隧道照明設計的軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現的論文
摘要：目前國內外沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對隧道照明設計的軟件。為實(shí)現隧道照明的自動(dòng)化設計，設計一款專(zhuān)業(yè)的隧道照明設計軟件。軟件基于Winform框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。繪圖是軟件的核心功能，其中二維圖形采用GDI+繪制，三維部分使用C#語(yǔ)言封裝下的OpenGL圖形軟件接口實(shí)現。以VisualStudio為開(kāi)發(fā)工具，利用SQLite實(shí)現數據庫設計，軟件能使設計人員快速、準確地制作設計方案，并進(jìn)行仿真模擬。經(jīng)過(guò)測試，軟件整體設計符合規范要求，能有效減少隧道照明設計人員的工作量。
關(guān)鍵詞：隧道照明；照明設計；GDI+；OpenGL
0引言
公路隧道是陸路交通體系中重要的組成部分，隧道照明設計作為光學(xué)、建筑學(xué)、信息學(xué)、交通安全等多個(gè)學(xué)科的交叉課題，是公路隧道設計過(guò)程中極其重要的環(huán)節。隧道照明設計過(guò)程中需考慮亮度、照度、均勻度、功率、可控性及安全性等設計參數[1]�，F階段我國對隧道照明的LED燈具設計與規劃，仍采用傳統散射光的配光設計，一般均為電氣設計工程師代為規劃，沒(méi)有專(zhuān)業(yè)照明設計人員[2]。專(zhuān)業(yè)隧道照明配光軟件是智能隧道技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待滿(mǎn)足的重要需求。針對隧道照明應用設計開(kāi)發(fā)一款專(zhuān)業(yè)軟件，可以方便照明企業(yè)與設計院快速、準確地制作設計方案，以便設計方選擇燈具的配光、功率進(jìn)行燈光布置。本軟件是基于Microsoft。NETFramework開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C#編程語(yǔ)言，基于Winform框架開(kāi)發(fā)的一款標準的Windows桌面應用軟件，其中二維圖形繪制與輸出采用GDI+圖形設備接口，三維部分使用C#語(yǔ)言封裝下的OpenGL圖形軟件接口。軟件功能包括生成隧道的截面圖、截面燈光圖、縱向燈光圖和三維仿真圖，并能進(jìn)行隧道的分段亮度計算，生成隧道布燈圖。該軟件極大簡(jiǎn)化了整個(gè)隧道燈光設計過(guò)程，且整體設計符合規范要求，能有效減輕隧道配光師和隧道燈光安裝人員的工作強度。
1系統設計
1。1系統總體架構（1）總體架構。軟件采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，是基于微軟。netframework框架的Winform桌面應用程序[3]。（2）數據庫架構。采用輕量級的SQLite數據庫，用于存儲用戶(hù)權限信息、燈具信息和文件瀏覽歷史信息等。（3）繪圖與圖像輸出。軟件主要功能是實(shí)現各種仿真和布燈圖的繪制與輸出。繪圖主要是采用C#語(yǔ)言?xún)戎玫腉DI+進(jìn)行繪制[4]，采用C#語(yǔ)言?xún)戎脠D形對象的輸出方法進(jìn)行輸出。（4）三維圖像的生成。軟件的三維圖采用SharpGL控件進(jìn)行繪制。該控件在底層封裝了OpenGL框架，能進(jìn)行三維建模[5]。1。2系統功能模塊設計根據軟件界面劃分的各模塊的主要功能如下：（1）登錄界面。