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虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)在橋梁工程中的開發(fā)與應(yīng)用

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：將虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)進行開發(fā)，引入到實際鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，深入研究大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁整個施工過程的仿真，對不同施工組織設(shè)計進行優(yōu)化組合，具有可操作性強、人機交互功能。為我國大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工組織設(shè)計提供科學(xué)的理論方法，并對先進技術(shù)手段進行虛擬預(yù)演。提供橋梁從設(shè)計、制作、安裝全過程的動態(tài)可視化虛擬現(xiàn)實模型和工程動畫，指導(dǎo)工程施工和方案優(yōu)化，具有明顯的經(jīng)濟效益和科學(xué)進步意義，是虛擬現(xiàn)實在橋梁建設(shè)中創(chuàng)新性應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 鋼結(jié)構(gòu)工程 橋梁 動畫 預(yù)演 漫游

    1 引言
    隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，工程界各種專業(yè)性軟件的普及、應(yīng)用,結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算、施工圖繪制逐步實現(xiàn)計算機代替人工繪制，極大地提高了生產(chǎn)效率。但是平面模式的結(jié)構(gòu)施工圖紙,其在表現(xiàn)形式上的局限性是顯而易見的,只能面對專業(yè)的工程技術(shù)人員,復(fù)雜的線條和文字標(biāo)注以及表格,極易出現(xiàn)識圖錯誤,例如,在橋梁結(jié)構(gòu)中幾千個不同部位桿件尺寸等。應(yīng)用AUTODESK-CIVIL3D、3D Max等軟件雖然能實現(xiàn)三維模型表現(xiàn)和工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)造的描述，但在顯示器觀察時只能展示結(jié)構(gòu)的一個角度或一個側(cè)面。
    在以往為了實現(xiàn)對構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行深入觀察，主要采用瀏覽動畫的方式,但這種動畫的可操作性、人機交互性較差,無法直觀描述構(gòu)件的細部情況，對施工過程的受力變形情況更是難以表現(xiàn)出來。因此，如何實現(xiàn)真正意義上的三維建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式、模擬結(jié)構(gòu)受力變形[1]是現(xiàn)代工程設(shè)計表現(xiàn)的一個新議題。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合到橋梁工程中，人們可以自由地與虛擬環(huán)境中的場景對象交互，產(chǎn)生了一種身臨其境的感覺，從而為橋梁的設(shè)計者、施工者與決策者提供了可視化的決策工具。

    2.虛擬現(xiàn)實的概念及現(xiàn)狀
    2.1概念
    虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)。VR是一項綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者，通過適當(dāng)裝置自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。
    概括地說，虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。
    2.2虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵特征
    虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵特征[2]是：
    （1）沉浸感（Immersion）
    又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，所達到的最高境界就是：環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。
    （2）交互性（Interactivity）
    指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。
    （3）構(gòu)想性（Imagination）
    強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。
    2.3虛擬現(xiàn)實的分類
    虛擬現(xiàn)實技術(shù)是通過一些特殊的外部設(shè)備來實現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可分為：
    (1)被動式虛擬現(xiàn)實 ：在三維環(huán)境中為用戶提供一個封閉的過程，行進路程和觀察對象由軟件嚴格、獨立地控制，用戶除了退出會話外，沒有其它控制權(quán)。
    (2)查詢式虛擬現(xiàn)實 ：提供一個通過三維環(huán)境時，為用戶指出地形圖，參與者可以選擇路程和觀察，但不能再有其它與三維場景的交互作用。
    (3)交互式虛擬現(xiàn)實 ：提供一個通過三維環(huán)境時用戶指出的行程。另外，三維環(huán)境還是虛擬實體反應(yīng)并作用到行為的參與者。
    2.4虛擬現(xiàn)實發(fā)展現(xiàn)狀
    從1994年Vrml規(guī)范問世到2000年實現(xiàn)Vrml,再到X3D的轉(zhuǎn)換,虛擬技術(shù)有了很大的發(fā)展。X3D 整合了正在發(fā)展的Xml和Java等先進技術(shù),實現(xiàn)了參數(shù)化和可視化計算。許多大型的圖形圖像處理軟件如3D Studio Max ,Director中,都集成了基本的虛擬技術(shù)。目前,在國內(nèi)外出現(xiàn)的一些專業(yè)開發(fā)虛擬現(xiàn)實制作軟件的公司及虛擬軟件已經(jīng)相當(dāng)成熟和完善，極大地推進了虛擬技術(shù)的發(fā)展、普及及應(yīng)用。
    近年來，隨著計算機硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實軟件領(lǐng)域也是比較長足的發(fā)展，推出的軟件有了VRP-SDK ，Converse 3D等，特別是VRP-SDK軟件包為客戶提供了VRP的內(nèi)核接口，更方便對其進行開發(fā)。
    2.5虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）
    VRML空間不僅僅是場景的建立，還應(yīng)該包括環(huán)境中各個對象屬性與行為的定義，甚至將對象的表情，動作等都可反映出來，新的技術(shù)正不斷完善它的功能。
    VRML語言的優(yōu)點：
    (1)平臺無關(guān)性 ：VRML語言建立在三維虛擬實驗場景的優(yōu)勢在于其可以非常方便的生成三維幾何實體，也具有平臺無關(guān)性的特點。
    (2)C/S的工作模式 ：VRML的訪問方式是基于客戶/服務(wù)器模式的。其中服務(wù)器提供VRML文件所支持的資源（圖象視頻、聲音等），客戶端通過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問的文件。并通過本地平臺上的VRML瀏覽器交互式的訪問該文件的虛擬境界。
    (3) 實時3D圖形渲染 ：實時3D著色引擎在VRML中得到了更好的體現(xiàn)。這一特性使VRML建模和實時訪問更明確地隔離開， VRML不同于其他3D建模動畫，它具有交互性。
    (4) 網(wǎng)絡(luò)傳輸容易 ：VRML適合于計算機網(wǎng)絡(luò)的傳輸，并不要求有很高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，而且圖形生成的工作放在要求不高的客戶機上。由于VRML可以在低帶寬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實時進行三維信息的遠程傳輸和遠程指令的接受，而且對三維圖形生成的計算機性能要求不高，所以，用它來構(gòu)筑分布式虛擬環(huán)境具有低代價集約化的特點。
    (5) VRML具有可伸縮性 ：首先對VRML瀏覽器來說，從理論上講，應(yīng)能處理由數(shù)億個對象組成的分布在Internet上的境界。其次，VRML境界可以相對于網(wǎng)絡(luò)性能而伸縮，可用于不同類型的網(wǎng)絡(luò)連接中。

