（水工结构工程专业论文）高拱坝体形优化决策系统研究.pdf

摘要 摘要 随着中国西部大开发战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整，水电资源开 发力度加大，将有越来越多的大坝被修建，特别是高拱坝。高拱坝体形设计是关系到 大坝安全和经济的关键技术问题。本文对中国目前高拱坝设计程序和设计手段进行了 系统总结，重点研究了高拱坝体形优化决策系统，为高拱坝体形优化的科学决策提供 了实用的工具。具体研究工作如下： 1 本文对国内拱坝优化设计的发展和现状进行了总结，提出了高拱坝体形优化决 策系统的没计思路以及基本构架，系统采用主从式结构程序设计，并且具有较好的可 扩展性。 2 对并行计算环境进行了深入研究。利用计算机局域网络，搭建了基于m p i 的 w i n d o w s 操作系统下的小集群，作为高拱坝体形优化决策系统的计算环境。采用并行 环境下的模拟退火算法和复形法对拱坝进行体形优化设计。 3 按照参数化原则，建立了参数化的拱坝模型，利用可视化编程语言v b n e t ， 实现了高拱坝体形优化决策系统的可视化设计。利用v b 与c a d 、c a d 与3 d m a x 的连接，提供了拱坝体形的二维、三维以及动画显示，并通过对拱坝体形特征参数的 显示，给决策者提供全面的体形信息。 4 以溪洛渡双曲拱坝为例，实现了拱坝体形优化设计，取得了较为理想的体形。 在此基础上，提出了高拱坝体形多目标优化的思路。 关键词：拱坝、优化设计、并行算法、可视化 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ei m p l e m e n to ft h ed e v e l o p - t h e w e s ts t r a t e g yi nc h i n aa n dt h es t r u c t u r a l r e a d j u s t m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e r , t h ee x p l o i t a t i o no fh y d r o p o w e rr e s o u r c e si sb e i n g s p e e d e du p m o r ea n dm o r e d a m s a r eb e i n gb u i l t ，e s p e c i a l l yh i g ha r c hd a m s t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rh i 出a r c hd a ms h a p ei sak e yt e c h n o l o g yw h i c hw i l la f f e c tt h ed a m s a f e t ya n dt h ec o s to fh i g ha r c hd a m t h i sa r t i c l es y s t e m i c a l l ys u m m a r i z e st h ec u r r e n th i g h a r c hd a md e s i g n i n gp r o c e s s e sa n dm e t h o d si nc h i n aa n dad e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mo f o p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rh i g ha r c hd a ms h a p ei sr e s e a r c h e de m p h a t i c a l l y i tp r o v i d e sa p o w e r f u lt o o lf o rt h es c i e n t i f i cd e c i s i o n m a k i n gf o rh i g ha r c hd a ms h a p e t h ec h i e f r e s e a r c ha n dw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 s u mu pt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea c t u a l i t i e so f t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rh i g ha r c h d a m ，a n di n t r o d u c eab a s i cs o l u t i o nw h i c hi sb a s e do nt h es u n q n a a r yt ot h ed e c i s i o n - m a k i n g f o ro p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rh i g ha r c hd a ms h a p e t 1 1 ed