基于OSG的水电站施工计划与进度虚拟仿真平台

贾 棋, 王 祎, 张 淼, 刘日升, 叶昕辰

(大连理工大学 软件学院, 辽宁 大连 116600)

基于OSG的水电站施工计划与进度虚拟仿真平台

贾 棋, 王 祎, 张 淼, 刘日升, 叶昕辰

(大连理工大学 软件学院, 辽宁 大连 116600)

为直观地展示水电工程的施工计划与施工进度,以OSG (OpenSceneGraph)三维引擎为核心,设计并建成水电站施工计划与施工进度三维虚拟仿真平台。该平台通过标准活动划分的结构编码、结构数据库、三维模型、算法程序，建立工程项目计划数据、施工现场实时数据与三维数字模型之间的关联,提供计划与进度的多种可视化演示,可以进行工程信息三维可视化查询,为水利工程设计和施工管理提供有力的支持。

虚拟现实； 仿真； 水电工程管理； OpenSceneGraph

水电站工程规模庞大,建设过程复杂、建设周期长,通常需要采用工程项目管理软件进行管理。这类软件有Primavera公司的P3、NIKU公司的Open WorkBench、SAP公司的Project Systems(PS) Module、 Microsoft公司的Project等[1-3]。这些软件一般采用任务日程、甘特图、关键路径法、里程碑等比较抽象的管理方法,往往只有专职计划管理人员或负责工程施工的技术人员才能熟练运用。但大型水电工程项目管理是一个各级、各部门的管理人员协作的过程[4-6],除了专职工程进度管理人员和本部位工程技术人员外,还需要各级领导、专家、咨询单位、商务人员、财会人员、供应部门、质量安全管理人员、相邻部位的施工技术人员对工程信息迅速和充分的掌握。特别是对于一些重要问题和重大决策,相关人员对工程信息全面而迅速的掌握具有重要的意义[7]。

为了更直观地反映水电工程的施工计划与进度情况,笔者基于OSG(OpenSceneGraph)三维图形引擎设计了一个碾压混凝土坝水电工程计划与进度虚拟仿真平台。该平台把全部工程进度计划通过标准活动划分的结构编码、结构数据库、三维模型、算法程序等建立与工程三维数字模型的直接联系,实现进度计划多种可视化演示,以满足不同人员的管理需求[8-9]。

1 仿真平台系统框架

水电站施工计划与进度虚拟仿真平台以OSG三维图形引擎为核心,通过读取工程项目管理软件中的计划数据和现场施工实时数据,创建和展示工程计划和实际进度,仿真平台的系统框架如图1所示。

图1 进度计划仿真平台系统框架

平台中,进度计划包含4个层次:决策层概要计划、管理层概要计划、操作层进度计划和详细实施层的进度计划。每层计划包含所有工程作业(工序),完整的作业间逻辑关系、工作次序、工期、延迟、起始/结束日期和每道作业的浮动时间等进度信息。计划数据读入后由施工主进度表存储[10-11]。

仿真的主要目的是把计划数据(从计划管理工具中读入)、现场施工的数据(从工程数据库读入)和仿真模型(静态模型)相关联并进行计算,形成动态展示,实时播放或存储于动态仿真库中,以便日后直接调用。

2 静态3D模型的生成

静态模型主要包括地形与施工环境模型和坝段组件模型。

2.1 地形环境实体建模

一般地形数据可通过航测、地形图数字化采集及野外测量等方式采集获得。本平台采用施工场地提供的CAD地形图来生成地形模型。

CAD地形图主要以等高线的形式给出。由于在绘制等高线的过程中可能存在一些交叉数据点或重叠的区域,因此首先要由人工删除这些错误数据,同时删除其他无关的地物和标注,只保留等高线数据。然后通过Open Inventor或FreeCAD等软件建立不规则或规则形状的曲面,再进行贴图、渲染、烘焙等处理,还原真实地貌[2](见图2)。

图2 地形建模

2.2 建筑物实体模型

三维实体主要是工程施工系统中的各种建筑物,例如厂房、开关站、围堰、导流建筑物、泄洪建筑物以及临时设施等。因为建筑物形状比较规则,因此可采用面及边界描述建筑物三维数据结构。在设计的过程中,厂房和其他建筑物的外形和布置方式已经确定,因此可以根据图纸或现场采集的图像数据,完整地表达该类实体外形(见图3)。

