常 魁，高金良，袁一星，吳文燕

(1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，哈爾濱150090，19401010@163.com; 2.斯坦?？ご髮W計算機工程與技術系，英國斯坦?？T18 ODF)

為實現(xiàn)城市給水管網(wǎng)科學化、數(shù)字化管理，給水管網(wǎng)模擬技術迅速發(fā)展［1］.給水管網(wǎng)微觀模型研究實現(xiàn)給水管網(wǎng)工況分析，為制定給水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化改擴建方案提供科學依據(jù).高金良等［2］提出給水管網(wǎng)數(shù)字化管理平臺，為城市供水管網(wǎng)實現(xiàn)科學管理提供有力工具.地理信息系統(tǒng)(GIS)在給水管網(wǎng)運行管理中的應用使管網(wǎng)建模技術發(fā)展到一個新的階段.國內(nèi)外分別建立了基于GIS的給水管網(wǎng)建模軟件，并且得到廣泛的工程應用［3］.本文將虛擬現(xiàn)實技術與給水管網(wǎng)建模技術相結合，進行給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺研究.

1 城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真建模的技術方法

虛擬現(xiàn)實技術是對計算機及其復雜的數(shù)據(jù)進行可視化操作的方法［4］，已經(jīng)在軍事、醫(yī)學、建筑、教育等領域取得廣泛應用［5-11］.沉浸性、交互性、想象性是虛擬現(xiàn)實三大特征.用戶利用虛擬現(xiàn)實技術可以在仿真環(huán)境中直接進行自然交互［4］，它能使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式仿真環(huán)境.虛擬現(xiàn)實技術以視景仿真為最重要表現(xiàn)形式，為研究人員更加直觀全面地獲取信息提供有力工具.

1.1 給水管網(wǎng)視景仿真模型的技術優(yōu)勢

城市供水管網(wǎng)包含海量數(shù)據(jù)信息，并且具有多維特征與動態(tài)特性，模擬結果難以全面有效的表達.傳統(tǒng)二維表格、文字、圖形和圖像的數(shù)據(jù)處理與表示方法可視性不強，難以體現(xiàn)供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)多維特征與動態(tài)特性，管網(wǎng)信息整理、分析和計算研究過程存在較大困難.

利用MATLAB等工具可以對二維數(shù)據(jù)進行處理，得到比表格更加直觀的二維曲線、羅盤圖、直方圖等圖形，可以更好表示管網(wǎng)信息，但是這些方法很難使研究者建立起供水管網(wǎng)信息的真實感，交互性差，交互手段與交互方式單一.傳統(tǒng)GIS“2.5”維空間的虛三維環(huán)境技術，不能逼真地描述真實三維空間，這和真三維表示和分析還有很大差距，而且對于原始數(shù)據(jù)處理方法還有待于進一步探討［12］.

基于三維可視化的虛擬現(xiàn)實技術可以充分發(fā)揮用戶生理感知功能，在很大程度上彌補了傳統(tǒng)技術的不足.因此，把虛擬現(xiàn)實技術與供水管網(wǎng)模擬技術結合起來，可以增強研究者的參與感，大大提高供水管網(wǎng)信息的可視性和交互性.

本文基于虛擬現(xiàn)實技術與給水管網(wǎng)建模技術建立城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺，以沉浸、交互的方式對給水管網(wǎng)進行安全調(diào)控.用戶通過鼠標、菜單以及對話框等方式在城市給水管網(wǎng)虛擬仿真場景中對管網(wǎng)進行交互操作，用戶不再是被動的觀察者，而是主動的參與者.

1.2 城市給水管網(wǎng)視景仿真總體框架研究

給水管網(wǎng)仿真環(huán)境制作主要包括:模型設計、紋理設計制作、場景構造、特效設計等等，要求構造出逼真三維模型，制作逼真紋理和特效.給水管網(wǎng)仿真驅(qū)動主要包括:場景驅(qū)動、模型調(diào)入處理、分布交互、大地形處理等，要求高速逼真再現(xiàn)仿真環(huán)境，實時響應用戶操作等.城市給水管網(wǎng)視景仿真模型總體框架如圖1所示.

圖1 城市給水管網(wǎng)視景仿真框架

圖1中管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫是建立城市給水管網(wǎng)仿真系統(tǒng)的基礎，城市給水管網(wǎng)規(guī)模龐大，管網(wǎng)附件數(shù)量眾多，翔實、準確的基礎數(shù)據(jù)對提高模型精度具有重要意義.三維場景中各附件三維模型按照給排水相關圖集建立，保證模型具有較高的精度.本文利用給水管網(wǎng)數(shù)學模型，通過三維引擎對給水管網(wǎng)三維模型進行驅(qū)動，形成給水管網(wǎng)三維視景仿真控制平臺，即城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺.