e s i g n i n gp l a nt a k e st h eh o s t s l a v e s t r u c t u r ea si t sp r o g r a mf r a m e w o r ka n dt h es y s t e mc a l lb ee x p a n d e de x p e d i e n t l y 2 p a r a l l e lc o n d i t i o ni ss t u d i e d b ym e a n so ft h el a n ，b u i l das m a l lc l u s t e rb a s e do n m p ii nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m t h es y s t e mu s e st h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h ma n d t h ep o l y g o na l g o r i t h mi np a r a l l e lc o n d i t i o nt oo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o ra r c hd a m 3 b u i l dt h eg e o m e t r i cm o d e lo f a r c hd a ma c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r i z a t i o n c a r r yt h e v i s u a l i z a t i o nd e s i g no fd e c i s i o n m a k i n gs y s t e mo u tb yu s i n gt h ev i s u a l i z a t i o np r o g r a m v b n e t t h es y s t e mo f f e rp l a n a rd i s p l a y , t h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a ya n da n i m a t e dc a r t o o n o f t h es h a p eo f a r c hd a mb ym e a n so f v bc o n n e c t i n gw i t hc a da n dc a d c o n n e c t i n gw i t h 3 dm a x w i t ht h ed i s p l a yo ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fh i 曲a r c hd a m ，t h es y s t e m c a no f f e ra l l a r o u n di n f o r m a t i o no nh i g ha r c hd a m 4 o p t i m i z a t i o nd e s i g ni sg o i n go nb yt a k i n gx i l u o d ua r c hd a ma sa ne x a m p l e ，a n dt h e c o m p a r a t i v e l yi d e a ls h a p ei so b t a i n e d b a s e do ni t ，ab a s i cs o l u t i o nt om u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o ni sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a r c hd a m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，p a r a l l e la l g o r i t h m ，v i s u a l i z a t i o n i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：；辐；白形埘6 年6 月，7 日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办 理。 论文作者( 签名) ：；篙；白水细6 年6 月，7 日 ( 注：手写亲笔签名) 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外拱坝的发展概况 拱坝作为坝身安全性和经济性都比较优越的坝型，在我国和世界各国都被广泛采 用。人类修建拱坝具有悠久的历史。 早在一、二千年前，人们就已经意识到拱结构有很强的拦蓄水流的能力，开始修 建高十余米的圆筒形圬工拱坝。到二十世纪2 0 4 0 年代美国开始修建较高的拱坝， 包括高9 9 m 的巴菲罗比尔拱坝和高达2 2 2 m 的胡佛坝。在这一时期，拱坝设计理论和 施工技术有了较大的进展，如拱梁试载法应力分析、坝体温度计算和温度控制措施、 坝体分缝和接缝灌浆、地基处理技术等。