水利水電工程施工技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)規(guī)模大、外部環(huán)境多變且耗資巨大，因此反復(fù)的論證和充分的調(diào)研為工程項(xiàng)目建設(shè)的重要工作，在施工過(guò)程中不斷的綜合分析多種方案的科學(xué)合理性，從而形成創(chuàng)新性或新的方案。通過(guò)對(duì)幾種不同方案直觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)分析，最終優(yōu)選出適合當(dāng)?shù)貤l件的設(shè)計(jì)方案，不僅是縮短工程周期和提高設(shè)計(jì)管理水平的重大科學(xué)問(wèn)題，而且滿足施工組織合理性設(shè)計(jì)的迫切要求[1-3]。在水利水電工程施工中應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真和先進(jìn)的渲染技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)每一個(gè)細(xì)節(jié)、步驟在施工過(guò)程中的事先模擬，而且可在屏幕上三維動(dòng)態(tài)地顯示數(shù)據(jù)變化特征，直觀形象的提供臨時(shí)導(dǎo)流孔及度汛的封堵、施工期導(dǎo)航、導(dǎo)流方式、施工分期、工程全局布置及建筑物的布置與設(shè)計(jì)等過(guò)程信息，由此為施工參數(shù)的優(yōu)選和施工方案的選擇提供決策依據(jù)�？梢暬�仿真的交互能力受軟件平臺(tái)和計(jì)算機(jī)硬件的限制還存在一些不足，數(shù)據(jù)信息在仿真與可視化之間的交換還不夠順暢，仍有待進(jìn)一步完善其可移植性[4-9]。鑒于此，本文對(duì)施工過(guò)程的特效、渲染、實(shí)時(shí)繪制等過(guò)程引入面向?qū)ο蟮膱D形高效渲染引擎OGRE，基于信息模式和圖像處理內(nèi)核設(shè)計(jì)交互模塊，由此實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程與可視化成果之間的交互反饋，為施工組織優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工總布置的優(yōu)化提供一種強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，為縮短項(xiàng)目建設(shè)周期、提高工程設(shè)計(jì)水平提供可靠依據(jù)。

　　1可視化仿真技術(shù)原理

　　1.1基本原理

　　集系統(tǒng)仿真和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)于一體的可視化仿真技術(shù)，涉及系統(tǒng)、控制、信息、通訊、多媒體、計(jì)算機(jī)及相似原理等現(xiàn)代高科技技術(shù)。它是基于各種物理效應(yīng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最重要的表現(xiàn)形式，仿真一種真實(shí)的感受和其實(shí)的環(huán)境，以一種交互式仿真環(huán)境讓用戶(hù)產(chǎn)生身臨其境的感受，由此實(shí)現(xiàn)環(huán)境與用戶(hù)的自然交互。該技術(shù)在大中型高精密儀器，如輪船、飛機(jī)、核電站、宇宙飛船等操作者的仿真訓(xùn)練中均得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)為水電施工的分析、演示、模擬、設(shè)計(jì)和規(guī)劃等提供一種有效的方法。

