基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真方法与流程

本发明属于水利水电施工仿真领域，具体讲，涉及地下洞室群施工交互仿真。

背景技术：

在水利水电工程建设中，地下洞室群是大型水电站厂房布置的重要选择形式之一。由于是在地下施工，其复杂的地质环境、繁多的施工工序成为地下洞室群施工进度控制的难点。如何准确而快速的进行施工决策，在时间、空间上实现科学的施工进度安排，实现施工过程可视化，是工程管理人员极度关心的问题。

传统的地下洞室群施工过程可视化仿真主要为钟登华等提出的基于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，以及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，通过将施工进度计划与地下洞室群三维模型相结合，以动画的形式动态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。

以上方法以三维动画展示施工过程，成果修改困难，且无法进行交互仿真。4D模型的出现为施工过程可视化仿真提供了新途径，运用4D模型不仅可以形象地展示施工过程，而且模型便于修改，并且还能实现用户在虚拟施工场景中查询施工信息，实现交互仿真。

在国外，Kais Samkari(2013)提出基于3D几何模型与进度计划结合的4D模型的感知模型，并应用于房屋建造项目中，加快了对大型工程施工计划的把握及决策。HyounSeok Moon(2013)运用三维数据、三维对象属性、WBS数据库、P6进度计划构建桥梁工程4D模型，协助施工项目工作空间冲突的检测与可视化。在国内，也有很多学者运用4D模型进行施工交互仿真。苗倩(2011)、甘露(2014)、姬付全(2016)等运用Rhino建立建筑物三维实体模型，与施工进度计划结合后导入Navisworks中实现施工过程的四维模拟。钟登华等运用CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)建立堆石坝三维参数化模型，并通过三维数字建模来模拟整个建筑物的信息，形成以CATIA为平台的堆石坝施工4D模型，实现堆石坝施工过程的三维动态表达。但上述方法基本集中在地上工程，在地下工程中少有研究。并且大多采用Rhino软件进行建模并与施工进度计划导入Navisworks实现四维模拟，使得建模与可视化不在同一平台上实现，导致修改仍然存在一定的困难。

综上所述，目前尚未见到关于运用4D模型进行地下洞室群施工交互仿真的研究。虽然刘瑞晓(2006)运用CATIA建立了地下洞室群模型，并基于“拟实体”技术实现施工过程动态可视化与仿真结果可视化，但其没有采用CATIA自带的知识工程技术实现施工过程可视化，可视化实现过程较为复杂。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，针对目前地下洞室群施工过程可视化成果修改困难，且无法进行交互仿真等问题，本发明旨在采用CATIA知识工程技术实现地下洞室群施工过程可视化，实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，为地下洞室群施工进度控制提供可靠保障。本发明采用的技术方案是，基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真方法，步骤如下：

一、建立基于CATIA的地下洞室群三维参数化模型；

二、利用地下洞室群施工进度仿真系统进行施工过程仿真分析；

三、建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，实现施工过程可视化；

四、实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真；

建立基于CATIA的地下洞室群三维参数化模型具体为：运用CATIA骨架设计技术、参数化技术、知识工程技术通过CATIA零件设计模块、创成式外形设计模块和知识工程模块建立地下洞室群主厂房、主变室、尾调室以及引水洞、尾水洞、支洞各项洞室三维参数化模型，利用参数驱动三维模型，实现模型的快速修改更新。

利用地下洞室群施工进度仿真系统进行施工过程仿真分析具体为：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技术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，对地下洞室群施工进度进行仿真分析，得到施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息、各工序剩余开挖长度信息。

建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，实现施工过程可视化具体为：将地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置、开挖方量以及仿真得到的施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息、各工序剩余开挖长度信息与基于CATIA建立的地下洞室群三维参数化模型集成，建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，并采用CATIA知识工程技术实现地下洞室群施工过程可视化。

实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真具体为：通过CATIA二次开发技术构建基于CATIA的地下洞室群交互仿真平台，提供给用户三维查询、分析与修改的功能，用户可快速查询地下洞室群建筑物信息、施工信息以及施工全貌、施工过程面貌，通过修改对话框信息还能修改该项洞室相关信息，并且还可对模型进行操作修改。

根据地下洞室群施工过程为各项洞室开挖过程，则其施工过程可视化即为各项洞室消失过程。任一施工工序i在任意施工时刻t对应的施工面貌为S_i，则t时刻的地下洞室群整体面貌可以表示为：

