碾压混凝土坝浇筑进度三维仿真.pdf

水利水电技术第43卷2012年第6期 碾 压 混 凝 土 坝 浇 筑 进 度 三 维 仿 真 李江1，李秀琳2，夏世法2 ( 1．新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐830000；2．中国水利水电科学研究院，北京100038) 摘要：随着虚拟现实技术的发展，三维仿真作为一种全新角度的管理方法和技术手段在工程进度管 理中起到越来越重要的作用。本文讨论了基于OSG图形引擎和QT应用程序开发框架的大坝浇筑仿真 系统的开发方法。该系统并可根据施工的高程数据来生成相应的浇筑情况。基于上述方法设计实现了 一个碾压混凝土坝浇筑过程三维仿真系统。 关键词：碾压混凝土坝；仿真；虚拟现实；OSG；Q T 中图分类号：1t V642．2+TP391．9文献标识码：A文章编号：1000一0860( 2012)06．0055．04 3-Dsi m t Il at ionofconcret e pl acem 蚰tprogre鳃0f m U er com pact edc蛐cret e dam UJi an91，UX i ul i n2，X I AShif a2 ( 1．) 【i nj i肌g w alerReB 叫rc∞粕dHydm l删erPIal l ni rIg蛐d D esi 印A d哪j ni st rat i on，t 】rnm chi 830000，Ⅺnj i arIg，chi l l a； 2．Chi 腿Inst i t ut e0fW 蛔Res叩r cesalldHydI opower R esearch，Beij ing 100038，chiI la) Abst 髓d：W i tb t}IedeV el opm ent 0ft he“rt ual r eal it yt ecl I Tl ique，the 3- Dsi m Il l at i on，船a rl l anagem enl m ethodwitl lnew per - 8pect iVe柚datecI IIl icaln把锄s，i 8Pla—Ilg粕incr e∞ingIyi m porLantrol e inIhe眦n89em ent 0fconst 兀l cti on pm gre魄111e 0sG (O perIsce鹏G m ph)粕d叩妇new orkbas eddevel opi ngm et l l odoft hesi m ul at i onsysIemf or nl ec咖c眈Pl 舵em enl 0rd枷i sd砖 cuss edherei r LThesyst 鲫c舳genem tet hecor他spondi ng卵t u且lstat uB0ft he∞ncl ．et epl acem entinaccord肌cewit l l【l l e咒alcon- Bm l c t i onel evat i onda饥B a8edontIIede8i 印wit ht}I em ethodm entioneddbove，a3- D8im ul “∞syst emf ort}leconcre【epI ace． m entofam U erc册c他t ed舢hasbeenal】嗍dym al i zed锄w el l ． K ey啪rds ：m uercom pact edconcr et ed锄；8i m IIl at ion；vi rt tl al 划it y；opensceneGm ph(0SG)；QT＆am ew ork 1 引言 水利水电工程是一项复杂的系统工程，针对工程 项目建立三维的、动态的、可视的虚拟仿真环境，将 大坝的浇筑面貌和仿真结果用图形反映出来。就可以 将用户的视野带入三维主体工程空间。使参与项目建 设各方都能在此环境下直观地了解工程实际施工状 况，分析它与施工计划的差异，了解差异产生的原 因，预测未来施工发展趋势，调整未来的施工计划， 又可控制实施过程中各种因素对施工进程的影响。