基于三維動畫技術(shù)與 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水利工程施工管理系統(tǒng)研究

梁柳金

（廣東百盛建設工程有限公司，廣東 江門 529000）

隨著水利工程建設規(guī)模的逐年擴大，水利工程已經(jīng)成為我國基礎設施建設中的重要項目，在水利工程的設計和施工管理中，需要三維重組工程管理的相關(guān)信息，與圖像、充分融合動態(tài)特征與圖像的合理分析，本文依托虛擬現(xiàn)實以及三維動畫技術(shù)，科學合理地設計工程施工管理系統(tǒng)。

首先通過信息聯(lián)動構(gòu)建底層數(shù)據(jù)庫，有效識別信息化管理的狀況，合理設計該管理系統(tǒng)的模塊；其次利用具體的項目應用實踐以及相關(guān)的實驗檢測驗證其可行性。

1 三維動畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)可行性

1.1 三維動畫技術(shù)

基于三維動畫技術(shù)進行該管理系統(tǒng)的模塊設計和全部結(jié)構(gòu)設計，必須進行施工管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。

該施工管理系統(tǒng)的成型加載模塊、總線調(diào)度模塊、信息融合模塊、代碼協(xié)議模塊等的構(gòu)建，必須依托C/S 結(jié)構(gòu)體系；在網(wǎng)絡設計的層面，數(shù)據(jù)庫可采用MySQL，進行該管理體系的底層信息融合；服務器可選擇Tomcat，進行該管理系統(tǒng)規(guī)范化程序結(jié)構(gòu)開發(fā)，建立該系統(tǒng)的三維動態(tài)重組模型；該管理系統(tǒng)的技術(shù)指標分析和功能模塊設計，可以采用控制組件和總線開發(fā)的方式；通過PXI、LXI、VXI 聯(lián)合總線測試，構(gòu)建該工程管理系統(tǒng)的用戶監(jiān)控終端顯示模塊、視頻數(shù)據(jù)中心管控模塊以及視頻數(shù)據(jù)存儲模塊等。按照整體技術(shù)框架，通過數(shù)據(jù)共享、信息聯(lián)動、實時感知等方式，進行底層數(shù)據(jù)庫的合理構(gòu)建，水利工程施工管理系統(tǒng)底層信息類型標識涵蓋NTSC、SECAM、PAL 等，具體的編碼通常采用4 ∶4 ∶0 或者4 ∶2 ∶0 的方式，充分利用了塊方式運動補償控制設計該管理系統(tǒng)的三維動畫，從而獲取該系統(tǒng)的三維動畫幀識別模型。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

針對水利工程的施工和管理，必須充分考慮無處不在的管理多變性和施工的復雜性，主要表現(xiàn)在專業(yè)領(lǐng)域的超前性、超長的項目周期、龐大的資金運轉(zhuǎn)、廣闊的施工區(qū)域、不可控的生態(tài)環(huán)境、冗雜的施工隊伍、后勤管理的繁雜性，這些特點都決定了水利工程絕對不可能像其他工程那樣只是憑借圖紙就能施工建設，而是要具體細致地研究和劃分工程的每個施工階段的事項。傳統(tǒng)的工程模型難以達到參數(shù)對比的直觀性、不能進行大規(guī)模的工程建設；傳統(tǒng)的二維水利工程設計圖諸多實際、專業(yè)的標注不能顯示在設計圖上，在實際管理施工進度的過程中，依舊利用傳統(tǒng)的人工報表、傳遞文件、手工編制等手段，進行相關(guān)的信息統(tǒng)計、編制和存儲，難以滿足現(xiàn)代施工的標準，導致信息傳遞不暢。虛擬現(xiàn)實及仿真技術(shù)成熟和應用恰好滿足了現(xiàn)代水利工程施工管理的客觀要求，應用前景十分廣闊，為解決以上的傳統(tǒng)施工問題找到了可行的途徑。具體來說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將項目有望形成的整體面貌通過在計算機進行真實地表現(xiàn)；水利工程的諸多專業(yè)合作，可以在一個虛擬的環(huán)境中實現(xiàn)；可以為水利工程完工后的運行管理提供三維可視化平臺；更可以為水利工程的宣傳匯報搭建展示平臺，比如水庫移民宣傳、生態(tài)環(huán)境的影響、社會和講解效益等[1]。

