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摘要：可視化仿真技術(shù)是計算機(jī)可視化技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合形成的一種新型的仿真技術(shù)?？梢暬抡娴睦碚摵头椒òㄈ^程動態(tài)仿真理論、圖形輔助仿真建模方法、基于GIS的三維動態(tài)數(shù)字模型構(gòu)造及其可視化方法、基于GIS的三維動態(tài)演示方法及基于GIS的交互式可視化仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。

關(guān)鍵詞：可視化仿真GIS地下洞室群施工導(dǎo)截流大壩施工總布置

一、研究背景

水利水電工程往往規(guī)模大、投資多、施工難度大，因而在工程設(shè)計和管理過程中，確定合理的施工方法，優(yōu)化選擇施工機(jī)械及配套組合，制訂切合實(shí)際的施工進(jìn)度計劃，高效簡便地對施工信息進(jìn)行管理，直觀形象地反映復(fù)雜施工過程，對于確保工程建設(shè)如期完成和降低工程造價都是至關(guān)重要的。為達(dá)到上述目的，除了在施工組織設(shè)計中要充分考慮工程特點(diǎn)和具體施工各種條件外，若能在事先對工程施工的運(yùn)行發(fā)展過程和施工中各項(xiàng)活動的協(xié)調(diào)關(guān)系等狀況進(jìn)行預(yù)測和評價，將對工程施工組織計劃的正確決策提供可靠的依據(jù)?？梢暬抡婕夹g(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展正好適應(yīng)了這種客觀需要，它為解決施工中上述問題開辟了新的途徑。

國外從20世紀(jì)70年代開始提出循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)（CYCLONE），至今已發(fā)展了一系列的工程仿真應(yīng)用軟件，但這些研究成果及仿真軟件主要應(yīng)用于土木工程施工如高層建筑施工、土石方工程等。20世紀(jì)80年代初，天津大學(xué)率先在全國開展水利水電工程施工過程仿真方法研究，在近20年的發(fā)展中取得了大量開拓性的成果和社會效益。近年來，又在推動水利水電工程設(shè)計和管理向可視化、數(shù)字化方向發(fā)展方面做了大量研究工作。借助于計算機(jī)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和工程科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展，重點(diǎn)研究了三維動態(tài)可視化仿真理論與方法及其在水利水電工程中的應(yīng)用，獲得了一系列富有創(chuàng)新性的理論方法與應(yīng)用研究成果。

在開展可視化仿真及其在水利水電工程中的應(yīng)用研究工作中，存在以下三個關(guān)鍵技術(shù)問題：

1．可視化技術(shù)與系統(tǒng)仿真技術(shù)結(jié)合的途徑

建立基于GIS的交互式可視化仿真系統(tǒng)框架，將可視化技術(shù)與系統(tǒng)仿真的各個環(huán)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)仿真建?？梢暬?、仿真計算可視化、仿真結(jié)果可視化。

2．可視化仿真技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用問題

根據(jù)水利水電工程的特點(diǎn)和實(shí)際需要，將可視化仿真技術(shù)與具體的工程問題相結(jié)合，提出可視化仿真技術(shù)在水利水電工程中應(yīng)用的具體途徑。

3．可視化仿真軟件的通用化問題

水利水電工程施工系統(tǒng)仿真軟件的通用化不僅是關(guān)鍵技術(shù)問題之一，而且是推廣應(yīng)用的前提。

二、基于GIS的三維動態(tài)可視化仿真技術(shù)

1．可視化仿真涵義

可視化仿真（VisualSimulationVS）是計算機(jī)可視化技術(shù)和系統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合后形成的一種新型仿真技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是采用圖形或圖像方式對仿真計算過程的跟蹤、駕馭和結(jié)果的后處理，同時實(shí)現(xiàn)仿真軟件界面的可視化，具有迅速、高效、直觀、形象的建模特點(diǎn)。使用可視化技術(shù)以后，系統(tǒng)的子模塊用形象的圖形來表示，并可通過鼠標(biāo)在屏幕上直觀形象的操作，就可以完成整個仿真任務(wù)。一般可視化仿真包含三個重要的環(huán)節(jié)，即仿真計算過程可視化、仿真結(jié)果可視化、仿真建模過程的可視化。

