混凝土坝施工过程仿真可视化系统研究.pdf

第 4 6卷 第 1 5期 2 0 1 5年 8 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 4 6 No 1 5 Aug ，201 5 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 5 ) 1 5 0 0 3 0一 O 5 混凝土坝施工过程仿真可视化系统研究 董 京 艳 ， 齐 央 央 ， 黄 细 丁 ( 黄河勘测规划设计有 限公司 ， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要 ： 大型混凝土坝浇筑是一项复杂的 系统工程 ， 计算机仿真可为工程设计管理人 员提供 大量 的数据信 息， 如 何根据 这些信 息逼 真地 演示浇筑过程并提供 实时查询是优化仿 真 系统的 关键 。采 用近几年 流行 的开 源图形 引擎 O G R E开发 了一套可视化 系统 ， 创 建了三 维可视化与数值仿真 的集成模型 ， 使 施工 方案 改变时可视化 系 统能够 同步更新而不需要 重新建模 ； 采用粒子 系统模 拟场景特效可提 高可视 化 系统 的真实感 ； 基 于 O G R E框 架改进的漫游功能使 虚拟场景交互更友好 。工程 实践表 明， 系统能直观呈现各建筑物部位的时空状 态和逻辑 关 系， 可为优化施工组织设计提供有力的分析工具。 关键词 ： 仿真可视化 ；同步更新 ；动态交互 ； 坝体浇筑 中图法分类号 ： T P 3 9 1 文献标志码 - A DO l ： 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 5 1 5 0 0 8 混凝 土坝 是 当代 大 型水利 水 电工 程 的一种 主流坝 型 ， 其施工系统庞大而复杂 ， 受 自然环境、 枢纽布置、 施 工程序及组织方式等多种 因素影响。这些 因素不仅本 身随时问不断改变 ， 而且它们之 问存在着复杂 的时空 逻 辑关 系 。因此 ， 如 何 形 象地 描 述 复 杂工 程 施 工 系统 内部的动态行为特征 ， 直观获取详细的施工信息是工 程 人员进 行 方案设 计和决 策 的关键所 在 。 三维 动态 可视 化 技术 可 以提 供 直观 的动 画 显示 ， 在 水利水 电工 程领 域取 得 了较 为 广泛 的应 用 成果 ， 如 坝体施工、 地下洞室 、 长距离引调水等施工模拟。 。 可 视化 软件 一般 结 合 3 D S Ma x与 M a y a等 三 维 建 模 软 件 进行 开发 ， 起一个 便 于 各 种层 次 的管理 人 员 直 观 了 解 工程概 况 的作用 ， 是一 种 多 媒 体 动 画。混 凝 土 坝施 工 过程可 视 化系统 由于 要求 工程精 度而有 别于 一般 的 演示性动画 ， 如何根据仿真数据来演示海量坝块的填 筑过程并 同步查询 ， 是实现实时可视化仿真 的关键所 在 。基于此 ， 本文研究可视化系统与数值仿真 的集成 模型 ， 模型设计引入 C E G U I的交互机制 ， 利用碰撞检 测技术改进漫游功能 ， 结合实际工程利用高效 的图形 渲 染 引擎 O G R E ( O b j e c t O r i e n t e d G r a p h i c s R e n d e r i n g E n g i n e ) 开发了一套仿真可视化系统。该系统可将 复 杂的施工过程用三维图像形象地描绘出来 ， 并提供各 坝段 坝块 的数 据查 询 功 能 ， 可 为全 面 、 准 确 、 快 速 地 掌 握施 工全过 程 以及施工 方案 的决策 提供 有力 的技术 支 撑 。 l 基于仿真数据 的可视化 系统建模 1 1施工过程仿真简 介 混凝 土坝施 工过程 仿真 是采 用离散 事件 系统仿 真 的方法 ， 模拟既定施工方案 ( 如特定 的生产能力 、 机械 配置 、 人仓方式 、 施工工艺要求等) 下的坝体浇筑实施 过程 ， 它可以得出坝块的浇筑顺序 、 并仓方式 、 资源 利用 强度 等重 要施 工 信息。混凝 土 坝按 浇 筑层 厚 ( 1 5 ， 2 ， 3 m 等 ) 进 行 通 仓 浇筑 ， 并 且 同一 时 问可 能 会 出现 几个坝 段合 仓 的现 象 ， 数值 仿 真 以大量 数 据 结 果 的方 式表 达 了这 一施 工 过 程 ， 可视 化 系统 必须 以这 些 数据 为依据 来实 现一个 动态 三维 的演示 操作平 台。这 对非计算机专业的工程人员而言是一个挑战 ， 本文将 提 出一种行 之有效 的模 拟机制 。 1 2可视化系统 总体框架 大坝施 工进 程既 是 连续 的过 程 ， 也 伴 随离 散 事 件 的发 生 。这 些事 件有 的 是 在满 足 工 程 条件 后 发 生 的 ， 也有 的是 在 人 为 决 策 后 发生 的 。 因 此 ， 大坝 施 工 可 视 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 41 7 作者简介 ： 董京艳 ， 女 ， 工程师 ， 研究方向为施工组织管理 与 系统仿 真。E ma i l ： d j y 5 0 4 3 1 6 3 c o n l 第 1 5期 董京艳 ， 等 ： 混凝土 坝施 工过程仿真可视化 系统研 究 3 1 化系统为动态交互式离散连续混合系统。该系统可分 解为施工总布置、 大 坝浇筑 、 施工期导流 3大子系统。 施工总布置子系统包括地形、 道路 、 生产生活营地等 ； 大坝浇筑子系统即主体工程施工 ， 包括各坝块 的浇筑 上升过程 ； 施工期导流包括水位随季节 的变化 ， 围堰的 修建、 拆除等。