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水利水电工程可视化仿真技术研究

[文摘]可视化仿真技术为水电建设的分析、论证、仿真、设计和规划提供了一种有效的方法。通过将可视化系统和仿真结果与高效的地形渲染引擎相结合,提出了一种基于三维地形的水

[文摘]可视化仿真技术为水电建设的分析、论证、仿真、设计和规划提供了一种有效的方法。通过将可视化系统和仿真结果与高效的地形渲染引擎相结合,提出了一种基于三维地形的水电工程截流施工可视化仿真方法。将可视化仿真技术引入水利水电施工截流中,将具有较强三维渲染能力的OGRE系统引入截流过程中,实现截流过程的系统仿真,可以更加客观、直观地为研究者发现数据中隐藏的变化规律,为施工组织设计和工艺技术合理性分析提供参考。

[关键词]建筑封闭;三维地形;视觉模拟;水利水电

水利水电工程建设技术复杂,建设规模大,外部环境多变,成本巨大。因此,反复论证和充分调查是项目建设的重要工作。在施工过程中,不断综合分析各种方案的科学合理性,形成创新或新的方案。通过对几种不同方案的直观、准确的评价和分析,最终选择出适合当地条件的设计方案,这不仅是缩短工程周期、提高设计管理水平的重大科学问题,也是施工组织机构[1-3合理设计的迫切要求。在水利水电工程施工中应用计算机仿真和先进的渲染技术,不仅可以实现施工过程中每一个细节和步骤的预仿真,还可以在屏幕上动态三维显示数据变化特征,直观、直观地提供临时导流洞和防洪封堵、施工期间的导航、导流方式、施工阶段、工程总体布局和建筑物的布局设计等过程信息,为施工参数的优化和施工方案的选择提供决策依据。视景仿真的交互能力受到软件平台和计算机硬件的限制,还存在一些不足。模拟和可视化之间的数据信息交换不够顺畅,其可移植性需要进一步提高[4-9]。鉴于此,将面向对象的图形渲染引擎OGRE引入到施工过程的特效、渲染、实时渲染等过程中,设计了基于信息模式和图像处理内核的交互模块,实现了仿真过程和可视化结果之间的交互反馈,为施工组织的优化设计和施工总平面的优化提供了强有力的技术支持,为缩短工程建设周期、提高工程设计水平提供了可靠的依据。

1可视化仿真技术原理

1.1基本原则

可视化仿真技术集系统仿真和计算机可视化技术于一体,涉及系统、控制、信息、通信、多媒体、计算机等现代高科技技术及类似原理。它是基于各种物理效应设备和计算机的虚拟现实技术的最重要的体现。它模拟真实的感觉和真实的环境,使用户在一个互动的模拟环境中亲身感受,从而实现环境与用户之间的自然互动。该技术已广泛应用于船舶、飞机、核电站、航天器等大中型高精度仪器操作人员的模拟培训。同时,为水电建设的分析、论证、仿真、设计和规划提供了一种有效的方法。

1.2发展阶段

20世纪50年代,一种仿真技术出现在新信息工程领域,它不仅促进了人类主体认知能力的发展,也为加速工程设计、科学技术的发展提供了一种新技术。通常,用户必须以某种形式阅读模拟结果。从不同的开发过程来看,有三种常见的方式:可视化仿真、二维仿真和数字仿真。数字仿真易于实现和操作,但不能为用户提供直观的仿真结果。很难理解和发现一些隐藏的问题。与数字仿真相比,二维仿真更加直观。二维图形通常用于模拟物流规划、设备、场地等问题。有时,二维动态图形可以用来实时模拟物流过程,为设计人员的优化提供参考。然而,该方法提供的画面简单,无法实现人机交互控制。计算机软硬件技术的发展为可视化仿真技术的出现奠定了重要的基础,从而实现了从以前的二维数值仿真向可视化仿真的转变。视景仿真是指考虑系统中各种物理对象的位置关系,在三维空间中给出特定的坐标和特定的工作模式,并加入时间轴T来描述基本对象,通过有效组合形成的三维模型。与二维图形仿真相比,建模阶段的可视化仿真在时间和空间上安排各种实体信息,赋予每个实体对象模型不同的时空属性,实现与数字仿真结果的实时交互,交互性强。仿真结果不再局限于屏幕上各种符号和图形的动态变化,而是人机实时交互的体现。例如,各种地面施工机械在水电工程系统仿真中有序工作。随着建设项目的不断推进,过渡、渣场、库底回填、大坝建设等整个空间范围的动态变化。从而实现对工作现场状态的更真实的模拟。

