龔攀

摘 要：文章提出了基于Unity 3D的水電工程施工過(guò)程可視化仿真方法，對(duì)于可視化仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、三維模型的構(gòu)造以及可視化仿真實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題都做了詳細(xì)介紹。該方法能夠提高可視化實(shí)現(xiàn)的效率及效果，可為工程施工方案的管理和決策提供信息化支撐。

關(guān)鍵詞：Unity 3D；水電工程；可視化仿真

前言

水電工程施工的自然環(huán)境一般比較復(fù)雜，而且工程規(guī)模很大，在其施工的過(guò)程中，就會(huì)因?yàn)楦鞣N不定因素的干擾，增加工程施工的風(fēng)險(xiǎn)，使得工程的設(shè)計(jì)和施工任務(wù)加重。所以，在工程開(kāi)工之前，編制合理的施工組織手冊(cè)，選擇恰當(dāng)?shù)氖┕し椒?、施工機(jī)械及配套組合，以及高效直觀地對(duì)工程的施工過(guò)程進(jìn)行管理，這很大程度上保證了工程建設(shè)的完成工期以及工程的造價(jià)。隨著可視化技術(shù)與仿真技術(shù)的結(jié)合，我們可以對(duì)大壩的施工過(guò)程進(jìn)行可視化仿真，這為水電工程的施工管理開(kāi)辟了新的道路[1]。文章采用Unity 3D這款功能強(qiáng)大的游戲開(kāi)發(fā)引擎與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合，對(duì)基于Unity 3D 的可視化仿真技術(shù)作了相關(guān)研究，它可以展示真實(shí)的施工過(guò)程，可以為工作設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)直觀形象的可交互環(huán)境，讓決策者快速掌握施工條件和狀況，高效準(zhǔn)確地作出決策，這為水電工程的施工組織管理提供了有效的工具。

1 Unity 3D與可視化仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

Unity 3D是一個(gè)全面整合的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)引擎，它由完整的圖形渲染系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、編輯器系統(tǒng)、GUI 系統(tǒng)、Shader 系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成。它具有優(yōu)秀的設(shè)計(jì)環(huán)境、操作簡(jiǎn)便的場(chǎng)景編輯器、方便快捷的設(shè)計(jì)流程，它支持3DSMax和Maya等一些主流的三維建模軟件；在瀏覽器的環(huán)境中它可以直接運(yùn)行嵌入的編寫(xiě)好的程序，也可以在 Windows、MAC等多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，具有跨平臺(tái)的功能，而且還支持Javascript、C# 等[2]腳本語(yǔ)言。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得Unity 3D成為可視化仿真優(yōu)先考慮的對(duì)象。

可視化仿真系統(tǒng)主要由施工過(guò)程仿真系統(tǒng)和三維可視化系統(tǒng)兩部分組成。大壩施工過(guò)程仿真系統(tǒng)主要是通過(guò)模擬得到工程施工強(qiáng)度、主體工程的澆筑順序等相關(guān)信息，儲(chǔ)存到公共數(shù)據(jù)庫(kù)中以供可視化系統(tǒng)調(diào)用，該過(guò)程主要是采用離散事件的方法對(duì)大壩的澆筑過(guò)程進(jìn)行仿真模擬?；赨nity 3D的仿真可視化方法主要表現(xiàn)為在仿真建模的過(guò)程中，利用仿真系統(tǒng)得出的信息來(lái)進(jìn)行可視化的表達(dá)。同時(shí)，在可視化系統(tǒng)中，用戶可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)界面的控制對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行管理，直到理解所有的仿真對(duì)象。

2 三維模型的構(gòu)造

2.1 數(shù)字地形建模

數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model， DTM）是所有水工建筑物布置及施工活動(dòng)的場(chǎng)所，地形可采用不規(guī)則三角網(wǎng)模型（Triangulated Irregular Network， TIN）來(lái)描述。生成TIN模型的主要步驟如下。

（1）將原始地形圖按等高線連接成閉合曲線，選擇合適的等高線間距并對(duì)其高程進(jìn)行處理。（2）將閉合的曲線離散成點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)生成線，線生成面，最后由面生成體。在離散化的過(guò)程中需要注意選擇合適的離散間距以及錯(cuò)誤等高線及多余點(diǎn)的檢驗(yàn)和刪除。（3）借助CAD二次開(kāi)發(fā)生成網(wǎng)格模型[3]。