2．全過程動態(tài)仿真理論與方法

全過程動態(tài)仿真理論融合了面向?qū)ο蟮膱D形輔助建模、動態(tài)仿真、網(wǎng)絡(luò)計劃分析與優(yōu)化、動態(tài)演示、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，把整個施工過程作為一個整體，對施工全過程進(jìn)行跟蹤模擬。

全過程動態(tài)仿真理論的特點(diǎn)就是體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的思想。它是針對整個水利水電工程施工系統(tǒng)進(jìn)行的，所有的優(yōu)化及調(diào)配目標(biāo)是使整個系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，而不是局部達(dá)到最優(yōu)。它把整個施工過程作為一個大的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)中各個單項(xiàng)工程之間、各個工作面之間相互影響、相互制約的關(guān)系，分析整體的施工進(jìn)度、施工強(qiáng)度等關(guān)鍵問題，獲得更為真實(shí)的施工情況，從而達(dá)到為施工組織設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)的目的。仿真流程圖見圖1。

3．面向?qū)ο蟮膱D形輔助仿真建模技術(shù)

仿真是一種基于模型的活動，建模是仿真過程中十分重要的一個環(huán)節(jié)。如何能夠?qū)崿F(xiàn)簡化而又靈活的建模過程是仿真研究的重要課題。

面向?qū)ο蠓椒ǖ膽?yīng)用使建模過程變得自然直觀，用戶可以把被仿真系統(tǒng)的各種活動都看成對象，并根據(jù)這些對象的類屬關(guān)系和本身特性直接構(gòu)造仿真模型。這種建模過程十分類似于人類所習(xí)慣的對客觀世界中事件分類的思維過程，所以使仿真用戶感到由物理模型到計算機(jī)模型的過渡非常自然。面向?qū)ο蠓椒ǖ睦^承性，使仿真系統(tǒng)十分容易擴(kuò)充。同時，利用對象類層次結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，可以達(dá)到最高的代碼重用率。

在系統(tǒng)仿真中應(yīng)用圖形技術(shù)，能夠描述許多用語言難以表達(dá)的信息，圖形輔助建模就是利用鼠標(biāo)在計算機(jī)屏幕上繪制系統(tǒng)模型或用模型庫中已有的系統(tǒng)元件拼合系統(tǒng)模型。

面向?qū)ο蟮膱D形輔助建模的基礎(chǔ)是系統(tǒng)的可分性，即認(rèn)為系統(tǒng)是由子系統(tǒng)組成的，而子系統(tǒng)又可分解成更原始的子系統(tǒng)。由于這種性質(zhì)的存在，構(gòu)造模型的方式是通過連接組成系統(tǒng)模型的成分模型（子模型）來建造總體模型。對于一個復(fù)雜的施工系統(tǒng)而言，按施工系統(tǒng)的層次性，可將其分解為相對簡單和獨(dú)立的子系統(tǒng)，而子系統(tǒng)間的相互聯(lián)系和影響可在子系統(tǒng)模型間設(shè)置相應(yīng)耦合接口而加以協(xié)調(diào)，這樣可將各個子模型拼接起來而構(gòu)成整體系統(tǒng)模型。施工系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律通過施工系統(tǒng)模型中各實(shí)體的屬性與狀態(tài)的變化來反映和體現(xiàn)。根據(jù)上述，便形成了面向?qū)ο蟮膱D形輔助仿真建模思想。

4．基于GIS的較全面的仿真三維動態(tài)數(shù)字模型構(gòu)造及其可視化方法

（1）數(shù)字地形模型建立

地表數(shù)字地形模型（DigitalTerrainModelDTM）是整個工程施工三維數(shù)字模型的重要組成部分，這里既是所有工程建筑物布置及施工活動的場所，也是施工過程中地形動態(tài)填挖的受體。水利水電工程一般均建在地形起伏較大的高原和山區(qū)，因此施工區(qū)地表DTM采用TIN模型來實(shí)現(xiàn)。建立工程地表DTM由地形等高線原始數(shù)據(jù)按一定的算法生成TIN模型。

