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基于动态信息的水利水电工程 施工三维可视化设计与施工管理

基于动态信息的水利水电工程 施工三维可视化设计与施工管理. 三峡大学 土木水电学院 赵春菊　 博士. 几点思考 未来的水利水电工程施工设计与管理是什么样？ 如何提高设计效率和设计水平？如何加快设计进度？ 目前存在的突出问题 条件复杂，边界复杂 设计周期长，方案调整修改反应慢 成果表达不直观 缺乏公共设计信息平台 解决途径 基于网络化的交互式会商设计 基于数字化的可视化动态设计 基于智能化的技术综合集成的快速设计. 汇报提纲. 一、施工动态信息可视化基本概念 二、工程地质信息三维可视化 三、施工导截流可视化三维仿真系统

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基于动态信息的水利水电工程 施工三维可视化设计与施工管理

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Presentation Transcript

  1. 基于动态信息的水利水电工程 施工三维可视化设计与施工管理 三峡大学 土木水电学院 赵春菊　博士

  2. 几点思考 • 未来的水利水电工程施工设计与管理是什么样？ • 如何提高设计效率和设计水平？如何加快设计进度？ • 目前存在的突出问题 • 条件复杂，边界复杂 • 设计周期长，方案调整修改反应慢 • 成果表达不直观 • 缺乏公共设计信息平台 • 解决途径 • 基于网络化的交互式会商设计 • 基于数字化的可视化动态设计 • 基于智能化的技术综合集成的快速设计

  3. 汇报提纲 一、施工动态信息可视化基本概念 二、工程地质信息三维可视化 三、施工导截流可视化三维仿真系统 四、混凝土坝施工三维可视化仿真系统 五、堆石坝施工三维可视化仿真系统 六、地下洞室群施工动态可视化仿真系统 七、施工总布置三维动态可视化设计系统 八、结束语

  4. 一、施工动态信息可视化基本概念 • 1、基本概念 • 2、可视化仿真 • 3、国内外发展动态

  5. 1、基本概念 • 以系统工程理论为指导 • 以计算机信息学、计算机仿真理论、概率论、数理统计和计算机图形学等多个学科理论为基础 • 以计算机为工具 • 与水利水电工程学科相结合的交叉领域 • 利用系统模型，对真实的或假想的工程系统进行“施工动态信息管理”

  6. 系统仿真的发展 • 简单的数字仿真→一体化仿真→可视化建模→可视化仿真 • 应用对象：工程设计、施工、监理、工程管理

  7. 2、可视化仿真（Visual Simulation)

  8. 3、国外发展动态 • 国外仿真软件： • INSIGHT,RESQUE,DISCO,DCV等

  9. 二、工程信息三维可视化建模 1、开发建立VisualGeo系统 将地层中每一点的地质信息赋予三维实体地形图 2、基于上述系统，进行三维可视化分析 地层任意切剖得到的地层剖面上任一点的地质信息自动获得

  10. 3、地形地质信息可视化 地理信息可视化是目前GIS领域和地图学的研究热点之一，随着3S技术以及其他空间技术的发展，空间数据的获得越来越方便,地学视觉化为数据使用者提供了重要的数据界面，供显示、分析和决策之用。虚拟现实技术以其强大的多维感官表现力无疑为地学可视化提供了便利的工具

  11. 新地图学的构思——即基于VRGIS的新地图学 • VRGIS是虚拟现实技术与GIS的集成，即传统的GIS以虚拟现实作为主要界面和交互方式

  12. 4、工程虚拟场景的几何建模 在虚拟水电工程施工场景中，我们将场景对象根据空间维上的分布特征分为两类 以场为基础的对象，如地形、河流、土壤种类分布等，这类对象在空间上是连续分布的，称为地形景观对象 以离散实体为特征的对象，如树木、生活住房、渣场、水工建筑物等，这些对象是以独立的个体而存在，我们称之为地物对象

