技术领域
[0001] 本
发明属于
水利
水电施工过程动态
可视化仿真领域，具体讲，涉及地下洞室群三维可视化建模与施工进度仿真的交互。
背景技术
[0002] 地下洞室群布置在地下，施工空间十分有限，并且其洞室规模大、地质条件多变，施工过程极其复杂。如何准确而快速的进行施工决策，且在时间、空间上实现科学的进度安排，是工程管理人员极度关心的问题，目前最有效的分析方式为应用科学可视化技术对地下洞室群进行施工全过程动态可视化仿真分析。
[0003] 地下洞室群施工全过程动态可视化仿真分析是将互相独立的地下洞室群三维模型与施工进度仿真成果相结合实现施工过程的动态模拟。这种方法实现的施工过程动态模拟的成果
修改困难，若三维模型或仿真成果变动，则需重新将二者结合、模拟，无法实现地下洞室群的动态可视化仿真分析结果的自动更新；并且，目前常用的
三维建模软件建立的模型难以修改、不利于重复使用，若设计资料变更，则需重新建立三维模型，效率较低，无法满足准确而快速地实现施工决策、进度安排的要求。因此，有必要结合CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)软件实现地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互，用以快速更新地下洞室群施工过程动态可视化仿真分析成果，这对于提高实现科学合理的施工决策与进度安排的效率具有十分重要的意义。
[0004] 目前，在地下洞室群施工过程动态可视化仿真分析方面，钟登华等先后提出基于OpenGL(Open Graphics Library)和GIS(Geographic Information System,
地理信息系统)的地下洞室群施工全过程三维动态演示系统[1-3]，而后又提出了基于三维地质模型的地下洞室群施工全过程动态可视化分析方法[4]，展示了地下洞室群任意时刻的施工面貌，再现了各施工工序在时间、空间上的逻辑关系，对仿真成果进行了直观有效的分析与检验，对施工决策和进度安排的科学性起到了重要作用。但这些系统与方法只是将互相独立的地下洞室群三维模型与施工进度仿真成果相结合得到新的成果，并未将二者关联，实现三维设计与仿真的交互，从而无法实现施工过程动态可视化仿真分析成果的自动更新。
[0005] 目前，关于交互式设计的研究已率先在工程设计、施工领域展开。张家驰[5]提出一种基于BIM(Building Information Modeling，
建筑信息模型)仿真模型与现场施工交互的方法，该方法能够及时发现和处理施工阶段中的问题，从而调整仿真模型或现场施工进度，使得仿真模型不仅在理论上能够支持待建
建筑物的施工，而且在现场施工时同样能够掌控施工进度，但该方法只能应用于施工过程中，在设计阶段无法根据设计资料的变更模拟施工过程的变化；肖贵英[6]选取船
体模型为对象，进行了基于用户数据存储文件的
船舶CAD设计软件TRIBON系统和CATIA系统间船体模型的交互技术研究，该方法有效地将两个互相独立的系统联系到一起，实现了船体平面板架的数据交换，但是仅实现了船体模型从TRIBON系统向CATIA系统的数据单向传递，尚未实现TRIBON系统与CATIA系统间数据传递的双向交互；JIN Ping[7]基于CATIA平台开发拱坝可视化建模系统，采用VB(Visual Basic)程序进行二次开发，实现模
块之间的数据交换和处理，用户可通过交互式设计输入参数建立拱坝模型，该方法很好地实现了
人机交互、参数建模，但仅实现了建模过程的可视化，未将三维模型与拱坝施工进度相结合，实现施工过程的动态可视化；钟登华等[8]将CATIA引入心墙堆石坝施工仿真建模中，构建了基于CATIA的心墙堆石坝三维可视化交互系统平台，该方法将三维设计与施工进度仿真结合，很好地实现了施工场景三维模型与施工仿真进度计划的双向信息交流，但未实现三维设计与施工仿真的交互设计，无法使三维模型与进度计划实现双向自动更新。
