水利数字孪生平台三维模拟仿真技术研究与应用.pdf
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1、第54卷第8 期2023年8 月文章编号:10 0 1-417 9(2 0 2 3)0 8-0 0 0 9-10引用本文:张力,张航,刘成,等.水利数字李生平台三维模拟仿真技术研究与应用J.人民长江,2 0 2 3,54(8):9-18.人民长江YangtzeRiverVol.54,No.8Aug.,2 0 2 3水利数字李生平台三维模拟仿真技术研究与应用张力1.2.3,张航1-2,刘成壁1-2,祝完章1.2(1.长江空间信息技术工程有限公司(武汉),湖北武汉430 0 10;2.湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心,湖北武汉430 0 10;3.长江委智慧长江创新团队,湖北武汉430
2、0 10)摘要:三维模拟仿真技术是水利数字李生平台建设的重要基础,为水利要素及水利治理管理过程的数字化映射、智能化模拟提供关键支撑。为进一步驱动各类水利模型的协同高效运算,推进对流域和水利工程管理活动的智慧化模拟,需对水利三维模拟仿真的流程框架和关键技术进行研究和应用。其中,基于IFC、Ci t y G M L等标准,将多种主流BIM平台数据模型与水利GIS场景数据进行深度对接融合,并实现融合数据与不同尺度数字化场景的关联映射,构建形成GIS+BIM多源融合、多维度、多尺度的水利数字李生场景。基于基础空间分析功能,进一步接入水利专业模型,实现各种定制水利业务的三维模拟仿真,并结合云染技术提升三
3、维可视化的保真度和质量。研究成果初步形成了水利数字李生三维模拟仿真全链条解决方案,并通过多个数字李生项目实例展示了其应用效果。结果表明,所提出的水利三维模拟仿真技术能够为智慧水利建设提供有力支撑与技术驱动。关键词:数字李生;模拟仿真;三维可视化;智慧水利;GIS;流域管理中图法分类号:P2080引言自中国“十四五”规划纲要发布以来,构建智慧水利体系已成为水利行业的主要任务之一。数字李生技术充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中反映相对应实体装备的全生命周期过程1。数字李生技术实现了物理空间与数字空间的实时双向同步映射和虚实交互,
4、成为智慧水利体系构建的重要技术手段。“十四五”智慧水利建设规划明确了数字李生流域的建设任务,其主要内容就是构建由数据底板、模型平台和知识平台组成的水利数字李生平台2 。其中,模型平台不仅要建设水利专业模型、智能模型和可视化模型,还要求建设包括模型管理、场景配置、仿真设计等功能的数字模拟仿真引擎,从而实现对各项水利业务的同步模拟仿真运行。改进和完善数收稿日期:2 0 2 2-10-0 9作者简介:张力,女,正高级工程师,主要从事空间信息技术与水利信息化研究与应用。Ema i l:158 0 4916 2 q q.c o m文献标志码:AD0I:10.16232/ki.1001-4179.2023
5、.08.002字李生仿真引擎,打造专用的水利数字李生三维模拟仿真技术体系,对于进一步驱动各类水利模型的协同高效运算,推进对流域和水利工程治理管理活动的智慧化模拟,以及智慧水利体系的构建都至关重要。数字李生平台是实现数字化转型和数字经济发展的重要技术手段,模拟仿真引擎作为其模型平台的主要构成部分,已经在交通3、电力4、智慧城市5 等诸多行业领域中得到了广泛应用和高速发展。在水利行业中,模拟仿真引擎以及三维可视化技术被用来对流域和水利工程中各涉水要素进行虚拟仿真模拟,从而为水资源调度、工程安全监测、防汛抗旱、水生态保护等提供高效且准确的分析和决策支持。黄艳 阐述了数字李生长江建设的总体架构,利用模
6、拟仿真技术在数字李生长江建设成果中实现了洪水预报、预警、预演、预案以及工程智能调度全过程模拟。周超等7 构建了水利业务问题与决策流程的数字李生建模平台,10对长江流域的水工程预报调度业务体系进行了模拟运行。喻杉等8 研究了流域全要素建模、高保真高性能煊染、地形数据加工处理等模拟仿真关键技术,通过这些关键技术在全域、全过程实时准确再现流域物理世界中各要素之间的关系,从而实现流域水流、信息流、业务流、价值流的全过程实时镜像。杜壮壮等9 通过融合智能预测和可视化管理,建立起了一种面向河道工程管理的数字李生可视化智能管理平台。总体而言,目前三维模拟仿真技术在水利行业中的应用仍处于初级阶段,与其他行业相