    3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在橋梁工程中的開發(fā)和應(yīng)用
    Vb6.0作為一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言結(jié)合VRP平臺，開發(fā)的面向橋梁工程可視化仿真系統(tǒng)界面（以下簡稱VBB-VRP)，集合了計算機圖像學(xué)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人機交互技術(shù)于一體，實現(xiàn)了真正意義上的人機交互式的虛擬現(xiàn)實在鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程上的的具體應(yīng)用。
    3.1 VBB-VRP操作界面介紹
    本系統(tǒng)是結(jié)合壩凌河特大鋼絎橋工程的需要進行開發(fā)的，它通過對虛擬現(xiàn)實模型的實時結(jié)合，實現(xiàn)虛擬模型與操作的實時、交互控制，呈現(xiàn)架設(shè)過程各構(gòu)件的截面尺寸、材料屬性、長度、重量、位移和完成工作進度的實時查詢功能。
    系統(tǒng)主要由5部分組成，即VRP顯示系統(tǒng)、Treeview部分、 Listview部分、Picturebox部分、Textbox及Button鍵部分（詳見圖3.1所示）。
    （1）VRP顯示系統(tǒng)，為主程序提供直觀、友好的動畫場景，通過動畫展示架設(shè)過程，操作者可以隨機進行交互操作，可以進行放大、旋轉(zhuǎn)等各種控制和深入觀察。
    （2）Treeview部分，主程序的控制既通過它來實現(xiàn)，它是以目錄樹的形式分級顯示各架設(shè)階段，層次清楚，查詢方便，操作者可以通過該控件直觀的調(diào)用查詢?nèi)我饧茉O(shè)段各桿件截面尺寸、材料屬性、重量長度等參數(shù)；
    （3）Listview部分，連接數(shù)據(jù)庫部分。它的作用是進行結(jié)果輸出，通過treeview目錄樹結(jié)點的激發(fā)，把調(diào)用的結(jié)果數(shù)據(jù)在listview內(nèi)呈現(xiàn)出來。
    （4）Picturebox部分，為了給操作者提供更直觀的數(shù)據(jù)查詢圖片，設(shè)計中充分運用圖片提供出桁架的架設(shè)位置、控制結(jié)點的位置以及纜索和梁的截面形式。
    （5）Textbox和Button鍵，實現(xiàn)對主程序的操作功能和信息顯示。

    該系統(tǒng)一方面可以詳細地展現(xiàn)各施工階段每一桿件的截面尺寸、形狀、面積、長度、重量和實時施工完成百分比，以及提供詳細的施工動畫演示等，為施工單位進行梁截面的施工和校核工作提供了很大方便；二是實現(xiàn)了對橋梁計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫化，可以任意查詢各架設(shè)過程施工控制點的計算結(jié)果，極大的方便了使用者對結(jié)果數(shù)據(jù)的調(diào)用，改變了單一的采用數(shù)據(jù)列表和圖表顯示，實現(xiàn)施工控制的自動化。
    3.2 VBB-VRP的應(yīng)用實例
    壩陵河大橋是目前國內(nèi)首座跨徑超過千米的鋼桁加勁梁懸索橋（見圖3.2），工程規(guī)模較大、建設(shè)條件復(fù)雜、技術(shù)難度高。大橋主纜橫橋向間距為28.0m，吊索順橋向間距為10.8m，主跨1088m，是“中國第一，世界第七”的大跨徑鋼桁加勁梁懸索橋[3]。

