计算机应用
田应富1，肖 毅2，蒋 剑2
(1.贵州乌江水电开发有限责任公司洪家渡电站建设公司，贵州 贵阳 550002;
2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)
摘要：通过研究并建立洪家渡水电站安全监测三维仿真及虚拟现实技术系统，对洪家渡水电站安全监测系统中仪器的埋设安装信息进行三维仿真，分析处理安全监测数据，将分析成果进行动态模拟；对洪家渡水电站工程水工建筑物及施工区地形地貌进行三维仿真，将生成模型制作成可以任意位置及多视角的虚拟现实系统。该技术的应用使安全鉴定专家、工程管理人员及生产运行人员能直观、快捷、准确地了解和分析建筑物的安全状况。 关键词：计算机应用；安全监测；三维仿真；虚拟现实；动态仿真；安全鉴定；资料查询；洪家渡水电站中图分类号:T P391 9 文献标志码:B 文章编号:1007-0133(2007)01-0075-04
0 前言
工程安全因直接关系到国家和人民生命财产的安全，故日益受到广泛的重视。为了保证工程的安全，绝大多数工程都设置有安全监测系统。对大量观测数据的处理及分析是工程安全监测的一项重要工作，一旦得到观测数据及有关检查信息，应能立即进行监测数据综合分析，形成可供分析判断的各种类型的图形及表格，以判断工程各部位是否存在异常现象。但在以往的安全监测系统中，对安全监测数据的分析汇编只能反映出局部的、单点的或二维的图形表格等形式。随着计算机图形技术及计算机硬件设备的不断进步和升级，计算机三维实体模型仿真、虚拟现实技术和交互式实时系统已经可以在安全监测系统中实现。
计算机三维仿真技术是计算机可视化技术和系统仿真技术相结合形成的一种新型的仿真技术；虚拟现实技术是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术和多媒体技术的基础上发展起来的交叉学科。这2种新技术目前在水电工程领域应用广泛，如三峡水利枢纽二期工程、溪洛渡水电站、龙滩水电站、瀑布沟水电站及索风营水电站等水电工程，将其应用于大坝筑坝过程动态仿真、地下洞室开挖施工及地下复杂结构三维仿真等，均收到了显著的经济效益，但在大坝安全监测方向上的研究及应用目前还是一个空白。
洪家渡水电站基于现有安全监测数据分析技术，结合目前已有的三维制作技术和虚拟现实工具，开展
大坝安全监测三维仿真和虚拟现实技术应用研究和安全监测数据分析处理成果与计算机三维仿真技术及虚拟现实技术相结合的应用技术研究，通过建立坐标系和实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应起来，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，从而反映出实体的静态空间特征和动态变化过程；同时利用安全监测资料分析成果，生成三维动画和虚拟现实系统，为描述复杂岩体及大坝变形提供可视化手段，为大坝安全评价提供了直观可靠的依据，取得了一定的成果和良好的应用效果。
1 洪家渡水电站安全监测三维仿真及虚拟现实技术系统简介
洪家渡水电站安全监测内容包括：大坝堆石体变形、面板挠曲变形、面板周边缝三维开合度的变化、大坝及基础渗漏量、坝肩开挖高边坡；泄洪系统大跨度和不良地质洞室的围岩应力、变位、结构应力与高速水流；帷幕灌浆系统的地下水位、绕坝渗流、渗压；引水发电系统压力钢管的受力与脱空、厂房下部新型板梁机墩和上部框架式钢管混凝土结构应力、应变和振动；建筑物高边坡、近坝库岸边坡及下游1号、2号塌滑体等。该监测系统的框图见图1，监测仪器总数量约2300支(套、点)。
针对洪家渡水电站监测系统较庞大、复杂的现状，为使系统变得直观、简洁，使其具有快速查询、资料计算、成果绘制、检查分析的功能，以及
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第21卷第1期
贵州水力发电
GU IZ HOU W ATER POW ER
2007年2月
收稿日期:2006-11-28
作者简介：田应富(1969-)，男，贵州省沿河县人，高级工程师,
学士，从事水电工程建设管理工作。
为电站安全鉴定提供完整、准确的成果资料，以供专家判断和评价，洪家渡水电站安全监测三维仿真及虚拟现实技术系统的主要研究内容是利用三维仿真技术，结合现有的虚拟现实技术和编程技术，进
