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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)學模型、物理效應(yīng)模型或數(shù)學-物理效應(yīng)模型），并在模型上進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、熱學等，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)工程及計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的�？刂�工程和系統(tǒng)工程的發(fā)展促進了仿真技術(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)進行分析時采用仿真技術(shù)；對尚未有的系統(tǒng)進行設(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，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(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(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，為了對仿真模型進行深入研究和結(jié)果優(yōu)化，還必須進行多次運行，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、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、醫(yī)療、軍事模擬、科學和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用，漸已成為21世紀廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)。
虛擬現(xiàn)實是高度發(fā)展的計算機技術(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）依托學科的高度綜合化；
�。�2）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)表示的多樣化和標準化，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遠大于數(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。
在結(jié)構(gòu)工程中，仿真與虛擬現(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)，分析才能大量進行。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(tǒng)的有限元法進行結(jié)構(gòu)分析時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的結(jié)果通常采用內(nèi)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(xiàn)實技術(shù)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(shù)據(jù)，以便對各種方案及結(jié)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。
2、在巖土工程中的應(yīng)用
巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可把內(nèi)部過程展現(xiàn)出來，有很大實用價值。例如，地下工程開挖經(jīng)常會塌方冒項。根據(jù)地質(zhì)勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節(jié)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(shù)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(tài)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(chǎn)生運動直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定等問題時，可以把節(jié)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(qū)域及范圍，這就為支護設(shè)計提供了可靠依據(jù)。
3、防災(zāi)工程中的應(yīng)用
長期以來，人類一直與洪水、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害進行著堅持不懈的斗爭。由于自然災(zāi)害的原型重復(fù)實驗幾乎是不可能的，因而仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用就更有意義。目前已有不少抗災(zāi)、防災(zāi)的模擬仿真系統(tǒng)制作成功，例如洪水泛濫淹沒區(qū)的洪水發(fā)展過程演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)先存儲了泛濫區(qū)的地形地貌和地物，有高程數(shù)據(jù)可確定等高線，只要輸入洪水標準(如百年一遇的洪水)及預(yù)定河堤決口位置，計算機就可根據(jù)水量、流速區(qū)域面積及高程數(shù)據(jù)算出不同時刻的淹沒地區(qū)，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(guī)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(zāi)方面，對森林火災(zāi)的蔓延，建筑物中火災(zāi)的傳播均已開發(fā)出相應(yīng)的模擬仿真系統(tǒng)，這對消防工程起到了很好的指導作用。
4、在模擬施工過程中的應(yīng)用
建筑施工是復(fù)雜的大型的動態(tài)系統(tǒng)，它通常包括立模、架設(shè)鋼筋、澆注、振搗、拆模、養(yǎng)護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關(guān)系復(fù)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(fā)現(xiàn)實際施工中存在的問題或可能出現(xiàn)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(guān)系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實現(xiàn)對施工過程的模擬�，F(xiàn)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。基于以上原因，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(tǒng)的模擬仿真模型，是由運輸子系統(tǒng)和澆注子系統(tǒng)構(gòu)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(yīng)關(guān)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(jié)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)相對應(yīng)。
另外，仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域內(nèi)，還可應(yīng)用在建筑系統(tǒng)工程管理、建筑信息管理、建筑物及構(gòu)筑物的空氣流場、空氣品質(zhì)分析等方面。
我國是一個發(fā)展中國家，有著大量繁重的基本建設(shè)任務(wù)，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(chǔ)設(shè)施建設(shè)和西部大開發(fā)戰(zhàn)略。這一大好形勢，為結(jié)構(gòu)工程高新技術(shù)的信息化和集成化，為結(jié)構(gòu)工程學科及相關(guān)學科的發(fā)展提供了良好的機遇。仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為結(jié)構(gòu)工程高新技術(shù)之一，開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)工程學科的新紀元，其技術(shù)潛力巨大、應(yīng)用前景十分廣闊。
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