5 0 年代以后，西欧各国和日本修建了许多双 曲拱坝，在拱坝体形优化、复杂地基处理、坝顶溢流和坝内开孔泄洪等重大技术上有 了新的突破，从而使拱坝厚度减小，坝高加大，即使在比较宽阔的河谷上修建拱坝也 能体现其经济性。瑞士于1 9 5 7 年修建的莫瓦赞拱坝是该时期拱坝发展过程的重要标 志，也是拱坝发展历史上的里程碑。进入7 0 年代，随着计算机技术的发展，有限元 和优化设汁技术的逐步采用，使拱坝设计和计算周期大为缩短，设计方案更加合理。 水工及结构模型实验技术、混凝土施工技术、大坝安全和监控技术的不断提高，也为 拱坝的工程技术发展和改进创造了条件。根据成立于1 9 2 6 年的国际大坝委员会 ( 1 c o l d ) 1 9 8 8 年出版的大坝注册薄统计，截止1 9 8 6 年底，世界范围内己建拱坝坝 高超过1 5 m 的有1 6 0 8 座。 我国是建造拱坝最多的国家，包括台湾省在内共7 5 6 座，几乎占全部拱坝总数的 一半，因而中国享有“拱坝之乡”的美誉。 我国修建的第一座拱坝可以追溯到1 9 2 8 年在厦门建成的坝高2 7 3 m 的一座浆砌石 拱坝。新中国成立后，我国水利水电事业在防洪、灌溉、水电、航运以及供水事业的 推动下迅速发展。在混凝土拱坝建设方面，1 9 5 8 年在安徽省建成第一座坝高8 8 m 的 重力拱坝响洪甸拱坝，1 9 5 9 年在广东省建成流溪河双曲拱坝( 坝高7 8 m ) ，1 9 6 0 年在山西省建成恒山双曲拱坝( 坝高6 8 7 m ) ；在砌石拱坝方面，1 9 6 0 年在河北省建 成峡沟重力拱坝，1 9 7 0 年在河南省建成柿园砌石重力拱坝( 坝高7 8 8 m ) 。从1 9 7 1 年 起，我国拱坝建设进入了一个新的阶段。根据中国大坝委员会的统计，截止1 9 9 8 年 底，中国已建成高度3 0 m 以上的拱坝5 2 1 座，其中包括高2 4 0 m 的二滩拱坝，高1 7 8 m 的龙羊峡拱坝【1 1 。建坝的数量到9 0 年代已占世界总数的1 2 ，居世界首位。表1 1 t 2 i 给 出了我国建成的坝高1 0 0 m 以上的拱坝情况，表1 2 给出了我国在建的坝高2 0 0 m 以上 的高拱坝。目前我国已在拱坝设计理论、计算方法、结构形式、泄洪消能、施工导流、 第一章绪论 地基处理和枢纽布置等方面都有了很大的进展，积累了很多有益的经验，并在某些方 面显示出我国的特点。 随着国家西部大开发战略号角的吹响以及国家电力能源结构的调整，我国在西南 地区将要修建一批3 0 0 m 级的高拱坝，我国高拱坝的建设进入一个新的高潮。西南地 区的河谷狭窄，水流落差较大，许多地方适合修建拱坝，且多数为高拱坝。如澜沧江 小湾拱坝( 坝高2 9 2 m ) 、金沙江溪洛渡拱坝( 坝高2 7 8 m ) 、雅砻江锦屏一级拱坝( 坝 高3 l o m ) ，坝高都超过了已建成的最高的英古里拱坝( 坝高2 7 2 m ) ，工程量也超过了 现有的世界水平，标志着我国在拱坝的勘测、设计、旌工和科研方面已经达到了一个 新的水平，跨入了世界先进行列。高拱坝在我国有着广阔的发展前景，但由于国内外 缺少可以借鉴的工程经验，高拱坝的许多技术问题成为国内外众多学者关注的对象。 表1 1 我国已建成坝高1 0 0 m 以上混凝土拱坝 名称坝型坝高m库容1 0 8 m 3装机容量1 0 8 k w h工程量1 0 4 m 3坝基岩石 二滩双曲拱坝2 4 0 05 8 o o3 3 0 04 1 3 _ 8正长玄武岩 龙羊峡重力拱坝1 7 8 02 4 7 0 01 2 8 01 6 5 0花岗闪长岩 东风双曲拱坝1 6 2o1 0 2 52 5 1 04 2 5 6石灰岩 东江双曲拱坝1 5 709 1 5 05 0 01 0 0 0花岗岩 李家峡双曲拱坝1 6 5 o1 6 5 02 0 0 01 2 00混合斜长岩 隔河岩重力拱坝1 5 1 o3 4 4 01 2 0 02 6 8 0石灰岩 白山重力拱坝1 4 9 55 3 1 01 5 0 01 6 3 3混合岩 风滩重力拱坝1 1 2 51 7 1 5 04 0 01 1 7 o 砂岩板岩 紧水滩双曲拱坝1 0 2 01 3 9 3 53 0 0 3 0 o花岗斑岩 表1 2 我国在建或拟建的坝高2 0 0 m 以上的拱坝 名称坝型坝高m库容1 0 8 m 3装机容量1 0 8 k w h工程量1 0 4 m 3 小湾抛物线双曲拱坝2 9 2 01 5 1 3 24 2 0 07 0 5 7 7 拉瓦西 对数螺旋线双曲拱坝2 5 0 01 0 5 63 7 2 02 5 3 ，4 0 构皮滩双曲拱坝2 3 2 56 4 7 0 2 4 0 03 4 6 o o 溪洛渡抛物线双曲拱坝2 7 8 01 1 5 7 01 2 0 0 07 0 7 o o 1 2 拱坝体形优化的发展及现状 对于合适的坝址，拱坝是一种经济性和安全性都很好的坝型。拱坝在平面上呈凸 向上游的拱形，它借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩，主要是 利用拱端基岩的反作用来支承，拱圈截面上需要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料 2 河海大学硕士学位论文 的强度。 