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摘要：可視化仿真技術是計算機可視化技術和系統仿真技術相結合形成的一種新型的仿真技術。可視化仿真的理論和方法包括全過程動態仿真理論、圖形輔助仿真建模方法、基于GIS的三維動態數字模型構造及其可視化方法、基于GIS的三維動態演示方法及基于GIS的交互式可視化仿真系統結構等。

關鍵詞：可視化仿真GIS地下洞室群施工導截流大壩施工總布置

一、研究背景

水利水電工程往往規模大、投資多、施工難度大，因而在工程設計和管理過程中，確定合理的施工方法，優化選擇施工機械及配套組合，制訂切合實際的施工進度計劃，高效簡便地對施工信息進行管理，直觀形象地反映復雜施工過程，對于確保工程建設如期完成和降低工程造價都是至關重要的。為達到上述目的，除了在施工組織設計中要充分考慮工程特點和具體施工各種條件外，若能在事先對工程施工的運行發展過程和施工中各項活動的協調關系等狀況進行預測和評價，將對工程施工組織計劃的正確決策提供可靠的依據。可視化仿真技術的產生與發展正好適應了這種客觀需要，它為解決施工中上述問題開辟了新的途徑。

國外從20世紀70年代開始提出循環網絡仿真技術（CYCLONE），至今已發展了一系列的工程仿真應用軟件，但這些研究成果及仿真軟件主要應用于土木工程施工如高層建筑施工、土石方工程等。20世紀80年代初，天津大學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計和管理向可視化、數字化方向發展方面做了大量研究工作。借助于計算機科學、系統科學和工程科學與技術的迅速發展，重點研究了三維動態可視化仿真理論與方法及其在水利水電工程中的應用，獲得了一系列富有創新性的理論方法與應用研究成果。

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

1．可視化技術與系統仿真技術結合的途徑

建立基于GIS的交互式可視化仿真系統框架，將可視化技術與系統仿真的各個環節相結合，實現仿真建模可視化、仿真計算可視化、仿真結果可視化。

2．可視化仿真技術在水利水電工程中的應用問題

根據水利水電工程的特點和實際需要，將可視化仿真技術與具體的工程問題相結合，提出可視化仿真技術在水利水電工程中應用的具體途徑。

3．可視化仿真軟件的通用化問題

水利水電工程施工系統仿真軟件的通用化不僅是關鍵技術問題之一，而且是推廣應用的前提。

二、基于GIS的三維動態可視化仿真技術

1．可視化仿真涵義

可視化仿真（VisualSimulationVS）是計算機可視化技術和系統建模技術相結合后形成的一種新型仿真技術，其實質是采用圖形或圖像方式對仿真計算過程的跟蹤、駕馭和結果的后處理，同時實現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。使用可視化技術以后，系統的子模塊用形象的圖形來表示，并可通過鼠標在屏幕上直觀形象的操作，就可以完成整個仿真任務。一般可視化仿真包含三個重要的環節，即仿真計算過程可視化、仿真結果可視化、仿真建模過程的可視化。

2．全過程動態仿真理論與方法

全過程動態仿真理論融合了面向對象的圖形輔助建模、動態仿真、網絡計劃分析與優化、動態演示、數據庫等技術，把整個施工過程作為一個整體，對施工全過程進行跟蹤模擬。

全過程動態仿真理論的特點就是體現了系統工程的思想。它是針對整個水利水電工程施工系統進行的，所有的優化及調配目標是使整個系統達到最優，而不是局部達到最優。它把整個施工過程作為一個大的系統，綜合考慮系統中各個單項工程之間、各個工作面之間相互影響、相互制約的關系，分析整體的施工進度、施工強度等關鍵問題，獲得更為真實的施工情況，從而達到為施工組織設計提供科學依據的目的。仿真流程圖見圖1。

3．面向對象的圖形輔助仿真建模技術

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節。如何能夠實現簡化而又靈活的建模過程是仿真研究的重要課題。

面向對象方法的應用使建模過程變得自然直觀，用戶可以把被仿真系統的各種活動都看成對象，并根據這些對象的類屬關系和本身特性直接構造仿真模型。這種建模過程十分類似于人類所習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模型的過渡非常自然。面向對象方法的繼承性，使仿真系統十分容易擴充。同時，利用對象類層次結構的合理設計，可以達到最高的代碼重用率。

