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虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)在橋梁工程中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

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

    摘 要：將虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，引入到實(shí)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(gè)施工過(guò)程的仿真，對(duì)不同施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化組合，具有可操作性強(qiáng)、人機(jī)交互功能。為我國(guó)大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工組織設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論方法，并對(duì)先進(jìn)技術(shù)手段進(jìn)行虛擬預(yù)演。提供橋梁從設(shè)計(jì)、制作、安裝全過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化虛擬現(xiàn)實(shí)模型和工程動(dòng)畫(huà)，指導(dǎo)工程施工和方案優(yōu)化，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)進(jìn)步意義，是虛擬現(xiàn)實(shí)在橋梁建設(shè)中創(chuàng)新性應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 鋼結(jié)構(gòu)工程 橋梁 動(dòng)畫(huà) 預(yù)演 漫游

    1 引言
    隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算、施工圖繪制逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(jiàn)的,只能面對(duì)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(shí)圖錯(cuò)誤,例如,在橋梁結(jié)構(gòu)中幾千個(gè)不同部位桿件尺寸等。應(yīng)用AUTODESK-CIVIL3D、3D Max等軟件雖然能實(shí)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(shí)只能展示結(jié)構(gòu)的一個(gè)角度或一個(gè)側(cè)面。
    在以往為了實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入觀察，主要采用瀏覽動(dòng)畫(huà)的方式,但這種動(dòng)畫(huà)的可操作性、人機(jī)交互性較差,無(wú)法直觀描述構(gòu)件的細(xì)部情況，對(duì)施工過(guò)程的受力變形情況更是難以表現(xiàn)出來(lái)。因此，如何實(shí)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(jì)表現(xiàn)的一個(gè)新議題。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)景對(duì)象交互，產(chǎn)生了一種身臨其境的感覺(jué)，從而為橋梁的設(shè)計(jì)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(shí)的概念及現(xiàn)狀
    2.1概念
    虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)是近年來(lái)出現(xiàn)的高新技術(shù)。VR是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者，通過(guò)適當(dāng)裝置自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。
    概括地說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種全新方式，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)思想上有了質(zhì)的飛躍。
    2.2虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵特征
    虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵特征[2]是：
    （1）沉浸感（Immersion）
    又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)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(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，所達(dá)到的最高境界就是：環(huán)境中的一切看上去是真的，聽(tīng)上去是真的，動(dòng)起來(lái)是真的，甚至聞起來(lái)、嘗起來(lái)等一切感覺(jué)都是真的，如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺(jué)一樣。
    （2）交互性（Interactivity）
    指用戶對(duì)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(shí)時(shí)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(shí)手有握著東西的感覺(jué)，并可以感覺(jué)物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。
    （3）構(gòu)想性（Imagination）
    強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)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(shí)的分類
    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)一些特殊的外部設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為：
    (1)被動(dòng)式虛擬現(xiàn)實(shí) ：在三維環(huán)境中為用戶提供一個(gè)封閉的過(guò)程，行進(jìn)路程和觀察對(duì)象由軟件嚴(yán)格、獨(dú)立地控制，用戶除了退出會(huì)話外，沒(méi)有其它控制權(quán)。
    (2)查詢式虛擬現(xiàn)實(shí) ：提供一個(gè)通過(guò)三維環(huán)境時(shí)，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(chǎng)景的交互作用。
