王東明

(中國地震災害防御中心，北京100029)

0 前言

從2008年起，全球陸續(xù)發(fā)生了汶川8.0級地震、海地7.3級地震、智利8.8級地震、玉樹7.1級地震、日本9.0級特大地震等重大地震事件，給災區(qū)民眾造成了巨大的災難。因此，人類必須面對這種突發(fā)性極強、危害性極大、波及面積極廣的自然災害，并且積極通過研究地震災害的成因和時空分布規(guī)律來尋求減輕地震災害損失的途徑。我國是世界上遭受地震災害最為嚴重的國家之一。建國60多年來，隨著經濟建設的飛速發(fā)展，城市化進程不斷加速。有效地評定城市的地震危險性、人工建筑物的抗震能力、防震減災薄弱環(huán)節(jié)、地震應急處置能力、緊急救援能力、民眾的防震避險意識、自救群救能力等(王東明，2009;孫柏濤等，2003，2007，2009)是制定針對性強的地區(qū)地震對策的基礎，能促進“最大程度減輕地震災害損失”這一防震減災根本目標的實現(xiàn)。

震害預測工作就是在烈度區(qū)劃圖、地震危險性分析和地震小區(qū)劃的基礎上，對預測區(qū)域內的工程結構在未來地震中的震害狀態(tài)和震害分布以及由此導致的人員傷亡和經濟損失進行分析和模擬。鑒于震害預測工作的重要性，我國防震減災的重要法律法規(guī)及文件中均給出了明確要求，汶川地震后新修訂的2009年5月1日起施行的《中華人民共和國防震減災法》第十三條中規(guī)定“編制防震減災規(guī)劃，應當遵循統(tǒng)籌安排、突出重點、合理布局、全面預防的原則，以震情和震害預測結果為依據(jù)”。2010年下發(fā)的《國務院關于進一步加強防震減災工作的意見》(國發(fā)〔2010〕18號)中明確提出“進一步做好全國地震區(qū)劃工作，盡快完成地震重點監(jiān)視防御區(qū)縣級以上城市的地震小區(qū)劃和震害預測”。

目前震害預測結果都是采用文字、圖形、表格等方式進行表達，難以充分反映預測區(qū)域的建筑物震害的實體特征，宏觀震撼力表現(xiàn)不足，造成預測結果難以被行政管理者及民眾所接受，影響震害預測的有效應用。筆者研究和探討了如何利用虛擬仿真技術，研制基于虛擬仿真技術的城市震害預測系統(tǒng)，為城市減災及規(guī)劃、民眾防災避險宣教等提供有效的技術支撐，是未來震害預測工作的發(fā)展方向。

所謂虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱 VR)，并非真實的世界，而是一種可交互的環(huán)境，從本質上講，虛擬現(xiàn)實是人與世界交互的計算機接口。仿真(simulation)技術，或者稱模擬技術，在人們不斷深化認識自然界客觀規(guī)律的歷程中一直扮演非常重要的角色。虛擬仿真是現(xiàn)代仿真技術的典型代表(肖田元等，2000)，在航天、航空、軍事、建筑、交通、醫(yī)療、教育、娛樂、藝術、體育、模擬訓練、綜合防災等領域得到廣泛的成功應用(Pomara et al，2011;Buchali et al，2001;Bellet et al，2012;Boukerche et al，2005)。地理信息系統(tǒng)(GIS)是目前運用最廣泛的空間處理技術，將仿真系統(tǒng)構架在GIS平臺之上將能更加形象地再現(xiàn)災害的全過程。

城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)正是架構在虛擬仿真技術和GIS技術的基礎之上，本文將重點介紹該虛擬仿真系統(tǒng)的基本構架與技術實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)框架

城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)應該滿足如下總體功能需求:建立為震害預測研究服務的地理信息數(shù)據(jù)庫(包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫)，具有城市的基本地理信息，并能夠對其進行編輯和修改;對城市所在地區(qū)進行地震危險性分析，確定未來發(fā)生的地震對這一地區(qū)的影響程度，得到地震的影響場;分別對城市的各類建筑物進行易損性分析，為地震損失評估提供基礎資料;具有對建筑物震害的經濟損失和人員傷亡進行預測的功能;具備對信息的查詢、統(tǒng)計、打印等功能，為震害應急決策、城市規(guī)劃、建設和綜合管理提供服務。

