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摘 要：近年来，随着计算机和信息处理技术的快速发展，虚拟现实技术越来越广泛的应用于多个科研领域。本文对虚拟现实技术在城市水灾研究领域中的应用进行了初步的探讨。系统地论述了粒子系统理论的主要思想和方法，结合城市水灾场景中水波的模拟对粒子系统进行了分析。在此基础上，以大空间实验间为研究对象，使用大涡模型对大空间的排水系统效率进行了模拟，实现了VR环境下符合水运动规律的大空间水灾的实时仿真，并对城市水灾预防与排涝提供支持。
关键词：虚拟现实；城市水灾；粒子系统；数字模拟；实景仿真
近年来，随着中国城市化进程的不断加速，城市治水与城市发展之间的矛盾也开始凸显，2011年6月23日，多年不遇的暴雨除了给北京市基础设施体系带来了巨大冲击。因此，针对城市的建设项目，特别是设计城市洪水虚拟现实仿真十分必要，可以预先了解内涝对建设项目的影响和建设项目对排涝的影响，从而改变某些不合理的设计。
一、虚拟现实仿真系统
虚拟现实技术（VirtualReahtyTechnique，简称VR）是利用人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术、电子技术、机械技术、视听技术等高新技术模拟人在特定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。交互性是指“参与者”利用视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等感官功能以及对话、头部运动、眼睛移动、转身、拾取和放置等人类自然技能对虚拟实体进行交互考察与操作。
二、水流的湍流数学模型
自然环境和工程装置中的水流常常是湍流流动。目前工程上常用的模拟方法，仍然是由Reynolds时均方程出发的模拟方法，这就是目前常说的“湍流模型”。湍流模型主要有：spalart一Allmaras模型、2eqn模型及雷诺应力模型和大涡模拟等。
（一）spalart一Allmaras模型
适用性：spalart一Allmaras模型是专门用于求解航空领域的壁面限制流动，对于受逆压力梯度作用的边界层流动，已显示出很好的效果，在透平机械中的应用也愈加广泛。由于引入了壁面函数法，该模型在较粗的壁面网格时也可取得较好的结果。因此，当网格划分的不是很好或精确的计算在湍流中并不是十分需要时，sPalart一Allmaras模型将是最好的选择。
需要注意的是sPalart一Allmaras模型是一种新出现的模型，现在不能断定它适用于所有的复杂的工程流体。单方程的模型经常因为对长度尺度的变化不敏感而受到批评，例如当壁面约束流动变为自由剪切流，此时适用性就不强。
（二）RNG2eqn模型
可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。Reahzable2eqn模型：有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动等。
RNG2eqn模型是针对充分发展的湍流才有效，这些模型均是高Re数的湍流模型。对于近壁区内的流动，Re数较低，必须借助壁面函数法或低Re数模型进行模拟。
（三）雷诺应力模型
RSM比单方程和双方程模型更加严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力的快速变化，而对于复杂流动有更高精度预测的潜力，就需要考虑雷诺压力的各向异性，例如咫风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。
（四）大涡模拟模型
该模型只对三维问题有效，是目前比较有潜力的模型。基本思想：系统中动量、质量、能量及其他物理量的输运，主要由大尺度涡影响。大尺度涡与所求解的问题密切相关，由几何及边界条件所规定，各个大尺度涡的结构式互不相同的。而小尺度涡趋向于各向同性，其运动具有共性。因此，目前只能放弃对全尺度范围上涡的瞬时运动的模拟，只将比网格尺寸大的湍流运动通过瞬时N-S方程计算出来，而小尺度涡对大尺度涡运动的影响则通过一定的模型在针对大尺度涡的瞬时N-S方程中体现出来，从而形成了目前的大涡模拟法。
三、水波动画的研究
水波动画的研究可追溯到1980年。由于当时计算机软硬件环境的限制，研究工作的注意力尚未集中到动态的水波上，而是仅仅渲染一些比较逼真的静态水波图象而己。随着计算机性能的提高，不仅要求水波的静态图像要逼真，而且要求水波的运动模拟也要逼真。结合物理学的成果及计算机图形学技术，使得对场景的描述更加生动逼真。
（一）基于波的分析方法
