可视化仿真技术及其在水利水电工程中的应用研究
一、研究背景
水利水电工程往往规模大、投资多、施工难度大，因而在工程设计和管理过程中，确定合理的施工方法，优化选择施工机械及配套组合，制订切合实际的施工进度计划，高效简便地对施工信息进行管理，直观形象地反映复杂施工过程，对于确保工程建设如期完成和降低工程造价都是至关重要的。为达到上述目的，除了在施工组织设计中要充分考虑工程特点和具体施工各种条件外，若能在事先对工程施工的运行发展过程和施工中各项活动的协调关系等状况进行预测和评价，将对工程施工组织计划的正确决策提供可靠的依据。可视化仿真技术的产生与发展正好适应了这种客观需要，它为解决施工中上述问题开辟了新的途径。
国外从２０世纪７０年代开始提出循环网络仿真技术（ＣＹＣＬＯＮＥ），至今已发展了一系列的工程仿真应用软件，但这些研究成果及仿真软件主要应用于土木工程施工如高层建筑施工、土石方工程等。２０世纪８０年代初，天津大学率先在全国开展水利水电工程施工过程仿真方法研究，在近２０年的发展中取得了大量开拓性的成果和社会效益。近年来，又在推动水利水电工程设计和管理向可视化、数字化方向发展方面做了大量研究工作。借助于计算机科学、系统科学和工程科学与技术的迅速发展，重点研究了三维动态可视化仿真理论与方法及其在水利水电工程中的应用，获得了一系列富有创新性的理论方法与应用研究成果。
在开展可视化仿真及其在水利水电工程中的应用研究工作中，存在以下三个关键技术问题：
１可视化技术与系统仿真技术结合的途径建立基于ＧＩＳ的交互式可视化仿真系统框架，将可视化技术与系统仿真的各个环节相结合，实现仿真建模可视化、仿真计算可视化、仿真结果可视化。
２可视化仿真技术在水利水电工程中的应用问题根据水利水电工程的特点和实际需要，将可视化仿真技术与具体的工程问题相结合，提出可视化仿真技术在水利水电工程中应用的具体途径。
３可视化仿真软件的通用化问题水利水电工程施工系统仿真软件的通用化不仅是关键技术问题之一，而且是推广应用的前提。
二、基于ＧＩＳ的三维动态可视化仿真技术
１可视化仿真涵义可视化仿真（Ｖｉｓｕａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＶＳ）是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术，其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后，系统的子模块用形象的图形来表示，并可通过鼠标在屏幕上直观形象的操作，就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节，即仿真计算过程可视化、仿真结果可视化、仿真建模过程的可视化。
２全过程动态仿真理论与方法全过程动态仿真理论融合了面向对象的图形辅助建模、动态仿真、网络计划分析与优化、动态演示、数据库等技术，把整个施工过程作为一个整体，对施工全过程进行跟踪模拟。
全过程动态仿真理论的特点就是体现了系统工程的思想。它是针对整个水利水电工程施工系统进行的，所有的优化及调配目标是使整个系统达到最优，而不是局部达到最优。它把整个施工过程作为一个大的系统，综合考虑系统中各个单项工程之间、各个工作面之间相互影响、相互制约的关系，分析整体的施工进度、施工强度等关键问题，获得更为真实的施工情况，从而达到为施工组织设计提供科学依据的目的。
３面向对象的图形辅助仿真建模技术仿真是一种基于模型的活动，建模是仿真过程中十分重要的一个环节。如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题。
面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观，用户可以把被仿真系统的各种活动都看成对象，并根据这些对象的类属关系和本身特性直接构造仿真模型。这种建模过程十分类似于人类所习惯的对客观世界中事件分类的思维过程，所以使仿真用户感到由物理模型到计算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。同时，利用对象类层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。
在系统仿真中应用图形技术，能够描述许多用语言难以表达的信息，图形辅助建模就是利用鼠标在计算机屏幕上绘制系统模型或用模型库中已有的系统元件拼合系统模型。
面向对象的图形辅助建模的基础是系统的可分性，即认为系统是由子系统组成的，而子系统又可分解成更原始的子系统。由于这种性质的存在，构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型（子模型）来建造总体模型。对于一个复杂的施工系统而言，按施工系统的层次性，可将其分解为相对简单和独立的子系统，而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以协调，这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。根据上述，便形成了面向对象的图形辅助仿真建模思想。
４基于ＧＩＳ的较全面的仿真三维动态数字模型构造及其可视化方法
（１）数字地形模型建立地表数字地形模型（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｅｒｒａｉｎ ＭｏｄｅｌＤＴＭ）是整个工程施工三维数字模型的重要组成部分，这里既是所有工程建筑物布置及施工活动的场所，也是施工过程中地形动态填挖的受体。水利水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区，因此施工区地表ＤＴＭ采用ＴＩＮ模型来实现。建立工程地表ＤＴＭ由地形等高线原始数据按一定的算法生成ＴＩＮ模型。
（２）动态实体参数化数字建模按照实体对象的属性，可将其分别用点、线、面、体等四类图形数据结构来表达。动态实体的数字模型尚需反映其属性信息，几何图形与其属性的一一对应关系建立可利用ＧＩＳ的空间数据组织结构来实现。同时为反映工程施工的动态过程，在其数据结构中除了描述几何特征及属性外，还体现时间特征。
