长距离引调水工程智能辅助设计平台关键技术朱国金1，胡灵芝1，潘 飞2，屈玉竹1，闻 平1，司建强1，王 超1 摘 要：长距离引调水工程选线具有多源海量信息，建筑数量众多，可提取参数化特性强等特点，采用参数化设计方法可以调高设计的效率和质量。研究了涵盖三维GIS选线辅助平台及参数化智能设计系统两大核心模块的长距离引调水工程智能辅助设计平台关键技术，并运用于滇中引水工程，充分发挥智能信息化设计“高效、精准、丰富、直观”等优势，不仅有效提升产品设计质量及效率，高效输出工程图、工程信息，而且协调了工程不同阶段的设计问题及多专业设计问题，从而优化工程整体设计方案，促进多专业间的设计协作。 关键词：引调水工程；智能平台；三维GIS选线；参数化设计 选线设计是长距离引调水工程中的总体性工作，是集创造性、知识性与实践性于一体的多目标决策过程。该过程受地形、水文、地质、土地利用、环境保护、施工条件等众多因素约束，同时需要满足各种技术规范和相关要求。受限于传统的设计手段和选线方式，现阶段的选线方法依然是从有限个候选方案中筛选出一个基本符合各项指标的方案，从科学和定量角度来说，距离最优方案仍有一定差距。 引调水工程一般都规模庞大，区域地形地质环境条件复杂，输水线路长，涉及范围广，输水建筑物种类繁多。线路通常包含渡槽、隧洞、倒虹吸、明渠和暗涵等众多建筑物。对于同一引水工程线路而言，从属于同一种建筑物类别的建筑物实例数量繁多，采用传统的建模方式势必会出现大量毫无技术水平的重复性工作。而参数化设计技术采用参数驱动的思想，变量化、联动化建立构件模型，大大提高了模型的复用性、关联性和协同性，使得设计人员在不改变原有设计意图的情况下快速地修改模型，生成系列或相似设计成果。一个交互友好的三维参数化设计环境可以大大提高模型的生成和修改速度，在提高设计效率、减少设计错误和缩短设计周期等方面优势明显，从而显著提升工程的技术指标和设计品质。 目前国内三维路线设计在工程建设方面的运用仍处于起步，运用较多的为铁路及轨道交通工程方面[1-7]，在引调水工程等方面的运用仍处于摸索阶段。郭永鑫等[8]利用三维GIS完成引渤济锡海水输送工程的选线工作。何玲等[9]利用三维GIS系统，对南水北调工程河北省段的需求进行了分析，建立了三维地理信息系统基础数据库。余国等[10]通过层次分析法建立了引调水线路中各个选线因子对线路影响程度的分级，并建立了综合评判优选栅格模型。鲍新华等[11]采用比选法和层次分析法，从施工条件复杂性、运行管理便捷性、供水安全性和投资费用经济性等方面对农安支线供水线路进行了比选。徐学军等[12]基于模糊数学理论，采用模糊综合评价法对引江济巢各引调水线路进行了优选评价。 国内参数化设计技术多应用于机械制造及建筑领域，孟祥旭等[13]较系统明确地归纳总结了CAD领域二维图纸及三维造型等参数化设计的相关现状和问题，并对参数化理念进行了拓展。张冶等[14]提出了一种基于装配关系的三维参数化造型设计方法，并在UG平台上进行了测试。陈德人等[15]基于参数化设计的成果与现状，综述了参数化研究中常用的类型及其相应方法，并进行了分析比较。尹志伟[16]通过建筑实例，从参数化视角研究了非线性建筑设计与建造以及它们之间的整体关系。曾旭东等[17]对比建筑信息模型参数化技术与传统CAD技术，分析了参数化模型技术的特点和优势。王帅[18]提出皮带运输机三维参数化建模系统的总体设计方案，提出了辅助性图形库的思想。苏梦香等[19]以板簧为例，详细介绍了零件建模、模型装配、干涉检查和模型调整整套设计流程。陈艳等[20]用Autodesk Revit和Inventor软件对岔管进行三维参数化建模,将建立好的实体模型导入有限元软件进行受力分析,确定出合理体型。参数化设计在水利水电行业还缺乏系统性的研究和应用，设计人员只是单纯的建立模型，并未突出参数化驱动的重点。 本文以滇中引水工程为依托，研究长距离引调水工程智能辅助设计平台关键技术，充分利用现有的信息技术，达到智能选线、智慧设计、协同设计的目标，主要包括三维GIS选线辅助平台、参数化智能设计系统两大部分。 1 长距离引调水工程智能辅助设计平台总体架构如图1所示为智能辅助设计平台总体框架。长距离引调水工程智能辅助设计平台基于海量信息搜集的基础上，利用BIM与GIS技术的深度融合，实现设计前期的引调水工程智能选线，设计阶段利用参数化智能设计系统实现参数化协同设计及CAD/CAE集成，构建引调水线路BIM设计模型，并建立BIM数据库对海量设计信息进行管理。  图1 长距离引调水工程智能综合设计平台总体框架图
