面板堆石坝三维可视化仿真系统研究

张 帆

(河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司,河南 信阳 464000)

1 概述

面板堆石坝施工工艺复杂，施工强度大、质量要求高，施工工期紧，对施工管理带来了挑战。如何根据既定施工方案模拟坝体填筑过程，实时调控施工进度，并对施工方案进行优化仍是目前水利水电领域的一个重要课题。三维可视化仿真技术可以预测面板堆石坝施工过程中可能出现的资源冲突，定量分析施工参数变化对设计成果的影响，便于工程人员制定更加科学、合理的计划[1]。李红亮等[2]针对面板堆石坝施工填筑过程存在的问题，尝试建立三维可视化仿真系统；马洪琪等[3]针对高堆石坝和高混凝土坝等重大水利水电工程施工进度与质量难以实时控制问题，研制开发了数字大坝系统；韩建东等[4]、钟登华等[5-6]、杨文等[7]在前人研究的基础上进行了一系列研究，以建立智慧大坝系统。本文通过建立三维模型，输入仿真数据，动态显示施工进度，从而指导施工全过程，提高效率，降低成本。

2 大坝三维可视化仿真关键技术

2.1 与仿真同步的可视化模拟机制方法

与一般的演示动画相比，大坝施工过程可视化系统对工程精度的要求比较高。将搜集到的仿真数据输入系统内，并根据程序设定对大块坝块的充填过程进行动态演示，是实时可视化得以实现的关键步骤。本项目基于webgl引擎高效的图形渲染功能，使用仿真数据构建了坝体动态实时可视化充填仿真机制[8]。

大坝施工过程实时可视化模拟机制模型中共有3类关键库(如图1所示)，现分述如下。

图1 大坝施工过程实时可视化模拟机制示意

1) 坝体充填模拟数据库

该数据库将大坝施工过程的相关信息进行了存储，如现实中正在进行施工坝体区域的起始和结束标高等。可视化系统可以根据人为需要自主查询和分析仿真系统的输出数据，从而通过数据库接口获取这些信息，与仿真输出数据库动态链接后，该数据库可根据仿真结果的变化对数据实时更新，实现可视化与仿真系统的集成。

2) 坝体分块海量模型库

该面板堆石坝大坝块体模型采用参数化建模，其滚动层厚采用线性插值法进行切割。程序对坝块类型作了定义，每个块都有自己的区号、顶高程、状态属性。

3) 坝体施工布置数据库

该可视化系统运行时会先初始化数据库，遍历扫描每一帧开始时的坝块模型，通过判断坝块所属的坝段编号是否与其中的施工面积编号对等，以及坝块状态是否为假，坝顶高程是否小于模拟数据中的端部高程并大于模拟数据中的初始高程。当上述条件得到同时满足，系统自行渲染坝块，否则重新扫描下一帧，如此往复，直到实现大坝浇筑的实时动态可视化模拟。该模拟机制可移植性强，思路清晰，对于出现研究对象发生变化的情况也不浪费人力，只要导入3个模型库中的新数据，相应的可视化系统即可建立。

2.2 面板堆石坝可视化建模方法

1) 地形建模

数字地形模型(简称DTM)可以反映施工总布置区域的地形、地貌，其数据组织形式有规则格网模型和不规则三角网模型(简称TIN)等。该面板堆石坝工程采用TIN 模型。高精度DTM建模步骤为：导入原始地形数据，按 Delaunay 三角形剖分算法生成初始TIN模型，消除细小、狭长三角形，对模型进行内插细化。

2) 坝体建模

采用参数化建模方法建立面板堆石坝坝体模型并进行渲染。层厚会在可视化系统内随着时间的推移不断被读取，建造新的坝块并将其连接到现场。由于大坝是由多个表面模型组成的实体，建模的主要思想为利用寻找到的控制点建立贝塞尔曲面模型，对贝塞尔曲面进行积分。

2.3 WEBGL渲染技术

系统主要包括：渲染系统和插件、图形界面、纹理和图片解码器、日志系统等[9]，全归WEBGL::Root主管。渲染系统的工作模式如图2所示。

图2 渲染系统工作模式示意

2.4 系统交互机制

Frame Listener和 Event Hander2个子模块的存在可以使交互机制具备良好的人机交互功能，工程师对场景渲染的控制、查询相关施工信息、查看坝体建筑物的细部构造等方面也变得更加方便(如图3所示)。帧监控模块对监控鼠标和键盘事件有控制场景渲染过程和修改实体的几何信息等。事件处理模块监听其他外部输入，根据不同的消息映射完成虚拟场景的重绘。为了优化交互环境，本文在模块中引入了CEGUI强大的用户界面库，支持大多数渲染引擎，如 WEBGL、Open GL 和 Irrlicht。CEGUI具备良好的可扩展性和插入各种界面组件的灵活性，系统不仅能通过GUI控件控制场景的渲染速度、同步显示施工信息数据、还能实现沉浸式漫游功能 。数据库的显示和查询是通过WEBGL引擎的Overlay模块实现。

