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1、土木工程中的虚拟现实技术 经济和技术的高速发展为土木工程科技提供了优良的发展环境。目前，土木工程领域信息化与集成环境的研究与技术竞争已经在全球展开。虚拟现实技术是综合性与集成性极强的高新技术，在航空航天、军事、医学、设计、艺术、文化娱乐等多个领域都得到了广泛的应用。 对建立用户能够沉侵其中、超越其上、自如时实交互的多维信息系统的追求，推动了虚拟现实技术在土木工程中发展和应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程领域的各个学科，现已显示出一定的实用性，技术潜力十分巨大，应用前景非常广阔。本文将从下列6个方面，介绍土木工程中虚拟现实技术的研究现状和发展前景。 1土木工程仿真建模中的虚拟现实技术：包
2、括抗灾与防灾的模拟仿真系统；岩土工程中的模拟仿真系统；项目管理系统；投标决策系统；工程结构分析的模拟仿真系统；施工过程的模拟仿真系统；土木工程中的专家系统与仿真系统的集成等；2建筑CAD中的虚拟现实技术：包括城市规划、工程项目规划；建筑设计与结构设计；项目管理；室内装饰；建筑机械设计等；3建筑、结构设计与施工过程的可视化计算：包括建筑设计与结构设计的可视化计算；建筑物、大型结构的风洞试验的可视化计算；结构有限元分析的可视化计算；施工过程模拟的可视化计算等；4建筑、结构设计与施工的先期技术成果演示和验证技术：包括大型的公共建筑项目或比较重要的建筑(如车站、新机场、桥梁、港口、大坝、核电站等大型工
3、程)、城市规划设计方案、城市交通布局设计方案、建筑物室内设计、布置和装饰效果的先期演示、验证；建筑设计成果、结构设计成果的先期演示、验证等；5建筑机器人中的虚拟现实技术：包括表面修整机器人；隧道工程用机器人；挖掘用机器人；组装机器人；检查用机器人；放射性混凝土切割机器人等；6建筑、结构艺术与虚拟现实技术。1引言 我国是一个发展中的国家，有大量繁重的基本建设任务。人口城市化已成为不可逆的总趋势，而人口城市化的比例已成为衡量一个国家经济发展水平的一个重要指标。我国目前的城市人口约占总人口的26.4%左右; 估计到2000年，全国城市将发展到580个左右，城市人口可达到33%。据统计资料，一个发展中
4、国家的城市人口达到30%左右时，整个国家的经济会有一个飞跃。依据这个规律，我国在本世纪末将会出现国民经济的大飞跃，预计到2020年，全国城市将会发展到1100个左右，城市人口可达到50%。考虑到我国的总人数和四化建设的规模，应该说我们正从事的是世界上最大规模的基本建设，而且正处在一个经济大飞跃的前夕。这种发展将为土木工程各学科提供优良的发展环境。这一优势，甚至西方国家目前也不具备。这一大好形势为我国土木工程科技工作者提供了空前难得的向国际水平冲击的良好机遇，同时，如何把握住世纪之交时土木工程学科的发展趋势，开创土木工程学科的新纪元，是对我们这些跨世纪一代人的严峻挑战。在上述形势下，开创土木工程
5、高新技术的信息化与集成环境的新纪元的研究与技术竞争已经开始，谁先成功地掌握和运用土木工程高新技术的信息化与集成环境技术，谁就能在国民经济支柱产业建筑业的国际竞争和土木工程学科的发展中取得优势。作为土木工程科技工作者，我们深受这一大好形势的鼓舞，非常强烈地感受到了信息时代对各个学科、特别是对土木工程学科发展所带来的迅猛冲击。感到与其被动地等待信息革命的浪潮扑来，不如因势利导、冲在信息革命浪潮的风口浪尖上，积极主动地推动中国土木工程的信息化与集成化。我们应当抓住当前这一大好时机，组织全国的科研力量，投入人力和物力，研究与开发土木工程的高新技术，以促进我国土木工程学科和建筑业的发展。我们在这里介绍的
6、虚拟现实技术就是土木工程高新技术的其中之一。虚拟现实(Virtual RealityVR)，有时也称为灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境(Virtual Environment)或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的感觉的交互式视景仿真，因而一个身临其境的虚拟环境系统是由包括计算机图形学、图象处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音像技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的具有相当规模的子系统所构成的大型综合集成环
7、境，所以虚拟现实技术是综合性极强的高新信息技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等很多领域都得到了广泛的应用。正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性的追求，以及建立个人能够沉浸其中，超越其上进出自如交互作用的多维信息系统推动了虚拟现实技术在土木工程中的发展与应用。土木工程中的虚拟现实技术涉及土木工程的各个学科，已显示出一定的实用性，而且技术潜力巨大，应用前景十分广阔。2虚拟现实技术在仿真与建模中的应用 2.1传统的仿真与建模仿真(Simulation)是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。这里的系统包括技术系统，如土木、电气、机械、机电、水力、声学、热学等，也包括社会、经
8、济、生态、生物和管理系统等非技术系统。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。仿真技术得以发展的主要原因是它带来了重大的社会和经济效益。系统仿真的应用大致可分为：对已有系统进行分析时采用仿真技术；对尚未有的系统进行设计时采用仿真技术；在系统运行时，利用仿真模型作为观测器，给用户提供有关系统过去的、现在的、甚至是未来的信息，以便用户实时作出正确的决策；在系统运行前，利用仿