在系統仿真中應用圖形技術，能夠描述許多用語言難以表達的信息，圖形輔助建模就是利用鼠標在計算機屏幕上繪制系統模型或用模型庫中已有的系統元件拼合系統模型。

面向對象的圖形輔助建模的基礎是系統的可分性，即認為系統是由子系統組成的，而子系統又可分解成更原始的子系統。由于這種性質的存在，構造模型的方式是通過連接組成系統模型的成分模型（子模型）來建造總體模型。對于一個復雜的施工系統而言，按施工系統的層次性，可將其分解為相對簡單和獨立的子系統，而子系統間的相互聯系和影響可在子系統模型間設置相應耦合接口而加以協調，這樣可將各個子模型拼接起來而構成整體系統模型。施工系統的運行規律通過施工系統模型中各實體的屬性與狀態的變化來反映和體現。根據上述，便形成了面向對象的圖形輔助仿真建模思想。

4．基于GIS的較全面的仿真三維動態數字模型構造及其可視化方法

（1）數字地形模型建立

地表數字地形模型（DigitalTerrainModelDTM）是整個工程施工三維數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，因此施工區地表DTM采用TIN模型來實現。建立工程地表DTM由地形等高線原始數據按一定的算法生成TIN模型。

（2）動態實體參數化數字建模

按照實體對象的屬性，可將其分別用點、線、面、體等四類圖形數據結構來表達。動態實體的數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關系建立可利用GIS的空間數據組織結構來實現。同時為反映工程施工的動態過程，在其數據結構中除了描述幾何特征及屬性外，還體現時間特征。

實體建模若采用參數化建模方法，可大大簡化建模過程。參數化實體建模是一種通過相關幾何關系組合一系列用參數控制的特征部件而構造整個幾何結構模型的技術。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鍵的參數來定義。

（3）地形動態填挖

地形填挖表現為DTM模型的修改，實質上是對地形TIN模型進行操作。即用足夠大的開挖（填筑）初始形體面轉化的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）邊坡區域，最后把兩個修正后的TIN合并構成一個經填挖后的地形DTM。在填挖計算過程中可同時得到填挖區域表面積與填挖體的工程量。

5．基于GIS的三維動態演示方法

基于GIS的三維動態演示是對任意時刻系統仿真面貌的再現，它反映了仿真系統內部數據場的動態變化過程。利用仿真模塊得到工程系統的動態信息，包括時間、建筑物幾何形狀及其屬性等，生成工程施工系統各環節某一動態變化單元i對應的圖元（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。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在動態施工過程中，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，并與其一一對應的屬性數據建立聯系，從而在動畫演示時，按時間順序讀取圖形庫中的形體數據及相對應的屬性信息，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。這樣就實現了整體工程施工過程的三維面貌及相應信息的動態顯示。

6．基于GIS的交互式可視化仿真系統結構

基于GIS系統仿真的可視化表現在建模過程中利用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的動態信息可視化表達。由于GIS特有的空間信息組織機制，使得其實現這些功能有著先天的優勢。同時，在可視化仿真系統中，用戶可根據顯示的圖像交互控制仿真的各個階段，直到對所模擬的現象獲得理解與洞察。在這一過程中，用戶可以通過系統提供的操作界面隨著可視化仿真系統反饋的結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在系統仿真中結合的具體環節，以及用戶控制仿真進程的實現手段。

三、可視化仿真技術在水利水電工程中的應用研究

1．復雜地下洞室群施工動態可視化仿真與優化方法研究

地下廠房系統施工開挖量大，施工強度高，施工條件復雜，是一個極其復雜的過程。由于工序的作業時間的隨機性，容易產生隨機排隊現象而影響其他作業；由于地下洞室系統縱橫交錯，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、圍巖穩定、通風散煙條件、施工強度以及交通運輸等問題的影響。各個洞室施工在時間、空間上的邏輯關系復雜，傳統橫道圖難以直觀地揭示其復雜的時空關系。因而僅靠設計人員采用傳統的方法分析計算，難以確定合理的施工機械設備配套方案、制定合理的施工進度計劃和施工組織設計方案，難以全面、快速、準確地掌握施工全過程。

基于上述問題，提出了復雜地下廠房施工系統可視化仿真理論方法，并研制開發了相應的計算機軟件ESAS，其基本構成見圖3。通過地下洞室群施工全過程動態仿真，可以對施工過程進行定量計算與分析，進行多方案的比較和優化，直到得出滿意方案。

2．水利水電工程施工導截流三維動態可視化仿真方法研究

水利水電工程施工導流設計和管理過程，往往需要涉及大量的數據及圖形信息，如壩區的水文、地形、地質資料以及樞紐設計、施工場地布置和施工導流方案設計等各種數據及圖紙。高效、簡便地對這些信息進行管理，是提高設計效率及施工管理水平的關鍵之一。同時，施工導流方案設計是施工組織設計的重要環節，其設計過程復雜，對不同的導流方案很難進行直觀的比較，所以實現施工導流形象直觀的表達具有重大的現實意義。

