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三維仿真范文第1篇

【關鍵詞】3D；sound

虛擬現實技術是近年來十分活躍的研究領域之一，是一系列高新技術的匯集，這些技術包括計算機圖形學、多媒體技術、人工智能、人機接口技術、傳感器技術以及高度并行的實時計算技術，還包括人的行為學研究等多項關鍵技術。虛擬現實技術在軍事、航天、醫學、教育、娛樂等領域具有廣泛的應用價值。為了讓用戶產生更加強烈的沉浸感，在生成’-圖形的同時，還可以提供逼真的’-聲音效果。作為虛擬現實系統中必須的部分，虛擬聲音系統的研究也受到了極大的重視。DirectSound 3D是微軟公司所推出的，它利用聲音大小的比例調整多卜勒效應，來達到以軟件來模擬3D音效的效果，創立了在三維空間定位音效文件的標準方式。任何應用程序透過它和支持DirectSound 3D的聲卡，便可以獲得所需的效果。由于這是許多聲卡廠商與微軟共同制定的，現在大部分的聲卡都支持這項技術。本文利用Directsound 3D技術實現虛擬環境實現聲音效果。

1.仿真原理

Directsound 3D是通過軟件模擬來實現3D音效的，所以要先講一下Dsound 的3D模擬空間。這個空間類似現實空間，可以用笛卡兒坐標系來描述Dsound 的3D空間，有x，y，z三個坐標軸坐標軸。

在這個模擬空間中Dsound提供了模擬的聲源對象和傾聽者對象（listener），聲源和聽者的關系可以通過三個變量來描述：在三維空間的位置，以及運動的速度，以及運動方向。

位置即聲源和聽者在三維空間的所在位置，隨著兩者的相對位置不同，則聽者便會聽到不同的聲音效果。

速度為聲源和聽者在三維空間中的移動速度，此項特性同樣會改變兩者在空間的坐標，以產生不同的聲音效果。

聲源和聽者相對運動的方向也會影響聽者聽到的聲音效果，因為聲音是具有方向性的。這個下面會談到。

知道了3D聲源以及3D環境中的聽者，那么怎么產生3D音效呢？一般來說，在產生3D音效的時候，主要有下面的幾種情況，一是聲源不動，而聽者在模擬的3D空間進行運動，二是聽者不動，讓聲源在模擬的3D空間進行運動，三是聽者和聲音同時在運動。如下圖1、2所示。

Directsound給我們提供了聽者和聲源對象的接口，我們可以通過上面提到的三種方式設置改變聲源或者聽者的位置，運動速度和方向就可以形成3D音效了在3D環境中，我們通IDirectSound3DBuffer8接口來表述聲源，這個接口只有創建時設置DSBCAPS_CTRL3D標志的Directsound buffer才支持這個接口，這個接口提供的一些函數用來設置和獲取聲源的一些屬性。在一個虛擬的3D環境中，我們可以通過主緩沖區來獲取IDirectSound3DListener8接口，通過這個接口我們可以控制著聲學環境中的多數參數，比如多普勒變換的數量，音量衰減的比率。

2.設計方案

3.仿真結果

根據上述介紹的方法， 采用D irectSound維聲音程序初始界面具， 在V isual C+ + 6.0 中實現了程序的具體實現。通過下拉菜單可以測試三維聲音在不同角度的效果。這樣就可以利用D irectSound 技術， 通過VC6. 0 編程對三維聲音進行了實時仿真， 程序較好地實現了聲音的三維效果。

參考文獻

[1]B radley Bargen，Peter Donnelly Inside D irectX[M].北京：北京希望電子出版社，1999.

[2]何正偉，楊宏軍，花傳杰.實時三維聲音仿真系統的設計與實現[J].計算機應用研究，2002，19（1）：23225.

三維仿真范文第2篇

關鍵詞：三維仿真 城市規劃 城市仿真技術

中圖分類號：TU98 文獻標識碼： A

前言

隨著三維建模與可視化技術的不斷發展，尤其是隨著虛擬現實(Virtual Reality—VR)技術研究的不斷深入開展，當前技術水平已能通過計算機整合圖像、聲音、動畫等將三維現實環境、物體等模擬成二維形式表現的虛擬現實，再由數字傳媒通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產生猶如身臨其境的交互式視景仿真，并可選擇任何一個角度，觀看任何一個范圍內的虛擬現實場景。正是由于對身臨其境的真實感和對超越現實的虛擬性追求，以及個人能夠沉浸其中，超越其上進出自如交互作用的多維信息系統的出現，進一步推動了虛擬現實技術在城市規劃中的應用與發展。

