水利工程中数字孪生虚拟实体轻量化研究学术报告

作者及发表信息
本研究由孙少楠（华北水利水电大学）、董国玉（华北水利水电大学）、焦红波（华北水利水电大学）和李博宇（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司）合作完成，发表于《中国农村水利水电》（China Rural Water and Hydropower）2025年第1期，DOI编号为10.12396/znsd.240772。研究得到国家自然科学基金（72271091、52209018）和河南省重点研发与推广专项（182102210066）的资助。

学术背景
数字孪生（Digital Twin）技术近年来在水利工程领域快速发展，其核心是通过虚拟模型实时映射物理实体的状态，实现预测、预警和决策支持。然而，水利工程数字孪生面临数据量庞大（如某抽水蓄能电站BIM+GIS模型达39GB）、网络带宽和计算性能限制等问题，导致加载延迟和交互卡顿。现有研究多聚焦于数字孪生平台构建，但对轻量化（Light-weight）处理的理论和技术缺乏系统性探讨。本研究针对几何模型数据，提出改进的二次误差测度（Quadric Error Metrics, QEM）算法与低多边形（Low-poly）算法结合的轻量化方法，以水轮机导水机构为案例，探索不同精细度等级下的最优简化策略。

研究流程与方法
1. 问题定义与算法设计
- 轻量化必要性分析：从实时监测、数据共享和用户体验三方面论证轻量化需求，指出WebGL引擎下模型加载效率与精细度的矛盾。
- 算法改进：
- 改进QEM算法：在传统边折叠算法中引入顶点曲率和平展度因子（公式7-11），通过曲率加权优化折叠顺序，保留几何特征（如锐边、拐点）。
- Low-poly算法：分三阶段处理高简化率（>90%）场景：布尔运算生成视觉外壳、雕刻冗余结构、生成简化网格序列，避免模型破损。
- 精细度等级划分：将几何模型分为4级（G1-G4），对应不同业务需求（如G1为宏观规划，G4为高精度运维），明确各等级简化目标（表2）。

1. 实验实施
   
   • 研究对象：选择Inventor软件构建的水轮机导水机构模型（G4等级，面数168,416，文件大小12.4MB），转换为OBJ格式。
     
   • 简化处理：
     
     • 采用改进QEM算法逐步简化（10%-98%），记录面数、文件体积和加载时间。
       
     • 当简化率>70%时，切换至Low-poly算法处理极端简化需求。
       
   • 效果评估：通过三角网格完整性、视觉满意度等指标（表1）对比不同简化率下的模型质量，结合3ds Max展示效果（图7、图10）。

主要结果
1. 轻量化效率
- 文件体积随简化率提升显著降低，但边际效益递减（图8）。例如，简化40%时文件减小至原体积的35%，而98%简化后仅保留2%。
- 加载时间与简化率呈线性关系（图11）：G3（40%简化）加载时间减少35%，G1（98%简化）减少88%。

1. 算法性能对比

   • 改进QEM算法在中等简化率（≤70%）下表现优异，能保持几何特征（图10）；但在高简化率（98%）时出现网格破损（图9）。
     
   • Low-poly算法弥补了QEM的缺陷，在98%简化下仍能维持模型轮廓完整性，适用于流域级大场景（如G1需求）。
     

2. 精细度等级适配性

   • G3等级（设计运维）的简化上限为40%，此时模型细节（如导叶结构）仍清晰可辨；
     
   • G1等级（宏观规划）允许98%简化，仅需保留基础轮廓（图7）。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出融合曲率约束的改进QEM算法，解决了传统方法在特征保留与简化效率间的平衡问题。
- 建立水利工程数字孪生轻量化的分级标准（G1-G4），为行业提供了可量化的模型优化依据。

1. 应用价值：
   
   • 实际工程中，轻量化模型可降低存储成本60%以上（如G3等级），并提升Web端加载速度3倍，助力多端协同管理。
     
   • 算法可扩展至倾斜摄影、激光雷达等模型处理，支持智慧水利的轻量化数据底板构建。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将Low-poly算法引入水利工程领域，结合改进QEM实现全简化率覆盖。
2. 工程导向：以水轮机导水机构为案例，验证了算法在复杂金结模型中的实用性。
3. 多维度评估：综合文件体积、加载时间、视觉性能等指标，形成系统性轻量化评价体系。

其他贡献
研究开源了算法实现代码（未在文中详述），为后续研究提供了工具基础。未来可探索轻量化与LOD（Level of Detail）技术的结合，进一步优化动态加载效率。