摘要：水電站廠房安全監測在水利工程建設和運行中都是非常重要的內容，而大量的監測數據和信息，運用圖表對它們進行描述，不能了解到監測儀器具體位置，對于安全監測信息的分析和決策帶來困難。本文論述了采用某水電安全監測數據和站設計圖紙為原始素材，基于3D引擎Virtools開發水電站安全監測可視化系統研究方法。這個系統實現了交互式的安全監測信息查詢能夠直觀的反應監測設備的具體位置和與其他建筑物的相對位置關系，用戶能夠通過該系統方便觀察到水電站地下廠房各類監測儀器信息。

　　關鍵詞：虛擬現實,核心期刊論文發表,水電站

　　1 國內外研究現狀

　　計算機圖形學的發展使得三維表現技術得以形成，這些三維表現技術使我們能夠再現三維世界中的物體，能夠用三維形體來表示復雜的信息，這種技術就是可視化(Visualization)技術。可視化技術使人能夠在三維圖形世界中直接對具有形體的信息進行操作，和計算機直接交流。這種技術已經把人和機器的力量以一種直覺而自然的方式加以統一，這種革命性的變化極大地提高人們的工作效率。可視化技術賦予人們一種仿真的、三維的并且具有實時交互的能力，這樣人們可以在三維圖形世界中用以前不可想象的手段來獲取信息或發揮自己創造性的思維。隨著水利工程的發展和投資規模的擴大，這項技術在水電領域也被廣泛的應用，如天津大學建筑工程學院的鐘登華院士將可視化技術應用于水利水電工程，進行了水利工程施工總布置三維動態可視化研究、高拱壩施工全過程動態仿真研究、大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術研究、結合GIS展開了基于GIS的混凝土壩施工三維動態可視化仿真研究等，相關成果參閱[1-3]。

　　虛擬現實技術(VR技術)是在可視化技術基礎上發展起來的。虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中去。虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向，是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等多種技術的集合，是一門富有挑戰性的交叉技術、前沿學科和研究領域。虛擬環境通常是由計算機生成并控制的，使用戶身臨其境地感知虛擬環境中的物體，通過虛擬現實的三維設備與物體接觸，從而真正地實現人機交互，虛擬現實是可視化更高級的發展。將虛擬現實技術應用于水電站地下廠房也還處于探索階段。

　　2研究的必要性

　　水電站樞紐區安全監測主要包括大壩及壩基、引水發電系統和樞紐區主體邊坡安全監測系統。具體分為三個部分，大壩及壩基安全監測、引水發電系統安全監測和樞紐區主體邊坡監測。這其中引水發電系統主要建筑物都在地下洞室之中，監測儀器埋設大多屬于隱蔽工程，各種安全監測儀器的作用非常重要，但它們在被埋設完成之后就不容易查看，為了給相關工作人員提供監測儀器具體位置和監測儀器與周圍建筑無之間的相對位置關系等信息，需要引水發電系統的安全監測設備為對象來進行監測設備查詢系統的開發。

　　引水發電系統安全監測主要包括圍巖變形、混凝土與圍巖的縫隙、支護應力、滲透壓力、蝸殼和壓力鋼管應力、鋼筋應力和溫度等監測項目。引水發電系統重點監測建筑物主要包括壓力鋼管、地下廠房和尾水洞。主要監測項目有圍巖變形、混凝土與圍巖的縫隙、支護應力、滲透壓力。引水發電安全監測設備查詢系統以上述監測內容為對象進行相應的開發，形象直觀準確的表達各類監測設備的所在的空間信息和監測數據信息，可以讓相關工作人員或者觀摩人員能更快更清楚的了解到安全監測系統的運作。

　　3查詢系統功能設置與實現

　　監測設備交互查詢就是查詢系統的操作人員在系統設置的基礎上根據自己的需求按照監測設備的類型、名稱等文本信息可以形象直觀的查詢到具體的監測設備的形象、所在斷面、與周圍建筑物的相對位置關系等三維信息，并能以查詢到的監測設備為中心進行視角的平移縮放旋轉等操作，對于感興趣的部位還能近距離的細致查看，在有需要的時候還可以讀取相關監測設備的數據信息。

