1、1 水电站 水电站 数字沙盘三维仿真系统方案 数字沙盘三维仿真系统方案 目录目录 一、引言.2 二、传统沙盘、多媒体沙盘、数字沙盘的综合分析.3 1、实物沙盘. 3 2、多媒体沙盘. 3 3、数字沙盘. 4 三、数字沙盘三维仿真关键技术.5 四、水电站三维数字沙盘功能.7 1、水电站地质地貌仿真. 8 2、水电站结构仿真. 9 3、水电站截流仿真. 10 4、水电站实时动态仿真.11 5、水电站施工现场仿真. 12 五、水电站三维数字沙盘的意义.14 六、三维数字沙盘应用前景.16 2 一一、引言、引言 根据地形图或实地地形按一定比例用泥沙等材料制作 的实物沙盘具有立体感强、形象直观等特点，在
2、军事、工业、 水力、电力、教学、旅游及房地产开发等许多领域都有广泛 应用，常用来制作经济发展规划和大型工程建设的模型，颇 受计划决策者和工程技术人员的青睐。但实物沙盘由于占地 面积大、携带不便、表现方式单调且不能展示动态场景、表 现内容有限且难以更新，己不能适应当前科学管理和规划、 决策的要求。 随着计算机软件和硬件技术的发展，今天在很多领域已 经采用计算机仿真数字沙盘替代模拟沙盘。计算机仿真数字 沙盘是计算机技术、多媒体技术发展的产物，它运用三维显 示技术和计算机仿真技术，通过将真实世界的三维坐标变换 成三维的计算机坐标，并通过光学处理模仿真实世界显示。 与实物沙盘相比，数字沙盘具有快速、简
3、便、精确、灵活等 特点，而且可以动态展示，同时可以对参数进行修订以获取 更加丰富的展示效果，应用领域更广泛。 计算机仿真数字沙盘技术应用于水电工程施工近 30 年，应用范围从辅助施工组织设计扩展到结构设计、三维动 态显示等，从仿真单一的混凝土坝浇筑到仿真土石坝施工、 截流施工、地下工程施工等；应用目标从静态的方案优选发 3 展到动态的实时控制等；从最初把仿真成果仅仅作为一种不 重要的决策参考，逐渐发展成水电工程、尤其是大型水电工 程规划、设计和施工管理中不可缺少的技术手段。 水力发电行业对计算机仿真数字沙盘技术的运用，基 于可视化技术及计算机图形、图像技术、多媒体技术等，以 三维动态方式生动逼
4、真地展示了截流发电的全过程。 二二、传统沙盘、多媒体沙盘、传统沙盘、多媒体沙盘、数字沙盘的综合分析 、数字沙盘的综合分析 1、实物沙盘1、实物沙盘 实物沙盘制作以项目的地形地貌为基础，集中展示重点 景区、公路交通等资源、基础设施的等建设分布情况；实物 沙盘集中展示了重点景区、公路交通、交通线路规划、景区 等情况。 实物沙盘是以微缩实体的方式来表示地形地貌特征，并 在模型中体现山体、水体、道路等物，主要表现的是地形数 据，使人们能从微观的角度来了解宏观的事物。地形模型的 应用范围及其广泛，主要运用的行业有：政府、交通、水利、 电力、公安指挥、国土资 源、旅游、人武、军事等。 2、多媒体沙盘2、多
5、媒体沙盘 多媒体沙盘由 4 个主要部件组成：图文扫描仪、中心电 4 脑、电子驱动器、“传统沙盘 ”。通过声、光、电、图像、 以及计算机程控技术与实体模型相融合，凭借其动感的，鲜 明的灯光动画，把现代电子技术与老式沙盘相结合，使古老 的沙盘获得新生。但是关闭多媒体沙盘的光影效果时，可以 认为这就是一个传统的沙盘模型，是纯静态的。 多媒体沙盘通过其互动、参与、感受、体验等手段，被 广泛的应用于科技馆、博物馆、多媒体展厅、房地产展厅、 多功能会议室、展会。 3、数字沙盘3、数字沙盘 数字沙盘是可以根据用户需求制作实时浏览的三维立 体数字沙盘。可以模拟飞行和游览过程，展示空间动态及实 物动态的实时效果
6、，并能显示地理坐标和高度信息。 其中虚拟数字沙盘内容可以根据需要标注如地名、路名 等文字信息； 在三维环境中以任意调整高度、 角度进行浏览； 可以填加建筑物、道路、河流、水库、树木、人物等三维设 施；可以任意查询详细属性、照片、录像等信息。 数沙盘与现在已有的电子沙盘相比，除了数字沙盘具有 的效果外，它对规划景观的展现更具有立体直观的演示效 果，恢复了沙盘本来的含义，并且不再需要实物沙盘；虚拟 数字沙盘与传统沙盘模型相比，能实现实物沙盘不能实现的 功能，如时间变化及气候变化等条件带来的环境变化过程演 5 示、对局部区域进行缩放显示、动态展示等。并且，同一个 数字沙盘的演示区域，可以实现多个数字
