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研究生： 鄒昌佑
Chang-You Zou
論文名稱： 應用視覺化技術於隧道異狀輔助判釋之初探
A Preliminary Study on Using Visualization for Aiding Tunnel Anomaly Diagnoses
指導教授： 謝佑明
Yo-Ming Hsieh
口試委員: 陳鴻銘
Hung-Ming Chen
王泰典
TAI-TIEN WANG
楊元森
Yang Yuan-Sen
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 139
中文關鍵詞： 隧道檢監測 、隧道異狀輔助判釋 、雲端資料庫 、視覺化 、電腦繪圖 、虛擬實境
外文關鍵詞： tunnel inspection and monitoring, computer-aided anomaly diagnoses, cloud computing based database, visualization, computer graphics, virtual realit
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    • 隧道檢監測的資料在維護隧道安全與進行異狀判釋為重要參考依據，因此資料的保存極為重要，需要能夠長期運作且可靠的保存資訊管理系統，以達到永續運作與資料可保存的目的。且現行之隧道異狀判釋主要依據平面隧道襯砌展開圖進行判讀，需要考驗判讀者的空間與記憶能力，且當多人對於資料認知不同時，容易產生溝通之問題。

    欲解決這些這些問題，本研究建立一隧道管理資訊系統，能夠管理龐大的資料並能夠維持穩定的服務水準。建置完成後將其利用為案例資料庫，透過收集隧道之基本幾何資料、地形資料與檢監測資料，建立隧道異狀輔助判釋系統，協助使用者能夠以虛擬實境的方式走入隧道內部以了解檢監測資料以及其在立體空間中的分佈，以輔助隧道異狀的判釋，並在未來累積案例資料後亦能作為隧道檢監測教育訓練之案例教學與異狀診斷平台。

    本研究透過MongoDB雲端資料庫管理系統作為基底，儲存本研究所使用的研究案例，並針對資料庫存取的共通模式使用PHP撰寫程式，並解析JSON格式，自動產生C++程式之資料存取介面。再透過Qt類別庫開發使用者介面以達到友善的使用者與資料庫互動介面，最後使用VTK繪圖類別庫，將隧道之基本幾何資料、地形資料與檢監測資料進行融合後呈現，並建立使用者與呈現資料之間的操作互動方式，最終達成應用視覺化技術於隧道異狀輔助判釋系統之初探。

    The data from tunnel inspection and monitoring are essential reference for maintaining tunnel safety and aiding tunnel anomaly diagnoses. Therefore, having a reliable information system for long term data storage is important. The current practice for diagonising tunnel anomalies is done by experienced engineers using 2D lining surface map. Such representation lacks 3D spatial information, and interpreting such information exercises readers’ ability on memorizing data and fusing data in 3D space. Such ability varies from men to men, thus disagreement often occurs during their communication.

    This work develops an information system for managing tunnel data, including inspection data, monitoring data, and terrain data. The system is capable of managing large amount of data with reliabile operations through the use of cloud-based database management system. The managed data is presented to users through virtual reality to help viewers understand data and their spatial distribution. The VR-based visualization aids users interpret data and identify anomalies in tunnel linings. The system can also facilitate communication between different viewers. Once sufficient cases are collected in the system, it can also be used for training purposes.

    The system is developed in C++ and users MongoDB, a cloud-based database management system, for data storage. The system has graphical user interface developed with Qt class library and visualization done using VTK. Furthermore, code generators were created using PHP to generate C++ classes for accessing MongoDB.

    論文摘要 II ABSTRACT IV 誌 謝 II 目 錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2研究目的 3 1.3論文架構 5 第二章 文獻回顧 7 2.1隧道檢監測作業情況 7 2.1.1隧道檢監測現況 7 2.1.2隧道執行檢監測的方式 9 2.2隧道常見的監測數據與異狀 13 2.2.1隧道監測的記錄方式 13 2.2.2隧道內的異狀與產生的原因 15 2.3隧道維護管理資訊化現況 17 2.4雲端資料庫技術 21 2.4.1NoSQL資料庫管理系統 23 2.4.2常見的NoSQL Database 23 2.4.3 MongoDB資料模式設計 27 2.5虛擬實境與視覺化技術 28 2.5.1虛擬實境之特性與分類 28 2.5.2虛擬實境視覺化技術於營建工程上之應用 30 第三章 研究方法 33 3.1研究流程 33 3.2 MONGODB雲端資料庫系統 39 3.2.1 MongoDB基本用法 40 3.2.2 MongoDB C++ API 41 3.3 QT FRAMEWORK 43 3.3.1 Qt使用者介面開發 43 3.3.2 Qt Signal與Slot機制 46 3.4 VTK類別庫 47 3.4.1 VTK視覺化設計流程 47 3.4.2 VTK特殊類別 49 3.4.3 VTK Widgets與Events 51 3.5 QT與VTK的結合 53 第四章 視覺化與操作介面設計 55 4.1隧道與DEM模型於三維空間之呈現 55 4.1.1 DEM模型資料解析與建立 56 4.1.2隧道線型資訊與斷面資料整合與建立 59 4.2視覺化輔助檢監測資料記錄的設計 66 4.3輔助檢測記錄標示功能建構於三維環境中之呈現 69 4.4三維互動式資料探索系統操作設計 72 4.4.1 DEM模型可視範圍與顯示資料之設計 72 4.4.2隧道內部移動模式 75 第五章 系統分析與架構 77 5.1系統功能與設計 77 5.2資料庫設計 80 5.3系統架構 83 5.3.1系統整體概觀 83 5.3.2類別圖區塊功能說明 87 5.4自定義資料庫存取介面 97 第六章 系統介紹與案例展示 103 6.1系統介面介紹與操作方式 103 6.2案例展示 115 6.2.1專案展示與資料輸入成果 116 6.2.2視覺化成果 119 第七章 結論與建議 123 7.1 結論與討論 123 7.2 建議與未來展望 125 參考文獻 127 附錄 A、隧道維護管理系統COLLECTION說明表 131 附錄 B、自定義資料庫C++存取介面類別說明表 137 附錄 C、隧道輔助異狀判釋系統類別使用說明 153 作者簡介 155

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