分布式交互仿真技术(收集5篇)

时间：2025-11-04

分布式交互仿真技术篇1

关键词：调控一体化仿真培训系统；变电站仿真技术；演习观摩

作者简介：李世倩（1971-），男，湖南邵东人，江苏省电力公司生产技能培训中心，高级讲师，高级技师；陶红鑫（1973-），女，江苏如皋人，江苏省电力公司生产技能培训中心，高级讲师，技师。（江苏苏州215004）

中图分类号：TM734文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）17-0215-02

电网是一个国家的战略基础设施。电网运行是否安全稳定、电能质量的高低直接影响着社会稳定和经济发展。然而电力系统越来越复杂，安全生产、经济运行的要求在不断提高，临时慌乱作出错误判断和不当处理是事故扩大的主要原因。电力调度员的职业技能与电网稳定运行息息相关，迫切需要通过培训提升运行人员事故分析、处理的能力。广泛开展联合反事故演习是保证整个电网安全、可靠、稳定的最佳培训途径。

电网调度员培训仿真系统已成为现代电网调度自动化应用技术的重要组成部分。随着调控一体化运行管理模式的推广，调控一体化培训系统（DispatchingandcontrolintegrationTrainingSystem，DTS）的需求变得越来越迫切。

一、DTS及OTS系统简介

DTS与实际系统环境一致，其中的SCADA/EMS仿真系统可以模拟在线SCADA/EMS所有的功能，包括监控系统和在线应用软件，具有相同的显示、相同的人机界面、实现相同的控制和操作，实现各级电网调度人员的系统性培训，使调度员在与实际控制中心基本相同的调度环境中熟悉掌握能量管理系统的各项功能，以提高其在电网的正常、事故和恢复等情况下的调度决策能力。DTS的基本应用主要在于：电网调度员基本技能、常规操作、紧急控制与事故处理、系统恢复操作训练、电力系统物理特性的学习等。

DTS系统的主要特点在于模拟电网的拓扑信息，尽可能真实地反映实际电网的运行状况，一般读取SCADA/EMS系统的信息，获取实时潮流数据等。信息主要体现电网结构的完整性和运行状态的实时性，对于系统的模拟主要以静态稳定分析为主。DTS系统基本侧重于描述电网一次部分的状态变化情况，但电网事故往往伴随着保护对于故障事件的响应，而保护装置的正确动作与否又会直接影响到电网事故的最终状态。因此，有时会在DTS系统的功能增加保护动作行为的信息，如以保护动作逻辑或保护定值判断构成DTS系统中的保护仿真功能。但由于保护动作行为比较复杂，DTS系统中的保护仿真功能一般比较难以取得实际效果。

电站仿真系统（OTS）是以变电站的一、二次系统和监控系统为对象进行模拟，实现现场全范围模拟，其主接线、二次回路图以及控制、保护动作逻辑、事故信号、异常告警信号、继电保护及自动装置动作信号等均与真实系统一致，可以进行变电站的日常全部操作、各种事故分析与处理的培训。

电网调度运行培训和设备运行集控培训分开的模式，两者未能有效融合，不能自动、正确地反映操作和故障给各方造成的影响，无法取得良好的联合反事故培训效果。在调控一体化培训模式下，调控人员需要全面了解设备结构、原理、性能、技术参数，熟悉设备运行、维护、倒闸操作方法和注意事项，同时急需接受电网和设备监控、电网操作、电网调整等多方面的培训。

二、分布式仿真技术在调控一体化仿真系统应用的设计思想

本文所论述的分布式仿真技术在调控一体化仿真系统的应用是根据DTS系统模拟计算的特征，每个变电站仿真系统经过升级改造为一个相对独立的子模块，把改造好的电网内若干变电站仿真系统按照分布式的模块添加至DTS系统中，可以选择部分或全部变电站仿真系统按照一定的顺序逐个运算。分布式变电站仿真培训系统在DTS系统中模拟实际变电站的二次控制、保护及信号回路等。DTS系统中分布式变电站仿真系统可以模拟不同地理位置上的变电站，创建一个详尽逼真而复杂的虚拟环境，进行有效的反事故演练。分布式仿真技术应用在调控一体化仿真系统时应遵循以下原则：

1.分布/集中相结合

为了减少冗余、节省资源，实际变电站的二次控制、保护及信号回路仿真采用分布式仿真计算；为了保证电网计算的精度，电网潮流计算模式采用原有的集中计算模式。

2.双重化配备二次设备仿真

每次参演的单位不尽相同，导演在演习时会把参演单位所对应的变电站仿真系统添加到调控一体化仿真系统中运算，而已经选择的变电站对侧厂站仿真系统没被加到调控一体化仿真系统中。为了保证DTS系统二次的仿真模拟与现场高度一致，每套分布式变电站中线路对侧的开关保护控制回路及线路对侧的保护均在本站建立仿真模型。这些仿真模型在本站参加演习而对侧站没参加演习时运算，当对侧站参加演习时退出运算，而由对侧变电站仿真系统的模型进行模拟。