7、比其成熟度和专用程度还有一定的差距。现有的水利数字李生平台三维模拟仿真应用在面对新时代智慧水利体系建设的需求时,在水利数据集成、发布、分析、可视等核心环节中仍存在诸多不足,主要可以归纳为以下几点:(1)在数据接入与集成方面,多元数据融合以及迭代更新能力不足,数据余度高,对水利业务分析和决策的实时性和时效性造成了影响;(2)在数据存储与发布方面,海量三维数据的存储、管理和应用给平台的运行效率带来了极大的挑战;(3)在数据模拟与分析方面,对水利业务中涉水要素空间分析和专业建模模块的集成不够深人,模拟仿真以及智慧应用水平待提升;(4)在数据可视与应用方面,缺乏高性能的云煊染可视化,三维数字李生场景保
8、真度不足。基于以上问题,本文对水利数字李生平台三维模拟仿真的可视化模型需求和仿真功能需求进行分析,并对模拟仿真技术框架和功能模块进行详细设计,深入研究三维模拟仿真诸项关键技术,最后通过多项应用实例展示了基于该技术的实际应用效果。1水利数字李生三维模拟仿真的需求与技术框架1.1三维模拟仿真的可视化模型需求可视化模型是实现三维模拟仿真的重要模型支撑,为模拟仿真提供实时染和可视化呈现。水利三维模拟仿真所需的可视化模型应包括水利工程周边的自然背景(如不同季节白天黑夜、不同量级风雨雪雾、日照变化、光影、水体等背景)可视化煊染模型,库区流场动态可视化拟态模型,水利工程监测与安全运行模型,库区典型地质灾害体
9、形变模型等,能够基于真实数据,实现对水利枢纽、库区的真实可视化仿真模拟。1.1.1三维实体可视化(1)具有流域级仿真能力。通过对接上级系统,人民长江调用流域数据,对水利工程附近水域乃至整个流域的实时状态进行大场景可视化展示,满足在防洪、水资源调度运用等方面的需求。(2)具有无缝融合的细节表现能力。可视化模型既可以煊染宏大开阔的流域场景,又可以展示设备零部件的局部细节,而所有级别的要素均应可在同一个场景下进行表现,即整个工程仅包含一个数字李生环境,所有的模拟仿真均在这一个环境下进行。通过运用多层次实时煊染技术,实现流域全貌大场景到设备细节的无缝融合煊染。(3)具有真实感的水体表现能力。构建多数据
10、因子联合驱动的水体可视化模型,精确控制水体关键位置的流速、流向、水位、色彩、透明度等属性,并构建相应的逼真煊染算法,可实现数据驱动的逼真水体染。(4)具有物理特性的材质模型。构建基于物理的材质着色模型,对水利工程等物理实体,根据其几何、颜色、纹理、材质等本体属性,以及光照、温度、湿度等环境属性,进行光照计算,模拟出物体的视觉特征。1.1.2抽象信息可视化对实体属性、概要信息等抽象数据,应根据其数据特点,实现直观数据可视化,应支持点、线、面等基础矢量元素可视化,动态图标、动态流场线等动态效果可视化。1.1.3业务场景可视化针对业务应用场景,实现相应的可视化仿真。例如,针对库区安全场景,根据监测数
11、据及相关数学模型计算结果,实现滑坡体变形等过程的模拟仿真;针对水质安全场景,根据水质模型计算结果,实现不同来水条件下库区水质变化仿真等;针对工程安全场景,根据大坝安全分析计算结果,实现不同工况下大坝变形仿真等。1.2三维模拟仿真的应用功能需求水利三维模拟仿真应用应以数字化场景、智慧化模拟和精准化决策为路径,为“四预”专业功能提供实时染和可视化呈现支撑,为物理流域、各项水利工程等提供多维度、多时空尺度的高保真数字化映射,提供实时的交互响应、低延迟且稳定的图像质量和逼真的场景效果。“四预”仿真应以“四预”专业分析结果为基础,分别从宏观、中观和微观三个层面支撑动态数字模拟仿真。宏观层面主要对流域天气
12、、雨情等预报信息进行模拟仿真支撑,中观层面主要对蓄滞洪区和水库的拦蓄水、泄洪等进行模拟仿真支撑,微观层面主要对大坝内部结构以及水利水电设施运行进行动态模拟仿真支2023年第8 期撑。因此,水利三维模拟仿真应结合“四预”业务的具体需求,基于不同的应用场景不断完善仿真模拟支撑功能,包括针对洪水调度模型的时间过程模拟仿真,针对事故推演的“情景一应对”模拟仿真,针对提升场景真实感的环境天气模拟仿真等。在三维模拟仿真应用中,应实现三维实体的可视化染、应用场景可视化煊染以及业务数据可视化染。其中,三维实体的可视化染即根据物理实体的几何、颜色、纹理、材质等本体属性,以及光照、温度、湿度等环境属性,实现实体的
13、三维可视化煊染;应用场景可视化煊染根据应用需求、场景范围等条件,呈现具体场景染效果,主要包括超大场景动态缩放和加载染、自然现象的效果染等,其中动态缩放加载染可以根据距离加载不同层级的场景,以控制整体的染效果,每个场景区域可以独立动态加载;业务数据可视化染则以三维空间网格模型为数字底座,根据应用场景和业务数据特定属性,将业务数据定位、叠加在统一的三维空间之中,对管理对象的各种属性信息、业务状态信息进行多维集成显示。1.3三维模拟仿真总体技术框架水利三维模拟仿真技术应为水利业务提供数据集成、发布、分析、可视全链条支撑框架,以实现三维实体一应用场景一业务数据多个维度的可视化模拟呈现,技术框架如图1所
