系統仿真與虛擬現實技術在結構工程中的應用

系統仿真技術

所謂仿真就是建立系統的模型（數學模型、物理效應模型或數學-物理效應模型），并在模型上進行實驗和研究一個存在的或設計中的系統。這里的系統包括技術系統，如土木、機械、電子、水力、聲學、熱學等，也包括社會、經濟、生態、生物和管理系統等非技術系統。仿真技術的實質也就是進行建模、實驗?，F代仿真技術的發展是與控制工程、系統工程及計算機技術的發展密切相關聯的。控制工程和系統工程的發展促進了仿真技術的廣泛應用，而計算機出現及計算技術的迅猛發展，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。

仿真技術得以發展的主要原因是它帶來了重大的社會和經濟效益。系統仿真的應用大致可分為：對已有系統進行分析時采用仿真技術；對尚未有的系統進行設計時采用仿真技術；在系統運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關系統過去的、現在的、甚至是未來的信息，以便用戶實時作出正確的決策。

在系統運行前，利用仿真模型作為預測器，向用戶提供系統運行起來后，可能產生什么現象，以便用戶修 訂計劃或決策；利用仿真模型作為訓練器，訓練系統操縱人員或管理人員。在工程領域仿真技術可以降低系統的研制成本，可以提高系統實驗、調試和訓練過程的安全。

一般認為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統仿真技術中，一個仿真系統要首先建立起系統的數學模型一次仿真模型，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二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應的程序。

仿真基本上是一種通過實驗來求解的技術。通過仿真實驗要了解系統中各變量之間的關系，要觀察系統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果優化，還必須進行多次運行，系統優化等工作，因此，良好的人機交互性是系統仿真的一個重要特性。

虛擬現實技術

虛擬現實技術是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境--虛擬環境，用戶投入這種環境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，從而也大大推進了計算機技術的發展。目前，虛擬現實技術已在建筑、教育培訓、醫療、軍事模擬、科學和金融可視化等方面獲得了應用，漸已成為21世紀廣泛應用的一種新技術。

• 依托學科的高度綜合化
  
• 人的臨場化
  
• 系統或環境的大規模集成化
  
• 數據表示的多樣化和標準化，數據存儲的大容量、數據傳輸的高速化與數據處理的分布式和并行化

  正是這些特征，使操作者沉浸其中，并通過多種媒體對感官的刺激，對所需解決的問題有了清晰和直觀的認識，從而，也使模型的建立和驗證更加方便。

  系統仿真技術與虛擬現實技術的結合

  傳統的系統仿真技術很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環境的感知(聽覺、視覺、觸覺) 隨著多媒體技術、計算機動畫、傳感技術的發展，計算機模擬外界環境對人的感官刺激開始成為可能。事實證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠遠大于數字和文字等抽象信息的理解能力。將仿真技術與虛擬現實技術相結合，利用虛擬現實技術進行仿真模型的建立和實驗的模擬，使仿真的過程和結果可以實現圖象化、可視化，使仿真的系統具有了三維、實時交互、屬性提取等特征，極大地促進了仿真技術的發展，同時也使虛擬現實技術更加具有生命力。

