基于三維動畫技術與 虛擬現實技術的水利工程施工管理系統研究

梁柳金

（廣東百盛建設工程有限公司，廣東 江門 529000）

隨著水利工程建設規模的逐年擴大，水利工程已經成為我國基礎設施建設中的重要項目，在水利工程的設計和施工管理中，需要三維重組工程管理的相關信息，與圖像、充分融合動態特征與圖像的合理分析，本文依托虛擬現實以及三維動畫技術，科學合理地設計工程施工管理系統。

首先通過信息聯動構建底層數據庫，有效識別信息化管理的狀況，合理設計該管理系統的模塊；其次利用具體的項目應用實踐以及相關的實驗檢測驗證其可行性。

1 三維動畫技術和虛擬現實技術可行性

1.1 三維動畫技術

基于三維動畫技術進行該管理系統的模塊設計和全部結構設計，必須進行施工管理系統數據模型的構建。

該施工管理系統的成型加載模塊、總線調度模塊、信息融合模塊、代碼協議模塊等的構建，必須依托C/S 結構體系；在網絡設計的層面，數據庫可采用MySQL，進行該管理體系的底層信息融合；服務器可選擇Tomcat，進行該管理系統規范化程序結構開發，建立該系統的三維動態重組模型；該管理系統的技術指標分析和功能模塊設計，可以采用控制組件和總線開發的方式；通過PXI、LXI、VXI 聯合總線測試，構建該工程管理系統的用戶監控終端顯示模塊、視頻數據中心管控模塊以及視頻數據存儲模塊等。按照整體技術框架，通過數據共享、信息聯動、實時感知等方式，進行底層數據庫的合理構建，水利工程施工管理系統底層信息類型標識涵蓋NTSC、SECAM、PAL 等，具體的編碼通常采用4 ∶4 ∶0 或者4 ∶2 ∶0 的方式，充分利用了塊方式運動補償控制設計該管理系統的三維動畫，從而獲取該系統的三維動畫幀識別模型。

1.2 虛擬現實技術

針對水利工程的施工和管理，必須充分考慮無處不在的管理多變性和施工的復雜性，主要表現在專業領域的超前性、超長的項目周期、龐大的資金運轉、廣闊的施工區域、不可控的生態環境、冗雜的施工隊伍、后勤管理的繁雜性，這些特點都決定了水利工程絕對不可能像其他工程那樣只是憑借圖紙就能施工建設，而是要具體細致地研究和劃分工程的每個施工階段的事項。傳統的工程模型難以達到參數對比的直觀性、不能進行大規模的工程建設；傳統的二維水利工程設計圖諸多實際、專業的標注不能顯示在設計圖上，在實際管理施工進度的過程中，依舊利用傳統的人工報表、傳遞文件、手工編制等手段，進行相關的信息統計、編制和存儲，難以滿足現代施工的標準，導致信息傳遞不暢。虛擬現實及仿真技術成熟和應用恰好滿足了現代水利工程施工管理的客觀要求，應用前景十分廣闊，為解決以上的傳統施工問題找到了可行的途徑。具體來說，虛擬現實技術可以將項目有望形成的整體面貌通過在計算機進行真實地表現；水利工程的諸多專業合作，可以在一個虛擬的環境中實現；可以為水利工程完工后的運行管理提供三維可視化平臺；更可以為水利工程的宣傳匯報搭建展示平臺，比如水庫移民宣傳、生態環境的影響、社會和講解效益等[1]。

2 三維動畫技術的水利工程施工管理系統

2.1 三維動畫設計

本工程完全采取了測量同步性和信息化監測的手段，實施該施工管理系統模 型的建設。通過模擬三維動畫構建視景配置模型，可以依托該系統的MSTP/SDH管理專線，通過區域位置視景重建以及圖像跟蹤技術獲得該管理系統的三維動畫視景結構配置模型。重要的視頻幀數據可以在攝像頭圖像中獲取，基于三維視景重構結構模型參數，跟蹤和理解該工程施工建設行為，獲取該工程的三維動畫分布像素：

上式中，Ix 代表基準背景圖像；Iy 則表示該工程的現場視頻幀動畫序列。施工管理中的三維動畫視頻片段，完全可以通過3DStudioMAX 軟件進行分析，具體來說包括三個模塊：管理報警系統、分析視頻、系統管理。獲得如下分組檢測參數：

上式中，x 代表分析水平視頻模塊的參數；a 代表模糊匹配系數；y 代表分析垂直視頻模塊；b 代表聯合參數匹配系數；z 代表中軸視頻分析模塊；c 代表邊緣像素差異度；H 代表視頻采集點的邊緣像素分量；ω代表偏離度；τ 表示檢測三維動畫的時延；γ 代表模糊度；I 表示單位矩陣；P 代表空間像素誤差；θ 表示匹配誤差。

通過視頻的核心節點和視頻區域節點得到施工管理系統的稀疏性特征，其分布式如下：

上式中，σ 表示特征點的描述符；x 代表兼容BS DUNIX 的特征誤差；y 表示統計特征點局部鄰域參數。利用OpenFlight 數據結構重建該管理系統的視景，借助主成分分析模式進行該工程管理的統計分析和視景重構，獲取如下的直方圖統計梯度方向：