各子系统各物体间相互作用相互制约 ， 逻 辑关 系 复 杂 。本 文基 于 O G R E 的 虚 拟 现 实 机 制 和 水 电工程施工系统本身的特点 ， 提出大坝施工过程可 视化系统的总体框架模 型如 图 1所 示 ， 系统 利用 O G R E中的类模块绑定大坝施工过程的各个环节 ， 从而 构造出可视 、 听、 交互的虚拟现实环境。并在此总体模 型的基础上 ， 扩充出水 电工程可视化系统与数值仿 真 的集成 模 型 ； 引入 C E G U I 设 计基 于 消 息模 式 的交 互模 块 ， 实现 了可视化成果对仿真过程的反馈。 1 3可视化与数值仿真的集成模型 大 坝施 工 过 程 可 视 化 系 统 有 别 于一 般 的动 画演 示 ， 如何根据仿真数据来演示海量坝块 的浇筑过程是 系统亟需解决的关键问题 ， 这也是传统的建模软件如 3 D S Ma x与 Ma y a等难 以解决 的。虚拟现 实可视化与 数值仿真系统的集成是决定计算机仿真在水 电工程中 应用前景的重要 因素。实现两者的集成 ， 可以充分发 挥修改方案参数及边界条件方便、 重复试验效率高、 成 本低的优势， 并可利用虚拟现实技术 的真实感表现能 力 ， 使工程人员对所拟方案的实施效果有直观而深入 的 了解 。 本 文建 立 的 集 成 模 型 如 图 2所 示 。首 先 ， 在 O - G R E的运行平台 V i s u a l C+ 2 0 0 5上编写仿真与可视 化系统的数据库接 口， 使仿 真成果 中的一部分数据 自 动 转换成 可 视化 系统 可 以利用 的边 界条 件 。即可 视化 系统将每个坝段按一定 的浇筑层厚划分 成若干个坝 块 ， 程序给每个坝块对象赋予相应 的编号、 底部高程 、 顶部高程及其它属性信息 ， 海量坝块 以坝段 浇筑层厚 的最大公约数为单位来切割， 所 以每个仿真 时段 的浇 筑高度( 结束高程 一起始高程 ) 必定是浇筑块 的倍数。 因此仿真结果中浇筑高度改变时必定有可 以组成这个 高度的若干坝块 ， 这些海量坝块构成 了数值仿真与可 视化系统公共数据库 的主要元 素。此外 ， 公共数据库 中还储存有施工系统的方案参数及边界条件信息 ， 如 坝体孔 口结构施工间歇 、 明渠 缺 口由于导流需要引起 的停工时间、 复工 时间等 ， 可视化系统通过管理公共数 据库进行实时绘制与渲染 ， 使 系统 内场景及 自然环境 的改变与仿真过程同步更新。当施工方案改变引起仿 真结果改变时 ， 虚拟场景实时改变， 不需要 重新建模 ， 同时可查询每一个坝块 的浇筑信息。集成模型对于其 他同类坝型的工程 ( 包括常态混凝土坝 、 碾压混凝土 坝等) 只需要重新导入上述 3种模 型库即可建立相应 的可视 化系统 ， 具 有较 强 的可移植 性 。 ， ，一 、， 互堕 ，-_ _-_-一 ， 数值仿真与虚舣现实的 ， ，一 公共数据指：按一定浇 图 2 虚拟现实与数值仿真集成模型 1 4系统交互机 制 为了实现 良好的人机交互 ， 便 于工程人员查看虚 图 1可视化系统总体模型 拟 场景 的 细 部 结 构 ， 作 者 设 计 了 两 个 子 模 块 ： 帧 监 听 模 块 ( F r a - me L i s t e n e r )和 事 件 处 理 模 块 ( E v e n t H a n d e r ) 。帧监 听模块 监 听 鼠标和键 盘事件 ， 包括控制场 景 的渲染过程 以及修改实体 的几何 信息等。事件处理模 块监听其他 的外部输入 ， 根据不 同的消息 映 射 ， 调用事先封装好 的处理函数 ， 重新组织模型之间的结构和属性 数据， 转入渲染部分 ， 完成虚拟场 景 的重 绘 。为 了提 供更 简便 友好 的交互环境 ， 在交互模 块 中引入 3 4 人 民 长 江 2 0 1 5芷 碰撞检测技术改进漫游等一些新的技术。该系统为论 证 、 优 化施工 方案 ， 提高施 工组 织设 计与 管理水 平提 供 了有力 的辅 助工具 。 参考 文献 ： 1 钟登华， 郑家祥 ， 刘东海 ， 等 可视化仿 真技 术 及其应 用 M 北 京 ： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 2 2 黄源 ， 周宜红， 刘全 ， 等 基 于面向对 象仿 真的水 电工程 施工布置 可视化研究 J 系统仿真学报 ， 2 0 0 6， 1 8 ( 8 ) ： 2 2 1 0 2 2 1 3 3 昊康新 ， 蔡绍宽， 董标 ， 等 碾 压混凝土 坝施工三 维动 态可视化仿 真 系统研究 J 水利水电技 术， 2 0 0 5， 3 6 ( 4) ： 1 1 11 1 3 4 孙锡衡， 齐东海 水利水 电工程施 工计算机模拟与程序设计 M 5 6 7 8 北京 ： 中国水利水电出版社 ， 1 9 9 6 Ma g e小组 O G R E使 用指 南 E B O L h t t p： o g r e 3 d o r g T s a i VJ D De l a u n a y t r ia n g u l a t i o n i n TI N c r e a t i o n s ： An o v e r v i e w a n d a l i n e r t i m e a l g o r i t h m J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f G e o g r a p h i c a l I n f o r ma t i o n S y s t e m， 1 9 9 3 ， 7 ( 6 ) ： 5 0 