基于Matlab的大壩靜動力分析可視化系統設計

于印+薛松

摘要：大壩的安全是關乎國家利益的問題，建立完整的大壩監測系統有利于大壩工作人員更好的監控大壩的運行情況。本文利用Matlab軟件，設計了一套大壩靜動力分析可視化系統，能夠在三維當中形象的顯示大壩的應力應變情況，并且將處理過的應力應變數據在二維平面內可視化，以輔助大壩動態監測與安全評測。

關鍵詞：大壩三維可視化；三維云圖顯示；大壩安全監測

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0198-01

目前國內外對于高土石壩的地震災變過程預測和安全控制尚停留在近似分析加經驗判斷階段，急需研究提出科學的預測理論和先進實用的安全控制技術，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006-2020）在其重點領域“公共安全”優先主題“重大自然災害檢測與防御”中明確要求“重點研究開發地震、臺風、暴雨、洪水、地質災害等監測、預警和應急處置關鍵技術，森林火災、潰壩、決堤險情等重大災害的監測預警技術以及重大自然災害綜合風險分析評估技術”。因此，加強高土石壩地震災變機理分析及數值模擬和地震安全控制技術研究有著重要的意義。國外發達國家在監測自動化及監測信息管理系統的開發起步較早，相對大壩安全信息系統的網絡技術開發及其應用研究比較成熟。從20世紀60年代即開始從事監測自動化的研究，20世紀70年代就已進入了實用階段。早期的自動化系統都是集中式數據采集系統，20世紀80年代初期，一些國家研制了分布式數據采集系統，實現了大壩安全監測自動化。事實上這些年來，國內許多高等院校和科研部門如天津大學、武漢大學、南京自動化研究院、河海大學、國家電力公司、中國水利科學研究院等投入大量的人力進行有關大壩監測信息管理和分析系統的研究，結合大壩觀測數據分析，開發了有關大壩安全監測分析與數據管理的軟件。為此，本文設計了一種大壩可視化顯示系統，以支撐大壩安全監控[1][2]。

1 業務流程與主要功能模塊

系統業務流程主要分為三個階段： （1）基礎數據可視化；（2）靜力數據可視化；（3）動力數據可視化，其中基礎數據可視化主要任務為對基礎數據進行有效處理，靜力數據可視化主要任務是對靜力數據處理，為靜力數據分析做準備，動力數據可視化的主要任務是對動力數據處理，以分析大壩的動應力應變。3維顯示效果舉例見圖1與圖2。

基礎數據可視化主要包括如下模塊：（1）3D顯示預處理，以提取有效的節點坐標數據、組裝單元數據，單元材料號，服務三維顯示；（2）3D著色建模與顯示，為大壩的3D顯示，提取對應的材料號顏色，生成場景數據，實現數據顯示的功能，包括放大、縮小、旋轉。在本系統中，為了更形象化的顯示大壩各個部分的材料，對五種材料分別用了五種不同的顏色，這樣就能夠直觀的看清大壩的材料組成。依據材料號著色主要功能是對提取的材料號進行區分，并根據對應的材料號的顏色對大壩的三維圖進行著色。

靜力數據可視化主要包括如下模塊：（1）靜應力應變預處理，以有效提高數據提取的質量。主要功能為提取x，y，z，3個方向的變形數據，提取x，y，z方向以及最大應力、最小應力水平相關數據，計算迎水面應力數據。其次，根據某一順河向或壩軸向坐標，切割三維大壩， 生成相應的二維圖形，并動態顯示切割面位于三維大壩的位置；（2）靜力剖面切割及顯示，主要功能為剖面離散數據的網格化，離散數據邊界提取，有效的插值算法，繪制等值線，根據所選的軸線顯示出大壩該面的受力等高圖。

動力數據可視化主要包括如下模塊：（1）動應力應變預處理，主要功能為提取x，y，z，3個方向的變形數據，提取x，y，z方向以及最大應力、最小應力水平相關數據，計算迎水面應力數據。根據輸入數據，動態顯示各節點的受力數據，顯示為3D的加速度圖；（2）動力剖面切割及顯示，主要功能為剖面離散數據的網格化，離散數據邊界提取，有效的插值算法，繪制等值線，根據數據動態顯示大壩各節點的位移圖。

2 結語

本文在研究大壩三維快速顯示算法的基礎上，針對大壩不同部分的材質，以彩色形式顯示大壩整體三維視圖；根據模擬得到的地震后大壩位移數據，動態顯示大壩在地震后的三維視圖；給出大壩某一切面的立體視圖；將上述功能集成完成顯示系統。針對水利大壩三維數據，利用matlab實現大壩三維場景顯示， 效果逼真，功能強，運行性能穩定，為水庫運行管理部門及上級主管部門的科學決策提供科學、直觀、高效的可視化輔助支持[3][4][5]。

參考文獻

[1]朱廣堂.基于GIS的工程施工管理實時可視化技術研究[D].華中科技大學，2005：1-178.

[2]張海平.基于GIS的水電站施工進度三維可視化模擬[D].大連理工大學碩士學位論文， 2006：1-57.

[3]何小梅.基于OpenGL的三維邊坡穩定分析可視化軟件研究[J]. 湖業水利水電職業技術學院學報， 2007.3（2）：30-35.

[4]K. A. bdel-Malek and H. J. Yeh， Analytical boundary of the workspace for general three degree-of-freedom mechanisms. International Journal of Robotics Research，1997，16（2）：198-213.

[5]MCeccarelli and AVinciguerra. On the workspace of general 4 R manipulators. International Journal of Robotics Research，1995，14（2）：152-160.endprint