　　1.2發(fā)展階段

　　20世紀(jì)50年代新型信息工程領(lǐng)域中興起的一種仿真技術(shù)，不僅促進(jìn)了人的主體認(rèn)識(shí)能力的發(fā)展，而且為加快工程設(shè)計(jì)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展速度提供一種新的技術(shù)。一般情況下，用戶(hù)必須以一定的形式讀取仿真結(jié)果，從不同發(fā)展進(jìn)程的角度較為常見(jiàn)的有可視化仿真、二維仿真和數(shù)字仿真3種方式。數(shù)字化仿真易于實(shí)現(xiàn)，操作較為簡(jiǎn)單，但無(wú)法給用戶(hù)提供直觀的仿真結(jié)果，理解起來(lái)存在一定的困難，也難以發(fā)現(xiàn)一些較隱蔽的問(wèn)題;相對(duì)于數(shù)字仿真二維仿真比較直觀，對(duì)物流規(guī)劃、設(shè)備、場(chǎng)地等問(wèn)題常應(yīng)用二維圖形的方式模擬，有時(shí)還可對(duì)物流過(guò)程利用二維動(dòng)態(tài)圖形實(shí)時(shí)仿真，并為設(shè)計(jì)人員的優(yōu)化提供參考。然而該方法提供的畫(huà)面簡(jiǎn)單，對(duì)于人機(jī)交互控制還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)的發(fā)展為可視化仿真技術(shù)的出現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)，由此實(shí)現(xiàn)了之前的二維、數(shù)值仿真向可視化仿真的轉(zhuǎn)換�？梢暬�仿真是指考慮各種物理對(duì)象在系統(tǒng)中的位置關(guān)系，通過(guò)有效組合形成的三維模型，在三維空間上給定具體的坐標(biāo)和某種工作方式，并加入時(shí)間軸T描述基本的對(duì)象。在建模階段可視化仿真和二維圖形仿真相比要在時(shí)間和空間上統(tǒng)一安排各種實(shí)體信息，將不同的時(shí)空屬性賦予各個(gè)實(shí)體對(duì)象模型，并且以較強(qiáng)的交互性實(shí)現(xiàn)與數(shù)字仿真結(jié)果的實(shí)時(shí)交互。仿真結(jié)果在表現(xiàn)手段上不再局限于屏幕上各種符號(hào)圖形的動(dòng)態(tài)變化，而是人與電腦的實(shí)時(shí)互動(dòng)的體現(xiàn)。例如，各種地面施工機(jī)械在水電工程的系統(tǒng)仿真中有序地工作，隨著建設(shè)項(xiàng)目的持續(xù)進(jìn)行，展現(xiàn)中轉(zhuǎn)場(chǎng)、渣場(chǎng)、庫(kù)底回填、大壩施工等整個(gè)空間范圍的動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的更加真實(shí)地模擬。

　　2水利水電施工可視化仿真的實(shí)現(xiàn)

　　帶有隨機(jī)因素的復(fù)雜龐大的水利水電施工系統(tǒng)一般難以用數(shù)學(xué)解析模型描述，對(duì)于復(fù)雜的施工系統(tǒng)的研究分析現(xiàn)代化仿真技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)為解決此類(lèi)問(wèn)題提供了一種直觀、有效的方法�？梢暬�仿真技術(shù)主要包含在時(shí)間和空間上三維圖形仿真結(jié)果顯示、仿真建模、數(shù)值計(jì)算3個(gè)環(huán)節(jié)，其中可視化仿真中最核心的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)圖形、圖像與仿真所涉及到的數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)化。

