基于Unity 3D 的水電工程施工過程可視化仿真研究

龔攀

摘 要：文章提出了基于Unity 3D的水電工程施工過程可視化仿真方法，對于可視化仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、三維模型的構(gòu)造以及可視化仿真實(shí)現(xiàn)的問題都做了詳細(xì)介紹。該方法能夠提高可視化實(shí)現(xiàn)的效率及效果，可為工程施工方案的管理和決策提供信息化支撐。

關(guān)鍵詞：Unity 3D；水電工程；可視化仿真

前言

水電工程施工的自然環(huán)境一般比較復(fù)雜，而且工程規(guī)模很大，在其施工的過程中，就會因?yàn)楦鞣N不定因素的干擾，增加工程施工的風(fēng)險，使得工程的設(shè)計(jì)和施工任務(wù)加重。所以，在工程開工之前，編制合理的施工組織手冊，選擇恰當(dāng)?shù)氖┕し椒?、施工機(jī)械及配套組合，以及高效直觀地對工程的施工過程進(jìn)行管理，這很大程度上保證了工程建設(shè)的完成工期以及工程的造價。隨著可視化技術(shù)與仿真技術(shù)的結(jié)合，我們可以對大壩的施工過程進(jìn)行可視化仿真，這為水電工程的施工管理開辟了新的道路[1]。文章采用Unity 3D這款功能強(qiáng)大的游戲開發(fā)引擎與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合，對基于Unity 3D 的可視化仿真技術(shù)作了相關(guān)研究，它可以展示真實(shí)的施工過程，可以為工作設(shè)計(jì)人員提供一個直觀形象的可交互環(huán)境，讓決策者快速掌握施工條件和狀況，高效準(zhǔn)確地作出決策，這為水電工程的施工組織管理提供了有效的工具。

1 Unity 3D與可視化仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

Unity 3D是一個全面整合的專業(yè)開發(fā)引擎，它由完整的圖形渲染系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、編輯器系統(tǒng)、GUI 系統(tǒng)、Shader 系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成。它具有優(yōu)秀的設(shè)計(jì)環(huán)境、操作簡便的場景編輯器、方便快捷的設(shè)計(jì)流程，它支持3DSMax和Maya等一些主流的三維建模軟件；在瀏覽器的環(huán)境中它可以直接運(yùn)行嵌入的編寫好的程序，也可以在 Windows、MAC等多個平臺上運(yùn)行，具有跨平臺的功能，而且還支持Javascript、C# 等[2]腳本語言。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得Unity 3D成為可視化仿真優(yōu)先考慮的對象。

可視化仿真系統(tǒng)主要由施工過程仿真系統(tǒng)和三維可視化系統(tǒng)兩部分組成。大壩施工過程仿真系統(tǒng)主要是通過模擬得到工程施工強(qiáng)度、主體工程的澆筑順序等相關(guān)信息，儲存到公共數(shù)據(jù)庫中以供可視化系統(tǒng)調(diào)用，該過程主要是采用離散事件的方法對大壩的澆筑過程進(jìn)行仿真模擬?；赨nity 3D的仿真可視化方法主要表現(xiàn)為在仿真建模的過程中，利用仿真系統(tǒng)得出的信息來進(jìn)行可視化的表達(dá)。同時，在可視化系統(tǒng)中，用戶可以通過對系統(tǒng)界面的控制對仿真過程進(jìn)行管理，直到理解所有的仿真對象。

2 三維模型的構(gòu)造

2.1 數(shù)字地形建模

數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model， DTM）是所有水工建筑物布置及施工活動的場所，地形可采用不規(guī)則三角網(wǎng)模型（Triangulated Irregular Network， TIN）來描述。生成TIN模型的主要步驟如下。

（1）將原始地形圖按等高線連接成閉合曲線，選擇合適的等高線間距并對其高程進(jìn)行處理。（2）將閉合的曲線離散成點(diǎn)，通過點(diǎn)生成線，線生成面，最后由面生成體。在離散化的過程中需要注意選擇合適的離散間距以及錯誤等高線及多余點(diǎn)的檢驗(yàn)和刪除。（3）借助CAD二次開發(fā)生成網(wǎng)格模型[3]。