拱坝的体形是决定拱坝稳定和安全的主要因素之一，相同的坝体方量，不同的拱 坝体形，拱坝的安全度差异可能会很大。拱坝的空间结构体形很复杂，确定其体形的 参数很多，加之影响拱坝体形的因素很多，传统经验性的设计方法很难兼顾安全性与 经济性的要求。所以拱坝( 特别是高拱坝) 体形的优化设计具有重要的现实意义。 优化设计是设计概念与方法的一种革命，它用系统的、目的定向的和有良好标准 的过程与方法来替代传统的试验纠错的手工方法。关于拱坝优化设计的研究，国外是 从六十年代末期开始的，我国则是在七十年代末期由朱伯芳院士提出来的。我国拱坝 优化设计起步虽然较国外晚一些，但进展却比国外快，我国建立的数学模型比较实用， 求解方法也比较有效。国内拱坝优化设计研究已经进行了二十多年，在优化理论和实 践上均取得了显著的成绩，从多拱梁优化发展到有限元优化，从静力优化发展到动力 优化，从单目标优化发展到双目标优化和多目标优化，发展和完善了我国提出的建立 在拱坝优化的基础上的二次曲线及混合曲线拱坝新体形，并在大、中、小型拱坝工程 中获得了许多实际应用，保持并扩大了我国在国际上拱坝体形设计上的领先优势p l 。 1 几何模型 拱坝优化的目的是选择合理的坝体几何形状，为了搞好拱坝优化，正确的选择几 何模型是十分重要的。国外的拱坝优化研究虽然比我国的早了1 0 年，但是到9 0 年代 初，我国第一座用优化方法设计的拱坝瑞墙拱坝成功建成、蓄水运行几年后，国 外的拱坝优化研究还没有在实际工程中的实用，主要原因是国外的几何模型尚未达到 实用化的程度【4 1 。 拱坝优化的研究初期，考虑到优化设计是一项新技术，开始阶段应用于中小型拱 坝的可能性比较大，所以为了尽可能符合当前工程实践，便于推广利用，并利用圆拱 特点简化计算【6 】，坝的水平截面采用圆拱，铅直截面采用抛物线。 随着拱坝优化设计将应用于地基条件比较复杂的大型工程，朱伯芳呻1 对几何模型 进行了改进，给出了五心圆双曲拱坝、对数螺旋线双曲拱坝和抛物线双曲拱坝的几何 模型，还提出了通过设计变量的缩减而得到各种不同几何模型的方法。 8 0 年代以来，我国的拱坝建设已突破了传统的单心圆拱，开始探索拱圈的新线型， 厉易生 9 l 提出了二次曲线拱坝的概念，二次曲线作为单心圆、椭圆、抛物线、双曲线 等4 类拱坝的一般形式，方程的待定系数化为设计变量引入拱坝优化模型。 对于高拱坝，采用单一的拱圈线型，有时不能很好地兼顾不同部位的地形、地质 和受力特点。浙江大学【1 0 l 提出了由曲率半径方程描述的拱圈混合线型模型。它不但能 包含圆和抛物线、对数螺旋线、椭圆线、双曲线等具有曲率渐变特征的各线型，而且 通过改变曲率半径方程中的连续参数，还可以给出介于它们之间的各种线型。 在混合线型提出来后，朱伯芳、厉易生【1 1 1 证明了全集的最优解必然优于( 或等于) 第一章绪论 子集的最优解，进而可以推论：等厚拱不如变厚拱，等曲率拱不如变曲率拱。从而得 到了拱圈线型的理论排序从优到劣为：混合曲线一二次曲线一双曲线或椭圆一抛物线 一对数螺旋线或三心圆一双心圆一单心圆。 2 目标函数 ( 1 ) 单目标优化 拱坝体形优化研究初期主要考虑的是如何使工程造价最小f 7 l 。一般来说，坝的造 价主要取决于坝的体积，因此，最初把坝的体积作为目标函数。 随着研究的深入，考虑到拱坝的施工造价不仅取决于大坝的混凝土方量，基岩的 开挖量也占拱坝施工造价很大一部分。所以，优化目标函数取坝体混凝土造价与基岩 开挖造价之和【8 】。在体形优化的同时，如果还要考虑坝体封拱条件的优化，则在施工 造价总费用中还应该包含达到某种封拱条件( 如封拱温度) 所需要的附加费用i ”l 。 随着我国水电事业的发展和拱坝技术的提高，修建的拱坝越来越高，人们更关心 的是安全。河海大学王德信、许庆春【1 3 1 提出以最大拉应力最小为目标函数，优化过程 中结构分析与重分析采用线弹性有限元法。 ( 2 ) 双目标优化 高拱坝设计与建造的复杂性，使人们对其安全性十分关注，按单纯的经济目标设 计拱坝已显不够，需要综合考虑安全与经济这两个目标，孙文俊、王德信1 1 4 1 等人提出 了两目标优化设计问题。选取在通常情况下拱坝安全和经济的最具代表性的主要因素 最大拉应力和坝体体积，以使其最小作为优化设计的目标。 ( 3 ) 多目标优化 为了确保建于高地震烈度区高拱坝的安全与经济，浙江大学汪树玉、刘国华等 1 5 - 1 6 】 开展了多目标优化设计，考虑坝体的受力性态、应力水平、超载安全度或失效概率等 强度性指标，与坝体方量等经济性指标相结合参与优化过程。用以下4 个指标作为多 目标优化中的分目标函数：坝体方量v ( 经济性指标) 、应力水平【o 、高应力区范围 h 和强度失效概率f ( 后三者属安全性指标) 。 3 约束条件 初期拱坝优化模型的约束条件有几何约束、应力约束和抗滑稳定约束三个方面1 7 l 。 几何约束有坝顶最小厚度、坝体上、下游表面倒悬、中心角。 浙江大学【1 7 1 针对有优化模型会产生曲面凹性的问题，提出了把拱坝曲面保凸性作 为约束条件。对于仅用控制中心角和推力角来保证坝肩稳定显得过于粗糙的问题，还 提出了用岩肩长度和抗滑稳定所需长度之比作为安全度来控制拱座稳定。 汪树玉【1 8 1 认为拱坝优化的约束条件应该能全面反应了坝体布置的合理性；交通条 件，以及旌工与运行安全等设计要求。把拱坝优化的约束条件归结为几何约束、应力 约束和稳定约束三部分。