第２０卷第１６期 Ｖｂ１．２０Ｎｏ．１６ ２００８年８月 系统仿真学报 Ａｕｇ．，２００８ 趋势。随着空间技术与虚拟现实的发展并引入到水利行业 中，仅达到上述目标已经无法满足需求，主要表现在： １）脱离了地形地貌环境，表达结果不够形象直观； ２）缺乏空间定位信息，难于实现多尺度空间上定性、 定量分析。 为此，在真实地理景观中对污染扩散模拟过程进行推 演，并在此基础上实现查询分析功能，为建立突发性污染事 件应急管理系统，实现突发性水污染事件发生的快速准确定 位与复杂环境条件下发生的突发性水污染事件的预警预报 奠定基础。 记录有效数据区，且每一浓度值用无符号短整型记录，将浓 度值扩大１００倍后就只需两个字节的存储空间，使用时再除 以１００恢复原值，这就相当于精确到小数点后两位，足以保 证数据的精度。经过试验，一组数据按５０个时段计为８７５５ｋ． 由此数据量降至原存储结构的１／２７，一方面减少数据量，另 方面最大限度地减少有用信息的丢失，极大地提高了系统 处理速度。 ２．２仿真模型与三维可视化一体化集成 通常情况下，仿真模型计算与计算结果可视化是相对独 立的，外在表现为两个不同的子程序。造成这种后果来自于 两方面的原因：１）时间不同步：模型仿真计算过程复杂漫 １．２水污染扩散模拟三维可视化方法 水污染三维可视化包含两方面的内容：河道地形地貌三 长，动辄几个小时甚至几天，而可视化能实时渲染图像，高 达６０帧／秒，导致可视化需要等待仿真计算结果；２）程序 不兼容：仿真计算程序一般借助于Ｆｏｒｔｒａｎ强大的科学计算 库多半采用Ｆｏｒｔｒｎ语言编写，但为了计算结果的直观形象，ａ 又使用ＶＣ、ＶＢ等集成开发环境进行图像编程，不同平台 开发的程序很难实现代码一级的集成。为此需要将水污染迁 移转化模拟计算的核心算法封装到三维可视化系统中，达到 计算与可视化同步进行，动态实时显示整个仿真模型内部的 数据变化，这不仅需要改善仿真模型算法的性能，而且也应 优化数据结构，改善数据同步机制，提高二者通讯效率，实 现两者一体化集成。例如在可视化系统中，采用Ｗｉｎｄｏｗｓ 多线程技术启动多个模型计算实例并行运算，通过Ｗｉｎｄｏｗｓ 管道（ｐｉｐｅ）技术，将污染扩散模拟计算的整个迭代过程输 出重定向（ｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）到可视化系统中，使得用户能把握 整个计算过程，在计算中，采用磁盘文件或者内存映射文件 实现高效数据交换。 维仿真与污染扩散可视化，二者通过地理坐标进行空间叠加 形成河道污染扩散可视化展示平台，在此基础上进行各种统 计分析功能。系统总统结构如图２所示。 图２水污染模拟三维可视化系统总体结构 ２．３仿真可视化 仿真可视化是采用图形或图像方式对仿真计算过程的 跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视 化，具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化 技术以后，系统的子模块用形象的图形来表示，并可通过鼠 标在屏幕上直观形象的操作，就可以完成整个仿真任务。可 ２关键技术 ２．１数据组织与数据压缩技术 当前污染扩散模型计算的结果数据包含四个维度： Ｃ，（ ｙ）表示平面坐标， 为时刻，Ｃ为水中污染物 的浓度，由于其包含时间维，不免要占用较大的存储空间， 因而需要设计一种高效合理的数据结构、文件结构与数据压 视化映射是仿真计算结果的核心，其含义是把计算机数值模 拟的数据转换为可供绘制的几何图素和属性，它决定在最后 的图像中应该看到什么，又如何将其表现出来。 在设计可视化方案时，水质按被污染程度划分为５个等 级，分别为一类水，二类水、三类水、四类水、五类水，一 类水水质高锰酸盐指数（Ｃ０Ｄ）浓度 ２．５；二类水２．５－４．０；三 类水４．０～６．０；四类水６． １０．０；五类水１０． １５．０；最好的一类 缩方法，从而减少数据重复存储，提高数据存放效率，便于 整个污染扩散模型计算结果的可视化。以笔者的实验系统为 例，作者将污染扩散结果数据拆分为三个文件：坐标文件， 记录每个观测点坐标值；参数文件：记录污染事件的参数如 坐标对数、时间段数、时间步长等；污染浓度文件：记录每 个坐标在不同时刻污染物的浓度值。污染浓度文件是三个 水质对应下图色带中蓝色部分，愈往右走，表示被污染的程 度愈高，右端红色表示污染程度最严重，为五类水。将一组 水污染浓度值转化为ＲＧＢ真彩色图像，多组浓度值映射成 文件中数据量最大的一个，如果按照网格化的结构存储，以 双精度存放，无数据区用０表示，根据试验，一个时段的数 据为４７１８Ｋ，推出一组污染数据（按５０个时段记），文件大 个图像序列，运用定时器机制，将这些真彩色图像按照序 小４７１８＂５０／１０２４ ２３０．３７Ｍ。对该文件结构进行优化后，只 列播放形成动画，即可模拟整个水污染扩散演进的过程。 ·４４５２· 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２０卷第１６期 Ｖｂ１．２ＯＮＯ．１６ ２００８年８月 叶松，等：水污染扩散模拟三维可视化研究 Ａｕｇ．，２００８ 质保护和管理问题已成为关注焦点。三峡水库蓄水后，库区 ０类水２．５ 二类水４．０ 三类水 ６．０ 四类水１０·０五类水１５＿Ｏ 的水资源保护与供水安全形势也变得更加严峻，保护好三峡 库区的水质与生态环境，及时应对和妥善处理库区可能出现 的各种突发性水污染事故，是水库蓄水后流域管理的重要任 务之一。 图３可视化映射色带 ２．４查询统计 突发性水污染事故的发展瞬息万变，为了在发生突发性 水污染事故时能及时、有效地开展应急救援工作、控制污染 源，必须及时有效地控制事态发展，遏制事故快速蔓延。利 用空间信息三维可视化技术，为制定详细、科学、可行的应 急预案，建立突发性水污染事故预警应急系统提供强有力的 三峡水库突发性水污染事件应急响应系统是利用现代 网络通信、计算机、信息管理技术，借助ＧＩＳ、ＲＳ、ＧＰＳ 等手段，应对可能发生的各类突发性水污染事件，建立模拟 突发性水污染事件应急响应示范系统。水污染扩散仿真演示 系统是三峡水库突发性水污染事件应急响应系统的一个重 要组成部分，其主要模块及功能如下。 表１系统主要功能 模块名称 功能描述 决策支持。在三维可视化系统中同时提供定性与定量分析功 能，不仅能表现污染团的形状与移动方式，而且提供多种查 询统计功能，包括：定点污染统计，水污染浓度等级统计、 定点污染浓度查询。 定点污染统计：即水面上某一确定点在污染事件发生后 其水质浓度的变化。这里可直接对污染扩散模拟的数据文件 进行分析。计算时，把空间坐标映射为网格坐标，并查询污 河道三维可视化 将三角化后的ＤＥＭ与ＤＯＭ套合，对河道及沿 岸地形地貌进行三维建模，模拟河道真实景观 三维场景交互 通过鼠标、键盘控制视点的运动，实现三维场 景高度交互式浏览。 染浓度数据，得到第一时刻的水浓度值；再次，将文件指针 向后偏移一个常量值，即该数据包含的空间坐标对个数，得 到第二时刻水污染浓度值，依此类推，得到最后一个时刻的 值；最后，对提取的浓度值序列绘制浓度变化曲线，从而可 以直观地看到水质变化过程。 水污染浓度统计：即统计在某一确定时刻不同等级的水 水污染扩散模拟 模拟污染事件发生后，污染物的迁移转化过程， 对推进过程以直观的形式进行表达 查询统计 对污染发生后对水质浓度查询统计 将污染统计结果以图像、文字、表格等形式输出 结果输出 水污染扩散仿真演示系统以ＶＣ＋＋６．０为开发工具，采 用ＭｕｌｔｉＧｅｎ ＶＥＧＡ为平台，实现长江三峡库区典型江段 的数量。实现时，首先由当前所处的时刻确定文件指针的位 置，计算方法为：污染浓度数据文件偏移（从文件头开始） （万州段）突发性水污染事件模拟三维动态可视化。假设万 州江段某处有溢油事故发生，其溢油量为１０立方米，在水 质数学模型支持下模拟油膜的扩散、分散过程，在溢油事件 ＝ｎＰｔ Ｋ，其中＂尸ｆ为坐标点对数， 为所处时段。提取第 Ｋ时段的污染数据，对于给定区域，将不同程度污染的水面 表面积累加，计算得到水污染浓度等级统计结果。 点污染浓度查询：即查询特定时刻确定点的水污染浓 发生后４个小时后计算结果在仿真演示子系统中显示如图 ４。从图中看出，溢油油膜成团块状，并向下游拉成一长长 的“尾巴”，这与石油类污染物不溶于水的特性相关，是符合 实际情况的。 度。首先，计算该点在网格坐标系中的坐标，即行列号；其 次，按照前面的方法计算所处时刻的数据偏移量；最后提取 浓度值，显示查询结果。 ２．５地形调度 地形调度的基本思路是对当前视点可见的数据才被调 入内存，不可见数据剔除出内存。在ＭｕｌｔｉＧｅｎ ＶＥＧＡ中， 大地形调度算法实现如下： １）对视点添加位置改变回调函数，该回调函数每当视 点位置发生变化时被调用： ／，添加视点位置改变的回调函数 ＯｎＯｂｓｅｒｖｅｒＰｏｓＣｈａｎｇ ｖｇＡｄｄＦｕｎｃ（ｍ＿Ｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＶＧＣＯＭＭＯＮＰＯＳ，ｅｄ．ｔｈｉｓ）； 图４溢油事故发生４个小时后模拟 ２）在回调函数ＯｎＯｂｓｅｒｖｅｒＰｏｓＣｈａｎｇｅｄ中，对每一块地 形进行测试，如果地块离视点的距离小于给定闽值，则加载 之，反之卸载之。 图５是同时有７个污染源的非持久性污染物扩散模拟计 算结果，在污染事件发生后高锰酸盐指数（ＣＯＤ）浓度场分 布情况。通过与历史实测资料对比，其浓度变化趋势较为合 ３应用实例 三峡工程是长江流域上最大的水利工程，三峡水库的水 理，浓度场模型模拟的污染带形状、范围、变化规律以及等 浓度线的分布情况与实际情况基本吻合。 （下转第４４５７页） ·４４５３· 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２Ｏ卷第１６期 、，０１．