　　為了實現這一目標需要在查詢系統的操作界面上顯示出相關監測設備的查詢目錄，通過目錄可以找到和顯示出以目錄中字符命名的虛擬監測設備。在找到虛擬設備之后想要對這個虛擬的監測設備實現上述操作，需要對系統中的攝像機的位置、焦點、焦距等進行設置，還要考慮到這幾個參數發生變化時視野的平穩過度。在需要觀察監測數據時能夠連接到數據庫，更具相應的監測數據可以自動生成監測的時間過程曲線，便于分析和決策。

　　3.1查詢目錄的制作

　　查詢目錄包括設備類型目錄和子級設備目錄。選擇相關的設備類型就能查詢到這個類型所有的監測設備，進而能找到需要的具體設備。在Virtools實現這一過程的原理是運用二維投影技術、一系列的關聯設置和數列信息的存儲與讀取，查詢目錄簡圖如圖-1所示。

　　由于系統的現實窗口有限，在目錄的上方還設置有可以將目錄拉起和放下的按鈕，更方便操作人員查看相關的三維空間信息。同樣因為窗口尺寸的限制還制作了滾動條，用來在有限的窗口顯示出所有的設備名稱，具體操作方法參照監測設備查詢系統的演示。

　　3.2交互查詢視角的控制

　　通過查詢目錄返回操作人員選擇的文本信息可以找到以這串字符命名的虛擬監測設備。為了能在三維空間突出表現出所選擇的監測設備本系統設置了一個三維精靈來指向我們所選擇的設備，并將攝像機跟隨這個精靈，調整位置將選擇的設備作為視野的焦點。而選擇不同的監測設備會導致攝像機位置和焦點等參數的變化，為了能讓這種變化能平穩過度而不是突然的閃爍過度，本系統在攝像機的位置、焦點和焦距發生變化時通過設置貝塞爾曲線進行相關參數的插補運算來實現視角過度的平穩和諧。在系統運行的任意時刻都能進行視角的旋轉、平移和縮放，并且還能隨時地選擇虛擬三維設備作為當前攝像機的焦點成為視野的中心。

　　3.3監測數據的連接和曲線的繪制

　　3D引擎Virtools提供了與ODBC(Open Database Connectivity，是微軟公司開放服務結構中有關數據庫的一個組成部分，它建立了一組規范，并提供了一組對數據庫訪問的標準API)的接口。使得在這個平臺上開發的可視化查詢系統能夠很方便的與外部數據庫進行交互。通過3D引擎內置的Connect to server交互模塊(Building Block簡稱BB)，連接到數據庫獲取監測設備采集到的數據，并通過BB模塊Add Row將數據賦予給相關的數組，最后更具用戶自身的操作發出指令調取相關的數組，通過對數據進行相關的處理之后在屏幕上繪出監測數據的時間過程曲線。

　　4 結語

　　文章介紹了運用Virtools開發水電站安全監測查詢系統的方法和系統的最終效果。在這個3D引擎平臺下開發的查詢系統，三維立體感強，監測儀器查詢定位直觀方便快捷，漫游時沉浸較感強，可以連接外部數據庫和監測設備采集的數據進行交互，且開發的周期短。因此本文所研究的查詢系統實現方法對于水利工程查詢系統有較好的借鑒作用，能夠為相關的開發人員提供參考。

　　參考文獻

　　[1] 鐘登華, 劉東海與鄭家祥, 基于GIS的混凝土壩施工三維動態可視化仿真研究.系統工程理論與實踐, 2003(5).

　　[2] 劉明昆.三維游戲設計師寶典——Virtools開發工具篇[M]，四川出版集團，四川電子音像出版中心，2005.5.

　　[3] 鐘登華，周銳，劉東海.大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術研究 [J].計算機仿真，2003,20(2).

　　[4] 劉婧婧3DS Max 模型與動畫導入Virtools時遇到的問題以及解決方法[J].現代電影技術，2010,7.

　　[5] 吳家鑄等.視景仿真技術及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001-7.