几何约束包含变量界限约束、坝厚约束、坝体保凸约束、倒 河海大学硕士学位论文 悬度约束等。稳定分析通常是通过专门的稳定分析研究，将稳定约束转换成一些较简 单的约束要求，如对拱圈内弧可利用基岩等高线夹角、拱端推力线、拱圈中心角等提 出一定的要求，以简化优化模型。 河海大学呻】提出在优化设计的约束条件中加入开裂约束。拱坝开裂约束条件指当 拱坝坝踵区主拉应力超过材料的抗拉强度后，坝踵附近开裂且裂缝在主应力作用下向 坝体的深度和广度发展，这时应对裂缝的可能发展程度加以限制以保证大坝安全 4 应力分析 拱坝优化是用数值方法来求解的。在求解过程中，要成千上万次计算约束条件。 由于约束条件中包含了坝体应力，所以也要成千上万次计算坝体应力。所以采用实用 高效的应力分析方法，能大大地提高计算的准确性和速度。 ( 1 ) 应力分析方法的发展 拱坝优化设计研究初期，拱坝优化设计主要应用于中小型拱坝，优化中的应力分 析是从拱冠梁法上起步的。随着优化设计逐步应用于大型拱坝，设计人员对应力分析 方法提出了要求。e 世纪八十年代后期，我国的多拱梁分析方法得到了很大的发展， 东北院提出了反力参数法、河海大学【2 0 1 提出了弹塑性分载位移法，浙江大学【2 】提出了 基于径向纤维直线假定的全调整多拱梁分载法。 ( 2 ) 有限元法 计算机技术的发展使应用有限元法进行拱坝优化的应力分析成为可能。基于有限 元法的拱坝体形优化设计，在研究初期河海大学1 2 2 1 采用2 8 结点等参单元模拟坝体， 选用2 2 、2 1 结点等参单元模拟岩基，通常将坝体分成8 个2 8 结点等参单元，地基分 为8 个2 2 结点等参单元和1 6 个2 l 结点等参单元；后来发展到全部用密网格的8 结 点等参单元，这样能够很好地反映不同线型的区别，又便于计算数据的处理。在“八 五”期间，采用高精度等参单元( 2 8 结点) 进行有限元分析，研究开裂约束下的高拱 坝结构分析方法，由于单元较大使开裂不便于处理，河海大学口”提出了一种拱坝开裂 分析超级有限元法，可以较好地解决反映结构局部特性与避免扩大计算规模之间的矛 盾，同时为开裂约束下的拱坝体形优化提供了一个有效的结构分析方法。 5 动力优化 随着高地震区拱坝的建设，考虑地震荷载的拱坝优化设计十分必要。胡维俊、何 雄军1 2 4 1 提出了拱坝抗震动力优化设计的一套方法，结构分析采用空i 日1 n 架法，地震反 应的求解用反应谱法，优化设计用序列二次规划。着重研究的是圆9 、椭圆、双曲线 型的双曲拱坝。 近年来，随着高拱坝的发展，拱坝动力优化有了新的发展】。基于多拱梁的动力 优化，研究和完善了子空间迭代法、w i l s o n r i t z 向量法求解非对称矩阵特征值问题， 完善了与当前规范配套的多拱梁反应谱法动力分析和优化程序，实现了拱坝动力优 第一章绪论 化；基于有限元的动力优化，在拱坝动力优化中提出了能量模型，用系统的h a m i l t o n i a n 函数( 动能与系统势能之和) 综合考虑了应力和位移；研究求解结构动力响应的并行 算法，通过网格并行计算来提高基于有限元的高拱坝优化效率，开发了适合计算机网 络并行运算的优化方法，在可行域内寻优，性能稳定、可靠，编程方便，适用于解决 工程问题，并可以使网络中各台机器间的数据传输量减少到最低限度。 1 3 高拱坝体形优化决策系统的研究意义 近年来，随着国家“西部大开发”、“西电东送”战略的实施，我国水电建设的重 点转向西部高山峡谷地区，出现一批( 3 0 0 m 级) 高拱坝枢纽，： 程量也远超过现有 的世界水平。这些坝址又都位于高地震区，这对我国拱坝建设水平既是严峻的考验又 带来了机遇。拱坝体形设计是枢纽设计的关键问题，拱坝的安全性和经济性均体现在 拱坝的体形上，有研究表明不同体形对坝体体积的影响可达2 0 3 0 。 传统的体形设计是使用“逐步调整法”，根据坝址的地质、地形条件，以及设计者 的经验和工程类比，首先选定平面拱圈的线型，并粗拟一个初始拱冠梁剖面和拱圈剖 面，确定拱坝体形，然后进行应力分析和稳定分析，根据计算结果，再逐步调整，直 至全面满足规范要求。使用这种设计方法要想得到一个较优的体形非常困难，特别是 对高拱坝，必须通过现代计算级技术、精确的数学方法、全面地考虑坝址周边环境的 影响以及设计规范的要求，才能得到合理的体形。 我国在拱坝优化方面做了大量的研究，在拱坝体形优化上取得了很多成果，并且 已经成功的应用于工程设计中。但由于拱坝优化设计研究人员主要集中在高校和科研 单位，与设计人员之间的沟通有一定的问题；另外，高拱坝体形的决策层次在国内一 流的专家，拿到的送审方案受条件限制数量有限，并且拱坝体形的决策通常不会是由 一两个人或一两次优化计算结果来决定的。确定高拱坝的体形，需要召开由拱坝专家 组成的高拱坝体形决策会议。在体形决策会上，专家们需要详细地了解高拱坝体形优 化的各项信息，如：优化计算的方法、优化数据、由优化数据生成的图形，结合他们 的工程经验来判断优化计算的结果是否合理；如果需要改进优化计算的结果，则提出 何种优化目标、修改哪些约束条件，也需要专家们及时决定。 2 1 世纪计算机技术正以前所未有、无所不在的趋势强烈冲击和渗透着人类社会的 每一个角落，这场信息革命当然也影响着水利水电工程领域。利用现代计算机技术， 可以开发具有良好人机交互功能的拱坝设计可视化系统，它能够为设计人员提供直观 的感受，大大的提高设计速度和设计质量。