基于 HT 引擎实现厦门隧道数字孪生系统应用

在交通基础设施数字化升级进程中，隧道作为封闭性强、设备密集、应急要求高的关键场景，传统监控管理模式面临数据孤岛、可视化程度低、应急响应滞后等痛点。为解决上述问题，图扑软件依托自主研发的HT for Web 引擎，构建厦门隧道数字孪生智慧监控平台。该引擎基于 WebGL 与 Canvas 技术，支持 2D/3D 图形轻量化渲染，通过 WebSocket/HTTP 协议实现实时数据对接，结合 JavaScript 脚本调用 API 完成面板数据动态更新，为隧道全场景数字化管控提供技术支撑。

HT for Web 引擎的核心技术优势体现在三方面：其一，采用 B/S 架构设计，无需客户端安装，支持跨终端访问，满足中央控制中心对多隧道远程管控需求；其二，支持 GIS 地图瓦片服务、3DTiles 格式航拍实景数据及城市建筑白模加载，通过 AO 贴图烘焙优化模型阴影关系，在保证场景美观度的同时降低前端渲染压力；其三，提供丰富的可视化交互 API，可快速实现设备状态监控、数据图表展示、应急流程模拟等功能，适配隧道复杂业务场景。

厦门隧道数字孪生系统采用 “感知层 - 传输层 - 平台层 - 应用层” 四层技术架构，各层级通过标准化接口实现数据互通与功能联动，具体架构设计如下：

（一）感知层：多源数据采集与接入

感知层是系统数据的 “源头”，通过部署在隧道内的硬件设备实现多维度数据采集，主要包括三类数据：

设备状态数据：涵盖风机、照明灯具、车道指示器、摄像头、紧急电话等机电设备的运行参数（如风机转速、照明功率）、故障信息（通讯状态、故障代码），通过设备自带的传感器或控制器接口（如 RS485、Modbus 协议）采集；

环境与交通数据：包括隧道内 CO 浓度、烟霭浓度、风向风速等环境参数，以及车流量、平均车速、车道占有率等交通数据，由微波车检器、气体传感器、风向仪等专用设备采集；

视频与事件数据：通过高清摄像头获取隧道内实时视频流，结合智能分析算法生成交通事故、车道拥堵、火灾等事件数据，支持车牌号识别、异常行为检测。

（二）传输层：实时数据交互协议选型

传输层负责将感知层采集的数据安全、高效传输至平台层，系统根据数据类型与实时性要求，选择差异化传输协议：

WebSocket 协议：用于车流量、设备状态、告警信息等实时性要求高（延迟需低于 1 秒）的数据传输。通过建立客户端与服务器的长连接，实现数据双向实时推送，避免 HTTP 短连接的频繁握手开销，确保隧道内设备故障、交通事故等信息可即时反馈至监控平台；

HTTP 协议：用于历史数据查询、设备配置文件下载、静态资源（如 GIS 地图瓦片、3D 模型）加载等非实时性数据传输。采用 RESTful API 设计风格，简化数据请求与响应流程，支持批量数据导出与分析。

（三）平台层：HT 引擎核心功能实现

平台层是系统的 “中枢”，基于 HT for Web 引擎实现数据处理、可视化渲染与业务逻辑整合，关键技术模块包括：

1. 轻量化 3D 场景构建

l 采用 “白模优化 + 细节烘焙” 的轻量化建模策略：首先在专业建模软件中导入隧道及周边建筑的基础白模，通过面数精简、冗余几何剔除等优化手段降低模型复杂度；随后利用 AO 贴图烘焙技术，将模型间的阴影叠加、细节纹理等效果预先烘焙至贴图中，替代实时计算阴影的高资源消耗模式；最后将优化完成的模型及烘焙贴图导入 HT 引擎，通过引擎的渲染优化能力实现低负载、高流畅度的场景展示。

l 支持多源 GIS 数据融合：通过 HT 的 GIS 插件加载城市级地图瓦片，将隧道矢量数据（走势、出入口位置）以绿色流光效果叠加至地图层，结合 2D 面板展示隧道总里程、设备总数等宏观数据，实现 “宏观 - 微观” 场景无缝切换（点击地图隧道图标可下钻至隧道内部 3D 场景）。

