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虚拟现实可视化技术在桥梁工程中的开发与应用

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：将虚拟现实可视化技术进行开发，引入到实际钢结构桥梁中，深入研究大型复杂钢结构桥梁整个施工过程的仿真，对不同施工组织设计进行优化组合，具有可操作性强、人机交互功能。为我国大型钢结构桥梁的施工组织设计提供科学的理论方法，并对先进技术手段进行虚拟预演。提供桥梁从设计、制作、安装全过程的动态可视化虚拟现实模型和工程动画，指导工程施工和方案优化，具有明显的经济效益和科学进步意义，是虚拟现实在桥梁建设中创新性应用。
    关键词：虚拟现实 钢结构工程 桥梁 动画 预演 漫游

    1 引言
    随着计算机技术的迅速发展，工程界各种专业性软件的普及、应用,结构内力计算、施工图绘制逐步实现计算机代替人工绘制，极大地提高了生产效率。但是平面模式的结构施工图纸,其在表现形式上的局限性是显而易见的,只能面对专业的工程技术人员,复杂的线条和文字标注以及表格,极易出现识图错误,例如,在桥梁结构中几千个不同部位杆件尺寸等。应用AUTODESK-CIVIL3D、3D Max等软件虽然能实现三维模型表现和工程结构构件内部构造的描述，但在显示器观察时只能展示结构的一个角度或一个侧面。
    在以往为了实现对构件内部结构进行深入观察，主要采用浏览动画的方式,但这种动画的可操作性、人机交互性较差,无法直观描述构件的细部情况，对施工过程的受力变形情况更是难以表现出来。因此，如何实现真正意义上的三维建筑结构表现形式、模拟结构受力变形[1]是现代工程设计表现的一个新议题。通过虚拟现实技术结合到桥梁工程中，人们可以自由地与虚拟环境中的场景对象交互，产生了一种身临其境的感觉，从而为桥梁的设计者、施工者与决策者提供了可视化的决策工具。

    2.虚拟现实的概念及现状
    2.1概念
    虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术。VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者，通过适当装置自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。
    概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。
    2.2虚拟现实的关键特征
    虚拟现实的关键特征[2]是：
    （1）沉浸感（Immersion）
    又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，所达到的最高境界就是：环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样。
    （2）交互性（Interactivity）
    指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
    （3）构想性（Imagination）
    强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
    2.3虚拟现实的分类
    虚拟现实技术是通过一些特殊的外部设备来实现的。虚拟现实技术可分为：
    (1)被动式虚拟现实 ：在三维环境中为用户提供一个封闭的过程，行进路程和观察对象由软件严格、独立地控制，用户除了退出会话外，没有其它控制权。
    (2)查询式虚拟现实 ：提供一个通过三维环境时，为用户指出地形图，参与者可以选择路程和观察，但不能再有其它与三维场景的交互作用。
    (3)交互式虚拟现实 ：提供一个通过三维环境时用户指出的行程。另外，三维环境还是虚拟实体反应并作用到行为的参与者。
    2.4虚拟现实发展现状
    从1994年Vrml规范问世到2000年实现Vrml,再到X3D的转换,虚拟技术有了很大的发展。X3D 整合了正在发展的Xml和Java等先进技术,实现了参数化和可视化计算。许多大型的图形图像处理软件如3D Studio Max ,Director中,都集成了基本的虚拟技术。目前,在国内外出现的一些专业开发虚拟现实制作软件的公司及虚拟软件已经相当成熟和完善，极大地推进了虚拟技术的发展、普及及应用。
    近年来，随着计算机硬件、软件技术的发展，虚拟技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。国内在虚拟现实软件领域也是比较长足的发展，推出的软件有了VRP-SDK ，Converse 3D等，特别是VRP-SDK软件包为客户提供了VRP的内核接口，更方便对其进行开发。
    2.5虚拟现实建模语言（VRML）
    VRML空间不仅仅是场景的建立，还应该包括环境中各个对象属性与行为的定义，甚至将对象的表情，动作等都可反映出来，新的技术正不断完善它的功能。
    VRML语言的优点：
    (1)平台无关性 ：VRML语言建立在三维虚拟实验场景的优势在于其可以非常方便的生成三维几何实体，也具有平台无关性的特点。
    (2)C/S的工作模式 ：VRML的访问方式是基于客户/服务器模式的。其中服务器提供VRML文件所支持的资源（图象视频、声音等），客户端通过网络下载希望访问的文件。并通过本地平台上的VRML浏览器交互式的访问该文件的虚拟境界。
    (3) 实时3D图形渲染 ：实时3D着色引擎在VRML中得到了更好的体现。这一特性使VRML建模和实时访问更明确地隔离开， VRML不同于其他3D建模动画，它具有交互性。
    (4) 网络传输容易 ：VRML适合于计算机网络的传输，并不要求有很高的网络传输带宽，而且图形生成的工作放在要求不高的客户机上。由于VRML可以在低带宽异构网络环境中实时进行三维信息的远程传输和远程指令的接受，而且对三维图形生成的计算机性能要求不高，所以，用它来构筑分布式虚拟环境具有低代价集约化的特点。
    (5) VRML具有可伸缩性 ：首先对VRML浏览器来说，从理论上讲，应能处理由数亿个对象组成的分布在Internet上的境界。其次，VRML境界可以相对于网络性能而伸缩，可用于不同类型的网络连接中。

