本發(fā)明屬于水利水電施工仿真領(lǐng)域，具體講，涉及地下洞室群施工交互仿真。

背景技術(shù)：

在水利水電工程建設(shè)中，地下洞室群是大型水電站廠房布置的重要選擇形式之一。由于是在地下施工，其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、繁多的施工工序成為地下洞室群施工進度控制的難點。如何準確而快速的進行施工決策，在時間、空間上實現(xiàn)科學(xué)的施工進度安排，實現(xiàn)施工過程可視化，是工程管理人員極度關(guān)心的問題。

傳統(tǒng)的地下洞室群施工過程可視化仿真主要為鐘登華等提出的基于OpenGL(Open Graphics Library)和GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))的地下洞室群施工全過程三維動態(tài)演示系統(tǒng)，以及基于三維地質(zhì)模型的地下洞室群施工全過程動態(tài)可視化分析方法，通過將施工進度計劃與地下洞室群三維模型相結(jié)合，以動畫的形式動態(tài)展示了地下洞室群任意時刻的施工面貌，再現(xiàn)了各施工工序在時間、空間上的邏輯關(guān)系。

以上方法以三維動畫展示施工過程，成果修改困難，且無法進行交互仿真。4D模型的出現(xiàn)為施工過程可視化仿真提供了新途徑，運用4D模型不僅可以形象地展示施工過程，而且模型便于修改，并且還能實現(xiàn)用戶在虛擬施工場景中查詢施工信息，實現(xiàn)交互仿真。

在國外，Kais Samkari(2013)提出基于3D幾何模型與進度計劃結(jié)合的4D模型的感知模型，并應(yīng)用于房屋建造項目中，加快了對大型工程施工計劃的把握及決策。HyounSeok Moon(2013)運用三維數(shù)據(jù)、三維對象屬性、WBS數(shù)據(jù)庫、P6進度計劃構(gòu)建橋梁工程4D模型，協(xié)助施工項目工作空間沖突的檢測與可視化。在國內(nèi)，也有很多學(xué)者運用4D模型進行施工交互仿真。苗倩(2011)、甘露(2014)、姬付全(2016)等運用Rhino建立建筑物三維實體模型，與施工進度計劃結(jié)合后導(dǎo)入Navisworks中實現(xiàn)施工過程的四維模擬。鐘登華等運用CATIA(Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application)建立堆石壩三維參數(shù)化模型，并通過三維數(shù)字建模來模擬整個建筑物的信息，形成以CATIA為平臺的堆石壩施工4D模型，實現(xiàn)堆石壩施工過程的三維動態(tài)表達。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軟件進行建模并與施工進度計劃導(dǎo)入Navisworks實現(xiàn)四維模擬，使得建模與可視化不在同一平臺上實現(xiàn)，導(dǎo)致修改仍然存在一定的困難。

綜上所述，目前尚未見到關(guān)于運用4D模型進行地下洞室群施工交互仿真的研究。雖然劉瑞曉(2006)運用CATIA建立了地下洞室群模型，并基于“擬實體”技術(shù)實現(xiàn)施工過程動態(tài)可視化與仿真結(jié)果可視化，但其沒有采用CATIA自帶的知識工程技術(shù)實現(xiàn)施工過程可視化，可視化實現(xiàn)過程較為復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對目前地下洞室群施工過程可視化成果修改困難，且無法進行交互仿真等問題，本發(fā)明旨在采用CATIA知識工程技術(shù)實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化，實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，為地下洞室群施工進度控制提供可靠保障。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真方法，步驟如下：

一、建立基于CATIA的地下洞室群三維參數(shù)化模型；

二、利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)進行施工過程仿真分析；

三、建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，實現(xiàn)施工過程可視化；

四、實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真；

建立基于CATIA的地下洞室群三維參數(shù)化模型具體為：運用CATIA骨架設(shè)計技術(shù)、參數(shù)化技術(shù)、知識工程技術(shù)通過CATIA零件設(shè)計模塊、創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊和知識工程模塊建立地下洞室群主廠房、主變室、尾調(diào)室以及引水洞、尾水洞、支洞各項洞室三維參數(shù)化模型，利用參數(shù)驅(qū)動三維模型，實現(xiàn)模型的快速修改更新。

