基于Unity 3D 的水电工程施工过程可视化仿真研究

龚攀

摘 要：文章提出了基于Unity 3D的水电工程施工过程可视化仿真方法，对于可视化仿真系统的结构框架、三维模型的构造以及可视化仿真实现的问题都做了详细介绍。该方法能够提高可视化实现的效率及效果，可为工程施工方案的管理和决策提供信息化支撑。

关键词：Unity 3D；水电工程；可视化仿真

前言

水电工程施工的自然环境一般比较复杂，而且工程规模很大，在其施工的过程中，就会因为各种不定因素的干扰，增加工程施工的风险，使得工程的设计和施工任务加重。所以，在工程开工之前，编制合理的施工组织手册，选择恰当的施工方法、施工机械及配套组合，以及高效直观地对工程的施工过程进行管理，这很大程度上保证了工程建设的完成工期以及工程的造价。随着可视化技术与仿真技术的结合，我们可以对大坝的施工过程进行可视化仿真，这为水电工程的施工管理开辟了新的道路[1]。文章采用Unity 3D这款功能强大的游戏开发引擎与计算机仿真技术相结合，对基于Unity 3D 的可视化仿真技术作了相关研究，它可以展示真实的施工过程，可以为工作设计人员提供一个直观形象的可交互环境，让决策者快速掌握施工条件和状况，高效准确地作出决策，这为水电工程的施工组织管理提供了有效的工具。

1 Unity 3D与可视化仿真系统的结构框架

Unity 3D是一个全面整合的专业开发引擎，它由完整的图形渲染系统、物理系统、音视频系统、网络系统、编辑器系统、GUI 系统、Shader 系统等多个子系统组成。它具有优秀的设计环境、操作简便的场景编辑器、方便快捷的设计流程，它支持3DSMax和Maya等一些主流的三维建模软件；在浏览器的环境中它可以直接运行嵌入的编写好的程序，也可以在 Windows、MAC等多个平台上运行，具有跨平台的功能，而且还支持Javascript、C# 等[2]脚本语言。正是这些优点，使得Unity 3D成为可视化仿真优先考虑的对象。

可视化仿真系统主要由施工过程仿真系统和三维可视化系统两部分组成。大坝施工过程仿真系统主要是通过模拟得到工程施工强度、主体工程的浇筑顺序等相关信息，储存到公共数据库中以供可视化系统调用，该过程主要是采用离散事件的方法对大坝的浇筑过程进行仿真模拟。基于Unity 3D的仿真可视化方法主要表现为在仿真建模的过程中，利用仿真系统得出的信息来进行可视化的表达。同时，在可视化系统中，用户可以通过对系统界面的控制对仿真过程进行管理，直到理解所有的仿真对象。

2 三维模型的构造

2.1 数字地形建模

数字地形模型（Digital Terrain Model， DTM）是所有水工建筑物布置及施工活动的场所，地形可采用不规则三角网模型（Triangulated Irregular Network， TIN）来描述。生成TIN模型的主要步骤如下。

（1）将原始地形图按等高线连接成闭合曲线，选择合适的等高线间距并对其高程进行处理。（2）将闭合的曲线离散成点，通过点生成线，线生成面，最后由面生成体。在离散化的过程中需要注意选择合适的离散间距以及错误等高线及多余点的检验和删除。（3）借助CAD二次开发生成网格模型[3]。

2.2 工程主体建筑物模型库建立

水电工程主要的地物模型按照模型的属性，可分为静态和动态模型。对于在仿真过程中模型各顶点的几何数据及空间位置都保持不变的实体，称为静态模型，例如导流建筑物和施工机械等，对于这类模型主要是通过对实体进行的交集并集等布尔运算来进行建模。该类模型可以按下面的步骤进行处理。

（1）掌握模型的相关信息，采用Auto CAD、3DSMax等建模工具直接建立三维模型。（2）将所建模型导入3DSMax进行贴图和光照处理。（3）导入Unity 3D进行渲染和管理。

相对于静态模型，动态模型是指在施工过程中几何形态不断变化的对象，例如坝体和地形的开挖等。大坝的建模步骤如下[4]（其他动态模型可以采用相似的步骤进行处理）。

（1）首先要得到坝体的模型，这个过程主要是根据大坝的结构设计资料，进行模型的建立。（2）然后确定实际填筑块，通过对坝体剖切分区分块，得到的单元模型即为所要确定的填筑块。（3）将处理好的填筑块导入到Unity 3D中进行管理并完成渲染的工作。

3 仿真可视化的实现

仿真可视化系统的基础主要是基础模型的制作，完成对工程施工总布置图三维模型的构建，然后在Unity 3D中进行必要的编程，最后凭借Web系统和系统展示模块显示出来。用户可以通过三维可视化这个实时交互的系统，在逼真的虚拟场景中查询各水工建筑物的状态。具体过程如下。

（1）构建模型是基础，首先在3DSMax中创建实体模型。（2）模型的处理，主要是对模型进行贴图和材质的相关处理，模型应该具有所有属性数据，最后生成施工总布置动态三维数字模型。（3）模型文件格式的处理，模型文件导出必须另存为fbx格式，这样Unity 3D才可以进行识别处理。（4）编程，在Unity 3D中编写正确的脚本程序，根据交互的需要，实现相应的逻辑控制。（5）应用的发布，发布一个Web Player 应用，该应用具有动态加载和三维模型显示的功能。（6）网页系统通过加载该应用实现三维可视化虚拟交互。

4 工程应用

依据前文介绍的理论和方法，结合某水电工程，通过3DSMax对施工场地总布置实体进行建模，借助 Unity 3D专业引擎研发了某工程施工过程的可视化仿真系统，实现了施工场地总布置三维可视化远程交互和大坝三维可视化动态上升过程，如图1所示。

图1 施工总布置图

5 结束语

文章提出了基于Unity 3D的水电工程施工过程可视化仿真方法，该方法不仅可以逼真形象地描述工程复杂施工的过程，而且利用Unity 3D这个强大的游戏开发引擎，为仿真信息的可视化提供了更好的途径，提高了工程信息化管理的水平。

参考文献

[1]李景茹，钟登华，刘东海，等.水利水电工程三维动态可视化仿真技术与应用[J].系统仿真学报，2006（1）：116-119.

[2]陈永兴.沥青混凝土心墙堆石坝施工仿真理论与应用研究[D].天津大学，2012.

[3]赵春菊，胡超，周宜红.基于OGRE的碾压混凝土坝施工过程可视化仿真系统[J].水利水电科技进展，2013（4）：41-45.

[4]胡超.面板堆石坝坝面作业动态仿真与资源优化研究[D].三峡大学，2012.