面板堆石壩三維可視化仿真系統(tǒng)研究

張 帆

(河南新華五岳抽水蓄能發(fā)電有限公司,河南 信陽(yáng) 464000)

1 概述

面板堆石壩施工工藝復(fù)雜，施工強(qiáng)度大、質(zhì)量要求高，施工工期緊，對(duì)施工管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如何根據(jù)既定施工方案模擬壩體填筑過(guò)程，實(shí)時(shí)調(diào)控施工進(jìn)度，并對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化仍是目前水利水電領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。三維可視化仿真技術(shù)可以預(yù)測(cè)面板堆石壩施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的資源沖突，定量分析施工參數(shù)變化對(duì)設(shè)計(jì)成果的影響，便于工程人員制定更加科學(xué)、合理的計(jì)劃[1]。李紅亮等[2]針對(duì)面板堆石壩施工填筑過(guò)程存在的問(wèn)題，嘗試建立三維可視化仿真系統(tǒng)；馬洪琪等[3]針對(duì)高堆石壩和高混凝土壩等重大水利水電工程施工進(jìn)度與質(zhì)量難以實(shí)時(shí)控制問(wèn)題，研制開發(fā)了數(shù)字大壩系統(tǒng)；韓建東等[4]、鐘登華等[5-6]、楊文等[7]在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列研究，以建立智慧大壩系統(tǒng)。本文通過(guò)建立三維模型，輸入仿真數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示施工進(jìn)度，從而指導(dǎo)施工全過(guò)程，提高效率，降低成本。

2 大壩三維可視化仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 與仿真同步的可視化模擬機(jī)制方法

與一般的演示動(dòng)畫相比，大壩施工過(guò)程可視化系統(tǒng)對(duì)工程精度的要求比較高。將搜集到的仿真數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)內(nèi)，并根據(jù)程序設(shè)定對(duì)大塊壩塊的充填過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，是實(shí)時(shí)可視化得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟。本項(xiàng)目基于webgl引擎高效的圖形渲染功能，使用仿真數(shù)據(jù)構(gòu)建了壩體動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視化充填仿真機(jī)制[8]。

大壩施工過(guò)程實(shí)時(shí)可視化模擬機(jī)制模型中共有3類關(guān)鍵庫(kù)(如圖1所示)，現(xiàn)分述如下。

圖1 大壩施工過(guò)程實(shí)時(shí)可視化模擬機(jī)制示意

1) 壩體充填模擬數(shù)據(jù)庫(kù)

該數(shù)據(jù)庫(kù)將大壩施工過(guò)程的相關(guān)信息進(jìn)行了存儲(chǔ)，如現(xiàn)實(shí)中正在進(jìn)行施工壩體區(qū)域的起始和結(jié)束標(biāo)高等。可視化系統(tǒng)可以根據(jù)人為需要自主查詢和分析仿真系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，從而通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口獲取這些信息，與仿真輸出數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)鏈接后，該數(shù)據(jù)庫(kù)可根據(jù)仿真結(jié)果的變化對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)可視化與仿真系統(tǒng)的集成。

2) 壩體分塊海量模型庫(kù)

該面板堆石壩大壩塊體模型采用參數(shù)化建模，其滾動(dòng)層厚采用線性插值法進(jìn)行切割。程序?qū)螇K類型作了定義，每個(gè)塊都有自己的區(qū)號(hào)、頂高程、狀態(tài)屬性。

3) 壩體施工布置數(shù)據(jù)庫(kù)

該可視化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)先初始化數(shù)據(jù)庫(kù)，遍歷掃描每一幀開始時(shí)的壩塊模型，通過(guò)判斷壩塊所屬的壩段編號(hào)是否與其中的施工面積編號(hào)對(duì)等，以及壩塊狀態(tài)是否為假，壩頂高程是否小于模擬數(shù)據(jù)中的端部高程并大于模擬數(shù)據(jù)中的初始高程。當(dāng)上述條件得到同時(shí)滿足，系統(tǒng)自行渲染壩塊，否則重新掃描下一幀，如此往復(fù)，直到實(shí)現(xiàn)大壩澆筑的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化模擬。該模擬機(jī)制可移植性強(qiáng)，思路清晰，對(duì)于出現(xiàn)研究對(duì)象發(fā)生變化的情況也不浪費(fèi)人力，只要導(dǎo)入3個(gè)模型庫(kù)中的新數(shù)據(jù)，相應(yīng)的可視化系統(tǒng)即可建立。