（2）動態(tài)實(shí)體參數(shù)化數(shù)字建模

按照實(shí)體對象的屬性，可將其分別用點(diǎn)、線、面、體等四類圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)。動態(tài)實(shí)體的數(shù)字模型尚需反映其屬性信息，幾何圖形與其屬性的一一對應(yīng)關(guān)系建立可利用GIS的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同時為反映工程施工的動態(tài)過程，在其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中除了描述幾何特征及屬性外，還體現(xiàn)時間特征。

實(shí)體建模若采用參數(shù)化建模方法，可大大簡化建模過程。參數(shù)化實(shí)體建模是一種通過相關(guān)幾何關(guān)系組合一系列用參數(shù)控制的特征部件而構(gòu)造整個幾何結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)。整個建模過程可描述成一組特征部件的組裝過程，而每個部件都由一些關(guān)鍵的參數(shù)來定義。

（3）地形動態(tài)填挖

地形填挖表現(xiàn)為DTM模型的修改，實(shí)質(zhì)上是對地形TIN模型進(jìn)行操作。即用足夠大的開挖（填筑）初始形體面轉(zhuǎn)化的TIN模型，與地形TIN兩者生成相交邊界，再從地形TIN上沿相交線切去填挖初始形體面所包含的地形區(qū)域，同時從填挖形體TIN模型中以相交線為邊界切去多余的開挖（填筑）邊坡區(qū)域，最后把兩個修正后的TIN合并構(gòu)成一個經(jīng)填挖后的地形DTM。在填挖計算過程中可同時得到填挖區(qū)域表面積與填挖體的工程量。

5．基于GIS的三維動態(tài)演示方法

基于GIS的三維動態(tài)演示是對任意時刻系統(tǒng)仿真面貌的再現(xiàn)，它反映了仿真系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)場的動態(tài)變化過程。利用仿真模塊得到工程系統(tǒng)的動態(tài)信息，包括時間、建筑物幾何形狀及其屬性等，生成工程施工系統(tǒng)各環(huán)節(jié)某一動態(tài)變化單元i對應(yīng)的圖元（施工、水位單元等）任意時刻t的面貌Vi（t），則t時刻的工程整體面貌可表示為V（t）＝Σvi（t），n為總的圖元數(shù)。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在動態(tài)施工過程中，包含時間信息的圖元的幾何形狀，它隨時間的變化而變化。把工程施工任意時刻的整體面貌貯存在圖形庫中，并與其一一對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，從而在動畫演示時，按時間順序讀取圖形庫中的形體數(shù)據(jù)及相對應(yīng)的屬性信息，不斷更新繪圖變量和屬性變量賦值，同時不斷刷新屏幕顯示。這樣就實(shí)現(xiàn)了整體工程施工過程的三維面貌及相應(yīng)信息的動態(tài)顯示。

6．基于GIS的交互式可視化仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GIS系統(tǒng)仿真的可視化表現(xiàn)在建模過程中利用GIS的信息可視化采集，以及在仿真可視化操作過程中利用GIS的動態(tài)信息可視化表達(dá)。由于GIS特有的空間信息組織機(jī)制，使得其實(shí)現(xiàn)這些功能有著先天的優(yōu)勢。同時，在可視化仿真系統(tǒng)中，用戶可根據(jù)顯示的圖像交互控制仿真的各個階段，直到對所模擬的現(xiàn)象獲得理解與洞察。在這一過程中，用戶可以通過系統(tǒng)提供的操作界面隨著可視化仿真系統(tǒng)反饋的結(jié)果來同步保持交互對仿真過程的控制。

圖2表示的是一個基于GIS的系統(tǒng)交互式可視化仿真的框架模型，在此模型中清晰地反映了GIS在系統(tǒng)仿真中結(jié)合的具體環(huán)節(jié)，以及用戶控制仿真進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)手段。

