VR技術在水利工程上的應用

張聰聰++顧玉輝++陳潔++楊志強

摘 要：VR技術已經成為當下研究的重點課題之一，且由于水利工程的特殊之處（如超長的施工期、艱難的施工環境以及冗雜的管理條件等），使得VR技術在水利工程上的應用尤為重要。這篇文章從VR技術的優缺點著手，對VR技術在水利工程上的應用進行摸索和探究。長時間的研究表明，隨著VR技術的不斷發展和完善，VR技術可以應用在水利工程設計施工和運行管理的各個方面。

關鍵詞：VR技術；水利工程；設計施工；運行管理

一、研究背景

一直以來，水利工程都是國家的重點工程建設項目，也切實地關系著國家的經濟發展情況。然而，其本身的工程建設之復雜、投資之大、運行管理之不易也是人們一直不斷尋求改善和解決的難題。正因如此，隨著現代社會經濟、科技和計算機技術的快速發展，傳統的系統仿真技術已經很難滿足現代水利工程的設計規劃、施工以及運營等方面的要求。也正是由于傳統的系統仿真技術的局限越來越大，人們對新型技術的產生也越來越渴望。在之后，經過技術研究人員不斷地探索，創新地將仿真技術與虛擬現實結合在了一起，從而形成了一種更加高級的技術產物，這就是現今人們所熟知的虛擬仿真技術。

VR技術與傳統的系統仿真技術相比，很大程度地節約了工本，減少了人力財力上的損失。同時，虛擬仿真技術中的三維可視化監測管理，提高了工作人員對水利工程的運行管理的效率。

二、VR技術

（一）VR技術簡介

VR技術具有3I特征：沉浸性、交互性、想象性，VR的3I特征是相輔相成的。其原理是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，在這個虛擬世界中，視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等效果具有一體性、可交互、動態等特點。使用者戴上相關設備后，能仿佛置身于其中。VR概念模型如圖一所示：

圖1 VR概念模型

虛擬現實中的“現實”泛指存在于世間的生物以及環境，既可以是在實際中能夠實現的，也可以是在現實中較難或無法實現的。“虛擬”指是由計算機生成。在一般情況下，典型VR系統主要由計算機，數據庫、應用軟件、輸入和輸出設備還有用戶等組成，詳細見圖二：

圖2 VR系統

（二）VR技術的應用

VR技術自20世紀80年代初由美國VPL公司提出以來，經過幾十年的探索、發展以及檢驗，其應用領域從起初的軍事方面逐漸向其他領域發展。在規劃和建設方面，主要用于室內設計、房產開發、工業仿真、道路橋梁、軌道交通、水文地質等方面；在娛樂和旅游方面，主要用于文物古跡保護與復原、大型網絡游戲、部分電視節目等方面；在訓練和演練方面，虛擬現實及時也在軍事航天、應急推演以及醫學領域取得了巨大的成就；在培養人才方面，這幾年，VR技術被廣泛應用在教學方面，讓課堂授課不再枯燥，為社會培養出一批又一批的人。

三、VR技術在水利工程上的應用

水利工程往往具有很大的規模，因此施工時間較長，即有很長的建設周期；水利工程因為受施工場地的影響，自然條件也是不可忽視的易影響設計及施工的因素之一；水利工程因其大規模性，需要的投資較大，因此在施工之前必須嚴格按照程序進行設計。VR技術可以應用在水利工程設計施工和運行管理的各個方面。

（一）規劃階段

水利工程的規劃設計階段往往要收集水文氣象、整理地理地質等自然資料、設計多種方案并進行選優、確定工程規模。根據VR技術的虛幻性和逼真性，可利用它將收集來的水文氣象資料進行模擬，將水文氣象信息與地質條件結合，展示出實際施工及運行管理時可能會出現的天氣情況。由于虛擬仿真技術具有視景仿真的功能，可以對工程進行各種模擬，比如洪水干旱模擬、防洪調度模擬，從而對比出最優方案。VR技術在規劃上的應用，可以使工程更加具體，在可行性分析上更加直觀。

（二）設計階段

1.初步設計階段

VR技術在初步設計階段應用較多，以CAD數據作為根基，首先建立二維模型，利用數據轉換，轉換成三維模型，利用視景建模軟件（常用軟件MultiGen Creator）模擬水利工程虛擬環境，其后建立主要設備模型。通過VR技術對工程的整體模擬，可以直觀的看到工程成果，以便從外觀、施工難度等方面完善工程設計。

2.施工圖設計階段

施工圖設計上的應用更趨于實用化，利用三維建模可以完美的隨意的展示大工程的每一個小部件，可以模擬施工過程，零件安裝順序，與傳統圖紙相比，三維模型更直觀更易于理解。完整的工程展示，在招標及后期宣傳中都可以起到有效的作用。

（三）施工階段

可以利用VR技術對施工前期的工人進行施工培訓，更便于技術分工與施工安排。面對更加立體的、逼真的、交互的零部件，工人對工程的了解程度較高。工程操作步驟比較鮮明，從施工到驗收都比較方便，在問題的排查上更快捷高效。

（四）運行管理階段

1.人才培養

學生以及從業者在工程建成后進行參觀學習的過程中，往往存在著單一媒體展示以及難以協同展示的弊端。學生以及從業者的動手能力是在實踐教學過程中培養出來的，而實際教學與參觀過程中，存在著由于各種局限性無法全面展示等問題。這些問題都可以通過VR技術的人機交互的特點，來提供更具個性化的指導，降低培養成本，亦不必擔憂操作失誤所引發的后果，以培養高素質的綜合性人才。培養方式是整個水利水電工程人才培養過程的重要組成部分之一，是實現培養目的與完成培養任務的有效保證。VR技術應用于培養過程后，可以使得整個過程向高效益發展，縮短培養周期，降低培養成本。

2.日常管理

以虛擬水利工程操作室為例。運用VR技術進行水利工程仿真操作，可以將計算機，實際工程參量，操作員指導和使用者操作與反饋融合為一體，克服了過程模擬中無法現學現用，各種情景應對不充分的限制，在質、在量上都有所提高。使用者對于不同狀況下的應變能力，對于整個水利工程的構造設施及理論與實際的差異點的理性認識，都可以達到一般視頻展示與實地參觀難以實現的效果。實現了日常巡查與緊急情況下的應急處理普及，深化了使用者對于工程參數的理解，同時增強了水利工作者的自信心。

3.災害模擬

VR技術所提供的沉浸式體驗能帶給用戶極大的情景真實錯覺，因此可以更為全面地研究用戶在面臨洪災的心理狀態，糾正他們錯誤的應對措施，科學規劃他們的疏散路線與疏散點。VR技術還可以通過預先導入研究可能面臨洪災區域的地理地貌參數，以及相應的洪水標準，預估決堤高程，再結合相關數據演算并呈現出不同時段不同等級洪水波及區域，便于解決后期增設防災救助站等的選址問題。

四、結語

水利工程的特性決定了虛擬仿真技術在其中應用的必要性。如今，水利工程虛擬仿真技術已成為水利發展中不可逆轉的一個重要方向，有著較強的發展潛力和較好應用前景。可以預見，隨著未來科技和經濟的不斷發展，這項技術的研究也會有更大的突破，為水利工程中的設計、施工和管理提供更好的技術支撐。十分期待，未來水利工程虛擬仿真技術的日臻成熟可以為水利工程的發展提供一個更為廣闊的平臺。

參考文獻：

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