7、沙盘。因此，它的 应用领域更广泛，具有真实、立体、快速、简便、精确、动 态的特点，以获取更加丰富的演示效果。 三三、数字沙盘三维仿真关键技术、数字沙盘三维仿真关键技术 数字沙盘的研究与开发在国内外己经有较长的时间。目 前的研究主要集中在场景的三维建模以及基于 GIS 的动态 可视化方面。虚拟现实技术为数字沙盘的交互性提供了一个 很好的实现途径，目前对虚拟现实技术在数字沙盘中的应用 主要集中在采用 VRML 构建三维场景 ，达到形象、逼真的目 的。在交互方面，引入虚拟现实技术后主要实现了实时改变 场景观察的方位、角度和距离、沿某一路径运动视觉模拟以 及跨图幅大范围的三维漫游观察。 基于 GIS
8、的虚拟场景与实际场景的无缝融合技术研究， 对于主体是大规模三维虚拟地形场景的沙盘，利用现有虚拟 现实地理信息系统（VRGIS ）方面的研究成果是一个很好的 选择， 可以借鉴成熟的 VRGIS 的虚拟场景生成渲染技术对沙 盘的三维地形模型进行实时渲染。然而在完成虚拟三维地形 模型的建立以后，必须考虑其与实物沙盘的融合问题。因为 沙盘的周边存在一定的光照环境，向实物沙盘中嵌入的虚拟 场景必须与此光照环境的强度、方向、构成的阴影等方面吻 6 合，另外还有实物沙盘中的实物模型与虚拟场景中的物体可 能存在的遮挡问题等在 VRGIS 的相关研究中不需要涉及的 问题。 而这些问题是三维仿真数字沙盘为了达到虚
9、实 “无缝” 融合必须考虑的问题。 数字沙盘三维仿真系统是在矢量地图数据管理与显示 子系统和多媒体信息管理与显示子系统的支持下，把虚拟现 实的理论与技术应用到现场地形环境仿真领域形成的技术 系统，是工人认识战场地形环境、替代或部分替代实地考察 工作的有力工具。数字沙盘仿真系统还为施工指挥和培训提 供了极大方便，它可以为各级工作人员和指挥人员提供一个 三维的、动态的、可交互的作战模拟地形环境，为工作人员 和指挥人员提供可视化的交互式培训的虚拟环境，极大地提 高了培训效果，同时还为领导人员提供更直观的视觉效果。 将三维仿真技术运用于数字沙盘中，可以充分利用现有 三维仿真技术的研究成果，如三维仿真显
10、示技术、精确注册 定位技术等，研究现有技术成果在数字沙盘中的应用模式， 但除此之外还必须关注一些以前在三维仿真应用领域并不 突出的问题。综合考虑三维仿真技术的研究现状和数字沙盘 系统的特点。 虚实场景中虚实对象添加与移除技术研究在虚实场景 中进行虚拟三维对象的添加与移除是三维仿真技术研究的 热点之一。三维仿真数字沙盘是实物沙盘与虚拟数字沙盘的 7 统一体，在沙盘上进行的操作应该既允许虚拟三维对象的添 加与移除，也允许实物模型的添加与移除，并且可能多个使 用者同时在沙盘上进行不同的操作，因此，将三维仿真技术 运用于数字沙盘需要研究在虚实场景中添加与移除虚拟和 实物对象的方法以及在对象添加或移除后
11、对虚实场景的影 响。 四四、水电站、水电站三维数字沙盘功能三维数字沙盘功能 计算机数字沙盘系统以三维可视化的方式对水电站进 行全方位、全寿命周期的交互式管理，将地理数据和勘察设 计资料有效融合，在使用过程中实现设计、施工数据的标准 化和全数字化移交，为水电站施工管理提供包括：全息化的 二、三维施工环境展现、渐进式的施工进度管理、全阶段的 数字档案管理和应用、智能化的施工技术管理、可扩展的外 部系统交互接口等在内的多项重要功能。 本项目所完成的数字沙盘系统可以直接应用所有符合 标准的数据，包括：二维影像数据、二维矢量数据、三维地 形数据、三维模型数据、设计资料数据、施工管理数据。施 工过程中的信