[0006] 综上所述，目前尚未有将三维设计与施工进度仿真相结合，实现二者双向交互、并且可同时应用于工程设计、施工阶段的研究。
[0007] 参考文献：
[0008] [1]钟登华,张伟波,郑家祥.复杂地下洞室群施工动态演示系统研究[J].水
力发电,2000,12:28-30。
[0009] [2]钟登华,宋洋.基于GIS的水利水电工程三维可视化图形仿真方法与应用[J].JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS,2004,2(0):1。
[0010] [3]钟登华,宋洋,黄河,等.基于GIS水电工程施工系统三维动态图形仿真技术[J].系统仿真学报,2004,15(12):1766-1770。
[0011] [4]钟登华,李明超.水利水电工程地质三维建模与分析理论及实践[M].中国水利水电出版社,2006。
[0012] [5]张家驰,桑煜,高祥发,等.一种基于BIM仿真模型与现场施工交互的方法和系统[P].上海：CN104484524A,2015-04-01。
[0013] [6]肖贵英.TRIBON与CATIA船体模型交互技术研究[D].哈尔滨工程大学,2009。
[0014] [7]JIN Ping School of Urban Study Wuhan University Wuhan,Hubei,430072,China.Study on Arch Dam Visual Modeling System Based on CATIA[A].Intelligent Information Technology Application Research Association,Hong Kong.Environmental Science and Information Application Technology Volume 1[C].Intelligent Information Technology Application Research Association,Hong Kong,2009:4。
[0015] [8]钟登华,石志超,杜荣祥,等.基于CATIA的心墙堆石坝三维可视化交互系统[J].水利水电技术,2015,06:16-20+33。
发明内容
[0016] 为克服
现有技术的不足，实现地下洞室群施工过程动态可视化仿真分析成果的自动更新，可同时应用于工程设计、施工阶段，在设计阶段可根据设计资料变更进行成果更新，提高三维建模与仿真分析的效率；在施工阶段可根据实际施工进度调整成果展示，便于掌控施工进度。本发明采用的技术方案是，地下洞室群三维设计与施工进度仿真交互的方法，包括两个方面：第一，修改模型参数，模型自动更新，同时，仿真输入参数发生相应变化，并重新进行仿真计算，根据新的仿真进度计划同步更新施工过程动态可视化仿真分析成果；第二，修改仿真参数，重新进行仿真计算，同时，模型参数发生相应变化，模型自动更新，结合新的仿真进度计划同步更新施工过程动态可视化仿真分析结果；通过以上两个方面，实现地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互。
[0017] 具体步骤如下：
[0018] 1.运用CATIA三维建模软件建立地下洞室群参数化模型；
[0019] 2.利用地下洞室群施工进度仿真程序进行地下洞室群施工进度仿真计算：
[0020] 结合地下洞室群施工特点，采用系统仿真技术耦合循环网络仿真CYCLONE(Cycle Operation Network)和关键路径法CPM(Critical Path Method)，建立地下洞室群施工进度仿真模型；结合工程实际，确定地下洞室群施工进度仿真参数，以仿真模型和施工参数为
基础，对地下洞室群施工全过程进行仿真分析，得到施工进度计划仿真成果；
[0021] 3.基于地下洞室群三维模型与施工进度计划，进行地下洞室群施工全过程三维动态可视化仿真分析：在三维模型与施工进度仿真结果的基础上，通过将任意时刻施工整体三维面貌与相关施工信息进行耦合，实现地下洞室群施工全过程动态可视化，较全面地表达地下洞室群施工的复杂情况及过程，从而对地下洞室群施工全过程的仿真成果进行更为直观的表达；