三維仿真技術的概述

三維仿真技術是利用計算機軟件模擬實際環境進行科學實驗的技術，以模擬的方式為使用者創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖形界面，使之在感知行為的逼真環境中，獲得一種身臨其境的感受。例如《重慶市三維數字規劃管理系統》，利用地理信息系統、三維空間建模、遙感等現代信息技術，以數字地形數據、遙感影像數據、數字高程模型數據以及三維城市要素模型等數據為基礎，在三維虛擬空間內實現局部的規劃和建筑設計方案與區域景觀的實時、多方案綜合分析與決策。

二、基本概念和意義

城市三維仿真是城市空間信息在計算機環境中的三維直觀表達，是數字城市概念城市規劃、建設、管理領域的延伸，同時也是數字城市建設的重要基礎內容。城市三維仿真技術在規劃中的應用前景主要有以下幾個方面：

2.1 實現城市規劃精細化管理

實現從總規-控規-修規以及從項目的初步方案-正式方案-工程許可的全面三維數字化控制目標，在以往基于控規的規劃電子政務管理平臺的基礎上進一步細化、深化和優化規劃管理工作，運用可視化的圖、表、文一體化界面配置工具，實現多個展示組件的互動包含：統計圖、表格、文書、GIS、三維仿真等內容的綜合展示模型，使圖表展示工具、規劃業務文書展示工具、GIS展示工具、三維仿真展示工具之間通過配置實現動態調用和信息傳遞，完成從文到圖、從圖到表、從表到文的圖、表、文關聯互動，使各種統計分析結果融為一體，使城市規劃管理進入精細化管理階段。

2.2 提高規劃編制的科學水平

利用三維數字模型、GIS等信息化技術，為規劃編制過程中的信息采集、指標分析、方案決策、成果展示等工作提供高效，直觀，便捷的新方法，實現控規編制的技術方法信息化和過程管理信息化，體現規劃編制“科學性”、“過程性”、“動態性”特點。

2.3 展示現狀及規劃情況

通過利用計算機仿真和虛擬現實技術形成的三維數字規劃管理系統，將現狀與規劃成果帶入城市景觀的電腦虛擬環境中，提供一個逼真的模擬環境，從而很好地向規劃管理者和市民展示該地區的現狀及規劃建設情況。此外，利用空間信息可視化技術可以實現分析、查詢大量數據信息并以直觀的方式顯示結果，將傳統的數據庫帶入到可視化空間中，以對各個方面的情況有一個全面的了解。

2.4 提高規劃項目的管理效率

通過制作項目模型或者提供靜態的三維效果圖來展示項目的整體規劃過程，這具有很大的局限性，無法完成規劃對象的修改和管理。城市三維仿真技術可以設計一個可操作的三維仿真系統，為開發機構或城市規劃單位提供高精度的數據服務和視覺質量。在需要修改或增減項目工程的過程中，可以直接導入或更新相關的數據信息，可以及時做出方案調整和實施，提高規劃項目的整體管理質量和效率。

2.5 多樣化的數據服務

利用三維仿真技術進行三維模擬和三維仿真系統的設計，可以利用三維仿真系統查詢相對對象的信息資料，為規劃管理者提供城市單位或部門的信息資料。在重慶市三維數字規劃管理系統中，運用城市三維仿真、地理信息系統、空間數據庫、關系數據庫、工作流、系統集成、網絡、多媒體等技術，以現有的規劃電子政務平臺為框架，以分布式數據庫應用為基礎，實現了網絡環境下多數據源海量精細化城市三維仿真數據的高效管理和服務，通過強大的三維仿真，GIS分析和輔助審批功能，為現狀調查、規劃編制、項目方案審批、行政決策提供了直觀、高效和科學的技術手段，實現了精細化建筑管理，提升了重慶市規劃局規劃管理技術水平。

三、仿真技術在重慶市規劃管理的應用

3.1通過建立建筑物及周邊環境的三維仿真模型，規劃管理人員可以在三維可視化環境下觀察和研究建筑物與周邊環境的協調狀況，還可以通過模擬建筑物的日照陰影走向和計算陰影面積來研究建筑物的高度對周邊建筑物的日照的影響等（圖1）。對于規劃新區的建筑設計方案，由于沒有實際的周邊環境，可以用規劃的周邊環境來進行仿真模擬，還可以通過三維空間環境下的實時建筑物模型置換、建筑物紋理置換、建筑物高度調整等功能，來進行多方案的比較(圖2)。此外，還可以進行特定視點的景觀圖生成、空間坐標查詢、距離量算、屬性數據管理、實時的規劃指標統計等，實現對建筑方案的全面的審查（圖3）。