利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)進行施工過程仿真分析具體為：結(jié)合地下洞室群施工特點，采用系統(tǒng)仿真技術(shù)耦合循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)CYCLONE(Cycle Operation Network)和關(guān)鍵路徑法CPM(Critical Path Method)，建立地下洞室群施工進度仿真模型；結(jié)合工程實際，確定地下洞室群施工進度仿真參數(shù)；以仿真模型和施工參數(shù)為基礎(chǔ)，對地下洞室群施工進度進行仿真分析，得到施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息、各工序剩余開挖長度信息。

建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，實現(xiàn)施工過程可視化具體為：將地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置、開挖方量以及仿真得到的施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息、各工序剩余開挖長度信息與基于CATIA建立的地下洞室群三維參數(shù)化模型集成，建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，并采用CATIA知識工程技術(shù)實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化。

實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真具體為：通過CATIA二次開發(fā)技術(shù)構(gòu)建基于CATIA的地下洞室群交互仿真平臺，提供給用戶三維查詢、分析與修改的功能，用戶可快速查詢地下洞室群建筑物信息、施工信息以及施工全貌、施工過程面貌，通過修改對話框信息還能修改該項洞室相關(guān)信息，并且還可對模型進行操作修改。

根據(jù)地下洞室群施工過程為各項洞室開挖過程，則其施工過程可視化即為各項洞室消失過程。任一施工工序i在任意施工時刻t對應(yīng)的施工面貌為S_i，則t時刻的地下洞室群整體面貌可以表示為：

公式(2)中，n為總的工序數(shù)，S_i(t)＝f_i(X_i,Y_i,Z_i,t)，表示在施工過程中包含了時間信息的施工工序i的幾何形狀，其施工面貌隨時間的變化而變化，同時，施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息也隨之變化。即施工4D模型。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于CATIA建立地下洞室群三維參數(shù)化模型，利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)進行仿真得到施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息、各工序剩余開挖長度信息，集成地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置以及開挖方量，建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，采用CATIA知識工程技術(shù)實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化，實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，為地下洞室群施工進度控制提供可靠保障。

附圖說明：

圖1基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真流程；

圖2具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型；

圖3基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真系統(tǒng)。

具體實施方式

本發(fā)明針對目前地下洞室群施工過程可視化成果修改困難，且無法進行交互仿真等問題，基于CATIA建立地下洞室群三維參數(shù)化模型，利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)進行仿真得到施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息、各工序剩余開挖長度信息，集成地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置、開挖方量，建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，并采用CATIA知識工程技術(shù)實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化，實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，為地下洞室群施工進度控制提供可靠保障。

本發(fā)明基于CATIA建立地下洞室群三維參數(shù)化模型，利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)進行仿真得到施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息、各工序剩余開挖長度信息，集成地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置、開挖方量，建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，并采用CATIA知識工程技術(shù)實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化，實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真，為地下洞室群施工進度控制提供可靠保障。

地下洞室群施工進度控制對整個施工過程順利完工具有重要意義，如何實現(xiàn)科學(xué)的施工進度安排，實現(xiàn)施工過程可視化，是工程管理人員極度關(guān)心的問題。本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于CATIA建立的地下洞室群三維模型與仿真系統(tǒng)仿真得到的施工進度計劃，建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化與施工交互仿真。基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真方法包括以下內(nèi)容：

1.建立基于CATIA的地下洞室群三維參數(shù)化模型；

2.利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)進行施工過程仿真分析；

3.建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，實現(xiàn)施工過程可視化；

4.實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式作進一步地詳細描述。

1.建立基于CATIA的地下洞室群三維參數(shù)化模型

(A)首先將地下洞室群劃分為主廠房、主變室、尾調(diào)室以及引水洞和尾水洞、支洞六項洞室，其次對各項洞室基本對象參數(shù)化，即提取結(jié)構(gòu)中需要控制的位置信息、斷面尺寸、洞室長度信息。在提煉這些控制參數(shù)時，應(yīng)考慮到各單項洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對參數(shù)化特征的要求，同時，還要滿足各單洞易組裝成整體地下洞室群結(jié)構(gòu)的要求。

(B)運用CATIA骨架設(shè)計技術(shù)建立三大洞室骨架、隧洞骨架和支洞骨架；運用參數(shù)化設(shè)計技術(shù)與知識工程技術(shù)，將提取結(jié)構(gòu)中的位置信息、斷面尺寸、洞室長度信息以參數(shù)的方式建立并保持關(guān)聯(lián)，建立地下洞室群各項洞室三維參數(shù)化模型，實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動三維模型，使模型能夠快速修改更新。