14、示。云渣染高保真数字李生场景可视化服务器集群中心数据二服务集群三维数据分布式存储与高效服务发布负载均衡数据加密权限验证数据灾备弹性伸缩服务发布基于多源异构数据的数字李生场景构建地形、影像模型、实景业务数据经济社会水文气象图1水利数字李生模拟仿真技术框架Fig.1 Water conservancy digital twin simulation technology framework水利模拟仿真技术框架以基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据等多源异构数据为数据资源,融合和形成数字李生场景;通过分布式存储技术解决海量三维数据的存储管理问题,并以服务形式进行高效发布与调用;实时接人包
15、括空间分析和仿真服务在内的模型平台来为数字李生应用提供算法支撑;张力,等:水利数字李生平台三维模拟仿真技术研究与应用多平台高性能数字李生引擎三图桌面端WEB端同一数字李生场景多端展示支撑数字李生应用的空间分析与仿真服务基础空间分析专业应用分析动态模拟推演专业数据仿真监测仪器11最后通过云染技术实现高保真数字李生场景的离屏染与像素流送,并利用多平台高性能数字李生引擎实现统一数字李生场景在多端上的呈现与展示。2水利三维模拟仿真关键技术水利数字李生建设主要完成数字李生流域和物理流域在数字空间的映射,通过数字李生模拟仿真应用和信息基础设施实现与物理流域的同步仿真运行、虚实交互、迭代优化2 。该过程涉及
16、水利信息的集成、发布、分析、可视全链条技术体系。本文针对水利信息时空范围跨度大、数据量大、内容复杂、模拟困难等特点,重点突破水利三维模拟仿真技术在多元数据融合与轻量化、数据分布式存储与高效服务发布、空间分析与专业模型接入、云染高保真数字李生场景可视化等方面的技术难点,为水利数字李生应用提供坚实的底层技术支撑。2.1GIS+BIM多元数据融合与轻量化数字化场景是数字李生应用的基础,水利数字化场景以自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息等多元数据为主要内容,对物理流域进行全要素数字化映射。水利数字化场景按照地理空间数据精度被分为L1、L2、L3三级2 ,其中,L1、L2 级主要表达宏观、中观
17、尺度数字李生流域信息,以遥感影像、地形、矢量、倾斜摄影等GIS数据为主;L3级主要表达微观尺度的数字李生工程信息,以水利工程模型数据、水利工程设计图等BIM数据为主。因此,在水利模拟仿真应移动端用中,为实现大范围水利数字化场景的构建与调用,需要解决跨尺度多元GIS与BIM数据的深度融合以及流域海量数据的轻量化集成等核心问题。2.1.1GIS+BIM多元数据融合水利数字李生建设以宏观GIS地理空间数据为基础,根据业务需要接入设计数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据等微观BIM数据,构成数据底板,融合形成数字化场景。为实现GIS、BI M 从底层数据模型到整体功能架构的有机结合,在模拟仿真
18、场景构建时,使用面向GIS场景转换BIM模型的模式,完成Revit、3D E、Be n t le y 等主流BIM平台数据模型与水利GIS场景的融合,具体如图2 所示。在BIM向GIS场景转换融合过程中,GIS、BI M、水利水电工程业务信息基于统一的数据定义,实现从地理场景一空间实体一业务等不同的维度数据整合。针对不同BIM模型,可采用传统基于数据交换格式进行转换,也可以基于主流BIM平台二次开发插件,进行BIM平台与GIS平台的数据直接对接,实现BIM图元12Revit格式模型3DE格式模型BIM-GIS数Bentley格式模型GIS场景数据水利业务数据图2 CIS与BIM数据融合框架Fi
19、g.2GIS and BIM data fusion framework信息和属性信息的抽取。空间信息融合是对BIM平台中的参数化模型进行几何、纹理、材质抽取,并记录和重构BIM模型中的唯一标识符、模型层次结构、共享关系,实现BIM模型向GIS场景模型的转换。属性信息融合则根据各BIM交换格式的属性数据标准,提取不同实体对象、不同阶段、不同模型层次等的属性信息,并通过属性的唯一标识符与图元信息进行关联,从而完成BIM模型向GIS场景的转换,完成时间、空间、业务维度等多维度信息集成。2.1.2(GIS+BIM模型轻量化水利数字化场景既包含时空范围跨度大、海量规模的GIS模型,又涉及细节精细、结构
