面板堆石壩三維可視化仿真系統研究

張 帆

(河南新華五岳抽水蓄能發電有限公司,河南 信陽 464000)

1 概述

面板堆石壩施工工藝復雜，施工強度大、質量要求高，施工工期緊，對施工管理帶來了挑戰。如何根據既定施工方案模擬壩體填筑過程，實時調控施工進度，并對施工方案進行優化仍是目前水利水電領域的一個重要課題。三維可視化仿真技術可以預測面板堆石壩施工過程中可能出現的資源沖突，定量分析施工參數變化對設計成果的影響，便于工程人員制定更加科學、合理的計劃[1]。李紅亮等[2]針對面板堆石壩施工填筑過程存在的問題，嘗試建立三維可視化仿真系統；馬洪琪等[3]針對高堆石壩和高混凝土壩等重大水利水電工程施工進度與質量難以實時控制問題，研制開發了數字大壩系統；韓建東等[4]、鐘登華等[5-6]、楊文等[7]在前人研究的基礎上進行了一系列研究，以建立智慧大壩系統。本文通過建立三維模型，輸入仿真數據，動態顯示施工進度，從而指導施工全過程，提高效率，降低成本。

2 大壩三維可視化仿真關鍵技術

2.1 與仿真同步的可視化模擬機制方法

與一般的演示動畫相比，大壩施工過程可視化系統對工程精度的要求比較高。將搜集到的仿真數據輸入系統內，并根據程序設定對大塊壩塊的充填過程進行動態演示，是實時可視化得以實現的關鍵步驟。本項目基于webgl引擎高效的圖形渲染功能，使用仿真數據構建了壩體動態實時可視化充填仿真機制[8]。

大壩施工過程實時可視化模擬機制模型中共有3類關鍵庫(如圖1所示)，現分述如下。

圖1 大壩施工過程實時可視化模擬機制示意

1) 壩體充填模擬數據庫

該數據庫將大壩施工過程的相關信息進行了存儲，如現實中正在進行施工壩體區域的起始和結束標高等。可視化系統可以根據人為需要自主查詢和分析仿真系統的輸出數據，從而通過數據庫接口獲取這些信息，與仿真輸出數據庫動態鏈接后，該數據庫可根據仿真結果的變化對數據實時更新，實現可視化與仿真系統的集成。

2) 壩體分塊海量模型庫

該面板堆石壩大壩塊體模型采用參數化建模，其滾動層厚采用線性插值法進行切割。程序對壩塊類型作了定義，每個塊都有自己的區號、頂高程、狀態屬性。

3) 壩體施工布置數據庫

該可視化系統運行時會先初始化數據庫，遍歷掃描每一幀開始時的壩塊模型，通過判斷壩塊所屬的壩段編號是否與其中的施工面積編號對等，以及壩塊狀態是否為假，壩頂高程是否小于模擬數據中的端部高程并大于模擬數據中的初始高程。當上述條件得到同時滿足，系統自行渲染壩塊，否則重新掃描下一幀，如此往復，直到實現大壩澆筑的實時動態可視化模擬。該模擬機制可移植性強，思路清晰，對于出現研究對象發生變化的情況也不浪費人力，只要導入3個模型庫中的新數據，相應的可視化系統即可建立。

2.2 面板堆石壩可視化建模方法

1) 地形建模

數字地形模型(簡稱DTM)可以反映施工總布置區域的地形、地貌，其數據組織形式有規則格網模型和不規則三角網模型(簡稱TIN)等。該面板堆石壩工程采用TIN 模型。高精度DTM建模步驟為：導入原始地形數據，按 Delaunay 三角形剖分算法生成初始TIN模型，消除細小、狹長三角形，對模型進行內插細化。

2) 壩體建模

采用參數化建模方法建立面板堆石壩壩體模型并進行渲染。層厚會在可視化系統內隨著時間的推移不斷被讀取，建造新的壩塊并將其連接到現場。由于大壩是由多個表面模型組成的實體，建模的主要思想為利用尋找到的控制點建立貝塞爾曲面模型，對貝塞爾曲面進行積分。

2.3 WEBGL渲染技術

系統主要包括：渲染系統和插件、圖形界面、紋理和圖片解碼器、日志系統等[9]，全歸WEBGL::Root主管。渲染系統的工作模式如圖2所示。

圖2 渲染系統工作模式示意

2.4 系統交互機制

Frame Listener和 Event Hander2個子模塊的存在可以使交互機制具備良好的人機交互功能，工程師對場景渲染的控制、查詢相關施工信息、查看壩體建筑物的細部構造等方面也變得更加方便(如圖3所示)。幀監控模塊對監控鼠標和鍵盤事件有控制場景渲染過程和修改實體的幾何信息等。事件處理模塊監聽其他外部輸入，根據不同的消息映射完成虛擬場景的重繪。為了優化交互環境，本文在模塊中引入了CEGUI強大的用戶界面庫，支持大多數渲染引擎，如 WEBGL、Open GL 和 Irrlicht。CEGUI具備良好的可擴展性和插入各種界面組件的靈活性，系統不僅能通過GUI控件控制場景的渲染速度、同步顯示施工信息數據、還能實現沉浸式漫游功能 。數據庫的顯示和查詢是通過WEBGL引擎的Overlay模塊實現。

