程鵬軍，李海燕

（湖北葛洲壩集團公司，四川 宜賓 644612）

1 仿真模擬技術與傳統(tǒng)技術比較

1.1 傳統(tǒng)技術

水利工程建設和管理是一項非常復雜龐大的系統(tǒng)工程，具有諸多自身特點，存在一些問題，針對工程特點和問題，試驗中心或研究中心使用的傳統(tǒng)解決方法是縮小比例的物理實體模型，通過施加各種水力條件來模擬測試水利工程的各種設計參數(shù)。這種方法雖然很直觀，但存在實體模型一次成型后很難修改、占地面積大、浪費資源等缺點。水利工程傳統(tǒng)的二維平面設計又不能清晰直觀地顯示設計者的思想，各個專業(yè)包括樞紐、施工、機電等專業(yè)的設計者在二維平面上不能很流暢地合作和交流。在實際的施工進度管理中，相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、編制，傳遞與存儲仍以估量統(tǒng)計、手工編制、人工報表和文檔傳遞為主，難以適應施工現(xiàn)代化的要求。

1.2 仿真技術

計算機仿真模擬技術是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術和計算機技術等理論基礎之上的，以計算機和其他專用設備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行試驗，并借助專家經(jīng)驗知識，對統(tǒng)計數(shù)據(jù)、信息資料及試驗結(jié)果進行分析研究，進而做出決策的一門綜合性、試驗性技術。這項技術適應了水利工程的客觀需要，為解決水利工程中的一些問題開辟了新途徑。

2 仿真系統(tǒng)的功能和設計

2.1 系統(tǒng)功能

水利工程是一個復雜的大系統(tǒng)，為了簡化流程，方便計算機仿真模擬的實現(xiàn)，仿真系統(tǒng)首先需建立水利工程虛擬環(huán)境，包括地形、地理景觀、施工場地、通航建筑物、電站建筑物、擋水建筑物等模型，及光照、聲音效果等三維仿真環(huán)境。其次要求建立水利工程主要設備 (如船閘、泄水閘門、水輪機等)的運動數(shù)學模型及水利工程運行機理仿真。通過以上模擬實現(xiàn)水利工程虛擬漫游系統(tǒng)。在三維仿真環(huán)境中，實時動態(tài)顯示水利工程運行狀況信息，實現(xiàn)過程的可視化與智能化，同時還方便了工程屬性數(shù)據(jù)和設計施工圖紙的查詢。

2.2 三維建模設計

以水利工程為研究對象，采用視景建模軟件和實時驅(qū)動軟件，配以高性能圖形工作站，結(jié)合Microstation，AutoCAD構(gòu)成基本的仿真工作環(huán)境，以CAD數(shù)據(jù)為基礎進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成精確逼真的三維模型。從各個不同的視角觀察分析整個工程，研究設計當前所關心的問題。如∶樞紐總體布置、建筑物設計的合理性、洞室與廊道之間的關系、地下廠房設備布置的優(yōu)化等，為使用者提供最快捷最準確的決策和判斷依據(jù)。

1）建立三維幾何模型。三維幾何模型的建立是整個工程虛擬場景建立的基礎，模型的建立主要分三維地形的建模和建筑物三維建模，如壩區(qū)地形、擋水建筑物、地下廠房模型、施工場地、公路、植物的建模工作。

①地形處理。首先將地形的三維等高線模型優(yōu)化處理，利用相關軟件生成地形模型，貼上地圖/航拍正投影像等紋理。在生成地形模型上，以“頂視圖”的角度，以精確的“尺寸”和“位置”，按比例1∶1建立虛擬場景平面布置圖，將整個壩區(qū)按道路橋梁、水利樞紐、圍堰、江河、碼頭、混凝土系統(tǒng)、施工管理區(qū)、沙石開采加工區(qū)、棄渣區(qū)、水廠與電廠等分割成多個區(qū)塊。區(qū)塊劃分后，就可以把整個建模任務分割開來。整個大的建模任務可以劃分為區(qū)塊建模和環(huán)境建模。

②建立建筑物基本三維模型。首先要確定各個建筑物的位置、頂面形狀(或底面形狀)及高度信息，根據(jù)這些信息就可以生成基本三維形狀。然后對物體側(cè)面及頂部進行紋理貼圖。