直接构造参数曲面来代表水表面，参数曲面由波形函数表示，由于波形函数本身就反映了波的属性，如叠加、反射、折射等，因而可以模拟水波的运动。用这种方法制作的动画，效果并不是非常好，所以这类方法仅适于制作静态的水波图像。
（二）基于物理模型方法
用流体力学方程来描述水流的运动，例如常用Navier-Stokes方程来建立浅水波模型，再用计算流体动力学中的数值分析工具来求取方程的数值解，然后由数值解得到水流的形状。这种方法中，波是根据方程的初始条件与边界条件自动产生，接近真实的物理规律。但若把水流的形状当做一个高度场，则不能表现尖锐的波峰及卷曲的波形。若采用三维Navier-Stokes方程，把水流看作是由许多水粒子组成的点集，又需要采用体绘制的方法来绘制水流形状，对效率又提出了更高的要求。
（三）基于粒子系统方法
把水流看作一个个粒子，每个粒子都按一定规律运动。这种方法可以模拟瀑布、喷泉以及水滴，因为水在这种情形下表现为离散的水粒子。这种方法面临的问题在于如何绘制，仅画成一个个点或小球或一条条线段，不够真实；绘制成曲面，又不象一个连续的整体。一个比较好的办法是绘制成许许多多的隐式曲面，使得相距近的水粒子融合成一个隐式曲面，相距远的绘制成小水球。这种方法的缺点是不能模拟水波。
（四）基于光与影的处理方法
这种方法把注意力集中在如何模拟光线与水流的作用效果上。光线照射在水的表面上，会发生反射和折射，在水池底和边岸等处形成阴影与亮圈，这些阴影与亮圈因为水波的运动而闪动，形成了复杂的光影现象。
四、利用虚拟现实平台防止城市水灾的发展
传统的治理模式，首先从城市排水系统着手，不断加粗排水管网的直径，典型特征便是“拉链路”的不断产生，以求尽快将水排至河道。然而，河道水位上升会使排水管网受到顶托，甚至倒灌，于是转而采取各种雨水蓄滞的措施，如修建储水池、雨水调节池等等。不过，因为高昂的成本和雨水利用率过低，并未得到推广。最终，治理的观念转为寻求“蓄排兼筹”，利用各种雨水渗透技术，并尽可能使雨水下渗，回补地下水，实现雨洪资源化，达到水资源的生态平衡。
虚拟现实平台可以与城市水灾的信息发布系统相结合使用。每当灾害来临，可以预先开展各种量级降雨的洪水或内涝风险分析，推测洪水淹没区或内涝积水点的分布及淹没水深。市民根据灾害风险评估，避免受灾情况的突发。
参考文献
1. 周丽琨《虚拟现实系统中不规则形体的几何表现》武汉理工大学.2003年.
2. 周德闯《基于虚拟现实平台的火灾场景计算与仿真研究》.中国科学技术大学.2009年.
3. 莫伟丽《地铁车站水浸过程数值模拟及避灾对策研究》.浙江大学.2010年.
4. 朱 波，曲丹妮 《大城市如何应对城市型水灾》.光明日报.2012年.
5. 高明向《虚拟环境中球形物体的动力学行为建模及其应用研究》.武汉理工大学.2008年.
关键词：虚拟现实；城市水灾；粒子系统；数字模拟；实景仿真
近年来，随着中国城市化进程的不断加速，城市治水与城市发展之间的矛盾也开始凸显，2011年6月23日，多年不遇的暴雨除了给北京市基础设施体系带来了巨大冲击。因此，针对城市的建设项目，特别是设计城市洪水虚拟现实仿真十分必要，可以预先了解内涝对建设项目的影响和建设项目对排涝的影响，从而改变某些不合理的设计。
一、虚拟现实仿真系统
虚拟现实技术（VirtualReahtyTechnique，简称VR）是利用人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术、电子技术、机械技术、视听技术等高新技术模拟人在特定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。交互性是指“参与者”利用视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等感官功能以及对话、头部运动、眼睛移动、转身、拾取和放置等人类自然技能对虚拟实体进行交互考察与操作。
二、水流的湍流数学模型
自然环境和工程装置中的水流常常是湍流流动。目前工程上常用的模拟方法，仍然是由Reynolds时均方程出发的模拟方法，这就是目前常说的“湍流模型”。湍流模型主要有：spalart一Allmaras模型、2eqn模型及雷诺应力模型和大涡模拟等。
（一）spalart一Allmaras模型
适用性：spalart一Allmaras模型是专门用于求解航空领域的壁面限制流动，对于受逆压力梯度作用的边界层流动，已显示出很好的效果，在透平机械中的应用也愈加广泛。由于引入了壁面函数法，该模型在较粗的壁面网格时也可取得较好的结果。因此，当网格划分的不是很好或精确的计算在湍流中并不是十分需要时，sPalart一Allmaras模型将是最好的选择。
需要注意的是sPalart一Allmaras模型是一种新出现的模型，现在不能断定它适用于所有的复杂的工程流体。单方程的模型经常因为对长度尺度的变化不敏感而受到批评，例如当壁面约束流动变为自由剪切流，此时适用性就不强。
