荊 鑫

(遼寧省水資源管理集團有限責(zé)任公司，沈陽 110166)

0 引 言

20世紀(jì)50年代興起的一種新型虛擬仿真技術(shù)，為實現(xiàn)工程運行管理現(xiàn)代化以及提高人的主體認(rèn)識能力提供了技術(shù)支持。一般地，對于仿真結(jié)果的讀取比較常見的形式有可視化、數(shù)字化和二維仿真3種。其中，數(shù)字化仿真存在操作簡單、易于實現(xiàn)的特點，但仿真結(jié)果無法直觀地提供給用戶，所以理解時具有一定難度，并且對于一些隱蔽性問題也難以發(fā)現(xiàn)；二維仿真較數(shù)字仿真更加直觀，二維圖形模擬多用于物流規(guī)劃、城地和設(shè)備等領(lǐng)域，有也將二維動態(tài)圖形用于物流過程的模擬分析，并為工程優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。但是該方法無法實現(xiàn)人機交互，只能提供簡單的畫面。隨著計算機硬軟技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸得到廣泛的研究應(yīng)用，可視化仿真逐漸替代以往的數(shù)值和二維仿真?？梢暬抡嬷饕抢孟到y(tǒng)中各物理對象的位置關(guān)系，經(jīng)過組合處理生成三維模型，在三維空間上加入時間軸T，從工作方式和具體坐標(biāo)的角度描述基本對象。在表現(xiàn)形式上仿真結(jié)果不局限于各種符號圖形在屏幕上的動態(tài)變化，而且能夠?qū)崿F(xiàn)人與電腦的互動。如，在水利工程虛擬仿真系統(tǒng)中各種施工機械有序的工作，隨著項目的持續(xù)推進可以展現(xiàn)大壩施工、中轉(zhuǎn)場、庫底回填、渣場等動態(tài)變化過程，更加真實的模擬整個工程的現(xiàn)場運行情況[1]。

虛擬仿真技術(shù)涉及通訊、控制、信息、系統(tǒng)、相似管理、計算機、多媒體等各種現(xiàn)代高科技，它是計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)與各種物理效應(yīng)設(shè)備的最主要表現(xiàn)形式，可以實現(xiàn)真實環(huán)境和感受的仿真，以一種交互仿真環(huán)境實現(xiàn)用戶與環(huán)境的自然交互，讓其產(chǎn)生身臨其境的感受[2-3]。

在高精密儀器、特殊操作訓(xùn)練等領(lǐng)域該技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，如宇宙飛船、輪船、核電站、飛機等，并為水利工程規(guī)劃、模擬、設(shè)計、演示等提供一種新的技術(shù)手段。因此，綜合利用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立三維可視、實時動態(tài)的水利工程運行管理虛擬仿真環(huán)境，在此環(huán)境下使技術(shù)管理人員能清晰而直觀地看到現(xiàn)實或歷史、靜態(tài)或動態(tài)、局部或整體的工程運行管理真實場景，從而提出合理化建議和要求，這也是應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的主要目標(biāo)。通過虛擬仿真決策層可以獲取最準(zhǔn)確最新的工程運行信息，以便能夠快速判斷未來可能發(fā)生的事件，并給出有效的管控對策[4-6]。

1 虛擬仿真原理

1.1 建立三維虛擬環(huán)境

虛擬仿真在整個工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)是虛擬環(huán)境建模，一般涉及聽覺建模與三維視覺建模兩個體系，其中視覺建模有模型切分、對象特性、物理、運動和幾何建模等模塊。

采用DEM數(shù)字高程模型或以.dxf、*.dgn格式存儲的三維等高線地形圖，實現(xiàn)虛擬仿真數(shù)據(jù)與地理特征數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化，并考慮工程地形條件貼上真實的衛(wèi)片或航片。然后結(jié)合二維CAD圖紙建立三維建筑物仿真幾何模型，如通航建筑物、廠房、地下電站、泄水建筑物和水庫大壩等，將真實照片紋理與現(xiàn)場實拍照片相融合，可以實現(xiàn)工程現(xiàn)場情景的完全模擬。最后，按照實際接觸的工程建筑物與地形關(guān)系，通過拼接處理完成三維虛擬仿真的建模。

1.2 應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)

實際上，表面變形、對象捕獲、相互作用、位置改變、縮放、碰撞等均反映了三維虛擬環(huán)境中物體的運動特性，通過將坐標(biāo)系設(shè)置于每個具有運動特征的對象上可生成對象坐標(biāo)系統(tǒng)，為改變對象的位置可以利用各方向上坐標(biāo)值的控制來實現(xiàn)。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工程運行管理時，水工建筑物部件通常會發(fā)生運動，如水輪機機組運行、泄水閘門的旋轉(zhuǎn)、船閘的關(guān)閉與開啟，開閘泄水流態(tài)以及水位的變化等。三維幾何模型仿真這些動作效果時，需要在一定條件下合理控制、設(shè)定其空間方位角和位置坐標(biāo)，由此實現(xiàn)水工建筑物的動作模擬。

此外，地理目標(biāo)名稱(或唯一的ID)在工程實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維仿真模型之間存在相互對應(yīng)的關(guān)系，且水工建筑物監(jiān)測、控制等相關(guān)信息來源于工程實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用這些信息可對三維仿真環(huán)境中水工建筑物的運動狀態(tài)實時更新，并在三維仿真環(huán)境中以各種屬性表、顏色的方式查詢和顯示工程的水質(zhì)水情監(jiān)測、滲流監(jiān)測、各種變形監(jiān)測等信息。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于水利工程運行管理的基本流程，如圖1示。