③其他要素。以上只是壩區(qū)建模最為基本的要素，建立一個完整的視景仿真應用系統(tǒng)，還需要進一步細化植物、橋梁、公路、江面和壩區(qū)輔助設施(碼頭、混凝土系統(tǒng)、施工營地、沙石開采加工區(qū)、棄渣區(qū)、水廠與電廠)。同時對環(huán)境(云、霧、光照等)、特殊現(xiàn)象(流水、飄浮物、煙、火、三維聲音等)、運動物體(車、船、人)及大壩建筑物、地下廠房、洞室與廊道、圍堰等模型進行仿真試驗，發(fā)現(xiàn)設計參數(shù)和設計結(jié)果的關系并進行優(yōu)化。處理水工建筑物設計平面圖文件，從中提取對仿真建模有用的幾何信息，虛擬建模軟件根據(jù)二維平面文件，參考建筑物立面圖、剖面圖進行三維建模，加上材質(zhì)、紋理，建立模型屬性庫，建立與模型相關的屬性信息數(shù)據(jù)庫，把屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，以支持三維環(huán)境下實時屬性查詢。

2）提供可視化分析虛擬環(huán)境，開發(fā)交互式虛擬漫游與可視分析環(huán)境

①設計和分析結(jié)果可視化。所研究的內(nèi)容主要為構(gòu)建虛擬工程、展示工程場景、讓設計者直觀地感受真實工程的使用境界，方便工程設計的選擇、評估。場景數(shù)據(jù)庫組織好之后，利用數(shù)據(jù)庫進行控制，交互式可視化分析。在虛擬漫游時，設計者可以選擇不同的對象，模擬飛機或汽車等方式的漫游，以不同視角、不同方位、不同速度，對工程對象的靜止狀態(tài)或運動狀態(tài)形象、立體、直觀、全面地體驗，并分析設計的合理性。對工程對象進行任意剖析，觀察分析計算結(jié)果，規(guī)劃設計可視化分析與評估流程。

②模型的屬性信息動態(tài)查詢。虛擬環(huán)境中，對地理環(huán)境與所關心建筑物的空間信息和工程屬性信息進行查詢。采用Oracle為后臺數(shù)據(jù)庫，存儲三維實體的各種屬性信息，實現(xiàn)基于虛擬場景中各種實體的空間定位、屬性查詢等功能。在Creator建模中，模型的各部分面和體的組織方式由模型結(jié)構(gòu)樹表示，結(jié)構(gòu)樹中每個實體組G，p為一個單元，因此在建模過程中通過調(diào)整結(jié)構(gòu)樹，將每個獨立的實體單元組織為同一個Group，并為該Group賦予唯一標識名，作為在虛擬場景中識別實體的標志。在系統(tǒng)交互中，運用vegaPicke可以獲得鼠標所指向的三維實體結(jié)構(gòu)樹Pari(即GrouP)的標識信息，為與屬性數(shù)據(jù)庫的連接提供接口。屬性數(shù)據(jù)庫的建立就是以實體標識為唯一標識而建立的，實體屬性包括實體空間位置坐標及其他屬性信息，可以運用數(shù)據(jù)庫操作技術，進行查詢分析等各種操作。

③擋水建筑物表孔泄洪動態(tài)模擬。流體的動態(tài)模擬屬于動態(tài)環(huán)境模擬技術，采用粒子系統(tǒng)實現(xiàn)在不同水位和不同閘門開啟角度時對泄洪的動態(tài)模擬。在泄洪模擬的實現(xiàn)中，將大壩的各個泄洪口設置成粒子的生成位置，根據(jù)水位和閘門開啟角度，對生成的粒子賦予一定的屬性，如噴射速度、噴射角度、擴散角度、生命周期、初始顏色、終了顏色等。

④虛擬環(huán)境中三維地形分析工具。用ArcEngine擴展虛擬仿真平臺的分析功能，針對地形能查詢?nèi)我庖稽c的坐標、坡度和坡向，測量兩點間距，計算區(qū)域面積和體積，計算工程填挖量等。

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