VR技術(shù)在水利工程上的應(yīng)用

張聰聰++顧玉輝++陳潔++楊志強(qiáng)

摘 要：VR技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)課題之一，且由于水利工程的特殊之處（如超長(zhǎng)的施工期、艱難的施工環(huán)境以及冗雜的管理?xiàng)l件等），使得VR技術(shù)在水利工程上的應(yīng)用尤為重要。這篇文章從VR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)著手，對(duì)VR技術(shù)在水利工程上的應(yīng)用進(jìn)行摸索和探究。長(zhǎng)時(shí)間的研究表明，隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，VR技術(shù)可以應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行管理的各個(gè)方面。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；水利工程；設(shè)計(jì)施工；運(yùn)行管理

一、研究背景

一直以來(lái)，水利工程都是國(guó)家的重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目，也切實(shí)地關(guān)系著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。然而，其本身的工程建設(shè)之復(fù)雜、投資之大、運(yùn)行管理之不易也是人們一直不斷尋求改善和解決的難題。正因如此，隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)很難滿(mǎn)足現(xiàn)代水利工程的設(shè)計(jì)規(guī)劃、施工以及運(yùn)營(yíng)等方面的要求。也正是由于傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)的局限越來(lái)越大，人們對(duì)新型技術(shù)的產(chǎn)生也越來(lái)越渴望。在之后，經(jīng)過(guò)技術(shù)研究人員不斷地探索，創(chuàng)新地將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合在了一起，從而形成了一種更加高級(jí)的技術(shù)產(chǎn)物，這就是現(xiàn)今人們所熟知的虛擬仿真技術(shù)。

VR技術(shù)與傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)相比，很大程度地節(jié)約了工本，減少了人力財(cái)力上的損失。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)中的三維可視化監(jiān)測(cè)管理，提高了工作人員對(duì)水利工程的運(yùn)行管理的效率。

二、VR技術(shù)

（一）VR技術(shù)簡(jiǎn)介

VR技術(shù)具有3I特征：沉浸性、交互性、想象性，VR的3I特征是相輔相成的。其原理是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，在這個(gè)虛擬世界中，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等效果具有一體性、可交互、動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)。使用者戴上相關(guān)設(shè)備后，能仿佛置身于其中。VR概念模型如圖一所示：

圖1 VR概念模型

虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”泛指存在于世間的生物以及環(huán)境，既可以是在實(shí)際中能夠?qū)崿F(xiàn)的，也可以是在現(xiàn)實(shí)中較難或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的?！疤摂M”指是由計(jì)算機(jī)生成。在一般情況下，典型VR系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用軟件、輸入和輸出設(shè)備還有用戶(hù)等組成，詳細(xì)見(jiàn)圖二：

圖2 VR系統(tǒng)

（二）VR技術(shù)的應(yīng)用

VR技術(shù)自20世紀(jì)80年代初由美國(guó)VPL公司提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的探索、發(fā)展以及檢驗(yàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域從起初的軍事方面逐漸向其他領(lǐng)域發(fā)展。在規(guī)劃和建設(shè)方面，主要用于室內(nèi)設(shè)計(jì)、房產(chǎn)開(kāi)發(fā)、工業(yè)仿真、道路橋梁、軌道交通、水文地質(zhì)等方面；在娛樂(lè)和旅游方面，主要用于文物古跡保護(hù)與復(fù)原、大型網(wǎng)絡(luò)游戲、部分電視節(jié)目等方面；在訓(xùn)練和演練方面，虛擬現(xiàn)實(shí)及時(shí)也在軍事航天、應(yīng)急推演以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的成就；在培養(yǎng)人才方面，這幾年，VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用在教學(xué)方面，讓課堂授課不再枯燥，為社會(huì)培養(yǎng)出一批又一批的人。

三、VR技術(shù)在水利工程上的應(yīng)用

水利工程往往具有很大的規(guī)模，因此施工時(shí)間較長(zhǎng)，即有很長(zhǎng)的建設(shè)周期；水利工程因?yàn)槭苁┕?chǎng)地的影響，自然條件也是不可忽視的易影響設(shè)計(jì)及施工的因素之一；水利工程因其大規(guī)模性，需要的投資較大，因此在施工之前必須嚴(yán)格按照程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。VR技術(shù)可以應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行管理的各個(gè)方面。

（一）規(guī)劃階段

水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段往往要收集水文氣象、整理地理地質(zhì)等自然資料、設(shè)計(jì)多種方案并進(jìn)行選優(yōu)、確定工程規(guī)模。根據(jù)VR技術(shù)的虛幻性和逼真性，可利用它將收集來(lái)的水文氣象資料進(jìn)行模擬，將水文氣象信息與地質(zhì)條件結(jié)合，展示出實(shí)際施工及運(yùn)行管理時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的天氣情況。由于虛擬仿真技術(shù)具有視景仿真的功能，可以對(duì)工程進(jìn)行各種模擬，比如洪水干旱模擬、防洪調(diào)度模擬，從而對(duì)比出最優(yōu)方案。VR技術(shù)在規(guī)劃上的應(yīng)用，可以使工程更加具體，在可行性分析上更加直觀(guān)。