图3 施工周边建筑物实体模型

2.3 坝段参数组件模型

坝段模型的外形和尺寸可能经常需要调整,所以对基本几何形状进行组件式建模和参数化建模具有事半功倍的效果。参数化组件建模是通过几何关系组合一系列用参数控制的特征部件,从而构造整个几何结构模型的方法,即整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程,而每个部件都由一些关键的参数来定义。一旦这些参数确定后,可由相应的计算模块求得控制坐标点,然后由这些坐标点按一定的顺序生成实体模型[3]。

在本平台中,首先根据坝体设计图纸设计坝体组件形态。组件是构成坝体的最小单元,其形态多为简单几何形体,并容易利用参数化方法计算。关于仿真混凝土坝的浇筑过程,组件可在Y轴方向动态增长,所以在参数化建模中,关键是组件的横断面形态。将不同的截面形状分别在系统内建模,形成一个截面类型库。在实际建模的过程中,只要从截面类型中选择需要使用的类型,并为它具体赋值,就可以立即生成截面外形。对于图4所示的特殊结构坝段,需要通过组合几个种类的组件得到。

图4 几种类型坝块组建式构建

3 计划动态仿真

3.1 计划演示设计

在获得了空间数据和施工网络计划数据以后,施工部分按照空间位置关系和时间关系构成三维演示的整体。如何将它们有效地组织在一起,是本平台施工计划演示的关键问题[12]。

对于混凝土辗压坝,各个坝段的浇注施工顺序是由下向上,只要根据施工计划和施工强度要求,计算获得每个坝段的每一层的施工时间,给这些在同一施工时间段的层赋予同一时间值,就可以确定在该时间段内施工完成形体。这种方法的缺点是:由于分层施工并不是在施工计划安排的前提下进行的,可能会出现1个分层跨2个施工时间段的情况。这时,这个分层形体不是被分到2个施工时间段,而是依算法的不同被分到其中一个,这样就在施工演示和计划数据间产生了误差。所以在仿真的时候,需以施工计划演示的详细程度为参照来设计分层高度。选取的层高越细,对计划方针仿真的误差就越小。如此,层高的选取与施工计划的数据无关,即使修改了施工计划数据,对这部分浇注分层数据也不会产生影响。

分层是通过程序自动实现的,在分层的同时,获取了各层的体积、确定层空间位置和大小的各个特征点的坐标,把这些数据存储到数据库中,等待演示建模时使用。同时,在数据库中存储分层对应的属性数据。

3.2 路径漫游设计

按照指定的路径进行漫游在演示中非常重要。路径漫游模块主要实现按照指定路径对坝体、廊道、导流洞等的漫游。

(1) 指定路径漫游。在OSG中实现路径需要用AnimationPathManipulator类。创建路径的方法有很多,可以使用差值的方式来得到一些关键点差值,或者从3ds MAX导出路径。在这个模块中,采用OSG自带的路径录制功能创建路径[13]。

(2) 随意漫游设计。首先定义一个全局变量sign作为标识各类漫游操作的标识数。然后,定义一个场景漫游操作类。在该类中,重载handle函数,接收用户的按钮操作或者键盘/鼠标操作,以执行相应的场景漫游显示。此外,该类主要维护了摄像机位置三维坐标、摄像机运行速度、摄像机屏角等重要数据成员。在场景漫游的转向、移动、升降、速度控制等操作中,对数据成员作相应数据修改即可实现场景的模拟。将上述场景漫游操作类加入OSG场景程序中,利用MFC框架的消息传递机制,自动接收用户按钮事件及附加的键盘/鼠标操作来实现场景任意位置的漫游操作。

3.3 进度计划可视化演示

向工程管理机关汇报可采用大屏幕演示,可以点击网络图或横道图节点热键、查看相应的可视化进度信息、演示工程当前的形象面貌、回顾实际进展过程、展示将来的进度目标等。为满足工程管理人员对进度计划编制和讨论的需求,可以进行全部或阶段性按时间比例顺序展示、批量里程碑点跳跃展示、滑动时间滚动条控制展示、局部和总体三维形体多视角效果展示以及展示中的改变、根据需要定制时间轴及视点位置的控制过程展示等。为满足进度计划的审查和控制需要,还可进行不同进度计划的可视化对比展示。全局功能展示界面如图5所示。

