水利水电工程可视仿真技术

　　水利水电工程施工技术复杂、建设规模大、外部环境多变且耗资巨大，因此反复的论证和充分的调研为工程项目建设的重要工作，在施工过程中不断的综合分析多种方案的科学合理性，从而形成创新性或新的方案。通过对几种不同方案直观准确的评价分析，最终优选出适合当地条件的设计方案，不仅是缩短工程周期和提高设计管理水平的重大科学问题，而且满足施工组织合理性设计的迫切要求[1-3]。在水利水电工程施工中应用计算机仿真和先进的渲染技术，不仅能够实现每一个细节、步骤在施工过程中的事先模拟，而且可在屏幕上三维动态地显示数据变化特征，直观形象的提供临时导流孔及度汛的封堵、施工期导航、导流方式、施工分期、工程全局布置及建筑物的布置与设计等过程信息，由此为施工参数的优选和施工方案的选择提供决策依据。可视化仿真的交互能力受软件平台和计算机硬件的限制还存在一些不足，数据信息在仿真与可视化之间的交换还不够顺畅，仍有待进一步完善其可移植性[4-9]。鉴于此，本文对施工过程的特效、渲染、实时绘制等过程引入面向对象的图形高效渲染引擎OGRE，基于信息模式和图像处理内核设计交互模块，由此实现仿真过程与可视化成果之间的交互反馈，为施工组织优化设计和施工总布置的优化提供一种强有力的技术支撑，为缩短项目建设周期、提高工程设计水平提供可靠依据。

　　1可视化仿真技术原理

　　1.1基本原理

　　集系统仿真和计算机可视化技术于一体的可视化仿真技术，涉及系统、控制、信息、通讯、多媒体、计算机及相似原理等现代高科技技术。它是基于各种物理效应设备和计算机的虚拟现实技术最重要的表现形式，仿真一种真实的感受和其实的环境，以一种交互式仿真环境让用户产生身临其境的感受，由此实现环境与用户的自然交互。该技术在大中型高精密仪器，如轮船、飞机、核电站、宇宙飞船等操作者的仿真训练中均得到广泛的应用，同时为水电施工的分析、演示、模拟、设计和规划等提供一种有效的方法。

　　1.2发展阶段

　　20世纪50年代新型信息工程领域中兴起的一种仿真技术，不仅促进了人的主体认识能力的发展，而且为加快工程设计、科学技术的发展速度提供一种新的技术。一般情况下，用户必须以一定的形式读取仿真结果，从不同发展进程的角度较为常见的有可视化仿真、二维仿真和数字仿真3种方式。数字化仿真易于实现，操作较为简单，但无法给用户提供直观的仿真结果，理解起来存在一定的困难，也难以发现一些较隐蔽的问题;相对于数字仿真二维仿真比较直观，对物流规划、设备、场地等问题常应用二维图形的方式模拟，有时还可对物流过程利用二维动态图形实时仿真，并为设计人员的优化提供参考。然而该方法提供的画面简单，对于人机交互控制还无法实现。计算机硬、软件技术的发展为可视化仿真技术的出现奠定了重要基础，由此实现了之前的二维、数值仿真向可视化仿真的转换。可视化仿真是指考虑各种物理对象在系统中的位置关系，通过有效组合形成的三维模型，在三维空间上给定具体的坐标和某种工作方式，并加入时间轴T描述基本的对象。在建模阶段可视化仿真和二维图形仿真相比要在时间和空间上统一安排各种实体信息，将不同的时空属性赋予各个实体对象模型，并且以较强的交互性实现与数字仿真结果的实时交互。仿真结果在表现手段上不再局限于屏幕上各种符号图形的动态变化，而是人与电脑的实时互动的体现。例如，各种地面施工机械在水电工程的系统仿真中有序地工作，随着建设项目的持续进行，展现中转场、渣场、库底回填、大坝施工等整个空间范围的动态变化，从而实现工作现场状态的更加真实地模拟。

　　2水利水电施工可视化仿真的实现

　　带有随机因素的复杂庞大的水利水电施工系统一般难以用数学解析模型描述，对于复杂的施工系统的研究分析现代化仿真技术得到越来越广泛的应用，该技术为解决此类问题提供了一种直观、有效的方法。可视化仿真技术主要包含在时间和空间上三维图形仿真结果显示、仿真建模、数值计算3个环节，其中可视化仿真中最核心的技术是实现图形、图像与仿真所涉及到的数据信息的转化。

