1、虛擬仿真技術在水利工程中的應用張德文王進豐黃少華陳敏關鍵詞：水利設計、虛擬仿真、可視化分析1背景從上個世紀八十年代開始，信息科技在我國水利建設行業廣泛開展應用，范圍涉及到OA、計算分析、CAD設計、可視化、多媒體等方面。這些應用成果提高了我們在某些方面的工作效率，減輕了人的勞動強度。但是，相對于整個工程項目來說，所起作用還只是局部的，還沒有為整個水利工程項目提供一個集成的信息化平臺，特別是在可視化、協同工作及多元數據間融合上還很弱。在一定程度上抵消了我們的整體工作效率和管理水平。若提供具有高度臨場感的可視化系統，使技術人員實現交互協同設計，將是完成工程設計評估、多維數字分析、人員培訓等的最佳手

2、段。仿真作為研究動態系統的方法越來越多地為虛擬產品的開發服務。通過應用仿真技術，人們在早期產品規劃階段就可預示產品的特性，并及早發現問題和錯誤，節省成本，提高效率。隨著計算機硬件和軟件技術的飛速發展，仿真技術應用領域越來越廣闊。這方面國外起步較早，應用水平較高，主要應用于城市規劃、工業生產、航空航天、軍事、科學研究等領域。計算機仿真技術應用于水利工程中，始于二十世紀七十年代初。修建奧地利施立格壩時采用了確定性數字仿真技術對纜機澆筑混凝土方案進行優選。1973年11屆國際大壩會議上，D.H.Bassgen首先結合混凝土重力壩施工提出了混凝土澆筑過程模擬,在滿足施工澆筑系統實際存在的各項條件和施工

3、準則的情況下,利用計算機仿真技術,針對纜機澆筑進行了澆筑模擬計算,給出了纜機在模擬澆筑中的效率、澆筑強度等特性。其后，計算機仿真技術逐步在水利水電工程和建筑工程施工中進行應用。國內計算機仿真早期主要用于制造業、國防軍事、城市交通等方面，近年來逐步擴大到城市的規劃和建設等領域。同國外相比，水利建設行業的計算機應用水平差距就更加明顯。在國外，管理人員可在幾分鐘內將水利工程的相關信息、畫面和數據參數適時顯示。我國在水電工程中應用計算機仿真技術始于二十世紀八十年代初。構成多目標、多任務的虛擬仿真系統在水利行業的應用目前剛剛起步。大型水利工程因其建設周期長、投資大、結構復雜，涉及問題多，因此在決策階段或

4、建設的前期就能預測工程項目存在的問題并及時加以糾正，降低工程投資的風險是人們所期待的。虛擬仿真技術將我們的視野從二維平面上升到三維主體空間，采用已獲取的基礎數據，針對工程項目建立三維的、動態的、實時的、可視的虛擬仿真環境。2003年長江勘測規劃設計研究院向水利部申報的“水利工程虛擬仿真系統”是以水利工程的勘測設計、施工、運行管理為對象建立貫穿方案論證、CAD設計、工程進度控制、運行管理全過程的可實時顯示的仿真系統，使項目參與各方都能在此環境下直觀地、清晰地看到該項目過程的整體或局部、動態或靜態、歷史的或現實的以及將來的真實場景，提出自己的意見要求，并可進行各類信息查詢。決策層可在最短的時間內獲

5、得最新最準確的信息，以便對未來事件作出快速的判斷并采取相應對策。虛擬仿真技術是將數據管理、幾何建模、物理屬性建模、應用建模、模型試驗、虛擬可視分析集成于一個環境，利用已有的信息建立高精度的水利工程三維模型，分析研究規劃設計中關心問題，如：水利工程規劃、方案比選、樞紐總體布置和設計協調等，在虛擬仿真環境中對所關心的問題進行觀察、修改、決策、調度或重組等，使項目在決策或實施過程中更具有科學性、經濟性和可靠性。2技術方案2.1邏輯框架仿真的目的就是通過對系統仿真模型的運行過程進行觀察和統計，來掌握系統模型的基本特征，找出仿真系統的最佳設計參數，實現對真實系統設計的改善或優化。傳統的數字仿真技術是很少

6、考慮人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環境的感知（聽覺、視覺、觸覺），也就是說人的想法要適應計算機，人是旁觀者。隨著多媒體技術、計算機可視化、傳感技術的發展，計算機模擬外界環境對人的感官刺激開始成為可能。把虛擬現實技術引入系統模擬仿真的各個階段，可使人沉浸其中，對所需解決的問題有清晰的認識，而不必單純被動的去觀察仿真的結果，將使模型的建立和驗證更加方便。通過三維數字模型和顯示頭盔進行該領域的視覺模擬；通過傳感機制和觸覺手套來進行該領域的觸覺模擬；通過音響制作和音效卡進行聲音模擬；通過機械控制和傳動裝置進行動感模擬。虛擬現實技術使設計人員從“空間+時間+感受或意念”即“五度空間”感受世界，

