水工结构工程与三维可视化技术研究

王文彬

摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，三维可视化技术是一种高效的、高精度的绘制建模技术，不仅可以在一幅数字场景中实现物理世界全要素的还原，同时还可以结合实时数据的处理、计算，实现数字世界与物理世界的互联互通，并以此为基础构建数字孪生体。因此，有必要对水工结构工程与三维可视化技术展开分析，以便三维可视化技术在水工结构工程中得到更好的应用。

关键词：水工结构工程；三维可视化技术；建立模型

引言

三维协同技术是现如今工程行业全面展开的一大创新式技术变革与热点。三维协同设计是基于三维构图模式，从人脑思维模式上来完成工程项目设计的整体性和连贯性，避免二维设计中数据转换的繁琐。在三维协同工作技术中，可以通过可视化界面，利用各类设计元素来反映地质、地形、水文、施工条件及结构布置，满足建模设计可视化、分析过程可视化、成果展示可视化等特点，突破了二维设计的技术瓶颈和缺陷，更具有应用优越性。传统的二维或三维CAD设计技术，需要对图纸和设计方案进行大量时间的校审，校审程序较为复杂，校审期间可能由于工作人员的疏忽，需要进行多次校审，出现错漏的几率较大，而通过三维协同技术，能够在计算机上进行可视化校审，通过这种可视化校审，能够自动批注和跟踪管理，减少校审的步骤和次数，将校审时间大大缩短，并且提高了校审期间错误检出率。如今三维设计已渗透到各行各业，公路桥梁、建筑工程和机械工艺等行业已经相继采用三维协同工作技术，国家科技部大力推广应用三维协同技术。水利水电工程设计中需要多专业的配合，工程规模比较大，设计周期短，工期较紧张，其中任何一个专业数据精度和方案变更都会影响到相关的其他各专业，传统的计算器辅助设计方式面临难以克服的瓶颈，三维协同工作技术能协助工作人员解决以上缺点，提高各专业在项目中的配合度和交流。从当前国家行业层面来看，我国已经着手三维协同设计标准的制定，并从行业三维模型数据库建设以及三维模型平台建设等方面进行开发。目前，各省级水利水电勘测设计单位已基本完成了三维软件设计的应用，市州级水利设计单位正在推广中。在各省市州水电设计院的带动下，三维协同的设计方式正在改变着整个水利水电领域。

1概念

三维可视化技术是在传统二维技术的基础上发展而来的，其具有理论与技术交叉性，属于一种新型的技术。在建筑工程领域，三维可视化技术的应用最多，可以集成三维信息空间，在此空间内呈现出建筑结构的直观特征、真实情况。三维可视化技术中包含了计算机技术、多媒体技术、传感技术、人机接口技术等，在这些技术下，设计与施工人员可以通过计算机形成一种人为的虚拟三维空间。

2水工结构工程与三维可视化技术研究

2.1数学模型和三维模型的应用，实现沉浸式仿真培训

设备安全、高效的稳定运行非常重要，为了保证设备的安全、高效稳定运行，除了职工丰富的现场工作经验，仿真培训也是帮助职工积累经验的一种有效途径。虚拟可视化为仿真提供了更好的培训平台，由模型搭建的虚拟可视化水电站能够让人更直观的了解、认识设备及构造原理，加深对设备的认识度。此系统可根据不同的运行工况进行倒闸操作、故障模拟，让受训人了解在不同工况下进行操作会有哪些细微的区别，在不同工况下发生故障时能够直观的研究故障过程并分析原因，从而进行有效、正确的事故处理。在设备进行大修或者升级改造时，如果遇到问题（例如试验数据、控制逻辑），也可在系统的数学模型上进行参数、逻辑的修改，从而验证其正确性，有效降低现场试验风险及设备损耗。

2.2地标模块设计

地标模块设计系统中，地标编辑模块是非常关键的部分，利用这个模块可以实现地标的各种操作。在编辑过程中，可以将视点作为目标点，以完成目标点的编辑。名称编辑过程中，要精确地确定视点的具体位置，确定父节点，然后把对应的名字输入其中，这样就可以在父节点下面形成特定的子节点。该系统通过设置子节点的具体漫游方式，实现了相机编辑操作中渐变、跳跃、移动、路径等四种不同的漫游方式，以满足用户的多种功能需求。最关键的是查找功能，对于不同的节点属性，可以进行模糊查询，例如，用户输入“山”，就能显示出“山东”“山西”“唐山”“鞍山”“马鞍山”“黄山”等所有具有“山”字的节点。特性内容包含有地名和经纬度等，当用户点击要查询的节点时，系统可以自动漫游到这个节点位置。

2.3地表数字地形模型与实体模型的结合

水工结构工程中，如果要保障所建立的三维模型能够与实际的工程结构相符合，就必须要将地表数字地形模型与实体模型充分结合起来。根据前期所建立的地表数字地形模型、实体模型，在两个模型基础上进行整合，在整合以后方可构成整个水工结构工程现场的具体情况。由于水工结构工程多处于相对复杂的水文条件下，地形地质结构复杂，使得所最终形成的地形模型也具有复杂性，如果通过改变地形模型来实现两个模型的整合，其整合的技术难度非常大。因此，在整合过程中多采用的是改变三维实体模型的方式。在地形模型与三维实体模型的整合与匹配过程中，专业人员需在地形模型中找出实体模型在该模型中的某一个投影点，这一投影点需符合高程与实体对应点的高程相同的要求。而在此过程中，有可能存在实体模型中的尺寸、位置等与实际不相符合的情况，在这种情况下，如果要提升三维可视化模型构建的质量，就需要通过缩放、旋转等方式，来使得实体模型与实际模型相符合。

2.4VR技术的应用，完善三维数字电厂功能

对水电站厂房内的摄像头、机器人进行三维建模，并接入工业电视系统、智能巡检系统和人员定位系统，多个系统的集成开发了多系统综合应用的潜力。通过工业电视系统可查看现场设备的实时视频流；智能巡检系统进行机器人在巡检路线中监测到的异常情况在后台报警，并推送报警信号到ONCALL手机进行报警短信的发送，提示值班员对该异常情况进行现场查看、确认，以免误报、漏报，造成事故扩大；人员定位系统通过智能安全帽进行人员位置反馈，并将其与所开工作票地点进行关联，若超出工作票地点的，人员定位系统将在三维数字电厂里进行电子围栏报警，也方便管理人员对现场人员工作状况实时掌握，查看现场人员的工作位置、违章情况，提高现场安全管理水平。三维数字化电厂进行了数据链路的有效隔离，形成了实时数据和仿真数据，数据的切换在Simustudio中进行，仿真数据主要进行仿真培训使用，实时数据主要为了能够实时把控现场设备运行情况，设备运行参数有效反应在三维模型中，方便人员查看。人员能够实时掌握安全生产情况有助于对现场设备进行实时监督和把控，确保设备安全、可靠、稳定运行。

结语

综上所述，利用３ＤＭＡＸ、ＧＩＳ等技术实现三维可视化，使人们在认识环境的过程中，既有了更多的方法和途径，又能预测未来的变化趋势，在遇到水工结构工程难题时，能更准确地把握全局，更直观地模拟现实空间。因此，对水工结构工程与三维可视化技术的融合研究具有重要意义。

参考文献

[1]张卫君,张显兵,王翔,董萌.OTS2000培训仿真系统虚拟现实平台研究[J].水电站机电技术,2014,37(03):75-76.

[2]杨叶平,王德宽,王桂平,邓子夜,董萌.水电厂运行培训仿真技术新进展[J].水电站机电技术,2013,36(03):88-90.