其结构为：包括依次连接的用户管理模块（1）、数据采集与存储模块（2）及三维建模模块（3），三维建模模块（3）上还分别连接有运营维护模块（4）及三维显示化模块（5），

具体按照以下步骤实施：

步骤1：从图纸中提取地铁管线数据输入到数据采集与存储模块（2）中；

步骤2：三维建模模块（3）根据步骤1得到的地铁管线数据建立三维模型，通过三维显示化模块（3）将综合管线及地铁场景以三维立体的效果显示出来，并通过运营维护模块（4）对地铁综合管线进行维护管理，维护管理包括：管线信息查询、管线空间定位、管线信息编辑、添加管线、移动管线、图例管理及碰撞检测。

2.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的建立三维模型，具体按照以下步骤实施：包括地铁场景建模及管线数字化建模，

所述的地铁场景建模采用3Ds Max工具，首先设置3Ds Max的单位与DWG图的单位一样，即按照1：1的比例尺进行建模，然后导入DWG格式图的地铁房建图，使用3Ds Max工具生成地铁场景模型，然后使用移动命令将场景三维坐标的原点移动至3Ds Max的三维坐标原点处，场景的主体部分采用纹理贴图技术，最后将完成的地铁场景模型用3ds格式的文件保存，供OpenGL调用；

所述的管线数字化建模采用OpenGL技术，管线的形状由存储在关系数据库中的关系类型及规格确定，管线的空间位置由存储在XML文件中的有序坐标序列确定，重复调用OpenGL的图形绘制功能绘制每节管线直到绘制完毕，管线接口根据管线端口的相对距离自动生成，当两节或者三节同规格的管线端口小于0.8米时，根据各管线端口的中点坐标及规格计算出接口长度及大小，调用OpenGL的图形绘制功能在各端口之间绘制与管线相同表现形式的接口。

3.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的管线信息查询，具体按照以下步骤实施：

通过用户输入的查询条件，在关系数据库中查询所有满足条件的管线信息，并将查询到的信息以列表的形式提交给用户；

或者，当在三维场景中双击查看某一管线信息时，首先拾取该管线并获取其ID，根据此ID查询关系数据库，获得该管线的属性信息并以窗口的形式显示给用户，当场景的摄像机发生移动，该窗口自动消失。

4.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的管线空间定位，具体按照以下步骤实施：在管线信息查询功能的基础上获得所要定位的管线的ID，并依据此ID在XML文件中查询此管线的空间信息，获得此管线起点的空间坐标与终点空间坐标，并计算起点与终点之间的中心点坐标，然后设置场景的摄像机位置为此中心点位置，则场景移动到所要定位的管线中心处。

5.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的管线信息编辑，包括属性信息编辑与空间信息编辑，

所述的属性信息编辑具体按照以下步骤实施：获取管线的ID，并依据此ID查询关系数据库并将其所有属性信息以可编辑模式显示给用户，用户对其进行修改编辑，用户编辑完毕并确定后，系统获取修改后的数据，并依据此管线的ID更新关系数据库；

所述的空间信息编辑具体按照以下步骤实施：获取管线的ID，依据此ID查询XML文件，获取其所有空间信息，以可编辑模式显示给用户，用户修改完毕选择确定后系统根据ID修改XML文件并保存。

6.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的添加管线，具体按照以下步骤实施：用户输入管线属性信息及空间信息，输入完毕后，系统获取属性信息并将其添加到关系数据库中，获取空间信息添加到XML文件中，并重绘场景显示新添加的管线。

7.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的移动管线，具体按照以下步骤实施：

首先获取管线的ID，并查询XML文件，获取其空间位置，并以可编辑方式显示给用户，用户在此基础上输入新的空间位置，确定完后修改XML文件并重绘场景，在更新后的空间中显示此管线；

或者，当用户选择其中一个方向轴时，系统识别此方向所指向的方向，在鼠标拖动的过程中，系统根据鼠标移动的距离计算此管线的原空间位置上发生的偏移，从而得到新的空间位置，将此空间位置写回XML文件中并重绘场景。

8.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的图例管理，具体按照以下步骤实施：系统根据用户选择的站层、综合管线类别以及管线名称在关系数据库中查出此管线的图例颜色，并以可编辑方式显示给用户，用户修改此管线的图例颜色后，系统获取修改后的图例颜色并修改关系数据库中此管线的图例颜色信息，然后重绘场景使得该站层中的所有该管线的颜色为更新后的颜色。

9.根据权利要求1所述的三维可视化地铁综合管线运营维护方法，其特征在于，所述的步骤2中的碰撞检测，具体按照以下步骤实施：系统根据每段管线的两端点空间坐标，计算出过这两个点所在的空间的直线方程，通过两条管线中轴线之间的最小距离d、两管线半径之和s的大小来判断这两段管线是否发生碰撞，若d＞s，则两条管线未发生碰撞；反之，若d≤s，则管线发生碰撞，提交发生碰撞的管线信息与碰撞位置。

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