城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)架構宏觀上可分為4層(圖1):

(1)數(shù)據(jù)層。該層提供了底層數(shù)據(jù)的存儲管理功能，包括收集和整理各種與城市震害預測密切相關的空間和非空間數(shù)據(jù)，存儲和虛擬仿真相關的三維震害模型數(shù)據(jù)、典型震害特征數(shù)據(jù)等，通過對數(shù)據(jù)的有效組織和管理，進而為仿真中心模塊提供必要的數(shù)據(jù)源。

(2)支持層。該層提供對底層數(shù)據(jù)的讀寫訪問接口以及設備訪問接口功能。

(3)功能層。該層為系統(tǒng)提供各種功能，包括仿真、場景數(shù)據(jù)管理、虛擬現(xiàn)實(數(shù)據(jù)調用、渲染與優(yōu)化展示)等功能模塊。其中處在仿真中心的仿真模塊是整個虛擬仿真的核心模塊，將完成被預測城市的建筑物、生命線等工程結構的易損性分析及其在空間上的分布模擬(調用GIS的相關分析功能);虛擬現(xiàn)實模塊則將仿真模塊給出的仿真結果進行虛擬環(huán)境構建。

(4)應用層。一切仿真過程都是為結果服務的，該層主要實現(xiàn)了系統(tǒng)功能層的各種模塊功能，仿真中心在完成每一次仿真之后都會輸出相應的結果，這些結果包括被預測城市在設定地震下建筑及生命線等工程結構的震害狀態(tài)及分布、損失情況、應急救援輔助決策等，同時，系統(tǒng)允許根據(jù)實際需要對自動構建的虛擬環(huán)境進行二次編輯。

圖1 城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)總體結構Fig.1 General structure of urban earthquake damage prediction virtual simulation system

2 仿真數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)是一切系統(tǒng)運行的基礎，沒有數(shù)據(jù)就構不成一個完備的系統(tǒng)。城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量多面廣，如圖1數(shù)據(jù)層所示，包括:(1)基礎數(shù)據(jù)。地理信息空間數(shù)據(jù)(基礎地理圖、地形圖、專題地圖有關的屬性數(shù)據(jù))、建(構)筑物調查(含普查和詳查數(shù)據(jù))、生命線工程調查、地震次生災害源調查、社會環(huán)境及經濟統(tǒng)計資料、地震目錄、地震地質災害資料等。(2)預測數(shù)據(jù)。主要是通過震害預測及相關研究得到的結果數(shù)據(jù)，由地震危險性分析、建(構)筑物震害預測、生命線工程震害預測、地震次生災害源影響評估、人口與經濟損失估計和防震減災對策等結果數(shù)據(jù)構成。(3)三維模型數(shù)據(jù)。通過對采集到的城市總平面圖、街區(qū)、綠地等實景三維數(shù)據(jù)、建(構)筑物實景三維數(shù)據(jù)、地形與地貌數(shù)據(jù)、建(構)筑物實景二維圖像等，進行三維實體仿真建模得到的數(shù)據(jù)。(4)震害矩陣。某類結構的震害矩陣反映該類結構的抗震能力，本系統(tǒng)所用震害矩陣包括:①王東明.2012.我國強震受災環(huán)境綜合區(qū)劃.尹之潛(1996)給出的以地震烈度為輸入?yún)?shù)的適用全國的各類建筑的標準震害矩陣(考慮4類易損性建筑的18個震害矩陣)②1990～2000年中國大陸地震災害損失評估報告中獲取61個震例(國家地震局，國家統(tǒng)計局，1996)，用數(shù)學方法完善了61個震例中的鋼筋混凝土結構、磚混結構、磚木結構和土坯房共計156個震害矩陣①王東明.2012.我國強震受災環(huán)境綜合區(qū)劃.;③從“七五”以來20多個城市震害預測的報告中獲取的預測所得震害矩陣62個(分不同結構類型)。系統(tǒng)對獲取的震害矩陣庫進行建庫管理。(5)典型震害數(shù)據(jù)。收集國內外歷次地震震害調查中獲取到的各類結構物震害數(shù)據(jù)，進行分類整理，提取出各類結構物的典型震害數(shù)據(jù)(震害圖片、視頻、震害特征圖形處理數(shù)據(jù))。(6)想定編輯數(shù)據(jù)。根據(jù)使用需求，可以添加氣象數(shù)據(jù)(陰、霧、雨、雪等)、突發(fā)事件(余震、毒氣泄漏、爆炸、火災等)及災民安置問題(包括場地選取、帳篷搭建、臨時給排水、垃圾處理等)，對虛擬環(huán)境中的三維震害模型進行編輯、替換、刪除等，并可對系統(tǒng)虛擬仿真結果進行重新訂制。