2 三維動畫技術(shù)的水利工程施工管理系統(tǒng)

2.1 三維動畫設計

本工程完全采取了測量同步性和信息化監(jiān)測的手段，實施該施工管理系統(tǒng)模 型的建設。通過模擬三維動畫構(gòu)建視景配置模型，可以依托該系統(tǒng)的MSTP/SDH管理專線，通過區(qū)域位置視景重建以及圖像跟蹤技術(shù)獲得該管理系統(tǒng)的三維動畫視景結(jié)構(gòu)配置模型。重要的視頻幀數(shù)據(jù)可以在攝像頭圖像中獲取，基于三維視景重構(gòu)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)，跟蹤和理解該工程施工建設行為，獲取該工程的三維動畫分布像素：

上式中，Ix 代表基準背景圖像；Iy 則表示該工程的現(xiàn)場視頻幀動畫序列。施工管理中的三維動畫視頻片段，完全可以通過3DStudioMAX 軟件進行分析，具體來說包括三個模塊：管理報警系統(tǒng)、分析視頻、系統(tǒng)管理。獲得如下分組檢測參數(shù)：

上式中，x 代表分析水平視頻模塊的參數(shù)；a 代表模糊匹配系數(shù)；y 代表分析垂直視頻模塊；b 代表聯(lián)合參數(shù)匹配系數(shù)；z 代表中軸視頻分析模塊；c 代表邊緣像素差異度；H 代表視頻采集點的邊緣像素分量；ω代表偏離度；τ 表示檢測三維動畫的時延；γ 代表模糊度；I 表示單位矩陣；P 代表空間像素誤差；θ 表示匹配誤差。

通過視頻的核心節(jié)點和視頻區(qū)域節(jié)點得到施工管理系統(tǒng)的稀疏性特征，其分布式如下：

上式中，σ 表示特征點的描述符；x 代表兼容BS DUNIX 的特征誤差；y 表示統(tǒng)計特征點局部鄰域參數(shù)。利用OpenFlight 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重建該管理系統(tǒng)的視景，借助主成分分析模式進行該工程管理的統(tǒng)計分析和視景重構(gòu)，獲取如下的直方圖統(tǒng)計梯度方向：

上式中，Φ(Tm)代表最小值位置的內(nèi)點集；pi代表該工程三維動畫極值點局部鄰域梯度幅值；N 代表水利工程三維重構(gòu)梯度的方向數(shù)；Tm(gi)代表統(tǒng)計梯度方向的灰度級；τ 表示梯度的模值。本項目利用模糊判斷模式自適應模擬三維動態(tài)視景，利用信息化監(jiān)測和同步測量的手段進行管理系統(tǒng)模型構(gòu)造，施工管理系統(tǒng)的底層文件配置可以借助三維視景重構(gòu)實現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化設計實現(xiàn)

在部署該管理系統(tǒng)的過程中，三維動畫的視景承載和模擬通常利用CDN 完成，通過AngularJS 框架的路由機制和VIX 總線控制技術(shù)，實現(xiàn)工程管理系統(tǒng)視景參數(shù)配置，獲得工程管理軟件的結(jié)構(gòu)模塊。按照該水利工程管理軟件結(jié)構(gòu)模塊，開發(fā)機械結(jié)構(gòu)虛擬視景模擬軟件的APP，利用的技術(shù)為A R MCortex-M0 處理器內(nèi)核，以ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)為基礎，配置數(shù)據(jù)網(wǎng)絡裝置或者SDH/MSTP，在系統(tǒng)底層引入電源線、控制線和視頻線，在動畫傳輸信息端利用視頻編碼器將其接入，有效配置施工管理類結(jié)構(gòu)，軟件的流程實現(xiàn)[2]，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水利工程施工管理系統(tǒng)

3.1 虛擬仿真系統(tǒng)的功能和設計

1.系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的復雜性是水利工程的特點，構(gòu)建水利工程關(guān)鍵設備的計算機模擬實現(xiàn)和運動數(shù)學模型，包括泄水閘門、船閘、水輪機等。進行水利工程運行機理的模擬，構(gòu)建虛擬漫游系統(tǒng)。在三維虛擬仿真環(huán)境中，可以進行水利工程運行管理狀況的實時動態(tài)顯示，進行施工設計圖紙和工程屬性數(shù)據(jù)的實時查詢。