图5 全局功能展示界面设计

4 空间数据管理与可视化查询

该模块主要功能是把可视化平台中各模型与系统工程数据库进行链接,只要点击仿真界面中的物体,即可返回对应的属性数据,方便水利工程建造进度的管理(见图6)。

图6 目标物属性页面

空间数据管理与可视化查询模块的具体功能包括:(1)特定坝块的浇筑时间数据、温度数据、冷却数据的录入和查询；(2)各个坝段信息、工程数据的查询；(3)工程进度数据(即浇筑时间数据)、测温数据以及冷却数据等录入与查询。

5 结语

水电站施工计划与进度虚拟仿真平台通过标准活动划分的结构编码、结构数据库、三维模型、算法程序，建立工程项目管理软件中的计划数据、施工现场实时数据和三维数字模型之间的关联,不但能提供计划与进度的多种可视化演示,而且可以进行工程信息三维可视化查询,为水利工程设计和施工管理提供有力的支持,也为教学提供了工程案例。

References)

[1] 李江,李秀琳,夏世法.碾压混凝土坝浇筑进度三维仿真[J].水利水电技术,2012(6):55-58.

[2] 陈永兴.沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真理论与应用研究[D].天津:天津大学,2012.

[3] 王忠耀.向家坝水电站二期工程混凝土重力坝施工仿真与实时控制分析研究[D].天津:天津大学,2010.

[4] 刘雪峰.堤坝施工进度的可视化仿真研究[D].大连:大连理工大学,2006.

[5] 郭晓菡.基于计算机仿真技术的施工成本、进度、质量集成控制方法研究[D].杭州:浙江大学,2004.

[6] 钟登华,南春辉,宋洋.水电工程施工进度三维动态可视化方法[J].天津大学学报,2005(4):322-327.

[7] 孙锡衡,齐东海.水利水电工程施工计算机模拟与程序设计[M].北京:高等教育出版社,1997.

[8] 钟登华,郑家祥.可视化仿真技术及其应用[M].北京:水利水电出版社,2002.

[9] 孟永东,田斌.基于Java和MySQL的虚拟现实动态场景构建方法[J].系统仿真学报,2005(9):2287-2290,2300.

[10] 沙仲芳,李惠泰.新技术与新工艺在东风水电站大坝施工中的应用[J].水利水电科技进展,1996,16(1):11-15.

[11] 王仁超,石英,李名川.小湾大坝混凝土绕筑施工仿真研究[J].四川大学学报(工程科学版),2004,36(4):10-14.

[12] 彭小林.路面基层碾压混凝土工艺及性能研究[D].广州:华南理工大学,2012.

[13] 张美华,杨强.碾压混凝土的发展现状、特点及方向[J].水电站设计,2008(2):73-78.

Virtual simulation platform for construction plan and progress of hydropower station based on OSG

Jia Qi, Wang Yi, Zhang Miao, Liu Risheng, Ye Xinchen

(School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116600,China)

In order to display the construction plan and progress of the hydropower project intuitively, and by taking the OSG (open scene graph)3D engine as the core, a 3D virtual simulation platform for the construction plan and progress of the hydropower station is designed and built. This platform establishes the correlation between the data of the project plan and the real-time data of the construction site and the 3D digital model through the structural coding, the structural database, the 3D model and the algorithm program. This platform can provide a variety of visual demonstrations of the construction plan and progress, carry out the 3D visual inquiry of engineering information, and supply the strong support for the design and construction management of hydraulic engineering projects.

virtual reality; simulation; hydropower engineering management; OSG(open scene graph)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.027

2017-02-15

国家自然科学基金项目(61402072)

贾棋(1983—),女,吉林辽源,博士,讲师,主要研究方向为计算机视觉和图像处理E-mail：jiaqi@dlut.edu.cn

刘日升(1984—),男,辽宁大连,博士,副教授,主要研究方向为计算机视觉和图像处理.E-mail：rsliu@dlut.edu.cn

TV51；TP391.9

A

1002-4956(2017)08-0111-04