（二）設(shè)計(jì)階段

1.初步設(shè)計(jì)階段

VR技術(shù)在初步設(shè)計(jì)階段應(yīng)用較多，以CAD數(shù)據(jù)作為根基，首先建立二維模型，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成三維模型，利用視景建模軟件（常用軟件MultiGen Creator）模擬水利工程虛擬環(huán)境，其后建立主要設(shè)備模型。通過(guò)VR技術(shù)對(duì)工程的整體模擬，可以直觀(guān)的看到工程成果，以便從外觀(guān)、施工難度等方面完善工程設(shè)計(jì)。

2.施工圖設(shè)計(jì)階段

施工圖設(shè)計(jì)上的應(yīng)用更趨于實(shí)用化，利用三維建?？梢酝昝赖碾S意的展示大工程的每一個(gè)小部件，可以模擬施工過(guò)程，零件安裝順序，與傳統(tǒng)圖紙相比，三維模型更直觀(guān)更易于理解。完整的工程展示，在招標(biāo)及后期宣傳中都可以起到有效的作用。

（三）施工階段

可以利用VR技術(shù)對(duì)施工前期的工人進(jìn)行施工培訓(xùn)，更便于技術(shù)分工與施工安排。面對(duì)更加立體的、逼真的、交互的零部件，工人對(duì)工程的了解程度較高。工程操作步驟比較鮮明，從施工到驗(yàn)收都比較方便，在問(wèn)題的排查上更快捷高效。

（四）運(yùn)行管理階段

1.人才培養(yǎng)

學(xué)生以及從業(yè)者在工程建成后進(jìn)行參觀(guān)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，往往存在著單一媒體展示以及難以協(xié)同展示的弊端。學(xué)生以及從業(yè)者的動(dòng)手能力是在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)出來(lái)的，而實(shí)際教學(xué)與參觀(guān)過(guò)程中，存在著由于各種局限性無(wú)法全面展示等問(wèn)題。這些問(wèn)題都可以通過(guò)VR技術(shù)的人機(jī)交互的特點(diǎn)，來(lái)提供更具個(gè)性化的指導(dǎo)，降低培養(yǎng)成本，亦不必?fù)?dān)憂(yōu)操作失誤所引發(fā)的后果，以培養(yǎng)高素質(zhì)的綜合性人才。培養(yǎng)方式是整個(gè)水利水電工程人才培養(yǎng)過(guò)程的重要組成部分之一，是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目的與完成培養(yǎng)任務(wù)的有效保證。VR技術(shù)應(yīng)用于培養(yǎng)過(guò)程后，可以使得整個(gè)過(guò)程向高效益發(fā)展，縮短培養(yǎng)周期，降低培養(yǎng)成本。

2.日常管理

以虛擬水利工程操作室為例。運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行水利工程仿真操作，可以將計(jì)算機(jī)，實(shí)際工程參量，操作員指導(dǎo)和使用者操作與反饋融合為一體，克服了過(guò)程模擬中無(wú)法現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，各種情景應(yīng)對(duì)不充分的限制，在質(zhì)、在量上都有所提高。使用者對(duì)于不同狀況下的應(yīng)變能力，對(duì)于整個(gè)水利工程的構(gòu)造設(shè)施及理論與實(shí)際的差異點(diǎn)的理性認(rèn)識(shí)，都可以達(dá)到一般視頻展示與實(shí)地參觀(guān)難以實(shí)現(xiàn)的效果。實(shí)現(xiàn)了日常巡查與緊急情況下的應(yīng)急處理普及，深化了使用者對(duì)于工程參數(shù)的理解，同時(shí)增強(qiáng)了水利工作者的自信心。

3.災(zāi)害模擬

VR技術(shù)所提供的沉浸式體驗(yàn)?zāi)軒Ыo用戶(hù)極大的情景真實(shí)錯(cuò)覺(jué)，因此可以更為全面地研究用戶(hù)在面臨洪災(zāi)的心理狀態(tài)，糾正他們錯(cuò)誤的應(yīng)對(duì)措施，科學(xué)規(guī)劃他們的疏散路線(xiàn)與疏散點(diǎn)。VR技術(shù)還可以通過(guò)預(yù)先導(dǎo)入研究可能面臨洪災(zāi)區(qū)域的地理地貌參數(shù)，以及相應(yīng)的洪水標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)估決堤高程，再結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)演算并呈現(xiàn)出不同時(shí)段不同等級(jí)洪水波及區(qū)域，便于解決后期增設(shè)防災(zāi)救助站等的選址問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

水利工程的特性決定了虛擬仿真技術(shù)在其中應(yīng)用的必要性。如今，水利工程虛擬仿真技術(shù)已成為水利發(fā)展中不可逆轉(zhuǎn)的一個(gè)重要方向，有著較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿洼^好應(yīng)用前景。可以預(yù)見(jiàn)，隨著未來(lái)科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)的研究也會(huì)有更大的突破，為水利工程中的設(shè)計(jì)、施工和管理提供更好的技術(shù)支撐。十分期待，未來(lái)水利工程虛擬仿真技術(shù)的日臻成熟可以為水利工程的發(fā)展提供一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔榮.基于VR的自主探究式學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)與效果研究（D），2015.6：8-9

[2楊啟貴.水利工程虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用研究[J].人民長(zhǎng)江，2015，46（21）：61-64

[3]王江，吳建華.虛擬仿真技術(shù)在水泵課程中的應(yīng)用[J].湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（11）：147-147