2水利水电施工可视化仿真的实现

具有随机因素的复杂而庞大的水利水电建设系统一般难以用数学分析模型来描述。现代仿真技术在复杂建筑系统的研究和分析中得到了越来越广泛的应用。该技术为解决这些问题提供了一种直观有效的方法。可视化仿真技术主要包括三维图形仿真结果显示、仿真建模和时空数值计算三个环节。可视化仿真中最核心的技术是实现仿真中涉及的图形、图像和数据信息的转换。

2.1可视化仿真的数值计算

实际系统运行状态随时间变化的模拟是可视化模拟的数值计算。通过对模拟运行过程的统计和观察,确定模拟系统的基本特性和输出参数,从而推断和估计实际系统的真实性能和真实参数。根据状态连续性的特点,它可以分为离散系统和连续系统。各施工对象在时间点的状态变化是水利水电施工系统仿真计算的重点,如累计完工方量、服务对象、机械、标高等。这些变量随着时间的变化表现出不连续和跳跃性的变化。因此,离散时间模拟可以作为施工系统的模拟计算。根据离散系统仿真的基本概念,“仿真时钟”所体现的“仿真时间”轨迹是基本概念,其中事件步长和时间步长是“仿真时钟”推进的两种基本模式。对于可视化水电工程建设,通常采用时间步长法实现全过程模拟施工。时间步长法是指定一个小的单位时间δT作为增量,以检查每次推送中是否发生任何事件,如果没有,则继续下一个δT时间的模拟计算;否则,程序将自动记录当时的状态参数,并使用新的处理程序进行二次判断。因此,它也被称为固定时间增量推进法。动态模拟流程如图1所示。图1当动态模拟过程使用时间步长法模拟施工系统时,需要解决的重要问题是选择合适的时间补偿。仿真系统接近真实状态的程度随着选择时间的减少而增加,相应的仿真精度更高。同时,仿真程序的运行时间随着仿真过程中状态检查和判断次数的增加而增加。相反,时间越长,计算时间和计算量就越少。然而,它也可能由于绕过系统过程的某些信息而导致仿真状态丢失,从而降低仿真结果的准确性。因此,时间步长的选择应考虑不同的程序和层次,以满足仿真精度和程序运行时间的要求。

2.2水利水电工程可视化仿真建模

根据几何模型的系统特点,视景仿真模型分为动态、静态和DTM数字地形模型。每个模型如下:(1)数字地形模型。DTM数字地形模型是数字描述地形属性特征空间位置特征的重要方法,它能够反映属性信息与地形表面形态之间的数字形式。数字高程模型是指当地形属性是数字地形模型中的三维地理空间坐标时的系统。许多不同的方法可以用来表达海拔变化。数字高程模型可以用数学定义的图像、线、点或表面来表示。根据不同的形式,DEM模型可分为三种类型:不规则三角网、等高线和规则网格模型。规则网格模型通常由规则三角形、矩形或正方形网格组成。区域空间被划分成网格单元,这些网格单元可以通过使用规则网格给出相应的值,规则网格在数学和计算机实现中是矩阵或二维阵列。一个高程值对应于阵列的一个元素或每个栅格像元,而地形的细节和结构不能用有缺点的常规栅格数字高程模型来描述。因此,该模型具有较大的本地存储容量和简单的数据结构,一般适用于地势平坦的地区。等高线模型反映了研究区域内高程变化的特征,以及已知等高线值的集合和每条等高线的高程值,因此这些高程值和一系列等高线集合可以形成地面高程模型。三角网不规则三角网是一种网络系统,它通过使用有限数量的点集将研究区域划分为相连的网络系统,其中三角形的内部、边缘或顶点是该区域中任意点的分散位置。不在顶点的每个点的高程值可以用线性插值方法确定,因此三角网属于不可微的、全局连续的三维空间分段线性模型。由连续三角面组成的不规则三角网的数字高程、节点密度、位置和不规则分布的测量点是决定三角面大小和形状的主要参数。高程矩阵法与不规则三角网的区别主要体现在采样点的位置和密度受地形起伏变化复杂性的影响。因此,不规则三角网可以根据地形变化线、山谷线、山脊线等地形特征点来表示数字高程特征。,可以有效解决地形平台中的冗余数据计算问题。(2)静态模型。静态模型是指在构建过程中,模型各固定点的空间拓扑关系和几何数据保持不变的实体对象,包括导流建筑物、混合建筑物、风供水系统、生活用房、辅助建筑工厂和地形等。在实时仿真过程中,静态模型的物理状态(如空间位置和物理特性)不会改变。它主要用于描述模型的真实性。因此,在建立模型的过程中只需要引入CAD模型,并给出相应的材料使其更接近真实实体,如图2所示。(3)动态模型。动态模型是指在施工过程中,由于交互操作状态或自身状态的变化而发生变化的模型对象,如临时道路、中间过渡、渣场、大坝等。在可视化仿真中,动态模型具有很强的标签性,通过仿真实现人与计算机的实时交互。每个实体的速度、大小和位置以及数据交换查询等物理参数都是模型中的动态变化,因此不可能以某种形式反映其变化特征。据此,为每个动态实体引入平面、线、点等最基本的空间立体几何对象,同时在程序操作中引入时间参数T,从而生成每个实体随时间T的变化形式。通过给每个实体真实的材料来描述这些动态实体在真实状态下的变化过程,保证了模拟的有序进行。