3.对象/事件结构

对象之间通过一系列的事件产生交互作用，通过共享内存或数据库进行交互。

4.仿真接点的受控性

在DTS系统中所有分布式仿真系统受控于导演控制台。导演可以根据每次参加演习的单位而选取相应变电站及其相邻变电站的仿真系统。其他变电站仿真系统则脱离仿真运算环境，不会影响其他接点的演习功能。

5.传递实时信息

各仿真系统实时交互变化状态。

6.仅传递状态变化信息

仅传递状态变化信息，以减少不必要的数据传输和通信处理任务。

7.采用预估算法和仿真时间约束

采用预估算法和仿真时间约束，以降低网络传输的负荷。

对于不参加演习厂站的仿真系统，分布式变电站仿真技术可有选择地退出其运算，减少大量冗余的站点，充分利用计算机资源，以高性能的工作站作为DTS系统运算服务器。分布式变电站仿真系统可运行在DTS系统服务器上，或运行在一台单独的高性能的工作站上，其可以与DTS系统服务器数据库进行数据交互，因此可以认为整个仿真器都运行在单机上，如图1所示。

DTS系统服务器负责计算每个仿真周期里的电压、有功、无功、频率等所有潮流参数，分布式仿真系统负责计算电网一、二次设备的变化量、保护动作量及信号量等，并把计算出的各个类型的数据通过内存或数据库方式发送给DTS系统、教练员台和学员台。整个仿真器运行时可以减少大量冗余数据，也减少了网络负荷压力。

三、系统模型软件的构架

系统模型软件分为拓扑分析、故障分析、控制回路及保护逻辑等几大部分，当然还包括一些监视、操作等接口部分。通过图2和图3可以清晰地看出模型软件的构架及大部分的相互关系：

分布式仿真技术应用在调控一体化系统中以后，系统由拓扑、潮流计算、故障分析、保护逻辑构成：电力系统元件模型、网络拓扑模型、负荷分配、调整模型、潮流计算模型、故障计算模型、继电保护模型、自动装置模型。

保护逻辑是根据现场提供二次图纸、保护整定书、保护装配说明书等编制的逻辑。它决定着开关等一次设备的正确动作与否，将涉及到保护的启动、保护的投切、保护整定区的切换等各项功能。

四、系统总体概述

系统由设在电网调度DTS系统、若干厂站OTS厂站子系统、演习控制台及构成信息交互的调度数据网络组成；其中调度的DTS系统机房需要配置一台演习系统仿真服务器负责实现分布式变电站仿真系统的运算功能。

1.系统仿真服务器介绍

仿真服务器主要负责整个电网二次设备的模拟计算，其功能有：与调度端DTS系统的数据交换功能、电网二次设备的详细模拟计算和控制命令的设置功能等，保证DTS和OTS厂站子系统及地调DTS系统设备初始状态一致，作为事故演练或培训的边界条件和状态判断依据；在进行电网与变电站联合反事故演习过程中，主要负责从DTS系统中获取电网状态信息或下达反事故演习或培训时的各种故障或异常命令，通过OTS厂站子系统相关潮流、保护等模型程序的运算将OTS厂站内开关变位及站内其他需要上传的信息上传到调度端DTS实时数据库；同时把相应的变位信息转发至演习观摩平台及区域内其他OTS厂站子系统。借助电力调度数据网及仿真服务器实现了变电站仿真系统调度DTS系统的一体化应用，加强了反事故演习的真实性和系统性。

2.变电站仿真系统介绍

变电站全范围仿真系统实时仿真相应厂站站一、二次设备的全范围仿真，仿真该站的各种正常操作、异常、故障和事故情况，能正确反映各设备的基本物理规律和现象。变电站运行人员可以进行监视培训与各种事故分析处理的培训。当参加演习的变电站运行人员接到调度的命令后，利用变电站仿真系统遥控操作，操作设备变位的信息会自动上传到DTS系统。DTS系统根据事故后的开关状态重新计算潮流数据，并下发到相应的变电站仿真系统。