    3.2.1 VBB-VRP系統(tǒng)概況
    在模型建立時考慮施工需要，坐標(biāo)系的選用采用以東西方向為坐標(biāo)軸的X軸方向，西方向為坐標(biāo)軸的正方向，南北方向為坐標(biāo)軸的Y軸方向，南方向為坐標(biāo)軸的正方向，（見示意圖3.3（a））豎直方向為Z軸方向，其中X的零點在壩陵河大橋東索塔軸線，Z方向坐標(biāo)采用設(shè)計圖紙所給出的坐標(biāo)，見示意圖3.3（b）。


    纜索和桁架梁截面參數(shù)的查詢、校核也是施工中一項重要工作，因此，程序中對各施工段梁的截面形式和參數(shù)也進行了匯總，其中纜索截面為圓形，桁架梁的截面為箱形和工字形，分別見圖3.4所示。
    坐標(biāo)控制點為每架設(shè)段桁架的控制點如圖3.5所示，每架設(shè)段取點16個，其中角點8個，球形鉸支座位置處8個，整跨鋼桁架橋控制點為808個，經(jīng)各架設(shè)段計算之后，數(shù)據(jù)總計為12016組坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實模型進行動態(tài)鏈接。


    3.2.2 VBB-VRP系統(tǒng)實現(xiàn)的功能
    項目中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實和三維可視化仿真技術(shù)為國內(nèi)最大的鋼桁架橋梁壩陵河大橋架設(shè)過程提供了安裝全過程的動態(tài)可視化虛擬現(xiàn)實模型和動畫。把整個工程作為一個大的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)工程中各個單項工程之間的相互影響、相互制約、及整體的施工進度、施工強度、流程程度等關(guān)鍵問題，獲得更為真實的施工情況，在虛擬模型中充分進行模擬預(yù)演，從而達到為施工組織提供科學(xué)的依據(jù)和措施。
    通過所設(shè)計的VBB-VRP平臺，實現(xiàn)圖像與操作的實時、交互控制，實現(xiàn)了架設(shè)過程各構(gòu)件的截面尺寸、材料屬性、長度、重量、位移和完成工作進度的實時查詢功能以及施工動畫的演示，并實現(xiàn)對橋梁的施工過程隨時多角度細致查看和準確查詢（界面截圖見圖3.6-3.8），把現(xiàn)代化施工管理的做到“圖像化”、“具體化”和“簡單化”。



    同時，該平臺的建立還對對確定合理可行的施工方案提供技術(shù)保證， 對提高生產(chǎn)效率具有的現(xiàn)實意義包括：
    (1) 橋梁施工方案的選擇和優(yōu)化。以往的橋梁工程施工方法及施工組織選擇和優(yōu)化主要是建立在施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，存在一定局限性，同時，橋梁工程施工具有不可重復(fù)性。使用該平臺的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將可以直觀、科學(xué)地展示不同施工方法的效果，可以定性地完成施工方案的對比，有助于施工方案的選擇和優(yōu)化，實現(xiàn)真正最優(yōu)施工。
    (2)施工技術(shù)的革新和新技術(shù)的引入， 使施工模擬技術(shù)一方面能使廣大施工技術(shù)人員低成本地試驗施工新工藝和革新思路，有助于充分發(fā)揮創(chuàng)造性。同時能真實地展示新技術(shù)的成效，縮短橋梁行業(yè)新技術(shù)的引入期和推廣期，降低新技術(shù)、新工藝的試驗風(fēng)險。
    虛擬現(xiàn)實與可視化仿真計算及顯示方法已經(jīng)成為現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計、施工優(yōu)先考慮的手段。隨著工程規(guī)模的不斷擴大，人們對現(xiàn)代的橋梁工程設(shè)計理論、制作工藝、施工組織設(shè)計將提出更高的要求。

    4.結(jié)論
    將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)中，深入研究大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)橋梁整個施工過程對不同施工組織設(shè)計進行優(yōu)化，具有可操作性強、人機交互功能，為我國大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工組織設(shè)計提供科學(xué)的理論方法和先進技術(shù)手段，指導(dǎo)工程施工和方案優(yōu)化，具有很好的經(jīng)濟價值和科學(xué)進步意義，是虛擬現(xiàn)實與可視化仿真技術(shù)在鋼橋梁建設(shè)中創(chuàng)新性應(yīng)用。


    參考文獻：
    1.姜華，魏群，焦?jié)?，嚴? 梁腹板開圓孔鋼框架的抗震性能分析[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報. Vo1.27,2008
    2. 魏群，邏輯產(chǎn)品模型的研發(fā)和應(yīng)用[J]，新世紀水利工程科技前沿，天津大學(xué)出版社，2005
    3. 魏群，彭成山，姜華，嚴斌等. 鋼桁梁架設(shè)過程仿真技術(shù)（報告）.華北水利水電學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究所.2007.3
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