  仿真與虛擬現實技術在結構工程中的應用

  在結構工程中，仿真與虛擬現實技術已經應用于如下幾個方面：

  在工程結構分析中的應用
  工程結構在各種荷載作用下的反應，其破壞特征和極限承載力是人們所關心的。當結構形式特殊，荷載及材料特性復雜時，人們往往求助于模型試驗來測定其受力性能，但模型試驗往往受到場地和設備的限制，只能做小比例模型試驗，難以完全反映結構的實際情況。若用仿真與虛擬現實技術，則可以進行足尺寸的試驗，還可以很方便地修改參數。此外，有些結構難于進行直接試驗，用計算機模擬仿真就更能體現出優越性，如建筑物及構筑物在地震作用下的倒塌分析，橋梁受到汽車高速碰撞的檢驗試驗等只有采用仿真與虛擬現實技術，分析才能大量進行。又如在高速荷載作用下，結構反應很快，人們在真實試驗中只能觀察到最終結果，而不能觀察試驗的全過程。如果采用計算機模擬仿真試驗，則可觀察其破壞的全過程，便于破壞機理的研究。對于長期的徐變過程則可在模擬中加快其變化過程，讓人們清楚地看到其過程。在運用傳統的有限元法進行結構分析時，結構應力的結果通常采用內力圖等力線的形式描繪出來，給人以直觀的印象。利用仿真與虛擬現實技術則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面;也可以任意變換角度，從任何點去觀察。還可以利用VR的交互性能，實時修改各種數據，以便對各種方案及結果進行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。

  在巖土工程中的應用
  巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現實技術則可把內部過程展現出來，有很大實用價值。例如，地下工程開挖經常會塌方冒項。根據地質勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節理的走向密度，通過小型試驗，可以確定巖體本身的力學性能及巖體夾層界面的力學特性、強度條件，并存入計算機中。

  在數值模型中，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下的性能與有限元相仿，而當它失去平衡時，則在外力和重力作用下產生運動直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結構，邊坡穩定等問題時，可以把節理斷層劃分為許多離散單元。這一過程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來，最終可以看到塌方的區域及范圍，這就為支護設計提供了可靠依據。

  防災工程中的應用
  長期以來，人類一直與洪水、火災、地震等自然災害進行著堅持不懈的斗爭。由于自然災害的原型重復實驗幾乎是不可能的，因而仿真與虛擬現實技術在這一領域的應用就更有意義。目前已有不少抗災、防災的模擬仿真系統制作成功，例如洪水泛濫淹沒區的洪水發展過程演示系統。該系統預先存儲了泛濫區的地形地貌和地物，有高程數據可確定等高線，只要輸入洪水標準(如百年一遇的洪水)及預定河堤決口位置，計算機就可根據水量、流速區域面積及高程數據算出不同時刻的淹沒地區，并在顯示器和大型屏幕上顯示出來。人們從屏幕上可以看到水勢從低處向高處逐漸淹沒的過程，這樣對防洪規劃以及遭遇洪水時指導人員疏散是很有作用的。又如在火災方面，對森林火災的蔓延，建筑物中火災的傳播均已開發出相應的模擬仿真系統，這對消防工程起到了很好的指導作用。

  在模擬施工過程中的應用
  建筑施工是復雜的大型的動態系統，它通常包括立模、架設鋼筋、澆注、振搗、拆模、養護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關系復雜，直接影響著混凝土澆筑的進程。模擬施工過程是為了通過仿真手段，去發現實際施工中存在的問題或可能出現的問題，這就需要對實際施工進行仿真。而目前施工過程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過程，即按樓層關系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實現對施工過程的模擬?，F有的模擬只是對進度計劃起到了一定作用，并沒有對施工過程起到真正的作用?；谝陨显?，需對施工過程建立合適的模型，以達到模擬仿真的效果。例如，大型水利樞紐混凝土在運輸澆筑系統的模擬仿真模型，是由運輸子系統和澆注子系統構成的，模型是按進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應關系，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構和系統狀態相對應。

  另外，仿真與虛擬現實技術在結構工程領域內，還可應用在建筑系統工程管理、建筑信息管理、建筑物及構筑物的空氣流場、空氣品質分析等方面。

  我國是一個發展中國家，有著大量繁重的基本建設任務，特別是在十五計劃綱要中，提出進一步加強水利交通、能源等基礎設施建設和西部大開發戰略。這一大好形勢，為結構工程高新技術的信息化和集成化，為結構工程學科及相關學科的發展提供了良好的機遇。仿真與虛擬現實技術作為結構工程高新技術之一，開創了結構工程學科的新紀元，其技術潛力巨大、應用前景十分廣闊。