    (3)交互式虛擬現(xiàn)實(shí) ：提供一個(gè)通過(guò)三維環(huán)境時(shí)用戶指出的行程。另外，三維環(huán)境還是虛擬實(shí)體反應(yīng)并作用到行為的參與者。
    2.4虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展現(xiàn)狀
    從1994年Vrml規(guī)范問(wèn)世到2000年實(shí)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(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化和可視化計(jì)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(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的一些專業(yè)開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)了虛擬技術(shù)的發(fā)展、普及及應(yīng)用。
    近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)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(lái)越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件領(lǐng)域也是比較長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
    2.5虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）
    VRML空間不僅僅是場(chǎng)景的建立，還應(yīng)該包括環(huán)境中各個(gè)對(duì)象屬性與行為的定義，甚至將對(duì)象的表情，動(dòng)作等都可反映出來(lái)，新的技術(shù)正不斷完善它的功能。
    VRML語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)：
    (1)平臺(tái)無(wú)關(guān)性 ：VRML語(yǔ)言建立在三維虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的優(yōu)勢(shì)在于其可以非常方便的生成三維幾何實(shí)體，也具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)。
    (2)C/S的工作模式 ：VRML的訪問(wèn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問(wèn)的文件。并通過(guò)本地平臺(tái)上的VRML瀏覽器交互式的訪問(wèn)該文件的虛擬境界。
    (3) 實(shí)時(shí)3D圖形渲染 ：實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)訪問(wèn)更明確地隔離開(kāi)， VRML不同于其他3D建模動(dòng)畫(huà)，它具有交互性。
    (4) 網(wǎng)絡(luò)傳輸容易 ：VRML適合于計(jì)算機(jī)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(jī)上。由于VRML可以在低帶寬異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)時(shí)進(jìn)行三維信息的遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程指令的接受，而且對(duì)三維圖形生成的計(jì)算機(jī)性能要求不高，所以，用它來(lái)構(gòu)筑分布式虛擬環(huán)境具有低代價(jià)集約化的特點(diǎn)。
    (5) VRML具有可伸縮性 ：首先對(duì)VRML瀏覽器來(lái)說(shuō)，從理論上講，應(yīng)能處理由數(shù)億個(gè)對(duì)象組成的分布在Internet上的境界。其次，VRML境界可以相對(duì)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(shí)技術(shù)在橋梁工程中的開(kāi)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(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言結(jié)合VRP平臺(tái)，開(kāi)發(fā)的面向橋梁工程可視化仿真系統(tǒng)界面（以下簡(jiǎn)稱VBB-VRP)，集合了計(jì)算機(jī)圖像學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的人機(jī)交互式的虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)行開(kāi)發(fā)的，它通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)模型的實(shí)時(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬模型與操作的實(shí)時(shí)、交互控制，呈現(xiàn)架設(shè)過(guò)程各構(gòu)件的截面尺寸、材料屬性、長(zhǎng)度、重量、位移和完成工作進(jìn)度的實(shí)時(shí)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(jiàn)圖3.1所示）。
    （1）VRP顯示系統(tǒng)，為主程序提供直觀、友好的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，通過(guò)動(dòng)畫(huà)展示架設(shè)過(guò)程，操作者可以隨機(jī)進(jìn)行交互操作，可以進(jìn)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(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是以目錄樹(shù)的形式分級(jí)顯示各架設(shè)階段，層次清楚，查詢方便，操作者可以通過(guò)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(zhǎng)度等參數(shù)；
    （3）Listview部分，連接數(shù)據(jù)庫(kù)部分。它的作用是進(jìn)行結(jié)果輸出，通過(guò)treeview目錄樹(shù)結(jié)點(diǎn)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(lái)。
    （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(jì)中充分運(yùn)用圖片提供出桁架的架設(shè)位置、控制結(jié)點(diǎn)的位置以及纜索和梁的截面形式。
    （5）Textbox和Button鍵，實(shí)現(xiàn)對(duì)主程序的操作功能和信息顯示。