9、真模型作为预测器，向用户提供系统运行起来后，可能产生什么现象，以便用户修订计划或决策；利用仿真模型作为训练器，训练系统操纵人员或管理人员。对于工程领域仿真技术可以降低系统的研制成本，可以提高系统实验、调试和训练过程的安全性；对于非工程领域，仿真技术作为研究系统的必要手段，可以尽可能地避免直接实验。建立模型(建模)是仿真的第一步，也是十分重要的一步。传统仿真技术中，一个仿真系统要首先建立起系统的数学模型一次仿真模型，然后再改写成适合计算机处理的形式仿真模型。仿真模型可以说是系统的二次近似模型。建立起仿真模型后，才能书写相应的程序。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中变量
10、之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。仿真技术最早应用于航空航天领域，近年来在机械制造、电气、水力、社会、经济、生态、生物等各个领域都得到了广泛的应用。在土木工程中计算机仿真已经应用于如下几个方面：在防灾工程中的应用：长期以来，人类一直与洪水、火灾、地震等自然灾害进行着坚持不懈的斗争。由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的，因而计算机仿真在这一领域的应用就更有意义。目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统制作成功，例如洪水泛滥淹没区的洪水发展过程演示系统。该系统预
11、先存储了泛滥区的地形地貌和地物，有高程数据可确定等高线，只要输入洪水标准(如百年一遇的洪水)及预定河堤决口位置，计算机就可根据水量、流速区域面积及高程数据算出不同时刻的淹没地区，并在显示器和大型屏幕上显示出来。人们从屏幕上可以看到水势从低处向高处逐渐淹没的过程，这样对防洪规划以及遭遇洪水时指导人员疏散是很有作用的。又如在火灾方面，对森林火灾的蔓延，建筑物中火灾的传播均已开发出相应的模拟仿真系统，这对消防工程起到了很好的指导作用。在岩土工程中的应用：岩土工程处于地下，往往难于直接观察，而计算机仿真则可把内部过程展现出来，有很大实用价值。例如，地下工程开挖经常会塌方冒项。根据地质勘察，我们可以知道
12、断层、裂隙和节理的走向密度，通过小型试验，可以确定岩体本身的力学性能及岩体夹层界面的力学特性、强度条件，并存入计算机中。在数值模型中，除了有限元方法外，还可采用分离单元。分离单元在平衡状态下的性能与有限元相仿，而当它失去平衡时，则在外力和重力作用下产生运动直到获得新的平衡为止。分析地下工程的围岩结构，边坡稳定等问题时，可以把节理断层划分为许多离散单元。这一过程可以在显示器和大型屏幕上显示出来，最终可以看到塌方的区域及范围，这就为支护设计提供了可靠依据。在建筑系统工程中的应用：在建筑系统工程中，如项目管理系统、投标决策系统，在数学上可归纳为一定约束条件下的优化模型，这种计算量往往十分巨大，模型也
13、很复杂，人工难于求解，而运用高速计算机可快速求出可行解。在复杂系统中，许多环节都具有随机性，我们可以在统计的基础上将随机事件概率引入仿真系统中，这样可以从仿真结果中得到相应的风险评价。在工程结构分析中的应用：工程结构在各种荷载作用下的反应，其破坏特征和极限承载力是人们所关心的。当结构形式特殊，荷载及材料特性复杂时，人们往往求助于模型试验来测定其受力性能，但模型试验往往受到场地和设备的限制，只能做小比例模型试验，难以完全反映结构的实际情况。若用计算机仿真技术，则可以进行足尺寸的试验，还可以很方便地修改参数。此外，有些结构难于进行直接试验，用计算机模拟仿真就更能体现出优越性，如核反应堆安全壳事故反
14、演分析，汽车高速碰墙的检验试验，地震作用下的构筑物倒塌分析等只有采用计算机模拟仿真，分析才能大量进行。又如在高速荷载作用下，结构反应很快，人们在真实试验中只能观察到最终结果，而不能观察试验的全过程。如果采用计算机模拟仿真试验，则可观察其破坏的全过程，便于破坏机理的研究。对于长期的徐变过程则可在模拟中加快其变化过程，让人们清楚地看到其过程。2.2基于虚拟现实技术的仿真与建模传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)。随着多媒体技术、计算机动画、传感技术的发展，计算机模拟外界环境对人的感官刺激开始成为可能。事实证明，人类对于图像、声音等感官信息
15、的理解能力远远大于数字和文字等抽象信息的理解能力。把虚拟现实技术引入系统模拟仿真的各个阶段，可使人沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，而不必在屏幕外面去观察仿真的结果，将使模型的建立和验证更加方便。虚拟现实技术主要体现在：计算机根据所建立的领域知识库和数据库运用人工智能、模式识别等技术，主控机构进行建模、学习、规划和计算。通过三维动画制作和显示头盔进行该领域的视觉模拟；通过传感机制和触觉手套来进行该领域的模拟；通过音响制作和音效卡进行声音模拟；通过机械控制和传动装置进行动感模拟。然后将人对这些感官刺激所作的动作反应反馈给主控机构，从而实时产生新的感觉模型的模拟。土木工程和人们的生活息息相关
16、，建立多维信息感知模型，并将其应用于仿真系统中对于这一行业具有重大意义。虚拟现实技术在土木工程仿真与建模中主要应用于：在减灾、防灾中的应用虚拟现实技术在减灾、防灾仿真建模中的应用已在积极尝试之中。1993年，英国的ColtVirtualReality公司开发了一个称为Vegas的火灾疏散演示设计模拟防真系统。该系统是基于DimensionInternational的Superscape虚拟现实系统而开发的，该系统的三维动画可以演示火灾时人员的疏散情况，并可以方便地修改各种参数。应用该系统对地铁、港口等典型建筑物火灾时的人员疏散情况进行了模拟仿真验证，取得了良好的效果。该系统使用户具有沉浸感，让用户能够亲身体验火灾时的感受，根据用户的描述，研究火灾时人们的心理表现。另外，还可以进行消防人员救火抢险的模拟训练，疏散人