7、人成為參加者。在水利工程規劃、設計、施工等階段如何應用虛擬仿真技術是需要研究的。虛擬仿真中以虛擬原型取代物理原型。虛擬原型指的是可用于觀察、操縱、裝配、拆卸的工程精確的三維數字模型。建立虛擬原型（即建立幾何模型與物理屬性模型）應成為水利工程設計過程中重要的一步。在這里，虛擬環境作為一種觀察與分析工具，用來在三維空間中對在傳統CAD系統中建立的模型進行可使用性、美觀性、性能等分析。也就是說,首先采用傳統CAD系統建立產品的CAD模型，然后再將已建好的產品CAD模型置入虛擬環境中進行觀察與分析。在虛擬環境中，設計者可以任意改變模型進行各種分析而無須重新制作物理原型。這有助于設計人員及早發現設計缺陷

8、，及時作出修改，加快工程開發進程。虛擬現實平臺改變了設計驗證過程。設計者可以選擇要觀察的模型、選擇要改變的尺寸、輸入新的尺寸、確認改變等等。具體地說，當設計者在虛擬環境中選擇了要修改的產品尺寸并輸入了新的尺寸后，系統將該設計模型連同新的尺寸傳回到CAD系統中，并在CAD系統中對設計模型進行修改，再將修改后的設計模型重新傳入到虛擬環境中由設計者對修改結果進行確認。虛擬環境中觀察分析CAD模型比在CAD系統中更為真實。虛擬仿真技術為設計服務，設計中當需要用圖形去分析處理設計結果、計算結果或設計模型組裝或多專業設計協調時，應用虛擬仿真平臺交互特點和超強的圖形處理與分析能力，認識工程設計中遇到的設計難

9、點，為設計或優化設計提供依據。虛擬仿真系統邏輯構架見圖1。工程設計從地形、地質、三維設計、計算分析到二維出圖整個過程都體現出設計與制圖的細致與精確。虛擬仿真作為設計的分析工具具有超強的圖形處理與計算分析特點。要將仿真技術真正應用到水利工程的規劃、設計中，除了應用、研究和開發虛擬仿真的分析功能外，還必須解決與三維CAD與仿真平臺雙向無損、快速的轉換，這樣在虛擬沉浸環境下當改變設計方案或修改局部參數時能快速修改原三維CAD文檔，同時將修改在仿真平臺顯示。虛擬仿真使設計者沉浸其中，對所需解決的問題有清晰的認識，是設計過程中不可缺少的環節。22應用難點221數據的復雜性水利工程數據的復雜性表現在兩個方

10、面：一是信息量大，類型多；二是來源渠道雜。如何統一管理好這些數據是建立仿真系統最重要的課題之一。Oracle9i的空間/屬性緊密集合以及開放式結構的特點，結合ArcSDE將可以有效管理好這些數據，并給管理者提供盡可能方便。222虛擬環境中幾何模型參數化描述和快速建模問題水利工程規劃設計過程中，要經常調整和優化方案。工程的設計方案的變化需要修改幾何模型，現在有的虛擬建模軟件沒有參數化設計功能，這對模型的修改很不方便。如何快速便捷地修改幾何模型，適應工程設計，還要尋找新的解決辦法。對水工建筑物參數化描述溢流壩段、非溢流壩段、船閘、升船機、電站廠房、邊坡坡度等的描述。這些建筑物參數化描述均在CAD系

11、統中解決，這里要作好仿真系統與三維CAD模型無損快速的轉換。 、對地形搭建模型過程中，要解決地形與建筑物的匹配問題。如何在虛擬環境中便捷對地形進行平整、填挖、襯砌等處理，滿足建筑物對地形的要求。在虛擬環境中開發建模插件，要能夠在給出原始地形時自動按要求進行和平整、填挖、襯砌處理。2.2.3三維CAD模型與虛擬仿真模型無損快速的轉化CAD數據模型不能直接在虛擬仿真環境中應用，因為CAD模型包含的幾何信息相當復雜，其模型追求的是幾何精確性和機械整合性，內含許多工業標準，CAD模型適合精確的工程繪圖和靜態圖形顯示；而虛擬環境模型為滿足和用戶進行交互的功能，要具有和現實世界一致的外形和行為規則，要具有

12、快速的實時顯示速度，這樣虛擬環境模型要用盡可能少的多邊形和幾何體表現最好的實時效果，并且模型有一個層次的數據結構，利用后繼的編程、模型查詢和實時控制。采用CAD和三維造型系統創建三維模型，然后從CAD中接收模型，生成虛擬原型。虛擬原型常用的建模軟件有MultiGen。MultiGen主要用于視景建模，其數據格式為OpenFlight三維視景數據庫。OpenFlight數據格式采用邏輯化以層次的景觀描述數據庫，通知圖像生成器何時及如何渲染實時三維景觀，非常精確可靠。如何快速無損完成三維CAD模型與虛擬原型的雙向轉換是將虛擬仿真技術應用到水利工程設計中難點，也是必須研究與解決的問題。3工程應用以水