12、息可以在系统中实时流转和展现。 8 1、水电站地质地貌仿真1、水电站地质地貌仿真 三维数字化水力发电站的核心是三维水电站可视化勘 察、设计、施工和维护维修为核心作用的全生命周期管理。 实现工程设计的数字化和可视化，第一步就是对工程所在的 区域地形地貌数字化仿真。 三维数字沙盘地形地貌模 块利用从航测、遥测等原始数 据，建立真实地形地貌数字模 型，并可根据工程实际需要进 行局部区域的细化以达到工 程精度要求。三维数字沙盘能 够处理数十平方公里，高达几百兆的数据点云的地形地貌重 构。 三维数字沙盘不仅可以绘制出地质体的空间分布几何 形态，而且还有光照、着色、纹理、渲染、材质等效果，使 三维图像更具
13、真实感，同时可以从不同角度、不同方位和不 同距离观察三维地质模型；可以灵活方便地制作钻孔柱状 图、三维模型图、2D 剖面图，把握整体宏观的趋势。允许多 层次、多细节地揭示地质界面、构造界面以及断块等地质现 象。通过对三维地质模型的剥离、选择、提取等操作，表现 9 三维模型的局部特征， 便于观察和掌握不同层面、 不同构造、 不同细节的地质数据的空间分布及其变化规律。 2、水电站结构仿真2、水电站结构仿真 三维数字沙盘的厂房设计 采用基于原理图驱动的系统 设备和管线布置方式，设计者 可以从二维的系统原理图入 手，首先建立正确的系统流程 图，然后，在三维环境下，根 据系统原理图进行设备、管线的布置。
14、所有的设备和管线都 与二维原理图进行对应并能够自动检查，以保证不会错布、 漏布任何设备和管道。 在三维数字沙盘厂房设计平台里，用户通过对系统提供 的模板或自行设计的结构体，进行调整，使其满足该工程条 件，再把各结构件进行组装，厂房的初步数字模型就建立完 成。在完成厂房及管道初步设计后，用户可以对厂房细节进 行放大缩小旋转查看，还可以顺着管道进行漫游查看，以检 查设计是否合理，系统还能对厂房内部进行空间干涉分析。 以帮助设计者进行实时修改，从而满足工程设计规范。 10 3、水电站截流仿真3、水电站截流仿真 通过建立大坝截流及相关工程的水力学计算模型和三 维实体模型，对大坝截流工程的施工全过程进行
15、三维计算机 仿真模拟，从而反映出大坝截流各个阶段的水力学指标和形 象面貌，及时发现工程施工过程中存在的问题，并寻求解决 问题的方法及相应对策，为大坝截流决策提供可靠依据，以 实现指导工程施工、科学规划和科学管理。主要有三个方面 的功能： (1)建立大坝真实全 三维实体数值仿真模型， 能 够完全精确模拟大坝形体 的各个细节，包括孔口部 位、进水口、闸门槽等，真 实反映大坝的三维形体结构。数学模型的建立，弥补了物理 模型试验的局限性，可以在真实比例尺下快速计算出各种工 况的截流状况。 (2)大坝截流三维仿真。利用先进的三维技术，构成三 维实物模型，具有直观形象的可视效果，并可在施工现场漫 游。这种
16、可视化虚拟现实的先进手段，使得对截流点能存在 的问题具有前瞻性，能为实际决策提供有力的科学佐证。 11 为确保三维实体模型的准确与实用，研究采用的基本资 料包括区域地形图、施工详图、总体布置规划、施工关键时 段形象面貌图、水工模型试验资料、以及与截流工程施工期有关 的工程施工图片。 首先利用实测的地形图通过 数字化仪在计算机内形成二维地 形，然后形成三维地形图，之后 在形成导流明渠、纵向围堰、关 键时段大坝截流及二期围堰三维 实体模型，最后在 3DMAX 下进行动画制作，漫游施工现场，包括有 水下深槽、平抛垫底、预进占施工、渡汛等。 (3)图文数据库及截流施工组织设计动态优化。 包括有关 截流
17、的工程概况、基础资料数据库、决策文档库和施工组织 设计图形库。根据前述两部分对截流的模拟仿真，发现问题 时可以实时地调出相应图文数据，在软件中修改图纸，随时 优化施工组织设计。 4、水电站实时动态仿真4、水电站实时动态仿真 三维数字沙盘能够以图形方式深刻、简洁地描述系统 的动态过程，精确描述事件的顺序、并发和冲突关系，使系 统形象化，有利于理解，三维数字沙盘具有事件变迁的时间 12 延迟，广泛应用于离散事件系统中的面向对象技术，因其抽 象性、封装性、继承性、多态性等特色，有利于提高系统的 建模能力；因此采用三维数字沙盘对水电站建模，并将面向 对象技术融入其中，既可以更好地描述施工系统的动态过
