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虚拟现实技术在仿真建模中的应用
2010年3月8日    评论:    分享:

    来源:北京神州普惠科技有限公司

     作者:清华大学土木工程系 张跃 张丛哲

  一、引言

  我国是一个迅速发展的国家,有大量繁重的基本建设任务,人口城市化已成为不可逆转的总趋势,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。

  目前,我国的城市人口约占总人口的26.4%左右。到2000年, 估计全国城市将发展到580个左右,城市人口可达到33%。据统计,如果一个发展中国家的城市人口占总人口的30%左右,那么整个国家的经济会有一个飞跃。依据这一规律,我国在本世纪末和下世纪初将是国民经济的大飞跃期,预计到2020年,全国城市将会发展到1100个左右,城市人口将达到50%。考虑到我国的总人数和建设的规模,应该说我们正从事的是世界上规模最大的基本建设,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一个优良的发展环境,这是西方国家目前所不具备的优势。这一大好形势也为我国土木工程科技工作者提供了一个空前难得的向国际水平冲击的良好机遇。同时,如何在世纪之交把握住土木工程学科的发展趋势,开创土木工程学科的新纪元,是对我们跨世纪一代人的严峻挑战。

  在此形势下,开创土木工程信息化与集成环境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。作为一名土木工程科技 工作者,在这一大好形势的鼓舞下,我们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浪潮的冲击,不 如因势利导,顺应信息革命浪潮,积极推动中国土木工程的信息化与集成化,以促进我国土 木工程学科和建筑业的发展。而虚拟现实技术就是土木工程高新技术的一种。

  虚拟现实(VR :Virtual Reality)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,使用户产生身临其境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、图像处理与 模式识别、智能接口、人工智能、多传感器、语音处理与音像、网络、并行处理等技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的子系统所构成的大型综合集成环境。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、娱乐等多个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,以及建立个人能够沉浸其中、 超越其上、进出自如、具有交互作用的多维信息系统的追求,推动了虚拟现实技术在土木 工程中的应用与发展。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。

  二、传统的仿真与建模

  仿真(Simulation)是通过对系统模型的实验,研究一个存在的或设计中的系统,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、经济、生态 、生物和管理等非技术系统。仿真技术的实质就是进行建模、实验。现代仿真技术的发 展与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用,而计算机的出现及计算技术的发展则为仿真提供了一个强有力 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。

  仿真技术发展的主要原因是它所带来的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,向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,利用仿真模型作为预测器, 向用户提供系统运行后可能产生的现象,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。工程领域应用仿真技术,可以降低系统的研制成本 ,提高系统实验、调试和训练过程的安全性;在非工程领域,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。在传统仿真技术中,要建立 一个仿真系统,首先要建立系统的数学模型(一次仿真模型),然后将其改写成适合计算机 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,了解系统中变量之间的关系,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构优化,还 必须进行多次运行及系统优化等工作,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:

  1. 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。对于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的,因而在这一领域应用计算机仿真就具有非比寻常 的意义。目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统研制成功,例如洪水泛滥淹没区的洪水 发展过程演示系统。该系统预先存储了泛滥区的地形、地貌和地物,由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等有很大帮助。又如在预防火灾方面,对森林火灾的蔓延、建筑物中火灾的传播等均已开发出相应的 模拟仿真系统,这对开展消防工作起到了很好的指导作用。

  2. 在岩土工程中的应用 岩土工程一般处于地下,往往难以直接观察,而计算机仿真则可把其内部过程展现出 来,具有很大的实用价值。例如,地下工程开挖经常会出现塌方、冒顶。根据地质勘察,我 们可以知道断层、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,还可采用分离单元的方法。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 的依据。

  3. 在建筑系统工程中的应用 建筑系统工程中的项目管理系统、投标决策系统等,在数学上可归纳为在一定约束条件下的优化模型,这时计算量往往十分巨大,模型也很复杂,人工难于求解,而运用高性能 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,这样就可以从仿真结果中得到相应的风险评价。

  4. 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及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。若采用计算机仿真技术,则可以进行足尺寸的试验,还可以方便地修改参数。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 事故反演分析,汽车高速碰墙的检验试验,地震作用下的建筑物倒塌分析等,只有采用计算 机模拟仿真,才能进行大量的分析实验。

  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,便于研 究破坏机理。对于长期的徐变过程则可在模拟中加快其变化过程,让研究人员清楚地看到其全过程。

  三、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、传感器技术的发展,用计算机模 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、声音等感官信息的 理解能力远远大于对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,而不再仅局限于从屏 幕上观察仿真的结果,从而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,由主控机构进行建模、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触觉模拟,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,从而实时产生对新的感觉模型的模拟。

  土木工程和人们的生活息息相关,建立多维信息感知模型,并将其应用于仿真系统中 ,对于这一行业的发展具有重大意义。虚拟现实技术在土木工程中主要应用于以下几个方面:

  1.减灾防灾

  虚拟现实技术在减灾、防灾仿真建模中的应用正在积极尝试之中。1993年,英国的C olt Virtual Reality公司开发了一个被称为Vegas的火灾疏散演示设计模拟仿真系统。该系统是基于Dimension International的Superscape虚拟现实系统环境而开发的。该系统以三维动画的形式演示发生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、港口等典型建筑物发生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发生时的感受,可以根据用户的 描述,研究火灾发生时人们的心理表现。另外,还可以进行消防人员救火抢险的模拟训练 和疏散人群的模拟训练,而不必采用真正点火的方法进行类似实验。通过普通用户的参与 ,可培养大众在火灾发生时良好的防灾意识,迅速离开火场或采取报警、营救等措施。类似的,我们还可以利用虚拟现实技术建立其他抗灾、防灾的仿真模型。

  2.模拟施工过程

  建筑施工是一项复杂的大型动态系统,它通常包括立模、架设钢筋、浇注、振捣、拆 模、养护等多道工序,而在这些工序中涉及的因素繁多,其间关系复杂,直接影响着混凝土 浇筑的进程。模拟施工过程的目的是通过仿真手段,发现实际施工中存在的问题或可能出 现的问题。而目前只能从几何形体方面模拟施工的过程,即按楼层关系由下而上,每一层 按柱、梁、板的几何形状加以着色来实现对施工过程的模拟。现有的模拟只是对进度计 划的安排发挥了一定作用,并没有对施工过程起到真正的指导作用。 基于以上原因,需要对施工过程建立合适的模型,以达到模拟仿真的效果。例如,大型 水利枢纽混凝土运输浇筑系统的模拟仿真模型是由运输子系统和浇注子系统构成的,模型是按进程交互的仿真策略建立的。按这种条件建立的模型能与仿真程序保持紧密的对应关系,程序所要模仿的行为比较直观、清晰。程序流程直接与模型结构和系统状态相对应。如果在其中引入虚拟现实技术,实现对施工过程的仿真模拟,并且通过人机接口(头盔、立体眼镜以及数据手套等)使决策者处于这一虚拟的环境之中,达到模拟施工过程和发现 问题的目的。

  3.建筑物性能评价

  目前在建筑界,有利于减轻手工工作量、加快设计进度的CAD软件广泛使用,其中有以 绘图为主的系统和以计算为主的系统。而作为性能评价用的CAD软件,虽然很早就有研究 成果,但在工程设计中应用得远不如前者普遍。主要原因是性能评价软件通常都有一套自己的数据结构,需要更多的输入设备,在使用上较为复杂,不易为设计部门所普遍接受。利 用虚拟现实技术可对此进行改进。

 

标签:仿真建模
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