（圖1）

（圖2）

（圖3）

3.2 城市景觀設計的應用。城市景觀設計反映城市的整體風貌，城市的整體風貌依靠科學的環境資源布局來實現。利用仿真技術對城市景觀進行設計和環境模擬，可以對城市建筑的空間形態、建筑形式、城市天際線、城市景觀、城市色彩等多方面進行綜合考慮，做出更為準確的、直觀的設計方案。仿真技術的應用有助于城市規劃管理人員進行多功能技能操作，從整體上把握城市空間形態的展示要點和亮點的設計，體現出城市的整體風貌和城市特色之處。同時，仿真技術利用計算機軟件進行實際景觀設計的環境模擬，創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖形界面，將設計的內容和效果展示在大眾面前，實現人機交互，讓大眾和客戶有一種身臨其境的感受。對于城市規劃評審、公示、展覽、規劃項目的宣傳及招商引資等各方面都有著重要的指導意義和經濟效益。（圖4）

（圖4）

3.3城市規劃需要把握整個城市土地利用的決策動向，就需要對城市土地利用現狀信息資料進行完整的把握，所以城市土地利用現狀信息資料尤為重要。規劃管理人員可以依靠當地的航空衛星影像、DEM 高程數據等基礎地理數據，構建仿真三維模型，通過三維模型，可以更廣泛的了解和把握整個城市的土地利用范圍、現狀以及城市周邊的概況，對城市的整體信息資料的掌握和城市規劃設計方案的確定有著重要意義。仿真技術還可以通過模擬建筑物的日照陰影走向和計算陰影面積來研究建筑物的高度對周邊建筑物的日照的影響等，通過三維空間環境下的實時建筑物模型置換、建筑物紋理置換、建筑物高度調整等功能，來進行城市土地利用現狀和規劃設計方案的篩選。

四、小結

總而言之，三維仿真在城市規劃中的應用前景是廣闊的。我們有理由相信，三維仿真技術會使城市規劃的產生一次技術革新，會極大地拓展和豐富城市規劃的工作思路。三維仿真技術的應用，明顯的提高規劃審批的效率和方案設計的科學科學性，避免了傳統規劃評審采用大量設計文稿的方式，極大提高了設計單位、業主單位和管理單位的溝通效率，協調了與周圍建筑群的空間、色彩、材料，有利于體現城市的特點，促進城市的可持續發展。

參考文獻：

[1] 楊建國，黃玲，高劍鋒.三維仿真技術在城市規劃中的應用[J]規劃信息化，2007

三維仿真范文第3篇

關鍵詞：電網 三維GIS 仿真 體系結構

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0051-02

隨著計算機技術的飛速發展，地理信息系統（GeographicInformationSystem，簡稱GIS）在整個電力行業中得到了越來越廣泛的應用。將GIS引入配電管理系統（DMS），并與用電MIS、負荷管理及SCADA等子系統相結合，為各級管理人員提供一套簡單、迅速、方便的配電網運行管理系統已成為現代電力企業提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在電力系統中廣泛應用的主要還是基于二維坐標的GIS系統，其空間表現和分析能力都有很大的局限性。

近年來，計算機圖形學的發展和計算機硬件性能的成倍提高使得三維表現技術日益完善，通過這些技術能夠構造更接近于現實的三維地表模型和各類三維對象模型，使得GIS系統從二維向三維發展。該文通過運用三維視景仿真技術，結合面向對象設計方法，提出了一種構建二維GIS與視景仿真技術相結合的方法并研究其在電網GIS中的應用前景。

鑒于二維GIS在空間表現和分析能力上的局限性，該文提出基于3D-GIS的實現思路，針對3D-GIS在電力系統中的應用特點和難點，該文給出了3D-GIS的體系結構設計和功能實現。

1 3D-GIS技術在電力系統中的應用特點及難點

從二維地圖、沙盤、動畫，到虛擬視景仿真是一個合乎人們認識深化和技術發展趨勢的必然結果。二維GIS經過30多年的發展，理論和技術日趨成熟，應用已深入到測繪、土地、環境、電力、交通等諸多領域，在對地理信息的分析功能上有著無可比擬的優勢。一些宏觀的地理信息，一維的地理信息如河流、公路等；二維的地理信息如植被、湖泊等，在對這些地理信息的分析和處理上，比較適合采用二維GIS系統進行處理和分析。三維GIS系統是近幾年才發展起來的地理信息系統技術，它的最大優點是可以真實地再現現實環境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三維GIS技術可以實現具有真實感的三維模型生成功能以及實時漫游功能等，還具有特有的三維空間分析功能。