18、程，又大大方便了系统的建模与实现。建立三维数字模型， 使每一个对象均具有多种属性，同时还具有使用方法，这两 者的结合大大增强了程序的可扩充性， 使用容易、 操作简便， 同时更便于研究系统的运行特性。 在程序实现中，针对设备的属性不同，定义了设备使用 条件限制，对于每个工作现场的不同，根据三维数字沙盘的 运行规则， 结合输入的有关参数， 依次处理设备产生的事件。 当设备到达施工部位时，则进入具体操作列队等待处理操作 事件，每次通过处理最短时间事件来推进模拟时间钟，在推 进模拟钟的同时，将系统当前的状态实时显示并存入文件。 通过对水电站的仿真计算，优选施工组织方案和施工机械设 备的配置，三维数字沙
19、盘能简洁地描述系统动态特性。 5、水电站施工现场仿真5、水电站施工现场仿真 基于三维数字沙盘重 构地形地貌自由曲面模型 和地质实体模型，以及三 13 维数字沙盘提供的完备的旋拉剖切等操作，可以快速方便的 完成水电工程道路、浇筑平台、进水口、料场、缆机平台、 搅拌站等的三维设计和分析。 利用三维数字沙盘的离散事件仿真技术，可以对工程施 工工艺进行仿真和优化。利用该项技术，可以分析在一定的 工艺方案及约束条件下，分析施工过程中各种设备的利用 率、分析施工场地布置是否合理，整个系统的瓶颈在什么地 方和什么设备上，施工场地的物流密度等。 水利工程的分析工作基本上能在数字模型基础上直接 进行，施工组织设
20、计在此基础上进行施工导流、场内交通和 布置工作，运用三维数字沙盘进行导流方案、结构计算和自 动切剖面计算工程量，能够提高工作效率，加快设计进程。 施工技术方面，通过三维数字沙盘和施工进度计划编制软件 的结合，可以完成大坝、地下厂房洞室群和单洞施工过程仿 真，使大型、复杂的施工项目通过计算机分析变得直观、简 捷和准确，可在较短的时间内完成多个方案的比较分析，对 拟定的施工措施进行定量化分析，提出优化、可实施的施工 方案。许多原来用手工设计不可能完成的设计通过计算机仿 真施工都能如愿以偿。 14 运用三维数字沙盘的可视化技术能够完成大坝、地下厂 房洞室群、坝肩、取水口和溢洪道开挖等施工项目的动态仿
21、 真。当各单项工程施工仿真工作全部完成后，尚不能解决工 程项目之间难以避免的干扰问题，因此，需要在协调工程项 目上进一步深化模拟，使整个工程挡水系统、泄水系统和引 水发电系统从施工进度上进行协调，从而实现全工程施工过 程在计算机上预演，拟定不同的施工方案(施工通道、程序 和方法)，发现各项目之间施工过程中存在的问题，提出定 量化解决问题的措施和优化方案，为施工组织方案决策提供 科学的依据。 通过数字化和可视化施工组织设计，施工设计将可直接 在三维数字地形上进行建筑物和通道布置，即可随意进行三 维可视化布置和多方案设计，再使用计算机仿真模拟系统进 行建筑物施工，从而实现整个工程的可视化施工。通过
22、三维 数字沙盘在工程仿真系统的应用，施工总进度就不仅仅是一 张带逻辑关系的横道图（二维、静态），而是从工程开工的 三维原始地形到导流工程、大坝工程和引水发电工程真实预 演，以及到大坝蓄水发电的施工全过程动态进度。 五五、水电站、水电站三维数字沙盘的意义三维数字沙盘的意义 水电站数字沙盘系统是利用计算机仿真技术模拟真实 15 水电站的生产过程，并提供真实的培训环境（水电站中央控 制室）的现代化数字仿真培训系统。通过该系统，可对职员 进行：水电站正常工况运行操作过程培训；水电站异常工况 运行操作过程培训；水电站紧急事故工况处理操作培训；水 电站计算机监控系统培训；水电站生产过程运行知识与专业 理论培训。职员可以在较短的时间内掌握并熟悉水电站运行 操作和事故处理