行监测数据分析成果的虚拟现实系统开发，为洪家渡水电站安全监测系统建立起虚拟现实系统，以及为安全监测数据的初步分析和分析成果提供三维动
画仿真。
图1 洪家渡水电站监测系统框图
2 三维仿真技术在洪家渡水电站安全监测工作中的研究与应用
仿真是一种基于模型的活动，建模是仿真过程中十分重要的一个环节。
2 1 水工建筑物及地形地貌总模型的三维建模
水利水电工程水工建筑物及地形地貌模型的建模应用三维建模技术。首先利用地质提供的施工区原始地形等高线在三维软件中进行地形的还原，然后根据设计开挖图纸进行定位和投影，再对该部分的开挖进行详细的重建模，仿真出地形开挖后的变化，再按工程的实际情况对其中影响工程性状比较大的水工建筑物及建筑物细节进行详细的建模。
洪家渡水电站安全监测三维仿真及虚拟现实技术系统解决了几十k m 2
范围复杂地形地貌及其地形变化的建模问题，其中对原始地形改变的处理(如各类开挖后的边坡)，在没有地质类专业软件进行不规则地形面开挖模型制作的情况下，在非专业类三维软件中很好地制作了这类模型。
该模型包括了许多详细的建筑物细节。如大坝部分包括了趾板、周边缝、面板、防浪墙、坝顶公路、上坝交通洞及上坝公路、干砌石坝后坡、坝后坡公路、永久观测房、视准线等；厂房部分包括了厂房后边坡、主厂房、副厂房、出线塔、尾水平台、尾水洞及施工洞等；洞室部分包括3条发电引水洞及进出口边坡、泄洪洞及进出口边坡、溢洪道及进出口边坡等。模型建立后，实现了洪家渡水电站工程的三维可视化仿真，既可宏观检阅也可微观审视。
2 2 水工建筑物监测资料及成果的动态变化仿真
对水工建筑物及地形地貌进行三维建模只是系统设计的一部分工作，本系统的核心是要研究并建立监测资料及成果的动态变化仿真。洪家渡水电站有着长达6年的监测资料，这些资料纷繁复杂、资料量极大，故先对监测数据进行了初步分析处理，然后再进行仪器布置位置的三维仿真，以及对相应数据变化过程进行三维动画仿真演示。其中主要包括了坝体内部垂直水平位移计、坝体渗流渗压、坝体外观网、面板应力应变、坝体应力、发电引水及泄洪系统监测断面演示及主要监测断面上应力应变数据的动态仿真。通过该仿真系统，将多年的监测资料及成果浓缩在一个系统软件中，做到了直观、快捷、真实、准确。
2 3 几个典型软件功能及界面示例
本软件系统具有较好的人机对话环境和界面，提供了枢纽建筑物的布置状况、安全监测仪器的安装埋设情况和施工期的监测成果，以及动态变化过程等诸多信息资料。技术人员通过查询、分析监测资料和成果，尤其通过对建筑物部位变化过程的动态显示，可以分析出施工期变形状况和安全态势。以下是该系统中几个软件的典型功能及界面:
(1)图2为坝体仪器测值动画界面，可以看出以单元工程分成多级、多菜单控制。
(2)图3为坝基渗压计测值动画，包括各个测点的埋设安装信息、实测过程线及实测数据变化过程动画。
76 第21卷第1期 贵州水力发电 2007年2月
图2
坝体仪器测值动画界面
图3
坝基渗压计测值动画界面
图4 桩号横左L0+005
断面垂直水平位移计动画界面
图5 面板下层顺坡向钢筋计(编号04-3-3)应力场
动画界面(单位:M Pa)
(3)图4为桩号横左L0+005m 断面的垂直
水平位移计动画界面，包括该断面5个高程上的垂直水平位移，能完整、动态、直观地表现在测值时
段内坝体沉降及水平位移变化过程及趋势。
(4)图5面板为下层顺坡向钢筋计(编号04-3-3)的应力场，对面板钢筋应力场进行了动态描述，清晰直观地给出了面板钢筋应力的变化过程及趋势，为分析和掌握面板裂缝产生的机理，研究制定控制面板裂缝方案提供了有力的证据。
3 虚拟现实技术在洪家渡水电站安全监测工作中的研究与应用
洪家渡水电站工程虚拟现实系统的开发，是在对水工建筑物及其他辅助设施完成模型制作后在
VR I 虚拟现实系统软件中进行的，之后再进入VB NET 软件开发工具中进行其他相关功能的开发，包括仪器布置情况演示部分的合成、仪器实测数据过程线的绘制和调用、仪器其他相关信息的显示查询等功能。
洪家渡水电站虚拟现实系统可在施工区测量地形图范围内进行虚拟仿真，其中：主要水工建筑物包括了大坝、厂房、3条发电引水洞、泄洪洞、溢洪道；边坡包括左右坝肩、厂房及泄洪系统出口等；料场包括卡拉寨料场和天生桥料场；其他还有施工道路及其下游永久桥梁、临时施工房屋等等。
