1、引言
高速公路是一個(gè)國家現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，而高速公路的信息化建設(shè)則是實(shí)現(xiàn)高速公路現(xiàn)代化管理最重要的基礎(chǔ)支撐。在高速公路建設(shè)過程中，做到如何對
工程建設(shè)的宏觀到微觀的管理一直困擾著高速公路建設(shè)管理人員。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，目前，這一問題已能得到較好的解決。
在廣深沿江高速公路（深圳段）建設(shè)項(xiàng)目根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際需要，開發(fā)并應(yīng)用了基于三維圖形技術(shù)的高速公路三維可視化項(xiàng)目管理系統(tǒng)。系統(tǒng)做到了對整個(gè)工程項(xiàng)目的宏觀管理，同時(shí)也能對工程建設(shè)中各構(gòu)件的微觀管理。系統(tǒng)摒棄了以往采用文字、表格的形式對項(xiàng)目進(jìn)行“三控（投資控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制）三管（合同管理、工程信息管理、安全管理）一協(xié)調(diào)”，采用形象、直觀的三維圖形技術(shù)實(shí)現(xiàn)對工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、工程信息的管理，實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)全方位管理，同時(shí)也能擴(kuò)充功能實(shí)現(xiàn)對投資、合同、安全的管理。
2、三維圖形技術(shù)
三維圖形技術(shù)是圖形生成和圖像理解相結(jié)合的一種新技術(shù)，它賦予了人們一種仿真的、三維的并且具有實(shí)時(shí)交互的能力，尤其是以可視化圖形技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維仿真技術(shù)及科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)，它們的發(fā)展及其相互結(jié)合使人類認(rèn)識(shí)和駕馭世界的技能得到了極大的延伸[1]。三維圖形技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療衛(wèi)生、航天、藝術(shù)、石油勘探、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、水利工程、電子游戲、廣告和電影制作等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，三維圖形技術(shù)已無所不在，已成為虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)仿真及交互三維設(shè)計(jì)等許多重要應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。三維圖形技術(shù)的日趨成熟，人們使用計(jì)算機(jī)開始從二維向三維圖形技術(shù)過渡。
在高速公路建設(shè)行業(yè)中，三維圖形技術(shù)目前已經(jīng)涉足到了高速公路的勘測設(shè)計(jì)中，而在高速公路建設(shè)管理中涉及甚少。面對高速公路建設(shè)過程中一般的MIS系統(tǒng)或基于GIS的二維項(xiàng)目管理系統(tǒng)難以形象直觀展現(xiàn)工程設(shè)計(jì)情況和施工進(jìn)展情況、難以體現(xiàn)工程實(shí)體的空間關(guān)系、工程信息查閱及其困難等問題[2]，采用面向?qū)ο蟮娜S圖形技術(shù)建立高速公路三維圖形模型能較好的解決以上問題，并為業(yè)主、監(jiān)理、施工單位技術(shù)人員提供掌控工程進(jìn)度、工程投資、工程質(zhì)量、工程信息的技術(shù)手段。
3、三維圖形技術(shù)應(yīng)用
三維圖形技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在三維設(shè)計(jì)信息管理、三維形象進(jìn)度展示、三維進(jìn)度數(shù)據(jù)管理、工程技術(shù)資料查閱、三維漫游、三維模型的觀察和顯示等幾個(gè)方面。
3.1設(shè)計(jì)信息管理
設(shè)計(jì)信息管理主要包括施工圖設(shè)計(jì)信息和變更信息。當(dāng)前高速公路的勘測設(shè)計(jì)已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，然而數(shù)字化的設(shè)計(jì)成果在施工建設(shè)管理中尚未得到充分的利用，勘測設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)成果以紙質(zhì)圖表為主提交給施工單位。系統(tǒng)中，以勘測設(shè)計(jì)數(shù)字化成果為基礎(chǔ)，疊加施工建設(shè)管理信息，通過三維數(shù)字建模，實(shí)現(xiàn)了高速公路沿線地形圖、路線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（平、縱、橫）、構(gòu)造物設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（橋梁、
