水流控制仿真和優(yōu)化在水利水電施工中的應用分析

□葉清華（江西省萍鄉(xiāng)市坪村水庫管理局）

0 引言

水利水電工程的施工難度大，投資多，選用合理的施工方案，對于提升工程質(zhì)量的意義重大。施工過程必須對工程特點與具體條件進行充分考慮，施工方案包括工程的布置、工程進度、蓄水等多個方面。水流控制作為一個動態(tài)的過程，很難通過簡單的模型來分析，而可視動態(tài)技術(shù)恰好可與水流控制的動態(tài)性相匹配，這種技術(shù)的出現(xiàn)也為水利水電施工中的此類問題提供新的解決思路，并已在我國多個重點水利工程中取得了良好的應用成果。

1 基于GIS的可視仿真技術(shù)

1.1 可視仿真技術(shù)概述

可視仿真是計算機可視技術(shù)與建模技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代化仿真技術(shù)，是通過圖形或是圖像等方式對于仿真計算進行跟蹤與結(jié)果后期處理，并將結(jié)果以可視圖像化的形式展示于屏幕之上，使工程第一時間獲得直觀、高效的建模信息。

1.2 可視仿真應用于水流控制的理論依據(jù)

可視仿真是結(jié)合圖形建模、動態(tài)仿真、動態(tài)演示及網(wǎng)絡分析，把施工過程作為整體，進行全過程跟蹤模擬。水利水電工程中的水流控制是一項動態(tài)的工程，因動態(tài)性與內(nèi)部各環(huán)節(jié)的獨特性質(zhì)，致使可視化系統(tǒng)需要包含主體建筑系統(tǒng)、導流建筑系統(tǒng)與動態(tài)水流系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，這幾個子系統(tǒng)既相互聯(lián)系又相互制約。不同時段的導流標準所對應的水流情況決定著導流建筑物與主體建筑的工程施工進度，同時導流建筑與主體建筑施工進度又對不同時段的導流建筑規(guī)劃與導流標準制定起著直接的影響，因此如果以上制約關(guān)系遭到損壞，那么必然會產(chǎn)生導流風險?；谝陨详P(guān)系的綜合考量，結(jié)合施工整體進度與強度，必須保證在施工過程中，可以第一時間獲取真實情況，以為施工提供科學的參考依據(jù)。

2 基于GIS的三維可視仿真技術(shù)的優(yōu)化構(gòu)建及水流控制應用

仿真技術(shù)需要建立在模型的基礎(chǔ)上，因此建模即為仿真過程中的重要環(huán)節(jié)，如何實現(xiàn)快捷靈活而又準確可信的模型則是仿真中值得深究的重要課題。

2.1 面向?qū)ο蟮膱D形輔助的優(yōu)化仿真建模

在建模時采用面向?qū)ο蟮姆绞剑墒菇Y(jié)果更為自然直觀，用戶可以將各個活動都看作直觀對象，并直接根據(jù)對象類屬關(guān)系與自身特性構(gòu)建出仿真模型，這一過程如同人類對于可觀世界中存在的事件進行分類的習慣模式，因此仿真操作用戶可以很容易適應物理模型過渡為計算機模型，而這種方式也十分便于擴充，此外通過對象層次結(jié)構(gòu)的方式進行設(shè)計，可以大大提高代碼利用率。子系統(tǒng)中通過圖形進行建模，可描述出很多難以通過語言表達出的信息，此外面向?qū)ο蟮慕Ｏ到y(tǒng)是由子系統(tǒng)所構(gòu)成，同時子系統(tǒng)還可分解為更原始形式的子系統(tǒng)，因此種性質(zhì)，建模的方式即為通過各個系統(tǒng)子模型來構(gòu)建出整體模型，這也符合施工系統(tǒng)的規(guī)律，可以通過子系統(tǒng)的屬性與變化反映出整體情況。

2.2 基于動態(tài)實體參數(shù)化的優(yōu)化仿真建模

根據(jù)仿真對象的自身特點與屬性，將其通過點、線、面、體的不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行表達，動態(tài)的實體模型可以直觀反映出對象的屬性信息，通過幾何圖形和屬性相對性的關(guān)系構(gòu)建出基于GIS的數(shù)據(jù)與圖形組織結(jié)構(gòu)，并反映出各個時間段的水流動態(tài)，因此數(shù)據(jù)與圖形在描述基本幾何特征與屬性之外，還要表達出時間特征，實現(xiàn)仿真的時效性。在實體建模過程中如果采用的是參數(shù)化建模，則可大幅簡化這一過程，參數(shù)化建模是通過幾何相關(guān)關(guān)系構(gòu)建出一系列的參數(shù)化特征部件，并以此構(gòu)建出整體的幾何結(jié)構(gòu)，而基于水流控制的動態(tài)性，不同的部件又都具有自己的參數(shù)。