3.观摩平台介绍

演习观摩平台系统（GIS）将地理信息系统和输电线路数据有机结合，能形象地在地图上标出电力线路走向、变电所位置、线路潮流方向、当前有功功率及热稳定值等。演习观摩人员可以通过放大、缩小、移动地图来查看所需的信息，实时显示演习事故发生的地点及事故详细情况、潮流、电网运行状态和演习进展情况等信息，直观展示演习过程，为观摩人员提供更多实时详细的信息。

五、系统功能

分布式仿真技术在调控一体化仿真系统的应用为调度人员提供直观方便的反事故演习控制平台。通过应用可以进行数据信息共享，变电站仿真系统可以自动得到DTS的潮流工况。当变电站仿真系统模拟事件（故障）发生导致开关动作，其变位信息会自动上传到DTS系统。DTS系统根据事故后的开关状态重新计算潮流数据，并下传到相应的变电站仿真系统，从而达到全电网联合仿真的目的。

分布式仿真技术在调控一体化仿真系统的应用可以方便灵活地设置或删除各种故障和异常，系统可以实现如下功能：

各个变电站仿真系统之间、各个变电站仿真系统与调度DTS系统及演习观摩平台间的数据可实时交互，变电站（电厂）参加演习的人员根据开关动作跳闸情况及信息简报进行故障分析、汇报。调度员则根据汇报内容及全网潮流情况进行处理，联合反事故演习系统的演练即达到预期的效果。

在以往的反事故演习过程中，领导们在观摩室里不能实时了解反事故演习的具体进展情况，对反事故演习的评价与总结也会受到一定影响，间接影响到演习工作中的指导性作用。通过反事故演习系统领导们能实时了解反事故演习过程，作出更加中肯的评价与总结，提出更加宝贵的指导意见，提高了反事故演习的效果。

在演习过程中，系统自动记录演习过程的数据，以便更多的调度员可以对整个演习过程进行分析、研究，从中学到丰富的事故处理经验，提升整体调度员的生产管理经验。

六、结束语

分布式仿真技术在调控一体化仿真系统的应用可以把变电站现场一、二次系统的仿真运算集中到调度员仿真培训系统服务器中，不仅可以精确计算电网的潮流，而且也对电网二次的保护、控制信号回路等进行详细模拟。开展电网调度员与变电站运行人员的联合演练，现场气氛逼真、参加演练人员的互动性大大加强，各级调度员及变电站运行人员在几乎接近现实环境的仿真系统中演练，训练人员在系统事故发生时模拟如何正确、迅速处理事故并尽快恢复电网正常运行，进一步提高事故处理过程中的整体协调能力，效果更显著。

把分布式仿真技术应用在调控一体化仿真系统DTS中实现了电网数字仿真和实际变电站仿真系统的有机结合，进一步提高仿真培训系统演练的真实性和逼真度，也体现了“大运行”体系建设后调控一体化的运行模式，可以检验学员对“大运行”体系的认识，提升事故演练的真实性及培训效果。

参考文献：

[1]高翔，邵开宏，赵瑞娜.电网与变电站联合仿真培训系统应用探讨[J].华东电力，2006，34（6）：16-20.

分布式交互仿真技术篇2

关键词:防空作战C3I系统；测试指标体系；战场环境模拟；空情态势模拟生成

中图分类号:TP391.9文献标识码：ADoI:10.3969/j.issn.1003-6970.2012.05.020

可适时暂停测试、终止测试和结束测试。3.2.3测试分析评估阶段

测试指挥员在下达结束测试命令以后，一次仿真测试结束。仿真结束以后，依据测试方案，选取测试指标和主要测试方法，并对测试数据进行预处理，然后运行评估模型对被测试防空作战C3I系统战技指标和综合作战效能进行评估。评估是一个重复和反复的过程，若一次评估所需要的测试数据不充分，或测试记录不完备，则可重新组织仿真测试，也可根据测试记录数据对整个测试过程进行重演，以便于分析和研究解决问题，在重演过程中，可以进行重演数据的快进和慢放控制。

虽然从概念上可以对防空作战C3I系统的基本结构进行统一描述，但是具体每套系统装备，其作战使命任务、编配组成、指挥关系、通信组网方式、信息交互协议和标准等都有很大的区别。仿真测试环境必须可适应各种规模和类型的被测试防空作战C3I系统模拟构建作战体系的需要，建立可能需要的各种指挥所、传感器、防空武器系统的仿真模型，这无疑是难以完成的任务。为了解决这个问题，本系统采用装备整理模型和配置参数相结合的技术，首先建立各类装备的整理模型，从工作流程和情报处理流程上对装备的工作原理和主要功能进行建模，对具体型号装备的具体性能的模拟，主要通过模型参数配置去具体实现，对具体系统或装备在被测试防空作战C3I系统中的作战编配、指挥关系、信息交互关系等，通过仿真测试环境的实体化配置实现。