2.利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)進行施工過程仿真分析

(C)結(jié)合地下洞室群施工特點，采用系統(tǒng)仿真技術(shù)耦合CYCLONE技術(shù)和CPM技術(shù)，根據(jù)工程施工組織設(shè)計，以及各項洞室施工的銜接關(guān)系及相互制約條件，對地下洞室群施工系統(tǒng)各施工程序進行分析研究，建立地下洞室群施工進度仿真模型。

其中，地下洞室群施工進度仿真模型由控制層CPM模型和實施層CYCLONE模型組成，不同的洞室采用不同的施工方法，構(gòu)造不同的CYCLONE模型以備CPM層模型調(diào)用。施工方法分為順序施工模型、平行施工模型、漏渣法施工模型、導(dǎo)洞法施工模型、豎井施工模型。地下洞室群開挖一般采用順序法、平行法施工，因此CYCLONE層模型多采用順序施工模型、平行施工模型；地下洞室的開挖主要采用鉆孔爆破法。用鉆爆法開挖地下建筑物是一個反復(fù)循環(huán)的過程，每掘進一次，工作面大致按炮孔深度向前推進，完成一次循環(huán)作業(yè)。

(D)根據(jù)工程施工組織設(shè)計，確定地下洞室群施工進度仿真參數(shù)，即獲取施工方式、機械配置、鉆孔及爆破參數(shù)信息。其中施工進度仿真參數(shù)還包括步驟A獲得的斷面信息、洞室長度信息。

(E)以步驟C、D中的仿真模型和施工進度仿真參數(shù)為基礎(chǔ)，利用地下洞室群施工進度仿真系統(tǒng)對地下洞室群施工過程進行仿真分析，得到施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息、各工序剩余開挖長度信息。

其中，任一施工工序i在任意施工時刻t對應(yīng)的剩余開挖長度為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為工序i總長度，Ti為工序i施工持續(xù)時間，t_is為工序i開工時間，t_if為工序i完工時間。

3.建立具有擴展屬性的地下洞室群施工4D模型，實現(xiàn)施工過程可視化

地下洞室群施工4D模型是在三維幾何模型的基礎(chǔ)上，將施工進度計劃作為第四維-時間維建立起來的。第四維所體現(xiàn)的是地下洞室群施工過程，集成地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置以及開挖方量，形成具有擴展屬性的施工4D模型，如圖2所示。并采用CATIA知識工程技術(shù)實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化，具體包括以下步驟：

(F)將施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息、各工序剩余開挖長度信息與三維幾何模型關(guān)聯(lián)，建立地下洞室群施工4D模型，實現(xiàn)地下洞室群施工過程可視化。

(a)建立一個數(shù)據(jù)庫文件1，使仿真輸出的施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息保存至該文件中，通過ADO技術(shù)(ActiveX Data Object)，將數(shù)據(jù)庫與CATIA進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)地下洞室群三維模型與該數(shù)據(jù)庫的連接。設(shè)置一個動畫步長，在地下洞室群施工過程可視化過程中，按時間順序依次讀取數(shù)據(jù)庫文件中的對應(yīng)信息，不斷地更新變量值，更新地下洞室群施工過程可視化中的信息展示。

(b)建立一個文本文件，將仿真輸出的各工序剩余開挖長度信息保存至該文件中，將該文件作為三維模型參數(shù)控制文件，利用CATIA的知識工程技術(shù)將其與步驟B中建立的地下洞室群各項洞室三維參數(shù)化模型進行關(guān)聯(lián)。設(shè)置同(a)的動畫步長，更新仿真輸出的文本信息，從而不斷更新三維參數(shù)化模型，更新地下洞室群施工過程可視化中施工面貌。

其中，根據(jù)地下洞室群施工進度計劃將仿真的起始時間設(shè)為地下洞室群施工開工時間。地下洞室群施工仿真是利用離散系統(tǒng)進行仿真，因此仿真得到施工進度計劃也是離散的，可以按日、周、旬、月、季為單位輸出。

根據(jù)地下洞室群施工過程為各項洞室開挖過程，則其施工過程可視化即為各項洞室消失過程。任一施工工序i在任意施工時刻t對應(yīng)的施工面貌為S_i，則t時刻的地下洞室群整體面貌可以表示為：