2.3 3D图形显示

计算机图形学是可视化仿真中最基本的图像显示技术,涉及许多专业知识和基本算法。为了简化大中型图像的开发,各种图形界面应运而生,为不同硬件和软件的开发创造了独立统一的界面,其中使用最广泛的是DirectX和OpenGL。微软凭借其在视窗系统中的垄断地位和在市场上的巨大成功创造和开发了DirectX,占据了桌面图形开发的大部分位置。DirectX是基于OLECOM的实时三维渲染应用程序接口,可以实现三维硬件的快速透明提取、设备的独立传输和性能的高度优化。OpenGL是由SGI开发的高质量图像接口,包含120多个图形功能。程序员可以用C语言方便地使用它,从而快速简单地形成美观的图形。将面向对象的图形渲染高效引擎OGRE引入到可视化仿真的图形渲染中。基于C++语言开发的OGRE封装了OpenGL和DirectX,三维图形引擎面向对象方法的选择涉及到。它具有很高的渲染效率和很强的可扩展性,可以抽象绘画来处理底层系统库的细节,并提供了一个基于真实环境的界面。图3反映了ogre的工作流程。它的启动执行程序是根。整个渲染过程主要根据场景创建组织者来完成。所有视点、灯光、实体等的空间位置。场景中的节点是可感知的。目标位置的变化和移动由食人魔对节点的位置变化控制。真实的光影效果主要是通过光线的方向和位置的变化来反映的。通过移动视点,可以从多个角度和不同位置观察和模拟每个实体的实时状态。根据帧监视器,控制时间参数T。鼠标和键盘的监控主要由框架监控器来实现。这些操作的影响是数据库的输入。屏幕渲染的动态控制是通过将这些控制反馈给OGRE的场景管理器来实现的。

3示例应用

采用具有强大三维渲染能力的OGRE系统将空气、水流、植被等场景实体植入模型,其中OGRE三维坐标中的一个节点与每个实体模型对应连接,视线方向和视点初始化。同时,景深对每个场景进行处理,实现工程现场的任意漫游,全面掌握施工状态和现场布局,如图4所示。通过转换系统的可识别数据集和与仿真计算结果相关的数据,在运行过程中接收键盘和鼠标输入指令的帧监控模块可以实现对场景渲染的控制,从而完成堤防进度的仿真分析。通过反复演示设计方案和改变仿真输入数据,输出不同的可视化仿真结果,为施工资源的消耗和分配以及不同施工强度的优化提供实时信息。

结论

将可视化仿真技术引入水利水电施工截流中,将具有较强三维渲染能力的OGRE系统引入截流过程中,实现截流过程的系统仿真,可以更加客观、直观地为研究者发现数据中隐藏的变化规律,为施工组织设计和工艺技术合理性分析提供参考。

参考

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作者:王昌单位:辽宁省灯塔市水利工作服务中心

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