梁柳金

（廣東百盛建設(shè)工程有限公司，廣東 江門 529000）

隨著水利工程建設(shè)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，水利工程已經(jīng)成為我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要項(xiàng)目，在水利工程的設(shè)計(jì)和施工管理中，需要三維重組工程管理的相關(guān)信息，與圖像、充分融合動(dòng)態(tài)特征與圖像的合理分析，本文依托虛擬現(xiàn)實(shí)以及三維動(dòng)畫技術(shù)，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)工程施工管理系統(tǒng)。

首先通過信息聯(lián)動(dòng)構(gòu)建底層數(shù)據(jù)庫，有效識(shí)別信息化管理的狀況，合理設(shè)計(jì)該管理系統(tǒng)的模塊；其次利用具體的項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證其可行性。

1 三維動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可行性

1.1 三維動(dòng)畫技術(shù)

基于三維動(dòng)畫技術(shù)進(jìn)行該管理系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)和全部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須進(jìn)行施工管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建。

該施工管理系統(tǒng)的成型加載模塊、總線調(diào)度模塊、信息融合模塊、代碼協(xié)議模塊等的構(gòu)建，必須依托C/S 結(jié)構(gòu)體系；在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的層面，數(shù)據(jù)庫可采用MySQL，進(jìn)行該管理體系的底層信息融合；服務(wù)器可選擇Tomcat，進(jìn)行該管理系統(tǒng)規(guī)范化程序結(jié)構(gòu)開發(fā)，建立該系統(tǒng)的三維動(dòng)態(tài)重組模型；該管理系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)分析和功能模塊設(shè)計(jì)，可以采用控制組件和總線開發(fā)的方式；通過PXI、LXI、VXI 聯(lián)合總線測(cè)試，構(gòu)建該工程管理系統(tǒng)的用戶監(jiān)控終端顯示模塊、視頻數(shù)據(jù)中心管控模塊以及視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。按照整體技術(shù)框架，通過數(shù)據(jù)共享、信息聯(lián)動(dòng)、實(shí)時(shí)感知等方式，進(jìn)行底層數(shù)據(jù)庫的合理構(gòu)建，水利工程施工管理系統(tǒng)底層信息類型標(biāo)識(shí)涵蓋NTSC、SECAM、PAL 等，具體的編碼通常采用4 ∶4 ∶0 或者4 ∶2 ∶0 的方式，充分利用了塊方式運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)該管理系統(tǒng)的三維動(dòng)畫，從而獲取該系統(tǒng)的三維動(dòng)畫幀識(shí)別模型。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

針對(duì)水利工程的施工和管理，必須充分考慮無處不在的管理多變性和施工的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在專業(yè)領(lǐng)域的超前性、超長的項(xiàng)目周期、龐大的資金運(yùn)轉(zhuǎn)、廣闊的施工區(qū)域、不可控的生態(tài)環(huán)境、冗雜的施工隊(duì)伍、后勤管理的繁雜性，這些特點(diǎn)都決定了水利工程絕對(duì)不可能像其他工程那樣只是憑借圖紙就能施工建設(shè)，而是要具體細(xì)致地研究和劃分工程的每個(gè)施工階段的事項(xiàng)。傳統(tǒng)的工程模型難以達(dá)到參數(shù)對(duì)比的直觀性、不能進(jìn)行大規(guī)模的工程建設(shè)；傳統(tǒng)的二維水利工程設(shè)計(jì)圖諸多實(shí)際、專業(yè)的標(biāo)注不能顯示在設(shè)計(jì)圖上，在實(shí)際管理施工進(jìn)度的過程中，依舊利用傳統(tǒng)的人工報(bào)表、傳遞文件、手工編制等手段，進(jìn)行相關(guān)的信息統(tǒng)計(jì)、編制和存儲(chǔ)，難以滿足現(xiàn)代施工的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致信息傳遞不暢。虛擬現(xiàn)實(shí)及仿真技術(shù)成熟和應(yīng)用恰好滿足了現(xiàn)代水利工程施工管理的客觀要求，應(yīng)用前景十分廣闊，為解決以上的傳統(tǒng)施工問題找到了可行的途徑。具體來說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將項(xiàng)目有望形成的整體面貌通過在計(jì)算機(jī)進(jìn)行真實(shí)地表現(xiàn)；水利工程的諸多專業(yè)合作，可以在一個(gè)虛擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)；可以為水利工程完工后的運(yùn)行管理提供三維可視化平臺(tái)；更可以為水利工程的宣傳匯報(bào)搭建展示平臺(tái)，比如水庫移民宣傳、生態(tài)環(huán)境的影響、社會(huì)和講解效益等[1]。