[0022] 4.实现地下洞室群三维设计与仿真计算的交互：
[0023] 将地下洞室群三维模型参数与施工进度仿真参数进行关联；首先，通过修改模型参数，使模型自动更新，同时，仿真输入参数也相应发生变化，随即重新进行仿真计算，得到新的仿真进度计划后同步更新施工过程动态可视化仿真分析成果；此外，通过修改仿真输入参数，重新进行仿真计算，与此同时，模型进行相应更新，并根据新的仿真进度计划同步更新施工过程动态可视化仿真分析成果。
[0024] 建立基于CATIA的地下洞室群三维参数化模型进一步具体步骤是，首先要对地下洞室群各施工系统基本对象参数化，即提炼出基本对象的结构控制参数，结构控制参数包括结构的形状、截面尺寸等控制参数；然后以这些控制参数为基础，通过应用CATIA软件生成地下洞室群各单项洞室的基本
图形对象；
[0025] 其中，控制参数分为基本参数与关联参数，基本参数是指各单项洞室自身的独立参数，这些参数能够确定洞室自身基本形状；关联参数是指各单项洞室间相互关联的参数，这些参数能够确定洞室之间的
位置关系；
[0026] 根据各单项洞室形状特征及参数之间的关系，运用CATIA零件设计模块、创成式外形设计模块、知识工程模块完成各洞室参数化模型的创建。
[0027] 随后，创建三维模型参数。利用参数驱动CATIA
几何模型，还能够通过修改参数来改变洞室的模型。
[0028] 对地下洞室群施工全过程进行仿真分析具体步骤是，不同的洞室采用不同的施工方法，构造不同的CYCLONE模型以备CPM层模型调用，CYCLONE层模型多采用顺序施工模型、平行施工模型；地下洞室的开挖主要采用钻孔爆破法；用
钻爆法开挖地下建筑物是一个反复循环的过程，每掘进一次，工作面大致按炮孔深度向前推进，完成一次循环作业；
[0029] 随后，创建施工仿真参数。施工仿真参数中包含各洞室断面尺寸等信息，以及施工所需循环进尺、机械设备等仿真参数。利用不同的参数进行仿真计算会得到相应的仿真成果。因此，通过修改、调整仿真参数以得到最优的施工进度仿真成果。
[0030] 地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互具体步骤是，地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互是通过三维模型参数与施工仿真参数的交互实现的，运用编程的方法，将三维模型参数与施工仿真参数中的部分参数，如洞室断面尺寸、洞室长度进行关联，使其一发生变动时，另一也随之进行更新，从而更新相应的三维模型或仿真成果，最终更新地下洞室群三维动态可视化仿真分析成果。
[0031] 本发明的特点及有益效果是：
[0032] (1)CATIA
参数化建模省时省力，采用该方法建模，当地下洞室群主要参数发生变动时，无需花费较长时间重新建模，只需修改模型参数便能自动更新模型，提高地下洞室群的建模效率；
[0033] (2)通过对任意时刻施工面貌及其相关施工信息的耦合，使各施工工序在时间、空间上的逻辑关系清晰可见，使地下洞室群施工全过程仿真成果的表达更为直观；
[0034] (3)通过实现地下洞室群三维建模与仿真计算的交互，使原本相互独立两个个体相关联，能够快速耦合新的施工设计参数实现地下洞室群三维模型、施工进度仿真成果、施工过程三维动态可视化仿真分析成果的同步更新，提高地下洞室群设计、建模与分析的水平和效率。
附图说明：
[0035] 图1地下洞室群施工系统分解图；
[0037] 图3地下洞室群三维设计与施工进度仿真交互流程图。
具体实施方式
[0038] 本发明针对目前地下洞室群三维模型建模过程及其施工过程动态可视化仿真分析过程较复杂的问题，结合CATIA建模技术与施工进度仿真技术，提供一种使建立的三维模型与仿真成果相互关联的方法，实现地下洞室群施工过程动态可视化仿真分析成果的自动更新，可同时应用于工程设计、施工阶段，在设计阶段可根据设计资料变更进行成果更新，提高三维建模与仿真分析的效率；在施工阶段可根据实际施工进度调整成果展示，便于掌控施工进度。