2 长距离引调水工程三维GIS选线辅助平台传统选线方法存在不能够直接对地理信息进行识别、分析和利用等缺点，而GIS拥有的对地理信息快速的获取方法、科学的表达模式以及强大的空间检索分析能力，为智能选线投入使用提供了技术支持。因此，利用GIS技术手段进行智能选线是实现快速化、流程化、智能化选线的必要条件，可极大地丰富目前选线设计的理论与方法，对长距离引调水工程线路的选择具有重要意义。 三维GIS选线辅助平台的建立主要涉及多源数据融合，线路评价模型以及智能选线综合集成应用三方面主要内容。 2.1 长距离引调水工程线位海量多源数据融合技术 与传统图纸选线方法相比，智能选线系统中所有的海源信息须通过卫星遥感影像解译、低空无人机航摄系统、三维激光扫描技术、数字三维全景、综合物探集成技术及三维地质建模技术获得。收集到的多源数据在三维地形、地质场景中展示并进行融合与预处理，整合到三维GIS系统中。 2.2 长距离引调水工程线位选择综合指标体系及综合评价模型 引调水工程线路一般线路长、地形地质及外部条件极为复杂，智能选线中需要考虑的因素众多，各种因素对选线的影响程度大小不同，如何衡量不同因素对引调水选线的重要性及影响量，对于合理的选择线路是至关重要的，平台拟应用相关的评价体系，对各类因子建立层次关系进行分析，综合各类因素的相关重要程度构建评价指标体系，再依据指标体系，围绕引调水线路选线评价总目标，构造引调水工程智能选线评价模型。 2.3 基于三维大场景的长距离引调水工程智能选线综合集成应用 引调水工程智能选线评价模型以可能布线范围作为研究对象，利用模型进行相应的分析成图，得到引调水线路适宜性分布成果，最终将成果线化，形成引调水线路的推荐路线。 在完成智能选线方案后，将相应的引调水建筑物模型放置于GIS场景中进行展示，再次利用三维GIS的展示功能，完成线路剖面图、相关设计图的绘制等功能，统计引调水线路建筑物特性、施工方式及相应的工程量等信息，并在三维GIS场景中进行查询、统计、分析与展示，以便于对设计产品进行评估及汇报。 图2所示为三维GIS选线平台的技术路线，在满足技术规范、输水要求等因素约束的条件下，明确引调水线路选线中需要考虑的选线原则及制约因素，从选线区域着手，由面到带，由带到线，由线到段，由段到点，逐步细化、逐步深化和逐步接近目标函数最优解的过程。首先对引调水工程中引调水线路的选择进行分析，并引入层析分析法，采用定性、定量的指标对各个制约因子及原则进行评定，对各个因子之间的相对重要程度进行量化。其次，利用GIS地理信息系统的空间数据分析功能，对指标相关的各类基础地理信息数据进行分析，提取出与选线相关的空间信息，并结合相应的量化指标，构建长距离引调水线路。  图2 三维GIS选线平台的技术路线 3 长距离引调水工程参数化智能设计系统技术参数化设计可以依据专业标准，构建专业的标准件、构件库，为模型的复用性、关联性和协同设计等提供标准化模型，使用户可以在不改变原设计意图的情况下利用已有模型或构件库中构件方便地重构模型，生成系列或相似设计成果。在提高设计效率、减少设计错误和缩短设计周期方面效果显著，从而显著提升工程的技术指标和设计品质，也为模型数据的后续管理、优化和升级提供了较大的便利。 长距离引调水工程参数化智能设计系统的建立主要涉及基于尺寸驱动的参数化构件族库构建技术和基于云技术的异地协同设计研究等两方面的内容。 3.1 基于尺寸驱动的参数化构件族库构建技术研究 根据引调水工程建筑物BIM数据规范和标准，创建各类引调水建筑物的参数化构件库。基于构件库，用户能够通过参数驱动生成新的构件三维模型实例，并添加存储在构件库中，进而能够对构件库中的构件及其对应参数表进行添加、删除、修改和检索等管理操作。构件库按照各种典型引调水建筑物的不同型式进行划分，整体模型可根据需要对构件库进行调用。 图3所示为典型输水建筑物三维参数化设计平台总体结构，共由结构设计、三维参数化设计、BIM管理及应用、干涉检查、工程图输出、数据库管理和系统管理等7大模块组成。  图3 典型输水建筑物三维参数化设计平台总体结构 3.2 基于云技术的异地协同设计研究 在既定的协同设计规则下，将不同专业间的三维模型进行装配并提供可视化的功能，可以实时查看不同专业间的设计关系，并进行碰撞检查，迅速查找干涉部位并进行调整。借助云计算技术整合CPU的能力，研究解决基于BIM的设计和分析对硬件计算能力和图形处理能力要求高的问题；借助云技术，研究解决多团队协同工作中跨地域、跨系统的协作问题，实现从传统的桌面工作模式到云工作模式的过渡。 4 工程运用实例长距离引调水工程智能辅助设计平台以滇中引水工程为依托，针对复杂条件长距离引调水工程选线影响因素复杂、协同专业多、引调水建筑数量众多、建设管理工作繁重等特点，开发了集选线和建筑物设计为一体的智能综合设计平台。以下以滇中引水工程为例，介绍长距离引调水工程智能辅助设计平台的运用。 4.1 三维GIS智能选线平台的运用 智能选线辅助平台通过对各类选线因子进行分析，利用层次分析法[21-22]及三维GIS系统构建了选线模型，解决了以往靠人工经验为主的选线方式；根据拟选路线，建立建筑物BIM模型，并将BIM模型展示在三维场景中，快速计算相关的工程量，对工程建设投资控制具有重要意义。