　　2.1可視化仿真的數(shù)值計(jì)算

　　隨時(shí)間的變化實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬即為可視化仿真的數(shù)值計(jì)算，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和觀察模擬運(yùn)行過(guò)程確定被模擬系統(tǒng)的基本特性及輸出參數(shù)，由此對(duì)實(shí)際系統(tǒng)真實(shí)性能和真實(shí)參數(shù)的推斷與估計(jì)。根據(jù)狀態(tài)連續(xù)性特征可將其分為離散、連續(xù)兩種系統(tǒng)，在時(shí)間點(diǎn)上各施工對(duì)象的狀態(tài)變化為水利水電施工系統(tǒng)仿真計(jì)算的重點(diǎn)，如累計(jì)完成方量、服務(wù)對(duì)象、機(jī)械、高程等，隨時(shí)間的變化這些變量呈現(xiàn)出跳躍式非連續(xù)的變化。因此，可將離散時(shí)間的仿真作為施工系統(tǒng)的仿真計(jì)算。根據(jù)“仿真鐘”體現(xiàn)“模擬時(shí)間”的運(yùn)行軌跡為離散系統(tǒng)仿真的基本概念，其中事件步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)為“仿真鐘”推進(jìn)的兩種基本模式。對(duì)于可視化水電工程施工，采取時(shí)間步長(zhǎng)法為實(shí)現(xiàn)全過(guò)程仿真施工的常用方法。時(shí)間步長(zhǎng)法是以規(guī)定某一較小的單位時(shí)間ΔT為增量檢驗(yàn)每推進(jìn)一步是否有事件發(fā)生，若沒(méi)有發(fā)生則繼續(xù)推進(jìn)下一步ΔT時(shí)間的仿真計(jì)算;否則對(duì)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)由程序自動(dòng)記錄，同時(shí)以新的處理程序二次判斷，因此也稱(chēng)為固定時(shí)間增量推進(jìn)法，動(dòng)態(tài)仿真流程如圖1。圖1動(dòng)態(tài)仿真流程對(duì)施工系統(tǒng)運(yùn)用時(shí)間步長(zhǎng)法仿真時(shí)，要解決的重要問(wèn)題為選取合適的時(shí)間補(bǔ)償。仿真系統(tǒng)貼近真實(shí)狀態(tài)的程度隨選取時(shí)間的減少而增大，相應(yīng)的仿真精度越高，同時(shí)仿真程序的運(yùn)算時(shí)間隨仿真過(guò)程狀態(tài)檢查判斷次數(shù)的增大而增加。反之，時(shí)間越大可減少程序的運(yùn)算時(shí)間和計(jì)算量，但也可導(dǎo)致仿真狀態(tài)因繞過(guò)系統(tǒng)過(guò)程的某些信息而產(chǎn)生丟失，從而降低仿真結(jié)果的精度。所以，時(shí)間步長(zhǎng)的選取應(yīng)考慮不同的工序和層次，由此滿足仿真精度和程序運(yùn)行時(shí)間的要求。