隧道、涵洞）的三維圖形化管理，構(gòu)件一個(gè)三維圖形化、可視化的三維操作平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)勘測設(shè)計(jì)、施工建設(shè)管理數(shù)字化信息的集成與共享，如圖1所示。
高速公路建設(shè)項(xiàng)目涉及的面比較廣，路基形式、涵洞形式，橋梁墩柱、預(yù)制箱梁、現(xiàn)澆箱梁、鋼箱梁斷面形式多樣，每一構(gòu)件都有其復(fù)雜的幾何模型，在經(jīng)過業(yè)務(wù)計(jì)算處理后都得到了充分的體現(xiàn)。變更設(shè)計(jì)信息在系統(tǒng)中更新模型數(shù)據(jù)后，也得到了及時(shí)的展現(xiàn)。同時(shí)系統(tǒng)中將各構(gòu)件的設(shè)計(jì)文件、圖紙與三維圖形工程實(shí)體進(jìn)行了關(guān)聯(lián)管理，在施工過程中，通過三維圖形可以查閱其設(shè)計(jì)文件和圖紙，不需再頻繁的翻閱圖紙，查閱方便快捷。
3.2三維形象進(jìn)度展示
在傳統(tǒng)的工程進(jìn)度管理中，一般采用橫道圖、墻壁縱斷面掛圖的形式來體現(xiàn)工程的進(jìn)度情況，而在三維系統(tǒng)中采用填實(shí)的方式來體現(xiàn)工程的進(jìn)度情況。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)度數(shù)據(jù)建模形成進(jìn)度模型，形象、直觀地三維圖形展現(xiàn)工程進(jìn)度。做到了與工程現(xiàn)場的進(jìn)度一致，同時(shí)形成了施工進(jìn)度臺(tái)帳和匯總統(tǒng)計(jì)表，實(shí)現(xiàn)了工程各層次的工程進(jìn)度管理，可以了解到整個(gè)項(xiàng)目、各施工合同段、構(gòu)造物、單構(gòu)件的工程進(jìn)度情況，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的宏觀到微觀的工程進(jìn)度管理，不需再奔波于現(xiàn)場也能對工程進(jìn)度了于指掌，同時(shí)也能通過形象進(jìn)度的完成情況來掌控各構(gòu)件檔案資料的整理情況，做到工程進(jìn)度完，竣工資料整理完成，實(shí)現(xiàn)資料整理與工程進(jìn)度同步完成，有效監(jiān)管理各監(jiān)理、施工單位竣工資料的整理。
在三維圖形的具體體現(xiàn)形式上體現(xiàn)為三種：（1）竣工完成后的三維展現(xiàn)，通過此方式，在施工過程中可以查看到竣工后的三維情況。（2）設(shè)計(jì)與進(jìn)度相結(jié)合的展現(xiàn)方式，采用線框形式體現(xiàn)設(shè)計(jì)情況，同時(shí)采用實(shí)體展示進(jìn)度情況，二者結(jié)合能進(jìn)行施工進(jìn)度與設(shè)計(jì)對比，從而體現(xiàn)出距離設(shè)計(jì)目標(biāo)有多遠(yuǎn)。（3）按工程實(shí)際完成情況體現(xiàn)工程進(jìn)度，在三維圖形中只顯示工程的實(shí)際完成，此方式與工程現(xiàn)場情況相同。
3.3三維進(jìn)度數(shù)據(jù)管理
為了能夠通過三維系統(tǒng)真實(shí)展現(xiàn)公路工程的進(jìn)度，在服務(wù)器中心建立了數(shù)據(jù)庫來管理工程進(jìn)度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與工程進(jìn)度數(shù)據(jù)庫相連接，同時(shí)為各個(gè)要體現(xiàn)進(jìn)度的工程對象依次建立數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表根據(jù)工程類別的不同設(shè)置不同的表結(jié)構(gòu)，達(dá)到高速公路工程建設(shè)的需要。由于高速公路工程建設(shè)地域廣闊，路線長，工程類型多樣，所以必須提供一個(gè)工程進(jìn)度數(shù)據(jù)錄入接口?？紤]到現(xiàn)實(shí)的可操作性，通過客戶端將各合同段分別建立用戶，用戶只需通過互聯(lián)網(wǎng)登陸系統(tǒng)即可將進(jìn)度數(shù)據(jù)方便快捷的錄入到管理處中心數(shù)據(jù)庫，各三維瀏覽端用戶實(shí)時(shí)更新三維圖形展示工程形象進(jìn)度。
3.4工程技術(shù)資料管理