该系统能完整的模拟出洪家渡水电站建成运行后的工程情况，展示整个枢纽区域的恢宏场景。在该系统内可任意位置、多视角无时间限制的交互式浏览，了解各个部位建成后的细部特征、形象面貌，快速直观地形成洪家渡水电站工程整体概况。主要场景示例见图6和图7。
4 软件在洪家渡水电站工程中的实际作用及意义
洪家渡水电站安全监测三维仿真及虚拟现实技术系统完整包含了洪家渡水电站的监测信息，其主要意义在于：完成了长达6年施工期监测资料的收集与总结，完成了上百万数据的计算与处理，形成了反映过程变化的动态可视成果。其主要作用体现在:(1)运行管理单位可利用本软件轻松完成对监测仪器信息的查询及监测情况的查询，从以往繁杂的资料数据中解脱出来。
(2)本系统清晰明了地给出了洪家渡水电站工程概况及历史监测资料和监测成果，为工程验收和移交提供了帮助。
(3)本系统给工程验收、安全鉴定等评定专家提供了一个快速了解工程安全监测情况的技术平台，专家们借此开展判断和评价工作，对工程建设各重要阶段进行安全鉴定。
77 田应富，等：洪家渡水电站安全监测三维仿真及虚拟现实技术研究与应用2007年第1期
图6
洪家渡水电站虚拟现实系统下游视角
图7 洪家渡水电站虚拟现实系统上游视角
虚拟现实系统(4)配合电厂的安全监测自动化系统，还可以将本系统与电厂的自动化系统进行并接，用三维仿真和虚拟现实技术作为平台，实现实时表达监测情况，在平面图形图表的基础上更加直观的描述工程的运行性态。
5 结束语
洪家渡水电站安全监测三维仿真及虚拟现实技术系统具有较高的先进性和创新性，也具有较好的借鉴和推广价值。本系统的先进性和创新性表现在:
(1)在国内首次将三维仿真及虚拟现实技术应用于水电工程安全监测领域。
(2)对面板钢筋计和应变计的等值线变化情况可进行动画表现，在国内属首创。这种表现应力场
变化的方式还可以应用到其他场的变化上，以便能够直观的得出场变化的趋势和把握其对建筑物的影响。
(3)对洞室的环向钢筋应力应变情况的动画表现提高了一个层次，能清晰明了的在一个动画场景内说明内外层钢筋的应变情况，并对没有测点的位置进行变形拟合，从而得到完整的环向变形图；另外，清楚的描述了沿洞壁环向的围岩压力和混凝土受力情况，对洞室的整体受力情况给出了一个直观的表现方式。
(4)以往的水电工程三维仿真都是以三维软件处理成动画的形式来表现的，而本系统结合VB NET 编程技术和3DVRI 软件二次开发平台(SDK )，将2种技术有机地结合在一起，突破了软件开发和纯三维仿真的局限性，形成了完整的安全监测数据处理分析三维仿真及虚拟现实系统，故在3DVR I 软件中能够实现任意角度、任意位置的空间观察，这是在以往三维技术基础上的巨大进步。
(上接第65页)
3 4 优化工程供应链管理流程
水电工程的供应链流程是一个由采购、运输、仓储管理等多个功能组织起来的有机整体，所以对管理流程的优化要以系统的观点来进行，而不是只重视其中某个功能。洪家渡水电站工程在实施H J DP M S 系统时，曾对现有物资管理流程进行了系统改造，堵住了管理漏洞，取得了一定的效果。
3 5 提高工程供应链管理技术
真正促进供应链系统向更高水平迈进的是物流管理技术的发展，如信息技术的应用为先进的物流系统优化、快速供货等提供了必要的战略基础。因此，对水电工程供应链的管理优化，就是要加大对先进物流管理技术的应用。
目前在水电工程中应用较为成功的是从加拿大引进的P M S 系统中的物资供应子系统，洪家渡水电站H JDP M S 系统引用的就是该技术，在工程物流管理中发挥了一定的作用。
4 结语
洪家渡水电站工程供应链运行参考模型(SCOR)是在当前我国水电工程的项目管理模式下的一种实践，随着项目管理模式的改变该模型必然还会不断发展。水电工程供应链管理所涉及的管理理论和技术非常庞大和复杂，本文仅仅是在有限的实践经验基础上的粗浅归纳。
参考文献:
[1]刘振元，王红卫，余明晖.供应链研究的新领域
工程供应链管理[J].华中科技大学学报(城市科学版),
2004,
(6):27-30.
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