基于OSG的水電站施工計劃與進度虛擬仿真平臺

賈 棋, 王 祎, 張 淼, 劉日升, 葉昕辰

(大連理工大學 軟件學院, 遼寧 大連 116600)

基于OSG的水電站施工計劃與進度虛擬仿真平臺

賈 棋, 王 祎, 張 淼, 劉日升, 葉昕辰

(大連理工大學 軟件學院, 遼寧 大連 116600)

為直觀地展示水電工程的施工計劃與施工進度,以OSG (OpenSceneGraph)三維引擎為核心,設計并建成水電站施工計劃與施工進度三維虛擬仿真平臺。該平臺通過標準活動劃分的結構編碼、結構數據庫、三維模型、算法程序，建立工程項目計劃數據、施工現場實時數據與三維數字模型之間的關聯,提供計劃與進度的多種可視化演示,可以進行工程信息三維可視化查詢,為水利工程設計和施工管理提供有力的支持。

虛擬現實； 仿真； 水電工程管理； OpenSceneGraph

水電站工程規模龐大,建設過程復雜、建設周期長,通常需要采用工程項目管理軟件進行管理。這類軟件有Primavera公司的P3、NIKU公司的Open WorkBench、SAP公司的Project Systems(PS) Module、 Microsoft公司的Project等[1-3]。這些軟件一般采用任務日程、甘特圖、關鍵路徑法、里程碑等比較抽象的管理方法,往往只有專職計劃管理人員或負責工程施工的技術人員才能熟練運用。但大型水電工程項目管理是一個各級、各部門的管理人員協作的過程[4-6],除了專職工程進度管理人員和本部位工程技術人員外,還需要各級領導、專家、咨詢單位、商務人員、財會人員、供應部門、質量安全管理人員、相鄰部位的施工技術人員對工程信息迅速和充分的掌握。特別是對于一些重要問題和重大決策,相關人員對工程信息全面而迅速的掌握具有重要的意義[7]。

為了更直觀地反映水電工程的施工計劃與進度情況,筆者基于OSG(OpenSceneGraph)三維圖形引擎設計了一個碾壓混凝土壩水電工程計劃與進度虛擬仿真平臺。該平臺把全部工程進度計劃通過標準活動劃分的結構編碼、結構數據庫、三維模型、算法程序等建立與工程三維數字模型的直接聯系,實現進度計劃多種可視化演示,以滿足不同人員的管理需求[8-9]。

1 仿真平臺系統框架

水電站施工計劃與進度虛擬仿真平臺以OSG三維圖形引擎為核心,通過讀取工程項目管理軟件中的計劃數據和現場施工實時數據,創建和展示工程計劃和實際進度,仿真平臺的系統框架如圖1所示。

圖1 進度計劃仿真平臺系統框架

平臺中,進度計劃包含4個層次:決策層概要計劃、管理層概要計劃、操作層進度計劃和詳細實施層的進度計劃。每層計劃包含所有工程作業(工序),完整的作業間邏輯關系、工作次序、工期、延遲、起始/結束日期和每道作業的浮動時間等進度信息。計劃數據讀入后由施工主進度表存儲[10-11]。

仿真的主要目的是把計劃數據(從計劃管理工具中讀入)、現場施工的數據(從工程數據庫讀入)和仿真模型(靜態模型)相關聯并進行計算,形成動態展示,實時播放或存儲于動態仿真庫中,以便日后直接調用。

2 靜態3D模型的生成

靜態模型主要包括地形與施工環境模型和壩段組件模型。

2.1 地形環境實體建模

一般地形數據可通過航測、地形圖數字化采集及野外測量等方式采集獲得。本平臺采用施工場地提供的CAD地形圖來生成地形模型。

CAD地形圖主要以等高線的形式給出。由于在繪制等高線的過程中可能存在一些交叉數據點或重疊的區域,因此首先要由人工刪除這些錯誤數據,同時刪除其他無關的地物和標注,只保留等高線數據。然后通過Open Inventor或FreeCAD等軟件建立不規則或規則形狀的曲面,再進行貼圖、渲染、烘焙等處理,還原真實地貌[2](見圖2)。

圖2 地形建模

2.2 建筑物實體模型

三維實體主要是工程施工系統中的各種建筑物,例如廠房、開關站、圍堰、導流建筑物、泄洪建筑物以及臨時設施等。因為建筑物形狀比較規則,因此可采用面及邊界描述建筑物三維數據結構。在設計的過程中,廠房和其他建筑物的外形和布置方式已經確定,因此可以根據圖紙或現場采集的圖像數據,完整地表達該類實體外形(見圖3)。