三維圖形對象具有可操作性，在三維圖形中可以對其進(jìn)行圖形選擇，因此為了解工程的資料情況帶來了極大的方便性，做到了“想了解什么就能了解到什么”。工程資料來源由兩大部分組成，一部分來自本系統(tǒng)自身管理的工程文檔，包括與工程實(shí)體相關(guān)的設(shè)計(jì)資料、影像資料等，另一部分來自試驗(yàn)、質(zhì)量評(píng)定系統(tǒng)產(chǎn)生的質(zhì)檢資料。三維圖形工程實(shí)體與工程劃分中的各構(gòu)件建立了對應(yīng)關(guān)系，因此可通過三維圖形追溯工程劃分構(gòu)件的質(zhì)檢資料并返回，從而實(shí)現(xiàn)通過圖形查閱工程質(zhì)檢資料，而設(shè)計(jì)資料、影像資料直接與圖形關(guān)聯(lián)的，因此可直接點(diǎn)擊圖形查詢。
3.5三維漫游
利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖形技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的高速公路沿線真實(shí)地形數(shù)據(jù)和高速公路完整設(shè)計(jì)資料，根據(jù)設(shè)計(jì)變更及時(shí)更新模型，構(gòu)建出設(shè)計(jì)完成后的高速公路三維場景，提供道路真實(shí)場景的交互與查詢，用戶可以選擇自動(dòng)式或者交互式的方式進(jìn)行道路三維漫游。對于自動(dòng)式漫游而言，用戶以高速公路中線為漫游線路進(jìn)行漫游。而交互式漫游可以利用操作交互設(shè)備（如鼠標(biāo)、鍵盤），進(jìn)而操縱屏幕中的照相機(jī)在三維中定位，并允許用戶在界面上進(jìn)行定位查詢公路相關(guān)構(gòu)造物信息、工程進(jìn)度信息以及工程資料，即可以對三維圖形工程實(shí)體進(jìn)行操作。在虛擬的世界中，我們可以任意角度，任意比例的觀看我們所感興趣的內(nèi)容，絲毫沒有束縛之感，做到“想看那里就看那里”，猶如其身臨其境。
3.6三維圖形技術(shù)特點(diǎn)
（1）與傳統(tǒng)沙盤、靜態(tài)效果圖、三維動(dòng)畫的方式來展示設(shè)計(jì)成果，具有其可操作性。
傳統(tǒng)沙盤在于其空間的限制性太大，不足以體現(xiàn)出整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)；靜止的效果圖只能向觀看者展示項(xiàng)目的某一個(gè)或某幾個(gè)方面，對觀看者提出的其他問題與要求必須以相近的圖像或文字加以說明，運(yùn)作起來不直觀、不全面，具有相當(dāng)大的局限性；動(dòng)畫演示在一定程度上彌補(bǔ)了靜止畫面的不足之處，聲音與動(dòng)畫同步播放，生動(dòng)細(xì)致。但是嚴(yán)格意義上講，這種瀏覽演示方式只是用于設(shè)計(jì)成果的演示，并只能按規(guī)定的路徑漫游，而對于典型的工程項(xiàng)目則缺少應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)性、靈活性與客觀性。這三種方式都不具備操作性，而三維可視化管理系統(tǒng)采用的是矢量圖形，能對其進(jìn)行任意比例的縮放、任意角度的觀看，可從多角度了解工程的設(shè)計(jì)、進(jìn)度情況等，同時(shí)能對圖形進(jìn)行選擇操作，為工程資料的查閱提供了便捷的手段。
?。?）與傳統(tǒng)的MIS、二維GIS系統(tǒng)比較具有直觀、形象和豐富性等特點(diǎn)。
傳統(tǒng)的MIS（管理信息系統(tǒng)）僅僅采用文字、表格、直方圖、餅圖的形式來展示工程信息，而三維圖形系統(tǒng)確恰恰能做到形象、直觀展示工程。二維GIS（地理信息系統(tǒng)）系統(tǒng)則只是采用二維的圖形表達(dá)工程平面情況，而不是三維立體的，不能體現(xiàn)出構(gòu)造物的空間幾何關(guān)系，具有很大的片面性和局限性，三維圖形卻彌補(bǔ)了其不足，充分、完整的體現(xiàn)了工程的實(shí)際情況。同時(shí)三維圖形其完整性，恰恰也豐富了工程的各種信息的查閱、檢索與利用。
4、三維圖形技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展
計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)在高速公路建設(shè)行業(yè)發(fā)展給工程的全過程施工管理帶來了一種全新的方法，給工程行業(yè)提供一種先進(jìn)的技術(shù)，給工程技術(shù)人員的工程管理帶來了質(zhì)的飛躍，由原來的手工計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的圖型建模，計(jì)算過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，是信息化管理工作方式的巨大轉(zhuǎn)變，工作效率得到很大提高。三維圖形技術(shù)在整個(gè)建筑行業(yè)的不斷完善，使建設(shè)項(xiàng)目管理工作變得容易，將真正實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的工程項(xiàng)目管理信息化。將三維圖形技術(shù)拓展到高速公路后期養(yǎng)護(hù)、維修、運(yùn)營管理中將全面實(shí)現(xiàn)交通行業(yè)的三維信息化管理。