2 三維動(dòng)畫技術(shù)的水利工程施工管理系統(tǒng)

2.1 三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)

本工程完全采取了測(cè)量同步性和信息化監(jiān)測(cè)的手段，實(shí)施該施工管理系統(tǒng)模 型的建設(shè)。通過模擬三維動(dòng)畫構(gòu)建視景配置模型，可以依托該系統(tǒng)的MSTP/SDH管理專線，通過區(qū)域位置視景重建以及圖像跟蹤技術(shù)獲得該管理系統(tǒng)的三維動(dòng)畫視景結(jié)構(gòu)配置模型。重要的視頻幀數(shù)據(jù)可以在攝像頭圖像中獲取，基于三維視景重構(gòu)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)，跟蹤和理解該工程施工建設(shè)行為，獲取該工程的三維動(dòng)畫分布像素：

上式中，Ix 代表基準(zhǔn)背景圖像；Iy 則表示該工程的現(xiàn)場視頻幀動(dòng)畫序列。施工管理中的三維動(dòng)畫視頻片段，完全可以通過3DStudioMAX 軟件進(jìn)行分析，具體來說包括三個(gè)模塊：管理報(bào)警系統(tǒng)、分析視頻、系統(tǒng)管理。獲得如下分組檢測(cè)參數(shù)：

上式中，x 代表分析水平視頻模塊的參數(shù)；a 代表模糊匹配系數(shù)；y 代表分析垂直視頻模塊；b 代表聯(lián)合參數(shù)匹配系數(shù)；z 代表中軸視頻分析模塊；c 代表邊緣像素差異度；H 代表視頻采集點(diǎn)的邊緣像素分量；ω代表偏離度；τ 表示檢測(cè)三維動(dòng)畫的時(shí)延；γ 代表模糊度；I 表示單位矩陣；P 代表空間像素誤差；θ 表示匹配誤差。

通過視頻的核心節(jié)點(diǎn)和視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)得到施工管理系統(tǒng)的稀疏性特征，其分布式如下：

上式中，σ 表示特征點(diǎn)的描述符；x 代表兼容BS DUNIX 的特征誤差；y 表示統(tǒng)計(jì)特征點(diǎn)局部鄰域參數(shù)。利用OpenFlight 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重建該管理系統(tǒng)的視景，借助主成分分析模式進(jìn)行該工程管理的統(tǒng)計(jì)分析和視景重構(gòu)，獲取如下的直方圖統(tǒng)計(jì)梯度方向：

上式中，Φ(Tm)代表最小值位置的內(nèi)點(diǎn)集；pi代表該工程三維動(dòng)畫極值點(diǎn)局部鄰域梯度幅值；N 代表水利工程三維重構(gòu)梯度的方向數(shù)；Tm(gi)代表統(tǒng)計(jì)梯度方向的灰度級(jí)；τ 表示梯度的模值。本項(xiàng)目利用模糊判斷模式自適應(yīng)模擬三維動(dòng)態(tài)視景，利用信息化監(jiān)測(cè)和同步測(cè)量的手段進(jìn)行管理系統(tǒng)模型構(gòu)造，施工管理系統(tǒng)的底層文件配置可以借助三維視景重構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在部署該管理系統(tǒng)的過程中，三維動(dòng)畫的視景承載和模擬通常利用CDN 完成，通過AngularJS 框架的路由機(jī)制和VIX 總線控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程管理系統(tǒng)視景參數(shù)配置，獲得工程管理軟件的結(jié)構(gòu)模塊。按照該水利工程管理軟件結(jié)構(gòu)模塊，開發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)虛擬視景模擬軟件的APP，利用的技術(shù)為A R MCortex-M0 處理器內(nèi)核，以ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)為基礎(chǔ)，配置數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)裝置或者SDH/MSTP，在系統(tǒng)底層引入電源線、控制線和視頻線，在動(dòng)畫傳輸信息端利用視頻編碼器將其接入，有效配置施工管理類結(jié)構(gòu)，軟件的流程實(shí)現(xiàn)[2]，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水利工程施工管理系統(tǒng)

