計算機仿真模擬技術在水利工程中的應用

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技術比較

1.1 傳統技術

水利工程建設和管理是一項非常復雜龐大的系統工程，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。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，各個專業包括樞紐、施工、機電等專業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，相關數據的統計、編制，傳遞與存儲仍以估量統計、手工編制、人工報表和文檔傳遞為主，難以適應施工現代化的要求。

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，利用系統模型對真實或假想的系統進行試驗，并借助專家經驗知識，對統計數據、信息資料及試驗結果進行分析研究，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 仿真系統的功能和設計

2.1 系統功能

水利工程是一個復雜的大系統，為了簡化流程，方便計算機仿真模擬的實現，仿真系統首先需建立水利工程虛擬環境，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)的運動數學模型及水利工程運行機理仿真。通過以上模擬實現水利工程虛擬漫游系統。在三維仿真環境中，實時動態顯示水利工程運行狀況信息，實現過程的可視化與智能化，同時還方便了工程屬性數據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動軟件，配以高性能圖形工作站，結合Microstation，AutoCAD構成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，為使用者提供最快捷最準確的決策和判斷依據。

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，將整個壩區按道路橋梁、水利樞紐、圍堰、江河、碼頭、混凝土系統、施工管理區、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。

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，根據這些信息就可以生成基本三維形狀。然后對物體側面及頂部進行紋理貼圖。

③其他要素。以上只是壩區建模最為基本的要素，建立一個完整的視景仿真應用系統，還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)。同時對環境(云、霧、光照等)、特殊現象(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，發現設計參數和設計結果的關系并進行優化。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，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。

2）提供可視化分析虛擬環境，開發交互式虛擬漫游與可視分析環境

①設計和分析結果可視化。所研究的內容主要為構建虛擬工程、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。場景數據庫組織好之后，利用數據庫進行控制，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。對工程對象進行任意剖析，觀察分析計算結果，規劃設計可視化分析與評估流程。

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。在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G，p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vegaPicke可以獲得鼠標所指向的三維實體結構樹Pari(即GrouP)的標識信息，為與屬性數據庫的連接提供接口。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模擬。流體的動態模擬屬于動態環境模擬技術，采用粒子系統實現在不同水位和不同閘門開啟角度時對泄洪的動態模擬。在泄洪模擬的實現中，將大壩的各個泄洪口設置成粒子的生成位置，根據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，針對地形能查詢任意一點的坐標、坡度和坡向，測量兩點間距，計算區域面積和體積，計算工程填挖量等。

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