（二）RNG2eqn模型
可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。Reahzable2eqn模型：有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动等。
RNG2eqn模型是针对充分发展的湍流才有效，这些模型均是高Re数的湍流模型。对于近壁区内的流动，Re数较低，必须借助壁面函数法或低Re数模型进行模拟。
（三）雷诺应力模型
RSM比单方程和双方程模型更加严格的考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力的快速变化，而对于复杂流动有更高精度预测的潜力，就需要考虑雷诺压力的各向异性，例如咫风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。
（四）大涡模拟模型
该模型只对三维问题有效，是目前比较有潜力的模型。基本思想：系统中动量、质量、能量及其他物理量的输运，主要由大尺度涡影响。大尺度涡与所求解的问题密切相关，由几何及边界条件所规定，各个大尺度涡的结构式互不相同的。而小尺度涡趋向于各向同性，其运动具有共性。因此，目前只能放弃对全尺度范围上涡的瞬时运动的模拟，只将比网格尺寸大的湍流运动通过瞬时N-S方程计算出来，而小尺度涡对大尺度涡运动的影响则通过一定的模型在针对大尺度涡的瞬时N-S方程中体现出来，从而形成了目前的大涡模拟法。
三、水波动画的研究
水波动画的研究可追溯到1980年。由于当时计算机软硬件环境的限制，研究工作的注意力尚未集中到动态的水波上，而是仅仅渲染一些比较逼真的静态水波图象而己。随着计算机性能的提高，不仅要求水波的静态图像要逼真，而且要求水波的运动模拟也要逼真。结合物理学的成果及计算机图形学技术，使得对场景的描述更加生动逼真。
（一）基于波的分析方法
直接构造参数曲面来代表水表面，参数曲面由波形函数表示，由于波形函数本身就反映了波的属性，如叠加、反射、折射等，因而可以模拟水波的运动。用这种方法制作的动画，效果并不是非常好，所以这类方法仅适于制作静态的水波图像。
（二）基于物理模型方法
用流体力学方程来描述水流的运动，例如常用Navier-Stokes方程来建立浅水波模型，再用计算流体动力学中的数值分析工具来求取方程的数值解，然后由数值解得到水流的形状。这种方法中，波是根据方程的初始条件与边界条件自动产生，接近真实的物理规律。但若把水流的形状当做一个高度场，则不能表现尖锐的波峰及卷曲的波形。若采用三维Navier-Stokes方程，把水流看作是由许多水粒子组成的点集，又需要采用体绘制的方法来绘制水流形状，对效率又提出了更高的要求。
（三）基于粒子系统方法
把水流看作一个个粒子，每个粒子都按一定规律运动。这种方法可以模拟瀑布、喷泉以及水滴，因为水在这种情形下表现为离散的水粒子。这种方法面临的问题在于如何绘制，仅画成一个个点或小球或一条条线段，不够真实；绘制成曲面，又不象一个连续的整体。一个比较好的办法是绘制成许许多多的隐式曲面，使得相距近的水粒子融合成一个隐式曲面，相距远的绘制成小水球。这种方法的缺点是不能模拟水波。
（四）基于光与影的处理方法
这种方法把注意力集中在如何模拟光线与水流的作用效果上。光线照射在水的表面上，会发生反射和折射，在水池底和边岸等处形成阴影与亮圈，这些阴影与亮圈因为水波的运动而闪动，形成了复杂的光影现象。
四、利用虚拟现实平台防止城市水灾的发展
传统的治理模式，首先从城市排水系统着手，不断加粗排水管网的直径，典型特征便是“拉链路”的不断产生，以求尽快将水排至河道。然而，河道水位上升会使排水管网受到顶托，甚至倒灌，于是转而采取各种雨水蓄滞的措施，如修建储水池、雨水调节池等等。不过，因为高昂的成本和雨水利用率过低，并未得到推广。最终，治理的观念转为寻求“蓄排兼筹”，利用各种雨水渗透技术，并尽可能使雨水下渗，回补地下水，实现雨洪资源化，达到水资源的生态平衡。
虚拟现实平台可以与城市水灾的信息发布系统相结合使用。每当灾害来临，可以预先开展各种量级降雨的洪水或内涝风险分析，推测洪水淹没区或内涝积水点的分布及淹没水深。市民根据灾害风险评估，避免受灾情况的突发。
参考文献
1. 周丽琨《虚拟现实系统中不规则形体的几何表现》武汉理工大学.2003年.
2. 周德闯《基于虚拟现实平台的火灾场景计算与仿真研究》.中国科学技术大学.2009年.
3. 莫伟丽《地铁车站水浸过程数值模拟及避灾对策研究》.浙江大学.2010年.
4. 朱 波，曲丹妮 《大城市如何应对城市型水灾》.光明日报.2012年.
5. 高明向《虚拟环境中球形物体的动力学行为建模及其应用研究》.武汉理工大学.2008年.