2.2 面板堆石壩可視化建模方法

1) 地形建模

數(shù)字地形模型(簡(jiǎn)稱DTM)可以反映施工總布置區(qū)域的地形、地貌，其數(shù)據(jù)組織形式有規(guī)則格網(wǎng)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型(簡(jiǎn)稱TIN)等。該面板堆石壩工程采用TIN 模型。高精度DTM建模步驟為：導(dǎo)入原始地形數(shù)據(jù)，按 Delaunay 三角形剖分算法生成初始TIN模型，消除細(xì)小、狹長(zhǎng)三角形，對(duì)模型進(jìn)行內(nèi)插細(xì)化。

2) 壩體建模

采用參數(shù)化建模方法建立面板堆石壩壩體模型并進(jìn)行渲染。層厚會(huì)在可視化系統(tǒng)內(nèi)隨著時(shí)間的推移不斷被讀取，建造新的壩塊并將其連接到現(xiàn)場(chǎng)。由于大壩是由多個(gè)表面模型組成的實(shí)體，建模的主要思想為利用尋找到的控制點(diǎn)建立貝塞爾曲面模型，對(duì)貝塞爾曲面進(jìn)行積分。

2.3 WEBGL渲染技術(shù)

系統(tǒng)主要包括：渲染系統(tǒng)和插件、圖形界面、紋理和圖片解碼器、日志系統(tǒng)等[9]，全歸WEBGL::Root主管。渲染系統(tǒng)的工作模式如圖2所示。

圖2 渲染系統(tǒng)工作模式示意

2.4 系統(tǒng)交互機(jī)制

Frame Listener和 Event Hander2個(gè)子模塊的存在可以使交互機(jī)制具備良好的人機(jī)交互功能，工程師對(duì)場(chǎng)景渲染的控制、查詢相關(guān)施工信息、查看壩體建筑物的細(xì)部構(gòu)造等方面也變得更加方便(如圖3所示)。幀監(jiān)控模塊對(duì)監(jiān)控鼠標(biāo)和鍵盤事件有控制場(chǎng)景渲染過(guò)程和修改實(shí)體的幾何信息等。事件處理模塊監(jiān)聽其他外部輸入，根據(jù)不同的消息映射完成虛擬場(chǎng)景的重繪。為了優(yōu)化交互環(huán)境，本文在模塊中引入了CEGUI強(qiáng)大的用戶界面庫(kù)，支持大多數(shù)渲染引擎，如 WEBGL、Open GL 和 Irrlicht。CEGUI具備良好的可擴(kuò)展性和插入各種界面組件的靈活性，系統(tǒng)不僅能通過(guò)GUI控件控制場(chǎng)景的渲染速度、同步顯示施工信息數(shù)據(jù)、還能實(shí)現(xiàn)沉浸式漫游功能 。數(shù)據(jù)庫(kù)的顯示和查詢是通過(guò)WEBGL引擎的Overlay模塊實(shí)現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)交互模型示意

3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)及原則

以面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)模型、三維可視化平臺(tái)、交互式操作技術(shù)、施工仿真技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等方面的集成，并具備適用性、實(shí)用性及系統(tǒng)開放性等特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)所需的工具及軟件：① 建模軟件：采用Civil3D 進(jìn)行壩體參數(shù)化建模，地形模型選用3DS Max創(chuàng)建；② 可視化工具：仿真模擬三維可視化需要的軟件平臺(tái)選用WEBGL；③ 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：采用Microsoft SQL Server 2008 構(gòu)建；④ 編程環(huán)境：系統(tǒng)采用 B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式開發(fā)，編程語(yǔ)言使用C#。

3.3 系統(tǒng)功能與架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用成熟的仿真理論和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，根據(jù)既定的充填規(guī)則和約束條件，通過(guò)不斷改變狀態(tài)和決策變量，模擬面板堆石壩主體工程堆石料的施工過(guò)程。狀態(tài)變量是反映面板堆石壩在充填過(guò)程中的狀態(tài)、高程、體積、起止時(shí)間的變量。決策變量是在滿足既定的灌裝規(guī)則和約束條件的前提下，判斷即將進(jìn)行的灌裝行為；然后通過(guò)讀取填方信息，判斷施工路徑、施工機(jī)械、施工強(qiáng)度，循環(huán)進(jìn)行累計(jì)填方施工；最后，通過(guò)可視化和信息化管理技術(shù)對(duì)各種形式的信息進(jìn)行分類整理，輔助面板堆石壩的施工管理和決策。面板堆石壩3D可視化仿真系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 面板堆石壩三維可視化仿真系統(tǒng)流程示意

