虛擬流域技術(shù)及其在數(shù)字湖泊工程中的應(yīng)用.pdf

1、隨著對水利工程建設(shè)和流域水資源管理要求的不斷提高，水資源管理決策支持系統(tǒng)正朝著智能化、可視化的方向發(fā)展，水資源管理決策支持理論是集系統(tǒng)工程學、水動力學、虛擬現(xiàn)實和空間信息科學等多學科的交叉研究領(lǐng)域，通過對工程數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)模型和高維信息的虛擬可視化進行有效集成，可以直觀的展示實時計算結(jié)果、充分揭示不同條件下水動力學響應(yīng)機制，為流域水資源和水利工程管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐和智能決策。在基于虛擬流域的水資源決策支持系統(tǒng)中，流體仿真具有非常重要的地

2、位。逼真的流體不但可以增加仿真的真實感，而且可以耦合后臺計算模型的基礎(chǔ)上，充分表征如淹沒范圍、水位、水深、流速等動態(tài)水流流態(tài)及其響應(yīng)機制。然而，基于物理的流體計算具有高維度、非線性等特點，在實施大面積流域仿真的過程中，其計算復雜度呈幾何級數(shù)增長，如何構(gòu)建虛擬流域仿真中高效求解計算框架，充分挖掘計算資源、實現(xiàn)軟硬件混合并行加速計算，已成為流域仿真和水資源管理決策支持系統(tǒng)中亟需解決的科學問題和技術(shù)瓶頸。另一方面，由于流域水資源是一類受多種因

3、素影響的復雜系統(tǒng)，且流域水資源管理決策過程涉及社會、經(jīng)濟、水文、水動、水工和生態(tài)等多個領(lǐng)域，具有海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，擁有氣象、水文、洪水、評價等多種專業(yè)模型，當前大多系統(tǒng)雖然已經(jīng)對各個專業(yè)模型構(gòu)建了基本的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，但是由于當前水資源管理決策多系統(tǒng)集成理論的滯后，各個系統(tǒng)之間存在信息孤島，數(shù)據(jù)冗余且難以交互，各個業(yè)務(wù)之間無法進行協(xié)同計算，從而導致水資源管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)無法高效準確的應(yīng)用于工程實踐當中，因此，探究水資源管理系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)柔性集成方法

4、，構(gòu)建具有高度可擴展性的綜合異構(gòu)數(shù)字仿真平臺，充分實現(xiàn)水資源合理優(yōu)化高效配置、提供決策支持服務(wù)，是當前水利工程建設(shè)和管理過程中迫切需要解決的問題，具有非常重要的科學意義和工程實用價值。
　　本文圍繞軟硬件混合并行虛擬流域仿真的高效求解及在水利工程中的應(yīng)用問題，以國家“973”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃課題和水利部公益性行業(yè)科研專項等研究任務(wù)為依托，在充分研究了流體仿真的基本原理、基于軟硬件混合并行加速的原理和實現(xiàn)框架基礎(chǔ)上、提出了虛擬流

5、域仿真數(shù)字平臺的構(gòu)建理論和方法，建立了基于流體仿真的虛擬流域綜合數(shù)字平臺體系，實現(xiàn)了大型湖泊海洋的多維信息可視化，并將相關(guān)研究成果應(yīng)用到實際水利工程項目之中，為我國水利工程運行管理人員提供了有效的理論與技術(shù)支持。本文的主要研究工作和創(chuàng)新點包括：
　　（1）針對基于物理的流體仿真求解耗時的難題，重點探討了光滑粒子動力學方法（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）流體仿真問題，提出了一種改進的最近鄰

6、居粒子搜索算法，實現(xiàn)了時間和空間相關(guān)的最近鄰居粒子搜索，顯著提高了搜索的效率。采用CUDA（Compute Unified Device Architecture）架構(gòu)實現(xiàn)了SPH改進算法的硬件并行加速，顯著提高了仿真的速度，滿足實時應(yīng)用的需要。
　　（2）基于物理的流體仿真主要應(yīng)用在小規(guī)模、小尺度范圍地形上，為了實現(xiàn)大范圍地形上、大尺度流域仿真，提出了基于CUDA架構(gòu)的Bézier曲線和流線法向貼圖的河流仿真方法。該方法使用四邊

7、形對河流流域進行劃分，采用Bézier曲線描述河流的走向，把河流區(qū)域的像素投射在曲線上執(zhí)行渲染。在保證逼真渲染效果的同時，顯著提高了系統(tǒng)的運行速度，能滿足復雜河網(wǎng)情況下的河流實時仿真。
　　（3）基于頻譜統(tǒng)計海洋模型，在考慮風速、風向等風場數(shù)據(jù)對波浪形態(tài)的影響下，首次實現(xiàn)了基于 CUDA和 Phillips海浪譜的大面積流域仿真方法，實現(xiàn)了對湖泊和海洋的精細化模擬。同時，針對一般仿真系統(tǒng)集成度不高，開發(fā)時間過長等問題，提出了綜合C

8、++/CLI技術(shù)、OpenSceneGraph(OSG)和頻譜模型的COSG三維數(shù)字湖泊仿真快速開發(fā)方法，并將其應(yīng)用到了實際工程應(yīng)用中。同時深入分析湖泊和海洋水面波長的不同特征，針對當前基于CUDA的湖泊仿真中未考慮波長影響的不足，提出了一種綜合投影網(wǎng)格和改進Perlin噪聲方法的改進數(shù)字湖泊仿真方法，解決了基于CUDA的高效湖泊仿真計算問題。
　　（4）在上節(jié)提出的COSG三維數(shù)字湖泊的快速開發(fā)方法基礎(chǔ)上，結(jié)合水動力學分布式湖流

9、計算模型和水質(zhì)模型，實現(xiàn)了風生流場的三維仿真和水質(zhì)污染擴散的動態(tài)展示。為解決虛擬流域仿真和水資源管理決策支持系統(tǒng)的中多業(yè)務(wù)協(xié)同和信息交互的實際問題，提出了基于COSG和松耦合模型驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字流域平臺框架構(gòu)建理論與方法，構(gòu)建了大東湖虛擬城市湖泊數(shù)字化平臺，并應(yīng)用于大東湖水網(wǎng)調(diào)度實際工程中。
　?。?）針對大范圍地形上基于物理流體的流域仿真建模中實時仿真面臨的計算資源瓶頸，提出了基于水動力學模型和 GIS組動畫技術(shù)的三維洪水演進可視