这 将会对大坝混凝土浇筑的施工设计和施工过程起指导 性作用‘1—2| 。 目前混凝土坝的实时监控、跟踪均以数字量或 二维图形的式表示，缺乏整体性和直观感，提供 的决策支持力度不高、效果不佳。实现实时三维仿 wa时m i州孵f4耐嘶妣pm wE研咖nL椰M ．6 真后，由于其直观性、整体性、时间连续性，容易 梳理思路，触发灵感，加快决策结果的产生，特别 是对于类似抢险救灾这样时效性强的决策有非常高 的价值J。另外，施工过程中不可控的因素很多． 不可能完全按照预期计划执行。以往的针对不同时 期建造不同模型的仿真方式以及其他的动态模型生 成H’的方式，不能快速、准确地反映出当前的浇筑 情况。本文的三维仿真系统，将有机地结合施工过 程中的各种计算、检测数据，并根据施工数据，为 大坝浇筑施工决策提供直观、整体、连续的真实感 三维的可视化方式。 收稿日期：2012．02．02 作者简介：李江( 197l 一)，男，教授级高级丁程师，副局长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李江，等∥碾压混凝土坝浇筑进度三维仿真 2系统结构 本系统是一个跨平台的基于C／S体系结构的大 坝浇筑进度可视化系统，其服务器端和客户端均可运 行于任何主流的Li nux／Uni x／W i ndow 8操作系统之上。 系统整体结构如图1所示。 温度、应力场LN二雏、三维浇筑避 浇筑相荧 数据处理r吲度呵视化模块 数据』车管理模块 介介5奄 l计算结果访问接口1I高程数据涛问接口 其他数据访问接口 客户端 图1系统结构 其中服务器端使用数据库管理系统存储浇筑高程 数据、温度(应力)计算结果、设备信息以及其他基 础信息；客户端包括三维浇筑进度显示、二维浇筑进 度显示、温度( 应力) 场显示以及数据库管理维护等 模块；温度、应力场计算数据经过处理与二维浇筑进 度可视化模块融合在一起显示。 由于三维仿真系统对系统实时性的要求，选用了 C++作为本系统的编程语言；数据库选用Post - greSQL对象一关系型数据库系统；基于QT应用程序 开发框架来搭建系统的整体框架和界面的实现；基于 0SG 图形绘制引擎来进行相关的三维渲染。 其中，Postgr eSQ L是最富特色的自由数据库管 理系统，具有最丰富的数据类型的支持，支持海量 数据存储和查询；Q T是一个多平台的C++图形用 户界面应用程序框架，是完全面向对象的，很容易 扩展，并且允许真正地组件编程；0sG 是一款开源 的高效的3D 图形开发包，它对0penG L进行了完全 的类封装，实现了目前速度最快的场景图。另外， 由于0SG 对目前决大多数的三维模型存储格式提供 了支持，对所选用的建模软件没有限制。本文选用 了3DM a]【8制作大坝的三维几何模型。 Post gresQ L和0sG 都是开源的项目，无需支付 使用费用，降低了平台搭建的成本。更重要的是， 基于上面软件平台的选择，本文的仿真系统具有良 好的跨平台性、开放性以及可扩展性。另一面， 通过经典的C ／S架构的设计，用户可以通过修改服 务器端的数据，客户端的绘制效果会相应的发生变 化。 3三维浇筑动态仿真 3．1建模 在预处理阶段，通过每个坝段的Aut ocad图纸， 在建模软件中建立坝段的三维模型，并给模型加上相 应的材质和纹理。图2为某典型坝段的几何模型。图 3为大坝的整体三维模型以线框模式绘制出来的效 果，其中每个坝段包含的几何体以组为单位组织，便 于以后的计算。 图2典型坝段模型 圈3大坝整体几何模型 3．2坝基开挖效果实现 大坝浇筑开始时，首先要进行坝基开挖，本文 通过动态编辑地形网格形状来实现这一效果。本文 利用O SG 工具包中提供的D el aunay剖分工具，对地 形的高程图进行Del aunay三角剖分得到地形网格。 根据坝基开挖的位置、几何形状，定义相应的剖分 约束；根据相应的约束，对局部地形重新剖分，即 可以实现坝基开挖的效果。