虚拟仿真技术在水利工程的中地地的应用Word格式文档下载.docx
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计算机仿真技术应用于水利工程中，始于二十世纪七十年代初。
修建奥地利施立格坝时采用了确定性数字仿真技术对缆机浇筑混凝土方案进行优选。
1973年11届国际大坝会议上，D.H.Bassgen首先结合混凝土重力坝施工提出了混凝土浇筑过程模拟,在满足施工浇筑系统实际存在的各项条件和施工准则的情况下,利用计算机仿真技术,针对缆机浇筑进行了浇筑模拟计算,给出了缆机在模拟浇筑中的效率、浇筑强度等特性。
其后，计算机仿真技术逐步在水利水电工程和建筑工程施工中进行应用。
国内计算机仿真早期主要用于制造业、国防军事、城市交通等方面，近年来逐步扩大到城市的规划和建设等领域。
同国外相比，水利建设行业的计算机应用水平差距就更加明显。
在国外，管理人员可在几分钟内将水利工程的相关信息、画面和数据参数适时显示。
我国在水电工程中应用计算机仿真技术始于二十世纪八十年代初。
构成多目标、多任务的虚拟仿真系统在水利行业的应用目前刚刚起步。
大型水利工程因其建设周期长、投资大、结构复杂，涉及问题多，因此在决策阶段或建设的前期就能预测工程项目存在的问题并及时加以纠正，降低工程投资的风险是人们所期待的。
虚拟仿真技术将我们的视野从二维平面上升到三维主体空间，采用已获取的基础数据，针对工程项目建立三维的、动态的、实时的、可视的虚拟仿真环境。
2003年长江勘测规划设计研究院向水利部申报的“水利工程虚拟仿真系统”是以水利工程的勘测设计、施工、运行管理为对象建立贯穿方案论证、CAD设计、工程进度控制、运行管理全过程的可实时显示的仿真系统，使项目参与各方都能在此环境下直观地、清晰地看到该项目过程的整体或局部、动态或静态、历史的或现实的以及将来的真实场景，提出自己的意见要求，并可进行各类信息查询。
决策层可在最短的时间内获得最新最准确的信息，以便对未来事件作出快速的判断并采取相应对策。
虚拟仿真技术是将数据管理、几何建模、物理属性建模、应用建模、模型试验、虚拟可视分析集成于一个环境，利用已有的信息建立高精度的水利工程三维模型，分析研究规划设计中关心问题，如：
水利工程规划、方案比选、枢纽总体布置和设计协调等，在虚拟仿真环境中对所关心的问题进行观察、修改、决策、调度或重组等，使项目在决策或实施过程中更具有科学性、经济性和可靠性。
2技术方案
2．1逻辑框架
仿真的目的就是通过对系统仿真模型的运行过程进行观察和统计，来掌握系统模型的基本特征，找出仿真系统的最佳设计参数，实现对真实系统设计的改善或优化。
传统的数字仿真技术是很少考虑人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知（听觉、视觉、触觉），也就是说人的想法要适应计算机，人是旁观者。
随着多媒体技术、计算机可视化、传感技术的发展，计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为可能。
把虚拟现实技术引入系统模拟仿真的各个阶段，可使人沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，而不必单纯被动的去观察仿真的结果，将使模型的建立和验证更加方便。
通过三维数字模型和显示头盔进行该领域的视觉模拟；
通过传感机制和触觉手套来进行该领域的触觉模拟；
通过音响制作和音效卡进行声音模拟；
通过机械控制和传动装置进行动感模拟。
虚拟现实技术使设计人员从“空间+时间+感受或意念”即“五度空间”感受世界，人成为参加者。
在水利工程规划、设计、施工等阶段如何应用虚拟仿真技术是需要研究的。