时空一致性是决定仿真测试环境可信度的重要因素，而时间同步是时空一致的基础和重要方面，时间同步精度的高低直接影响仿真运行精度和仿真测试的评估结果的可信度[4]。针对仿真测试环境对高精度时间同步的要求，对系统的时间信息机制、时间服务器的构造、客户端虚拟时钟设计和网络时间对齐算法进行了深入分析与研究，确立了客户机/服务器的时间信息机制，时间服务器根据客户机的请求或仿真对时命令发送时间信息，各仿真节点的时钟同步客户端软件根据接收到的时间信息和时间对齐算法，校正本地虚拟时钟，为系统各仿真节点提供高精度的时统服务。真测试环境具备逼真、快速生成空情作战态势的能力，就需要系统可以按照真实目标的飞行特征，满足指挥员设计的各种复杂战情，灵活生成空情态势。系统通过建立目标特征库，将不同空中目标的最小拐弯半径、速度、俯冲、RCS、红外特征等录入目标特征库，然后通过目标特性验证指挥员设计的空情态势（其中主要是航路设计部分）的合理性，最后利用基于特征值的空情态势推演技术，生成对抗空情态势，并按照仿真周期将生成的空情态势发送导仿真环境。

仿真测试环境的测试对象是真实的装备，被测装备与仿真测试环境之间互联互通以及时空一致性问题的解决是系统测试中首要解决的关键技术问题[8]。由于通常仿真测试环境整理性较强，需要适应不同防空作战C3I系统测试任务，所以仿真测试环境必须可灵活适应不同被测试系统的互联体系和时空一致性。本系统通过设计仿真技术、通信网模拟与管理技术、协议分析管理与灵活配置技术等，解决了半实物系统互联中的时空一致性技术，确保了系统可灵活适用各种防空作战C3I系统的测试。

分布式交互仿真技术篇3

[关键词]计算机仿真电子商务仿真

电子商务作为一个新兴领域,各个院校在电子商务专业建设中,培养目标和课程体系不是完全统一，因此侧重点是不同的。普遍存在的问题是重理论而轻实践的现象非常严重,不利于电子商务人才地培养。原因很简单，就是实践的电子商务平台很难搭建，应用仿真技术可以解决这一问题。利用计算机技术、网络技术等现代信息技术从事商务活动,突出学生的动手能力,培养融it与商务于一身的高素质复合型人才。

随着互联网的全面普及，基于互联网的电子商务也应运而生，并在近年来获得了巨大的发展，成为一种全新的商务模式，被许多经济专家认为是新的经济增长点。这种电子商务模式对管理水平、信息传递技术都提出了更高的要求，其中安全体系的构建又显得尤为重要。如何建立一个安全、便捷的电于商务应用环境，对信息提供足够的保护，是商家和用户都十分关注的话题。

一、概述

计算机仿真技术可以为学生提供虚拟的仿真情境,为学生创设一种开放的、主动的、发现式的探索式的学习环境,发展学生的高级思维能力和问题解决能力,从而通过对该情境的操纵、观察和思考得出合理的结论。计算机仿真可以在很大程度上激发学生的高水平思维活动,让学生通过反省性的、高水平的思维活动来建构深层的、灵活的、真正的知识,近几年,计算机模拟教学在国内外的电子商务课程中屡见不鲜,但仿真教学在计算机教学中的应用、尤其是在计算机网络课程中的应用还处于探索研究的阶段,将计算机模拟应用于教学活动中,往往能够收到事半功倍的效果。

电子商务引起人们的普遍关注，细说起来也不过是最近几年的事情。电子商务网络仿真实验室可以提供一个真实的环境,在这个环境中,学生可以模拟电子商务的各种活动。因此,电子商务网络仿真实验室具有可操作性、仿真性及适应性强的特点。可操作性,是指电子商务网络仿真实验室中的计算机所需软件;仿真性,是指学生在电子商网络实验室的计算机上安装了相关软件后,能够模拟it环境,进行各种电子商务活动等;适应性强,是指电子商务网络仿真实验室能够成为与电子商务相关的多门课程的实习实训基地。在电子商务网络仿真实验室,学生可以学习基本的电子商务网站的建设流程。

二、计算机仿真技术

计算机仿真技术(computer?simulation?technology)是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。计算机仿真，是在研究系统过程中，根据形式性原理，利用计算机来逼真模仿研究对象。研究对象可以是真实的系统，也可以是设想中的系统。传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的，这种方法的优点是直接、形象、易信，但模型受限、容易破坏、难以重用。而计算机仿真是将研究对象进行数学描述，建模编程，且在计算机上运行实现。它不怕破坏、容易修改、可重用。因此在现代化生产建设中得到了广泛的采用。并取得了丰硕的成果，带来了可观的经济效益。