三、可視化仿真技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用研究

1．復(fù)雜地下洞室群施工動態(tài)可視化仿真與優(yōu)化方法研究

地下廠房系統(tǒng)施工開挖量大，施工強(qiáng)度高，施工條件復(fù)雜，是一個極其復(fù)雜的過程。由于工序的作業(yè)時間的隨機(jī)性，容易產(chǎn)生隨機(jī)排隊(duì)現(xiàn)象而影響其他作業(yè)；由于地下洞室系統(tǒng)縱橫交錯，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合與相互干擾錯綜復(fù)雜；在安排各個洞室施工先后順序及隧洞施工順序時，需要考慮對工程的總工期、圍巖穩(wěn)定、通風(fēng)散煙條件、施工強(qiáng)度以及交通運(yùn)輸?shù)葐栴}的影響。各個洞室施工在時間、空間上的邏輯關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)橫道圖難以直觀地揭示其復(fù)雜的時空關(guān)系。因而僅靠設(shè)計人員采用傳統(tǒng)的方法分析計算，難以確定合理的施工機(jī)械設(shè)備配套方案、制定合理的施工進(jìn)度計劃和施工組織設(shè)計方案，難以全面、快速、準(zhǔn)確地掌握施工全過程。

基于上述問題，提出了復(fù)雜地下廠房施工系統(tǒng)可視化仿真理論方法，并研制開發(fā)了相應(yīng)的計算機(jī)軟件ESAS，其基本構(gòu)成見圖3。通過地下洞室群施工全過程動態(tài)仿真，可以對施工過程進(jìn)行定量計算與分析，進(jìn)行多方案的比較和優(yōu)化，直到得出滿意方案。

2．水利水電工程施工導(dǎo)截流三維動態(tài)可視化仿真方法研究

水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計和管理過程，往往需要涉及大量的數(shù)據(jù)及圖形信息，如壩區(qū)的水文、地形、地質(zhì)資料以及樞紐設(shè)計、施工場地布置和施工導(dǎo)流方案設(shè)計等各種數(shù)據(jù)及圖紙。高效、簡便地對這些信息進(jìn)行管理，是提高設(shè)計效率及施工管理水平的關(guān)鍵之一。同時，施工導(dǎo)流方案設(shè)計是施工組織設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計過程復(fù)雜，對不同的導(dǎo)流方案很難進(jìn)行直觀的比較，所以實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)流形象直觀的表達(dá)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，提出水利水電工程施工導(dǎo)截流三維動態(tài)可視化仿真理論與方法，并實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)截流可視化信息管理與三維動態(tài)演示系統(tǒng)CDMIS。此系統(tǒng)充分利用地理信息系統(tǒng)（GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析與處理能力，建立三維施工導(dǎo)截流場地布置模型，以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可視化的信息查詢及管理等功能，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程中信息的可視化管理，同時實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)截流三維動態(tài)演示。水電工程施工導(dǎo)截流三維動態(tài)可視化仿真系統(tǒng)（CDMIS）結(jié)構(gòu)圖見圖4。

3．混凝土壩施工過程三維動態(tài)可視化仿真與優(yōu)化方法研究

混凝土壩施工，考慮到溫度、應(yīng)力、澆筑機(jī)械設(shè)備布置和澆筑能力等因素的影響，需將混凝土壩體按一定的原則進(jìn)行分縫分塊澆筑。由于混凝土壩澆筑量大，澆筑塊數(shù)以千、萬計，澆筑塊之間的施工約束條件十分復(fù)雜，這就給安排澆筑順序和進(jìn)度帶來極大閑難，使人工安排澆筑塊、澆筑順序幾乎成為不可能。目前在制定混凝土壩施工組織計劃時，傳統(tǒng)的方法是憑經(jīng)驗(yàn)用類比的方法按月升高若干澆筑層和混凝土澆筑強(qiáng)度等指標(biāo)來控制施工計劃的進(jìn)程。這種方法由于缺乏系統(tǒng)的定量計算分析，在論證施工各階段的筑壩進(jìn)度以及各混凝土壩段升高過程是否能滿足大壩施工各方面的要求時總感到論據(jù)不足。

隨著計算機(jī)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是系統(tǒng)仿真技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行中的推廣應(yīng)用，使得有可能在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對混凝上壩施工的動態(tài)過程的仿真實(shí)驗(yàn)。事先擬定不同的混凝土壩施工方案，并對施工動態(tài)過程進(jìn)行仿真，可預(yù)測不同施工方案下混凝土施工進(jìn)程的各項(xiàng)定量指標(biāo)，這對制定合理的混凝土壩施工進(jìn)度計劃將提供科學(xué)可靠的決策依據(jù)。在充分考慮各種澆筑施工影響因素的情況下，建立混凝土壩施工系統(tǒng)的數(shù)學(xué)邏輯模型，并在此模型基礎(chǔ)上編制計算機(jī)仿真軟件。通過選取各種可能的機(jī)械配套方案及輸入不同的施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行大壩施工過程的仿真計算，可得到最優(yōu)機(jī)械配套的數(shù)量、機(jī)械的利用率、混凝土月澆筑強(qiáng)度、逐月累計混凝土澆筑方量過程曲線。同時還可得到相應(yīng)某施工方案下大壩澆筑施工的詳細(xì)進(jìn)度計劃、各控制階段的筑壩進(jìn)程面貌等。而且通過混凝土壩澆筑仿真還可對其不同的澆筑規(guī)則對壩體上升進(jìn)程的影響進(jìn)行分析和研究。