13、利工程為研究對象采用當今最優秀的視景建模軟件MultiGenCreator和實時驅動軟件Vega配以SGI高性能圖形工作站，結合ArcGIS、MicroStation、AutoCAD構成了基本的仿真工作環境，以CAD數據為基礎進行數據轉換，形成精確的逼真的三維模型。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化等，提供決策和判斷的依據。31建立水利工程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，如壩區地形、擋水建筑物、通航建筑物、地下廠

14、房模型、施工場地、公路、植物的建模工作。描述這些模型的三角形數量要根據硬件環境合理規劃，對所關心的重點建筑物用的三角形數量應該多一些，一般情況下如果需要比較精確的反映一個完整的水利工程面貌其三角形的總數量不得少于15萬個，例如烏江某水利工程模型采用了約18萬個多邊形來描述。建立的模型合適與否將直接影響虛擬場景的可視化效果和系統的運行速度。建模過程一般有以下步驟： 地形處理首先將地形的三維等高線模型（DWG或DGN）優化處理，以DXF文件保存，利用ArcInfo和SiteBuild軟件生成OpenFlight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“

15、尺寸”和“位置”按比例為1：1建立虛擬場景平面布置圖，將整個壩區域按道路橋梁、水利樞紐、圍堰、江河、碼頭、混凝土系統、施工營地、沙石開采加工區、棄渣區、水廠與電廠等分割成多個區塊。區塊劃分后，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塊建模和環境建模，環境建模主要是樹草植物等的加入，道路橋梁可以放到環境建模中再細化。立建筑物基本三維模型從頂視圖信息中，我們確定了各個建筑物的位置和頂面形狀（或底面形狀），下一步就是要確定其高度信息了。從頂視圖信息和高度信息，就可以拉出其基本三維形狀了。物體的頂面紋理依然可以保留,但這樣建立起來的三維建筑物只具有基本形狀，進一步的工作，還包括：側面

16、紋理貼圖；對于重點建筑物，需要全新建模，原來的Box狀物體稍作修改后，可以作為最低層次的LOD模型。 、其他要素以上只是壩區建模的最為基本的要素，建立一個完整的視景仿真應用，還有需要進一步細化：植物、橋梁、公路、江面和壩區輔助設施（碼頭、混凝土系統、施工營地、沙石開采加工區、棄渣區、水廠與電廠）。對環境（云、霧、光照等）、特殊效果（流水、飄浮物、煙、火、三維聲音等）和運動物體（車、船、人）等效果在視景實時驅動軟件VEGA中設置。 、重點水工建筑這些建筑物的是設計所關心的，如大壩建筑物、通航建筑物、地下廠房、洞室與廊道、圍堰等，對這些模型進行仿真試驗，發現設計參數和設計結果的關系并進行優化。處理

17、水工建筑物設計平面圖文件（DWG或DGN）,從中提取對仿真建模有用的二維幾何信息，保存為DWG文件，虛擬建模軟件根據二維平面文件，參考建筑物立面圖、剖面圖進行三維建模，加上材質/紋理。32建立模型屬性庫建立與模型相關的屬性信息數據庫，把屬性數據和空間數據相結合，以支持三維環境下實時屬性查詢。33提供可視化分析虛擬環境在Vega和ArcEngine基礎上用VC開發交互式虛擬漫游與可視分析環境，為技術人員提供：設計和分析結果可視化基于如何應用虛擬現實技術，提供逼真、具有可交互性的三維可視環境，更好地展示水利工程，以方便業主或設計者對工程設計方案進行選擇、評估。所研究的內容主要為，構建虛擬工程，展示

18、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。采用實時視景仿真軟件(Vega)。場景數據庫組織好之后，利用Vega軟件對數據庫進行控制，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、或步行等方式的漫游，以不同視角、不同方位、不同的速度，對工程對象的靜止狀態或運動狀態形象、立體、直觀、全面地體驗，并分析設計的合理性。分析數據可視化。分析數據可視化屬于科學計算可視化范疇。對工程對象進行任意剖切，觀察分析計算結果。規劃設計可視化分析與評估流程見圖2。 模型的屬性信息動態查詢虛擬環境中，對地理環境與所關心的建筑物的空間信息和工程屬性信息進行查詢

19、。采用Oracle為后臺數據庫，存儲三維實體的各種屬性信息，實現基于虛擬場景中各種實體的空間定位、屬性查詢等功能。數據庫與虛擬仿真環境的連接通過ArcSDE來實現，其中三維實體與數據庫中相應實體的屬性如何一一對應是數據庫設計和動態查詢程序設計所要解決的關鍵問題。Creator建模中，模型的各部分面和體的組織方式由模型結構樹表示，結構樹中每個實體組Group為一個單元，因此在建模過程中通過調整結構樹，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。在系統交互中，運用VegaPicker類，可以獲得鼠標所指向的三維實體結構樹Part（既Group）的標識信息，這就為與屬性數據庫的連接提供了接口。屬性數據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，可以運用數據庫操作