[0039] 本发明提出一种基于CATIA的地下洞室群三维设计与施工进度仿真交互的方法。包括两个方面：第一，修改模型参数，模型自动更新，同时，仿真输入参数发生相应变化，并重新进行仿真计算，根据新的仿真进度计划同步更新施工过程动态可视化仿真分析成果；
第二，修改仿真参数，重新进行仿真计算，同时，模型参数发生相应变化，模型自动更新，结合新的仿真进度计划同步更新施工过程动态可视化仿真分析结果。通过以上两个方面，实现地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互。具体步骤如下：
[0040] 1.运用CATIA三维建模软件建立地下洞室群参数化模型。
[0041] CATIA软件具有精准且易修改的三维建模能力，软件的知识工程技术可以嵌入在设计和施工仿真的很多环节中，其中的参数化建模技术能够利用数学公式和几何拓扑约束建立灵活的几何模型。参数化建立的模型不仅可以通过修改模型参数修改模型，而且可以在模型被修改时实现自动更新，提高模型修改的效率。因此，应用CATIA知识工程技术建模可以很好地解决建模过程中很多相似模型的重复利用问题，提高建模的速度。
[0042] 2.利用地下洞室群施工进度仿真程序进行地下洞室群施工进度仿真计算。
[0043] 结合地下洞室群施工特点，采用系统仿真技术耦合CYCLONE技术和CPM技术，建立地下洞室群施工进度仿真模型；结合工程实际，确定地下洞室群施工进度仿真参数。以仿真模型和施工参数为基础，对地下洞室群施工全过程进行仿真分析，得到施工进度计划等仿真成果。
[0044] 3.基于地下洞室群三维模型与施工进度计划，进行地下洞室群施工全过程三维动态可视化仿真分析。
[0045] 在三维模型与施工进度仿真结果的基础上，通过将任意时刻施工整体三维面貌与相关施工信息进行耦合，实现地下洞室群施工全过程动态可视化，较全面地表达地下洞室群施工的复杂情况及过程，从而对地下洞室群施工全过程的仿真成果进行更为直观的表达。
[0046] 4.实现地下洞室群三维设计与仿真计算的交互。
[0047] 将地下洞室群三维模型参数与施工进度仿真参数进行关联。
[0048] 首先，通过修改模型参数，使模型自动更新，同时，仿真输入参数也相应发生变化，随即重新进行仿真计算，得到新的仿真进度计划后同步更新施工过程动态可视化仿真分析成果；此外，通过修改仿真输入参数，重新进行仿真计算，与此同时，模型进行相应更新，并根据新的仿真进度计划同步更新施工过程动态可视化仿真分析成果。
[0049] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步地详细描述。
[0050] 本方法主要包括六个部分：1.施工系统分解；2.选取施工系统中控制性参数；3.建立基于CATIA的地下洞室群三维参数化模型；4.进行地下洞室群施工进度仿真分析；5.地下洞室群施工过程三维动态可视化仿真分析；6.地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互[0051] 1.施工系统分解
[0052] 对于地下洞室群施工这样一个复杂的系统，可以根据系统分解协调原理，将整个系统分解成目标相对单一的子系统。通过对子系统的三维设计与施工过程进度仿真实现系统的整合。通过这种分解和整合，使一个结构复杂的系统变得容易把握和控制。
[0053] 参照图1，地下洞室群施工系统可划分为主厂房系统、主变室系统、尾调室系统、引水隧洞系统和尾水隧洞系统等组成。
[0054] 2.选取施工系统中控制性参数，如断面尺寸、洞室长度
[0055] 隧道断面形状主要有：圆形、城
门洞形、
马蹄形和高拱形4种，根据施工组织设计，提取出所需断面尺寸、洞室长度等几何参数。
[0056] 3.建立基于CATIA的地下洞室群三维参数化模型