2. 实时数据绑定与动态更新

l 采用 “数据驱动视图” 模式：通过 JavaScript 脚本定义数据与可视化组件的映射关系，例如将车流量数据绑定至 2D 折线图，将设备故障状态绑定至 3D 模型颜色（正常为绿色、故障为红色）；

l 数据更新触发机制：当 WebSocket 接收到新数据（如设备故障代码）时，触发回调函数调用 HT API 更新对应组件状态，例如将故障风机的 3D 模型颜色切换为红色，并在 2D 面板弹出告警弹窗。

3.设备统一管控与远程操作

l 设备虚拟化建模：对隧道内风机、广播、ETC 门架等设备进行 3D 虚拟化建模，每个设备模型关联唯一 ID 与属性库（设备编号、桩号、通讯协议）；

l 跨协议设备联动：支持在 3D 场景中点选设备模型，触发远程控制指令（如开启风机、切换照明模式），指令通过 HTTP 协议下发至设备控制器，执行结果实时反馈至平台。

（四）应用层：业务功能技术落地

应用层基于平台层的技术能力，实现隧道运营管理的核心业务功能，各功能的技术实现路径如下：

1.智能巡检漫游

l 路径规划：通过 HT 的ht.Polyline类型节点绘制固定巡检路线（覆盖隧道关键设备点位），支持自由视角漫游（通过鼠标拖拽、滚轮缩放调整视角）；

l 巡检数据同步：漫游过程中，系统自动调用设备状态接口获取实时数据，在 2D 面板同步显示设备健康度评分（基于运行时长、故障次数计算），发现异常设备时触发告警。

2.消防应急可视化

l 多系统数据对接：通过 HTTP 接口对接火灾自动报警系统、疏散指示系统、消防广播系统的后台数据，实时获取火灾位置、烟雾浓度、疏散门状态等信息；

l 应急流程模拟：基于 HT 的动画 API 实现模拟火灾处置流程，例如火灾发生时自动展示风机排烟路径（红色箭头动画）、疏散指示标志闪烁效果，同时在 2D 面板显示应急预案步骤（如关闭左侧车道、开启自动灭火装置），支持点击步骤触发对应设备操作。

3. 告警管理与溯源

l 告警数据聚合：通过 JavaScript 脚本获取 WebSocket 传输的告警数据（按设备类型、告警级别分类），并在 2D 面板中显示，支持按时间范围、处理状态筛选查询；

l 告警溯源跟踪：每个告警事件关联唯一 ID，点击告警记录可调用相关 API ，定位至对应的 3D 设备模型，并在 2D 面板展示告警处理日志（处理人、处理时间、处置结果），实现 “告警 - 定位 - 处置 - 溯源” 全闭环。

三、关键技术难点与解决方案

（一）大场景下的前端渲染性能优化

难点：隧道及周边建筑的 3D 模型面数较多（单条隧道模型面数可达 10 万 +），若直接渲染易导致前端卡顿。

解决方案：

分层渲染与 LOD（细节层次）技术：将场景分为 “远景层”（隧道周边建筑）、“中景层”（隧道出入口）、“近景层”（隧道内部设备），根据视角距离切换模型细节（远景层使用低面数模型，近景层使用高面数模型）；

（二）视频与 3D 场景融合

难点：传统视频监控与 3D 场景分离，无法直观关联视频画面与设备位置。

解决方案：

视频融合嵌入：通过 HT 视频融合技术，将摄像头实时视频流作为纹理贴图，贴附至 3D 场景中对应的摄像头模型视角位置，实现 “场景 - 视频” 一体化展示；

四、技术应用价值

基于 HT 引擎的厦门隧道数字孪生系统，从技术层面实现了三大突破：其一，打破了隧道设备的协议壁垒，实现跨品牌、跨类型设备的统一管控；其二，通过 “3D 场景 + 2D 数据” 的可视化模式，将抽象数据转化为直观视图，降低运营人员的操作门槛；其三，基于实时数据驱动的应急响应机制，提升交通运行安全性。

审核编辑 黄宇