相對于二維GIS系統，三維技術在電網GIS中的實現過程有著明顯的特點及難點，主要表現在以下幾個方面：

（1）三維虛擬地形環境是構成三維地理信息系統的基礎和框架，首先需要解決建立場景所需要的海量地形數據的存儲問題。如在輸電線路GIS系統中，一條完整的線路往往要延續幾十甚至幾百公里，這使得相應的數字地面模型規模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區等地表特征物模型和數以千萬計的輸電設備模型，導致整個三維場景結構復雜，不可能將全部數據一次性地載入主內存甚至是虛擬內存，因此如果沒有較好的數據模型和管理策略，系統就難以達到預定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。（2）在目前的二維GIS配電網管理系統中，一般用點狀或線狀等抽象符號表達電力設備，無法直觀地顯示設備本身的結構和相互間的關聯性；而在三維GIS系統中，模擬真實的電力設備（如變壓器、桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現實的基本要求，這使得模型變得比較復雜，甚至要進行組合構造。因此，選用合理的建模方式和組織方法來處理電力設備也是實現三維GIS系統的一個重點。（3）當前三維GIS還存在技術上的限制，如在三維數據獲取、大數據量處理與存儲、三維可視化、三維空間分析方面還不能以較好地性價比滿足大規模商業應用的需要。如果完全采用三維GIS，勢必將花費高昂的系統建設費用，在二維GIS能夠滿足需要的情況下，用戶沒有必要去一味追求高性能。

從前面關于三維GIS的特點、功能，結合在電力系統實施中面臨的機遇與困難，筆者認為當前三維GIS研發應以開發二維為主、三維為輔的混合型GIS為主要目標，不宜開發單純的三維GIS。

2 基于二維GIS與視景仿真技術的應用體系結構

2.1 電網GIS中3D-GIS的體系結構設計

針對三維GIS的技術特點和線路管理的基本需求，在參考了其它一些商業GIS軟件和電網管理應用系統的基礎上，提出了該系統的三層體系結構，如圖1所示。

由于目前還沒有比較成熟的三維空間數據庫解決方案，在三維GIS系統中的三維模型數據（如數字地表模型、地表特征物模型及電力設備模型等）和其在三維場景中的方位信息及相關屬性信息往往以不同的方式存儲，前者一般是文件格式，無法共享，而后者可以放在通用的關系數據庫中。考慮到模型在場景中的變化主要是位置變化，為每一類設備或地物建立相應的三維模型原形，形成模型原形庫；然后在系統運行時為場景中要顯示的每個設備或其它要參與交互操作的模型個體建立一個實例，該實例從關系數據庫中得到相應的方位信息（如桿塔底部中心的大地坐標）和設備屬性信息，并同時記錄著一個或多個指向三維模型原形庫中的模型索引。采用這種體系結構，不但可以很好地保證交互式操作的要求，而且大大節約了存儲空間（多個實例可公用一個模型原形），使系統的數據在一定程度上可以共享。

2.2 二維、三維結合的GIS系統實現的功能及其特點

二維、三維結合的GIS系統使用戶可以在三維的空間中認識和管理線路，它不但包含了二維GIS的AM/FM等基本功能，也使得一些依賴于高程信息的查詢和管理功能成為可能，可實現如下主要功能：

（1）將目標范圍內的地表特征和輸電網用三維模型形象化，并提供斷面圖、桿塔定位圖和三維立體模型圖；在三維場景中可進行漫游、縮放、旋轉及飛行等操作。（2）結合對應的二維GIS系統，可在三維和二維系統中實現數據互動，即通過二維圖上的精確定位來實現桿塔、變壓器等設備的管理和維護。（3）通過飛行或漫游，查詢線路經過的跨越物，并對跨越物進行統計和管理。（4）通過模擬淹沒，可查詢洪水災害對電力設備的影響。（5）能選出最佳搶修路線，以便盡快恢復供電。（6）建立三維的污區分布圖，準確確定自然污穢對架空線和變電站電瓷外絕緣強度的影響程度。（7）通過飛行或漫游，可制定直升機巡線的飛行路線及重點巡視點。