这种方式需要一定的计 算量。但是动态灵活，开挖的进度、效果可通过参 数控制。 3．3三维浇筑仿真流程 整个仿真以仿真时间作为输入，最终渲染出输入 的指定时间的大坝浇筑状况。三维浇筑仿真流程如图 4所示。 系统运行时，首先加载大坝的几何模型以及周边 环境的相关模型；然后，输入指定的浇筑时间，根 水利水电技术第43卷2012年第6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 哇 龋蒿濯嚣卜_<大坝脯模型大坝浇筑模型生成r．＼“““””2 I当前浇筑状态 I下的三维模型 。。 。。。 。。’ 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 J。 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 。。。 ‘‘。 ～ 基 于osG的 绘 制 模 块l／ ， — — — 一 (坝体、地形、天H周 边 环 境 数 据 空、河水，渣洪)＼一一 一 l渲染结果 圈4三维仿真流程 浇筑时间从数据库中读取各个坝段的浇筑高程以及该 高程内每一仓位混凝土的数据，数据可以是实地采集 的浇筑数据，也可以是施工计划或者仿真的数据；接 下来，基于三维裁剪算法计算出大坝在当前指定时间 下的三维几何模型；最终，通过0sG 绘制模块对整 个仿真的三维场景进行渲染，得到渲染结果。 3．4浇筑模型的动态生成算法 由于大坝几何模型相对规则，本文引入计算机图 形学中经典的三维裁剪算法通过对大坝整体几何模型 进行裁剪计算出大坝在指定的浇筑状态下的几何模 型。这样做只需一次建模，通过高程、仓位数据的输 入，通过计算得到不同浇筑状态下的模型。对经典的 sut llerhnd-H 0d舯蛐(编码)线段裁剪算法1进行扩展， 将其扩展到三维，将“逐边裁剪”扩展为“逐面裁剪”。 二维裁剪中要计算线段与直线的交点，而现在要计算 线段与多边形的交点。空间直线段与任一平面的求交 运算可以通过将裁剪面方程与直线段方程联立求出。 整个大坝的三维模型是以坝段为单位分成组的， 每个组对应一个坝段，对模型的裁剪也是以组为单位 进行的。大坝整体几何模型作为被裁剪体，高程和仓 位数据生成相应的裁剪面。遍历整个大坝模型，对每 个坝段，进行三维的逐面裁剪。既可得到在特定浇筑 时间的大坝的三维模型，直接交由后面的绘制模块进 行绘制即可。在实际应用中，通过对计划安排的高程 数据和实际采集的高程数据进行对比仿真，对施工进 度以及计划安排起到辅助决策和分析的作用。 3．5碾压过程的仿真 通过本文浇筑模型的生成算法可以生成混凝土坝 整体模型浇筑情况，但是正在浇筑的微观的细节以及 动态浇筑情况还无法体现出来。鉴于此，通过仓位碾 压过程的仿真，在混凝土坝整体模型基础上，实现仓 水利水电技术第43卷2012年第6期 李江，等∥碾压混凝土坝浇筑进度三维仿翼 位碾压过程的动画，为整个施工模拟增加真实感。按 以下步骤进行仿真： ( 1) 针对正在碾压的仓位，根据仓位信息(仓位 的位置、形状)计算相应的参数，根据参数控制仓位 上生成的网格的形状来实现混凝土浇筑的模拟。另 外，根据仓位信息计算出推土机运动的关键路径点， 通过对关键路径点进行插值，用插值结果驱动推土机 模型进行坐标变换，实现推土机的运动。 ( 2) 通过推土机的运动，获取受到影响的网格控 制顶点，控制网格的形变，模拟碾压过程。如图5所 示。 图5仓位碾压过程 绘制模块包括混凝土坝体绘制、地形绘制等许多 功能。混凝土坝浇筑模型由C PU 计算生成，考虑到 碾压过程网格形变的计算复杂度，本系统采用了基于 G PU 实现网格形变来模拟碾压过程的方法。 4基于粒子的大坝泄洪仿真 除坝体本身的建模、绘制外，大坝泄洪仿真是很 重要的部分，便于用户直观的观察大坝泄洪情况以及 上下游水位变化情况。坝孔水流是由许多微小的颗粒 组成，其外观是大量的颗粒由于泄洪时所产的不同的 速度表现出来的。水流特点就是没有规则的外观，随 机性和动态性强。