水流控制仿真和優(yōu)化在水利水電施工中的應(yīng)用分析

□葉清華（江西省萍鄉(xiāng)市坪村水庫(kù)管理局）

0 引言

水利水電工程的施工難度大，投資多，選用合理的施工方案，對(duì)于提升工程質(zhì)量的意義重大。施工過(guò)程必須對(duì)工程特點(diǎn)與具體條件進(jìn)行充分考慮，施工方案包括工程的布置、工程進(jìn)度、蓄水等多個(gè)方面。水流控制作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，很難通過(guò)簡(jiǎn)單的模型來(lái)分析，而可視動(dòng)態(tài)技術(shù)恰好可與水流控制的動(dòng)態(tài)性相匹配，這種技術(shù)的出現(xiàn)也為水利水電施工中的此類(lèi)問(wèn)題提供新的解決思路，并已在我國(guó)多個(gè)重點(diǎn)水利工程中取得了良好的應(yīng)用成果。

1 基于GIS的可視仿真技術(shù)

1.1 可視仿真技術(shù)概述

可視仿真是計(jì)算機(jī)可視技術(shù)與建模技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代化仿真技術(shù)，是通過(guò)圖形或是圖像等方式對(duì)于仿真計(jì)算進(jìn)行跟蹤與結(jié)果后期處理，并將結(jié)果以可視圖像化的形式展示于屏幕之上，使工程第一時(shí)間獲得直觀(guān)、高效的建模信息。

1.2 可視仿真應(yīng)用于水流控制的理論依據(jù)

可視仿真是結(jié)合圖形建模、動(dòng)態(tài)仿真、動(dòng)態(tài)演示及網(wǎng)絡(luò)分析，把施工過(guò)程作為整體，進(jìn)行全過(guò)程跟蹤模擬。水利水電工程中的水流控制是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)的工程，因動(dòng)態(tài)性與內(nèi)部各環(huán)節(jié)的獨(dú)特性質(zhì)，致使可視化系統(tǒng)需要包含主體建筑系統(tǒng)、導(dǎo)流建筑系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)水流系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，這幾個(gè)子系統(tǒng)既相互聯(lián)系又相互制約。不同時(shí)段的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的水流情況決定著導(dǎo)流建筑物與主體建筑的工程施工進(jìn)度，同時(shí)導(dǎo)流建筑與主體建筑施工進(jìn)度又對(duì)不同時(shí)段的導(dǎo)流建筑規(guī)劃與導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)制定起著直接的影響，因此如果以上制約關(guān)系遭到損壞，那么必然會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)。基于以上關(guān)系的綜合考量，結(jié)合施工整體進(jìn)度與強(qiáng)度，必須保證在施工過(guò)程中，可以第一時(shí)間獲取真實(shí)情況，以為施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2 基于GIS的三維可視仿真技術(shù)的優(yōu)化構(gòu)建及水流控制應(yīng)用

仿真技術(shù)需要建立在模型的基礎(chǔ)上，因此建模即為仿真過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，如何實(shí)現(xiàn)快捷靈活而又準(zhǔn)確可信的模型則是仿真中值得深究的重要課題。

