水利工程運行管理中虛擬仿真技術的應用

荊 鑫

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，沈陽 110166)

0 引 言

20世紀50年代興起的一種新型虛擬仿真技術，為實現工程運行管理現代化以及提高人的主體認識能力提供了技術支持。一般地，對于仿真結果的讀取比較常見的形式有可視化、數字化和二維仿真3種。其中，數字化仿真存在操作簡單、易于實現的特點，但仿真結果無法直觀地提供給用戶，所以理解時具有一定難度，并且對于一些隱蔽性問題也難以發現；二維仿真較數字仿真更加直觀，二維圖形模擬多用于物流規劃、城地和設備等領域，有也將二維動態圖形用于物流過程的模擬分析，并為工程優化設計提供指導。但是該方法無法實現人機交互，只能提供簡單的畫面。隨著計算機硬軟技術的快速發展，虛擬仿真技術逐漸得到廣泛的研究應用，可視化仿真逐漸替代以往的數值和二維仿真。可視化仿真主要是利用系統中各物理對象的位置關系，經過組合處理生成三維模型，在三維空間上加入時間軸T，從工作方式和具體坐標的角度描述基本對象。在表現形式上仿真結果不局限于各種符號圖形在屏幕上的動態變化，而且能夠實現人與電腦的互動。如，在水利工程虛擬仿真系統中各種施工機械有序的工作，隨著項目的持續推進可以展現大壩施工、中轉場、庫底回填、渣場等動態變化過程，更加真實的模擬整個工程的現場運行情況[1]。

虛擬仿真技術涉及通訊、控制、信息、系統、相似管理、計算機、多媒體等各種現代高科技，它是計算機虛擬現實技術與各種物理效應設備的最主要表現形式，可以實現真實環境和感受的仿真，以一種交互仿真環境實現用戶與環境的自然交互，讓其產生身臨其境的感受[2-3]。

在高精密儀器、特殊操作訓練等領域該技術得以廣泛應用，如宇宙飛船、輪船、核電站、飛機等，并為水利工程規劃、模擬、設計、演示等提供一種新的技術手段。因此，綜合利用計算機仿真與虛擬現實技術建立三維可視、實時動態的水利工程運行管理虛擬仿真環境，在此環境下使技術管理人員能清晰而直觀地看到現實或歷史、靜態或動態、局部或整體的工程運行管理真實場景，從而提出合理化建議和要求，這也是應用虛擬仿真技術的主要目標。通過虛擬仿真決策層可以獲取最準確最新的工程運行信息，以便能夠快速判斷未來可能發生的事件，并給出有效的管控對策[4-6]。

1 虛擬仿真原理

1.1 建立三維虛擬環境

虛擬仿真在整個工程中的應用基礎是虛擬環境建模，一般涉及聽覺建模與三維視覺建模兩個體系，其中視覺建模有模型切分、對象特性、物理、運動和幾何建模等模塊。

采用DEM數字高程模型或以.dxf、*.dgn格式存儲的三維等高線地形圖，實現虛擬仿真數據與地理特征數據的格式轉化，并考慮工程地形條件貼上真實的衛片或航片。然后結合二維CAD圖紙建立三維建筑物仿真幾何模型，如通航建筑物、廠房、地下電站、泄水建筑物和水庫大壩等，將真實照片紋理與現場實拍照片相融合，可以實現工程現場情景的完全模擬。最后，按照實際接觸的工程建筑物與地形關系，通過拼接處理完成三維虛擬仿真的建模。

1.2 應用虛擬仿真技術

實際上，表面變形、對象捕獲、相互作用、位置改變、縮放、碰撞等均反映了三維虛擬環境中物體的運動特性，通過將坐標系設置于每個具有運動特征的對象上可生成對象坐標系統，為改變對象的位置可以利用各方向上坐標值的控制來實現。將虛擬仿真技術應用于工程運行管理時，水工建筑物部件通常會發生運動，如水輪機機組運行、泄水閘門的旋轉、船閘的關閉與開啟，開閘泄水流態以及水位的變化等。三維幾何模型仿真這些動作效果時，需要在一定條件下合理控制、設定其空間方位角和位置坐標，由此實現水工建筑物的動作模擬。

此外，地理目標名稱(或唯一的ID)在工程實時監測數據與三維仿真模型之間存在相互對應的關系，且水工建筑物監測、控制等相關信息來源于工程實時監測數據。采用這些信息可對三維仿真環境中水工建筑物的運動狀態實時更新，并在三維仿真環境中以各種屬性表、顏色的方式查詢和顯示工程的水質水情監測、滲流監測、各種變形監測等信息。將虛擬仿真技術應用于水利工程運行管理的基本流程，如圖1示。