該界面提供登錄功能，用戶(hù)輸入用戶(hù)名和密碼后，登錄系統，系統會(huì )根據用戶(hù)所屬類(lèi)別，加載不同的功能頁(yè)面。同時(shí)還提供瀏覽模式，該模式無(wú)需密碼就能進(jìn)入系統，但是只提供打開(kāi)和瀏覽功能，不能進(jìn)行任何修改。（2）軟件主頁(yè)面。該界面提供打開(kāi)項目與新建項目的功能，點(diǎn)擊相應按鈕即可進(jìn)入相應功能，并且提供打開(kāi)項目歷史記錄的功能，可快速打開(kāi)最近打開(kāi)過(guò)的項目文件。（3）參數輸入界面。該界面的功能是讓用戶(hù)輸入隧道的基本參數、燈具的基本參數和燈具的布置參數還有項目相關(guān)信息等，為后續的仿真與設計提供基本的數據[6]。（4）隧道參數界面。該界面會(huì )展示前一界面輸入的各項參數，如需修改可在此界面進(jìn)行修改。后續也可在此界面展示其它界面中修改的隧道參數。（5）軟件功能主界面。在打開(kāi)項目或者新建項目輸入參數確認后會(huì )進(jìn)入此界面界面左側有一列功能按鈕，點(diǎn)擊相應功能按鈕即可進(jìn)入相應功能，在界面右側顯示相應功能的子界面。（6）隧道截面圖界面。該界面根據隧道基本參數自動(dòng)生成隧道的截面圖，并標注各項基本參數，讓設計者對隧道有基本的直觀(guān)認識。（7）隧道截面燈光圖界面。該界面根據燈具的布置參數自動(dòng)生成隧道的截面燈光仿真圖，用戶(hù)可根據此圖參照設計規范和實(shí)際需求對燈具布置參數進(jìn)行修改以滿(mǎn)足實(shí)際項目需求。（8）隧道縱向燈光圖界面。該界面根據燈具的布置參數自動(dòng)生成隧道的縱向燈光仿真圖，用戶(hù)可根據此圖參照設計規范和實(shí)際需求對燈具布置參數進(jìn)行修改以滿(mǎn)足實(shí)際項目需求。（9）分段亮度計算界面。該界面提供根據隧道照明設計規范自動(dòng)計算的各段亮度值，如果實(shí)際項目中需要對其進(jìn)行調整，可在該界面中完成。（10）布燈圖界面。該界面根據隧道和燈具的各項參數自動(dòng)生成隧道的布燈圖并以矢量圖格式輸出，與布燈相關(guān)的各項參數能在此界面進(jìn)行修改。（11）隧道三維圖界面。該界面支持查看隧道的三維模型。（12）燈具數目統計界面。該界面支持對隧道布燈圖中所使用的燈具規格和數目的統計。（13）權限管理界面。該界面支持對當前用戶(hù)密碼的修改，新建用戶(hù)和重置用戶(hù)密碼等功能。該界面與用戶(hù)權限相關(guān)聯(lián)。只有管理員賬戶(hù)才能使用全部功能。
2系統實(shí)現
為方便設計人員使用，本軟件采用基于C#語(yǔ)言的Winform框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，是一款標準的Windows桌面應用程序，由于軟件功能模塊較多，只選取最核心的功能介紹系統實(shí)現。2。1隧道、燈具和其它輔助類(lèi)建立由于C#是面向對象開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，所以在正式功能算法實(shí)施之前，先要進(jìn)行模型也就是類(lèi)的建立。類(lèi)就是對具有相同數據元素和功能對象的抽象，實(shí)際上就是一種數據類(lèi)型。類(lèi)的構成包括字段和函數。當用戶(hù)新建項目時(shí)，要求用戶(hù)輸入隧道和燈具及燈具布置的相關(guān)參數，隧道參數包括[7]：車(chē)道寬度、左側檢修道寬度、右側檢修道寬度、建筑界限高度、隧道頂高、檢修道高度、隧道長(cháng)度、設計時(shí)速、縱坡、車(chē)道數、洞外亮度、通行方式、設計小時(shí)交通量等。燈具參數包括各分段燈具的功率、光效以及燈具利用系數、養護系數等。