　　2.1可视化仿真的数值计算

　　随时间的变化实际系统运行状态的模拟即为可视化仿真的数值计算，通过统计和观察模拟运行过程确定被模拟系统的基本特性及输出参数，由此对实际系统真实性能和真实参数的推断与估计。根据状态连续性特征可将其分为离散、连续两种系统，在时间点上各施工对象的状态变化为水利水电施工系统仿真计算的重点，如累计完成方量、服务对象、机械、高程等，随时间的变化这些变量呈现出跳跃式非连续的变化。因此，可将离散时间的仿真作为施工系统的仿真计算。根据“仿真钟”体现“模拟时间”的运行轨迹为离散系统仿真的基本概念，其中事件步长和时间步长为“仿真钟”推进的两种基本模式。对于可视化水电工程施工，采取时间步长法为实现全过程仿真施工的常用方法。时间步长法是以规定某一较小的单位时间ΔT为增量检验每推进一步是否有事件发生，若没有发生则继续推进下一步ΔT时间的仿真计算;否则对当时的状态参数由程序自动记录，同时以新的处理程序二次判断，因此也称为固定时间增量推进法，动态仿真流程如图1。图1动态仿真流程对施工系统运用时间步长法仿真时，要解决的重要问题为选取合适的时间补偿。仿真系统贴近真实状态的程度随选取时间的减少而增大，相应的仿真精度越高，同时仿真程序的运算时间随仿真过程状态检查判断次数的增大而增加。反之，时间越大可减少程序的运算时间和计算量，但也可导致仿真状态因绕过系统过程的某些信息而产生丢失，从而降低仿真结果的精度。所以，时间步长的选取应考虑不同的工序和层次，由此满足仿真精度和程序运行时间的要求。

　　2.2水利水电工程可视化仿真建模

　　根据几何模型的系统特征将可视化仿真模型分为动态、静态和DTM数字地形模型，各模型具体如下:(1)数字地形模型。DTM数字地形模型是数字描述地形属性特征可空间位置特征的重要方法，能够反映属性信息与地形表面形态之间的数字形式，其中DEM数字高程模型是指地形属性在数字地形模型中为第三维地理空间坐标时的系统。可采用多种不同的方法表达高程的变化，DEM可选用数学定义的影像、线、点或表面来表示。根据不同的形态将DEM模型分为不规则三角网、等高线、规则网格模型3种类型。规则网格模型一般由规则的三角形、矩形或正方形网格组成，将区域空间利用规则网格切分为能够赋予相应数值的网格单元，在数学上和计算机实现中为一个矩阵或二维数组。一个高程值与数组的一个元素或每个网格单元对应，而地形的细部和结构无法由存在缺点的规则网格DEM来描述，因此该模型局域较大的存储量和简单的数据结构，一般适用于地形平坦的地区。等高线模型反映了研究区的高程变化特征，已知等高值的集合和每一条等高线的高程值，由此可将这些高程值和一系列的等高线集合形成地面高程模型。TIN不规则三角网是将研究区域利用有限个点集划分为彼此相连的网络体系，其中三角形内、边或顶点上为区域中任意点的散落位置。通过线性插值法可确定不在顶点处各点的高程值，因此TIN属于不可微且整体连续的三维空间分段线性模型。由连续的三角面组成的不规则三角网数字高程，其节点密度、位置和不规则分布测点为决定三角面大小与形状的主要参数。高程矩阵方法和不规则三角网的差异主要体现在，采样点的位置和密度受地形起伏变化的复杂性影响，因此不规则三角网能够按照地形变化线、山谷线、山脊等地形特征点表示数字高程特征，可有效解决地形平台时冗余数据计算问题。(2)静态模型。静态模型是指模型各定点的空间拓扑关系和几何数据在施工进程中保持不变的实体对象，包括导流建筑物、拌合楼、风水电供应系统、生活住房、辅助施工工厂和地形等。在实时仿真过程中静态模型的物理状态，如空间位置、物理特性等状态不发生任何变化，主要是用于模型真实度的表征。所以，在模型建立过程中只需引入CAD模型，通过赋予相应的材质使其更加与真实实体相接近，如图2。(3)动态模型。动态模型是指由于交互操作状态发生改变或施工进程中自身状态不断变化的模型对象，如临时道路、中转场、渣场和大坝等。在可视化仿真中动态模型具有较强的标签里，通过仿真模拟实现人与计算机的实时交互。各个实体的速度、大小、位置等物理参数和数据的交换查询在模型中属于动态变化的，因此无法用一个确定的形态反映其变化特征。据此，为构建各个动态实体引入面、线、点等最基本的空间立体几何对象，同时在程序运行中引入时间参数T，由此生成随时间T各实体的变化形态，通过赋予各实体真实的材质描述这些动态实体在真实状态下的变化过程，从而保证仿真模拟的有序进行。