    該系統(tǒng)一方面可以詳細(xì)地展現(xiàn)各施工階段每一桿件的截面尺寸、形狀、面積、長(zhǎng)度、重量和實(shí)時(shí)施工完成百分比，以及提供詳細(xì)的施工動(dòng)畫(huà)演示等，為施工單位進(jìn)行梁截面的施工和校核工作提供了很大方便；二是實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)化，可以任意查詢各架設(shè)過(guò)程施工控制點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，極大的方便了使用者對(duì)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(shí)現(xiàn)施工控制的自動(dòng)化。
    3.2 VBB-VRP的應(yīng)用實(shí)例
    壩陵河大橋是目前國(guó)內(nèi)首座跨徑超過(guò)千米的鋼桁加勁梁懸索橋（見(jiàn)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(guó)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(shí)考慮施工需要，坐標(biāo)系的選用采用以東西方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的X軸方向，西方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的正方向，南北方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的Y軸方向，南方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的正方向，（見(jiàn)示意圖3.3（a））豎直方向?yàn)閆軸方向，其中X的零點(diǎn)在壩陵河大橋東索塔軸線，Z方向坐標(biāo)采用設(shè)計(jì)圖紙所給出的坐標(biāo)，見(jiàn)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(xiàng)重要工作，因此，程序中對(duì)各施工段梁的截面形式和參數(shù)也進(jìn)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(jiàn)圖3.4所示。
    坐標(biāo)控制點(diǎn)為每架設(shè)段桁架的控制點(diǎn)如圖3.5所示，每架設(shè)段取點(diǎn)16個(gè)，其中角點(diǎn)8個(gè)，球形鉸支座位置處8個(gè)，整跨鋼桁架橋控制點(diǎn)為808個(gè)，經(jīng)各架設(shè)段計(jì)算之后，數(shù)據(jù)總計(jì)為12016組坐標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)把數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接。


    3.2.2 VBB-VRP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
    項(xiàng)目中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)和三維可視化仿真技術(shù)為國(guó)內(nèi)最大的鋼桁架橋梁壩陵河大橋架設(shè)過(guò)程提供了安裝全過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化虛擬現(xiàn)實(shí)模型和動(dòng)畫(huà)。把整個(gè)工程作為一個(gè)大的系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)工程中各個(gè)單項(xiàng)工程之間的相互影響、相互制約、及整體的施工進(jìn)度、施工強(qiáng)度、流程程度等關(guān)鍵問(wèn)題，獲得更為真實(shí)的施工情況，在虛擬模型中充分進(jìn)行模擬預(yù)演，從而達(dá)到為施工組織提供科學(xué)的依據(jù)和措施。
    通過(guò)所設(shè)計(jì)的VBB-VRP平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)圖像與操作的實(shí)時(shí)、交互控制，實(shí)現(xiàn)了架設(shè)過(guò)程各構(gòu)件的截面尺寸、材料屬性、長(zhǎng)度、重量、位移和完成工作進(jìn)度的實(shí)時(shí)查詢功能以及施工動(dòng)畫(huà)的演示，并實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的施工過(guò)程隨時(shí)多角度細(xì)致查看和準(zhǔn)確查詢（界面截圖見(jiàn)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(jiǎn)單化”。



    同時(shí)，該平臺(tái)的建立還對(duì)對(duì)確定合理可行的施工方案提供技術(shù)保證， 對(duì)提高生產(chǎn)效率具有的現(xiàn)實(shí)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(yàn)的基礎(chǔ)上，存在一定局限性，同時(shí)，橋梁工程施工具有不可重復(fù)性。使用該平臺(tái)的虛擬現(xiàn)實(shí)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(duì)比，有助于施工方案的選擇和優(yōu)化，實(shí)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(yàn)施工新工藝和革新思路，有助于充分發(fā)揮創(chuàng)造性。同時(shí)能真實(shí)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(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。
    虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化仿真計(jì)算及顯示方法已經(jīng)成為現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)、施工優(yōu)先考慮的手段。隨著工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)現(xiàn)代的橋梁工程設(shè)計(jì)理論、制作工藝、施工組織設(shè)計(jì)將提出更高的要求。

    4.結(jié)論
    將虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)施工過(guò)程對(duì)不同施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，具有可操作性強(qiáng)、人機(jī)交互功能，為我國(guó)大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工組織設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論方法和先進(jìn)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(jì)價(jià)值和科學(xué)進(jìn)步意義，是虛擬現(xiàn)實(shí)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(xiàn)：
    1.姜華，魏群，焦?jié)?，?yán)斌. 梁腹板開(kāi)圓孔鋼框架的抗震性能分析[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào). 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(jì)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(yán)斌等. 鋼桁梁架設(shè)過(guò)程仿真技術(shù)（報(bào)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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