图3 系统交互模型示意

3 系统体系结构设计

3.1 系统开发目标及原则

以面向对象的思想进行系统设计，能实现模型、三维可视化平台、交互式操作技术、施工仿真技术以及数据库管理等方面的集成，并具备适用性、实用性及系统开放性等特点。

3.2 系统开发环境

系统开发所需的工具及软件：① 建模软件：采用Civil3D 进行坝体参数化建模，地形模型选用3DS Max创建；② 可视化工具：仿真模拟三维可视化需要的软件平台选用WEBGL；③ 数据库服务器：采用Microsoft SQL Server 2008 构建；④ 编程环境：系统采用 B/S(浏览器/服务器)模式开发，编程语言使用C#。

3.3 系统功能与架构设计

该系统采用成熟的仿真理论和数据库技术，根据既定的充填规则和约束条件，通过不断改变状态和决策变量，模拟面板堆石坝主体工程堆石料的施工过程。状态变量是反映面板堆石坝在充填过程中的状态、高程、体积、起止时间的变量。决策变量是在满足既定的灌装规则和约束条件的前提下，判断即将进行的灌装行为；然后通过读取填方信息，判断施工路径、施工机械、施工强度，循环进行累计填方施工；最后，通过可视化和信息化管理技术对各种形式的信息进行分类整理，辅助面板堆石坝的施工管理和决策。面板堆石坝3D可视化仿真系统流程如图4所示。

图4 面板堆石坝三维可视化仿真系统流程示意

面板堆石坝三维可视化仿真系统采用SOA分层架构(如图5所示)。在数据库的设计中，所有的访问操作都使用了存储过程，既最大限度地减少了数据库层的变化对程序的负面影响，也避免了频繁的表操作。

图5 系统分层架构设计示意

4 系统模块划分与功能实现

4.1 系统模块功能划分

面板堆石坝三维可视化仿真系统基于Microsoft Visual Studio C#平台开发，并结合了数据库技术和图形动画技术。系统由方案参数设置、仿真计算结果、填筑施工月强度、填筑进度横道图和进度实时调控等功能组成。系统的模块功能划分示意见图6。

图6 面板堆石坝三维可视化仿真系统模块划分功能结构示意

4.2 系统模块功能实现

1) 方案参数设置模块功能实现

方案参数设置将土石方调配成果、物料供应路线参数、填筑时段及物料供应信息、各区填筑层体积、坝体填筑约束、各区填筑时间、月有效施工时间等工程基本信息导入数据库，同时应用于后期仿真计算。

2) 仿真计算结果模块功能实现

通过引用仿真计算后的数据，将数据库中的计算值在系统界面输出[12-13]，同时，可根据填筑区类型、时间范围查询仿真计算结果数据等功能。

3) 填筑施工月强度模块功能实现

通过访问数据库中仿真计算结果，按月份统计填筑施工强度，通过柱状图表示每月的填筑量、曲线表示工期中每月累积工程量。

4) 填筑进度横道图模块功能实现

计算工程施工周期，自动生成填筑进度横道图，同时填筑进度数据、横道图、三维可视化同步更新显示，可进行播放、暂停、选择等操作。

5) 进度实时调控功能实现

施工进度实时控制过程中与仿真计算相结合，实时调控计算、进行多仿真方案对比等，实现基于仿真计算结果对现场施工进行进度实时控制(系统实现功能模块见图7)。

a 填筑施工月强度

4.3 三维可视化成果展示

面板堆石坝，设计正常蓄水位为347.50 m，坝顶高程为351.00 m，防浪墙顶高程为352.20 m，最大坝高为128.20 m(坝轴线处)，坝顶宽为10.00 m，库周总长度约为2 084.12 m，其中主副坝坝轴线总长度约为1 354.22 m，开挖库周总长度约为729.90 m。面板堆石坝坝体于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，坝体完工。截至不同施工时间点坝体施工全貌如图8所示。

5 结语

面板堆石坝三维可视化仿真系统按自上而下、从总体到局部对系统进行全面规划和整体设计，再自下而上、由分到总地分期实施，实现了面板堆石坝施工过程的仿真计算以及动态显示。

1) 针对性：可以逼真模拟面板堆石坝施工过程，提高信息管理效率，为工程施工设计及管理决策人员提供及时、准确、有效的信息支持。

2) 实用性：考虑了大量数据的存储、维护与更新的方法，可在相当长的生命期内完成正常运行及简单维护，充分发挥系统的经济和社会效益。

3) 开放性：系统采用开放式设计，便于更新与移植，并提供多种数据接口，同时具备较友好的人机界面，使用方便。