2.1 面向?qū)ο蟮膱D形輔助的優(yōu)化仿真建模

在建模時(shí)采用面向?qū)ο蟮姆绞剑墒菇Y(jié)果更為自然直觀(guān)，用戶(hù)可以將各個(gè)活動(dòng)都看作直觀(guān)對(duì)象，并直接根據(jù)對(duì)象類(lèi)屬關(guān)系與自身特性構(gòu)建出仿真模型，這一過(guò)程如同人類(lèi)對(duì)于可觀(guān)世界中存在的事件進(jìn)行分類(lèi)的習(xí)慣模式，因此仿真操作用戶(hù)可以很容易適應(yīng)物理模型過(guò)渡為計(jì)算機(jī)模型，而這種方式也十分便于擴(kuò)充，此外通過(guò)對(duì)象層次結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大提高代碼利用率。子系統(tǒng)中通過(guò)圖形進(jìn)行建模，可描述出很多難以通過(guò)語(yǔ)言表達(dá)出的信息，此外面向?qū)ο蟮慕Ｏ到y(tǒng)是由子系統(tǒng)所構(gòu)成，同時(shí)子系統(tǒng)還可分解為更原始形式的子系統(tǒng)，因此種性質(zhì)，建模的方式即為通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)子模型來(lái)構(gòu)建出整體模型，這也符合施工系統(tǒng)的規(guī)律，可以通過(guò)子系統(tǒng)的屬性與變化反映出整體情況。

2.2 基于動(dòng)態(tài)實(shí)體參數(shù)化的優(yōu)化仿真建模

根據(jù)仿真對(duì)象的自身特點(diǎn)與屬性，將其通過(guò)點(diǎn)、線(xiàn)、面、體的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，動(dòng)態(tài)的實(shí)體模型可以直觀(guān)反映出對(duì)象的屬性信息，通過(guò)幾何圖形和屬性相對(duì)性的關(guān)系構(gòu)建出基于GIS的數(shù)據(jù)與圖形組織結(jié)構(gòu)，并反映出各個(gè)時(shí)間段的水流動(dòng)態(tài)，因此數(shù)據(jù)與圖形在描述基本幾何特征與屬性之外，還要表達(dá)出時(shí)間特征，實(shí)現(xiàn)仿真的時(shí)效性。在實(shí)體建模過(guò)程中如果采用的是參數(shù)化建模，則可大幅簡(jiǎn)化這一過(guò)程，參數(shù)化建模是通過(guò)幾何相關(guān)關(guān)系構(gòu)建出一系列的參數(shù)化特征部件，并以此構(gòu)建出整體的幾何結(jié)構(gòu)，而基于水流控制的動(dòng)態(tài)性，不同的部件又都具有自己的參數(shù)。

2.3 基于GIS的可視仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于GIS的仿真可視系統(tǒng)是通過(guò)搜集GIS信息，并在動(dòng)態(tài)可視化的過(guò)程中利用GIS動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行可視展現(xiàn)，因GIS具有空間信息的組織機(jī)制，這使得其在展示仿真結(jié)果等方面具有先天優(yōu)勢(shì)。此外在仿真系統(tǒng)中，操作用戶(hù)可以通過(guò)展現(xiàn)的圖像實(shí)現(xiàn)各仿真階段的交互控制，一直到可以對(duì)系統(tǒng)所呈現(xiàn)的仿真信息完全理解，在這過(guò)程中，操作用戶(hù)可根據(jù)系統(tǒng)操作界面與仿真系統(tǒng)展示的反饋結(jié)果，實(shí)現(xiàn)水流的同步交互仿真控制過(guò)程。圖1即為基于GIS的交互可視仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架模型，該圖反映出了GIS仿真系統(tǒng)的具體操作環(huán)節(jié)，與用戶(hù)的仿真控制實(shí)現(xiàn)手段。

圖1 基于GIS的可視仿真系統(tǒng)框架圖

2.4 基于GIS的動(dòng)態(tài)仿真演示法

基于GIS的動(dòng)態(tài)仿真演示是通過(guò)三維立體形態(tài)對(duì)于任何時(shí)間段的仿真對(duì)象實(shí)現(xiàn)真實(shí)再現(xiàn)，通過(guò)這種方式體現(xiàn)了仿真系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化，并以直觀(guān)的方式展現(xiàn)出來(lái)，第一時(shí)間得到水流控制的動(dòng)態(tài)信息，包括不同時(shí)間點(diǎn)，水流整體的幾何形狀及其參數(shù)屬性等，進(jìn)而展現(xiàn)了某一環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)單元。在動(dòng)態(tài)展示的過(guò)程中，帶有時(shí)間特征信息的水流幾何形狀，會(huì)隨著時(shí)間點(diǎn)的差異而時(shí)刻發(fā)生著變化，因此在水流控制的過(guò)程中，要時(shí)刻將整體的動(dòng)態(tài)面貌存儲(chǔ)于圖形庫(kù)之中，并將數(shù)據(jù)、圖形與相應(yīng)屬性建立起相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，使用戶(hù)可根據(jù)自己的意愿，通過(guò)其手中掌握的信息調(diào)取出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)仿真信息，通過(guò)這種方式為水流控制提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