三维GIS智能选线平台包含线路比选，工程量统计，交叉建筑物统计，线路三维展示等功能。 图4为拟选线路图，滇中引水昆明段三维GIS智能选线平台基于数字正射影像数据、数字高程模型数据、卫星影像数据、三维建筑信息模型数据及其他矢量栅格数据，结合计算机图形与图像处理技术、数据库技术、三维可视化技术与虚拟现实技术，展现选线结果路线及相应的引调水构筑物在实际环境下的真实情况，把所有工程对象都置于一个虚拟的三维世界中，实现海量模型数据在三维场景下的实时漫游。考虑选线适宜性，在众多成果方案的基础上，得到不同的拟选线路。 图5为三维线路浏览图，根据滇中引水昆明段选线结果，可以在三维场景中对拟选线路进行优化、对比在三维地形上模拟线路走向与构筑物布置，进行全景化的三维漫游与测量操作，方便选线工程师进行局部线路优化调整，从而提高了选线精度和效率。选线平台以高集成度、高可靠性和高易用性为设计原则，为用户提供智能选线工具箱。用户在进行新线路规划时，能够实时显示桩号、桩累距、路线纵断面高程、转角角度等信息，能对现有线路进行拓展延伸，并进行其他如添加、删除、修改、连接、查询等操作。  图4 滇中引水工程拟选线路  图5 滇中引水工程线路三维浏览及修改 除此之外，选线平台还能根据线路调整结果，基于选线场景中数字高程模型，计算线路的剖面，根据线路剖面及相关设计参数，计算相应的工程量信息；根据拟选线路及相关的道路、水系、铁路等分布，可计算线路与地物点的交叉位置，为交叉点的处理提供相关的依据；在选线成果完成后，可将设计模型放置于三维场景中，进行展示、开挖等，并可点击模型查询相应的信息。 4.2 参数化智能设计系统的运用 长距离引调水工程三维参数设计平台在Inventor、Civil 3D、Navisworks平台进行深度定制，开发实现参数化设计、构件信息交互式查询、干涉检查、工程图输出、协同设计等丰富的功能，完整实现引调水工程设计过程中快速创建建筑物及工程图输出的应用需求。 图6为参数化建模模块中渡槽模型展示。三维参数化设计模块的功能一方面是能够进行构件信息模型的三维参数化设计，创建基于特征的参数化构件模型，进而经过基于存储知识的自动装配和交互式装配创建子模型，实现自底而上的设计过程，同时可将建立的参数化构件模型用于构件库的扩充；另一方面可根据事先创建的子模型模版库，通过设计子模型中各构件装配关系参数和构件尺寸参数，自动生成新的子模型，并用于更新中心模型文件，实现自顶而下的设计过程。 图7为工程图输出模块示意图，该模块的功能是能够根据渡槽、倒虹吸、隧洞三维参数化模型，自动批量输出零件模型和装配模型的二维或三维工程图，同时由参数变化引起的构件移动、删除和尺寸变动能够在工程图中联动更新，从而保证了模型与图纸的一致性。  图6 参数化设计模块功能展示  图7 工程图输出示例 5 结 语综合以上两个智能设计系统的强大功能，长距离引调水工程智能辅助设计平台充分利用三维GIS系统的地理分析功能，根据指标因子分析及选线目标进行智能选线，通过建立建筑物参数驱动的BIM模型，可以实现BIM模型和GIS技术无缝融合，将传统工程实施过程中的孤立单元进行聚合，建立完善的多维参数化设计信息数据，为工程设计过程中各阶段和专业的数据管理提供了有力保障，此平台不仅适用于水利水电工程，同样适用于其他土木建筑工程，具有广阔的应用前景。 参考文献： [1] 王一波，邵伟伟，罗新宇.Google Earth数据精度分析及在铁路选线设计中的应用[J].铁道勘察，2010,36(5):71-74. [2] 缪 昆鸟.公(铁)工程三维选线的群智能算法研究[D].长沙：中南大学,2011. [3] 何 彬.基于GIS的城市轨道交通三维空间选线系统研究[D].石家庄：石家庄铁道大学,2015. [4] 李桂芳.基于三维空间场景的铁路选线技术研究[J].铁道标准设计,2012(10):19-23. [5] 朱 颖,蒲 浩,刘江涛,等.基于数字地球的铁路三维空间选线技术研究[J].铁道工程学报,2009(7):33-37. [6] 李亚丹.面向铁路三维选线的地质知识库研究与构建[D].石家庄：石家庄铁道大学,2015. [7] 罗 斌.铁路线路三维选线设计中景观建模方法的研究[D].成都：西南交通大学,2002. [8] 郭永鑫,杨开林,郭新蕾.GIS技术在引渤济锡海水输送工程选线中的应用[J].南水北调与水利科技,2009,7(1):50-52. [9] 何 玲.三维地理信息系统在数字南水北调工程中的应用研究——以中线河北省段工程为例[D].石家庄：河北师范大学,2005. [10] 余 国,谢谟文,王立伟.基于GIS的长大引水线路优选的方法研究[J].科技视界, 2014,(30):8-9. [11] 鲍新华,殷术奎,孙有泉,等.比选法与层次分析法在农安支线供水线路优选中的应用[J].世界地质,2012,31(1):210-217. [12] 徐学军,张 虎.