2.虛擬現(xiàn)實建模的設計。本文研究的核心目標是水利工程的施工管理，采用的兩款軟件包括MultiGen Creator 視景建模軟件和vega 時驅(qū)動軟件，充分結(jié)合高性能的圖形工作站，構(gòu)建虛擬仿真施工環(huán)境必須通過Ar-Cgls.Microstation.AutocAD 完成，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以依托CAD 的數(shù)據(jù)基礎，設計搭建逼真、精確的三維模型。利用虛擬仿真模型從不同的角度對整個工程進行觀察分析，解決工程中重點問題。例如，工程樞紐的整體布局、地下廠房及設施的優(yōu)化、洞室與廊道之間的關(guān)系、建筑物設計的合理性等。

3.2 施工中的計算機仿真模擬應用實踐

作為復雜而動態(tài)的水利工程施工管理系統(tǒng)，施工各個環(huán)節(jié)間彼此關(guān)聯(lián)、相互滲透又互相作用。按照水利工程施工現(xiàn)場動態(tài)特點和不同環(huán)節(jié)的特性，又可以細化為布置施工場地和工程施工子系統(tǒng)兩個部分。隨著施工進度逐步推進，動態(tài)的不斷變化是兩個子系統(tǒng)的特征。第一，唯有科學地現(xiàn)場布置，才能如期完成水利工程；第二，唯有合理地施工進度設計，才可以讓場地有利于施工。例如，因為不合理的施工進度計劃安排，造成峰值表現(xiàn)在某一時間段導致在某一時間段資源強度出現(xiàn)峰值，形成嚴重的現(xiàn)場堵塞，最嚴重的時候會影響或停止施工。由此可見，兩個子系統(tǒng)在施工中進行潛移默化地平衡，一旦打破該平衡，施工進度就難以保證。傳統(tǒng)的數(shù)學計算模式，進行平衡的計算，雖然很科學，但難以直觀、形象地反映平衡過程。而虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)的應用，完全能夠?qū)⒕S持平衡的過程展現(xiàn)給決策者，不平衡的現(xiàn)象一旦發(fā)生，就可以及時進行調(diào)整，也可以在施工前通過虛擬現(xiàn)實仿真模型進行模擬調(diào)整。

4 實驗測試分析

提出構(gòu)建水利工程施工管理系統(tǒng)的構(gòu)建策略后，本文進行了模擬仿真實驗，以驗證本文介紹的兩種技術(shù)在水利工程管理系統(tǒng)中的應用性能。本研究的虛擬視景重建和仿真實驗選擇在DVENET(Distributed Virtual Environment NET-work)中進行。通過設定不一樣的參數(shù)，有效結(jié)合不斷操作的客戶端軟件，對監(jiān)控點的PTZ 攝像機的管控，Mine Recv Packet 和Mine Send Packet 類結(jié)構(gòu)中，進行工程項目管理系統(tǒng)程序的加載。按照數(shù)據(jù)加載實現(xiàn)水利工程施工管理三維動畫視景仿真結(jié)果，通過仿真結(jié)果分析不難看出，本文的兩種方式對水利工程施工項目進行管理，具備良好的工程管理視景的重構(gòu)行。通過對不同方式的測定，工程施工管理的穩(wěn)定性極高，具備推廣價值，具有廣闊的應用前景[3]。

5 結(jié)語

本文提出基于三維動畫技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)水利工程施工管理系統(tǒng)的設計模式。首先建立管理系統(tǒng)的三維動態(tài)重組模型，進行功能模塊設計和管理系統(tǒng)技術(shù)指標分析；工程管理重建參數(shù)分析模型通過三維動畫配置技術(shù)完成；通過翔實分析動畫特征和三維重建，合理優(yōu)化工程的項目管理模式。通過虛擬現(xiàn)實仿真實踐以及實驗檢測分析，本文設計的管理系統(tǒng)能夠高效管理水利工程的施工，具有良好的穩(wěn)定性和視景重構(gòu)性。