２ＯＮｏ．１６ ２００８年８月 马华伟，等：可选时间窗车辆调度问题的改进禁忌搜索算法 Ａｕｇ．，２００８ 始解，从而大大提高了禁忌搜索的全局寻优能力；由表１的 Ｓ Ｃ Ｈｏ，Ｄ Ｈａｕｇｌａｎｄ．Ａ Ｔａｂｕ Ｓｅａｒｃｈ ｈｅｕｒｉｓｉｔｃ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｏｕｔｉｎｇ 第６列可以看出，１９组实验数据中有１５组数据的算法执行 ｐｒｏｂｌｅｍ州ｔｈ ｔｉｍｅ ｗｉｎｄｏｗｓ ａｎｄ ｓｐｌｉｔ ｄｅｌｉｖｅｒｉｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓ０３６０—０３００）．２００４．３１：１９４７—１９６４． 时间在２ｓ以内，总的平均执行时间为１．５３ｓ，由此可见本文 钟石泉，贺国光．有时间窗约束车辆调度优化的一种禁忌算法［Ｊ］． 算法可以在很短的时间内求得满意解；由表１的第７列可以 系统工程理论方法应用，２００５，１４（６）：５２２．５２６． 看出，本文算法对路径配送成本的改进率最低为５．５６％，最 Ｒ Ａ Ｒｕｓｓｅｌ１．Ｗ—Ｃ Ｃｈｉａｎｇ．Ｓｃａ￣ｅｒ ｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ 高为１４．１４％，平均改进率在９％左右，由此可见在改进的 Ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ ｗｉｎｄｏｗ［Ｊ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ（Ｓ０３７７—２２１７），２００６，１６９：６０６—６２２． ＰＦＩＨ算法基础上，本文算法仍能对解的性能作较大的提高。 Ｈ—Ｓ Ｈｗａｎｇ．Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｏｕｔｎｉｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｉｔｈ ４结论 ｔｉｍｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ＆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｓ０３６０—８３５２），２００２，４２：３６１—３６９． 本文研究了一类特殊的带时间窗车辆调度问题 宋伟刚，张宏霞，佟玲．有时间窗约束非满载车辆调度问题的遗 ｖＲＰＡＴｗ，建立了ＶＲＰＡＴＷ的数学模型，并进一步提 传算法（Ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ＶＲＰ ｏｆ ｎｏｎ—ｆｕｌｌ ｌｏａｄｓ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ 出了一种改进的禁忌搜索算法用于问题求解，最后通过实验 ｗｉｎｄｏｗｓ）［Ｊ］．系统仿真学报，２００５，１７（１ １）：２５９３—２５９７． 杨宁，田蔚风，金志华．一种求解旅行商问题的交叉禁忌搜索 结果说明此算法可以快速有效地求解１００个用户的ＶＲＰＡＴＷ （Ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ Ｔａｂｕ Ｓｅａｒｃｈ ｏｆｒ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｓａｌｅｓｍａｎ Ｐｒｏｂｌｅｍ）［Ｊ］．系统仿 问题。 真学报，２００６，１８（４）：８９７—８９９． 本文所建立的ＶＲＰＡＴＷ模型对于配送时间不随时间窗 刘志硕，申金升．基于解均匀度的车辆路径问题的自适应蚁群算 法（Ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｎｔ Ｃｏｌｏｎｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｂｌｅｍ 改变的情况有较好的应用，但对于更复杂的配送时间与时间 ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｖｅｎｎｅｓｓ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）［Ｊ］＿系统仿真学报，２００５，１ ７（５）： 窗相关的情况尚未作更深入的讨论，在现实生活中，不同的 １０７９—１０８３． 时间段车辆的运行速度往往不同，从而导致配送时间随时间 费春国，韩正之，唐厚君，等．自适应混合混沌神经网络及其在 窗可变。