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摘要：可視化仿真技術(shù)是計(jì)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(dòng)態(tài)仿真理論、圖形輔助仿真建模方法、基于GIS的三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型構(gòu)造及其可視化方法、基于GIS的三維動(dòng)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(jì)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(jì)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(jià)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(jì)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(dòng)的協(xié)調(diào)關(guān)系等狀況進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)，將對工程施工組織計(jì)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(huì)效益。近年來，又在推動(dòng)水利水電工程設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(gè)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(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)仿真建?？梢暬?、仿真計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)算過程的跟蹤、駕馭和結(jié)果的后處理，同時(shí)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(gè)仿真任務(wù)。一般可視化仿真包含三個(gè)重要的環(huán)節(jié)，即仿真計(jì)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(dòng)態(tài)仿真理論與方法

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

全過程動(dòng)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(gè)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(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，而不是局部達(dá)到最優(yōu)。它把整個(gè)施工過程作為一個(gè)大的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)中各個(gè)單項(xiàng)工程之間、各個(gè)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(jì)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(dòng)，建模是仿真過程中十分重要的一個(gè)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(dòng)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(jì)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(shí)，利用對象類層次結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，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(jì)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(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)的場所，也是施工過程中地形動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)為反映工程施工的動(dòng)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(shí)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(gè)幾何結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)。整個(gè)建模過程可描述成一組特征部件的組裝過程，而每個(gè)部件都由一些關(guān)鍵的參數(shù)來定義。

（3）地形動(dòng)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(shí)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(gè)修正后的TIN合并構(gòu)成一個(gè)經(jīng)填挖后的地形DTM。在填挖計(jì)算過程中可同時(shí)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(dòng)態(tài)演示方法

基于GIS的三維動(dòng)態(tài)演示是對任意時(shí)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(dòng)態(tài)變化過程。利用仿真模塊得到工程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息，包括時(shí)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(dòng)態(tài)變化單元i對應(yīng)的圖元（施工、水位單元等）任意時(shí)刻t的面貌Vi（t），則t時(shí)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(dòng)態(tài)施工過程中，包含時(shí)間信息的圖元的幾何形狀，它隨時(shí)間的變化而變化。把工程施工任意時(shí)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(dòng)畫演示時(shí)，按時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)，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(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)極其復(fù)雜的過程。由于工序的作業(yè)時(shí)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(cuò)，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(cuò)綜復(fù)雜；在安排各個(gè)洞室施工先后順序及隧洞施工順序時(shí)，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(gè)洞室施工在時(shí)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(shí)空關(guān)系。因而僅靠設(shè)計(jì)人員采用傳統(tǒng)的方法分析計(jì)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(jì)劃和施工組織設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)態(tài)仿真，可以對施工過程進(jìn)行定量計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)、施工場地布置和施工導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)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(jì)效率及施工管理水平的關(guān)鍵之一。同時(shí)，施工導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)是施工組織設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(jì)過程中信息的可視化管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)截流三維動(dòng)態(tài)演示。水電工程施工導(dǎo)截流三維動(dòng)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(dòng)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(jì)，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(jì)劃時(shí)，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(jì)劃的進(jìn)程。這種方法由于缺乏系統(tǒng)的定量計(jì)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(shí)總感到論據(jù)不足。

隨著計(jì)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(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對混凝上壩施工的動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)混凝土澆筑方量過程曲線。同時(shí)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(jì)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(shí)，利用基于GIS的三維動(dòng)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(jì)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(shí)利用過程信息，生成三維動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)仿真，使施工場地布置隨工程進(jìn)度計(jì)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(jì)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(dòng)態(tài)仿真理論、圖形輔助仿真建模方法、基于GIS的三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型構(gòu)造及其可視化方法、基于GIS的三維動(dòng)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(jì)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(dòng)態(tài)可視化仿真、混凝土壩施工過程三維動(dòng)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(shí)刻的面貌，可視化程度高，仿真效果好，動(dòng)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(jì)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(huì)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(huì)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(jì)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(jì)與管理的現(xiàn)代化水平。