计算机仿真技术的核心是按系统工程原理建立真实系统的计算机仿真模型，然后利用模型代替真实系统在计算机上进行实验和研究。由于近年来信息技术的发展特别是高性能海量并行处理技术，可视化技术，分布处理技术，多媒体技术，虚拟现实技术的发展，使得建立人——机——环境一体化的分布的多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，从而使仿真方法有了一些新的发展，形成了一些新的研究仿真方法热点，如：定性仿真方法；面向对象的仿真方法；分布式交互仿真方法；人——机和谐仿真环境建立方法学。

三、电子商务网络仿真实验室

利用仿真技术可以构建电子商务仿真实验室，整理的通信网络硬件实验平台《计算机网络》或《计算机网络与通信》是计算机专业的必修专业课程。它的实验主要是从以下几个方面进行设计的:网络技术做实验:它包括网络布线与制作,计算机操作系统的安装与配置,局域网的设计与实现,广域网的设计与实现。其目的主要是让学生了解常用网络的设备的连接、安装与配置。通过设计、连线和配置,完成网络数据通信实验。计算机网络原理的模拟与仿真:计算机网络模型,有许多协议支持实现,每种协议实现都有些算法。原理的模拟与仿真就是解决其中的一些算法实验,这种实验通常用软件加以实现,但同时也需一些硬件配合完成。其目的主要是使学生通过实验对算法应用理解更深刻。如:数据链路层的连续arq,网络安全中的加密算法等。网页虚拟实现交互指导实验:有些网络设备费用很高,也没有必要全部实做,设计一些虚拟网页,通过网络的操作达到实验的目的。如:网络的测试仪的使用,高端网络设备的使用和配置等。

在教学应用中，通过仿真技术不但可以节约教学成本，而且能取得良好的教学效果。

四、结束语

分布式交互仿真技术篇4

关键词多媒体计算机辅助设计土木工程新进展

中图分类号：TP3文献标识码：A

随着工业化的飞速发展，计算机已经成为现实生活中不可或缺的重要元素，随着计算机发展形成的多媒体计算机辅助设计是一门可以跨学科的新技术，而且在土木工程应用中有着卓越的优势，所以已经越来越多的被引入土木工程的各个领域。多媒体计算机辅助设计能够实现土木工程师和计算机的实时交互，使得工程师在进行设计时能够充分的发挥想象力，因此受到了广泛的关注。

1多媒体计算机辅助技术在土木工程教学中的应用

我们知道，在土木工程教学中，经常需要对学生讲解大量的工程问题以及施工技术，然而这些知识仅仅根据老师的口头传授根本对学生们的学习产生不了多么大的作用，上课效果一点也不令人满意，有了多媒体计算机辅助设计之后可以将课堂上要使用的各种信息有效地组织在一起，老师们可以在课堂教学中适当的引入一些比较形象的可视化的土木工程应用成果，学生们也会比较感兴趣，而且课堂上有什么不懂的也可以自己在计算机辅助设计软件上再设计一次，从而加深对课堂的理解。多媒体计算机辅助技术能够使得课堂上的土木工程设计成果更加可视化，还可以减少了老师上课讲解的时间，这样老师就有更多的时间对同学们进行切身的指导。学生们也能够应用计算机辅助设计软件来提高自己的设计能力，对自身的潜力的挖掘起着十分重要的作用，因此被广泛的的应用在了土木工程教学中。

2多媒体算计辅助设计的各个衍生学科在土木工程领域的新进展

随和计算机技术的飞速发展，各种应用也如雨后春笋般的展示在人们面前，多媒体计算机辅助设计的出现对土木工程设计领域的进展有了巨大的推动作用。以下我们就针对计算机辅助设计的各个衍生学科在土木工程领域的的应用进行详细的介绍。

2.1虚拟现实技术在土木工程领域的应用

作为多媒体计算机辅助设计的衍生学科，虚拟现实技术也得到了十分广泛的应用。虚拟现实技术能够把计算机的应用提高到一个更崭新的领域，它能够使得计算机更加人性化，使得人们不需要在进行复杂的计算机操作就能够得到想要的效果。在土木工程领域中，虚拟现实技术能够切实的解决很多问题，在进行土木工程设计时可以为人们提供多维信息感知模型，可以使得设计方案更加生动形象，并且还能够进行虚拟性能测试，能够更好地向土木工程师展示设计的优缺点，从而进行下一步的改善，使得设计更加满足人们的需求。