1 5 2 4 周 宁， 王家廒 ， 赵 雁南， 等 基于虚拟现 实的 中国古建筑虚拟 重建 J 计算机工程 与应 用， 2 0 0 6 ， ( 1 8 ) ： 2 0 0 2 0 3 董京艳 面板堆石坝施 工过程 可视化仿真研 究 D 宜昌： 三峡 大 学， 2 0 1 0 ( 编辑 ： 徐诗银) Re s e a r c h o n s i m ul a t i o n v i s ua l i z a t i o n s y s t e m f o r c o ns t r uc t i o n pr o c e s s o f c o nc r e t e d a m s D O N G J i n g y a n ，Q I Y a n g y a n g ， HU A N G X i d i n g ( Y e l l o w Riv e r En g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o ，L t d ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e l a r g e c o n c r e t e d a m c o n s t r u c t i o n i s a c o mp l i c a t e d s y s t e ma t i c p r o j e c t t h e c o mp u t e r s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y c a n p r o v i d e ma s s i v e da t a f o r e n g i n e e r s，h o w t o d e mo ns t r a t e t h e d a m p o u r i n g p r o c e s s v i v i d l y a n d p r o v i de r e a lt i me c o mp ut e r qu e r y a r e k e y s t o t h e S U C C E S S o f o p t i ma l s i mul a t i o n s y s t e mA RCC d a m c o n s t r u c t i o n p r o c e s s v i s u a l i z a t i o n s i mu l a t i o n i s de v e l o p e d b y i n t r o d u c i n g t he wi de l y us e d o p e n s o u r c e g r a p hi c s e n g i ne OGRE Th e s y s t e m d e v e l o p m e nt c r e a t e d a n i n t e g r a t i o n mo d e l o f t h r e e d i me ns i o na l v i s u a l i z a t i o n a n d n ume r i c a l s i mu l a t i o n s y s t e m ，whi c h c a n s y n c h r o n o u s l y u pd a t e t h e v i s u a l i z a t i o n s y s t e m wi t h c o ns t r u e t i o n s c h e me c h a n g e wi t h o ut t h e d e ma n d o f r e b ui l di n g t h e mo d e 1 Th e s y s t e m a l s o i mp r o v e s t h e r e a l i t y s e ns e o f v i s u a l i z a t i o n mo d ul e t h r o u g h s i mul a t i n g s c e ne e f f e c t s by pa r t i c l e s y s t e m a n d t h e OGRE -b a s e d i mp r o v e d r o a m f un c t i o n ma k e s t h e v i r t u a l s c e n e i n t e r a c t i o n mo r e f r i e nd l yThe p r a c t i c e s h o ws t h a t t he s y s t e m c a n i n t ui t i v e l y r e fle c t t he s p a t i a l a n d t e mpo r a l s t a t es o f v a r i o us p a r t s o f bu i l d i n g s a n d p r o v i de a p o we rful t o o l f o r c o ns t r uc t i o n o r g a n i z a t i o n a nd d e s i g n Ke y wo r ds： s i mu l a t i o n v i s ua l i z a t i o n；s y nc h r o n o u s l y u pd a t e；d y n a mi c i n t e r a c t i o n；da m b o d y c o nc r e t e p l a c e me n t