基于Unity 3D 的水電工程施工過程可視化仿真研究

龔攀

摘 要：文章提出了基于Unity 3D的水電工程施工過程可視化仿真方法，對于可視化仿真系統的結構框架、三維模型的構造以及可視化仿真實現的問題都做了詳細介紹。該方法能夠提高可視化實現的效率及效果，可為工程施工方案的管理和決策提供信息化支撐。

關鍵詞：Unity 3D；水電工程；可視化仿真

前言

水電工程施工的自然環境一般比較復雜，而且工程規模很大，在其施工的過程中，就會因為各種不定因素的干擾，增加工程施工的風險，使得工程的設計和施工任務加重。所以，在工程開工之前，編制合理的施工組織手冊，選擇恰當的施工方法、施工機械及配套組合，以及高效直觀地對工程的施工過程進行管理，這很大程度上保證了工程建設的完成工期以及工程的造價。隨著可視化技術與仿真技術的結合，我們可以對大壩的施工過程進行可視化仿真，這為水電工程的施工管理開辟了新的道路[1]。文章采用Unity 3D這款功能強大的游戲開發引擎與計算機仿真技術相結合，對基于Unity 3D 的可視化仿真技術作了相關研究，它可以展示真實的施工過程，可以為工作設計人員提供一個直觀形象的可交互環境，讓決策者快速掌握施工條件和狀況，高效準確地作出決策，這為水電工程的施工組織管理提供了有效的工具。

1 Unity 3D與可視化仿真系統的結構框架

Unity 3D是一個全面整合的專業開發引擎，它由完整的圖形渲染系統、物理系統、音視頻系統、網絡系統、編輯器系統、GUI 系統、Shader 系統等多個子系統組成。它具有優秀的設計環境、操作簡便的場景編輯器、方便快捷的設計流程，它支持3DSMax和Maya等一些主流的三維建模軟件；在瀏覽器的環境中它可以直接運行嵌入的編寫好的程序，也可以在 Windows、MAC等多個平臺上運行，具有跨平臺的功能，而且還支持Javascript、C# 等[2]腳本語言。正是這些優點，使得Unity 3D成為可視化仿真優先考慮的對象。

可視化仿真系統主要由施工過程仿真系統和三維可視化系統兩部分組成。大壩施工過程仿真系統主要是通過模擬得到工程施工強度、主體工程的澆筑順序等相關信息，儲存到公共數據庫中以供可視化系統調用，該過程主要是采用離散事件的方法對大壩的澆筑過程進行仿真模擬。基于Unity 3D的仿真可視化方法主要表現為在仿真建模的過程中，利用仿真系統得出的信息來進行可視化的表達。同時，在可視化系統中，用戶可以通過對系統界面的控制對仿真過程進行管理，直到理解所有的仿真對象。

2 三維模型的構造

2.1 數字地形建模

數字地形模型（Digital Terrain Model， DTM）是所有水工建筑物布置及施工活動的場所，地形可采用不規則三角網模型（Triangulated Irregular Network， TIN）來描述。生成TIN模型的主要步驟如下。

（1）將原始地形圖按等高線連接成閉合曲線，選擇合適的等高線間距并對其高程進行處理。（2）將閉合的曲線離散成點，通過點生成線，線生成面，最后由面生成體。在離散化的過程中需要注意選擇合適的離散間距以及錯誤等高線及多余點的檢驗和刪除。（3）借助CAD二次開發生成網格模型[3]。

2.2 工程主體建筑物模型庫建立

水電工程主要的地物模型按照模型的屬性，可分為靜態和動態模型。對于在仿真過程中模型各頂點的幾何數據及空間位置都保持不變的實體，稱為靜態模型，例如導流建筑物和施工機械等，對于這類模型主要是通過對實體進行的交集并集等布爾運算來進行建模。該類模型可以按下面的步驟進行處理。

（1）掌握模型的相關信息，采用Auto CAD、3DSMax等建模工具直接建立三維模型。（2）將所建模型導入3DSMax進行貼圖和光照處理。（3）導入Unity 3D進行渲染和管理。

相對于靜態模型，動態模型是指在施工過程中幾何形態不斷變化的對象，例如壩體和地形的開挖等。大壩的建模步驟如下[4]（其他動態模型可以采用相似的步驟進行處理）。

（1）首先要得到壩體的模型，這個過程主要是根據大壩的結構設計資料，進行模型的建立。（2）然后確定實際填筑塊，通過對壩體剖切分區分塊，得到的單元模型即為所要確定的填筑塊。（3）將處理好的填筑塊導入到Unity 3D中進行管理并完成渲染的工作。

3 仿真可視化的實現

仿真可視化系統的基礎主要是基礎模型的制作，完成對工程施工總布置圖三維模型的構建，然后在Unity 3D中進行必要的編程，最后憑借Web系統和系統展示模塊顯示出來。用戶可以通過三維可視化這個實時交互的系統，在逼真的虛擬場景中查詢各水工建筑物的狀態。具體過程如下。

（1）構建模型是基礎，首先在3DSMax中創建實體模型。（2）模型的處理，主要是對模型進行貼圖和材質的相關處理，模型應該具有所有屬性數據，最后生成施工總布置動態三維數字模型。（3）模型文件格式的處理，模型文件導出必須另存為fbx格式，這樣Unity 3D才可以進行識別處理。（4）編程，在Unity 3D中編寫正確的腳本程序，根據交互的需要，實現相應的邏輯控制。（5）應用的發布，發布一個Web Player 應用，該應用具有動態加載和三維模型顯示的功能。（6）網頁系統通過加載該應用實現三維可視化虛擬交互。

4 工程應用

依據前文介紹的理論和方法，結合某水電工程，通過3DSMax對施工場地總布置實體進行建模，借助 Unity 3D專業引擎研發了某工程施工過程的可視化仿真系統，實現了施工場地總布置三維可視化遠程交互和大壩三維可視化動態上升過程，如圖1所示。

圖1 施工總布置圖

5 結束語

文章提出了基于Unity 3D的水電工程施工過程可視化仿真方法，該方法不僅可以逼真形象地描述工程復雜施工的過程，而且利用Unity 3D這個強大的游戲開發引擎，為仿真信息的可視化提供了更好的途徑，提高了工程信息化管理的水平。

參考文獻

[1]李景茹，鐘登華，劉東海，等.水利水電工程三維動態可視化仿真技術與應用[J].系統仿真學報，2006（1）：116-119.

[2]陳永興.瀝青混凝土心墻堆石壩施工仿真理論與應用研究[D].天津大學，2012.

[3]趙春菊，胡超，周宜紅.基于OGRE的碾壓混凝土壩施工過程可視化仿真系統[J].水利水電科技進展，2013（4）：41-45.

[4]胡超.面板堆石壩壩面作業動態仿真與資源優化研究[D].三峽大學，2012.