连云港市水利局 江苏连云港 222006
摘要：水利工程运行管理虚拟仿真，即综合运用虚拟现实和计算机仿真技术建立水利工程运行管理过程中三维的、动态的、实时的、可视的虚拟仿真环境，使工程运行管理人员能在此环境下直观而清晰地看到工程运行管理过程中的整体或局部、动态或静态、历史的或现实的以及将来的真实场景，提出自己的意见要求。决策层也可在最短的时间内获得最新最准确的信息，以便对未来事件做出快速的判断并采取相应对策。基于此，本文主要对虚拟仿真技术在水利工程运行管理中的应用进行分析探讨。
关键词：虚拟仿真技术；水利工程；运行管理；应用探索
1、前言
随着社会的发展进步，计算机技术在这几十年来快速发展，让人类进入了信息时代。计算机技术在人类生活和研究的各个方面都起到了至关重要的作用，帮助人类解决了许多的难题。仿真技术采用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。计算机技术和仿真技术的相结合，形成了计算机仿真技术，作为一种全新的方法，被人们应用到了各个领域。三维仿真、虚拟现实及科学计算可视化的发展及其相互结合使人类驾驭世界的技能得到了极大的延伸。
2、虚拟仿真技术在水利设计行业中的意义
水利工程是我国一项极为关键的基础设施建设，在发电、防洪、灌溉、用水等方面都做出了巨大贡献。由于工程巨大，结构复杂在设计时，通常要考虑地质勘测、气候水文、结构承受力、施工工艺以及各项管理调度工作，而且水利工程投资大，例如2015年～2017年期间，2015年省级投入经费2802.4万元，其中：维修经费1494万元，养护经费757万元，78条地方性骨干河道管护经费335.3万元，133座小水库管理护经费186.1万元，河道和水利工程管理范围划定30万元。2016年省级投入经费2802.5万元，其中：维修经费1503.4万元，养护经费757万元，78条地方性骨干河道管护经费317万元，133座小水库管理护经费216.1万元，河道和水利工程管理范围划定9万元。2017年省级以上投入经费3919.1万元，其中：维修经费1813万元（含中央资金809万元），养护经费757万元，78条地方性骨干河道管护经费320万元，133座小水库管理护经费246.1万元，河道和水利工程管理范围划定783万元。还需要消耗大量的人力物力，对环境也有较大影响，设计工作必须做好全面考虑。
以往在设计时，大都是先构建一定比例的实体模型对其进行各种试验，以此获取最准确的参数，这种方法比较直观，操作也很简单，其缺点在于实体模型一旦做成很难更改。而且二维平面设计难以反映各个学科设计者的思想，影响交流。
3、水利工程运行管理虚拟仿真原理
3.1建立水利工程三维虚拟环境
整个工程虚拟仿真应用的基础为虚拟环境建模，主要包括了听觉建模和三维视觉建模。其中，视觉建模主要包括模型切分、对象特征建模、物理建模、运动建模和几何建模等。对于工程地形，要根据三维等高线地形图，进行地理特征数据格式到虚拟仿真数据格式的转化，然后贴上真实的卫片或航片。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于各个工程建筑物，根据建筑物二维CAD图纸建立大坝通航建筑物、厂房、地下电站和一些水工建筑物的三维仿真模型，现场采集图片，上传真实照片，完成现实场景模拟。最后，根据工程建筑物和地形的实际地理位置关系，对三维仿真建筑模型进行拼接，完成整个工程的三维虚拟现实模型。
3.2工程运行管理虚拟仿真应用原理
