水利工程运行管理中虚拟仿真技术的应用

荆 鑫

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，沈阳 110166)

0 引 言

20世纪50年代兴起的一种新型虚拟仿真技术，为实现工程运行管理现代化以及提高人的主体认识能力提供了技术支持。一般地，对于仿真结果的读取比较常见的形式有可视化、数字化和二维仿真3种。其中，数字化仿真存在操作简单、易于实现的特点，但仿真结果无法直观地提供给用户，所以理解时具有一定难度，并且对于一些隐蔽性问题也难以发现；二维仿真较数字仿真更加直观，二维图形模拟多用于物流规划、城地和设备等领域，有也将二维动态图形用于物流过程的模拟分析，并为工程优化设计提供指导。但是该方法无法实现人机交互，只能提供简单的画面。随着计算机硬软技术的快速发展，虚拟仿真技术逐渐得到广泛的研究应用，可视化仿真逐渐替代以往的数值和二维仿真。可视化仿真主要是利用系统中各物理对象的位置关系，经过组合处理生成三维模型，在三维空间上加入时间轴T，从工作方式和具体坐标的角度描述基本对象。在表现形式上仿真结果不局限于各种符号图形在屏幕上的动态变化，而且能够实现人与电脑的互动。如，在水利工程虚拟仿真系统中各种施工机械有序的工作，随着项目的持续推进可以展现大坝施工、中转场、库底回填、渣场等动态变化过程，更加真实的模拟整个工程的现场运行情况[1]。

虚拟仿真技术涉及通讯、控制、信息、系统、相似管理、计算机、多媒体等各种现代高科技，它是计算机虚拟现实技术与各种物理效应设备的最主要表现形式，可以实现真实环境和感受的仿真，以一种交互仿真环境实现用户与环境的自然交互，让其产生身临其境的感受[2-3]。

在高精密仪器、特殊操作训练等领域该技术得以广泛应用，如宇宙飞船、轮船、核电站、飞机等，并为水利工程规划、模拟、设计、演示等提供一种新的技术手段。因此，综合利用计算机仿真与虚拟现实技术建立三维可视、实时动态的水利工程运行管理虚拟仿真环境，在此环境下使技术管理人员能清晰而直观地看到现实或历史、静态或动态、局部或整体的工程运行管理真实场景，从而提出合理化建议和要求，这也是应用虚拟仿真技术的主要目标。通过虚拟仿真决策层可以获取最准确最新的工程运行信息，以便能够快速判断未来可能发生的事件，并给出有效的管控对策[4-6]。

1 虚拟仿真原理

1.1 建立三维虚拟环境

虚拟仿真在整个工程中的应用基础是虚拟环境建模，一般涉及听觉建模与三维视觉建模两个体系，其中视觉建模有模型切分、对象特性、物理、运动和几何建模等模块。

采用DEM数字高程模型或以.dxf、*.dgn格式存储的三维等高线地形图，实现虚拟仿真数据与地理特征数据的格式转化，并考虑工程地形条件贴上真实的卫片或航片。然后结合二维CAD图纸建立三维建筑物仿真几何模型，如通航建筑物、厂房、地下电站、泄水建筑物和水库大坝等，将真实照片纹理与现场实拍照片相融合，可以实现工程现场情景的完全模拟。最后，按照实际接触的工程建筑物与地形关系，通过拼接处理完成三维虚拟仿真的建模。

1.2 应用虚拟仿真技术

实际上，表面变形、对象捕获、相互作用、位置改变、缩放、碰撞等均反映了三维虚拟环境中物体的运动特性，通过将坐标系设置于每个具有运动特征的对象上可生成对象坐标系统，为改变对象的位置可以利用各方向上坐标值的控制来实现。将虚拟仿真技术应用于工程运行管理时，水工建筑物部件通常会发生运动，如水轮机机组运行、泄水闸门的旋转、船闸的关闭与开启，开闸泄水流态以及水位的变化等。三维几何模型仿真这些动作效果时，需要在一定条件下合理控制、设定其空间方位角和位置坐标，由此实现水工建筑物的动作模拟。

此外，地理目标名称(或唯一的ID)在工程实时监测数据与三维仿真模型之间存在相互对应的关系，且水工建筑物监测、控制等相关信息来源于工程实时监测数据。采用这些信息可对三维仿真环境中水工建筑物的运动状态实时更新，并在三维仿真环境中以各种属性表、颜色的方式查询和显示工程的水质水情监测、渗流监测、各种变形监测等信息。将虚拟仿真技术应用于水利工程运行管理的基本流程，如图1示。