这些特性使得它很难用传统的表面 建模方式对其进行描述，而粒子系统的特点决定了它 是描述坝孔的最佳模型。 在泄洪的仿真中，上游、下游的水位会根据数据 库中的相关数据发生相应的变化，水位的变化会影响 坝孔水流的速度。粒子分类为两种特性，一为本身的 特性，比如粒子的大小、材质、纹理、寿命等；另一 为受外界影响可以变化而表现的特性比如重力、风 速、向、本身衰减速度等。 如图6所示，水流的抛射曲线公式，上下抛射曲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李江。等∥碾压混凝土坝浇筑进度三维仿真 线方程如下 图6出水口的水流抛射曲线 筑高程数据信息、气象信息、浇筑温度等各类信 息，同时还需要及时掌握各类预埋仪器设备的监测 信息。而这些为工程建设服务的信息数量巨大，若 不进行专门的管理分析，则不能发挥应用的作用。 本系统实现了混凝土坝现场施工数据，设备实测数 据的统一管理，可直接采集施工现场铺设各种设备 检测数据。 在对各种检测数据进行管理的基础上，基于有限 元分析的方法，对检测数据进行了实时的分析、处 理，为大坝的施工提供了有力的决策支撑。最后，所 有这些数据可通过二维、三维方式展示给用户。 f?：：=。!：=26：?j：． c， 7结论 l 扯咖n=口2，+62彳+c2 一 。 镉 瞄 本系统根据上下抛射曲线方程设计粒子系统的运 动规律。 根据水位的变化来控制上下抛射曲线的参数，使 水流的形状发生变化，以体现出水位的变化。 5二维动态仿真 除了上文介绍的三维显示方式，本系统还具有传 统的二维浇筑情况显示、温度、应力场的云图显示以 及数据库管理。在大坝的浇筑过程中，温控是最重要 的工作。通常使用自编有限元分析软件，来计算坝体 温度。本系统中提供了具有详细说明的数据接口，以 读取计算分析的温控数据。并对得到的离散数据进行 处理，将散乱点重建为三角网格，最终和二维浇筑仿 真结合在一起，以温度云图的形式呈现给用户。图7 为典型坝段的浇筑情况显示。 图7典型坝段浇筑情况 6采集与管理 混凝土坝施工过程中需要适时掌握不同坝段浇 58 本文提出了一种大坝浇筑进度三维真实感仿真方 法，可以根据施工进度信息动态、灵活的模拟大坝的 浇筑进度。为用户提供了直观的绘制效果，使决策、 管理人员不必往返于施工现场，即可身临其境的感受 到施工的现状。并且系统很好的与传统的施工进度管 理、温度( 应力)计算等系统结合在了一起，避免了 数据的重复采集，并提供了更直观的温控方式。本文 仿真系统是针对国内某碾压混凝土重力坝而设计实现 的，并且系统已用于对实际的工程项目进行辅助决策 和相关的数据管理。 现实中的混凝土坝施工过程情况复杂，本系统 仅是针对特定的场景进行了仿真，为以后更加真实 的对施工进行仿真提供了一个研究平台，后续有许 多工作有待于研究和完善。在微观仿真方面，系统 对碾压过程仿真的真实感不够，仅能作为碾压的过 程的示意，下一步拟采用基于G PU 的粒子系统来模 拟碾压过程，真实的仿真碾压过程；另一方面，本 文的浇筑过程建模与绘制应该和传统混凝土坝仿真 中温度、应力计算有机地融合在一起，提供更专业 的施工指导。 参考文献： [1]钟登华．可视化仿真技术及其应用[ M 】．北京：中国水利水电 出版社，2002． [2]钟登华，李景茹．复杂地下洞室群施工交通运输系统仿真与优 化研究[J】．系统仿真学报。2002。14(2)：140-145． [3]陈金水．颜伟琼．基于OP∞G I ．的三维建模在水利行业中的应 用[ J]．南京：计算机技术与发展，2006，16(3)． [4]孙锝街。齐东海．水利水电工程施工计算机模拟与程序设计 [M 】．北京：中国水利水电出版社，1997． [5]倪明田．吴良芝．计算机图形学[M ] ．北京：北京大学出版 社。2∞2． (责任编辑于尧尧) 水利水电技术第43卷2012年第6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m