圖3 系統交互模型示意

3 系統體系結構設計

3.1 系統開發目標及原則

以面向對象的思想進行系統設計，能實現模型、三維可視化平臺、交互式操作技術、施工仿真技術以及數據庫管理等方面的集成，并具備適用性、實用性及系統開放性等特點。

3.2 系統開發環境

系統開發所需的工具及軟件：① 建模軟件：采用Civil3D 進行壩體參數化建模，地形模型選用3DS Max創建；② 可視化工具：仿真模擬三維可視化需要的軟件平臺選用WEBGL；③ 數據庫服務器：采用Microsoft SQL Server 2008 構建；④ 編程環境：系統采用 B/S(瀏覽器/服務器)模式開發，編程語言使用C#。

3.3 系統功能與架構設計

該系統采用成熟的仿真理論和數據庫技術，根據既定的充填規則和約束條件，通過不斷改變狀態和決策變量，模擬面板堆石壩主體工程堆石料的施工過程。狀態變量是反映面板堆石壩在充填過程中的狀態、高程、體積、起止時間的變量。決策變量是在滿足既定的灌裝規則和約束條件的前提下，判斷即將進行的灌裝行為；然后通過讀取填方信息，判斷施工路徑、施工機械、施工強度，循環進行累計填方施工；最后，通過可視化和信息化管理技術對各種形式的信息進行分類整理，輔助面板堆石壩的施工管理和決策。面板堆石壩3D可視化仿真系統流程如圖4所示。

圖4 面板堆石壩三維可視化仿真系統流程示意

面板堆石壩三維可視化仿真系統采用SOA分層架構(如圖5所示)。在數據庫的設計中，所有的訪問操作都使用了存儲過程，既最大限度地減少了數據庫層的變化對程序的負面影響，也避免了頻繁的表操作。

圖5 系統分層架構設計示意

4 系統模塊劃分與功能實現

4.1 系統模塊功能劃分

面板堆石壩三維可視化仿真系統基于Microsoft Visual Studio C#平臺開發，并結合了數據庫技術和圖形動畫技術。系統由方案參數設置、仿真計算結果、填筑施工月強度、填筑進度橫道圖和進度實時調控等功能組成。系統的模塊功能劃分示意見圖6。

圖6 面板堆石壩三維可視化仿真系統模塊劃分功能結構示意

4.2 系統模塊功能實現

1) 方案參數設置模塊功能實現

方案參數設置將土石方調配成果、物料供應路線參數、填筑時段及物料供應信息、各區填筑層體積、壩體填筑約束、各區填筑時間、月有效施工時間等工程基本信息導入數據庫，同時應用于后期仿真計算。

2) 仿真計算結果模塊功能實現

通過引用仿真計算后的數據，將數據庫中的計算值在系統界面輸出[12-13]，同時，可根據填筑區類型、時間范圍查詢仿真計算結果數據等功能。

3) 填筑施工月強度模塊功能實現

通過訪問數據庫中仿真計算結果，按月份統計填筑施工強度，通過柱狀圖表示每月的填筑量、曲線表示工期中每月累積工程量。

4) 填筑進度橫道圖模塊功能實現

計算工程施工周期，自動生成填筑進度橫道圖，同時填筑進度數據、橫道圖、三維可視化同步更新顯示，可進行播放、暫停、選擇等操作。

5) 進度實時調控功能實現

施工進度實時控制過程中與仿真計算相結合，實時調控計算、進行多仿真方案對比等，實現基于仿真計算結果對現場施工進行進度實時控制(系統實現功能模塊見圖7)。

a 填筑施工月強度

4.3 三維可視化成果展示

面板堆石壩，設計正常蓄水位為347.50 m，壩頂高程為351.00 m，防浪墻頂高程為352.20 m，最大壩高為128.20 m(壩軸線處)，壩頂寬為10.00 m，庫周總長度約為2 084.12 m，其中主副壩壩軸線總長度約為1 354.22 m，開挖庫周總長度約為729.90 m。面板堆石壩壩體于2021年3月底填筑至230.2 m高程，2022年3月底填筑至293.4 m高程，2022年12月底填筑至334.4 m高程，2023年3月4日填筑至350.6 m高程，壩體完工。截至不同施工時間點壩體施工全貌如圖8所示。

5 結語

面板堆石壩三維可視化仿真系統按自上而下、從總體到局部對系統進行全面規劃和整體設計，再自下而上、由分到總地分期實施，實現了面板堆石壩施工過程的仿真計算以及動態顯示。

1) 針對性：可以逼真模擬面板堆石壩施工過程，提高信息管理效率，為工程施工設計及管理決策人員提供及時、準確、有效的信息支持。

2) 實用性：考慮了大量數據的存儲、維護與更新的方法，可在相當長的生命期內完成正常運行及簡單維護，充分發揮系統的經濟和社會效益。

3) 開放性：系統采用開放式設計，便于更新與移植，并提供多種數據接口，同時具備較友好的人機界面，使用方便。