2.3 基于GIS的可視仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于GIS的仿真可視系統(tǒng)是通過搜集GIS信息，并在動態(tài)可視化的過程中利用GIS動態(tài)信息進行可視展現(xiàn)，因GIS具有空間信息的組織機制，這使得其在展示仿真結(jié)果等方面具有先天優(yōu)勢。此外在仿真系統(tǒng)中，操作用戶可以通過展現(xiàn)的圖像實現(xiàn)各仿真階段的交互控制，一直到可以對系統(tǒng)所呈現(xiàn)的仿真信息完全理解，在這過程中，操作用戶可根據(jù)系統(tǒng)操作界面與仿真系統(tǒng)展示的反饋結(jié)果，實現(xiàn)水流的同步交互仿真控制過程。圖1即為基于GIS的交互可視仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)架模型，該圖反映出了GIS仿真系統(tǒng)的具體操作環(huán)節(jié)，與用戶的仿真控制實現(xiàn)手段。

圖1 基于GIS的可視仿真系統(tǒng)框架圖

2.4 基于GIS的動態(tài)仿真演示法

基于GIS的動態(tài)仿真演示是通過三維立體形態(tài)對于任何時間段的仿真對象實現(xiàn)真實再現(xiàn)，通過這種方式體現(xiàn)了仿真系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)動態(tài)變化，并以直觀的方式展現(xiàn)出來，第一時間得到水流控制的動態(tài)信息，包括不同時間點，水流整體的幾何形狀及其參數(shù)屬性等，進而展現(xiàn)了某一環(huán)節(jié)的動態(tài)單元。在動態(tài)展示的過程中，帶有時間特征信息的水流幾何形狀，會隨著時間點的差異而時刻發(fā)生著變化，因此在水流控制的過程中，要時刻將整體的動態(tài)面貌存儲于圖形庫之中，并將數(shù)據(jù)、圖形與相應屬性建立起相互對應的關(guān)系，使用戶可根據(jù)自己的意愿，通過其手中掌握的信息調(diào)取出相應的動態(tài)仿真信息，通過這種方式為水流控制提供有價值的數(shù)據(jù)。

2.5 水利水電工程水流控制中可視仿真技術(shù)的應用

水利水電工程中的導流設(shè)計與管理過程，是整個工程中的重點，同時往往要涉及到大量的可靠數(shù)據(jù)與圖形信息，例如壩區(qū)地形、水文及地質(zhì)等多項資料，還需要結(jié)合樞紐設(shè)計、施工布置以及導流方案等各類數(shù)據(jù)和圖形信息，高效快捷地對以上各類信息進行搜集、管理，則是提升工程效率與施工質(zhì)量水平的關(guān)鍵，這其中的導流方案更是整項工程的重中之重，其設(shè)計過程十分復雜，而因水流控制的動態(tài)性，導流方案的差異很難直觀比較，因此通過可視仿真技術(shù)，直觀形象地呈現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)與圖像對于導流方案的優(yōu)化設(shè)計，具有重要意義。基于此，構(gòu)建出了適用于水電工程的導截流動態(tài)可視優(yōu)化方案，并通過導流的可視信息三維演示與管理系統(tǒng)（CDMIS），這一系統(tǒng)主要通過地理信息（GIS）的高效空間分析及處理能力，構(gòu)建出三維仿真導截流施工模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建可視仿真信息管理與查詢等多項功能，進而實現(xiàn)水流控制的動態(tài)演示與管理。導流系統(tǒng)中的各個動態(tài)環(huán)節(jié)可分成非線性和線性兩類，線性環(huán)節(jié)是以某種典型動態(tài)環(huán)節(jié)作為運算的基本部件，非線性環(huán)節(jié)則是通過各類典型動態(tài)環(huán)節(jié)不能組成環(huán)節(jié)的模型所構(gòu)成，而不論是非線性還是線性環(huán)節(jié)，輸入與輸出的變量都具有固定的函數(shù)關(guān)系，具體函數(shù)關(guān)系為yi=F(ui)。

總之，水利水電工程導流的仿真可視全過程需要建立在水流控制主體、時間、施工進度、水流及水力參數(shù)等多個狀態(tài)變量與不同時間段導流建筑規(guī)劃的決策變量相互調(diào)諧的基礎(chǔ)上，因此各個環(huán)節(jié)的參數(shù)都是水流控制的關(guān)鍵。

3 結(jié)語

基于GIS的可視化仿真技術(shù)實現(xiàn)了高科技仿真建模與成果可視化，通過可視成果，可為施工提供最具價值的參考。本次研究采用的可視仿真系統(tǒng)是以三維圖形、數(shù)字等形式，以此為水流控制工作提供了任意時刻的具體參數(shù)情況，可視效果好，動態(tài)性強。在水利工程中采用可視仿真技術(shù)，可有效實現(xiàn)工程的數(shù)字化、智能化及可視化等高科技管理方案，提高工程效益，避免不必要的損失，值得推廣。

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