系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

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1、系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用.L.編輯。摘要：本文著重闡述了將系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合后，在工程結(jié)構(gòu)分析、巖土工程、防災(zāi)工程及模擬施工等結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中應(yīng)用的基本思路和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：系統(tǒng)仿真設(shè)計一、系統(tǒng)仿真技術(shù)　所謂仿真就是建立系統(tǒng)的模型（數(shù)學(xué)模型、物理效應(yīng)模型或數(shù)學(xué)-物理效應(yīng)模型），并在模型上進(jìn)行實驗和研究一個存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。這里的系統(tǒng)包括技術(shù)系統(tǒng)，如土木、機械、電子、水力、聲學(xué)、熱學(xué)等，也包括社會、經(jīng)濟、生態(tài)、生物和管理系統(tǒng)等非技術(shù)系統(tǒng)。仿真技術(shù)的實質(zhì)也就是進(jìn)行建模、實驗。現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展是與控制工程、系統(tǒng)工程及計

2、算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的。控制工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而計算機出現(xiàn)及計算技術(shù)的迅猛發(fā)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(shù)得以發(fā)展的主要原因是它帶來了重大的社會和經(jīng)濟效益。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用大致可分為：對已有系統(tǒng)進(jìn)行分析時采用仿真技術(shù)；對尚未有的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時采用仿真技術(shù)；在系統(tǒng)運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關(guān)系統(tǒng)過去的、現(xiàn)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(tǒng)運行前，利用仿真模型作為預(yù)測器，向用戶提供系統(tǒng)運行起來后，可能產(chǎn)生什么現(xiàn)象

3、，以便用戶修訂計劃或決策；利用仿真模型作為訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)操縱人員或管理人員。在工程領(lǐng)域仿真技術(shù)可以降低系統(tǒng)的研制成本，可以提高系統(tǒng)實驗、調(diào)試和訓(xùn)練過程的安全?！∫话阏J(rèn)為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統(tǒng)仿真技術(shù)中，一個仿真系統(tǒng)要首先建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(tǒng)二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應(yīng)的程序。　仿真基本上是一種通過實驗來求解的技術(shù)。通過仿真實驗要了解系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系，要觀察系統(tǒng)模型變量變化的全過程，此外，為了對仿真模型進(jìn)行深入研究

4、和結(jié)果優(yōu)化，還必須進(jìn)行多次運行，系統(tǒng)優(yōu)化等工作，因此，良好的人機交互性是系統(tǒng)仿真的一個重要特性。二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)　虛擬現(xiàn)實技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境--虛擬環(huán)境，用戶投入這種環(huán)境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個信息技術(shù)分支，從而也大大推進(jìn)了計算機技術(shù)的發(fā)展。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已在建筑、教育培訓(xùn)、醫(yī)療、軍事模擬、科學(xué)和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用，漸已成為21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)?！√摂M現(xiàn)實是高度發(fā)展

5、的計算機技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用過程中的結(jié)晶和反映，它具有以下主要特征：　（1）依托學(xué)科的高度綜合化；?。?）人的臨場化；　（3）系統(tǒng)或環(huán)境的大規(guī)模集成化；　（4）數(shù)據(jù)表示的多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)存儲的大容量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倩c數(shù)據(jù)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(rèn)識，從而，也使模型的建立和驗證更加方便。三、系統(tǒng)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合　　傳統(tǒng)的系統(tǒng)仿真技術(shù)很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環(huán)境的感知(聽覺、視覺、觸覺)隨著多媒體技術(shù)、計算機動畫、傳感

6、技術(shù)的發(fā)展，計算機模擬外界環(huán)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行仿真模型的建立和實驗的模擬，使仿真的過程和結(jié)果可以實現(xiàn)圖象化、可視化，使仿真的系統(tǒng)具有了三維、實時交互、屬性提取等特征，極大地促進(jìn)了仿真技術(shù)的發(fā)展，同時也使虛擬現(xiàn)實技術(shù)更加具有生命力。四、仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用　　仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)近年來在機械、電子、水利、社會、經(jīng)濟、生態(tài)、生物等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用?！　≡诮Y(jié)構(gòu)工程中，仿真與虛擬

7、現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于如下幾個方面：　　1．在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用　　工程結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的反應(yīng)，其破壞特征和極限承載力是人們所關(guān)心的。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式特殊，荷載及材料特性復(fù)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(shè)備的限制，只能做小比例模型試驗，難以完全反映結(jié)構(gòu)的實際情況。若用仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，則可以進(jìn)行足尺寸的試驗，還可以很方便地修改參數(shù)。此外，有些結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行直接試驗，用計算機模擬仿真就更能體現(xiàn)出優(yōu)越性，如建筑物及構(gòu)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(xiàn)實技術(shù)，分析才能大

8、量進(jìn)行。又如在高速荷載作用下，結(jié)構(gòu)反應(yīng)很快，人們在真實試驗中只能觀察到最終結(jié)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