2.2分布式多媒体协同技术在土木工程领域的应用

分布式多媒体协同技术能够使得多个用户在同一个虚拟环境中进行各类交互式仿真，它可以完美的将各种多媒体信息整合在一起，而且可以实现实时的人机交互要求，能够利用计算机实现多个工作任务同时完成，因此完全满足了现代工程建设的需要。土木工程中的设计和建设工作需要实现实时的交互，需要进行多媒体新信息的整合，土木工程领域的在从需求到实现的工作中都对分布式多媒体协同设计有极大的需求。

2.3多媒体仿真技术在土木工程领域的应用

信息处理技术和计算技术的发展使得多媒体仿真技术应用而生。随着计算机技术的日益成熟，多媒体仿真技术已经越来越先进，已经产生了功能强大的仿真软件，这些仿真软件的可靠性也越来越高，工程评估的能力也越来越强大，有的甚至可以实现实时的交互功能。土木工程设计工作是一项比较复杂的工程，需要对多种因素进行考虑，而且设计工序繁琐，各个工序之间关系也比较复杂，如果有一部分没有设计好将可能导致整个工程的失败。如果在进行设计时如果采用多媒体仿真技术可不但可以轻松实现各个功能的设计，还能够进行实时的仿真，然后根据仿真的结果再进行进一步的修改，从而使得设计更加完美，更加具有保障性。如果将虚拟现实技术应用在多媒体仿真技术中，在实现仿真模型的建立和实验模拟中我们还可以更加形象的看到可视化的设计效果，能够使得土木工程设计工作更加轻松便捷，因此在土木工程中应用的十分广泛。

多媒体计算机辅助技术主要以交互方法完成土木工程的设计工作，并且各种衍生软件还能够实现图形的编辑、修改、存储、显示，而且具备比较完善的机械标准件参数化图库供人们使用，所以得到了广泛的欢迎。

3结语

多媒体计算机辅助设计能够实现土木工程学科教学的有效化，并且各个衍生学科的发展都使得土木工程设计更加完美，更加具有保障性。虚拟现实技术使得土木工程设计更加可视化，分布式多媒体协同技术能够更进一步的满足土木工程设计的从需求到实现的工作的高效性，多媒体仿真技术轻松实现各个功能的实时仿真。总之，多媒体计算机辅助技术的出现能够促使土木工程领域有更多的新进展。

参考文献

[1]吴炜煜，任爱珠.多媒体计算机辅助技术在土木工程领域的新进展[J].土木工程学报，2000，01：11-12.

[2]任爱珠.土木工程计算机技术新进展及研究热点[J].土木工程学报，2011，06：53-59.

分布式交互仿真技术篇5

关键词：可视化仿真GIS地下洞室群施工导截流大坝施工总布置

一、研究背景

水利水电工程往往规模大、投资多、施工难度大，因而在工程设计和管理过程中，确定合理的施工方法，优化选择施工机械及配套组合，制订切合实际的施工进度计划，高效简便地对施工信息进行管理，直观形象地反映复杂施工过程，对于确保工程建设如期完成和降低工程造价都是至关重要的。为达到上述目的，除了在施工组织设计中要充分考虑工程特点和具体施工各种条件外，若能在事先对工程施工的运行发展过程和施工中各项活动的协调关系等状况进行预测和评价，将对工程施工组织计划的正确决策提供可靠的依据。可视化仿真技术的产生与发展正好适应了这种客观需要，它为解决施工中上述问题开辟了新的途径。

国外从20世纪70年代开始提出循环网络仿真技术（CYCLONE），至今已发展了一系列的工程仿真应用软件，但这些研究成果及仿真软件主要应用于土木工程施工如高层建筑施工、土石方工程等。20世纪80年代初，天津大学率先在全国开展水利水电工程施工过程仿真方法研究，在近20年的发展中取得了大量开拓性的成果和社会效益。近年来，又在推动水利水电工程设计和管理向可视化、数字化方向发展方面做了大量研究工作。借助于计算机科学、系统科学和工程科学与技术的迅速发展，重点研究了三维动态可视化仿真理论与方法及其在水利水电工程中的应用，获得了一系列富有创新性的理论方法与应用研究成果。