    3.虚拟现实技术在桥梁工程中的开发和应用
    Vb6.0作为一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言结合VRP平台，开发的面向桥梁工程可视化仿真系统界面（以下简称VBB-VRP)，集合了计算机图像学、数据库技术、人机交互技术于一体，实现了真正意义上的人机交互式的虚拟现实在钢结构桥梁工程上的的具体应用。
    3.1 VBB-VRP操作界面介绍
    本系统是结合坝凌河特大钢绗桥工程的需要进行开发的，它通过对虚拟现实模型的实时结合，实现虚拟模型与操作的实时、交互控制，呈现架设过程各构件的截面尺寸、材料属性、长度、重量、位移和完成工作进度的实时查询功能。
    系统主要由5部分组成，即VRP显示系统、Treeview部分、 Listview部分、Picturebox部分、Textbox及Button键部分（详见图3.1所示）。
    （1）VRP显示系统，为主程序提供直观、友好的动画场景，通过动画展示架设过程，操作者可以随机进行交互操作，可以进行放大、旋转等各种控制和深入观察。
    （2）Treeview部分，主程序的控制既通过它来实现，它是以目录树的形式分级显示各架设阶段，层次清楚，查询方便，操作者可以通过该控件直观的调用查询任意架设段各杆件截面尺寸、材料属性、重量长度等参数；
    （3）Listview部分，连接数据库部分。它的作用是进行结果输出，通过treeview目录树结点的激发，把调用的结果数据在listview内呈现出来。
    （4）Picturebox部分，为了给操作者提供更直观的数据查询图片，设计中充分运用图片提供出桁架的架设位置、控制结点的位置以及缆索和梁的截面形式。
    （5）Textbox和Button键，实现对主程序的操作功能和信息显示。

    该系统一方面可以详细地展现各施工阶段每一杆件的截面尺寸、形状、面积、长度、重量和实时施工完成百分比，以及提供详细的施工动画演示等，为施工单位进行梁截面的施工和校核工作提供了很大方便；二是实现了对桥梁计算结果数据库化，可以任意查询各架设过程施工控制点的计算结果，极大的方便了使用者对结果数据的调用，改变了单一的采用数据列表和图表显示，实现施工控制的自动化。
    3.2 VBB-VRP的应用实例
    坝陵河大桥是目前国内首座跨径超过千米的钢桁加劲梁悬索桥（见图3.2），工程规模较大、建设条件复杂、技术难度高。大桥主缆横桥向间距为28.0m，吊索顺桥向间距为10.8m，主跨1088m，是“中国第一，世界第七”的大跨径钢桁加劲梁悬索桥[3]。