3 系統功能實現

對于三維模型可視化及用戶交互界面開發，筆者選擇Java語言，該語言具有良好的跨平臺特性，而且幾乎不用做更多的工作就可以移植到目前主流的基于WEB的應用。這些特性將使基于Java開發的三維GIS具備了廣泛使用的基礎；同時Java自身也提供了支持三維圖形開發的應用編程接口Java3D，在三維可視化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技術，便于三維GIS應用開發。存儲二維空間數據和三維對象屬性數據采用支持空間數據管理功能的Oracle大型關系型數據庫。

三維模型顯示和三維場景中的漫游、縮放、旋轉及飛行等功能程序設計流程如圖2所示。

由于二維GIS直接采用CAD的平面數據，容易獲得平面上某一點的GIS坐標，通過該點的GIS坐標找到三維視景的視點位置，就可以建立相應的三維視景。在該實例中當用戶需要查詢某區域三維虛擬場景時，可點擊“GIS管理”中的“三維視景仿真”，在界面中就會出現該區域的視景仿真界面，在三維場景中可進行漫游、縮放、旋轉及飛行等操作。

4 結語

該文初步討論了二維GIS和三維視景仿真技術的結合及其在電網管理中的應用，兩者的有機結合使系統具有二維電子地圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、真實性的優點；同時又克服了二維電子地圖的三維信息缺乏和三維虛擬場景漫游的方向迷失感，真正做到了兩者的優勢互補。隨著計算機圖形技術的飛速發展和硬件水平的不斷提高，三維GIS將是整個電力行業GIS的發展方向。現實生活是一個充滿三維物體的世界，只有基于三維的GIS系統才能讓人們更加直觀、形象地認識和理解地理和設備信息，從而提高管理水平和工作效率。

參考文獻

三維仿真范文第4篇

關鍵詞：隧道施工位移場應力場三維仿真

Abstract: with the widespread construction of subway tunnel, geological conditions, more and more complex, the tunnel, subway construction accurate 3D simulation and analysis is very important. This paper describes the use of large-scale finite element software ANSYS software for tunnel construction simulation analysis of excavation and support, realizes the simulation, analysis of the tunnel construction process of rock stress field and displacement field change.

Key words: Construction of tunnel displacement field stress field simulation

中圖分類號：U455文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

1.隧道結構的數值計算方法

隧道結構的動靜力學計算是一項比較困難的課題。地層巖土介質和隧道結構相互作用過程相當復雜。只有那些具有規則幾何形狀和理想的材料特性，且載荷形式與邊界條件是簡單的線彈性體系，才能得到較為精確的解答。但是，對于非線性巖土體內的連續或不連續介質和任何幾何外形的隧道結構，其力學計算必須借助于近似的數值方法。

用于隧道開挖、支護過程的數值分析方法有：有限元法、邊界元法、有限元-邊界元耦合法。

有限元法的優點在于可以考慮巖土介質的非均勻性、各項異性、非連續性和材料與幾何非線性等，且能適用于各種實際的邊界條件；缺點在于需要將整個結構系統離散化，進行相應的差值計算，以至于數據量大，精度相對低。

邊界元的優越性在于只在所關心問題的邊界上，對于隧洞計算問題，只需對分析對象的邊界做離散處理，而的無限區域則視為無邊界。缺點在于要求分析區域的幾何、物理延續性。

有限元-邊界元耦合法使上述兩種方法互為補充，取長補短，實踐證明可以得到較好的計算結果，對于隧道結構主要關心的區域是隧洞附近，可用有限元法：對于外部區域可按均質、線彈性模擬即可，這樣對襯砌結構的計算可以得到很好的計算性。

2. 隧道施工過程模擬的ANSYS實現原理

2.1初始地應力的考慮

在ANSYS中有兩種方法可以用來模擬初始地應力：

（1）只考慮巖體的自重應力，忽略其結構應力，在分析的第一步，首先計算巖體的自重應力場。這種方法的不足之處在于計算出的應力場與實際應力場有偏差，而且巖體在自重作用下還產生了初始位移，在繼續分析后續施工時，得到的位移結果是累加的初始位移的結果，而現實中初始位移早就結束，對隧洞的開挖沒有影響，因此在后面的每個施工階段分析位移場，需要減去初始位移場。

（2）在進行結構分析時，ANSYS中可以使用輸入文件把初始應力指定為一種載荷，因此當具有實測的初始地應力資料時，可將初始地應力寫成初應力載荷文件，然后讀入做為載荷文件，就可以直接進行第一步的開挖計算，所得應力場和位移場就是開挖后的實際應力場和位移場，無需進行加減。