為此，提出水利水電工程施工導截流三維動態可視化仿真理論與方法，并實現施工導截流可視化信息管理與三維動態演示系統CDMIS。此系統充分利用地理信息系統（GIS強大的空間數據分析與處理能力，建立三維施工導截流場地布置模型，以及在此基礎上實現可視化的信息查詢及管理等功能，從而實現設計過程中信息的可視化管理，同時實現施工導截流三維動態演示。水電工程施工導截流三維動態可視化仿真系統（CDMIS）結構圖見圖4。

3．混凝土壩施工過程三維動態可視化仿真與優化方法研究

混凝土壩施工，考慮到溫度、應力、澆筑機械設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行分縫分塊澆筑。由于混凝土壩澆筑量大，澆筑塊數以千、萬計，澆筑塊之間的施工約束條件十分復雜，這就給安排澆筑順序和進度帶來極大閑難，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，傳統的方法是憑經驗用類比的方法按月升高若干澆筑層和混凝土澆筑強度等指標來控制施工計劃的進程。這種方法由于缺乏系統的定量計算分析，在論證施工各階段的筑壩進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不足。

隨著計算機和系統仿真技術的迅速發展，尤其是系統仿真技術在復雜系統運行中的推廣應用，使得有可能在計算機上實現對混凝上壩施工的動態過程的仿真實驗。事先擬定不同的混凝土壩施工方案，并對施工動態過程進行仿真，可預測不同施工方案下混凝土施工進程的各項定量指標，這對制定合理的混凝土壩施工進度計劃將提供科學可靠的決策依據。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的數學邏輯模型，并在此模型基礎上編制計算機仿真軟件。通過選取各種可能的機械配套方案及輸入不同的施工技術參數進行大壩施工過程的仿真計算，可得到最優機械配套的數量、機械的利用率、混凝土月澆筑強度、逐月累計混凝土澆筑方量過程曲線。同時還可得到相應某施工方案下大壩澆筑施工的詳細進度計劃、各控制階段的筑壩進程面貌等。而且通過混凝土壩澆筑仿真還可對其不同的澆筑規則對壩體上升進程的影響進行分析和研究。

同時，利用基于GIS的三維動態演示系統來表現復雜混凝土壩施工過程。通過建立坐標系，把現實世界的事物在計算機中對應位置重現出來，建立實體的數字模型，并按照一定方式將實體與其屬性一一對應，從而反映實體的靜態空間特征。同時利用過程信息，生成三維動畫，為描述復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行的空間規劃。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，一切為施工服務的臨時性建筑物（包括砂石加工系統、混凝土系統等），因此布置過程非常復雜。

對樞紐主要建筑物施工全過程進行分析，并在此基礎上實現各建筑物施工關系之間的協調，以實現直觀的施工總布置形象全過程三維動態仿真，使施工場地布置隨工程進度計劃盡可能形象、直觀、迅速地演示現場施工場地變化過程。不僅能直觀顯示樞紐施工組織設計的成果，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（CLMIS）的總體結構見圖5。

四、結束語

可視化仿真的理論和方法包括全過程動態仿真理論、圖形輔助仿真建模方法、基于GIS的三維動態數字模型構造及其可視化方法、基于GIS的三維動態演示方法及基于GIS的交互式可視化仿真系統結構等，實現了仿真建模、仿真計算過程及成果的可視化。

在此基礎上，深入研究了復雜水電工程地下廠房施工系統的可視化仿真與優化、水電工程施工導截流三維動態可視化仿真、混凝土壩施工過程三維動態可視化仿真及優化、水電站施工總布置可視化仿真等問題，并結合溪洛渡工程應用，研制開發了相應的可視化仿真軟件ESAS、CDMIS、DAMSIM、CLMIS。軟件以三維圖形、數字表格等方式直觀表達了工程建設過程任意時刻的面貌，可視化程度高，仿真效果好，動態演示形象逼真。

可視化仿真技術及其在水利水電工程中的應用研究是結合實際工程，在水電工程設計向數字化、可視化和智能化發展方面進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余項水利水電工程中獲得成功的應用，取得了顯著的社會效益，并獲得直接經濟效益1．03億元。該項研究成果于2002年6月順利通過國家教育部組織的鑒定，與會專家一致認為該項成果達到國際領先水平。該項研究為復雜大型工程施工組織設計提供了科學的理論方法和先進的技術手段，極大地提高了水利水電工程設計與管理的現代化水平。