水流控制仿真和優化在水利水電施工中的應用分析

□葉清華（江西省萍鄉市坪村水庫管理局）

0 引言

水利水電工程的施工難度大，投資多，選用合理的施工方案，對于提升工程質量的意義重大。施工過程必須對工程特點與具體條件進行充分考慮，施工方案包括工程的布置、工程進度、蓄水等多個方面。水流控制作為一個動態的過程，很難通過簡單的模型來分析，而可視動態技術恰好可與水流控制的動態性相匹配，這種技術的出現也為水利水電施工中的此類問題提供新的解決思路，并已在我國多個重點水利工程中取得了良好的應用成果。

1 基于GIS的可視仿真技術

1.1 可視仿真技術概述

可視仿真是計算機可視技術與建模技術相結合的現代化仿真技術，是通過圖形或是圖像等方式對于仿真計算進行跟蹤與結果后期處理，并將結果以可視圖像化的形式展示于屏幕之上，使工程第一時間獲得直觀、高效的建模信息。

1.2 可視仿真應用于水流控制的理論依據

可視仿真是結合圖形建模、動態仿真、動態演示及網絡分析，把施工過程作為整體，進行全過程跟蹤模擬。水利水電工程中的水流控制是一項動態的工程，因動態性與內部各環節的獨特性質，致使可視化系統需要包含主體建筑系統、導流建筑系統與動態水流系統等多個子系統，這幾個子系統既相互聯系又相互制約。不同時段的導流標準所對應的水流情況決定著導流建筑物與主體建筑的工程施工進度，同時導流建筑與主體建筑施工進度又對不同時段的導流建筑規劃與導流標準制定起著直接的影響，因此如果以上制約關系遭到損壞，那么必然會產生導流風險。基于以上關系的綜合考量，結合施工整體進度與強度，必須保證在施工過程中，可以第一時間獲取真實情況，以為施工提供科學的參考依據。

2 基于GIS的三維可視仿真技術的優化構建及水流控制應用

仿真技術需要建立在模型的基礎上，因此建模即為仿真過程中的重要環節，如何實現快捷靈活而又準確可信的模型則是仿真中值得深究的重要課題。

2.1 面向對象的圖形輔助的優化仿真建模

在建模時采用面向對象的方式，可使結果更為自然直觀，用戶可以將各個活動都看作直觀對象，并直接根據對象類屬關系與自身特性構建出仿真模型，這一過程如同人類對于可觀世界中存在的事件進行分類的習慣模式，因此仿真操作用戶可以很容易適應物理模型過渡為計算機模型，而這種方式也十分便于擴充，此外通過對象層次結構的方式進行設計，可以大大提高代碼利用率。子系統中通過圖形進行建模，可描述出很多難以通過語言表達出的信息，此外面向對象的建模系統是由子系統所構成，同時子系統還可分解為更原始形式的子系統，因此種性質，建模的方式即為通過各個系統子模型來構建出整體模型，這也符合施工系統的規律，可以通過子系統的屬性與變化反映出整體情況。

2.2 基于動態實體參數化的優化仿真建模

根據仿真對象的自身特點與屬性，將其通過點、線、面、體的不同數據結構進行表達，動態的實體模型可以直觀反映出對象的屬性信息，通過幾何圖形和屬性相對性的關系構建出基于GIS的數據與圖形組織結構，并反映出各個時間段的水流動態，因此數據與圖形在描述基本幾何特征與屬性之外，還要表達出時間特征，實現仿真的時效性。在實體建模過程中如果采用的是參數化建模，則可大幅簡化這一過程，參數化建模是通過幾何相關關系構建出一系列的參數化特征部件，并以此構建出整體的幾何結構，而基于水流控制的動態性，不同的部件又都具有自己的參數。

2.3 基于GIS的可視仿真系統結構優化

基于GIS的仿真可視系統是通過搜集GIS信息，并在動態可視化的過程中利用GIS動態信息進行可視展現，因GIS具有空間信息的組織機制，這使得其在展示仿真結果等方面具有先天優勢。此外在仿真系統中，操作用戶可以通過展現的圖像實現各仿真階段的交互控制，一直到可以對系統所呈現的仿真信息完全理解，在這過程中，操作用戶可根據系統操作界面與仿真系統展示的反饋結果，實現水流的同步交互仿真控制過程。圖1即為基于GIS的交互可視仿真系統結構構架模型，該圖反映出了GIS仿真系統的具體操作環節，與用戶的仿真控制實現手段。