2.2開挖與支護的實現

在ANSYS中可以采用單元生死技術來實現材料的消除與添加，對于隧道的開挖與支護，采用此項技術即可有效的實現開挖與支護過程模擬。殺死單元時，ANSYS程序將對死去的單元的剛度矩陣乘以一個非常小的數，并從總質量矩陣消去單元的質量來體現“單元的死”，同時無活性的載荷（壓力、熱應變等）被設置為零。

隧道開挖時，可直接選擇將被挖掉的單元，然后將其殺死以實現開挖的模擬。增加支護時，可首先將相應支護部分在開挖時被殺死的單元激活，單元被激活時具有零應變狀態。

此外，單元的生死狀態可以根據ANSYS來計算結果（如應力，應變）來決定，在模擬過程，可以將超過許用應力或許用應變得單元殺死，來模擬圍巖或結構的破壞。

2.3 連續施工的實現

ANSYS程序中的荷載功能可以實現不同工況間的連續計算，可以有效地模擬隧道的連續施工過程。首先建立整個有限元模型，包括將來要被殺死（挖去）和激活（支護）的部分，模擬過程無需重新劃分網格。在前一個施工完成后，可直接進行下一道工序的施工，即殺死新單元、激活老單元，再求解，重復步驟直至施工結束。

3. 隧道施工過程模擬實例

3.1 仿真計算模型及參數

圖2-1所示的是某隧道圍巖計算模型的斷面示意圖，考慮圣維南原理，取周圍巖土的尺寸為隧道尺寸的5~6倍。由于隧道工程結構屬于細長結構物，即隧道的橫斷面現對于縱向長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，只有橫向發生位移。

圖3.1-1 斷面圖

材料性能：圍巖巖體彈性模量E=2.5e8，泊松比v=0.32，密度p=2200；錨桿加固巖體彈性模量E=3e8，泊松比v=0.3，密度p=2300，厚度h=2；襯砌單元彈性模量E=2.8e10，泊松比v=0.2，密度p=2600，厚度h=0.4。單位：m 、N 、s 、kg 、Pa

Ansys仿真分析中單元選取：SOLID45單元用于模擬圍巖巖體結構和錨桿加固巖體結構，SHELL63單元用于模擬襯砌結構。三維模型如右圖2：

仿真分析成果

仿真過程計算步驟如下：

第一步，初應力場和初位移場計算；第二步，開挖后支護前應力場和位移場計算；第三步，支護后應力場和位移場計算。

應力場變化情況

由等效應力圖3、圖4、圖5知隧道開挖前應力為0.35MPa左右；開挖后支護前洞身周圍的應力為0.69MPa左右，增幅為97%；支護后洞身周圍的應力為0.47MPa左右，減幅為22%；

位移場變化情況

由等效位移圖6、圖7、圖8知隧道開挖前地表位移為43.4mm左右；開挖后支護前洞身周圍的地表位移為47.1mm左右，增幅為8.5%；支護后洞身周圍的地表位移為48.1mm左右，增幅為2.1%；

4. 結束語

隧道開挖是一個三維力學問題,本文分析了隧道施工中巖體應力場和位移場變化情況,利用通用有限元程序ANSYS軟件，綜合考慮了土體分層、土體與支護體系作用以及巖體自身的非線,并結合劉陽河隧道工程實際,對施工過程進行了動態仿真模擬。通過計算得到了施工過程中周圍土體的位移場、應力場及地表土體的變形規律,并與實測數據進行比較,計算值和實測值吻合良好,表明本文提出的三維有限元模擬隧道施工的方法是可行的。

通過上述數據知隧道開挖后對巖體的擾動大，巖體應力釋放后仍有很大的殘余應力，洞體周圍的應力比開挖前增加了97%，支護后隧道周圍土體的應力比開挖后減少22%，支護后巖移明顯減小并趨于穩定。因此在施工過程中應遵循“短進尺、弱爆破、勤支護、早封閉”的施工原則。

參考文獻：

[1] 王元漢，李麗娟，李銀平.有限元法基礎與程序設計.廣州：華南理工大學出版社,2001.

[2] 王敏強, 陳勝宏.盾構推進隧道結構三維非線性有限元仿真. 巖石力學與工程學報, 2002.

[3] Ito T, Hisatake K. 隧道掘進引起的三維地面沉降分析[J]. 隧道譯叢, 1985.