所以，要利用现代计算机技术，在高拱坝 体形优化决策上做一些有益的尝试，开发和集成相应的计算软件，能够在拱坝决策会 议上同时进行优化设计和体形相关参数的现场显示，形成高拱坝优化设计会议决策系 6 河海大学硕士学位论文 统。设计和实现一个适合于体形决策会的高拱坝体形优化设计软件，是一项很有意义 的工作。 1 4 本文所做的主要工作 在导师的指导下，在查阅大量资料，了解了拱坝的发展、拱坝体形优化的发展和 现状的基础上，本论文主要对高拱坝体形优化的计算方法以及设计手段的可视化方面 做了一些研究。由于整个系统的工作量巨大，本人的时间和精力有限，论文主要完成 了以下几个方面的工作： 1 调研、查阅有关资料信息，了解拱坝的发展及拱坝体形优化的发展和研究现状， 特别对目前拱坝的设计程序和设计手段进行了分析，制定本文的目标及工作内容。 2 对优化算法进行了研究，把模拟退火算法应用于高拱坝体形优化设计中。优化 计算程序中，考虑了串行的模拟退火算法和并行的模拟退火算法，并提供了多种并行 策略以供选择。 3 研究了并行计算环境，利用计算机局域网络，通过m p i 软件，搭建了由5 台 计算机组成的优化系统并行计算环境。程序结构采用主从式结构程序设计，以其中一 台计算机作为主控机，其余4 台计算机主要负责后台计算。并行计算极大的提高了优 化计算的速度。 4 以可视化语言v b n e t 为操作平台，完成了拱坝体形优化决策系统的可视化设 计。拱坝体形优化设计的优化计算考虑了并行环境下的模拟退火算法和复合形法；决 策系统在提供了原始体形和较优体形特征参数对比的基础上，还二维显示拱坝纵剖面 和横剖面，三维显示拱坝较优体形的总体效果，全面的显示了拱坝体形参数的信息。 5 应用设计开发的高拱坝体形优化决策系统，对溪洛渡双曲拱坝进行了优化设计 单目标优化设计，得到了一组有实际参考价值的研究成果。并且在此基础上提出了应 用“逐步法”进行多目标优化设计的思路。 第二章系统开发的主要技术工具 第二章系统开发的主要技术工具 2 1 1 可视化技术简介 2 1 可视化技术 1 可视化的提出与发展 可视化概念首先来自科学计算可视化【25 】( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) ， 科学计算可视化是发达国家在8 0 年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。5 0 年前计算机问世时，其最主要的用途就是科学计算。由于各方面条件的限制，那时候 计算的数据数量比较少，所以往往依靠人工来完成这些数据的后处理工作，总结出这 些数据的特点和变化规律。到了6 0 年代，随着数据量不断加大，单纯靠人来处理这 些数据显然有些力不从心，需要借助绘图仪绘制出二维的曲线。进入8 0 年代，二维 曲线眭l 不够用了，这时，由于计算机软件和硬件技术的发展、图像处理技术的增强， 可以将数据转变成静态图像。而现代科学计算的数据源太多太大，超级计算机的仿真 数据、卫星发回的地球资源、军事侦探数据、气象数据、海洋和地壳板块以及地震监 测数据、医学扫描图像数据等海量数据的产生与不能有效的解释这些数据的矛盾日益 尖锐，靠以前的手段很难达到目的，因此就必须将这些数据转变成动态的图像。科学 计算可视化的形成是当代科学技术飞速发展的结果。正是在此背景下，1 9 8 7 年2 月， 美国自然科学基金会将从事各个领域科学计算的专家和来自计算机图形学、图像处理 的专家聚集在一起，在华盛顿召开了有关科学计算可视化的首次会议。会议认为【2 ”， “将图形和图像技术应用于科学计算是一个全新的领域”，并指出，“科学家们不仅要 分析由计算机得出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化情况，而这些都需 要借助于计算机图形学及图像处理技术”。会议将这一涉及到多个学科的领域定名为 “v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ”，简称“s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ”。这次会议可 谓是科学计算可视化技术诞生的里程碑。 怎样来分析大量、复杂和多维的数据呢? 答案是要提供像人眼一样的直觉的、交 互的和反应灵敏的可视化环境。因此，数据可视化技术的特点主要有： ( 1 ) 交互性。用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。 ( 2 ) 多维性。可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按 其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。 ( 3 ) 可视性。数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并可对 其模式和相互关系进行可视化分析。 河海大学硕士学位论文 计算机用于科学计算和数据处理已有近5 0 年的历史。在此过程中，科学计算可视 化技术的发展，从其功能上来说，经历了三个阶段： ( 1 ) 后处理( p o s tp r o c e s s i n g ) ：长期以来，由于计算机技术水平的限制，数据只 能以批处理而不能进行交互处理。