　　2.2水利水電工程可視化仿真建模

　　根據(jù)幾何模型的系統(tǒng)特征將可視化仿真模型分為動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和DTM數(shù)字地形模型，各模型具體如下:(1)數(shù)字地形模型。DTM數(shù)字地形模型是數(shù)字描述地形屬性特征可空間位置特征的重要方法，能夠反映屬性信息與地形表面形態(tài)之間的數(shù)字形式，其中DEM數(shù)字高程模型是指地形屬性在數(shù)字地形模型中為第三維地理空間坐標(biāo)時(shí)的系統(tǒng)�？刹捎枚喾N不同的方法表達(dá)高程的變化，DEM可選用數(shù)學(xué)定義的影像、線、點(diǎn)或表面來(lái)表示。根據(jù)不同的形態(tài)將DEM模型分為不規(guī)則三角網(wǎng)、等高線、規(guī)則網(wǎng)格模型3種類(lèi)型。規(guī)則網(wǎng)格模型一般由規(guī)則的三角形、矩形或正方形網(wǎng)格組成，將區(qū)域空間利用規(guī)則網(wǎng)格切分為能夠賦予相應(yīng)數(shù)值的網(wǎng)格單元，在數(shù)學(xué)上和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中為一個(gè)矩陣或二維數(shù)組。一個(gè)高程值與數(shù)組的一個(gè)元素或每個(gè)網(wǎng)格單元對(duì)應(yīng)，而地形的細(xì)部和結(jié)構(gòu)無(wú)法由存在缺點(diǎn)的規(guī)則網(wǎng)格DEM來(lái)描述，因此該模型局域較大的存儲(chǔ)量和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般適用于地形平坦的地區(qū)。等高線模型反映了研究區(qū)的高程變化特征，已知等高值的集合和每一條等高線的高程值，由此可將這些高程值和一系列的等高線集合形成地面高程模型。TIN不規(guī)則三角網(wǎng)是將研究區(qū)域利用有限個(gè)點(diǎn)集劃分為彼此相連的網(wǎng)絡(luò)體系，其中三角形內(nèi)、邊或頂點(diǎn)上為區(qū)域中任意點(diǎn)的散落位置。通過(guò)線性插值法可確定不在頂點(diǎn)處各點(diǎn)的高程值，因此TIN屬于不可微且整體連續(xù)的三維空間分段線性模型。由連續(xù)的三角面組成的不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)字高程，其節(jié)點(diǎn)密度、位置和不規(guī)則分布測(cè)點(diǎn)為決定三角面大小與形狀的主要參數(shù)。高程矩陣方法和不規(guī)則三角網(wǎng)的差異主要體現(xiàn)在，采樣點(diǎn)的位置和密度受地形起伏變化的復(fù)雜性影響，因此不規(guī)則三角網(wǎng)能夠按照地形變化線、山谷線、山脊等地形特征點(diǎn)表示數(shù)字高程特征，可有效解決地形平臺(tái)時(shí)冗余數(shù)據(jù)計(jì)算問(wèn)題。(2)靜態(tài)模型。靜態(tài)模型是指模型各定點(diǎn)的空間拓?fù)潢P(guān)系和幾何數(shù)據(jù)在施工進(jìn)程中保持不變的實(shí)體對(duì)象，包括導(dǎo)流建筑物、拌合樓、風(fēng)水電供應(yīng)系統(tǒng)、生活住房、輔助施工工廠和地形等。在實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中靜態(tài)模型的物理狀態(tài)，如空間位置、物理特性等狀態(tài)不發(fā)生任何變化，主要是用于模型真實(shí)度的表征。所以，在模型建立過(guò)程中只需引入CAD模型，通過(guò)賦予相應(yīng)的材質(zhì)使其更加與真實(shí)實(shí)體相接近，如圖2。(3)動(dòng)態(tài)模型。動(dòng)態(tài)模型是指由于交互操作狀態(tài)發(fā)生改變或施工進(jìn)程中自身狀態(tài)不斷變化的模型對(duì)象，如臨時(shí)道路、中轉(zhuǎn)場(chǎng)、渣場(chǎng)和大壩等。在可視化仿真中動(dòng)態(tài)模型具有較強(qiáng)的標(biāo)簽里，通過(guò)仿真模擬實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)交互。各個(gè)實(shí)體的速度、大小、位置等物理參數(shù)和數(shù)據(jù)的交換查詢(xún)?cè)谀Ｐ椭袑儆趧?dòng)態(tài)變化的，因此無(wú)法用一個(gè)確定的形態(tài)反映其變化特征。據(jù)此，為構(gòu)建各個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)體引入面、線、點(diǎn)等最基本的空間立體幾何對(duì)象，同時(shí)在程序運(yùn)行中引入時(shí)間參數(shù)T，由此生成隨時(shí)間T各實(shí)體的變化形態(tài)，通過(guò)賦予各實(shí)體真實(shí)的材質(zhì)描述這些動(dòng)態(tài)實(shí)體在真實(shí)狀態(tài)下的變化過(guò)程，從而保證仿真模擬的有序進(jìn)行。

