VR技术在水利工程上的应用

张聪聪++顾玉辉++陈洁++杨志强

摘 要：VR技术已经成为当下研究的重点课题之一，且由于水利工程的特殊之处（如超长的施工期、艰难的施工环境以及冗杂的管理条件等），使得VR技术在水利工程上的应用尤为重要。这篇文章从VR技术的优缺点着手，对VR技术在水利工程上的应用进行摸索和探究。长时间的研究表明，随着VR技术的不断发展和完善，VR技术可以应用在水利工程设计施工和运行管理的各个方面。

关键词：VR技术；水利工程；设计施工；运行管理

一、研究背景

一直以来，水利工程都是国家的重点工程建设项目，也切实地关系着国家的经济发展情况。然而，其本身的工程建设之复杂、投资之大、运行管理之不易也是人们一直不断寻求改善和解决的难题。正因如此，随着现代社会经济、科技和计算机技术的快速发展，传统的系统仿真技术已经很难满足现代水利工程的设计规划、施工以及运营等方面的要求。也正是由于传统的系统仿真技术的局限越来越大，人们对新型技术的产生也越来越渴望。在之后，经过技术研究人员不断地探索，创新地将仿真技术与虚拟现实结合在了一起，从而形成了一种更加高级的技术产物，这就是现今人们所熟知的虚拟仿真技术。

VR技术与传统的系统仿真技术相比，很大程度地节约了工本，减少了人力财力上的损失。同时，虚拟仿真技术中的三维可视化监测管理，提高了工作人员对水利工程的运行管理的效率。

二、VR技術

（一）VR技术简介

VR技术具有3I特征：沉浸性、交互性、想象性，VR的3I特征是相辅相成的。其原理是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，在这个虚拟世界中，视觉、听觉、触觉、嗅觉等效果具有一体性、可交互、动态等特点。使用者戴上相关设备后，能仿佛置身于其中。VR概念模型如图一所示：

图1 VR概念模型

虚拟现实中的“现实”泛指存在于世间的生物以及环境，既可以是在实际中能够实现的，也可以是在现实中较难或无法实现的。“虚拟”指是由计算机生成。在一般情况下，典型VR系统主要由计算机，数据库、应用软件、输入和输出设备还有用户等组成，详细见图二：

图2 VR系统

（二）VR技术的应用

VR技术自20世纪80年代初由美国VPL公司提出以来，经过几十年的探索、发展以及检验，其应用领域从起初的军事方面逐渐向其他领域发展。在规划和建设方面，主要用于室内设计、房产开发、工业仿真、道路桥梁、轨道交通、水文地质等方面；在娱乐和旅游方面，主要用于文物古迹保护与复原、大型网络游戏、部分电视节目等方面；在训练和演练方面，虚拟现实及时也在军事航天、应急推演以及医学领域取得了巨大的成就；在培养人才方面，这几年，VR技术被广泛应用在教学方面，让课堂授课不再枯燥，为社会培养出一批又一批的人。

三、VR技术在水利工程上的应用

水利工程往往具有很大的规模，因此施工时间较长，即有很长的建设周期；水利工程因为受施工场地的影响，自然条件也是不可忽视的易影响设计及施工的因素之一；水利工程因其大规模性，需要的投资较大，因此在施工之前必须严格按照程序进行设计。VR技术可以应用在水利工程设计施工和运行管理的各个方面。

（一）规划阶段

水利工程的规划设计阶段往往要收集水文气象、整理地理地质等自然资料、设计多种方案并进行选优、确定工程规模。根据VR技术的虚幻性和逼真性，可利用它将收集来的水文气象资料进行模拟，将水文气象信息与地质条件结合，展示出实际施工及运行管理时可能会出现的天气情况。由于虚拟仿真技术具有视景仿真的功能，可以对工程进行各种模拟，比如洪水干旱模拟、防洪调度模拟，从而对比出最优方案。VR技术在规划上的应用，可以使工程更加具体，在可行性分析上更加直观。

（二）设计阶段

1.初步设计阶段

VR技术在初步设计阶段应用较多，以CAD数据作为根基，首先建立二维模型，利用数据转换，转换成三维模型，利用视景建模软件（常用软件MultiGen Creator）模拟水利工程虚拟环境，其后建立主要设备模型。通过VR技术对工程的整体模拟，可以直观的看到工程成果，以便从外观、施工难度等方面完善工程设计。

2.施工图设计阶段

施工图设计上的应用更趋于实用化，利用三维建模可以完美的随意的展示大工程的每一个小部件，可以模拟施工过程，零件安装顺序，与传统图纸相比，三维模型更直观更易于理解。完整的工程展示，在招标及后期宣传中都可以起到有效的作用。

（三）施工阶段

可以利用VR技术对施工前期的工人进行施工培训，更便于技术分工与施工安排。面对更加立体的、逼真的、交互的零部件，工人对工程的了解程度较高。工程操作步骤比较鲜明，从施工到验收都比较方便，在问题的排查上更快捷高效。

（四）运行管理阶段

1.人才培养

学生以及从业者在工程建成后进行参观学习的过程中，往往存在着单一媒体展示以及难以协同展示的弊端。学生以及从业者的动手能力是在实践教学过程中培养出来的，而实际教学与参观过程中，存在着由于各种局限性无法全面展示等问题。这些问题都可以通过VR技术的人机交互的特点，来提供更具个性化的指导，降低培养成本，亦不必担忧操作失误所引发的后果，以培养高素质的综合性人才。培养方式是整个水利水电工程人才培养过程的重要组成部分之一，是实现培养目的与完成培养任务的有效保证。VR技术应用于培养过程后，可以使得整个过程向高效益发展，缩短培养周期，降低培养成本。

2.日常管理

以虚拟水利工程操作室为例。运用VR技术进行水利工程仿真操作，可以将计算机，实际工程参量，操作员指导和使用者操作与反馈融合为一体，克服了过程模拟中无法现学现用，各种情景应对不充分的限制，在质、在量上都有所提高。使用者对于不同状况下的应变能力，对于整个水利工程的构造设施及理论与实际的差异点的理性认识，都可以达到一般视频展示与实地参观难以实现的效果。实现了日常巡查与紧急情况下的应急处理普及，深化了使用者对于工程参数的理解，同时增强了水利工作者的自信心。

3.灾害模拟

VR技术所提供的沉浸式体验能带给用户极大的情景真实错觉，因此可以更为全面地研究用户在面临洪灾的心理状态，纠正他们错误的应对措施，科学规划他们的疏散路线与疏散点。VR技术还可以通过预先导入研究可能面临洪灾区域的地理地貌参数，以及相应的洪水标准，预估决堤高程，再结合相关数据演算并呈现出不同时段不同等级洪水波及区域，便于解决后期增设防灾救助站等的选址问题。

四、结语

水利工程的特性决定了虚拟仿真技术在其中应用的必要性。如今，水利工程虚拟仿真技术已成为水利发展中不可逆转的一个重要方向，有着较强的发展潜力和较好应用前景。可以预见，随着未来科技和经济的不断发展，这项技术的研究也会有更大的突破，为水利工程中的设计、施工和管理提供更好的技术支撑。十分期待，未来水利工程虚拟仿真技术的日臻成熟可以为水利工程的发展提供一个更为广阔的平台。

参考文献：

[1]崔荣.基于VR的自主探究式学习的实现与效果研究（D），2015.6：8-9

[2杨启贵.水利工程虚拟仿真技术应用研究[J].人民长江，2015，46（21）：61-64

[3]王江，吴建华.虚拟仿真技术在水泵课程中的应用[J].湖北广播电视大学学报，2011，31（11）：147-147