不能对计算过程进行干预和引导，只能被动地等待 计算结果的输出。而大量的输出数据也只能采用人工方式处理，或者使用绘图仪器输 出二维图形。这样做，不仅不能及时地得到有关数据的直观、形象的整体概念，而且 有可能丢失大量信息。 ( 2 ) 跟踪处理( t r a c k i n g ) ：近年来，由于计算机的计算速度迅速提高，内存容量 和磁盘空间不断扩大，网络功能日益增强，并可用硬盘来实现许多重要的图形生成及 图像处理算法，这才有可能运用数据可视化技术，直观、形象地用三维动画，显示海 量的数据和信息，并进行实时的交互处理。 ( 3 ) 驾驭处理( s t e e r i n g ) ：随着网络和计算机能力的进一步提高，科学计算可视 化的结果可以自动反馈到计算过程。例如，可以根据计算结果，修改物理模型、计算 方法( 包括计算网格、边界条件) 等，以求得更精确的结果。 科学计算可视化技术首先是为了高效地处理科学数据和解释科学数据丽提出并形 成的。其次，科学计算可视化丰富了信息交流手段，即科学家之问的信息交流不再局 限于采用文字和语言，而是可直接采用图像、图形、动画等可视化信息。科学计算可 视化技术提供的交互视觉计算与即时视觉反馈技术使科学家能够对中问计算结果进 行解释，及时发现非正常现象与错误，达到驾驭( 动态调整) 计算过程的目的。 科学计算可视化的形成也是推动工业发展、提高工业竞争能力的需要。历史已经 证明，推动工业发展的原动力是基础科学研究，科学上的新发展将促进工业界新的革 命，而促使基础研究发展的重要手段之一就是提供先进的科学计算工具( 硬件和软 件) 。先进的科学计算工具同时也是促进当代工业发展的新动力，例如无图纸设计、 虚拟样机技术等对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低成本具有十分重要的作用。 科学计算可视化是先进科学计算工具的重要组成部分，因此，世界各国都十分重视科 学计算可视化技术的研究与应用工作。 2 二维可视化及三维可视化技术 正确定义可视化技术的含义，首先要摆脱以种种错误的看法。完整的呵视化技术 应该包括二维平面到三维立面再到集声音、图像、文字于一体的多媒体的全部制作过 程所包含的所有技术的总和【2 ”。单纯的平面图形或单纯的三维动画都不是可视化技术 所要达到的目的。 二维可视化的主要任务是绘制准确的平面图形。工程中常采用曲线图、直方图及 饼图来表示计算结果。如何将以表格数据、统计综合数据表示的计算结果客观的以图 形的形式加以描述是二维平面可视化研究的问题之一。其一般流程：计算数据统计； 第二章系统开发的主要技术工具 计算数据读入；程序实现数据分类；程序实现图形输出。 三维可视化的核心工作是建立准确的三维模型。三维建模可区分为仿三维图形和 真三维图形两个部分。仿三维图形在视觉上是三维的，图形本身并不是三维的，但输 出占用空间小、速度快。仿三维模型的建立研究较多，其算法主要有几何坐标变换、 投影和消影等几种。随着计算机技术的发展，设备能力已经能够迅速的建立真三维图 形，用以代替仿三维图形来完成其功能。 3 动画显示 动画显示是将系统中的实体用图形来表示，在计算机屏幕上复现实体的动态过程。 其主要优点是：动画过程可以加深用户对系统运行的概念化的理解；动画可以使建模 者和用户更好的相互配合，即由建模者建立模型，用户提供意见来修改，由于动画使 用户直接的看见了三维显示运行的结果，由此可以判断建模者是否准确把握了实际情 况，这样提出的意见更具价值；动画可以在屏幕上直接看见错误，从而增强了调试能 力，这不仅使模型生成快，而且质量好。 4 面向对象程序设计 面向对象【2 ”( o o ：o b j e c t - - o r i e n t e d ) 技术是一种按照人们对现实世界习惯的认识 规律和思维方式来研究和模拟客观世界的方法学。这种思想是把整个现实世界或者一 部分看成是由不同种类对象( o b j e c t ) - ( 面组成的有机整体，同一类型的对象既有共同点， 又有各自不同的特性。各种类型的对象之间通过消息发送而进行联系，消息能够激发 对象并做出相应的反应，从而形成一个运动的整体。 对象( o b j e c t ) 是面向对象程序设计方法中使用的最基本的概念。对象是由描述该对 象属性的数据以及可以对这些数据旋加所有操作并封装在一起所构成的统一体。如， 一个窗口，一座学校、存款、借款等都可以作为一个对象。 在面向对象的思想中，对于任何一个对象( o b j e c t ) ，都可以用属性( p r o p e r t y ) 、方法 ( m e t h o d ) - 与事件( e v e n t ) 三个方面来描述它( 即“o m e ”模型) 。 面向对象程序设计的基本原理是：对问题空间实行自然分割，按照通常的思维方 式建立问题的模型，设计尽可能直接而自然地表现解空间的程序。为了实现上述基本 原理，需建立相应的概念去直接表现组成问题空间的事物以及这些事物之间的相互联 系。在面向对象程序设计中，对象( o b j e c t ) 和消息( m e s s a g e ) 传递分别是表现事物与事物 间相互联系的概念。组合了状态和行为，对象的行为可通过方法( m e t h o d ) 定义。