虚拟现实技术在城市供水管网运行调度中的应用

论文摘要

计算机技术的迅猛发展把供水管网系统的计算、理论与分析推向一个新的层次。供水管网系统从以往单纯的研究管网水力计算拓展到多学科交叉、集成的系统。虚拟现实技术是一门跨学科、多层次、多功能的高新技术,它以适人化技术手段来解决城市供水管网领域的科学问题,这既满足信息时代的需求,又符合信息时代发展的必然趋势。本文提出将虚拟现实技术与城市供水管网计算模型联合应用的概念和技术方法,通过联合虚拟现实技术和城市供水管网水质模型、水力模型,实现城市供水管网沉浸式交互控制,并且将供水管网信息可视化表示。该方法将深埋地下的城市供水管网逼真的呈现在用户眼前,极大地发挥了用户生理感知功能和联想功能,为实现城市供水管网安全调度管理提供必要的技术支持。本文通过对虚拟现实技术和城市供水管网特征进行分析,选择Multigen Creator/Vega工具作为城市供水管网虚拟场景制作工具;通过对城市供水管网模型进行理论分析和模型数据需求分析,设计供水管网水力计算、水质计算程序,并且建立城市供水管网属性信息数据库;基于以上分析提出虚拟现实技术和城市供水管网模型联合模式总体框架及其技术优势。供水管网虚拟场景制作过程中各管网附件严格按照相关图集制作,进而保证虚拟场景模型具有较高精度。准确翔实的供水管网属性信息确保供水管网虚拟场景模型和管网计算模型具有较高准确性。最后,本文通过程序设计建立城市供水管网沉浸式运行调度平台,通过颜色、光照、纹理及粒子系统将供水管网计算结果可视化表示。该平台具有高度的逼真性,准确性和精度,并且具有沉浸性、交互性的特点,用户可以直观的观察到深埋地下的供水管网,对供水管网进行交互控制,对管网工况进行可视化分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 城市供水管网虚拟仿真研究必要性
• 1.1.2 城市供水管网虚拟仿真研究的发展及现状
• 1.1.3 城市供水管网模拟技术的发展
• 1.2 虚拟现实与供水管网模型的结合方式
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.3.3 虚拟现实技术的应用领域
• 1.4 课题研究的目的意义及主要内容
• 1.4.1 课题研究的目的意义
• 1.4.2 课题研究的主要内容
• 第2章 城市供水管网模拟理论及数据需求
• 2.1 供水管网建模过程
• 2.2 供水管网水力模型基本方程
• 2.2.1 管网基本方程求解
• 2.2.2 管网爆管时水力工况方程
• 2.3 供水管网水质模型基本方程
• 2.3.1 管段中的平流传输
• 2.3.2 管段连通处的混合
• 2.3.3 贮水设施中的混合
• 2.3.4 主体水反应与管壁反应
• 2.4 供水管网模型数据需求
• 2.4.1 管段类数据需求
• 2.4.2 节点类数据需求
• 2.4.3 城市供水管网信息数据库的建立
• 2.5 本章小结
• 第3章 供水管网虚拟场景构建及其功能
• 3.1 供水管网虚拟场景制作工具选择
• 3.1.1 虚拟现实技术的理论基础
• 3.1.2 虚拟现实三维场景算法基础
• 3.1.3 虚拟现实制作工具的确定
• 3.2 城市供水管网虚拟场景建模
• 3.2.1 建模的技术指标
• 3.2.2 建模的分类
• 3.2.3 虚拟环境建模的特点
• 3.3 供水管网虚拟场景优化技术
• 3.3.1 碰撞检测技术
• 3.3.2 层次细节技术
• 3.3.3 其它优化技术
• 3.4 虚拟现实与其它三维模型的关系
• 3.4.1 AutoCAD 三维模型
• 3.4.2 三维地理信息系统（3D-GIS）
• 3.4.3 虚拟地理信息系统（VR-GIS）
• 3.5 本章小结
• 第4章 虚拟现实在供水管网模拟中的应用
• 4.1 虚拟现实技术与供水管网模拟技术联合模式
• 4.1.1 联合模式总体框架
• 4.1.2 联合模式的技术优势
• 4.2 管网计算数据文件生成
• 4.2.1 管网计算数据的数据检验
• 4.2.2 管网计算数据文件生成
• 4.3 供水管网场景文件生成
• 4.4 供水管网工况模拟及其表达
• 4.4.1 管网模拟文件生成
• 4.4.2 管网工况模拟及结果表达
• 4.5 本章小结
• 第5章 供水管网沉浸式运行调度平台研究
• 5.1 算例供水管网概况
• 5.2 城市供水管网信息数据库的建立
• 5.3 城市供水管网几何模型的建立
• 5.3.1 阀门几何模型的建立
• 5.3.2 接头几何模型模型
• 5.3.3 城市供水管网几何模型的制作
• 5.4 城市供水管网计算模型的建立
• 5.5 城市供水管网沉浸式运行调度平台的建立
• 5.5.1 城市供水管网沉浸式运行调度总统设计
• 5.5.2 沉浸式运行调度平台的应用
• 5.5.3 沉浸式运行调度平台构成
• 5.5.4 沉浸式运行调度平台功能模块
• 5.6 应用实例分析
• 5.6.1 哈尔滨市地理状况
• 5.6.2 哈尔滨市供水管网现状分析
• 5.6.3 哈尔滨市供水管网模拟文件生成
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