虚拟仿真技术在水利工程中的应用

2010年02月23日16:02:47 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

摘要：将虚拟仿真技术应用到水利工程的规划与设计越来越受到业内的关注和重视。本文介绍虚拟仿真技术在水利规划和设计中的应用思路及所开展的研发工作。通过工程应用，探索虚拟仿真技术在水利工程规划设计中的应用途径。采用当今较优秀的视景建模软件MultiGen Creator 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平台，为技术人员提供可视化分析虚拟环境。

关键词：水利设计、虚拟仿真、可视化分析

1 背景

从上个世纪八十年代开始，信息科技在我国水利建设行业广泛开展应用，范围涉及到OA、计算分析、CAD设计、可视化、多媒体等方面。这些应用成果提高了我们在某些方面的工作效率，减轻了人的劳动强度。但是，相对于整个工程项目来说，所起作用还只是局部的，还没有为整个水利工程项目提供一个集成的信息化平台，特别是在可视化、协同工作及多元数据间融合上还很弱。在一定程度上抵消了我们的整体工作效率和管理水平。若提供具有高度临场感的可视化系统，使技术人员实现交互协同设计，将是完成工程设计评估、多维数字分析、人员培训等的较佳手段。

仿真作为研究动态系统的方法越来越多地为虚拟产品的开发服务。通过应用仿真技术，人们在早期产品规划阶段就可预示产品的特性，并及早发现问题和错误，节省成本，提高效率。随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，仿真技术应用领域越来越广阔。这方面国外起步较早，应用水平较高，主要应用于城市规划、工业生产、航空航天、军事、科学研究等领域。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。决策层可在较短的时间内获得较新较准确的信息，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，找出仿真系统的较佳设计参数，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较重要的课题之一。Oracle 9i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较好的实时效果，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，采用当今较优秀的视景建模软件MultiGen Creator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

虚拟仿真技术在水利工程中的应用

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