同時，利用基于GIS的三維動態(tài)演示系統(tǒng)來表現(xiàn)復(fù)雜混凝土壩施工過程。通過建立坐標(biāo)系，把現(xiàn)實(shí)世界的事物在計算機(jī)中對應(yīng)位置重現(xiàn)出來，建立實(shí)體的數(shù)字模型，并按照一定方式將實(shí)體與其屬性一一對應(yīng)，從而反映實(shí)體的靜態(tài)空間特征。同時利用過程信息，生成三維動畫，為描述復(fù)雜的施工過程提供可視化手段。

4．水利水電工程施工總布置三維動態(tài)可視化仿真方法研究

水利水電工程施工總布置是對工程施工場地在施工期間進(jìn)行的空間規(guī)劃。由于水利水電工程施工場地布置幾乎包括了一切地上、地下已有的、擬建的建筑物，一切為施工服務(wù)的臨時性建筑物（包括砂石加工系統(tǒng)、混凝土系統(tǒng)等），因此布置過程非常復(fù)雜。

對樞紐主要建筑物施工全過程進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各建筑物施工關(guān)系之間的協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)直觀的施工總布置形象全過程三維動態(tài)仿真，使施工場地布置隨工程進(jìn)度計劃盡可能形象、直觀、迅速地演示現(xiàn)場施工場地變化過程。不僅能直觀顯示樞紐施工組織設(shè)計的成果，而且將極大地方便工程施工總布置決策及管理。水電站施工總布置可視化仿真系統(tǒng)（CLMIS）的總體結(jié)構(gòu)見圖5。

四、結(jié)束語

可視化仿真的理論和方法包括全過程動態(tài)仿真理論、圖形輔助仿真建模方法、基于GIS的三維動態(tài)數(shù)字模型構(gòu)造及其可視化方法、基于GIS的三維動態(tài)演示方法及基于GIS的交互式可視化仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)了仿真建模、仿真計算過程及成果的可視化。

在此基礎(chǔ)上，深入研究了復(fù)雜水電工程地下廠房施工系統(tǒng)的可視化仿真與優(yōu)化、水電工程施工導(dǎo)截流三維動態(tài)可視化仿真、混凝土壩施工過程三維動態(tài)可視化仿真及優(yōu)化、水電站施工總布置可視化仿真等問題，并結(jié)合溪洛渡工程應(yīng)用，研制開發(fā)了相應(yīng)的可視化仿真軟件ESAS、CDMIS、DAMSIM、CLMIS。軟件以三維圖形、數(shù)字表格等方式直觀表達(dá)了工程建設(shè)過程任意時刻的面貌，可視化程度高，仿真效果好，動態(tài)演示形象逼真。

可視化仿真技術(shù)及其在水利水電工程中的應(yīng)用研究是結(jié)合實(shí)際工程，在水電工程設(shè)計向數(shù)字化、可視化和智能化發(fā)展方面進(jìn)行的開拓性的研究工作。該研究成果在溪洛渡、三峽、龍灘等10余項(xiàng)水利水電工程中獲得成功的應(yīng)用，取得了顯著的社會效益，并獲得直接經(jīng)濟(jì)效益1．03億元。該項(xiàng)研究成果于2002年6月順利通過國家教育部組織的鑒定，與會專家一致認(rèn)為該項(xiàng)成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該項(xiàng)研究為復(fù)雜大型工程施工組織設(shè)計提供了科學(xué)的理論方法和先進(jìn)的技術(shù)手段，極大地提高了水利水電工程設(shè)計與管理的現(xiàn)代化水平。