系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

系統(tǒng)仿真技術(shù)

所謂仿真就是建立系統(tǒng)的模型（數(shù)學(xué)模型、物理效應(yīng)模型或數(shù)學(xué)-物理效應(yīng)模型），并在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術(shù)系統(tǒng)，如土木、機(jī)械、電子、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等，也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)。仿真技術(shù)的實(shí)質(zhì)也就是進(jìn)行建模、實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的。控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)出現(xiàn)及計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，則為仿真提供了強(qiáng)有力的手段和工具。因此，計(jì)算機(jī)仿真在仿真中占有越來(lái)越重要的地位。

仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因是它帶來(lái)了重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為：對(duì)已有系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)采用仿真技術(shù)；對(duì)尚未有的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，利用仿真模型作為觀測(cè)器，給用戶提供有關(guān)系統(tǒng)過(guò)去的、現(xiàn)在的、甚至是未來(lái)的信息，以便用戶實(shí)時(shí)作出正確的決策。

在系統(tǒng)運(yùn)行前，利用仿真模型作為預(yù)測(cè)器，向用戶提供系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修 訂計(jì)劃或決策；利用仿真模型作為訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)操縱人員或管理人員。在工程領(lǐng)域仿真技術(shù)可以降低系統(tǒng)的研制成本，可以提高系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和訓(xùn)練過(guò)程的安全。

一般認(rèn)為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統(tǒng)仿真技術(shù)中，一個(gè)仿真系統(tǒng)要首先建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一次仿真模型，然后再改寫(xiě)成適合計(jì)算機(jī)處理的形式——仿真模型。仿真模型可以說(shuō)是系統(tǒng)二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書(shū)寫(xiě)相應(yīng)的程序。

仿真基本上是一種通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)求解的技術(shù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)要了解系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過(guò)程，此外，為了對(duì)仿真模型進(jìn)行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進(jìn)行多次運(yùn)行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機(jī)交互性是系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要特性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門(mén)嶄新的綜合性信息技術(shù)，是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境--虛擬環(huán)境，用戶投入這種環(huán)境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，從而也大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在建筑、教育培訓(xùn)、醫(yī)療、軍事模擬、科學(xué)和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用，漸已成為21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)。

• 依托學(xué)科的高度綜合化
  
• 人的臨場(chǎng)化
  
• 系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化
  
• 數(shù)據(jù)表示的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大容量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倩c數(shù)據(jù)處理的分布式和并行化

  正是這些特征，使操作者沉浸其中，并通過(guò)多種媒體對(duì)感官的刺激，對(duì)所需解決的問(wèn)題有了清晰和直觀的認(rèn)識(shí)，從而，也使模型的建立和驗(yàn)證更加方便。

  系統(tǒng)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合

  傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)很少研究人的感知模型的仿真，因而無(wú)法模擬人對(duì)外界環(huán)境的感知(聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)) 隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、傳感技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬外界環(huán)境對(duì)人的感官刺激開(kāi)始成為可能。事實(shí)證明，人類(lèi)對(duì)于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行仿真模型的建立和實(shí)驗(yàn)的模擬，使仿真的過(guò)程和結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)圖象化、可視化，使仿真的系統(tǒng)具有了三維、實(shí)時(shí)交互、屬性提取等特征，極大地促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加具有生命力。

  仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

  在結(jié)構(gòu)工程中，仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于如下幾個(gè)方面：

  在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用
  工程結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的反應(yīng)，其破壞特征和極限承載力是人們所關(guān)心的。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式特殊，荷載及材料特性復(fù)雜時(shí)，人們往往求助于模型試驗(yàn)來(lái)測(cè)定其受力性能，但模型試驗(yàn)往往受到場(chǎng)地和設(shè)備的限制，只能做小比例模型試驗(yàn)，難以完全反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。若用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，則可以進(jìn)行足尺寸的試驗(yàn)，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行直接試驗(yàn)，用計(jì)算機(jī)模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性，如建筑物及構(gòu)筑物在地震作用下的倒塌分析，橋梁受到汽車(chē)高速碰撞的檢驗(yàn)試驗(yàn)等只有采用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，分析才能大量進(jìn)行。又如在高速荷載作用下，結(jié)構(gòu)反應(yīng)很快，人們?cè)谡鎸?shí)試驗(yàn)中只能觀察到最終結(jié)果，而不能觀察試驗(yàn)的全過(guò)程。如果采用計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)，則可觀察其破壞的全過(guò)程，便于破壞機(jī)理的研究。對(duì)于長(zhǎng)期的徐變過(guò)程則可在模擬中加快其變化過(guò)程，讓人們清楚地看到其過(guò)程。在運(yùn)用傳統(tǒng)的有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的結(jié)果通常采用內(nèi)力圖等力線的形式描繪出來(lái)，給人以直觀的印象。利用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以通過(guò)顏色的深淺給出三維物體中各點(diǎn)力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面;也可以任意變換角度，從任何點(diǎn)去觀察。還可以利用VR的交互性能，實(shí)時(shí)修改各種數(shù)據(jù)，以便對(duì)各種方案及結(jié)果進(jìn)行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。