虚拟仿真中以虚拟原型取代物理原型。
虚拟原型指的是可用于观察、操纵、装配、拆卸的工程精确的三维数字模型。
建立虚拟原型（即建立几何模型与物理属性模型）应成为水利工程设计过程中重要的一步。
在这里，虚拟环境作为一种观察与分析工具，用来在三维空间中对在传统CAD系统中建立的模型进行可使用性、美观性、性能等分析。
也就是说，首先采用传统CAD系统建立产品的CAD模型，然后再将已建好的产品CAD模型置入虚拟环境中进行观察与分析。
在虚拟环境中，设计者可以任意改变模型进行各种分析而无须重新制作物理原型。
这有助于设计人员及早发现设计缺陷，及时作出修改，加快工程开发进程。
虚拟现实平台改变了设计验证过程。
设计者可以选择要观察的模型、选择要改变的尺寸、输入新的尺寸、确认改变等等。
具体地说，当设计者在虚拟环境中选择了要修改的产品尺寸并输入了新的尺寸后，系统将该设计模型连同新的尺寸传回到CAD系统中，并在CAD系统中对设计模型进行修改，再将修改后的设计模型重新传入到虚拟环境中由设计者对修改结果进行确认。
虚拟环境中观察分析CAD模型比在CAD系统中更为真实。
虚拟仿真技术为设计服务，设计中当需要用图形去分析处理设计结果、计算结果或设计模型组装或多专业设计协调时，应用虚拟仿真平台交互特点和超强的图形处理与分析能力，认识工程设计中遇到的设计难点，为设计或优化设计提供依据。
虚拟仿真系统逻辑构架见图1。
工程设计从地形、地质、三维设计、计算分析到二维出图整个过程都体现出设计与制图的细致与精确。
虚拟仿真作为设计的分析工具具有超强的图形处理与计算分析特点。
要将仿真技术真正应用到水利工程的规划、设计中，除了应用、研究和开发虚拟仿真的分析功能外，还必须解决与三维CAD与仿真平台双向无损、快速的转换，这样在虚拟沉浸环境下当改变设计方案或修改局部参数时能快速修改原三维CAD文档，同时将修改在仿真平台显示。
虚拟仿真使设计者沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，是设计过程中不可缺少的环节。
2．2应用难点
2．2．1数据的复杂性
水利工程数据的复杂性表现在两个方面：
一是信息量大，类型多；
二是来源渠道杂。
如何统一管理好这些数据是建立仿真系统最重要的课题之一。
Oracle9i的空间/属性紧密集合以及开放式结构的特点，结合ArcSDE将可以有效管理好这些数据，并给管理者提供尽可能方便。
2．2．2虚拟环境中几何模型参数化描述和快速建模问题
水利工程规划设计过程中，要经常调整和优化方案。
工程的设计方案的变化需要修改几何模型，现在有的虚拟建模软件没有参数化设计功能，这对模型的修改很不方便。
如何快速便捷地修改几何模型，适应工程设计，还要寻找新的解决办法。
①、对水工建筑物参数化描述
溢流坝段、非溢流坝段、船闸、升船机、电站厂房、边坡坡度等的描述。
这些建筑物参数化描述均在CAD系统中解决，这里要作好仿真系统与三维CAD模型无损快速的转换。
②、对地形处理工具
搭建模型过程中，要解决地形与建筑物的匹配问题。
如何在虚拟环境中便捷对地形进行平整、填挖、衬砌等处理，满足建筑物对地形的要求。
在虚拟环境中开发建模插件，要能够在给出原始地形时自动按要求进行和平整、填挖、衬砌处理。
2．2．3三维CAD模型与虚拟仿真模型无损快速的转化
CAD数据模型不能直接在虚拟仿真环境中应用，因为CAD模型包含的几何信息相当复杂，其模型追求的是几何精确性和机械整合性，内含许多工业标准，CAD模型适合精确的工程绘图和静态图形显示；
而虚拟环境模型为满足和用户进行交互的功能，要具有和现实世界一致的外形和行为规则，要具有快速的实时显示速度，这样虚拟环境模型要用尽可能少的多边形和几何体表现最好的实时效果，并且模型有一个层次的数据结构，利用后继的编程、模型查询和实时控制。
