土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)


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經(jīng)濟和技術(shù)的高速發(fā)展為土木工程科技提供了優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。目前，土木工程領(lǐng)域信息化與集成環(huán)境的研究與技術(shù)競爭已經(jīng)在全球展開。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合性與集成性極強的高新技術(shù)，在航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計、藝術(shù)、文化娛樂等多個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
　　對建立用戶能夠沉侵其中、超越其上、自如時實交互的多維信息系統(tǒng)的追求，推動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中發(fā)展和應(yīng)用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及土木工程領(lǐng)域的各個學(xué)科，現(xiàn)已顯示出一定的實用性，技術(shù)潛力十分巨大，應(yīng)用前景非常廣闊。本文將從下列6個方面，介紹土木工程中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。
　　1．土木工程仿真建模中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)：包括抗災(zāi)與防災(zāi)的模擬仿真系統(tǒng)；巖土工程中的模擬仿真系統(tǒng)；項目管理系統(tǒng)；投標決策系統(tǒng)；工程結(jié)構(gòu)分析的模擬仿真系統(tǒng)；施工過程的模擬仿真系統(tǒng)；土木工程中的專家系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的集成等；
　　2．建筑　CAD中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)：包括城市規(guī)劃、工程項目規(guī)劃；建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計；項目管理；室內(nèi)裝飾；建筑機械設(shè)計等；
　　3．建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工過程的可視化計算：包括建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的可視化計算；建筑物、大型結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗的可視化計算；結(jié)構(gòu)有限元分析的可視化計算；施工過程模擬的可視化計算等；
　　4．建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的先期技術(shù)成果演示和驗證技術(shù)：包括大型的公共建筑項目或比較重要的建筑(如車站、新機場、橋梁、港口、大壩、核電站等大型工程)、城市規(guī)劃設(shè)計方案、城市交通布局設(shè)計方案、建筑物室內(nèi)設(shè)計、布置和裝飾效果的先期演示、驗證；建筑設(shè)計成果、結(jié)構(gòu)設(shè)計成果的先期演示、驗證等；
　　5．建筑機器人中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)：包括表面修整機器人；隧道工程用機器人；挖掘用機器人；組裝機器人；檢查用機器人；放射性混凝土切割機器人等；
　　6．建筑、結(jié)構(gòu)藝術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

1　引言
　　我國是一個發(fā)展中的國家，有大量繁重的基本建設(shè)任務(wù)。人口城市化已成為不可逆的總趨勢，而人口城市化的比例已成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的一個重要指標。我國目前的城市人口約占總?cè)丝诘?6.4%左右; 估計到2000年，全國城市將發(fā)展到580個左右，城市人口可達到33%。據(jù)統(tǒng)計資料，一個發(fā)展中國家的城市人口達到30%左右時，整個國家的經(jīng)濟會有一個飛躍。依據(jù)這個規(guī)律，我國在本世紀末將會出現(xiàn)國民經(jīng)濟的大飛躍，預(yù)計到2020年，全國城市將會發(fā)展到1100個左右，城市人口可達到50%?？紤]到我國的總?cè)藬?shù)和四化建設(shè)的規(guī)模，應(yīng)該說我們正從事的是世界上最大規(guī)模的基本建設(shè)，而且正處在一個經(jīng)濟大飛躍的前夕。這種發(fā)展將為土木工程各學(xué)科提供優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。這一優(yōu)勢，甚至西方國家目前也不具備。這一大好形勢為我國土木工程科技工作者提供了空前難得的向國際水平?jīng)_擊的良好機遇，同時，如何把握住世紀之交時土木工程學(xué)科的發(fā)展趨勢，開創(chuàng)土木工程學(xué)科的新紀元，是對我們這些跨世紀一代人的嚴峻挑戰(zhàn)。
　　在上述形勢下，開創(chuàng)土木工程高新技術(shù)的信息化與集成環(huán)境的新紀元的研究與技術(shù)競爭已經(jīng)開始，誰先成功地掌握和運用土木工程高新技術(shù)的信息化與集成環(huán)境技術(shù)，誰就能在國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)——建筑業(yè)的國際競爭和土木工程學(xué)科的發(fā)展中取得優(yōu)勢。作為土木工程科技工作者，我們深受這一大好形勢的鼓舞，非常強烈地感受到了信息時代對各個學(xué)科、特別是對土木工程學(xué)科發(fā)展所帶來的迅猛沖擊。感到與其被動地等待信息革命的浪潮撲來，不如因勢利導(dǎo)、沖在信息革命浪潮的風(fēng)口浪尖上，積極主動地推動中國土木工程的信息化與集成化。我們應(yīng)當(dāng)抓住當(dāng)前這一大好時機，組織全國的科研力量，投入人力和物力，研究與開發(fā)土木工程的高新技術(shù)，以促進我國土木工程學(xué)科和建筑業(yè)的發(fā)展。我們在這里介紹的虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是土木工程高新技術(shù)的其中之一。