公式(2)中，n为总的工序数，S_i(t)＝f_i(X_i,Y_i,Z_i,t)，表示在施工过程中包含了时间信息的施工工序i的几何形状，其施工面貌随时间的变化而变化，同时，施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息也随之变化。即施工4D模型。

本发明的特点及有益效果是：

与现有技术相比，本发明基于CATIA建立地下洞室群三维参数化模型，利用地下洞室群施工进度仿真系统进行仿真得到施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息、各工序剩余开挖长度信息，集成地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置以及开挖方量，建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，采用CATIA知识工程技术实现地下洞室群施工过程可视化，实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，为地下洞室群施工进度控制提供可靠保障。

附图说明：

图1基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真流程；

图2具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型；

图3基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真系统。

具体实施方式

本发明针对目前地下洞室群施工过程可视化成果修改困难，且无法进行交互仿真等问题，基于CATIA建立地下洞室群三维参数化模型，利用地下洞室群施工进度仿真系统进行仿真得到施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息、各工序剩余开挖长度信息，集成地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置、开挖方量，建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，并采用CATIA知识工程技术实现地下洞室群施工过程可视化，实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，为地下洞室群施工进度控制提供可靠保障。

本发明基于CATIA建立地下洞室群三维参数化模型，利用地下洞室群施工进度仿真系统进行仿真得到施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息、各工序剩余开挖长度信息，集成地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置、开挖方量，建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，并采用CATIA知识工程技术实现地下洞室群施工过程可视化，实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，为地下洞室群施工进度控制提供可靠保障。

地下洞室群施工进度控制对整个施工过程顺利完工具有重要意义，如何实现科学的施工进度安排，实现施工过程可视化，是工程管理人员极度关心的问题。本发明旨在克服现有技术的不足，基于CATIA建立的地下洞室群三维模型与仿真系统仿真得到的施工进度计划，建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，实现地下洞室群施工过程可视化与施工交互仿真。基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真方法包括以下内容：

1.建立基于CATIA的地下洞室群三维参数化模型；

2.利用地下洞室群施工进度仿真系统进行施工过程仿真分析；

3.建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，实现施工过程可视化；

4.实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真。

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。

1.建立基于CATIA的地下洞室群三维参数化模型

(A)首先将地下洞室群划分为主厂房、主变室、尾调室以及引水洞和尾水洞、支洞六项洞室，其次对各项洞室基本对象参数化，即提取结构中需要控制的位置信息、断面尺寸、洞室长度信息。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。

(B)运用CATIA骨架设计技术建立三大洞室骨架、隧洞骨架和支洞骨架；运用参数化设计技术与知识工程技术，将提取结构中的位置信息、断面尺寸、洞室长度信息以参数的方式建立并保持关联，建立地下洞室群各项洞室三维参数化模型，实现参数驱动三维模型，使模型能够快速修改更新。

2.利用地下洞室群施工进度仿真系统进行施工过程仿真分析

(C)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，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。

其中，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。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。

(D)根据工程施工组织设计，确定地下洞室群施工进度仿真参数，即获取施工方式、机械配置、钻孔及爆破参数信息。其中施工进度仿真参数还包括步骤A获得的断面信息、洞室长度信息。

(E)以步骤C、D中的仿真模型和施工进度仿真参数为基础，利用地下洞室群施工进度仿真系统对地下洞室群施工过程进行仿真分析，得到施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息、各工序剩余开挖长度信息。

其中，任一施工工序i在任意施工时刻t对应的剩余开挖长度为l_i：

l_i＝L_i 0≤t≤t_is (1)

l_i＝L_i/T_i*(t_if-t) t_is≤t≤t_if (2)

l_i＝0 t_if≤t (3)

公式(1)(2)(3)中，L_i为工序i总长度，Ti为工序i施工持续时间，t_is为工序i开工时间，t_if为工序i完工时间。

3.建立具有扩展属性的地下洞室群施工4D模型，实现施工过程可视化

地下洞室群施工4D模型是在三维几何模型的基础上，将施工进度计划作为第四维-时间维建立起来的。第四维所体现的是地下洞室群施工过程，集成地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置以及开挖方量，形成具有扩展属性的施工4D模型，如图2所示。并采用CATIA知识工程技术实现地下洞室群施工过程可视化，具体包括以下步骤：

(F)将施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息、各工序剩余开挖长度信息与三维几何模型关联，建立地下洞室群施工4D模型，实现地下洞室群施工过程可视化。