2.5 水利水電工程水流控制中可視仿真技術(shù)的應(yīng)用

水利水電工程中的導(dǎo)流設(shè)計(jì)與管理過(guò)程，是整個(gè)工程中的重點(diǎn)，同時(shí)往往要涉及到大量的可靠數(shù)據(jù)與圖形信息，例如壩區(qū)地形、水文及地質(zhì)等多項(xiàng)資料，還需要結(jié)合樞紐設(shè)計(jì)、施工布置以及導(dǎo)流方案等各類(lèi)數(shù)據(jù)和圖形信息，高效快捷地對(duì)以上各類(lèi)信息進(jìn)行搜集、管理，則是提升工程效率與施工質(zhì)量水平的關(guān)鍵，這其中的導(dǎo)流方案更是整項(xiàng)工程的重中之重，其設(shè)計(jì)過(guò)程十分復(fù)雜，而因水流控制的動(dòng)態(tài)性，導(dǎo)流方案的差異很難直觀(guān)比較，因此通過(guò)可視仿真技術(shù)，直觀(guān)形象地呈現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)與圖像對(duì)于導(dǎo)流方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有重要意義。基于此，構(gòu)建出了適用于水電工程的導(dǎo)截流動(dòng)態(tài)可視優(yōu)化方案，并通過(guò)導(dǎo)流的可視信息三維演示與管理系統(tǒng)（CDMIS），這一系統(tǒng)主要通過(guò)地理信息（GIS）的高效空間分析及處理能力，構(gòu)建出三維仿真導(dǎo)截流施工模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建可視仿真信息管理與查詢(xún)等多項(xiàng)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水流控制的動(dòng)態(tài)演示與管理。導(dǎo)流系統(tǒng)中的各個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)可分成非線(xiàn)性和線(xiàn)性?xún)深?lèi)，線(xiàn)性環(huán)節(jié)是以某種典型動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)作為運(yùn)算的基本部件，非線(xiàn)性環(huán)節(jié)則是通過(guò)各類(lèi)典型動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)不能組成環(huán)節(jié)的模型所構(gòu)成，而不論是非線(xiàn)性還是線(xiàn)性環(huán)節(jié)，輸入與輸出的變量都具有固定的函數(shù)關(guān)系，具體函數(shù)關(guān)系為yi=F(ui)。

總之，水利水電工程導(dǎo)流的仿真可視全過(guò)程需要建立在水流控制主體、時(shí)間、施工進(jìn)度、水流及水力參數(shù)等多個(gè)狀態(tài)變量與不同時(shí)間段導(dǎo)流建筑規(guī)劃的決策變量相互調(diào)諧的基礎(chǔ)上，因此各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)都是水流控制的關(guān)鍵。

3 結(jié)語(yǔ)

基于GIS的可視化仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高科技仿真建模與成果可視化，通過(guò)可視成果，可為施工提供最具價(jià)值的參考。本次研究采用的可視仿真系統(tǒng)是以三維圖形、數(shù)字等形式，以此為水流控制工作提供了任意時(shí)刻的具體參數(shù)情況，可視效果好，動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。在水利工程中采用可視仿真技術(shù)，可有效實(shí)現(xiàn)工程的數(shù)字化、智能化及可視化等高科技管理方案，提高工程效益，避免不必要的損失，值得推廣。

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