圖3 施工周邊建筑物實體模型

2.3 壩段參數組件模型

壩段模型的外形和尺寸可能經常需要調整,所以對基本幾何形狀進行組件式建模和參數化建模具有事半功倍的效果。參數化組件建模是通過幾何關系組合一系列用參數控制的特征部件,從而構造整個幾何結構模型的方法,即整個建模過程可描述成一組特征部件的組裝過程,而每個部件都由一些關鍵的參數來定義。一旦這些參數確定后,可由相應的計算模塊求得控制坐標點,然后由這些坐標點按一定的順序生成實體模型[3]。

在本平臺中,首先根據壩體設計圖紙設計壩體組件形態。組件是構成壩體的最小單元,其形態多為簡單幾何形體,并容易利用參數化方法計算。關于仿真混凝土壩的澆筑過程,組件可在Y軸方向動態增長,所以在參數化建模中,關鍵是組件的橫斷面形態。將不同的截面形狀分別在系統內建模,形成一個截面類型庫。在實際建模的過程中,只要從截面類型中選擇需要使用的類型,并為它具體賦值,就可以立即生成截面外形。對于圖4所示的特殊結構壩段,需要通過組合幾個種類的組件得到。

圖4 幾種類型壩塊組建式構建

3 計劃動態仿真

3.1 計劃演示設計

在獲得了空間數據和施工網絡計劃數據以后,施工部分按照空間位置關系和時間關系構成三維演示的整體。如何將它們有效地組織在一起,是本平臺施工計劃演示的關鍵問題[12]。

對于混凝土輾壓壩,各個壩段的澆注施工順序是由下向上,只要根據施工計劃和施工強度要求,計算獲得每個壩段的每一層的施工時間,給這些在同一施工時間段的層賦予同一時間值,就可以確定在該時間段內施工完成形體。這種方法的缺點是:由于分層施工并不是在施工計劃安排的前提下進行的,可能會出現1個分層跨2個施工時間段的情況。這時,這個分層形體不是被分到2個施工時間段,而是依算法的不同被分到其中一個,這樣就在施工演示和計劃數據間產生了誤差。所以在仿真的時候,需以施工計劃演示的詳細程度為參照來設計分層高度。選取的層高越細,對計劃方針仿真的誤差就越小。如此,層高的選取與施工計劃的數據無關,即使修改了施工計劃數據,對這部分澆注分層數據也不會產生影響。

分層是通過程序自動實現的,在分層的同時,獲取了各層的體積、確定層空間位置和大小的各個特征點的坐標,把這些數據存儲到數據庫中,等待演示建模時使用。同時,在數據庫中存儲分層對應的屬性數據。

3.2 路徑漫游設計

按照指定的路徑進行漫游在演示中非常重要。路徑漫游模塊主要實現按照指定路徑對壩體、廊道、導流洞等的漫游。

(1) 指定路徑漫游。在OSG中實現路徑需要用AnimationPathManipulator類。創建路徑的方法有很多,可以使用差值的方式來得到一些關鍵點差值,或者從3ds MAX導出路徑。在這個模塊中,采用OSG自帶的路徑錄制功能創建路徑[13]。

(2) 隨意漫游設計。首先定義一個全局變量sign作為標識各類漫游操作的標識數。然后,定義一個場景漫游操作類。在該類中,重載handle函數,接收用戶的按鈕操作或者鍵盤/鼠標操作,以執行相應的場景漫游顯示。此外,該類主要維護了攝像機位置三維坐標、攝像機運行速度、攝像機屏角等重要數據成員。在場景漫游的轉向、移動、升降、速度控制等操作中,對數據成員作相應數據修改即可實現場景的模擬。將上述場景漫游操作類加入OSG場景程序中,利用MFC框架的消息傳遞機制,自動接收用戶按鈕事件及附加的鍵盤/鼠標操作來實現場景任意位置的漫游操作。