坐标系统是对三维虚拟环境中的每个物体的运动特性涉及到表面变形、缩放、对象捕捉、碰撞、相互作用、位置改变等，对于每个对象的运动特性定义一个对象坐标系统。通过改变对象坐标系统中的具体坐标值来改变对象的位置。水工建筑物部件根据水利工程运行仿真系统，需要进行运动。这些动作效果需要在一定的条件下对虚拟现实几何模型的空间方位和位置坐标进行控制和设定，实现三维几何模型的动作模拟。而后，使得实时监测数据和三维仿真模型之间对应的地理目标名称一一对应，从实时工程检测数据中获取水工建筑物相关的检测、控制信息，并在三维仿真环境中根据这些信息，实时在三维模型中更新水工建筑物的运行状态。而且还可以对工程的各种水质水情监测、渗流监测、变形监测等监测信息，把其各种属性以属性表或是颜色的方式在仿真模型中进行显示和查询。
4、水利工程运行管理虚拟仿真应用
4.1流域内水利工程联合调度虚拟仿真
水利工程对于流域的水资源配置、防洪减灾以及综合利用有着显著的控制性作用。建立流域内的水利工程三维虚拟仿真系统，在三维虚拟仿真系统中对各个工程建的各种方案、联合调度进行仿真，联合协商，从而寻找最优的工程调度方案，以达到利益最优，为水西园、防洪减灾提供决策支持。主要表现在：在三维虚拟环境中，对流域的防洪调度模型进行模拟验证。主要考虑各个水利工程开闸泄水流量、上下游水位、水库容量的实时可视化和实时计算。对于不同时期的上下游的水位和水量，根据建筑物排水的设计以及泄洪闸事先编排和工程运行的需要，模拟建筑物的开闸泄洪和工程泄水。对于水利工程的各种情况下的水流流态、开闸泄水等进行虚拟仿真，为决策者提供最新的可视化信息支持。
同时与地理信息系统技术相结合，实时查看不同水位条件下的上游库区淹没土地情况和淹没范围，为库区的生态环境保护、文物保护、库区移民等提供可视化的监视环境。
对于流域内多个水利工程，根据流域内实时监测的水位流量数据和联合调度模型，对流域内的各类控制性水利工程进行联合调度仿真，调度过程在三维虚拟现实中真实显示，实现流域水资源配置和防洪调度的决策会商。
4.2长距离输水工程运行管理虚拟仿真
长距离的明渠输水工程(如南水北调工程)涉及到输水工程沿途各节制闸、退水闸、涵洞、排水闸、分水口等水利工程的管理。建立输水工程运行管理三维仿真系统，实现:(1)在三维虚拟环境下，根据不同供水量、需水量，对输水工程沿途的各节制闸、分水口、排水闸等水利工程进行控制仿真，对不同的调水方案进行比较。(2)对输水工程的实际运行情况进行实时监控。在三维虚拟环境下，实现对包括总干渠各渠段的水位、流量、水质信息，各节制闸的闸门开度、实时流量、安全监测等信息进行实时查询。同时，提供工程安全预警，进行三维实时定位显示。
4.3单个水利工程运行维护管理仿真
对于单个水利工程，建立水利工程三维仿真几何模型，实现在三维可视化的环境下对工程的安全监测、运行状况进行管理。根据水利工程的侵蚀崩溃状况、位移管理、变形状况等建立实物检测安全监测数据与三维仿真模型的联系，显示不同的安全监测数据。运用安全质量标准体系和评价模型，对各种检测获取的资料信息和监测数据进行综合分析处理，评价工程的外在、内在质量，了解掌握工程的运行状态，为流域内的防洪调度和水资源配置提供可视化的信息，也为工程管理人员提供了良好的工程管理平台。
4.4水利工程运行机理仿真
大型的水利枢纽工程，像三峡升船机、三峡双线五级船闸等，由于运行机理和过程很复杂。单单靠纯数值计算和平面设计图很难反映工程的实际运行机理和状况。为了为工程管理人员提供优化工程管理的实验平台，真实地反映实际运行原理，建立水利工程三维模型及各组成部件的运行关系。
5、结语
水利工程的运行管理基本上还是在二维平面上或者是采用摄像头进行监视，三维空间动态地进行调控和管理决策才刚刚开始。三维虚拟仿真技术的逐步成熟将对水利工程的运行管理带来一场革命性的进步。
参考文献：
[1]雷菁，叶松．虚拟仿真系统在长江防洪模型项目中的应用[J]．人民长江，2009，40(4):57-59．
论文作者:高金科
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
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