实体建模若采用参数化建模方法，可大大简化建模过程。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程，而每个部件都由一些关键的参数来定义。
（３）地形动态填挖地形填挖表现为ＤＴＭ模型的修改，实质上是对地形ＴＩＮ模型进行操作。即用足够大的开挖（填筑）初始形体面转化的ＴＩＮ模型，与地形ＴＩＮ两者生成相交边界，再从地形ＴＩＮ上沿相交线切去填挖初始形体面所包含的地形区域，同时从填挖形体ＴＩＮ模型中以相交线为边界切去多余的开挖（填筑）边坡区域，最后把两个修正后的ＴＩＮ合并构成一个经填挖后的地形ＤＴＭ。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。
５基于ＧＩＳ的三维动态演示方法基于ＧＩＳ的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现，它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程。利用仿真模块得到工程系统的动态信息，包括时间、建筑物几何形状及其属性等，生成工程施工系统各环节某一动态变化单元ｉ对应的图元（施工、水位单元等）任意时刻ｔ的面貌Ｖｉ（ｔ），则ｔ时刻的工程整体面貌可表示为Ｖ（ｔ）＝Σｖｉ（ｔ），ｎ为总的图元数。其中，ｖｉ（ｔ）＝ｆｉ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｘｉ，ｔ），表示在动态施工过程中，包含时间信息的图元的几何形状，它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中，并与其一一对应的属性数据建立联系，从而在动画演示时，按时间顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息，不断更新绘图变量和属性变量赋值，同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。
６基于ＧＩＳ的交互式可视化仿真系统结构基于ＧＩＳ系统仿真的可视化表现在建模过程中利用ＧＩＳ的信息可视化采集，以及在仿真可视化操作过程中利用ＧＩＳ的动态信息可视化表达。由于ＧＩＳ特有的空间信息组织机制，使得其实现这些功能有着先天的优势。同时，在可视化仿真系统中，用户可根据显示的图像交互控制仿真的各个阶段，直到对所模拟的现象获得理解与洞察。在这一过程中，用户可以通过系统提供的操作界面随着可视化仿真系统反馈的结果来同步保持交互对仿真过程的控制。
随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用，使得有可能在计算机上实现对混凝上坝施工的动态过程的仿真实验。事先拟定不同的混凝土坝施工方案，并对施工动态过程进行仿真，可预测不同施工方案下混凝土施工进程的各项定量指标，这对制定合理的混凝土坝施工进度计划将提供科学可靠的决策依据。在充分考虑各种浇筑施工影响因素的情况下，建立混凝土坝施工系统的数学逻辑模型，并在此模型基础上编制计算机仿真软件。通过选取各种可能的机械配套方案及输入不同的施工技术参数进行大坝施工过程的仿真计算，可得到最优机械配套的数量、机械的利用率、混凝土月浇筑强度、逐月累计混凝土浇筑方量过程曲线。同时还可得到相应某施工方案下大坝浇筑施工的详细进度计划、各控制阶段的筑坝进程面貌等。而且通过混凝土坝浇筑仿真还可对其不同的浇筑规则对坝体上升进程的影响进行分析和研究。
同时，利用基于ＧＩＳ的三维动态演示系统来表现复杂混凝土坝施工过程。通过建立坐标系，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，建立实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应，从而反映实体的静态空间特征。同时利用过程信息，生成三维动画，为描述复杂的施工过程提供可视化手段。
水利水电工程施工总布置三维动态可视化仿真方法研究水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了一切地上、地下已有的、拟建的建筑物，一切为施工服务的临时性建筑物（包括砂石加工系统、混凝土系统等），因此布置过程非常复杂。
对枢纽主要建筑物施工全过程进行分析，并在此基础上实现各建筑物施工关系之间的协调，以实现直观的施工总布置形象全过程三维动态仿真，使施工场地布置随工程进度计划尽可能形象、直观、迅速地演示现场施工场地变化过程。不仅能直观显示枢纽施工组织设计的成果，而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。水电站施工总布置可视化仿真系统（ＣＬＭＩＳ）的总体。
四、结束语
可视化仿真的理论和方法包括全过程动态仿真理论、图形辅助仿真建模方法、基于ＧＩＳ的三维动态数字模型构造及其可视化方法、基于ＧＩＳ的三维动态演示方法及基于ＧＩＳ的交互式可视化仿真系统结构等，实现了仿真建模、仿真计算过程及成果的可视化。
在此基础上，深入研究了复杂水电工程地下厂房施工系统的可视化仿真与优化、水电工程施工导截流三维动态可视化仿真、混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真及优化、水电站施工总布置可视化仿真等问题，并结合溪洛渡工程应用，研制开发了相应的可视化仿真软件ＥＳＡＳ、ＣＤＭＩＳ、ＤＡＭＳＩＭ、ＣＬＭＩＳ。软件以三维图形、数字表格等方式直观表达了工程建设过程任意时刻的面貌，可视化程度高，仿真效果好，动态演示形象逼真。
可视化仿真技术及其在水利水电工程中的应用研究是结合实际工程，在水电工程设计向数字化、可视化和智能化发展方面进行的开拓性的研究工作。该研究成果在溪洛渡、三峡、龙滩等１０余项水利水电工程中获得成功的应用，取得了显著的社会效益，并获得直接经济效益１.０３亿元。该项研究成果于２００２年６月顺利通过国家教育部组织的鉴定，与会专家一致认为该项成果达到国际领先水平。该项研究为复杂大型工程施工组织设计提供了科学的理论方法和先进的技术手段，极大地提高了水利水电工程设计与管理的现代化水平。
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