　　虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality－VR)，有時也稱為靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界(Virtual World)的計算機系統(tǒng)。虛擬世界是全體虛擬環(huán)境(Virtual Environment)或給定仿真對象的全體。虛擬環(huán)境是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的感覺的交互式視景仿真，因而一個身臨其境的虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由包括計算機圖形學(xué)、圖象處理與模式識別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、語音處理與音像技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計算機系統(tǒng)等不同功能、不同層次的具有相當(dāng)規(guī)模的子系統(tǒng)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合性極強的高新信息技術(shù)，在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計、藝術(shù)、娛樂等很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
　　正是由于對身臨其境的真實感和對超越現(xiàn)實的虛擬性的追求，以及建立個人能夠沉浸其中，超越其上進出自如交互作用的多維信息系統(tǒng)推動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用。土木工程中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)涉及土木工程的各個學(xué)科，已顯示出一定的實用性，而且技術(shù)潛力巨大，應(yīng)用前景十分廣闊。
2　虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真與建模中的應(yīng)用
2.1　傳統(tǒng)的仿真與建模
　　仿真(Simulation)是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術(shù)系統(tǒng)，如土木、電氣、機械、機電、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等，也包括社會、經(jīng)濟、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)。仿真技術(shù)的實質(zhì)也就是進行建模、實驗?，F(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計算機技術(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)展促進了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計算機出現(xiàn)及計算技術(shù)的發(fā)展，則為仿真提供了強有力的手段和工具。因此，計算機仿真在仿真中占有越來越重要的地位。
　　仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因是它帶來了重大的社會和經(jīng)濟效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為：對已有系統(tǒng)進行分析時采用仿真技術(shù)；對尚未有的系統(tǒng)進行設(shè)計時采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關(guān)系統(tǒng)過去的、現(xiàn)在的、甚至是未來的信息，以便用戶實時作出正確的決策；在系統(tǒng)運行前，利用仿真模型作為預(yù)測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象，以便用戶修訂計劃或決策；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。對于工程領(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)實驗、調(diào)試和訓(xùn)練過程的安全性；對于非工程領(lǐng)域，仿真技術(shù)作為研究系統(tǒng)的必要手段，可以盡可能地避免直接實驗。
　　建立模型(建模)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，然后再改寫成適合計算機處理的形式—仿真模型。仿真模型可以說是系統(tǒng)的二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應(yīng)的程序。
　　仿真基本上是一種通過實驗來求解的技術(shù)。通過仿真實驗要了解系統(tǒng)中變量之間的關(guān)系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過程，此外，為了對仿真模型進行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進行多次運行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機交互性是系統(tǒng)仿真的一個重要特性。
　　仿真技術(shù)最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，近年來在機械制造、電氣、水力、社會、經(jīng)濟、生態(tài)、生物等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在土木工程中計算機仿真已經(jīng)應(yīng)用于如下幾個方面：
　　在防災(zāi)工程中的應(yīng)用：長期以來，人類一直與洪水、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害進行著堅持不懈的斗爭。由于自然災(zāi)害的原型重復(fù)實驗幾乎是不可能的，因而計算機仿真在這一領(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，例如洪水泛濫淹沒區(qū)的洪水發(fā)展過程演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)先存儲了泛濫區(qū)的地形地貌和地物，有高程數(shù)據(jù)