燈具安裝參數有基本燈安裝間距、燈具安裝高度、燈具與隧道中線(xiàn)的距離、安裝傾角、投射角、縱向投射角、布燈方式、出入口安裝余量等。對于所需的參數，都封裝到隧道類(lèi)和燈具類(lèi)中，然后再對其中需要處理的數據進(jìn)行方法的封裝[8]。除了兩個(gè)核心類(lèi)，軟件同時(shí)需要建立一些輔助仿真與繪圖的類(lèi)，如三維圖繪制所需的向量計算類(lèi)和攝像機類(lèi)[9]。還有隧道相關(guān)計算需要的隧道工具類(lèi)，管理項目和權限的項目類(lèi)和用戶(hù)類(lèi)等。2。2隧道截面圖與平面配光圖繪制各種二維圖形的繪制與輸出是本軟件的核心功能，采用圖形設備接口GDI+（GraphicsDeviceInterface）進(jìn)行二維圖形繪制。它是一組通過(guò)C++類(lèi)實(shí)現的應用程序編程接口，主要負責在屏幕和打印設備輸出有關(guān)信息。具體編程流程是：先創(chuàng )建一個(gè)圖形對象（Graphics），然后通過(guò)面向對象的編程方式調用它的各種方法，如Draw—Line（Penpen、Pointpt1、Pointpt2），DrawElilpse（Penp、floatx、floaty、floatwidth、floatheight），實(shí)現圖形繪制[10]。對于隧道建筑建模而言，隧道的走線(xiàn)及凈空斷面是模型的關(guān)鍵，走線(xiàn)指決定隧道長(cháng)度及方向隧道縱向的主軸中心線(xiàn)凈空斷面決定隧道的`外形結構。由于燈具屬于隧道內建筑，還需要考慮隧道的建筑界限[11]。根據《公路隧道設計規范》關(guān)于隧道截面設計圖的規定，軟件通過(guò)GDI+接口進(jìn)行編程繪制隧道的截面圖。同時(shí)要根據輸入的燈具布置參數如投射角、安裝傾角燈進(jìn)行隧道配光的仿真，包括截面與縱向燈光的配光仿真，其主要意義是驗證配光的均勻性，同時(shí)使設計能滿(mǎn)足一些其它配光上需要考慮的因素，如隧道配光要求燈光能照射到隧道側壁兩米高的范圍，這樣能通過(guò)側壁反射，提高路面大概10%亮度。2。3隧道分段亮度計算隧道照明是隧道各項設計中一個(gè)重要環(huán)節，通常一個(gè)隧道的最低亮度由其車(chē)流量和設計時(shí)速決定[12]。由于人眼對光學(xué)的適應性是一個(gè)逐步的過(guò)程，所以從交通安全角度上，隧道被分為入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段，從亮度角度而言先逐級遞減，后逐級增加�！豆匪淼勒彰髟O計細則》中對各個(gè)分段的亮度進(jìn)行了詳細的建議性規定，軟件可根據用戶(hù)輸入的參數對隧道進(jìn)行自動(dòng)分段，并根據《公路隧道照明設計細則》計算出各段的亮度值，某些情況下設計師希望改變亮度值，軟件也提供了修改各段亮度的功能，以方便調整后續的布燈操作。2。4隧道布燈圖繪制與輸出隧道布燈圖繪制是該軟件最核心的功能，它能直接指導隧道布燈工作[13]。隧道燈分為基本燈與加強燈，各個(gè)分段都要布置基本燈，基本燈布燈間距可根據規定算出參考值，設計師也可手動(dòng)修改其值，一般除了中間段，其它分段都要布置加強燈，可根據計算出的各段亮度值、燈具的布置系數，結合《公路隧道照明設計細則》中的計算公式進(jìn)行計算：Eav=ηφΜωWS由上式可得出各段的加強燈間距和各段基本燈間距內加強燈的個(gè)數。如果設計師需要修改各段基本燈間距內加強燈的個(gè)數，也可手動(dòng)修改。繪圖時(shí)同時(shí)要考慮隧道的布燈方式，布燈方式主要有：中線(xiàn)布置、中線(xiàn)側偏布置、兩側對陣布置、兩側交錯布置4種，繪制時(shí)可根據實(shí)際需求進(jìn)行選擇，布燈同時(shí)需要考慮一些其它條件，如入口段布燈通常比較密集，可以選擇將入口段的燈具布成兩排，這也是設計師通常會(huì )采用的布燈方式。