3.1 虛擬仿真系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的復(fù)雜性是水利工程的特點(diǎn)，構(gòu)建水利工程關(guān)鍵設(shè)備的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，包括泄水閘門、船閘、水輪機(jī)等。進(jìn)行水利工程運(yùn)行機(jī)理的模擬，構(gòu)建虛擬漫游系統(tǒng)。在三維虛擬仿真環(huán)境中，可以進(jìn)行水利工程運(yùn)行管理狀況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，進(jìn)行施工設(shè)計(jì)圖紙和工程屬性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)建模的設(shè)計(jì)。本文研究的核心目標(biāo)是水利工程的施工管理，采用的兩款軟件包括MultiGen Creator 視景建模軟件和vega 時(shí)驅(qū)動(dòng)軟件，充分結(jié)合高性能的圖形工作站，構(gòu)建虛擬仿真施工環(huán)境必須通過Ar-Cgls.Microstation.AutocAD 完成，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以依托CAD 的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)搭建逼真、精確的三維模型。利用虛擬仿真模型從不同的角度對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行觀察分析，解決工程中重點(diǎn)問題。例如，工程樞紐的整體布局、地下廠房及設(shè)施的優(yōu)化、洞室與廊道之間的關(guān)系、建筑物設(shè)計(jì)的合理性等。

3.2 施工中的計(jì)算機(jī)仿真模擬應(yīng)用實(shí)踐

作為復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的水利工程施工管理系統(tǒng)，施工各個(gè)環(huán)節(jié)間彼此關(guān)聯(lián)、相互滲透又互相作用。按照水利工程施工現(xiàn)場動(dòng)態(tài)特點(diǎn)和不同環(huán)節(jié)的特性，又可以細(xì)化為布置施工場地和工程施工子系統(tǒng)兩個(gè)部分。隨著施工進(jìn)度逐步推進(jìn)，動(dòng)態(tài)的不斷變化是兩個(gè)子系統(tǒng)的特征。第一，唯有科學(xué)地現(xiàn)場布置，才能如期完成水利工程；第二，唯有合理地施工進(jìn)度設(shè)計(jì)，才可以讓場地有利于施工。例如，因?yàn)椴缓侠淼氖┕みM(jìn)度計(jì)劃安排，造成峰值表現(xiàn)在某一時(shí)間段導(dǎo)致在某一時(shí)間段資源強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，形成嚴(yán)重的現(xiàn)場堵塞，最嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)影響或停止施工。由此可見，兩個(gè)子系統(tǒng)在施工中進(jìn)行潛移默化地平衡，一旦打破該平衡，施工進(jìn)度就難以保證。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算模式，進(jìn)行平衡的計(jì)算，雖然很科學(xué)，但難以直觀、形象地反映平衡過程。而虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)的應(yīng)用，完全能夠?qū)⒕S持平衡的過程展現(xiàn)給決策者，不平衡的現(xiàn)象一旦發(fā)生，就可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，也可以在施工前通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型進(jìn)行模擬調(diào)整。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

提出構(gòu)建水利工程施工管理系統(tǒng)的構(gòu)建策略后，本文進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證本文介紹的兩種技術(shù)在水利工程管理系統(tǒng)中的應(yīng)用性能。本研究的虛擬視景重建和仿真實(shí)驗(yàn)選擇在DVENET(Distributed Virtual Environment NET-work)中進(jìn)行。通過設(shè)定不一樣的參數(shù)，有效結(jié)合不斷操作的客戶端軟件，對(duì)監(jiān)控點(diǎn)的PTZ 攝像機(jī)的管控，Mine Recv Packet 和Mine Send Packet 類結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行工程項(xiàng)目管理系統(tǒng)程序的加載。按照數(shù)據(jù)加載實(shí)現(xiàn)水利工程施工管理三維動(dòng)畫視景仿真結(jié)果，通過仿真結(jié)果分析不難看出，本文的兩種方式對(duì)水利工程施工項(xiàng)目進(jìn)行管理，具備良好的工程管理視景的重構(gòu)行。通過對(duì)不同方式的測(cè)定，工程施工管理的穩(wěn)定性極高，具備推廣價(jià)值，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

5 結(jié)語

本文提出基于三維動(dòng)畫技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)水利工程施工管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式。首先建立管理系統(tǒng)的三維動(dòng)態(tài)重組模型，進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)分析；工程管理重建參數(shù)分析模型通過三維動(dòng)畫配置技術(shù)完成；通過翔實(shí)分析動(dòng)畫特征和三維重建，合理優(yōu)化工程的項(xiàng)目管理模式。通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)踐以及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，本文設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)能夠高效管理水利工程的施工，具有良好的穩(wěn)定性和視景重構(gòu)性。