20、复杂的BIM模型,在进行场景搭建与集成时需要解决模型轻量化问题,以实现海量数据资源的高效调用。模拟仿真场景中参考CityGML标准10 对模型进行层次细节(LevelsofDetail,LOD)划分,实现GIS+BIM模型与不同尺度数字化场景的关联映射,满足大范围、高精细度数字场景应用需求(见图3)。CityGML通过LODO到LOD4五个层次对三维场景进行表达。对于BIM建筑模型,除了描述地形的LODO外,其它层级可分别与CityGML建立对应关系,并从BIM模型中抽取和过滤对应的部件信息,实现模型关联转换。LOD1对建筑物对象进行简单的几何体量建模,可从BIM中抽取不带纹理的建筑外壳,对应
21、BIM的LOD10O的概念化模型;LOD2在LOD1的基础上添加详细的墙体和屋顶信息,赋予其纹理等元素,对应BIM的LOD200初设阶段模型;LOD3对LOD2进行更深层次的精细化补充,包括建筑物的附属结构和附属设施,对应BIM中简化的LOD300细部设计阶段模型;LOD4增加了对室内空间的详细描述,与最终交付的LOD400或LOD500完整BIM模型对应。人民长江三灰卉发空间信息处理Revit SDk几何信息3DECAA提取接入数据集Bentley纹理信息SDk提取接入数据集交换格式IFC3Dxmlstp模型DEMDOM业务信息提取转换2023年GIS根GIS+BIM集成i中的多级组织几何纹
22、理属性信息处理属性信息属性提取接入数据集GIS三维场景空间信息融合构建GIS属性信息业务空间信息十其他信息业务属性信息LOD分页调度空间信息分页代理节点属性信息几何简化、纹理压缩与LOD100BIM概念化模型初设阶段施工图阶段详图、竣工阶段对应关系BIM建筑外壳部件提取、映射GMLLODO标准体系地域模型城市区域模型城市场地模型室外模型系2.5D数字地形图“楼块模型”结构的粗模的建筑模型的建筑模型图3结合CityGML标准的GIS+BIM模型轻量化Fig.3 Lightweight GIS and BIM model combined withCityGML standard在GIS、BI M
23、 模型信息的抽取和分层后,利用模型几何简化和纹理压缩方法对各级LOD模型进行简化处理,并进一步构建场景根节点,生成各级LOD模型分页调度逻辑,完成水利GIS+BIM场景轻量化集成。2.2三维数据分布式存储与高效服务为实现水利数字李生应用中物理流域与数字流域之间的动态、实时信息交互,保持两者的同步性、李生性,三维模拟仿真利用三维数据分布式存储与服务机制,将应用层与数据资源层相互分离,以满足三维场景数据的高效接入、动态调用、修改、更新等业务需求。2.2.1模型共享与分布式存储水利数字化场景中,大量模型部件被重复使用,笔者采用模型共享的方式,通过树形层级关系的解析将共享部件的旋转、平移、缩放信息抽离
24、,重新组织矩阵变换的连接关系。重建后的层级关系消除了同类部件的重复存储,通过从根节至模型部件的矩阵运算还原出部件对象的空间坐标,以减轻模型的存储、传输、染和显示压力。同时,对共享模型对象进行分布式存储与调用,提升后续数据服务的并发能力与安全性(见图4)。2.2.2三维数据服务发布水利三维数据的服务发布为水利数字李生平台的三维模拟仿真提供灵活、可动态更新、可配置修改的数字底板服务支持。在实现GIS+BIM数据集成融合与分布式存储的基础上,将GIS、BIM、水利业务等相关信节点分页代理节点LOD200增加墙体结构LOD1LOD2无屋顶结构的含贴图和楼顶包含更多细节包含内部结构分页代理节点LOD30
25、0增加附属结构LOD3分页代理节点LOD400,500完整BIM部件LOD4室内模型空间分析与仿真服务第8 期息,基于统一框架进行数据服务发布与接入,如图5所示。场景对象1矩阵变换1矩阵矩阵变换4变换5LOD1LOD1LOD2共享对象1LOD2共享对象2LOD2共享对象3LOD3LOD3分布式存储系统图4模型共享与分布式存储结构Fig.4 Model sharing and distributed storage structure数据元数据专题GIS数据三维数字地形三维数字模型BIM模型水利业务数据图5水利数字李生三维数据服务体系Fig.5 Digital twin 3D data serv
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