在开展可视化仿真及其在水利水电工程中的应用研究工作中，存在以下三个关键技术问题：

1．可视化技术与系统仿真技术结合的途径

建立基于GIS的交互式可视化仿真系统框架，将可视化技术与系统仿真的各个环节相结合，实现仿真建模可视化、仿真计算可视化、仿真结果可视化。

2．可视化仿真技术在水利水电工程中的应用问题

根据水利水电工程的特点和实际需要，将可视化仿真技术与具体的工程问题相结合，提出可视化仿真技术在水利水电工程中应用的具体途径。

3．可视化仿真软件的整理化问题

水利水电工程施工系统仿真软件的整理化不仅是关键技术问题之一，而且是推广应用的前提。

二、基于GIS的三维动态可视化仿真技术

1．可视化仿真涵义

可视化仿真（VisualSimulationVS）是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术，其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后，系统的子模块用形象的图形来表示，并可通过鼠标在屏幕上直观形象的操作，就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节，即仿真计算过程可视化、仿真结果可视化、仿真建模过程的可视化。

2．全过程动态仿真理论与方法

全过程动态仿真理论融合了面向对象的图形辅助建模、动态仿真、网络计划分析与优化、动态演示、数据库等技术，把整个施工过程作为一个整体，对施工全过程进行跟踪模拟。

全过程动态仿真理论的特点就是体现了系统工程的思想。它是针对整个水利水电工程施工系统进行的，所有的优化及调配目标是使整个系统达到最优，而不是局部达到最优。它把整个施工过程作为一个大的系统，综合考虑系统中各个单项工程之间、各个工作面之间相互影响、相互制约的关系，分析整体的施工进度、施工强度等关键问题，获得更为真实的施工情况，从而达到为施工组织设计提供科学依据的目的。仿真流程图见图1。

3．面向对象的图形辅助仿真建模技术

仿真是一种基于模型的活动，建模是仿真过程中十分重要的一个环节。如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题。

面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观，用户可以把被仿真系统的各种活动都看成对象，并根据这些对象的类属关系和本身特性直接构造仿真模型。这种建模过程十分类似于人类所习惯的对客观世界中事件分类的思维过程，所以使仿真用户感到由物理模型到计算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。同时，利用对象类层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。

在系统仿真中应用图形技术，能够描述许多用语言难以表达的信息，图形辅助建模就是利用鼠标在计算机屏幕上绘制系统模型或用模型库中已有的系统元件拼合系统模型。

面向对象的图形辅助建模的基础是系统的可分性，即认为系统是由子系统组成的，而子系统又可分解成更原始的子系统。由于这种性质的存在，构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型（子模型）来建造总体模型。对于一个复杂的施工系统而言，按施工系统的层次性，可将其分解为相对简单和独立的子系统，而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以协调，这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。根据上述，便形成了面向对象的图形辅助仿真建模思想。

4．基于GIS的较全面的仿真三维动态数字模型构造及其可视化方法

（1）数字地形模型建立

地表数字地形模型（DigitalTerrainModelDTM）是整个工程施工三维数字模型的重要组成部分，这里既是所有工程建筑物布置及施工活动的场所，也是施工过程中地形动态填挖的受体。水利水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区，因此施工区地表DTM采用TIN模型来实现。建立工程地表DTM由地形等高线原始数据按一定的算法生成TIN模型。

（2）动态实体参数化数字建模

按照实体对象的属性，可将其分别用点、线、面、体等四类图形数据结构来表达。动态实体的数字模型尚需反映其属性信息，几何图形与其属性的一一对应关系建立可利用GIS的空间数据组织结构来实现。同时为反映工程施工的动态过程，在其数据结构中除了描述几何特征及属性外，还体现时间特征。

实体建模若采用参数化建模方法，可大大简化建模过程。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程，而每个部件都由一些关键的参数来定义。

（3）地形动态填挖

地形填挖表现为DTM模型的修改，实质上是对地形TIN模型进行操作。即用足够大的开挖（填筑）初始形体面转化的TIN模型，与地形TIN两者生成相交边界，再从地形TIN上沿相交线切去填挖初始形体面所包含的地形区域，同时从填挖形体TIN模型中以相交线为边界切去多余的开挖（填筑）边坡区域，最后把两个修正后的TIN合并构成一个经填挖后的地形DTM。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。

5．基于GIS的三维动态演示方法

基于GIS的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现，它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程。利用仿真模块得到工程系统的动态信息，包括时间、建筑物几何形状及其属性等，生成工程施工系统各环节某一动态变化单元i对应的图元（施工、水位单元等）任意时刻t的面貌Vi（t），则t时刻的工程整体面貌可表示为V（t）＝Σvi（t），n为总的图元数。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在动态施工过程中，包含时间信息的图元的几何形状，它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中，并与其一一对应的属性数据建立联系，从而在动画演示时，按时间顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息，不断更新绘图变量和属性变量赋值，同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。