3.3 進度計劃可視化演示

向工程管理機關匯報可采用大屏幕演示,可以點擊網絡圖或橫道圖節點熱鍵、查看相應的可視化進度信息、演示工程當前的形象面貌、回顧實際進展過程、展示將來的進度目標等。為滿足工程管理人員對進度計劃編制和討論的需求,可以進行全部或階段性按時間比例順序展示、批量里程碑點跳躍展示、滑動時間滾動條控制展示、局部和總體三維形體多視角效果展示以及展示中的改變、根據需要定制時間軸及視點位置的控制過程展示等。為滿足進度計劃的審查和控制需要,還可進行不同進度計劃的可視化對比展示。全局功能展示界面如圖5所示。

圖5 全局功能展示界面設計

4 空間數據管理與可視化查詢

該模塊主要功能是把可視化平臺中各模型與系統工程數據庫進行鏈接,只要點擊仿真界面中的物體,即可返回對應的屬性數據,方便水利工程建造進度的管理(見圖6)。

圖6 目標物屬性頁面

空間數據管理與可視化查詢模塊的具體功能包括:(1)特定壩塊的澆筑時間數據、溫度數據、冷卻數據的錄入和查詢；(2)各個壩段信息、工程數據的查詢；(3)工程進度數據(即澆筑時間數據)、測溫數據以及冷卻數據等錄入與查詢。

5 結語

水電站施工計劃與進度虛擬仿真平臺通過標準活動劃分的結構編碼、結構數據庫、三維模型、算法程序，建立工程項目管理軟件中的計劃數據、施工現場實時數據和三維數字模型之間的關聯,不但能提供計劃與進度的多種可視化演示,而且可以進行工程信息三維可視化查詢,為水利工程設計和施工管理提供有力的支持,也為教學提供了工程案例。

References)

[1] 李江,李秀琳,夏世法.碾壓混凝土壩澆筑進度三維仿真[J].水利水電技術,2012(6):55-58.

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

[3] 王忠耀.向家壩水電站二期工程混凝土重力壩施工仿真與實時控制分析研究[D].天津:天津大學,2010.

[4] 劉雪峰.堤壩施工進度的可視化仿真研究[D].大連:大連理工大學,2006.

[5] 郭曉菡.基于計算機仿真技術的施工成本、進度、質量集成控制方法研究[D].杭州:浙江大學,2004.

[6] 鐘登華,南春輝,宋洋.水電工程施工進度三維動態可視化方法[J].天津大學學報,2005(4):322-327.

[7] 孫錫衡,齊東海.水利水電工程施工計算機模擬與程序設計[M].北京:高等教育出版社,1997.

[8] 鐘登華,鄭家祥.可視化仿真技術及其應用[M].北京:水利水電出版社,2002.

[9] 孟永東,田斌.基于Java和MySQL的虛擬現實動態場景構建方法[J].系統仿真學報,2005(9):2287-2290,2300.

[10] 沙仲芳,李惠泰.新技術與新工藝在東風水電站大壩施工中的應用[J].水利水電科技進展,1996,16(1):11-15.

[11] 王仁超,石英,李名川.小灣大壩混凝土繞筑施工仿真研究[J].四川大學學報(工程科學版),2004,36(4):10-14.

[12] 彭小林.路面基層碾壓混凝土工藝及性能研究[D].廣州:華南理工大學,2012.

[13] 張美華,楊強.碾壓混凝土的發展現狀、特點及方向[J].水電站設計,2008(2):73-78.

Virtual simulation platform for construction plan and progress of hydropower station based on OSG

Jia Qi, Wang Yi, Zhang Miao, Liu Risheng, Ye Xinchen

(School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116600,China)

In order to display the construction plan and progress of the hydropower project intuitively, and by taking the OSG (open scene graph)3D engine as the core, a 3D virtual simulation platform for the construction plan and progress of the hydropower station is designed and built. This platform establishes the correlation between the data of the project plan and the real-time data of the construction site and the 3D digital model through the structural coding, the structural database, the 3D model and the algorithm program. This platform can provide a variety of visual demonstrations of the construction plan and progress, carry out the 3D visual inquiry of engineering information, and supply the strong support for the design and construction management of hydraulic engineering projects.

virtual reality; simulation; hydropower engineering management; OSG(open scene graph)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.027

2017-02-15

國家自然科學基金項目(61402072)

賈棋(1983—),女,吉林遼源,博士,講師,主要研究方向為計算機視覺和圖像處理E-mail：jiaqi@dlut.edu.cn

劉日升(1984—),男,遼寧大連,博士,副教授,主要研究方向為計算機視覺和圖像處理.E-mail：rsliu@dlut.edu.cn

TV51；TP391.9

A

1002-4956(2017)08-0111-04