三維仿真范文第5篇

關鍵詞：變電站 三維仿真系統 仿真場景

中圖分類號： TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

在電力系統的輸送配電過程中，變電所是其重要環節，適用于調整電壓的場所。其運行操作隨著變電站系統不斷發展，其自動化進程也趨于復雜，也使得對工作人員業務熟練程度及技術水平的要求越來越高。在系統實際運行中，因變電站系統具有特殊性，難以對工作人員開展培訓工作。現如今仿真培訓系統主要有兩種：軟件仿真與物理仿真模式。軟件仿真主要是對現場錄像、實體圖片、平面接線圖與數據圖表等進行仿真，其過程沉浸感較為缺乏。物理仿真主要是依靠于專業設備，但其又具備可移植性較差、系統龐雜與實施時成本略高的缺點。目前，在變電站的仿真培訓系統中最為常用的就是三維虛擬變電站的仿真系統，因其具有靈活多變的培訓方式，且造價較為低廉，在運行上也較為便捷，在三維虛擬的變電站仿真系統中培訓，其培訓過程存在較強沉浸感與真實感。此外，虛擬現實仿真技術的實現不僅需對電氣設備幾何模型進行建模，建模中還需加入對變電站周圍環境的仿真模擬。

1國內外對三維變電站仿真系統的研究現狀

在電力系統中，電廠仿真培訓首先對仿真培訓系統進行了運用，變電站的仿真培訓也因電網調度的仿真培訓而逐漸展開。計算機技術的應用與發展，促使變電站的仿真培訓系統也逐漸發展起來，其發展進程由于變電站中自動化水平的提高而起到了推動作用。

20世紀60年代～70年代左右，電力系統仿真培訓系統興起并在火電廠中被應用，之后隨著發展其范圍擴增至變電站及電網的培訓中。早期的火電培訓仿真機投入使用于日本及英國與美國，最具代表性的為日本的關西電力公司“變配電的技術培訓中心”的建立。我國首套火電仿機組的研發建立時間為1982年，變電站及電網仿真培訓系統直至80年代末期才開始建立。我國首套DTS為東北電網仿真系統，研制時間為1990年。早期應用的變電站的仿真系統由于其運行操作較為簡便，變電站的數量增大，但容量較小，再加上自動化的水平過低，從而導致其應用的效率不高。

2三維變電站的仿真系統研究成果

通過研究三維建模、計算機圖形與仿真場景生成這三種技術，從而使渲染和生成三維仿真場景、環境與變電站設備的建模及二維場景保存與繪制得到實現。三維場景圖漫游與渲染、場景圖由二維向三維的轉變通過OSG技術都得以實現。通過研究應用系統子模型，三維變電站的仿真場景實現優化，具體研究如下。

2.1變電站中其設備建模的實現

電壓互感器、變壓器、隔離開關及電路器等組成了變電站設備。用三維方式將變電站設備的仿真場景進行表示。通過對三維建模技術研究，變電站的設備建模是使用 ， 的模型文件是通過 的插件將其以IVE三維格式導出，在OSG的編程中可方便調用。

2.2繪制二維變電站的場景圖

變電站周圍的建筑環境與其各設備表示為二維圖元，圖元的編輯操作與其繪制使利用MFC所封裝各類的繪圖函數來進行的。讀寫操作是通過二維圖形文件的格式研究，在設計中將二維場景圖的文件格式與文件存儲設置成自定義來實現的。

2.3生成三維變電站的場景圖

通過研究現有仿真的生成技術，三維變電站其場景圖的設計是通過OSG技術來實現的，在這一過程中還對變電站的場景圖由二維向三維轉換得以實現，由此證明，生成三維變電站的場景圖是以其二維場景圖為基礎的。

2.4渲染三維變電站的仿真場景

渲染三維變電站的仿真場景實現是利用OSG技術，在此過程中還實現了場景的碰撞檢測與漫游等。通過研究粒子系統，使其仿真場景天氣模擬得以實現（如雪與霧及雨、風等），使模擬效果更為逼真。

3什么是三維仿真場景

通過對現實環境形象的三維模擬技術，在虛擬場景中，用戶可對于其中的信息進行查詢與預覽，還可對虛擬物體進行場景交互的操縱，使用戶在使用過程中仿佛身臨其境，無需處于真實環境中即可有相同效果的感受。三維的仿真場景涉及多門學科，如人工智能、現實虛擬及計算機的圖形學等，在人機工程的工作環境、培訓及教育等仿真領域中被廣泛應用，除此之外，該技術還應用于規劃領域、動畫的制作領域、建筑領域、產品的展示領域及園林領域等。

4三維仿真場景結構

仿真場景應用于虛擬現實中，一般為是用來描述場景圖。三維場景的元素存儲就是場景圖，在場景中對所有物體與物體相互間的關系有保存作用。本身場景圖就屬于一種層次結構，其空間的數據集所使用的是自上而下樹狀結構圖，以此為組織形式來達到渲染效率得到提升的目的。