面板堆石壩三維可視化仿真系統(tǒng)采用SOA分層架構(gòu)(如圖5所示)。在數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)中，所有的訪問(wèn)操作都使用了存儲(chǔ)過(guò)程，既最大限度地減少了數(shù)據(jù)庫(kù)層的變化對(duì)程序的負(fù)面影響，也避免了頻繁的表操作。

圖5 系統(tǒng)分層架構(gòu)設(shè)計(jì)示意

4 系統(tǒng)模塊劃分與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)模塊功能劃分

面板堆石壩三維可視化仿真系統(tǒng)基于Microsoft Visual Studio C#平臺(tái)開發(fā)，并結(jié)合了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和圖形動(dòng)畫技術(shù)。系統(tǒng)由方案參數(shù)設(shè)置、仿真計(jì)算結(jié)果、填筑施工月強(qiáng)度、填筑進(jìn)度橫道圖和進(jìn)度實(shí)時(shí)調(diào)控等功能組成。系統(tǒng)的模塊功能劃分示意見圖6。

圖6 面板堆石壩三維可視化仿真系統(tǒng)模塊劃分功能結(jié)構(gòu)示意

4.2 系統(tǒng)模塊功能實(shí)現(xiàn)

1) 方案參數(shù)設(shè)置模塊功能實(shí)現(xiàn)

方案參數(shù)設(shè)置將土石方調(diào)配成果、物料供應(yīng)路線參數(shù)、填筑時(shí)段及物料供應(yīng)信息、各區(qū)填筑層體積、壩體填筑約束、各區(qū)填筑時(shí)間、月有效施工時(shí)間等工程基本信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)應(yīng)用于后期仿真計(jì)算。

2) 仿真計(jì)算結(jié)果模塊功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)引用仿真計(jì)算后的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的計(jì)算值在系統(tǒng)界面輸出[12-13]，同時(shí)，可根據(jù)填筑區(qū)類型、時(shí)間范圍查詢仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)等功能。

3) 填筑施工月強(qiáng)度模塊功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中仿真計(jì)算結(jié)果，按月份統(tǒng)計(jì)填筑施工強(qiáng)度，通過(guò)柱狀圖表示每月的填筑量、曲線表示工期中每月累積工程量。

4) 填筑進(jìn)度橫道圖模塊功能實(shí)現(xiàn)

計(jì)算工程施工周期，自動(dòng)生成填筑進(jìn)度橫道圖，同時(shí)填筑進(jìn)度數(shù)據(jù)、橫道圖、三維可視化同步更新顯示，可進(jìn)行播放、暫停、選擇等操作。

5) 進(jìn)度實(shí)時(shí)調(diào)控功能實(shí)現(xiàn)

施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制過(guò)程中與仿真計(jì)算相結(jié)合，實(shí)時(shí)調(diào)控計(jì)算、進(jìn)行多仿真方案對(duì)比等，實(shí)現(xiàn)基于仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行進(jìn)度實(shí)時(shí)控制(系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能模塊見圖7)。

a 填筑施工月強(qiáng)度

4.3 三維可視化成果展示

面板堆石壩，設(shè)計(jì)正常蓄水位為347.50 m，壩頂高程為351.00 m，防浪墻頂高程為352.20 m，最大壩高為128.20 m(壩軸線處)，壩頂寬為10.00 m，庫(kù)周總長(zhǎng)度約為2 084.12 m，其中主副壩壩軸線總長(zhǎng)度約為1 354.22 m，開挖庫(kù)周總長(zhǎng)度約為729.90 m。面板堆石壩壩體于2021年3月底填筑至230.2 m高程，2022年3月底填筑至293.4 m高程，2022年12月底填筑至334.4 m高程，2023年3月4日填筑至350.6 m高程，壩體完工。截至不同施工時(shí)間點(diǎn)壩體施工全貌如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

面板堆石壩三維可視化仿真系統(tǒng)按自上而下、從總體到局部對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面規(guī)劃和整體設(shè)計(jì)，再自下而上、由分到總地分期實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了面板堆石壩施工過(guò)程的仿真計(jì)算以及動(dòng)態(tài)顯示。

1) 針對(duì)性：可以逼真模擬面板堆石壩施工過(guò)程，提高信息管理效率，為工程施工設(shè)計(jì)及管理決策人員提供及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的信息支持。

2) 實(shí)用性：考慮了大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、維護(hù)與更新的方法，可在相當(dāng)長(zhǎng)的生命期內(nèi)完成正常運(yùn)行及簡(jiǎn)單維護(hù)，充分發(fā)揮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3) 開放性：系統(tǒng)采用開放式設(shè)計(jì)，便于更新與移植，并提供多種數(shù)據(jù)接口，同時(shí)具備較友好的人機(jī)界面，使用方便。