　　2.3三維圖形顯示

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為可視化仿真最基本的圖像顯示底層技術(shù)，涉及許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)和基礎(chǔ)算法。為簡(jiǎn)化大中型圖像開(kāi)發(fā)各種圖形接口應(yīng)運(yùn)而生，為不同硬件和軟件的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了獨(dú)立統(tǒng)一的接口，其中應(yīng)用最為廣泛的為DirectX和OpenGL。DirectX是由微軟公司憑借其視窗系統(tǒng)上的壟斷地位和市場(chǎng)上的巨大成功創(chuàng)建開(kāi)發(fā)的，在桌面圖形開(kāi)發(fā)中占領(lǐng)了大部分地位。DirectX是一種基于OLECOM實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)3D再現(xiàn)的應(yīng)用程序接口，可實(shí)現(xiàn)3D硬件的快速透明提取和設(shè)備的獨(dú)立傳輸、高度優(yōu)化性能。OpenGL是由SGI公司開(kāi)發(fā)的一種包含120多各圖形函數(shù)的高質(zhì)量圖像接口，能夠?yàn)槌绦騿T便捷的應(yīng)用C語(yǔ)言，從而快速、簡(jiǎn)單的形成漂亮美觀的各種圖形。將面向?qū)ο蟮膱D形渲染高效引擎OGRE引入至可視化仿真的圖形渲染方面，基于C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的OGRE封裝了OpenGL和DirectX，對(duì)3D圖形引擎選用面向?qū)ο蠓ㄉ婕�。它具有較高的渲染效率和較強(qiáng)的擴(kuò)充性，能夠抽象畫(huà)處理更底層的系統(tǒng)庫(kù)細(xì)節(jié)，提供基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口。圖3反映了OGRE的工作流程，其開(kāi)始執(zhí)行程序?yàn)镽oot，整個(gè)渲染過(guò)程主要是依據(jù)創(chuàng)景組織器來(lái)完成，而場(chǎng)景中所有視點(diǎn)、燈光、實(shí)體等空間位置由節(jié)點(diǎn)明智，物體位置的變化、移動(dòng)等工作由OGRE對(duì)節(jié)點(diǎn)的位置變化來(lái)控制，而真實(shí)的光影效果主要與燈光的方向、位置的變化來(lái)反映，通過(guò)移動(dòng)視點(diǎn)可對(duì)各個(gè)實(shí)體的即時(shí)狀態(tài)從多個(gè)角度、不同位置來(lái)觀察仿真。根據(jù)幀監(jiān)聽(tīng)器來(lái)控制時(shí)間參數(shù)T，鼠標(biāo)、鍵盤(pán)的監(jiān)聽(tīng)主要由幀監(jiān)聽(tīng)器來(lái)負(fù)責(zé)，這些操作的影響為數(shù)據(jù)庫(kù)的輸入，通過(guò)將這些控制反饋給OGRE的場(chǎng)景管理器實(shí)現(xiàn)通過(guò)屏幕渲染的動(dòng)態(tài)控制。

　　3實(shí)例應(yīng)用

　　采用具有較強(qiáng)三維渲染能力的OGRE系統(tǒng)，將空氣體、水流和植被等場(chǎng)景實(shí)體植入模型，其中OGRE三維坐標(biāo)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與每個(gè)實(shí)體模型對(duì)應(yīng)掛接，并對(duì)視線方向和視點(diǎn)進(jìn)行初始化設(shè)置，同時(shí)景深處理各場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)工程場(chǎng)地的任意漫游，由此全面掌握施工狀況和場(chǎng)地布置，如圖4。將系統(tǒng)可識(shí)別數(shù)據(jù)組與仿真計(jì)算結(jié)果相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，在運(yùn)行過(guò)程中接受鍵盤(pán)、鼠標(biāo)輸入指令的幀監(jiān)聽(tīng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)景渲染的控制，由此完成戧堤進(jìn)展模擬分析。通過(guò)反復(fù)論證設(shè)計(jì)方案和改變仿真輸入數(shù)據(jù)，輸出可視化不同仿真結(jié)果，為施工資源的消耗配置和不同施工強(qiáng)度的優(yōu)化等提供實(shí)時(shí)信息。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　在水利水電施工截流中引入可視化仿真技術(shù)，并對(duì)截流過(guò)程引入具有較強(qiáng)三維渲染能力的OGRE系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)截流過(guò)程的系統(tǒng)模擬，能夠以更加客觀、直接的方式為研究人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的變化規(guī)律，為施工組織設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的合理性分析提供參考。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]姜鍇，周宜紅.可視化仿真技術(shù)在施工截流中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電.2009(4):103-105+111.

　　[2]鐘登華，劉東海，鄭家祥.基于GIS的水電工程施工動(dòng)態(tài)可視化仿真方法及其應(yīng)用[M].水利學(xué)報(bào).2003.(7):101-106.

　　[3]韋有雙，王飛.虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社.2004.

　　《水利水電工程可視仿真技術(shù)》來(lái)源：《地下水》，作者：王暢

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