基于虛擬現(xiàn)實的截流施工動態(tài)可視化仿真研究

佟大威

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

1 前言

在大江大河上進行截流施工是一項艱巨復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到大量數(shù)據(jù)和圖形信息，如壩區(qū)的水文、地形、地質(zhì)狀況以及樞紐建筑物、施工場地和截流方案設(shè)計，使得截流施工組織設(shè)計和管理往往面臨巨大的困難。如何直觀、科學(xué)地描述這一不斷動態(tài)變化的過程，把截流過程中涉及的龍口水力特征指標、工程施工實體間復(fù)雜時空邏輯關(guān)系等三維或多維的動態(tài)數(shù)據(jù)和信息，轉(zhuǎn)化為可顯示的逼真圖形，并對這些信息進行高效便捷的管理，來輔助設(shè)計和支持決策，是提高施工組織設(shè)計效率和決策水平的難題及關(guān)鍵。目前，對截流的研究大多數(shù)強調(diào)龍口水力特征的分析，而很少考慮隨龍口大小同步變化的截流戧堤動態(tài)形象、施工場地變化以及運輸車輛的配置和管理等動態(tài)信息?，F(xiàn)有的有關(guān)截流可視化仿真研究中，戴會超和田斌［1，2］、蔣晗［3］等較好地實現(xiàn)了截流施工布置的形象顯示和截流過程的動態(tài)演示。鐘登華［4］利用GIS及可視化技術(shù)建立了截流施工三維動態(tài)數(shù)字模型，結(jié)合龍口水力指標的動態(tài)分析，實現(xiàn)了不同截流方案下截流過程的三維動態(tài)可視化仿真及信息查詢。然而，水利水電工程截流設(shè)計和施工不僅僅是主體工程戧堤的施工，與之相關(guān)的備料場地、道路布置、車輛運輸管理等也非常重要，而以往的截流可視化研究注重反映戧堤的施工過程及相應(yīng)的水力信息，難以使人們對工程有總體全局的把握，無法對工程設(shè)計方案進行全面的比較分析。筆者針對水利水電工程截流施工系統(tǒng)的復(fù)雜性，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3dsmax技術(shù)，進行三維數(shù)字建模、物理系統(tǒng)和動態(tài)行為的模擬，展現(xiàn)出具有真實感的、可實時交互的、包括戧堤、備料場地、運輸車輛的截流施工整體場景，并將截流仿真計算結(jié)果信息與圖形緊密結(jié)合起來，為水電站截流的設(shè)計、管理提供一種全新的環(huán)境，為決策者提供更科學(xué)、直觀的依據(jù)。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是信息科學(xué)領(lǐng)域一類新興的工程技術(shù)，是在計算機圖形學(xué)、計算機仿真、傳感技術(shù)和多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和智能決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科，提供了一種全新的人機交互方式，用戶通過它可以以自然的方式與虛擬世界中的對象進行交互操作。

水利水電工程設(shè)計和施工是一項非常復(fù)雜龐大的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的模型實驗和二維設(shè)計成果直觀性不強、真實感較差，將VR技術(shù)引入到水利水電工程設(shè)計和管理中，制造出逼真的造型和場景，可使設(shè)計者具有身臨其境的感覺，從而充分發(fā)揮人的認識能力和主觀能動性，提高工作效率和決策能力［5～7］。

水利水電工程虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以水利水電工程的勘測、規(guī)劃、設(shè)計、施工、運行管理為對象，建立貫穿方案論證、協(xié)同設(shè)計、工程進度控制、運行管理全過程的可實時顯示的可視化仿真系統(tǒng)，使項目參與各方都能在此環(huán)境中直觀清晰地看到該項目過程的整體或局部、動態(tài)或靜態(tài)、歷史的或現(xiàn)實的，以及將來的真實場景，提出自己的意見要求，并可進行各類信息查詢。其主要表現(xiàn)在:a．在計算機中真實的表現(xiàn)水利水電工程將要形成的整體面貌;b．在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)水利水電工程設(shè)計多專業(yè)的協(xié)調(diào)和合作;c．為工程建成后的運行管理提供三維可視化平臺;d．為水利工程的宣傳匯報提供一個良好的展示平臺。