2.2 工程主體建筑物模型庫建立

水電工程主要的地物模型按照模型的屬性，可分為靜態(tài)和動態(tài)模型。對于在仿真過程中模型各頂點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)及空間位置都保持不變的實(shí)體，稱為靜態(tài)模型，例如導(dǎo)流建筑物和施工機(jī)械等，對于這類模型主要是通過對實(shí)體進(jìn)行的交集并集等布爾運(yùn)算來進(jìn)行建模。該類模型可以按下面的步驟進(jìn)行處理。

（1）掌握模型的相關(guān)信息，采用Auto CAD、3DSMax等建模工具直接建立三維模型。（2）將所建模型導(dǎo)入3DSMax進(jìn)行貼圖和光照處理。（3）導(dǎo)入Unity 3D進(jìn)行渲染和管理。

相對于靜態(tài)模型，動態(tài)模型是指在施工過程中幾何形態(tài)不斷變化的對象，例如壩體和地形的開挖等。大壩的建模步驟如下[4]（其他動態(tài)模型可以采用相似的步驟進(jìn)行處理）。

（1）首先要得到壩體的模型，這個過程主要是根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行模型的建立。（2）然后確定實(shí)際填筑塊，通過對壩體剖切分區(qū)分塊，得到的單元模型即為所要確定的填筑塊。（3）將處理好的填筑塊導(dǎo)入到Unity 3D中進(jìn)行管理并完成渲染的工作。

3 仿真可視化的實(shí)現(xiàn)

仿真可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)主要是基礎(chǔ)模型的制作，完成對工程施工總布置圖三維模型的構(gòu)建，然后在Unity 3D中進(jìn)行必要的編程，最后憑借Web系統(tǒng)和系統(tǒng)展示模塊顯示出來。用戶可以通過三維可視化這個實(shí)時交互的系統(tǒng)，在逼真的虛擬場景中查詢各水工建筑物的狀態(tài)。具體過程如下。

（1）構(gòu)建模型是基礎(chǔ)，首先在3DSMax中創(chuàng)建實(shí)體模型。（2）模型的處理，主要是對模型進(jìn)行貼圖和材質(zhì)的相關(guān)處理，模型應(yīng)該具有所有屬性數(shù)據(jù)，最后生成施工總布置動態(tài)三維數(shù)字模型。（3）模型文件格式的處理，模型文件導(dǎo)出必須另存為fbx格式，這樣Unity 3D才可以進(jìn)行識別處理。（4）編程，在Unity 3D中編寫正確的腳本程序，根據(jù)交互的需要，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯控制。（5）應(yīng)用的發(fā)布，發(fā)布一個Web Player 應(yīng)用，該應(yīng)用具有動態(tài)加載和三維模型顯示的功能。（6）網(wǎng)頁系統(tǒng)通過加載該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)三維可視化虛擬交互。

4 工程應(yīng)用

依據(jù)前文介紹的理論和方法，結(jié)合某水電工程，通過3DSMax對施工場地總布置實(shí)體進(jìn)行建模，借助 Unity 3D專業(yè)引擎研發(fā)了某工程施工過程的可視化仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了施工場地總布置三維可視化遠(yuǎn)程交互和大壩三維可視化動態(tài)上升過程，如圖1所示。

圖1 施工總布置圖

5 結(jié)束語

文章提出了基于Unity 3D的水電工程施工過程可視化仿真方法，該方法不僅可以逼真形象地描述工程復(fù)雜施工的過程，而且利用Unity 3D這個強(qiáng)大的游戲開發(fā)引擎，為仿真信息的可視化提供了更好的途徑，提高了工程信息化管理的水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李景茹，鐘登華，劉東海，等.水利水電工程三維動態(tài)可視化仿真技術(shù)與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（1）：116-119.

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[3]趙春菊，胡超，周宜紅.基于OGRE的碾壓混凝土壩施工過程可視化仿真系統(tǒng)[J].水利水電科技進(jìn)展，2013（4）：41-45.

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