圖1 虛擬仿真流程

2 水利工程運行管理虛擬仿真技術

水利工程管理通常存在許多隨機性的復雜因素，用精準的數值模型難以進行客觀準確的描述，因此現代化仿真技術在各行業中的應用將日趨廣泛。

2.1 單個水利工程管理維護仿真

針對單個水利工程安全監測、運行狀態的管理利用三維可視化仿真幾何模型實現，其中安全監測數據利用實物監測儀器采集，結合不同的安全監測數據立體顯示水利工程的侵蝕崩潰狀況、位移情況、受力變形仿真等。采用合理的預測模型和質量評定標準，綜合處理分析各種監測資料與數據信息，并對工程的內外在質量進行科學的評估，及時準確的掌握其運行狀態。通過創建良好的運行管理系統，可為水資源優化配置、整個流域的防洪調度以及工程運行管理提供可視化工情和水情信息。采用三維仿真系統管理控制水閘樞紐工程時，其總體結構如圖2所示。

圖2 三維仿真系統總體結構

2.2 長距離輸水工程運行管理仿真

長距離的明渠輸水工程涉及沿途分水口、排水閘、涵洞、退水閘和各節制閘等工程管理，運用三維仿真技術構建輸水工程管理系統，不僅可以達到實時監控輸水工程運行情況的目的，還可考慮不同需水量與供水量，在三維虛擬環境下仿真控制輸水工程巖土的排水閘、分水口、各節制閘等。在三維虛擬環境下實時查詢各節制閘的安全監測、實時流量、閘門開度等信息，以及總干渠各渠段的水質、流量和水位信息等。此外，三維仿真系統可以實時顯示三維定位，并為長距離輸水工程安全運行提供預警。

2.3 水利工程聯合調度仿真

在水資源綜合利用、優化配置以及流域防洪減災等方面，水利工程發揮著關鍵的控制性作用。根據三維虛擬仿真技術構建流域內的水庫工程管理系統，在三維虛擬環境中仿真不同工程聯合調度方案，通過聯合會商明確工程調度最佳方案，可為實現水資源合理利用、防洪減災和達到效益最優提供科學依據。

1)在三維虛擬環境中模擬驗證流域防洪聯合調度模型的可行性、有效性，主要考慮三維可視化顯示、實時計算的水開閘泄水流量、上下游水位、上游來水庫容等。根據工程運行需要、泄水建筑物設計要求、泄洪閘事先編排、不同時期上游流量與水位，對泄水建筑物開閘泄洪利用三維虛擬仿真系統模擬，通過模擬仿真下游水流流態、開閘泄水等工程運行情況，利用可視化信息為決策者提供可靠支持。

2)采用實時監測的水位流量數據和流域內水利工程聯合調度模型，在三維虛擬仿真系統中顯示流域內各類控制性水利工程的調度過程，以此實現水資源優化配置會商和流域防洪調度。

3)綜合利用地理信息系統與三維虛擬仿真系統，對上游庫區水庫在不同水位條件下的土地淹沒情況、淹沒范圍面積進行實時查看，為流域生態環境保護、水土保持以及庫區移民等提供可視化的監測信息[7-8]。

2.4 水利工程運行機理仿真

大型水利樞紐工程的工作機理和運行過程非常復雜，如三峽升船機、雙線五級船閘等，僅僅依靠純數值計算和平面設計圖紙，難以客觀真實的反映工程運行情況及工作機理。采用虛擬仿真技術建立各組成部件與水工構筑物三維模型間的運行關系，從而形成工程管理優化實驗平臺，為直觀準確的反映工程運行情況以及技術管理人員決策提供科學指導[9]。如，利用三維虛擬仿真技術構建的雙線五級船閘運行管理體統，可以從不同側面同步仿真船經過船閘時的閘室內充防水、閘門開啟與關閉等一系列運動過程。

3 結 論

計算機三維仿真技術在水利行業中的應用水平，較其它行業還存在較大的差距，現階段主要用于工程的局部結構，還未能形成集成整個工程項目的管理系統，尤其是在多元數據融合、可視化等方面仍需進一步探究，水利行業中多任務、多目標虛擬仿真系統的應用還不夠成熟。運行管理過程中水利工程多利用攝像頭或二維平面監視，在管理決策和調控過程中三維空間動態技術的應用還處于起始階段，水利工程運行管理將隨著三維虛擬仿真技術的成熟得以快速的發展。