图1 虚拟仿真流程

2 水利工程运行管理虚拟仿真技术

水利工程管理通常存在许多随机性的复杂因素，用精准的数值模型难以进行客观准确的描述，因此现代化仿真技术在各行业中的应用将日趋广泛。

2.1 单个水利工程管理维护仿真

针对单个水利工程安全监测、运行状态的管理利用三维可视化仿真几何模型实现，其中安全监测数据利用实物监测仪器采集，结合不同的安全监测数据立体显示水利工程的侵蚀崩溃状况、位移情况、受力变形仿真等。采用合理的预测模型和质量评定标准，综合处理分析各种监测资料与数据信息，并对工程的内外在质量进行科学的评估，及时准确的掌握其运行状态。通过创建良好的运行管理系统，可为水资源优化配置、整个流域的防洪调度以及工程运行管理提供可视化工情和水情信息。采用三维仿真系统管理控制水闸枢纽工程时，其总体结构如图2所示。

图2 三维仿真系统总体结构

2.2 长距离输水工程运行管理仿真

长距离的明渠输水工程涉及沿途分水口、排水闸、涵洞、退水闸和各节制闸等工程管理，运用三维仿真技术构建输水工程管理系统，不仅可以达到实时监控输水工程运行情况的目的，还可考虑不同需水量与供水量，在三维虚拟环境下仿真控制输水工程岩土的排水闸、分水口、各节制闸等。在三维虚拟环境下实时查询各节制闸的安全监测、实时流量、闸门开度等信息，以及总干渠各渠段的水质、流量和水位信息等。此外，三维仿真系统可以实时显示三维定位，并为长距离输水工程安全运行提供预警。

2.3 水利工程联合调度仿真

在水资源综合利用、优化配置以及流域防洪减灾等方面，水利工程发挥着关键的控制性作用。根据三维虚拟仿真技术构建流域内的水库工程管理系统，在三维虚拟环境中仿真不同工程联合调度方案，通过联合会商明确工程调度最佳方案，可为实现水资源合理利用、防洪减灾和达到效益最优提供科学依据。

1)在三维虚拟环境中模拟验证流域防洪联合调度模型的可行性、有效性，主要考虑三维可视化显示、实时计算的水开闸泄水流量、上下游水位、上游来水库容等。根据工程运行需要、泄水建筑物设计要求、泄洪闸事先编排、不同时期上游流量与水位，对泄水建筑物开闸泄洪利用三维虚拟仿真系统模拟，通过模拟仿真下游水流流态、开闸泄水等工程运行情况，利用可视化信息为决策者提供可靠支持。

2)采用实时监测的水位流量数据和流域内水利工程联合调度模型，在三维虚拟仿真系统中显示流域内各类控制性水利工程的调度过程，以此实现水资源优化配置会商和流域防洪调度。

3)综合利用地理信息系统与三维虚拟仿真系统，对上游库区水库在不同水位条件下的土地淹没情况、淹没范围面积进行实时查看，为流域生态环境保护、水土保持以及库区移民等提供可视化的监测信息[7-8]。

2.4 水利工程运行机理仿真

大型水利枢纽工程的工作机理和运行过程非常复杂，如三峡升船机、双线五级船闸等，仅仅依靠纯数值计算和平面设计图纸，难以客观真实的反映工程运行情况及工作机理。采用虚拟仿真技术建立各组成部件与水工构筑物三维模型间的运行关系，从而形成工程管理优化实验平台，为直观准确的反映工程运行情况以及技术管理人员决策提供科学指导[9]。如，利用三维虚拟仿真技术构建的双线五级船闸运行管理体统，可以从不同侧面同步仿真船经过船闸时的闸室内充防水、闸门开启与关闭等一系列运动过程。

3 结 论

计算机三维仿真技术在水利行业中的应用水平，较其它行业还存在较大的差距，现阶段主要用于工程的局部结构，还未能形成集成整个工程项目的管理系统，尤其是在多元数据融合、可视化等方面仍需进一步探究，水利行业中多任务、多目标虚拟仿真系统的应用还不够成熟。运行管理过程中水利工程多利用摄像头或二维平面监视，在管理决策和调控过程中三维空间动态技术的应用还处于起始阶段，水利工程运行管理将随着三维虚拟仿真技术的成熟得以快速的发展。