  13. 数字地形模拟 • 水工建筑物模拟

  14. 三、混凝土坝施工可视化三维仿真系统 • 1、仿真系统的基本原理 • 运用系统工程的方法，建立混凝土浇筑施工过程计算机模拟的数学模型，对整个施工过程进行模拟试验，输入不同的边界条件和参数，通过计算机迅速地求出施工过程各时期的浇筑进度情况和各种需要的定量技术指标，是一种随着时间的增加，求解系统状态的动态模拟方法 • 仿真的成果就是系统状态和时间的关系

  15. 三、混凝土坝施工可视化三维仿真系统 • 动态系统的仿真是通过模拟时钟的推进来逐步记述系统状态变化过程而完成的

  16. 三、混凝土坝施工可视化三维仿真系统 • 2、面向对象的现实系统描述 现实系统信息交换图

  17. 三、混凝土坝施工可视化三维仿真系统 • 2、面向对象的现实系统描述 混凝土大坝施工仿真系统的各子系统的数据流

  18. 三、混凝土坝施工可视化三维仿真系统 • 3、需重点解决的问题 • 混凝土坝施工过程仿真——浇筑仓顺序优选 • 在充分反映混凝土浇筑规范要求和大坝施工边界条件的基础上，优化选择混凝土浇筑仓的浇筑顺序，达到混凝土坝施工工期最短的要求

  19. 成果可视化 • 使用二维或三维可视化技术，将大坝施工直观的反映出来，对设计提供了有力的参考

  20. 混凝土坝施工过程动态仿真 工程应用 • 澜沧江糯扎渡水电站混凝土坝施工过程仿真及三维可视化 • 长江三峡水利枢纽混凝土大坝施工过程三维动态仿真 • 红水河龙滩水电站碾压混凝土大坝施工过程仿真及其三维可视化 • 金沙江白鹤滩水电站混凝土双曲拱坝施工过程仿真及其三维可视化

  21. 混凝土坝施工过程动态仿真 工程应用 • 乌江构皮摊水电站双曲拱坝施工过程仿真及三维可视化 • 金沙江金安桥水电站碾压混凝土坝施工工艺及其动态可视化仿真 • 金沙江龙开口水电站碾压混凝土坝施工过程动态可视化仿真及方案优化

  22. 混凝土坝浇筑系统模拟程序界面

  23. 四、土石坝施工可视化三维仿真系统 • 1、系统仿真的基本原理 • 土石坝施工过程仿真，就是运用系统工程的方法，建立土石方运输填筑施工过程计算机模拟的数学模型，对整个施工过程进行模拟试验，输入不同的边界条件和参数，通过计算机迅速地求出施工过程各时期的填筑进度情况和各种需要的定量技术指标，是一种随着时间的增加，一步步求解系统状态的动态模拟方法

  24. 四、土石坝施工可视化三维仿真系统 • 2、坝体三维数值模型 • 水利水电工程的三维模型，分为：山体模型和水工建筑物模型 • 数字地形模拟是针对地形地貌的一种数字建模过程，这种建模的结果通常就是一个数字地面模型（Digital Earth Model以下简称DEM） • 数字地面模型的建模有四种主要方法：基于点的建模方法、基于三角形的建模方法、基于格网的建模方法和其中任意两种结合的混合建模方法

  25. 四、土石坝施工可视化三维仿真系统 • 3、土石坝施工过程仿真模型 • 分为土石方运输子系统和坝体填筑子系统

  26. 四、土石坝施工可视化三维仿真系统 土石方运输子系统 • 水利水电工程交通运输系统是由一系列特定运输环节所构成的一个循环过程 • 土石方运输过程包括土石方装车、重车运行、坝面卸车和空车返回4个环节 • 把运输车辆看成是运输系统中的流动实体，把车辆在运输过程中经过的各运输环节需滞留的时间看成是符合某种分布规律的随机变量，把运输过程的各环节看成是按照不同服务规则和机制对流动实体进行的服务机构，则可以将一个复杂运输系统抽象为一个有限源多级随机服务

