吴刚
新疆睿博工程项目管理有限公司 新疆阿克苏 843000
摘要：虚拟仿真技术又可以称为模拟技术，简言之就是采用一个系统去模拟一个真实系统的技术。虚拟仿真是利用计算机创建一种可体验的虚拟世界，可将现实世界存在的物体通过各种技术使之再现。此技术运用相似原理，运用信息技术、仿真技术、多媒体技术、心理学等多种技术原理创造模拟环境，使参与者沉寂在虚拟模拟环境中，继而形成具有交互效能多维化的信息环境。
关键词：虚拟仿真技术；水利工程；应用探究
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，更加真实的模拟整个工程的现场运行情况。
1水利工程虚拟仿真关键技术
1.1动态建模技术
基于动态建模技术的虚拟仿真模型创建是进行水利工程运行虚拟仿真管理的第一步，仿真模型建立主要指视觉模型建立，并采取dgn、dxf等存储格式。水利工程运行管理三维虚拟仿真模型创建的依据主要是二维CAD设计图，还应依据工程实际进行若干参数的补充和调整，保证所创建的虚拟仿真模型真实可靠;还应进行虚拟仿真模型拼接修整，确保模型与工程实际有较高的相似度。
1.2三维图像快速生成技术
为了使建立的水利工程三维虚拟模型可视化程度较高， 这就要求建立的模型图像刷新频率要大于15帧/s， 对于一些复杂的水利工程图像刷新频率要大于 30 帧/s， 所以在建立水利工程三维虚拟模型时需要利用三维图像快速生成技术， 利用水利工程二维 CAD 图纸和相关建筑数据形成三维水利工程虚拟环境，提高模型的可视化程度。
1.3立体显示及传感技术
虚拟仿真主要通过立体显示技术实现，立体显示技术是虚拟环境构建的应用系统，通过该系统可实现管理人员和虚拟环境的交流与信息转换。立体显示技术展示虚拟现实的手段主要有投影设备、立体显示器、双色眼镜等。传感技术则主要通过传感器等设备获取待管理水利工程数据信息，并进一步明确待模拟对象的物理、化学效应特征，并将相关数据转换成电信号显示在传感器上，以便于管理人员对水利工程实际运行状态进行实时监测。
2虚拟仿真技术的应用
2.1获取地形数据
以SＲTM数据为依据进行数据空值分析的方法包括直接内插和提取等高线后内插两种，前者主要面临内插算法改进和优化问题，后者则主要面临数据空白断层处理问题。考虑到水利工程运行管理等高线提取工作量大，按照10m的间隔设置等高线较为密集，在内插分析的过程中对计算机数据处理性能也有较高要求，所以提取等高线数据后内插的技术的应用受到等高线数据量的限制。
综合考虑数据精度和分析过程及结果的合理性，对于小区域空值区地形数据的获取，应通过SＲTM数据提取等高线后内插修补的技术，而对于大区域空值区则应在SＲTM90m数据中直接提取等高线信息，而后内插生成Dem，并用此结果填补原始数据。
2.2建立水利工程三维虚拟模型
水利工程三维虚拟环境建立首先需要进行虚拟环境建模。虚拟环境建模主要包括三维视觉建模和听觉建模两部分。三维视觉建模又包括几何、物理、运动、物体特性建模及模型的切分等几部分。针对水利工程的工程地形虚拟仿真，采用多种存储格式（dgn或dxf）或DEM进行虚拟仿真模拟，然后标注航片。水利工程建筑物虚拟仿真依据水利工程的二维CAD图纸建立水利工程相关建筑物的三维仿真模型，并根据实际建筑物情况对模型的纹理进行补充，使建立的三维虚拟环境更加真实。最后根据实际工程的地形特点及建筑物特点，对建立的三维地形和三维建筑物模型进行拼接修整，最终获取和实际水利工程相似度比较高的水利工程三维虚拟模型。
2.3获取河道数据
采用ArcGISHydroTools中的地形处理和流域处理等水文分析功能模块进行河道水系数据的提取。SＲTM数据预处理的基础上对于精度较高的Dem直接应用，而对于精度较差的Dem还应进行填洼处理，也就是先填平后垫高，从而计算出栅格流向信息，确保流域内水文信息的连贯性，处理后的河道数据会生成倾斜于流域出口边界的坡面。在填洼处理Dem的基础上还需要生成水流方向，即通过ArcGISHydroTools中的流向生成工具测算出Dem栅格高程和临近栅格高程的最大值，并以该最大值所对应的栅格向为水流流向，通过FlowDirection菜单计算水流流向，填洼处理后的Dem文件通过Fill命令输出。计算出流向数据的基础上还应测算栅格内集水面积、汇水面积等数据，并生成水系基本模态。具体而言，应采用StreamDefinition命令将设定阈值＞系统规定标准的栅格定义为水系栅格，根据所生成的阈值进行水系密度判断，且该阈值取值大小与水文条件、地形地貌、下垫面特征等有关。
2.4流体模拟
当前，应用于流域水流模拟的技术较多，常见的流体模拟技术有3类:①以波形分析为基础的模拟技术;②威廉·瑞沃斯所提出的粒子系统计算方法;③动态纹理和静态贴图相结合的技术。上述技术中，第三种技术应用过程最为简单，仅通过将所获取的水流纹理图片黏贴在相应位置进行直观模拟即可，成本最低，针对静态模拟分析对象可达到最好的模拟效果;粒子系统技术则能较为生动地展现出水流动态运行的细节，但工作量大，需要软件支撑。综合考虑以上模拟技术的优劣势，河道水流近景通常采用动态纹理模拟技术，而远景则应采用静态贴图模拟技术。
结束语
由文章对水流工程运行管理中虚拟仿真技术应用过程的分析可知，通过水利工程联合调度以达到防洪、供水、灌溉、航运和发电等综合目的，而通过虚拟仿真模型的构建以及对水利工程各个系统联合调度方案实施过程的仿真模拟，能提升流域内水利工程联合调度的管理效率。通过虚拟仿真技术进行水库库容、水位、闸后水量等动态数据的可视化分析与联合调度方案运行过程及结果的仿真，以验证流域内水利工程联合调度方案的科学性;并将该技术与地理信息技术有机结合，进行不同运行阶段、不同水位等水文条件下水利工程蓄水量、蓄水面积等的分析，以实现对水利工程周边环境的实时监管。
参考文献
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