6．基于GIS的交互式可视化仿真系统结构

基于GIS系统仿真的可视化表现在建模过程中利用GIS的信息可视化采集，以及在仿真可视化操作过程中利用GIS的动态信息可视化表达。由于GIS特有的空间信息组织机制，使得其实现这些功能有着先天的优势。同时，在可视化仿真系统中，用户可根据显示的图像交互控制仿真的各个阶段，直到对所模拟的现象获得理解与洞察。在这一过程中，用户可以通过系统提供的操作界面随着可视化仿真系统反馈的结果来同步保持交互对仿真过程的控制。

图2表示的是一个基于GIS的系统交互式可视化仿真的框架模型，在此模型中清晰地反映了GIS在系统仿真中结合的具体环节，以及用户控制仿真进程的实现手段。

三、可视化仿真技术在水利水电工程中的应用研究

1．复杂地下洞室群施工动态可视化仿真与优化方法研究

地下厂房系统施工开挖量大，施工强度高，施工条件复杂，是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性，容易产生随机排队现象而影响其他作业；由于地下洞室系统纵横交错，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合与相互干扰错综复杂；在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时，需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂，传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案，难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。

基于上述问题，提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法，并研制开发了相应的计算机软件ESAS，其基本构成见图3。通过地下洞室群施工全过程动态仿真，可以对施工过程进行定量计算与分析，进行多方案的比较和优化，直到得出满意方案。

2．水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工导流设计和管理过程，往往需要涉及大量的数据及图形信息，如坝区的水文、地形、地质资料以及枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各种数据及图纸。高效、简便地对这些信息进行管理，是提高设计效率及施工管理水平的关键之一。同时，施工导流方案设计是施工组织设计的重要环节，其设计过程复杂，对不同的导流方案很难进行直观的比较，所以实现施工导流形象直观的表达具有重大的现实意义。

为此，提出水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真理论与方法，并实现施工导截流可视化信息管理与三维动态演示系统CDMIS。此系统充分利用地理信息系统（GIS强大的空间数据分析与处理能力，建立三维施工导截流场地布置模型，以及在此基础上实现可视化的信息查询及管理等功能，从而实现设计过程中信息的可视化管理，同时实现施工导截流三维动态演示。水电工程施工导截流三维动态可视化仿真系统（CDMIS）结构图见图4。

3．混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真与优化方法研究

混凝土坝施工，考虑到温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的影响，需将混凝土坝体按一定的原则进行分缝分块浇筑。由于混凝土坝浇筑量大，浇筑块数以千、万计，浇筑块之间的施工约束条件十分复杂，这就给安排浇筑顺序和进度带来极大闲难，使人工安排浇筑块、浇筑顺序几乎成为不可能。目前在制定混凝土坝施工组织计划时，传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇筑强度等指标来控制施工计划的进程。这种方法由于缺乏系统的定量计算分析，在论证施工各阶段的筑坝进度以及各混凝土坝段升高过程是否能满足大坝施工各方面的要求时总感到论据不足。

随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用，使得有可能在计算机上实现对混凝上坝施工的动态过程的仿真实验。事先拟定不同的混凝土坝施工方案，并对施工动态过程进行仿真，可预测不同施工方案下混凝土施工进程的各项定量指标，这对制定合理的混凝土坝施工进度计划将提供科学可靠的决策依据。在充分考虑各种浇筑施工影响因素的情况下，建立混凝土坝施工系统的数学逻辑模型，并在此模型基础上编制计算机仿真软件。通过选取各种可能的机械配套方案及输入不同的施工技术参数进行大坝施工过程的仿真计算，可得到最优机械配套的数量、机械的利用率、混凝土月浇筑强度、逐月累计混凝土浇筑方量过程曲线。同时还可得到相应某施工方案下大坝浇筑施工的详细进度计划、各控制阶段的筑坝进程面貌等。而且通过混凝土坝浇筑仿真还可对其不同的浇筑规则对坝体上升进程的影响进行分析和研究。

同时，利用基于GIS的三维动态演示系统来表现复杂混凝土坝施工过程。通过建立坐标系，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，建立实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应，从而反映实体的静态空间特征。同时利用过程信息，生成三维动画，为描述复杂的施工过程提供可视化手段。

4．水利水电工程施工总布置三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了一切地上、地下已有的、拟建的建筑物，一切为施工服务的临时性建筑物（包括砂石加工系统、混凝土系统等），因此布置过程非常复杂。

对枢纽主要建筑物施工全过程进行分析，并在此基础上实现各建筑物施工关系之间的协调，以实现直观的施工总布置形象全过程三维动态仿真，使施工场地布置随工程进度计划尽可能形象、直观、迅速地演示现场施工场地变化过程。不仅能直观显示枢纽施工组织设计的成果，而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。水电站施工总布置可视化仿真系统（CLMIS）的总体结构见图5。