圖1 虛擬仿真流程

2 水利工程運行管理虛擬仿真技術(shù)

水利工程管理通常存在許多隨機性的復(fù)雜因素，用精準(zhǔn)的數(shù)值模型難以進行客觀準(zhǔn)確的描述，因此現(xiàn)代化仿真技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用將日趨廣泛。

2.1 單個水利工程管理維護仿真

針對單個水利工程安全監(jiān)測、運行狀態(tài)的管理利用三維可視化仿真幾何模型實現(xiàn)，其中安全監(jiān)測數(shù)據(jù)利用實物監(jiān)測儀器采集，結(jié)合不同的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)立體顯示水利工程的侵蝕崩潰狀況、位移情況、受力變形仿真等。采用合理的預(yù)測模型和質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)，綜合處理分析各種監(jiān)測資料與數(shù)據(jù)信息，并對工程的內(nèi)外在質(zhì)量進行科學(xué)的評估，及時準(zhǔn)確的掌握其運行狀態(tài)。通過創(chuàng)建良好的運行管理系統(tǒng)，可為水資源優(yōu)化配置、整個流域的防洪調(diào)度以及工程運行管理提供可視化工情和水情信息。采用三維仿真系統(tǒng)管理控制水閘樞紐工程時，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三維仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 長距離輸水工程運行管理仿真

長距離的明渠輸水工程涉及沿途分水口、排水閘、涵洞、退水閘和各節(jié)制閘等工程管理，運用三維仿真技術(shù)構(gòu)建輸水工程管理系統(tǒng)，不僅可以達到實時監(jiān)控輸水工程運行情況的目的，還可考慮不同需水量與供水量，在三維虛擬環(huán)境下仿真控制輸水工程巖土的排水閘、分水口、各節(jié)制閘等。在三維虛擬環(huán)境下實時查詢各節(jié)制閘的安全監(jiān)測、實時流量、閘門開度等信息，以及總干渠各渠段的水質(zhì)、流量和水位信息等。此外，三維仿真系統(tǒng)可以實時顯示三維定位，并為長距離輸水工程安全運行提供預(yù)警。

2.3 水利工程聯(lián)合調(diào)度仿真

在水資源綜合利用、優(yōu)化配置以及流域防洪減災(zāi)等方面，水利工程發(fā)揮著關(guān)鍵的控制性作用。根據(jù)三維虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建流域內(nèi)的水庫工程管理系統(tǒng)，在三維虛擬環(huán)境中仿真不同工程聯(lián)合調(diào)度方案，通過聯(lián)合會商明確工程調(diào)度最佳方案，可為實現(xiàn)水資源合理利用、防洪減災(zāi)和達到效益最優(yōu)提供科學(xué)依據(jù)。

1)在三維虛擬環(huán)境中模擬驗證流域防洪聯(lián)合調(diào)度模型的可行性、有效性，主要考慮三維可視化顯示、實時計算的水開閘泄水流量、上下游水位、上游來水庫容等。根據(jù)工程運行需要、泄水建筑物設(shè)計要求、泄洪閘事先編排、不同時期上游流量與水位，對泄水建筑物開閘泄洪利用三維虛擬仿真系統(tǒng)模擬，通過模擬仿真下游水流流態(tài)、開閘泄水等工程運行情況，利用可視化信息為決策者提供可靠支持。

2)采用實時監(jiān)測的水位流量數(shù)據(jù)和流域內(nèi)水利工程聯(lián)合調(diào)度模型，在三維虛擬仿真系統(tǒng)中顯示流域內(nèi)各類控制性水利工程的調(diào)度過程，以此實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置會商和流域防洪調(diào)度。

3)綜合利用地理信息系統(tǒng)與三維虛擬仿真系統(tǒng)，對上游庫區(qū)水庫在不同水位條件下的土地淹沒情況、淹沒范圍面積進行實時查看，為流域生態(tài)環(huán)境保護、水土保持以及庫區(qū)移民等提供可視化的監(jiān)測信息[7-8]。

2.4 水利工程運行機理仿真

大型水利樞紐工程的工作機理和運行過程非常復(fù)雜，如三峽升船機、雙線五級船閘等，僅僅依靠純數(shù)值計算和平面設(shè)計圖紙，難以客觀真實的反映工程運行情況及工作機理。采用虛擬仿真技術(shù)建立各組成部件與水工構(gòu)筑物三維模型間的運行關(guān)系，從而形成工程管理優(yōu)化實驗平臺，為直觀準(zhǔn)確的反映工程運行情況以及技術(shù)管理人員決策提供科學(xué)指導(dǎo)[9]。如，利用三維虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的雙線五級船閘運行管理體統(tǒng)，可以從不同側(cè)面同步仿真船經(jīng)過船閘時的閘室內(nèi)充防水、閘門開啟與關(guān)閉等一系列運動過程。

3 結(jié) 論

計算機三維仿真技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用水平，較其它行業(yè)還存在較大的差距，現(xiàn)階段主要用于工程的局部結(jié)構(gòu)，還未能形成集成整個工程項目的管理系統(tǒng)，尤其是在多元數(shù)據(jù)融合、可視化等方面仍需進一步探究，水利行業(yè)中多任務(wù)、多目標(biāo)虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用還不夠成熟。運行管理過程中水利工程多利用攝像頭或二維平面監(jiān)視，在管理決策和調(diào)控過程中三維空間動態(tài)技術(shù)的應(yīng)用還處于起始階段，水利工程運行管理將隨著三維虛擬仿真技術(shù)的成熟得以快速的發(fā)展。