  在巖土工程中的應(yīng)用
  巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可把內(nèi)部過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，有很大實(shí)用價(jià)值。例如，地下工程開(kāi)挖經(jīng)常會(huì)塌方冒項(xiàng)。根據(jù)地質(zhì)勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節(jié)理的走向密度，通過(guò)小型試驗(yàn)，可以確定巖體本身的力學(xué)性能及巖體夾層界面的力學(xué)特性、強(qiáng)度條件，并存入計(jì)算機(jī)中。

  在數(shù)值模型中，除了有限元方法外，還可采用分離單元。分離單元在平衡狀態(tài)下的性能與有限元相仿，而當(dāng)它失去平衡時(shí)，則在外力和重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題時(shí)，可以把節(jié)理斷層劃分為許多離散單元。這一過(guò)程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來(lái)，最終可以看到塌方的區(qū)域及范圍，這就為支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

  防災(zāi)工程中的應(yīng)用
  長(zhǎng)期以來(lái)，人類(lèi)一直與洪水、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害進(jìn)行著堅(jiān)持不懈的斗爭(zhēng)。由于自然災(zāi)害的原型重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的，因而仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用就更有意義。目前已有不少抗災(zāi)、防災(zāi)的模擬仿真系統(tǒng)制作成功，例如洪水泛濫淹沒(méi)區(qū)的洪水發(fā)展過(guò)程演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)先存儲(chǔ)了泛濫區(qū)的地形地貌和地物，有高程數(shù)據(jù)可確定等高線，只要輸入洪水標(biāo)準(zhǔn)(如百年一遇的洪水)及預(yù)定河堤決口位置，計(jì)算機(jī)就可根據(jù)水量、流速區(qū)域面積及高程數(shù)據(jù)算出不同時(shí)刻的淹沒(méi)地區(qū)，并在顯示器和大型屏幕上顯示出來(lái)。人們從屏幕上可以看到水勢(shì)從低處向高處逐漸淹沒(méi)的過(guò)程，這樣對(duì)防洪規(guī)劃以及遭遇洪水時(shí)指導(dǎo)人員疏散是很有作用的。又如在火災(zāi)方面，對(duì)森林火災(zāi)的蔓延，建筑物中火災(zāi)的傳播均已開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的模擬仿真系統(tǒng)，這對(duì)消防工程起到了很好的指導(dǎo)作用。

  在模擬施工過(guò)程中的應(yīng)用
  建筑施工是復(fù)雜的大型的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、架設(shè)鋼筋、澆注、振搗、拆模、養(yǎng)護(hù)等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關(guān)系復(fù)雜，直接影響著混凝土澆筑的進(jìn)程。模擬施工過(guò)程是為了通過(guò)仿真手段，去發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工中存在的問(wèn)題或可能出現(xiàn)的問(wèn)題，這就需要對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行仿真。而目前施工過(guò)程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過(guò)程，即按樓層關(guān)系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的模擬。現(xiàn)有的模擬只是對(duì)進(jìn)度計(jì)劃起到了一定作用，并沒(méi)有對(duì)施工過(guò)程起到真正的作用。基于以上原因，需對(duì)施工過(guò)程建立合適的模型，以達(dá)到模擬仿真的效果。例如，大型水利樞紐混凝土在運(yùn)輸澆筑系統(tǒng)的模擬仿真模型，是由運(yùn)輸子系統(tǒng)和澆注子系統(tǒng)構(gòu)成的，模型是按進(jìn)程交互的仿真策略建立的，按這種條件建立的模型能與仿真程序間保持緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系，程序所要模仿的行為比較 直觀、清晰。程序流程直接與模型結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。

  另外，仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)，還可應(yīng)用在建筑系統(tǒng)工程管理、建筑信息管理、建筑物及構(gòu)筑物的空氣流場(chǎng)、空氣品質(zhì)分析等方面。

  我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，有著大量繁重的基本建設(shè)任務(wù)，特別是在十五計(jì)劃綱要中，提出進(jìn)一步加強(qiáng)水利交通、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略。這一大好形勢(shì)，為結(jié)構(gòu)工程高新技術(shù)的信息化和集成化，為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為結(jié)構(gòu)工程高新技術(shù)之一，開(kāi)創(chuàng)了結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的新紀(jì)元，其技術(shù)潛力巨大、應(yīng)用前景十分廣闊。