[0057] CATIA参数化技术不仅可以建立易被修改的几何模型，而且具备了在项目全生命周期内方便修改的能力，即使是在设计的最后阶段需要做重大修改，也都很容易实现。并且可以通过建立参数以及数学公式来关联，当其中一个定义的参数发生变化时，其他与之相关联的参数也随机发生改变，最后整个模型会自动更新。
[0058] 首先要对地下洞室群各施工系统基本对象参数化，即提炼出基本对象的结构控制参数，一般包括结构的形状、截面尺寸等控制参数。在提炼这些控制参数时，应考虑到各单项洞室结构设计过程中对参数化特征的要求，同时，还要满足各单洞易组装成整体地下洞室群结构的要求。然后以这些控制参数为基础，通过应用CATIA软件生成地下洞室群各单项洞室的基本图形对象。
[0059] 其中，控制参数分为基本参数与关联参数。基本参数是指各单项洞室自身的独立参数，这些参数可以确定洞室自身基本形状；关联参数是指各单项洞室间相互关联的参数，这些参数可以确定洞室之间的位置关系。
[0060] 根据各单项洞室形状特征及参数之间的关系，运用CATIA零件设计模块、创成式外形设计模块、知识工程模块完成各洞室参数化模型的创建。
[0061] 随后，在软件中创建三维模型参数。利用参数驱动CATIA几何模型，期间，还可以通过修改参数来改变洞室的模型。
[0062] 4.进行地下洞室群施工进度仿真分析
[0063] 参照图2，根据工程施工组织设计，以及各项洞室施工的衔接关系及相互制约条件，对地下洞室群施工系统各施工程序进行分析研究，建立地下洞室群施工进度仿真模型。地下洞室群施工进度仿真模型由控制层CPM模型和实施层CYCLONE模型组成，不同的洞室采用不同的施工方法，构造不同的CYCLONE模型以备CPM层模型调用。施工方法分为顺序施工模型、平行施工模型、漏渣法施工模型、导洞法施工模型、竖井施工模型等。地下洞室群开挖一般采用顺序法、平行法施工，因此CYCLONE层模型多采用顺序施工模型、平行施工模型；地下洞室的开挖主要采用钻孔爆破法。用钻爆法开挖地下建筑物是一个反复循环的过程，每掘进一次，工作面大致按炮孔深度向前推进，完成一次循环作业。
[0064] 随后，创建施工仿真参数。施工仿真参数中包含各洞室断面尺寸等信息，以及施工所需循环进尺、机械设备等仿真参数。利用不同的参数进行仿真计算会得到相应的仿真成果。因此，可以通过修改、调整仿真参数以得到最优的施工进度仿真成果。
[0065] 5.地下洞室群施工过程三维动态可视化仿真分析
[0066] 地下洞室群施工过程三维动态可视化仿真分析是以地下洞室群三维模型与施工进度仿真成果为基础实现的。通过将仿真输出的成果与CATIA地下洞室群三维模型进行关联，利用参数驱动三维模型功能，实现仿真成果不断更新的同时，地下洞室群三维模型也不断更新，展现各施工阶段施工整体三维面貌，从而实现地下洞室群施工过程三维动态可视化仿真分析。
[0067] 6.地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互
[0068] 地下洞室群三维设计与施工进度仿真的交互是通过三维模型参数与施工仿真参数的交互实现的。运用编程的方法，将三维模型参数与施工仿真参数中的部分参数，如洞室断面尺寸、洞室长度进行关联，使其一发生变动时，另一也随之进行更新，从而更新相应的三维模型或仿真成果，最终更新地下洞室群三维动态可视化仿真分析成果。
[0069] 具体地，参照图3，如修改三维模型参数中的部分参数，其首先驱动地下洞室群三维参数化模型进行更新，得到新的地下洞室群三维模型；同时，施工仿真参数中与之相关联的参数也随之发生改变，于是重新进行仿真计算，得到新的仿真成果；新的仿真成果再驱动新的三维模型进行更新，最终实现地下洞室群三维动态可视化仿真分析成果的更新。
[0070] 反之，如修改施工仿真参数中的部分参数，其重新进行仿真计算得到新的仿真成果；同时，三维模型参数中与之相关联的参数也随之发生改变，于是驱动三维参数化模型进行更新；新的三维模型再在新的仿真成果的驱动下进行更新，最终完成地下洞室群三维动态可视化仿真分析成果的更新。