采用CAD和三维造型系统创建三维模型，然后从CAD中接收模型，生成虚拟原型。
虚拟原型常用的建模软件有MultiGen。
MultiGen主要用于视景建模，其数据格式为OpenFlight三维视景数据库。
OpenFlight数据格式采用逻辑化以层次的景观描述数据库，通知图像生成器何时及如何渲染实时三维景观，非常精确可靠。
如何快速无损完成三维CAD模型与虚拟原型的双向转换是将虚拟仿真技术应用到水利工程设计中难点，也是必须研究与解决的问题。
3工程应用
以水利工程为研究对象，采用当今最优秀的视景建模软件MultiGenCreator和实时驱动软件Vega配以SGI高性能图形工作站，结合ArcGIS、MicroStation、AutoCAD构成了基本的仿真工作环境，以CAD数据为基础进行数据转换，形成精确的逼真的三维模型。
从各个不同的视角观察分析整个工程，研究设计当前所关心的问题。
如：
枢纽总体布置、建筑物设计的合理性、洞室与廊道之间的关系、地下厂房设备布置的优化等，提供决策和判断的依据。
3．1建立水利工程三维几何模型
三维几何模型的建立是整个工程虚拟场景建立的基础，模型的建立主要分三维地形的建模和建筑物三维建模，如坝区地形、挡水建筑物、通航建筑物、地下厂房模型、施工场地、公路、植物的建模工作。
描述这些模型的三角形数量要根据硬件环境合理规划，对所关心的重点建筑物用的三角形数量应该多一些，一般情况下如果需要比较精确的反映一个完整的水利工程面貌其三角形的总数量不得少于15万个，例如乌江某水利工程模型采用了约18万个多边形来描述。
建立的模型合适与否将直接影响虚拟场景的可视化效果和系统的运行速度。
建模过程一般有以下步骤：
①地形处理
首先将地形的三维等高线模型（DWG或DGN）优化处理，以DXF文件保存，利用ArcInfo和SiteBuild软件生成OpenFlight地形模型，贴上地图/航拍正投影像等纹理。
在生成地形模型上，以“顶视图”的角度，以精确的“尺寸”和“位置”按比例为1：
1建立虚拟场景平面布置图，将整个坝区域按道路桥梁、水利枢纽、围堰、江河、码头、混凝土系统、施工营地、沙石开采加工区、弃渣区、水厂与电厂等分割成多个区块。
区块划分后，就可以把整个建模任务分割开来，整个大的建模任务可以划分为区块建模和环境建模，环境建模主要是树草植物等的加入，道路桥梁可以放到环境建模中再细化。
②、建立建筑物基本三维模型
从顶视图信息中，我们确定了各个建筑物的位置和顶面形状（或底面形状），下一步就是要确定其高度信息了。
从顶视图信息和高度信息，就可以拉出其基本三维形状了。
物体的顶面纹理依然可以保留,但这样建立起来的三维建筑物只具有基本形状，进一步的工作，还包括：
侧面纹理贴图；
对于重点建筑物，需要全新建模，原来的Box状物体稍作修改后，可以作为最低层次的LOD模型。
③、其他要素
以上只是坝区建模的最为基本的要素，建立一个完整的视景仿真应用，还有需要进一步细化：
植物、桥梁、公路、江面和坝区辅助设施（码头、混凝土系统、施工营地、沙石开采加工区、弃渣区、水厂与电厂）。
对环境（云、雾、光照等）、特殊效果（流水、飘浮物、烟、火、三维声音等）和运动物体（车、船、人）等效果在视景实时驱动软件VEGA中设置。
④、重点水工建筑物建模
这些建筑物的是设计所关心的，如大坝建筑物、通航建筑物、地下厂房、洞室与廊道、围堰等，对这些模型进行仿真试验，发现设计参数和设计结果的关系并进行优化。
处理水工建筑物设计平面图文件（DWG或DGN），从中提取对仿真建模有用的二维几何信息，保存为DWG文件，虚拟建模软件根据二维平面文件，参考建筑物立面图、剖面图进行三维建模，加上材质/纹理。
3．2建立模型属性库