隧道出口和入口一般會(huì )留有一定的余量不進(jìn)行布燈，繪制布燈圖時(shí)也要考慮該因素[14]。隧道布燈圖要進(jìn)行一些標注，比如要標注各分段名稱(chēng)及其長(cháng)度、各分段加強燈的間距、出入口余量長(cháng)度、行車(chē)方向，同時(shí)還要區分加強燈與基本燈。繪圖時(shí)采用GDI+圖形設備接口進(jìn)行編程，輸出時(shí)采用windows的矢量圖格式emf進(jìn)行輸出，可以方便后期的編輯與使用。2。5隧道三維圖繪制首先運用OpenGL建模功能。OpenGL雖然提供基本的點(diǎn)、線(xiàn)、多邊形的繪制函數與一部分復雜空間體及其組合，然而面對具有復雜三維結構的隧道，無(wú)法直接使用函數進(jìn)行繪制[15]。使用OpenGL以頂點(diǎn)為圖元，以空間多邊形為空間體的各個(gè)面，可以避免凹多面體不能被函數直接表示的問(wèn)題，以基本幾何圖形尤其是矩形為基礎繪制隧道形狀。然后運用OpenGL中的紋理映射、材質(zhì)的光反射設置、環(huán)境光源設置，完成對隧道內地面、檢修道、隧道墻壁的材質(zhì)、紋理等的渲染，使三維場(chǎng)景可以模擬現實(shí)中的隧道外形。OpenGL提供視點(diǎn)變化、視角變換、模型變換、投影變換等函數。利用攝像機類(lèi)中封裝好的的變換可以在模擬隧道中任意改變觀(guān)察者位置，轉變視線(xiàn)方向。利用封裝方法可以初始化自己的視點(diǎn)，指定觀(guān)察角度、方向，也可以靜態(tài)地觀(guān)察圖像。通過(guò)這些方式，可以實(shí)現在模擬隧道中自由漫游，方便對模擬隧道進(jìn)行多角度全方位的觀(guān)察[16]。OpenGL中封裝了計算光照強度和光照方向的算法，其中以平行光和二次衰減光為主，可以利用其確定光源位置、光源屬性等接口完成方法的封裝。通常由于第一個(gè)光源與其它光源有一定設置差距，經(jīng)常被用作整體環(huán)境光源，在本文即為自然光源（洞外亮度L20（S））。完成光源設置后，根據光源的屬性，以及隧道外觀(guān)的材質(zhì)屬性可得到隧道內部呈現的亮度，場(chǎng)景中光強的調節通過(guò)改變光源屬性中的RGBA分量實(shí)現。
3系統測試
軟件安裝后，通過(guò)桌面圖標打開(kāi)軟件，進(jìn)入登錄界面，輸入默認的管理員賬號與密碼，點(diǎn)擊登錄能正常進(jìn)入軟件主界面，當輸入了錯誤的用戶(hù)名或密碼后，將提示密碼錯誤，不能進(jìn)入軟件。進(jìn)入軟件主界面后能選擇是新建項目還是打開(kāi)已保存的項目，還能快速打開(kāi)已記錄的歷史項目。當選擇新建項目后，進(jìn)入參數輸入界面；當輸入符合軟件校驗規則的參數后可進(jìn)入軟件的功能主界面，當輸入的參數不符合預設規則時(shí)，軟件會(huì )給出相應提示。軟件功能主界面默認顯示隧道的屬性頁(yè)面。主界面左側列出各個(gè)子功能界面的按鈕。
4結語(yǔ)
本文設計并實(shí)現了基于C#和Winform框架的隧道照明設計軟件，功能包括生成隧道的截面圖、截面燈光圖、縱向燈光圖和三維仿真圖，并能計算隧道的分段亮度，生成并輸出隧道布燈圖，經(jīng)過(guò)多次測試及工程師試用證明，該軟件能大幅簡(jiǎn)化整個(gè)隧道的燈光設計過(guò)程，且整體設計符合規范要求，能有效減輕隧道配光師和隧道燈光安裝人員的工作量。
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