　　2.3三维图形显示

　　计算机图形学为可视化仿真最基本的图像显示底层技术，涉及许多专业知识和基础算法。为简化大中型图像开发各种图形接口应运而生，为不同硬件和软件的开发创造了独立统一的接口，其中应用最为广泛的为DirectX和OpenGL。DirectX是由微软公司凭借其视窗系统上的垄断地位和市场上的巨大成功创建开发的，在桌面图形开发中占领了大部分地位。DirectX是一种基于OLECOM实现实时3D再现的应用程序接口，可实现3D硬件的快速透明提取和设备的独立传输、高度优化性能。OpenGL是由SGI公司开发的一种包含120多各图形函数的高质量图像接口，能够为程序员便捷的应用C语言，从而快速、简单的形成漂亮美观的各种图形。将面向对象的图形渲染高效引擎OGRE引入至可视化仿真的图形渲染方面，基于C++语言开发的OGRE封装了OpenGL和DirectX，对3D图形引擎选用面向对象法涉及。它具有较高的渲染效率和较强的扩充性，能够抽象画处理更底层的系统库细节，提供基于现实环境接口。图3反映了OGRE的工作流程，其开始执行程序为Root，整个渲染过程主要是依据创景组织器来完成，而场景中所有视点、灯光、实体等空间位置由节点明智，物体位置的变化、移动等工作由OGRE对节点的位置变化来控制，而真实的光影效果主要与灯光的方向、位置的变化来反映，通过移动视点可对各个实体的即时状态从多个角度、不同位置来观察仿真。根据帧监听器来控制时间参数T，鼠标、键盘的监听主要由帧监听器来负责，这些操作的影响为数据库的输入，通过将这些控制反馈给OGRE的场景管理器实现通过屏幕渲染的动态控制。

　　3实例应用

　　采用具有较强三维渲染能力的OGRE系统，将空气体、水流和植被等场景实体植入模型，其中OGRE三维坐标中的一个节点与每个实体模型对应挂接，并对视线方向和视点进行初始化设置，同时景深处理各场景实现工程场地的任意漫游，由此全面掌握施工状况和场地布置，如图4。将系统可识别数据组与仿真计算结果相关数据转化，在运行过程中接受键盘、鼠标输入指令的帧监听模块能够实现场景渲染的控制，由此完成戗堤进展模拟分析。通过反复论证设计方案和改变仿真输入数据，输出可视化不同仿真结果，为施工资源的消耗配置和不同施工强度的优化等提供实时信息。

　　4结语

　　在水利水电施工截流中引入可视化仿真技术，并对截流过程引入具有较强三维渲染能力的OGRE系统，由此实现截流过程的系统模拟，能够以更加客观、直接的方式为研究人员发现数据中隐藏的变化规律，为施工组织设计和工艺技术的合理性分析提供参考。

　　参考文献

　　[1]姜锴，周宜红.可视化仿真技术在施工截流中的应用研究[J].中国农村水利水电.2009(4):103-105+111.

　　[2]钟登华，刘东海，郑家祥.基于GIS的水电工程施工动态可视化仿真方法及其应用[M].水利学报.2003.(7):101-106.

　　[3]韦有双，王飞.虚拟现实与系统仿真[M].北京:国防工业出版社.2004.

　　《水利水电工程可视仿真技术》来源：《地下水》，作者：王畅

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