公式(4)中，n為總的工序數(shù)，S_i(t)＝f_i(X_i,Y_i,Z_i,t)，其中X_i、Y_i、Z_i為工序i空間位置，表示在施工過程中包含了時間信息的施工工序i的幾何形狀，其施工面貌隨時間的變化而變化，同時，施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息也隨之變化。即施工4D模型。

(G)將地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置以及開挖方量與施工4D模型進行集成，形成具有擴展屬性的施工4D模型。

首先建立一個數(shù)據(jù)庫文件2，將地下洞室群各項洞室斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置以及開挖方量存入數(shù)據(jù)庫文件2中。通過ADO技術(shù)將數(shù)據(jù)庫與CATIA進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)地下洞室群4D模型與該數(shù)據(jù)庫的連接。然后運用CATIA二次開發(fā)技術(shù)讀取數(shù)據(jù)庫文件中的信息，將其分別賦予各項洞室。當數(shù)據(jù)庫文件有更新時，則重新讀取、賦予信息。

(H)對步驟F、G中建立的具有擴展屬性的施工4D模型進行后期處理，包括材質(zhì)、燈光及背景圖。

其中，材質(zhì)描述物體的表面特性，影響物體表面的顏色、光亮程度與不透明度。正確運用材質(zhì)和貼圖，使地下洞室群各項洞室具有真實感。燈光在調(diào)好材質(zhì)后配上。材質(zhì)與燈光是相互影響的。設(shè)置好場景光源類型、強度、色彩及其相應(yīng)的位置與角度，創(chuàng)造出良好的環(huán)境氛圍。背景圖能夠烘托良好的氛圍，表現(xiàn)出實際的施工效果。

4.實現(xiàn)基于CATIA的地下洞室群施工交互仿真

本發(fā)明以Visual C++為開發(fā)平臺，CAA(Component Application Architecture)為開發(fā)方式進行交互仿真系統(tǒng)的開發(fā)。提供給用戶查詢、修改、交互、控制功能。用戶可快速查詢地下洞室群建筑物信息、施工信息以及施工全貌、施工過程面貌及其對應(yīng)施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息，通過修改對話框信息還能修改該項洞室相關(guān)信息，并且還可對模型進行操作修改。結(jié)合圖3，系統(tǒng)模塊設(shè)計具體步驟如下：

(I)交互界面設(shè)計。利用CAA開發(fā)軟件中的Dialog工具創(chuàng)建用戶交互界面。包括地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置以及開挖方量信息展示界面，修改界面；施工進度計劃、月洞挖強度、機械使用率、行車密度信息展示界面。

(J)功能實現(xiàn)模塊。各界面功能實現(xiàn)設(shè)計步驟基本一致，此處以地下洞室群斷面尺寸、洞室長度信息、施工機械配置以及開挖方量信息修改界面為例，功能實現(xiàn)設(shè)計步驟如下：開始-選中洞室三維模型-輸入需要修改的信息-后臺響應(yīng)-修改成功-結(jié)束。

(K)功能嵌入與界面鏈接。功能嵌入是將功能實現(xiàn)模塊嵌入CATIA系統(tǒng)中，作為CATIA的一部分功能，以按鈕和菜單的形式集成到CATIA系統(tǒng)中去。包括按鈕嵌入和按鈕響應(yīng)兩個主要功能。界面鏈接為將步驟I創(chuàng)建的交互界面在CATIA系統(tǒng)中實現(xiàn)。

其中，按鈕和菜單的嵌入通過在Workbench(工作臺)中添加工具條，創(chuàng)建新的菜單與按鈕嵌入其中。

其中，交互界面在CATIA系統(tǒng)中的實現(xiàn)需要在CAA的可視化開發(fā)環(huán)境RADE(Rapid Application Development Environment)中建立一個命令對象CATStateCommand及其相應(yīng)的對象類，在源文件中構(gòu)造函數(shù)實現(xiàn)。

(L)系統(tǒng)集成。修改CATIA環(huán)境文件中CAA開發(fā)模塊，在相應(yīng)位置加入該系統(tǒng)模塊相應(yīng)文件夾的路徑，實現(xiàn)交互仿真系統(tǒng)與原CATIA系統(tǒng)的集成。