2.2 工程主體建筑物模型庫(kù)建立

水電工程主要的地物模型按照模型的屬性，可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型。對(duì)于在仿真過(guò)程中模型各頂點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)及空間位置都保持不變的實(shí)體，稱為靜態(tài)模型，例如導(dǎo)流建筑物和施工機(jī)械等，對(duì)于這類(lèi)模型主要是通過(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行的交集并集等布爾運(yùn)算來(lái)進(jìn)行建模。該類(lèi)模型可以按下面的步驟進(jìn)行處理。

（1）掌握模型的相關(guān)信息，采用Auto CAD、3DSMax等建模工具直接建立三維模型。（2）將所建模型導(dǎo)入3DSMax進(jìn)行貼圖和光照處理。（3）導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D進(jìn)行渲染和管理。

相對(duì)于靜態(tài)模型，動(dòng)態(tài)模型是指在施工過(guò)程中幾何形態(tài)不斷變化的對(duì)象，例如壩體和地形的開(kāi)挖等。大壩的建模步驟如下[4]（其他動(dòng)態(tài)模型可以采用相似的步驟進(jìn)行處理）。

（1）首先要得到壩體的模型，這個(gè)過(guò)程主要是根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行模型的建立。（2）然后確定實(shí)際填筑塊，通過(guò)對(duì)壩體剖切分區(qū)分塊，得到的單元模型即為所要確定的填筑塊。（3）將處理好的填筑塊導(dǎo)入到Unity 3D中進(jìn)行管理并完成渲染的工作。

3 仿真可視化的實(shí)現(xiàn)

仿真可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)主要是基礎(chǔ)模型的制作，完成對(duì)工程施工總布置圖三維模型的構(gòu)建，然后在Unity 3D中進(jìn)行必要的編程，最后憑借Web系統(tǒng)和系統(tǒng)展示模塊顯示出來(lái)。用戶可以通過(guò)三維可視化這個(gè)實(shí)時(shí)交互的系統(tǒng)，在逼真的虛擬場(chǎng)景中查詢各水工建筑物的狀態(tài)。具體過(guò)程如下。

（1）構(gòu)建模型是基礎(chǔ)，首先在3DSMax中創(chuàng)建實(shí)體模型。（2）模型的處理，主要是對(duì)模型進(jìn)行貼圖和材質(zhì)的相關(guān)處理，模型應(yīng)該具有所有屬性數(shù)據(jù)，最后生成施工總布置動(dòng)態(tài)三維數(shù)字模型。（3）模型文件格式的處理，模型文件導(dǎo)出必須另存為fbx格式，這樣Unity 3D才可以進(jìn)行識(shí)別處理。（4）編程，在Unity 3D中編寫(xiě)正確的腳本程序，根據(jù)交互的需要，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制。（5）應(yīng)用的發(fā)布，發(fā)布一個(gè)Web Player 應(yīng)用，該應(yīng)用具有動(dòng)態(tài)加載和三維模型顯示的功能。（6）網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)通過(guò)加載該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)三維可視化虛擬交互。

4 工程應(yīng)用

依據(jù)前文介紹的理論和方法，結(jié)合某水電工程，通過(guò)3DSMax對(duì)施工場(chǎng)地總布置實(shí)體進(jìn)行建模，借助 Unity 3D專(zhuān)業(yè)引擎研發(fā)了某工程施工過(guò)程的可視化仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了施工場(chǎng)地總布置三維可視化遠(yuǎn)程交互和大壩三維可視化動(dòng)態(tài)上升過(guò)程，如圖1所示。

圖1 施工總布置圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了基于Unity 3D的水電工程施工過(guò)程可視化仿真方法，該方法不僅可以逼真形象地描述工程復(fù)雜施工的過(guò)程，而且利用Unity 3D這個(gè)強(qiáng)大的游戲開(kāi)發(fā)引擎，為仿真信息的可視化提供了更好的途徑，提高了工程信息化管理的水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李景茹，鐘登華，劉東海，等.水利水電工程三維動(dòng)態(tài)可視化仿真技術(shù)與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（1）：116-119.

[2]陳永興.瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真理論與應(yīng)用研究[D].天津大學(xué)，2012.

[3]趙春菊，胡超，周宜紅.基于OGRE的碾壓混凝土壩施工過(guò)程可視化仿真系統(tǒng)[J].水利水電科技進(jìn)展，2013（4）：41-45.

[4]胡超.面板堆石壩壩面作業(yè)動(dòng)態(tài)仿真與資源優(yōu)化研究[D].三峽大學(xué)，2012.