圖1 基于GIS的可視仿真系統框架圖

2.4 基于GIS的動態仿真演示法

基于GIS的動態仿真演示是通過三維立體形態對于任何時間段的仿真對象實現真實再現，通過這種方式體現了仿真系統內部數據動態變化，并以直觀的方式展現出來，第一時間得到水流控制的動態信息，包括不同時間點，水流整體的幾何形狀及其參數屬性等，進而展現了某一環節的動態單元。在動態展示的過程中，帶有時間特征信息的水流幾何形狀，會隨著時間點的差異而時刻發生著變化，因此在水流控制的過程中，要時刻將整體的動態面貌存儲于圖形庫之中，并將數據、圖形與相應屬性建立起相互對應的關系，使用戶可根據自己的意愿，通過其手中掌握的信息調取出相應的動態仿真信息，通過這種方式為水流控制提供有價值的數據。

2.5 水利水電工程水流控制中可視仿真技術的應用

水利水電工程中的導流設計與管理過程，是整個工程中的重點，同時往往要涉及到大量的可靠數據與圖形信息，例如壩區地形、水文及地質等多項資料，還需要結合樞紐設計、施工布置以及導流方案等各類數據和圖形信息，高效快捷地對以上各類信息進行搜集、管理，則是提升工程效率與施工質量水平的關鍵，這其中的導流方案更是整項工程的重中之重，其設計過程十分復雜，而因水流控制的動態性，導流方案的差異很難直觀比較，因此通過可視仿真技術，直觀形象地呈現相關數據與圖像對于導流方案的優化設計，具有重要意義。基于此，構建出了適用于水電工程的導截流動態可視優化方案，并通過導流的可視信息三維演示與管理系統（CDMIS），這一系統主要通過地理信息（GIS）的高效空間分析及處理能力，構建出三維仿真導截流施工模型，并在此基礎上構建可視仿真信息管理與查詢等多項功能，進而實現水流控制的動態演示與管理。導流系統中的各個動態環節可分成非線性和線性兩類，線性環節是以某種典型動態環節作為運算的基本部件，非線性環節則是通過各類典型動態環節不能組成環節的模型所構成，而不論是非線性還是線性環節，輸入與輸出的變量都具有固定的函數關系，具體函數關系為yi=F(ui)。

總之，水利水電工程導流的仿真可視全過程需要建立在水流控制主體、時間、施工進度、水流及水力參數等多個狀態變量與不同時間段導流建筑規劃的決策變量相互調諧的基礎上，因此各個環節的參數都是水流控制的關鍵。

3 結語

基于GIS的可視化仿真技術實現了高科技仿真建模與成果可視化，通過可視成果，可為施工提供最具價值的參考。本次研究采用的可視仿真系統是以三維圖形、數字等形式，以此為水流控制工作提供了任意時刻的具體參數情況，可視效果好，動態性強。在水利工程中采用可視仿真技術，可有效實現工程的數字化、智能化及可視化等高科技管理方案，提高工程效益，避免不必要的損失，值得推廣。

[1]鐘登華,劉東海.基于G1S的施工導流管理決策支持系統[J].水力發電,2001（1）.

[2]鐘登華,熊小平,馮志軍，等.水利水電工程施工場地總布置可視化動態演示系統研究[J].水利水電技術，2001（12）.

[3]Bortschel ler,B.J,et al.Model reusability in a graphical simulation package. Pros Winter Simulation Conf Piscataway,N.J.2012（03）.

[4]鐘登華，鄭家祥，劉東海，張偉波.可視化仿真技術及其應用[M].北京:中國水利水電出版社，2011.

[5]AbouRizk,S.M.and Mather,K.(2010)."Simplifying simulation modeling through integration with 3DCAD[J].Const r Eng.and Mgmt,ASCE,2012(6).

[6]胡志根，劉全，賀昌海，等，基于Montre-Carlo方法的土石圍堰擋水導流風險分析[J].水科學進展，2012，15(3):634-636.收稿日期：2014-07-29