諸多類型不同的節點構成了場景圖，物體是由節點表示的。根節點是全部三維的仿真場景圖，場景圖位于樹形結構頂端；場景圖最底端為葉節點，物體在場景中實際的幾何信息包含其中，葉節點場景效、光源、實體及地形等基本單元構成；組節點位于根節點下一層，包括的控制信息為物體的外觀渲染狀態及其幾何信息，每個組節點與根節點都對子成員擁有零個或者多個（注：組節點為零個子成員，則不對其進行任何的操作），組節點中場景幾何體的排列是通過OSG的程序進行的。在此種層次的結構中各節點可準確將其環境中的父子關系與其位置進行描述，在場景圖生成前，各圖層數據都要分別建模。如圖1所示，各節點間與場景圖層次結構位置關系。

圖1 各節點間與場景圖層次結構位置關系

場景圖中所包括的節點其功能是不同的，比如說，開關節點 對其子節點的設置作用是可用或不可用，LOD細節的層次節點，其不同子節點的距離調用是依據觀察者對其作出的觀察決定的， 變換節點可對其幾何體坐標根據子節點的改變來對其狀態進行更換。所有的節點類都有相同的基類，又各具不同的功能方法，場景圖的繼承機制，可為節點提供多樣性。

5三維仿真技術

通過對計算機技術的使用，生成一個具備觸覺、聽覺及視覺等包含多種感知、虛擬且逼真的環境，用戶可通過虛擬環境中虛擬對象與外設裝置的相互作用來體會，此種技術就是三維仿真技術。其技術包括粒子的系統模擬、碰撞檢測及包圍盒技術。

5.1粒子系統

粒子系統在三維的計算機圖形學中，是對某些特定模糊的現象進行模擬的技術。在此系統中，粒子模擬過程通過OSG實現了較為復雜的過程，比如雨天特效、雪天特效及霧天特效等。粒子行為在粒子系統中的控制是通過對其空間的扭曲實現的，對粒子流施加仿真特效的影響，如風力、阻力及重力等，可對天氣現象在三維場景中被有效的模擬出來，從而使視覺效果更為逼真。

5.2碰撞檢測

碰撞檢測隨著分布交互及虛擬現實等技術發展，已成為該領域中的熱點研究對象。在虛擬的環境中，培訓者沉浸感隨碰撞檢測精度越高而越強，促進虛擬環境中真實性的提高。虛擬場景仿真場景渲染率與實時性受實時碰撞的影響很大，所以，在該領域中，碰撞的檢測技術也是難點之一。需要碰撞檢測解決的核心問題就是虛擬場景中漫游實時性的保證、算法效率的提高及相交測試中對象數目的減少，碰撞檢測基本任務就是確定物體之間（多個或兩個）是否有穿透或者接觸。碰撞檢測的算法有空間分解法與層次包圍盒法。這兩種算法加速碰撞檢測都是通過相交測試的幾何數目減少為基本思想的。

5.3包圍盒技術

包圍盒技術在計算機幾何領域與計算機圖形學中，在虛擬場景將幾何體（簡單且規則）對象進行包圍，簡化其計算方法，以此促進幾何運算效率的提高。

5.3.1碰撞檢測

判斷兩個包圍盒或者物體包圍盒和檢測線是否有相交，無相交，物體間則無碰撞發生；相交，則有碰撞發生。

物體在場景中的構建是以實體為依據的，一般幾何體為不規則，但物體包圍盒的幾何體一般都是規則的，因此碰撞檢測不對物體本身直接使用，碰撞檢測的檢測效率提高是通過物體包圍盒直接碰撞進行的。

5.3.2光線渲染與跟蹤

包線盒用于光線跟蹤時，其功能為相交檢測，用于渲染算法，則是檢測視體。如包線盒與視體或者光線無相交，則盒內物體不相交。物體列表可通過相交檢測來獲得，如果場景中物體在列表中顯示，就說明被柵格化或者渲染。

6結語

三維變電站的仿真場景生成系統，可使其開發周期有效縮短，避免重復性的開發工作，利于開發成本的降低。此外，該仿真場景的實現，不僅提供了高效且安全的培訓平臺，也促使變電站工作人員對其各部分有了更為深刻的了解，從而使其業務能力與操作技能得到提高。

參考文獻

[1]趙曉冬，孫大偉，王斌，等.330kV變電站仿真系統的設計和實現研究[J].電源技術應用，2013（1）.