(a)建立一个数据库文件1，使仿真输出的施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息保存至该文件中，通过ADO技术(ActiveX Data Object)，将数据库与CATIA进行关联，实现地下洞室群三维模型与该数据库的连接。设置一个动画步长，在地下洞室群施工过程可视化过程中，按时间顺序依次读取数据库文件中的对应信息，不断地更新变量值，更新地下洞室群施工过程可视化中的信息展示。

(b)建立一个文本文件，将仿真输出的各工序剩余开挖长度信息保存至该文件中，将该文件作为三维模型参数控制文件，利用CATIA的知识工程技术将其与步骤B中建立的地下洞室群各项洞室三维参数化模型进行关联。设置同(a)的动画步长，更新仿真输出的文本信息，从而不断更新三维参数化模型，更新地下洞室群施工过程可视化中施工面貌。

其中，根据地下洞室群施工进度计划将仿真的起始时间设为地下洞室群施工开工时间。地下洞室群施工仿真是利用离散系统进行仿真，因此仿真得到施工进度计划也是离散的，可以按日、周、旬、月、季为单位输出。

根据地下洞室群施工过程为各项洞室开挖过程，则其施工过程可视化即为各项洞室消失过程。任一施工工序i在任意施工时刻t对应的施工面貌为S_i，则t时刻的地下洞室群整体面貌可以表示为：

公式(4)中，n为总的工序数，S_i(t)＝f_i(X_i,Y_i,Z_i,t)，其中X_i、Y_i、Z_i为工序i空间位置，表示在施工过程中包含了时间信息的施工工序i的几何形状，其施工面貌随时间的变化而变化，同时，施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息也随之变化。即施工4D模型。

(G)将地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置以及开挖方量与施工4D模型进行集成，形成具有扩展属性的施工4D模型。

首先建立一个数据库文件2，将地下洞室群各项洞室断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置以及开挖方量存入数据库文件2中。通过ADO技术将数据库与CATIA进行关联，实现地下洞室群4D模型与该数据库的连接。然后运用CATIA二次开发技术读取数据库文件中的信息，将其分别赋予各项洞室。当数据库文件有更新时，则重新读取、赋予信息。

(H)对步骤F、G中建立的具有扩展属性的施工4D模型进行后期处理，包括材质、灯光及背景图。

其中，材质描述物体的表面特性，影响物体表面的颜色、光亮程度与不透明度。正确运用材质和贴图，使地下洞室群各项洞室具有真实感。灯光在调好材质后配上。材质与灯光是相互影响的。设置好场景光源类型、强度、色彩及其相应的位置与角度，创造出良好的环境氛围。背景图能够烘托良好的氛围，表现出实际的施工效果。

4.实现基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真

本发明以Visual C++为开发平台，CAA(Component Application Architecture)为开发方式进行交互仿真系统的开发。提供给用户查询、修改、交互、控制功能。用户可快速查询地下洞室群建筑物信息、施工信息以及施工全貌、施工过程面貌及其对应施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息，通过修改对话框信息还能修改该项洞室相关信息，并且还可对模型进行操作修改。结合图3，系统模块设计具体步骤如下：

(I)交互界面设计。利用CAA开发软件中的Dialog工具创建用户交互界面。包括地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置以及开挖方量信息展示界面，修改界面；施工进度计划、月洞挖强度、机械使用率、行车密度信息展示界面。

(J)功能实现模块。各界面功能实现设计步骤基本一致，此处以地下洞室群断面尺寸、洞室长度信息、施工机械配置以及开挖方量信息修改界面为例，功能实现设计步骤如下：开始-选中洞室三维模型-输入需要修改的信息-后台响应-修改成功-结束。

(K)功能嵌入与界面链接。功能嵌入是将功能实现模块嵌入CATIA系统中，作为CATIA的一部分功能，以按钮和菜单的形式集成到CATIA系统中去。包括按钮嵌入和按钮响应两个主要功能。界面链接为将步骤I创建的交互界面在CATIA系统中实现。

其中，按钮和菜单的嵌入通过在Workbench(工作台)中添加工具条，创建新的菜单与按钮嵌入其中。

其中，交互界面在CATIA系统中的实现需要在CAA的可视化开发环境RADE(Rapid Application Development Environment)中建立一个命令对象CATStateCommand及其相应的对象类，在源文件中构造函数实现。

(L)系统集成。修改CATIA环境文件中CAA开发模块，在相应位置加入该系统模块相应文件夹的路径，实现交互仿真系统与原CATIA系统的集成。