对象 被划分成为类( c l a s s ) ，所有类都有同样的结构和行为，通过给对象发送消息，就触发 某个行为。一个类可以继承其他类的变量和由方法定义的行为。最后，用面向对象观 点建立问题空间的模型，开发出尽可能自然地表现求解方法的软件。 5 面向对象的程序设计语言 随着计算机技术的发展，特别是像w i n d o w s 这样具有图形用户界( g u i ，g r a p h i c s 河海大学硕士学位论文 u s e ri n t e r f a c e ) 的操作系统的广泛使用，人们形成了一种面向对象的程序设计思想。 这种思想把整个现实世界或其一部分看作是由不同种类对象( o b j e c t ) 组成的有机整 体。同一类型的对象既有共同点，又有各自不同的特征。各种类型的对象之间通过发 送消息进行联系，消息能够激发对象做出相应的反应，从而构成一个运动的整体。面 向对象的程序设计语言就是采用了这种面向对象的程序设计思想，当前使用较多的面 向对象的语言有v i s u a lb a s i c 、c + + 、j a v a 、o b j e c tp a s c a l 等。 近年来，v i s u a lb a s i c 2 8 - 2 9 1 已迅速成为最流行的计算机应用软件之一，由于其简单 易学。常用的功能随着版本的升高，也越来越强大。v i s u a lb a s i c 语言是在原有b a s i c 语言基础上的进一步发展，其简单易学，只要稍微有语言基础就可以很快掌握。可视 化的用户界面设计功能，把程序设计人员从繁琐复杂的界面中解脱出来，可视化编程 环境的“所见即所得( w y s i w y g ) ”功能，使界面是设计如积木游戏一般，编程变 成一种享受，强大的多媒体功能可轻而易举地开发出集声音、动画、影像和图片于 体的多媒体应用程序。 v i s u a lb a s i c 语言以其能迅速有效的编制优良交互界面设计性能，被越来越广泛地 运用于w i n d o w s 环境下系统地可视化界面设计。v i s u a lb a s i c 语法简单，功能强大， 尤其是界面开发功能方便、简洁。其缺点是，只是门解释性语言，运算速度慢，不 适合大型数值计算。 v i s u a l b a s i c 的最新版本v i s u a l b a s i c n e t ，v i s u a l b a s i c n e t 是v i s u a ls t u d i o n e t 的组成部分，v i s u a ls t u d i o n e t 是一个工具和语言的组合，可以帮助你在w i n d o w s 平台下应用程序。 本论文程序以v i s u a lb a s i c n e t 做为程序开发操作平台。 2 1 2 水利行业可视化技术的发展 目前，有限元技术已广泛应用于水利行业各类的工程设计和计算中，计算过程中 会产生大量的数字信息，三维大规模数值模拟可产生上百兆甚至上千兆的数据，人们 只有在对这些计算输出信息进行细致的分析理解后，才能洞察计算中发生的情况和问 题，并获得对研究对象的认识和见解。但这是一个十分费时和繁琐的过程，己无法用 传统的方法来理解如此大的数据中所包含的复杂物理现象。应用可视化技术可以实现 有限元分析结果、数据的图形显示，在此基础上可以进一步分析计算结果，使得计算 结果更加可靠和精确。工程中的物理场多是矢量场，如流场、位移、应力等。因此， 大规模矢量场的可视化技术已成为工程问题的数值分析过程中不可缺少的重要手段， 具有理论与工程意义。 水利工程设计可视化技术的研究在技术和经济上具有重大的意义，必将取得重大 第二章系统开发的主要技术工具 的发展和更广泛的应用。具体表现在： ( 1 ) 可应用在预测、评价、讨论各种设计方案中，可直观探讨空间布置合理性和 存在的问题，从而帮助进行优化决策。 ( 2 ) 极大地增强了工程设计地直观性，可大幅度减少工程设计的试验费用。利用 可视化技术，可直观观察工程涉及到的实际存在或计算机模拟的三维物体的静止或活 动画面，甚至物体工作过程中几何、物理甚至化学性能的变化。 ( 3 ) 不仅能获得各种计算结果，而且利用可视化技术可以了解到计算、设计、试 验过程中产生的各种现象和变化，通过改变控制参数，直接观察参数的作用，从而实 现对计算、设计、试验过程的引导和控制。 2 2 计算机网络并行环境 高拱坝体形优化设计中的一个关键技术问题是解决巨大计算工作量的计算环境和 计算方法。目前，提高计算机数据处理规模和速度的一个重要方向是建立高性能计算 系统，对于没有条件购置大型并行计算机的单位，比较有效的方式是使用网络环境下 的计算效率，多台处理机协调、有序地工作可以提高计算规模和计算效率。在高拱坝 体形优化决策会上，利用计算机局域网络平台，使用几台计算机组成的并行环境进行 计算，是合理且可行的。在专家和计算机人机对话的过程中，需要计算系统及时做出 反应，以便专家对优化参数进行控制，并提出新的优化目标和参数，继续寻找更优体 形。并行计算环境在时间上的高效符合优化决策系统对计算速度的要求。 2 2 1 计算机网络 现代网络系统【3 0 】是指建立在分组交换技术基础上的分组交换网络。网络系统是由 网络操作系统和用以组成计算机网络的多台计算机，以及各种通信设备构成的。在计 算机网络系统中，每台计