1.3 城市給水管網(wǎng)視景仿真模型制作

根據(jù)圖1所示的城市給水管網(wǎng)視景仿真總體框架，采用虛擬建模軟件MultiGen Creator和實時視景驅(qū)動軟件Vega進行給水管網(wǎng)視景仿真模型制作，開發(fā)實時應用程序，如圖2所示.

圖2 三維實時視景仿真應用程序流程

給水管網(wǎng)視景仿真系統(tǒng)首先利用建模工具將給水管網(wǎng)現(xiàn)實空間轉換成各種計算機模型數(shù)據(jù)，再通過三維引擎將模型實時渲染，用戶各種操作信息傳遞給三維引擎以改變模型狀態(tài).通過MultiGen Creator建立城市給水管網(wǎng)三維模型，利用Vega軟件進行給水管網(wǎng)三維場景設置和模型驅(qū)動.

在VC++6.0集成環(huán)境中進行程序設計，實現(xiàn)對虛擬城市供水管網(wǎng)實時交互控制.通過城市給水管網(wǎng)視景仿真模型、水力模型、水質(zhì)模型［1］及EPANET工具箱［13］進行程序設計，對城市給水管網(wǎng)進行延時模擬、實時交互仿真，進行給水管網(wǎng)交互式虛擬控制，將城市給水管網(wǎng)信息可視化表達.

2 城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺的建立

城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺在給水管網(wǎng)領域有著重要的應用，對于給水管網(wǎng)信息化建設具有重要作用.本文根據(jù)圖2所示城市給水管網(wǎng)視景仿真應用程序流程建立給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺.

2.1 城市給水管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)庫的建立

城市給水管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)庫包括管網(wǎng)屬性信息、地理信息、給水管網(wǎng)動態(tài)信息、三維場景信息等子數(shù)據(jù)庫.

管網(wǎng)屬性子數(shù)據(jù)庫、地理信息子數(shù)據(jù)庫、給水管網(wǎng)動態(tài)信息子數(shù)據(jù)庫包含給水管網(wǎng)基本信息［1］，是建立三維場景數(shù)據(jù)庫的基礎.

本文通過Multigen Creator建立城市給水管網(wǎng)三維場景數(shù)據(jù)庫，并且利用Creator簡化工具進行優(yōu)化，在保證效果前提下，提高渲染速度［14］.城市給水管網(wǎng)規(guī)模龐大、拓撲結構復雜，管道附件數(shù)量眾多.給水管網(wǎng)仿真系統(tǒng)建模過程中分別建立典型管段、典型附件三維模型，通過實例化技術在給水管網(wǎng)模型中分別引用各附件、管段模型.實例化技術使模型文件大大減小，建模效率得到提高.

2.2 城市給水管網(wǎng)模擬結果的可視化表達

虛擬現(xiàn)實技術沉浸性、交互性、想象性的特征為城市給水管網(wǎng)模型信息可視化表達提供了技術支持.通過紋理、光照、透明度以及建立粒子系統(tǒng)等手段將復雜的管網(wǎng)信息生動的展現(xiàn)在用戶面前.

管段中水流通過粒子系統(tǒng)［15］表示，粒子系統(tǒng)中每一個粒子都具有形狀、大小、顏色、透明度、運動速度、運動方向、生命周期等相關屬性，而其中很多屬性都是時間的函數(shù).管段流量、流速、水質(zhì)等數(shù)據(jù)信息充分利用粒子系統(tǒng)自身屬性加以表達，通過粒子數(shù)量、顏色、透明度、運動速度的變化表示不同的管段流量、流速、水質(zhì)信息.

2.3 城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺的功能構成

根據(jù)三維實時視景仿真應用程序流程建立城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺，其主界面如圖3所示.用戶可以選擇顯示地理圖元信息和隱藏地理圖元信息，顯示地理圖元時可以直觀觀察管道與建筑物之間的位置關系，隱藏地理圖元則可以清晰表達管道拓撲結構.

圖3 給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺主界面

城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺將數(shù)據(jù)存儲和管網(wǎng)建模完全在統(tǒng)一的平臺下實現(xiàn)，完成編輯數(shù)據(jù)、生成模型文件、運行模擬、計算結果可視化表達的過程.利用該平臺可以進行城市給水管網(wǎng)水力計算、水質(zhì)計算、管網(wǎng)屬性信息查詢、給水管網(wǎng)運行工況可視化分析，用戶可以在給水管網(wǎng)虛擬場景中進行空間漫游，對管網(wǎng)中可控部件進行調(diào)控.