3 截流施工仿真VR建模

截流施工仿真VR系統(tǒng)可以分為兩大模塊:截流施工仿真模塊和可視化模塊，兩個模塊作為單獨的進程實現(xiàn)，采用進程間通信交換數(shù)據(jù)。對于截流施工仿真模塊，作為離散性系統(tǒng)，運用系統(tǒng)工程的方法，建立截流水力學(xué)動態(tài)仿真模型，對整個截流施工過程進行仿真計算，求得施工過程各時期的戧堤進占情況和龍口水力學(xué)特征?？梢暬K將仿真計算的結(jié)果利用VR和3dsmax技術(shù)形象逼真的顯示出來，并可進行信息查詢與動態(tài)分析。如圖1所示，建立了截流施工的仿真模塊與可視化模塊。

圖1 截流施工仿真VR系統(tǒng)建模Fig．1 Virtual reality system modeling for construction simulation of river closure

4 截流水力學(xué)動態(tài)仿真分析

對工程設(shè)計人員而言，在截流方案設(shè)計時最為關(guān)心的是龍口處水流狀況。截流可視化仿真正是通過分析截流過程中龍口處各水力參數(shù)的變化情況，逼真形象地反映隨戧堤進占截流的三維動態(tài)面貌及相應(yīng)信息。在截流過程中，隨著戧堤進占，龍口處的水力特征指標是不斷變化的，可用試算法確定不同龍口寬度B下的龍口水力指標，包括龍口流量、平均流速、落差、拋投料粒徑及單寬功率等［8］。

1)龍口流量

式(1)中，σs為淹沒系數(shù);m為龍口流量系數(shù);為龍口平均過水寬度，m;g為重力加速度，m/s2;H1為上游水位，m;Hd為戧堤底高程，m。

2)龍口平均流速

其中，

3)落差

4)拋投粒徑

式(4)中，γw、γm分別為水和拋投料的容重;km為拋投料的伊滋巴什穩(wěn)定系數(shù)。

5)龍口單寬功率

隨著戧堤進占，龍口寬度B的不斷變化，即B=fB(V(t))，進占段體積V(t)=ηPt，P為由施工機械的運輸能力決定的平均拋投強度，η為損耗系數(shù)，t為截流歷時。而龍口斷面面積S及底板高程Hd也隨之變化，即有S=fs(B)，Hd=fh(B)。假定龍口戧堤勻速推進，推進步長為ΔL，仿真中通過自動獲取B、S及Hd，并調(diào)用截流水力學(xué)計算模塊，可動態(tài)地計算和分析龍口處的各項水力指標。

5 基于VR的截流過程三維動態(tài)可視化

5．1 截流施工場景的三維數(shù)字建模

三維數(shù)字建模屬于幾何建模，是基于幾何信息來描述物體對象的建模方法。數(shù)字模型一般分為面模型與體模型，面模型用三角形面片來表現(xiàn)對象的表面，體模型用體素來描述對象的結(jié)構(gòu)。表現(xiàn)截流施工場景的三維數(shù)字模型主要包括數(shù)字地形模型、場地道路開挖模型和水工建筑物模型等［9］。

1)數(shù)字地形模型。數(shù)字地形模型(digital terrain model，DTM)是工程動態(tài)可視化仿真的重要組成部分，所有的工程對象布置和施工都在其上面進行。DTM的表達形式可以是不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型、NURBS曲面、三維網(wǎng)格面和三維實體等。TIN模型是由分散的地形點按照一定的規(guī)則構(gòu)成一系列不相交的三角形組成，它能充分表現(xiàn)地形高程變化細節(jié)，適用于地形起伏較大的山區(qū)。一般水利水電工程所處的地表地形較為復(fù)雜，適合采用TIN模型來建立工程地表 DTM［10］。