  27. 四、土石坝施工可视化三维仿真系统 坝面填筑子系统 • 土石坝的填筑过程一般是分阶段进行，每一阶段填筑坝体不同部位的不同料物 • 在每一个阶段按照填筑物料的不同将坝体划分为若干个分区，每一个区可以包含几种料物，但必须一同碾压，且有相同层厚 • 把坝体填筑过程离散成许多层，模拟过程实际上就是确定每一填筑层的开始填筑时间和填筑完成时间

  28. 4、需重点解决的问题 • 土石坝施工过程仿真——动态边界条件 • 紧密结合实际工程施工中不确定因素多、难以全部预先确定的特点，基于GIS系统，使用交互式的仿真技术，将坝面已经完成的填筑边界作为动态条件由用户指定，使随着工程实际进度的仿真成为可能

  29. 土石坝施工过程动态仿真 工程应用 • 澜沧江糯扎渡水电站堆石坝施工过程动态仿真及其三维可视化 • 江苏溧阳抽水蓄能电站施工全过程动态三维可视化仿真及优化

  30. 土石坝施工过程动态仿真 工程应用 • 喀什河吉林台水电站面板堆石坝施工过程动态仿真与实时控制系统 • 特点：动态预测、实时控制、历史统计 • 资源配置、优化调度

  31. 五、地下洞室群施工动态可视化仿真系统

  32. 六、施工总布置三维可视化设计系统 1、施工总布置三维视算一体化设计的基本概念 科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)是20世纪80年代中后期提出并发展起来的 但由于受到计算机硬件技术的限制，科学计算不能以交互方式进行处理，使用者不能对计算过程进行干预和引导，只能被动地等待计算结果的输出；而且大量的输入输出数据只能手工处理，或简单地用二维图形输出

  33. 六、施工总布置三维可视化设计系统 科学计算可视化的基本思路就是将科学计算中从建立计算模型到计算结果均采用图形的输入和输出来实现，将复杂的数据计算和数据处理推向后台，用户主要和图形打交道。用户通过使用多媒体技术在屏幕上作图和修改图形，形成计算模型后，自动生成后台的输入文件，用户可以通过交互方式获取中间结果和图形仿真以了解计算过程，干预和引导计算并最终获得计算结果的图形、颜色、静态和动态画面，使研究者了解全部过程和发展趋势

  34. 六、施工总布置三维可视化设计系统 科学计算可视化利用现代计算机强大的图形功能把科学计算中产生的数字信息转变为直观的、以图象或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量，如使用交互网格生成的有限元模型，结构受荷载作用过程中变形图上位移变化等 可视化技术在设计工作中的反映关键在于图形显示与分析计算的紧密结合，这就是所谓工程设计可视化(Visualization in Engineering Design)

  35. 六、施工总布置三维可视化设计系统 由于可视化技术的有效性，当前有些CAD软件中已或多或少地溶入了这一技术思想，具有可视化的某些功能。但不能认为在CAD中屏幕上出现了图形而认为是可视化 在工程设计中应用可视化技术，采用视算一体化(Visual-Computing Integration)这一术语更为确切。这一技术的引用，将使科学计算和工程设计工作方式的面貌大大改观，并由此带来巨大的社会效益和经济效益，前景十分广阔

  36. 六、施工总布置三维可视化设计系统 2、开发现状 基于12d Model软件的施工总布置三维视算一体化设计，就是为了做到对于一个施工总布置设计过程，从原始地形图的输入及水工建筑物的引入，到场内交通方案的每条线路布置及对应工程量的计算，再到各施工场地的选定及场地平整工程量计算，以及工程堆渣场的选址及容量计算，全过程都是在三维几何模型可视、交互状态下进行，可随时调整设计参数，及时得出工程量计算结果，并显示各施工场地及设施的三维可视结果 后期利用12d Model的输出接口将设计成果输出到AutoCAD，进行编辑后作为工程所需的常规见图纸。同时将设计成果转入3DSMAX后，可进行渲染并形成动画及效果图

  37. 原始三维地面模型

  38. 渣场顶部定线

  39. 应用设计模板

  40. 渣场最终堆渣量计算

  41. 公路平曲线及竖曲线设计

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