交互式虛擬仿真平臺設置了四種漫游模式供觀察者在虛擬場景中漫游.這四種漫游模式分別是旋轉模式、駕駛模式、UFO模式和鍵盤模式.其中旋轉模式、駕駛模式和UFO模式通過鼠標進行空間漫游，鍵盤模式通過鍵盤進行空間漫游.觀察者可以根據(jù)不同需求采用不同的漫游方式.

工況分析菜單由管網(wǎng)參數(shù)設置、管網(wǎng)計算、數(shù)據(jù)查詢、結果分析和閥門調(diào)節(jié)等子菜單組成，實現(xiàn)給水管網(wǎng)參數(shù)設置、水力與水質(zhì)計算、管網(wǎng)信息查詢以及管網(wǎng)工況分析功能.管網(wǎng)工況分析包含節(jié)點高程分析、節(jié)點自由水壓分析、節(jié)點絕對水壓分析和管段流速、管段負荷分析、管段水質(zhì)分析等.

工況分析菜單所實現(xiàn)的功能是給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺進行工況分析、安全調(diào)控的核心.通過此菜單可以實現(xiàn)給水管網(wǎng)工況可視化分析和交互控制.

3 城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺的應用

3.1 系統(tǒng)配置

基于虛擬現(xiàn)實技術建立給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺，對城市給水管網(wǎng)進行交互控制.研究中所使用計算機配置如下:CPU采用英特爾Q6600，內(nèi)存為2G，顯卡采用微星3800顯卡.結果表明該配置可以滿足給水管網(wǎng)視景仿真要求，圖形顯示流暢.

3.2 給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺功能應用

基于虛擬現(xiàn)實的城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺將給水管網(wǎng)系統(tǒng)復雜數(shù)據(jù)信息進行可視化分析，充分發(fā)揮使用者生理感知作用，深入分析城市給水管網(wǎng)信息空間中各種信息，使城市給水管網(wǎng)管理水平達到更高層次.

如圖4所示，用戶視點可以位于管道內(nèi)側與管道外側.當視點位于管道外側，用戶可以直觀的觀察管道與管道、管道與建筑物、閥門布置以及管道埋設等管網(wǎng)布置信息.當視點位于管道內(nèi)側時，用戶可以直觀的觀察管道中水流水質(zhì)、流速以及閥門調(diào)節(jié)狀態(tài)等信息.

圖4 用戶視點位置

城市供水系統(tǒng)管理人員只能通過監(jiān)測數(shù)據(jù)了解管網(wǎng)的個別特征參數(shù)信息，如水源供水壓力，日供水量，監(jiān)測點的壓力信息等.城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺不僅可以計算所有節(jié)點壓力、管段流量、流速、水頭損失等，還可以將這些參數(shù)進行可視化表示.該平臺包含一整套虛擬顯示、交互式查詢、可視化分析模塊，實現(xiàn)給水管網(wǎng)計算結果清楚、形象、準確、逼真的顯示，以色階圖、等值線圖、粒子系統(tǒng)等手段顯示管網(wǎng)整體或局部節(jié)點壓力、管段流量的分布情況;交互式查詢節(jié)點壓力，管段流量、流速、水頭損失的準確數(shù)值;可視化分析管網(wǎng)各部分的負荷情況、各水源的供水區(qū)域、各節(jié)點的供水主路線、各管段的水流方向等.其中節(jié)點自由水壓與管道負荷結果顯示圖如圖5所示.

圖5 節(jié)點自由水壓與管道負荷結果

由圖5(a)可以形象地表達給水管網(wǎng)節(jié)點壓力的大小，將滿足用戶所需壓力和未滿足壓力要求節(jié)點的自由水壓以不同顏色表示，圖中所示節(jié)點滿足壓力要求;圖5(b)表示給誰管網(wǎng)管道負荷分布情況，將管道負荷分為低負荷、經(jīng)濟負荷、略高負荷和嚴重高負荷等情況，并以不同顏色表示，該圖表明該部分管道均處于經(jīng)濟負荷.

4 結論

1)結合虛擬現(xiàn)實技術與城市給水管網(wǎng)建模技術，建立城市給水管網(wǎng)虛擬仿真場景，通過程序設計實現(xiàn)城市給水管網(wǎng)交互式虛擬仿真平臺，對給水管網(wǎng)運行工況進行可視化分析.

2)應用成果表明:虛擬現(xiàn)實技術可以將復雜的管網(wǎng)信息可視化表示，極大地發(fā)揮用戶聯(lián)想功能和生理感知功能，為實現(xiàn)城市給水管網(wǎng)數(shù)字化管理提供有效工具與必要的技術支持.

3)虛擬現(xiàn)實技術與給水管網(wǎng)建模技術相結合，在實際中對給水管網(wǎng)長距離輸配、管網(wǎng)運行調(diào)動管理、調(diào)度人員培訓等其他相關工程領域的研究具有指導意義.

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