2)場地道路開挖模型。場地和道路邊坡的填筑體和開挖體在AutoCAD或3DSMAX中建立與地形格式一致的網(wǎng)格或?qū)嶓w模型，通過與地形進行布爾操作，可得出場地在地形上的分布，同時相應(yīng)地得到工程量等信息。

3)水工建筑物模型。水工建筑物可以通過參數(shù)化建模實現(xiàn)，所有的建筑物模型都有對應(yīng)的時間屬性，通過控制其隨著時間的形象面貌變化情況來表達施工過程。

5．2 物理系統(tǒng)建模

物理建模［11］是在幾何建模的基礎(chǔ)上，考慮對象的物理屬性，引入質(zhì)量、力、慣性等物理量，以彌補純幾何建模的不足，增強了仿真的真實感。Reactor技術(shù)和粒子系統(tǒng)是典型的物理建模方法。Reactor技術(shù)通過給對象加入簡單物理力學(xué)參數(shù)，可以近似模擬物體在真實環(huán)境下的受力行為。粒子系統(tǒng)是由大量稱為粒子的簡單體素構(gòu)成，每個粒子具有位置、速度、顏色和生命期等屬性，通過這些簡單體素構(gòu)造實現(xiàn)復(fù)雜運動的建模，如火焰、水流、雨雪等現(xiàn)象［12，13］。在截流施工仿真場景物理建模中，Reactor技術(shù)主要用于模擬拋投料施工過程，粒子系統(tǒng)的應(yīng)用包括龍口水流、雨霧天氣、挖掘機的粉塵等。

5．3 動態(tài)行為建模

幾何建模與物理建模相結(jié)合，可以部分實現(xiàn)真實施工場景“看起來真實、動起來真實”的特征，而要構(gòu)造一個能夠逼真地模擬現(xiàn)實世界的真實施工場景，必須采用行為建模方法。行為建模就是在創(chuàng)建模型的同時，不僅賦予模型外形、質(zhì)感等表觀特征，同時也賦予模型物理屬性和“與生俱來”的行為與反應(yīng)能力，并且服從一定的客觀規(guī)律。

虛擬現(xiàn)實一個很重要的特征就是實現(xiàn)模型的交互控制，這一控制主要是對模型行為的控制，故模型的動態(tài)行為建模就顯得非常重要了，它是模型實時交互與控制的基礎(chǔ)。如通過關(guān)鍵幀法或樣條驅(qū)動畫法建立運輸汽車的裝載、運輸、拋投料和排隊等動作行為后，才可以通過仿真邏輯來控制運輸汽車的動作，或者由用戶通過鼠標鍵盤等輸入設(shè)備來實時控制運輸汽車的行為。

5．4 模型拾取與操作

三維模型的拾取與操作是交互式系統(tǒng)的重要組成部分。用戶在系統(tǒng)場景漫游的過程中，希望通過拾取某個模型，可以查詢此模型對象所包含的各種信息，或?qū)ζ溥M行基本的操作如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放。其中模型的拾取是實現(xiàn)的難點，一旦正確的拾取了所需的模型，再根據(jù)面向?qū)ο蟮乃枷胝{(diào)用模型相應(yīng)的屬性即可實現(xiàn)模型的反饋。比如拾取了截流施工中的備料場地，通過調(diào)用該模型類的相關(guān)屬性如場地位置、與上下游圍堰運距、備料方量等，從而實現(xiàn)了場景中三維模型信息的實時交互查詢。圖2所示為截流施工場景模型信息的觸發(fā)式查詢。

圖2 場景模型信息查詢Fig．2 Information query for scene model

三維模型的拾取主要是在基于OpenGL的選擇模式基礎(chǔ)上，再構(gòu)造一些圖形學(xué)算法而實現(xiàn)的。其中OpenGL的選擇模式是其實現(xiàn)的主要機制。在OpenGL下拾取模型的部分程序框架代碼如下:

6 工程應(yīng)用

西南某水電站施工采用分期導(dǎo)截流方式，一期施工左岸，由右側(cè)束窄后的主河床泄流，二期施工右岸，由左岸壩體內(nèi)預(yù)留的6個導(dǎo)流底孔及缺口泄流。二期截流采用從右至左單向立堵進占的截流方式，龍口位置設(shè)于河床中部偏左岸，預(yù)進占以右岸為主，左岸為輔，經(jīng)數(shù)字化后建立的三維截流布置模型如圖3所示。截流流量采用12月中旬十年一遇的旬平均流量2600 m3/s。考慮施工機械配備及拋投料運輸情況，戧堤龍口段的平均拋投強度為937 m3/h，截流歷時約為36 h。對上述截流方案進行動態(tài)可視化仿真分析，得到了不同龍口寬度下的龍口水力信息及截流三維形象。圖4所示為龍口寬20 m時典型時刻的截流面貌與信息。

當然，通過改變截流方案，運用本文方法，可以方便地進行多方案的比較與分析，進而輔助截流設(shè)計與決策。

圖3 某工程截流布置三維數(shù)字模型Fig．3 3D digital model for river closure layout

7 結(jié)語

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3dsmax技術(shù)進行了截流三維數(shù)字模型、物理系統(tǒng)和動態(tài)行為建模，提出了基于虛擬現(xiàn)實的截流施工三維動態(tài)可視化仿真技術(shù)，把施工截流這樣一個復(fù)雜的動態(tài)過程用直觀的方式描述出來。實例應(yīng)用表明，該方法為實現(xiàn)截流方案的直觀分析與比較提供了一個強有力的可視化分析手段，從而大大提高了施工截流設(shè)計與管理的現(xiàn)代化水平。

圖4 龍口寬20 m時的截流面貌及信息Fig．4 River closure scene and information at the closure-gap width of 20 m

［1］戴會超，田 斌．三峽工程大江截流施工過程三維仿真研究及應(yīng)用［J］．長江科學(xué)院院報，1998(1):11－47．

［2］蔡宜洲，孟永東，田 斌，等．三峽工程三期截流三維施工仿真研究［J］．湖北水力發(fā)電，2003(3):11－14．

［3］蔣 晗，劉德富，王炎廷．導(dǎo)截流工程施工的計算機三維仿真技術(shù)［J］．武漢水利電力大學(xué)(宜昌)學(xué)報，1998，20(3):20－23．

［4］劉東海，鐘登華，鄭家祥．數(shù)字化截流及其三維動態(tài)可視化仿真［J］．天津大學(xué)學(xué)報，2004，37(4):298－302．

［5］唐文惠．VR技術(shù)及其在水電工程中的應(yīng)用［J］．水利水電科技進展，2001，21(4):17－20．

［6］靳 萍，劉 永，歐陽建國．水利系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2001，34(6):107－109．

［7］黃少華，張德文，李小帥．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在水利工程仿真中的應(yīng)用［J］．人民長江，2006，37(5):36－38．

［8］鐘登華，鄭家祥，劉東海．可視化仿真及其應(yīng)用［M］．北京:中國水利水電出版社，2002．

［9］鐘登華，周 銳，劉東海．水利水電工程施工系統(tǒng)三維建模與仿真［J］．計算機仿真，2003，20(2):86－91．

［10］Victor J D．Delaunay triangulation in TIN creations:an overview and a linear time algorithm ［J］．International Journal of Geographical Information System，1993，7(6):501－524．

［11］楊克儉，劉舒燕，陳定方．虛擬現(xiàn)實中的建模方法［J］．武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，23(6):47－50．

［12］劉曉波，王 柏，鮑家元．粒子系統(tǒng)模擬自然景物的探討［J］．西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1995，25(1):71－74．

［13］劉東海，崔廣濤，彭文懷．虛擬高壩泄洪挑流運動的建模與實現(xiàn)［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19(9):1996－1999．