上式中，Φ(Tm)代表最小值位置的內點集；pi代表該工程三維動畫極值點局部鄰域梯度幅值；N 代表水利工程三維重構梯度的方向數；Tm(gi)代表統計梯度方向的灰度級；τ 表示梯度的模值。本項目利用模糊判斷模式自適應模擬三維動態視景，利用信息化監測和同步測量的手段進行管理系統模型構造，施工管理系統的底層文件配置可以借助三維視景重構實現。

2.2 系統結構模塊化設計實現

在部署該管理系統的過程中，三維動畫的視景承載和模擬通常利用CDN 完成，通過AngularJS 框架的路由機制和VIX 總線控制技術，實現工程管理系統視景參數配置，獲得工程管理軟件的結構模塊。按照該水利工程管理軟件結構模塊，開發機械結構虛擬視景模擬軟件的APP，利用的技術為A R MCortex-M0 處理器內核，以ZigBee 物聯網組網為基礎，配置數據網絡裝置或者SDH/MSTP，在系統底層引入電源線、控制線和視頻線，在動畫傳輸信息端利用視頻編碼器將其接入，有效配置施工管理類結構，軟件的流程實現[2]，如圖1 所示。

圖1 系統的軟件實現流程

3 虛擬現實技術的水利工程施工管理系統

3.1 虛擬仿真系統的功能和設計

1.系統功能。系統的復雜性是水利工程的特點，構建水利工程關鍵設備的計算機模擬實現和運動數學模型，包括泄水閘門、船閘、水輪機等。進行水利工程運行機理的模擬，構建虛擬漫游系統。在三維虛擬仿真環境中，可以進行水利工程運行管理狀況的實時動態顯示，進行施工設計圖紙和工程屬性數據的實時查詢。

2.虛擬現實建模的設計。本文研究的核心目標是水利工程的施工管理，采用的兩款軟件包括MultiGen Creator 視景建模軟件和vega 時驅動軟件，充分結合高性能的圖形工作站，構建虛擬仿真施工環境必須通過Ar-Cgls.Microstation.AutocAD 完成，數據轉換可以依托CAD 的數據基礎，設計搭建逼真、精確的三維模型。利用虛擬仿真模型從不同的角度對整個工程進行觀察分析，解決工程中重點問題。例如，工程樞紐的整體布局、地下廠房及設施的優化、洞室與廊道之間的關系、建筑物設計的合理性等。

3.2 施工中的計算機仿真模擬應用實踐

作為復雜而動態的水利工程施工管理系統，施工各個環節間彼此關聯、相互滲透又互相作用。按照水利工程施工現場動態特點和不同環節的特性，又可以細化為布置施工場地和工程施工子系統兩個部分。隨著施工進度逐步推進，動態的不斷變化是兩個子系統的特征。第一，唯有科學地現場布置，才能如期完成水利工程；第二，唯有合理地施工進度設計，才可以讓場地有利于施工。例如，因為不合理的施工進度計劃安排，造成峰值表現在某一時間段導致在某一時間段資源強度出現峰值，形成嚴重的現場堵塞，最嚴重的時候會影響或停止施工。由此可見，兩個子系統在施工中進行潛移默化地平衡，一旦打破該平衡，施工進度就難以保證。傳統的數學計算模式，進行平衡的計算，雖然很科學，但難以直觀、形象地反映平衡過程。而虛擬現實與仿真技術的應用，完全能夠將維持平衡的過程展現給決策者，不平衡的現象一旦發生，就可以及時進行調整，也可以在施工前通過虛擬現實仿真模型進行模擬調整。

4 實驗測試分析

提出構建水利工程施工管理系統的構建策略后，本文進行了模擬仿真實驗，以驗證本文介紹的兩種技術在水利工程管理系統中的應用性能。本研究的虛擬視景重建和仿真實驗選擇在DVENET(Distributed Virtual Environment NET-work)中進行。通過設定不一樣的參數，有效結合不斷操作的客戶端軟件，對監控點的PTZ 攝像機的管控，Mine Recv Packet 和Mine Send Packet 類結構中，進行工程項目管理系統程序的加載。按照數據加載實現水利工程施工管理三維動畫視景仿真結果，通過仿真結果分析不難看出，本文的兩種方式對水利工程施工項目進行管理，具備良好的工程管理視景的重構行。通過對不同方式的測定，工程施工管理的穩定性極高，具備推廣價值，具有廣闊的應用前景[3]。

5 結語

本文提出基于三維動畫技術以及虛擬現實技術水利工程施工管理系統的設計模式。首先建立管理系統的三維動態重組模型，進行功能模塊設計和管理系統技術指標分析；工程管理重建參數分析模型通過三維動畫配置技術完成；通過翔實分析動畫特征和三維重建，合理優化工程的項目管理模式。通過虛擬現實仿真實踐以及實驗檢測分析，本文設計的管理系統能夠高效管理水利工程的施工，具有良好的穩定性和視景重構性。