模糊综合评价法在引江济巢工程引水线路优选中的应用[J].水资源与水工程学报,2011,22(3):138-140. [13] 孟祥旭,徐延宁.参数化设计研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2002,14(11):1086-1090. [14] 张 冶,陈志英.基于装配约束关系的零部件参数化设计[J].机械科学与技术,2003,22(5):710-712. [15] 陈德人.参数化设计模型与方法[J].浙江大学学报(工学版),1995,29(2):179-183. [16] 尹志伟.非线性建筑的参数化设计及其建造研究[D].北京：清华大学,2009. [17] 曾旭东,谭 洁.基于参数化智能技术的建筑信息模型[J].重庆大学学报:自然科学版,2006,29(6):107-110. [18] 王 帅.基于Inventor的皮带运输机参数化建模系统的研究与开发[D].重庆：重庆大学,2008. [19] 苏梦香,郑超欣,王桂梅,等.基于Autodesk Inventor的三维参数化设计方法[J].机械设计与制造,2007(6):168-169. [20] 陈 艳,吴俊杰.钢岔管三维参数化设计方法在ART工程中的应用[J].水利与建筑工程学报,2016,14(3):237-240. [21] 樊进娟,贾艾晨.基于模糊层次分析法的生态护岸形式优选研究[J].水利与建筑工程学报,2015,13(4):96-100. [22] 王莲芬,许树柏.层次分析法引论[M].北京：人民大学出版社,1990. Review of ICAD Platform for Long Distance Water Diversion ProjectZHU Guojin1, HU Lingzhi1, PAN Fei2, QU Yuzhu1, WEN Ping1,SI Jianqiang1, WANG Chao1 (1.Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming, Yunnan 650051, China; 2.Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract：With the property of multisource and massive information, constructions in long distance water diversion project always have significant analogous characteristics. Therefore, the 3D models parameterized design can be applied to such systems. The 3D GIS based route selection method and the parameterization design platform for long distance water diversion project were reviewed in this paper. The two core modules compose the intelligent computer aid design (ICAD) platform were applied to the water diversion project in central Yunnan. The platform can improve the quality of product design increase the efficiency, and promote the coordination of multidiscipline during different design phases. Keywords：water diversion project; ICAD platform; 3D GIS routing selection; parameterization design DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.037 收稿日期：2016-11-01 修稿日期： 作者简介：朱国金(1978—)，男，江苏盐城人，硕士，高级工程师，主要从事水利水电工程设计科研和技术管理以及信息化研究工作。 E-mail:278497571@qq.com 中图分类号：TV67 文献标识码：A 文章编号：1672—1144(2016)06—0190—05 |
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