建立与模型相关的属性信息数据库，把属性数据和空间数据相结合，以支持三维环境下实时属性查询。
3．3提供可视化分析虚拟环境
在Vega和ArcEngine基础上，用VC开发交互式虚拟漫游与可视分析环境，为技术人员提供：
①设计和分析结果可视化
基于如何应用虚拟现实技术，提供逼真、具有可交互性的三维可视环境，更好地展示水利工程，以方便业主或设计者对工程设计方案进行选择、评估。
所研究的内容主要为，构建虚拟工程，展示工程场景，让设计者直观地感受真实工程的使用境界，方便工程设计的选择、评估。
采用实时视景仿真软件（Vega）。
场景数据库组织好之后，利用Vega软件对数据库进行控制，交互式可视化分析。
在虚拟漫游时，设计者可以选择不同的对象，模拟飞机、或汽车、或步行等方式的漫游，以不同视角、不同方位、不同的速度，对工程对象的静止状态或运动状态形象、立体、直观、全面地体验，并分析设计的合理性。
分析数据可视化。
分析数据可视化属于科学计算可视化范畴。
对工程对象进行任意剖切，观察分析计算结果。
规划设计可视化分析与评估流程见图2。
②模型的属性信息动态查询
虚拟环境中，对地理环境与所关心的建筑物的空间信息和工程属性信息进行查询。
采用Oracle为后台数据库，存储三维实体的各种属性信息，实现基于虚拟场景中各种实体的空间定位、属性查询等功能。
数据库与虚拟仿真环境的连接通过ArcSDE来实现，其中三维实体与数据库中相应实体的属性如何一一对应是数据库设计和动态查询程序设计所要解决的关键问题。
Creator建模中，模型的各部分面和体的组织方式由模型结构树表示，结构树中每个实体组Group为一个单元，因此在建模过程中通过调整结构树，将每个独立的实体单元组织为同一个Group，并为该Group赋予唯一标识名，作为在虚拟场景中识别实体的标志。
在系统交互中，运用VegaPicker类，可以获得鼠标所指向的三维实体结构树Part（既Group）的标识信息，这就为与属性数据库的连接提供了接口。
属性数据库的建立就是以实体标识为唯一标识而建立的，实体属性包括实体空间位置坐标及其他属性信息，可以运用数据库操作技术，SQL语言进行查询分析等各种操作。
见图3。
③挡水建筑物表孔泄洪的动态模拟
流体的动态模拟属于动态环境模拟技术，采用粒子系统实现在不同水位和不同闸门开启角度时对泄洪的动态模拟。
在泄洪模拟的实现中，将大坝的各个泄洪口设置成粒子的生成位置，根据水位和闸门开启角度，对生成的粒子赋予一定的属性，如喷射速度，喷射角度，扩散角度，生命周期，初始颜色，终了颜色等。
图4为泄洪模拟的效果。
④虚拟环境中三维地形分析工具
用ArcEngine扩展虚拟仿真平台的分析功能，针对地形能查询任意一点的坐标、坡度和坡向，测量二点间距，计算区域面积和体积，计算工程填挖量等。
见图5。
四、结语
虚拟仿真技术在水利设计行业中具有广阔的应用前景。
为宏观决策和项目管理提供快速、系统、准确的信息与技术支持，可大大提高各项工作的及时反应能力，适时调整规划布局和在工程实施过程中对进度、质量进行控制，减少因工程执行过程中的失误而造成的经济损失。
虚拟仿真系统为水利工程规划设计提供一个全新的研究平台，它具有安全、经济、可控、便于观察、便于参与、实用、无破坏性、可多次重复、整体性等特点，可以对各种决策的效果与作用进行分析比较，以作出科学合理的选择。
因此，研究水利工程虚拟仿真技术是向水利现代化方向发展的一个重大突破。
张德文男51岁高级工程师大学设计院工程数字仿真中心82829379
王进丰男43岁高级工程师大学设计院工程数字仿真中心82820309
黄少华男26岁博士设计院工程数字仿真中心82820309
来源：
长江水利网
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