计算机仿真模拟技术在水利工程中的应用

程鹏军，李海燕

（湖北葛洲坝集团公司，四川 宜宾 644612）

1 仿真模拟技术与传统技术比较

1.1 传统技术

水利工程建设和管理是一项非常复杂庞大的系统工程，具有诸多自身特点，存在一些问题，针对工程特点和问题，试验中心或研究中心使用的传统解决方法是缩小比例的物理实体模型，通过施加各种水力条件来模拟测试水利工程的各种设计参数。这种方法虽然很直观，但存在实体模型一次成型后很难修改、占地面积大、浪费资源等缺点。水利工程传统的二维平面设计又不能清晰直观地显示设计者的思想，各个专业包括枢纽、施工、机电等专业的设计者在二维平面上不能很流畅地合作和交流。在实际的施工进度管理中，相关数据的统计、编制，传递与存储仍以估量统计、手工编制、人工报表和文档传递为主，难以适应施工现代化的要求。

1.2 仿真技术

计算机仿真模拟技术是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识，对统计数据、信息资料及试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性、试验性技术。这项技术适应了水利工程的客观需要，为解决水利工程中的一些问题开辟了新途径。

2 仿真系统的功能和设计

2.1 系统功能

水利工程是一个复杂的大系统，为了简化流程，方便计算机仿真模拟的实现，仿真系统首先需建立水利工程虚拟环境，包括地形、地理景观、施工场地、通航建筑物、电站建筑物、挡水建筑物等模型，及光照、声音效果等三维仿真环境。其次要求建立水利工程主要设备 (如船闸、泄水闸门、水轮机等)的运动数学模型及水利工程运行机理仿真。通过以上模拟实现水利工程虚拟漫游系统。在三维仿真环境中，实时动态显示水利工程运行状况信息，实现过程的可视化与智能化，同时还方便了工程属性数据和设计施工图纸的查询。

2.2 三维建模设计

以水利工程为研究对象，采用视景建模软件和实时驱动软件，配以高性能图形工作站，结合Microstation，AutoCAD构成基本的仿真工作环境，以CAD数据为基础进行数据转换，形成精确逼真的三维模型。从各个不同的视角观察分析整个工程，研究设计当前所关心的问题。如∶枢纽总体布置、建筑物设计的合理性、洞室与廊道之间的关系、地下厂房设备布置的优化等，为使用者提供最快捷最准确的决策和判断依据。

1）建立三维几何模型。三维几何模型的建立是整个工程虚拟场景建立的基础，模型的建立主要分三维地形的建模和建筑物三维建模，如坝区地形、挡水建筑物、地下厂房模型、施工场地、公路、植物的建模工作。

①地形处理。首先将地形的三维等高线模型优化处理，利用相关软件生成地形模型，贴上地图/航拍正投影像等纹理。在生成地形模型上，以“顶视图”的角度，以精确的“尺寸”和“位置”，按比例1∶1建立虚拟场景平面布置图，将整个坝区按道路桥梁、水利枢纽、围堰、江河、码头、混凝土系统、施工管理区、沙石开采加工区、弃渣区、水厂与电厂等分割成多个区块。区块划分后，就可以把整个建模任务分割开来。整个大的建模任务可以划分为区块建模和环境建模。

②建立建筑物基本三维模型。首先要确定各个建筑物的位置、顶面形状(或底面形状)及高度信息，根据这些信息就可以生成基本三维形状。然后对物体侧面及顶部进行纹理贴图。

③其他要素。以上只是坝区建模最为基本的要素，建立一个完整的视景仿真应用系统，还需要进一步细化植物、桥梁、公路、江面和坝区辅助设施(码头、混凝土系统、施工营地、沙石开采加工区、弃渣区、水厂与电厂)。同时对环境(云、雾、光照等)、特殊现象(流水、飘浮物、烟、火、三维声音等)、运动物体(车、船、人)及大坝建筑物、地下厂房、洞室与廊道、围堰等模型进行仿真试验，发现设计参数和设计结果的关系并进行优化。处理水工建筑物设计平面图文件，从中提取对仿真建模有用的几何信息，虚拟建模软件根据二维平面文件，参考建筑物立面图、剖面图进行三维建模，加上材质、纹理，建立模型属性库，建立与模型相关的属性信息数据库，把属性数据和空间数据相结合，以支持三维环境下实时属性查询。

2）提供可视化分析虚拟环境，开发交互式虚拟漫游与可视分析环境

①设计和分析结果可视化。所研究的内容主要为构建虚拟工程、展示工程场景、让设计者直观地感受真实工程的使用境界，方便工程设计的选择、评估。场景数据库组织好之后，利用数据库进行控制，交互式可视化分析。在虚拟漫游时，设计者可以选择不同的对象，模拟飞机或汽车等方式的漫游，以不同视角、不同方位、不同速度，对工程对象的静止状态或运动状态形象、立体、直观、全面地体验，并分析设计的合理性。对工程对象进行任意剖析，观察分析计算结果，规划设计可视化分析与评估流程。

②模型的属性信息动态查询。虚拟环境中，对地理环境与所关心建筑物的空间信息和工程属性信息进行查询。采用Oracle为后台数据库，存储三维实体的各种属性信息，实现基于虚拟场景中各种实体的空间定位、属性查询等功能。在Creator建模中，模型的各部分面和体的组织方式由模型结构树表示，结构树中每个实体组G，p为一个单元，因此在建模过程中通过调整结构树，将每个独立的实体单元组织为同一个Group，并为该Group赋予唯一标识名，作为在虚拟场景中识别实体的标志。在系统交互中，运用vegaPicke可以获得鼠标所指向的三维实体结构树Pari(即GrouP)的标识信息，为与属性数据库的连接提供接口。属性数据库的建立就是以实体标识为唯一标识而建立的，实体属性包括实体空间位置坐标及其他属性信息，可以运用数据库操作技术，进行查询分析等各种操作。

③挡水建筑物表孔泄洪动态模拟。流体的动态模拟属于动态环境模拟技术，采用粒子系统实现在不同水位和不同闸门开启角度时对泄洪的动态模拟。在泄洪模拟的实现中，将大坝的各个泄洪口设置成粒子的生成位置，根据水位和闸门开启角度，对生成的粒子赋予一定的属性，如喷射速度、喷射角度、扩散角度、生命周期、初始颜色、终了颜色等。

④虚拟环境中三维地形分析工具。用ArcEngine扩展虚拟仿真平台的分析功能，针对地形能查询任意一点的坐标、坡度和坡向，测量两点间距，计算区域面积和体积，计算工程填挖量等。

[1]黄健全，罗明高，胡雪涛.实用计算机地质制图[M].北京：地质出版社，1998.

[2]张菊明.三维地质模型的设计与显示[J].中国数学地质进展，1995，7.

[3]康凤举.现代仿真技术及其应用[M].北京：国防工业出版社，2001.