    3.2.1 VBB-VRP系统概况
    在模型建立时考虑施工需要，坐标系的选用采用以东西方向为坐标轴的X轴方向，西方向为坐标轴的正方向，南北方向为坐标轴的Y轴方向，南方向为坐标轴的正方向，（见示意图3.3（a））竖直方向为Z轴方向，其中X的零点在坝陵河大桥东索塔轴线，Z方向坐标采用设计图纸所给出的坐标，见示意图3.3（b）。


    缆索和桁架梁截面参数的查询、校核也是施工中一项重要工作，因此，程序中对各施工段梁的截面形式和参数也进行了汇总，其中缆索截面为圆形，桁架梁的截面为箱形和工字形，分别见图3.4所示。
    坐标控制点为每架设段桁架的控制点如图3.5所示，每架设段取点16个，其中角点8个，球形铰支座位置处8个，整跨钢桁架桥控制点为808个，经各架设段计算之后，数据总计为12016组坐标，通过数据库把数据和虚拟现实模型进行动态链接。


    3.2.2 VBB-VRP系统实现的功能
    项目中应用虚拟现实和三维可视化仿真技术为国内最大的钢桁架桥梁坝陵河大桥架设过程提供了安装全过程的动态可视化虚拟现实模型和动画。把整个工程作为一个大的系统，综合考虑系统工程中各个单项工程之间的相互影响、相互制约、及整体的施工进度、施工强度、流程程度等关键问题，获得更为真实的施工情况，在虚拟模型中充分进行模拟预演，从而达到为施工组织提供科学的依据和措施。
    通过所设计的VBB-VRP平台，实现图像与操作的实时、交互控制，实现了架设过程各构件的截面尺寸、材料属性、长度、重量、位移和完成工作进度的实时查询功能以及施工动画的演示，并实现对桥梁的施工过程随时多角度细致查看和准确查询（界面截图见图3.6-3.8），把现代化施工管理的做到“图像化”、“具体化”和“简单化”。



    同时，该平台的建立还对对确定合理可行的施工方案提供技术保证， 对提高生产效率具有的现实意义包括：
    (1) 桥梁施工方案的选择和优化。以往的桥梁工程施工方法及施工组织选择和优化主要是建立在施工经验的基础上，存在一定局限性，同时，桥梁工程施工具有不可重复性。使用该平台的虚拟现实技术将可以直观、科学地展示不同施工方法的效果，可以定性地完成施工方案的对比，有助于施工方案的选择和优化，实现真正最优施工。
    (2)施工技术的革新和新技术的引入， 使施工模拟技术一方面能使广大施工技术人员低成本地试验施工新工艺和革新思路，有助于充分发挥创造性。同时能真实地展示新技术的成效，缩短桥梁行业新技术的引入期和推广期，降低新技术、新工艺的试验风险。
    虚拟现实与可视化仿真计算及显示方法已经成为现代钢结构桥梁设计、施工优先考虑的手段。随着工程规模的不断扩大，人们对现代的桥梁工程设计理论、制作工艺、施工组织设计将提出更高的要求。

    4.结论
    将虚拟现实技术引入到钢结构桥梁建设中，深入研究大型复杂钢结构桥梁整个施工过程对不同施工组织设计进行优化，具有可操作性强、人机交互功能，为我国大型钢结构桥梁的施工组织设计提供科学的理论方法和先进技术手段，指导工程施工和方案优化，具有很好的经济价值和科学进步意义，是虚拟现实与可视化仿真技术在钢桥梁建设中创新性应用。


    参考文献：
    1.姜华，魏群，焦涛，严斌. 梁腹板开圆孔钢框架的抗震性能分析[J]. 河南理工大学学报. Vo1.27,2008
    2. 魏群，逻辑产品模型的研发和应用[J]，新世纪水利工程科技前沿，天津大学出版社，2005
    3. 魏群，彭成山，姜华，严斌等. 钢桁梁架设过程仿真技术（报告）.华北水利水电学院钢结构与工程研究所.2007.3
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