在进一步的研究中，可以考虑将模型拓展到配送时 ＴＳＰ中的应用（Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔ ｈｙｂｒｉｄ Ｃｈａｏｔｉｃ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ＴＳＰ）［Ｊ］．系统仿真学报，２００６，１８（１２）：３４５９—３４６２． 间可变的情况，并改进本文算法使其能有效地解决配送时间 李全亮．免疫算法在带时间窗的车辆路径问题中的应用［Ｊ］．系统 可变的ＶＲＰＡＴＷ问题。 工程理论与实践，２００６，１０：１ １９—１２４． 参考文献： Ｍ Ｍ Ｓｏｌｏｍｏｎ．Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｍｅｓ、ｖｉｔｈ ｔｍｉｅ ｗｉｎｄｏｗ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ［Ｊ］．Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ［１］ Ｃ Ｄｕｈａｍｅｌ，Ｊ－Ｙ Ｐｏｔｖｉｎ，Ｊ－Ｍ Ｒｏｕｓｓｅａｕ．Ａ Ｔａｂｕ Ｓｅａｒｃｈ Ｈｅｕｒｉｓｉｔｃ ｆｏｒ （ｓ００３０—３６４ｘ），１９８７，３５（２）：２５４—２６５． ｔｈｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｂｌｍｅ ｗｉｈｔ Ｂａｃｋｈａｕｌｓ ａｎｄ Ｔｉｍｅ Ｗｉｎｄｏｗｓ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｓ００４１—１６５５），１９９７，３ １（１）：４９—５９． 确卜一一一 …一＿卜一— ＊一●一…— ｝＿－ — 一一一书一一一女Ｉ＿＿…一 一—一—一＿．一一 壤 … 卜…－｜－－— （上接第４４５３页） 进三维效果，为检验污染模型的准确性提供了参考和依据， 也为水环境综合整治与管理走向定量化、科学化提供了一种 崭新的思路和可靠的技术支持。 参考文献： ［１】 唐泽圣，等．三维数据场可视化［Ｍ】．北京：清华大学出版社，１９９９． ［２］ 何进朝，李嘉．突发性水污染事故预警应急系统构思［Ｊ］．水利水 电技术，２００５，３６（１０）：９０—９２． ［３］ 鲍劲松，许长春，杨艳春，等．ＶＲ环境下的矢量场可视化交互感 知技术研究与应用［Ｊ］＿系统仿真学报，２００６，１８（１）：１２５—１２７．（ＢＡＯ Ｊｉｎ—ｓｏｎｇ，ＸＵ Ｃｈａｎｇ—ｃｈｕｎ，ＹＡＮＧ Ｙａｎ—ｃｈｕｎ，Ｊｉｎ Ｙｅ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ３Ｄ Ｇｒａｐｈｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌｎａｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＶＲ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＳｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００６，ｌ８（１）：１２５—１２７．） ［４】 宋洋，钟登华，段文泉．基于ＶＲ的水电站调度三维图形仿真研究 图５高锰酸盐指数（ＣＯＤ）浓度场分布 ［Ｊ】．系统仿真学报，２００７，ｌ９（３）：６４９—６５３．（ＳＯＮＧ Ｙａｎｇ，ＺＨＯＮＧ ４结论 Ｄｅｎｇ—ｈｕａ，ＤＵＡＮ Ｗｅｎ—ｑｕａｎ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ３Ｄ Ｇｒａｐｈｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＶＲ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ 本文分析了基于二维图像的水污染模型计算结果可视 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００７，ｌ９（３）：６４９—６５３．） ［５】 苏布达，姜彤，郭业友，等．基于ＧＩＳ栅格数据的洪水风险动态模 化不足——脱离地形地貌环境、缺乏空间定位信息，提出了 拟模型及其应用［Ｊ］．河海大学学报：自然科学版，２００５，３３（４）： 基于虚拟现实的水污染迁移转化三维可视化方法，以长江三 ３７０—３７４． 峡库区典型江段万州段水污染迁移转化模型为例进行了实 ［６】 钟登华，郑家祥，刘东海，等．可视化仿真技术及应用［Ｍ】．北京： 中国水利水电出版社，２００２． 例研究。结论表明，该方法形象直观地展现了水污染扩散推 ·４４５７·
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