基于Matlab的大壩靜動(dòng)力分析可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于印+薛松

摘要：大壩的安全是關(guān)乎國(guó)家利益的問(wèn)題，建立完整的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有利于大壩工作人員更好的監(jiān)控大壩的運(yùn)行情況。本文利用Matlab軟件，設(shè)計(jì)了一套大壩靜動(dòng)力分析可視化系統(tǒng)，能夠在三維當(dāng)中形象的顯示大壩的應(yīng)力應(yīng)變情況，并且將處理過(guò)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)在二維平面內(nèi)可視化，以輔助大壩動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)測(cè)。

關(guān)鍵詞：大壩三維可視化；三維云圖顯示；大壩安全監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0198-01

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高土石壩的地震災(zāi)變過(guò)程預(yù)測(cè)和安全控制尚停留在近似分析加經(jīng)驗(yàn)判斷階段，急需研究提出科學(xué)的預(yù)測(cè)理論和先進(jìn)實(shí)用的安全控制技術(shù)，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006-2020）在其重點(diǎn)領(lǐng)域“公共安全”優(yōu)先主題“重大自然災(zāi)害檢測(cè)與防御”中明確要求“重點(diǎn)研究開發(fā)地震、臺(tái)風(fēng)、暴雨、洪水、地質(zhì)災(zāi)害等監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)，森林火災(zāi)、潰壩、決堤險(xiǎn)情等重大災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)以及重大自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估技術(shù)”。因此，加強(qiáng)高土石壩地震災(zāi)變機(jī)理分析及數(shù)值模擬和地震安全控制技術(shù)研究有著重要的意義。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在監(jiān)測(cè)自動(dòng)化及監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的開發(fā)起步較早，相對(duì)大壩安全信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)及其應(yīng)用研究比較成熟。從20世紀(jì)60年代即開始從事監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的研究，20世紀(jì)70年代就已進(jìn)入了實(shí)用階段。早期的自動(dòng)化系統(tǒng)都是集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代初期，一些國(guó)家研制了分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。事實(shí)上這些年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高等院校和科研部門如天津大學(xué)、武漢大學(xué)、南京自動(dòng)化研究院、河海大學(xué)、國(guó)家電力公司、中國(guó)水利科學(xué)研究院等投入大量的人力進(jìn)行有關(guān)大壩監(jiān)測(cè)信息管理和分析系統(tǒng)的研究，結(jié)合大壩觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，開發(fā)了有關(guān)大壩安全監(jiān)測(cè)分析與數(shù)據(jù)管理的軟件。為此，本文設(shè)計(jì)了一種大壩可視化顯示系統(tǒng)，以支撐大壩安全監(jiān)控[1][2]。

1 業(yè)務(wù)流程與主要功能模塊

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程主要分為三個(gè)階段： （1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化；（2）靜力數(shù)據(jù)可視化；（3）動(dòng)力數(shù)據(jù)可視化，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化主要任務(wù)為對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，靜力數(shù)據(jù)可視化主要任務(wù)是對(duì)靜力數(shù)據(jù)處理，為靜力數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備，動(dòng)力數(shù)據(jù)可視化的主要任務(wù)是對(duì)動(dòng)力數(shù)據(jù)處理，以分析大壩的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變。3維顯示效果舉例見圖1與圖2。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化主要包括如下模塊：（1）3D顯示預(yù)處理，以提取有效的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、組裝單元數(shù)據(jù)，單元材料號(hào)，服務(wù)三維顯示；（2）3D著色建模與顯示，為大壩的3D顯示，提取對(duì)應(yīng)的材料號(hào)顏色，生成場(chǎng)景數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示的功能，包括放大、縮小、旋轉(zhuǎn)。在本系統(tǒng)中，為了更形象化的顯示大壩各個(gè)部分的材料，對(duì)五種材料分別用了五種不同的顏色，這樣就能夠直觀的看清大壩的材料組成。依據(jù)材料號(hào)著色主要功能是對(duì)提取的材料號(hào)進(jìn)行區(qū)分，并根據(jù)對(duì)應(yīng)的材料號(hào)的顏色對(duì)大壩的三維圖進(jìn)行著色。

靜力數(shù)據(jù)可視化主要包括如下模塊：（1）靜應(yīng)力應(yīng)變預(yù)處理，以有效提高數(shù)據(jù)提取的質(zhì)量。主要功能為提取x，y，z，3個(gè)方向的變形數(shù)據(jù)，提取x，y，z方向以及最大應(yīng)力、最小應(yīng)力水平相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算迎水面應(yīng)力數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)某一順河向或壩軸向坐標(biāo)，切割三維大壩， 生成相應(yīng)的二維圖形，并動(dòng)態(tài)顯示切割面位于三維大壩的位置；（2）靜力剖面切割及顯示，主要功能為剖面離散數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化，離散數(shù)據(jù)邊界提取，有效的插值算法，繪制等值線，根據(jù)所選的軸線顯示出大壩該面的受力等高圖。

動(dòng)力數(shù)據(jù)可視化主要包括如下模塊：（1）動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變預(yù)處理，主要功能為提取x，y，z，3個(gè)方向的變形數(shù)據(jù)，提取x，y，z方向以及最大應(yīng)力、最小應(yīng)力水平相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算迎水面應(yīng)力數(shù)據(jù)。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示各節(jié)點(diǎn)的受力數(shù)據(jù)，顯示為3D的加速度圖；（2）動(dòng)力剖面切割及顯示，主要功能為剖面離散數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化，離散數(shù)據(jù)邊界提取，有效的插值算法，繪制等值線，根據(jù)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示大壩各節(jié)點(diǎn)的位移圖。

2 結(jié)語(yǔ)

本文在研究大壩三維快速顯示算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)大壩不同部分的材質(zhì)，以彩色形式顯示大壩整體三維視圖；根據(jù)模擬得到的地震后大壩位移數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示大壩在地震后的三維視圖；給出大壩某一切面的立體視圖；將上述功能集成完成顯示系統(tǒng)。針對(duì)水利大壩三維數(shù)據(jù)，利用matlab實(shí)現(xiàn)大壩三維場(chǎng)景顯示， 效果逼真，功能強(qiáng)，運(yùn)行性能穩(wěn)定，為水庫(kù)運(yùn)行管理部門及上級(jí)主管部門的科學(xué)決策提供科學(xué)、直觀、高效的可視化輔助支持[3][4][5]。

參考文獻(xiàn)

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