3 仿真概念模型

模型是指將原型客體(系統(tǒng))予以簡化、類比和抽象，并選用適當?shù)奈锢怼?shù)學或其他邏輯思維關系將其主要的特征描述出來，用于研究和揭示原型的形態(tài)、特征和本質的模仿品。以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術、信息技術、結構抗震分析理論、震害預測理論為基礎，以計算機系統(tǒng)為工具，通過有效選取結構仿真參數(shù)，構建出能較為客觀地反映城市現(xiàn)狀及不同地震危險性下的結構震害狀態(tài)的仿真系統(tǒng)模型。

建筑結構在強烈地震作用下引起破壞是一個極其復雜的系統(tǒng)，是地震作用的動力特性、結構固有的特性、外界環(huán)境等眾多因素綜合作用的結果，而這些影響因素往往帶有很強的隨機性、模糊性和不確定性，表明該仿真系統(tǒng)必然是一個“灰色”系統(tǒng)。另一方面，從引起震害反應的角度來看，仿真系統(tǒng)與真實系統(tǒng)之間只要結構類型相似、地震背景相似、場地條件相似(李杰，宋建學，1996)，其震害現(xiàn)象也應該相似，歷史的震害經驗是可以證明這一點的。

建模的目標決定了模型的精度。我們的目標是選取盡量少的關鍵參數(shù)作為橋梁，完成聯(lián)系真實系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的對應關系的任務。從系統(tǒng)學的角度，一個系統(tǒng)可以被定義成為集合結構，針對本文研究的仿真系統(tǒng)的參數(shù)集大致可劃分為輸入集、特征集、狀態(tài)集、輸出集，由此可將原型系統(tǒng)抽象為

式中，X為輸入集，代表強震作用、場地條件;Q為特征參數(shù)集，代表房屋固有特性;R為內部狀態(tài)集，代表結構抗震能力;Y為輸出集，代表震害的結果或基本特征。

圖2依據(jù)式(1)描述了建筑結構震害虛擬仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)的關系模型。以影響結構破壞的各種主導因素與結構實際震害之間的關系為背景進行模型參數(shù)選取，其中地震作用選用地震烈度為輸入?yún)?shù)，場地條件選擇場地類別為輸入?yún)?shù);結構特征參數(shù)選取依據(jù)震害預測理論中給出的不同結構類型不同易損性分析所需要的參數(shù);內部狀態(tài)即為結構抗力概念，代表結構抗震能力的廣義物理量(結構內力、變形或延伸率等);破壞狀態(tài)(或震害狀態(tài))分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞5種，和震害宏觀調查保持一致。

圖2 建筑結構震害虛擬仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)的關系Fig.2 The relationship between earthquake damage prediction virtual simulation system and original system

仿真模型通過對地震烈度、場地類別、結構特征等參數(shù)輸入，通過抗力計算劃定破壞狀態(tài)，并要求虛擬仿真模塊調取對應的結構三維破壞模型(事先制作模型庫)，在虛擬仿真環(huán)境的支持下完成建筑結構在強震作用下引起破壞的仿真模擬。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)使用Visual Studio 2008版作為軟件的開發(fā)工具，在虛擬現(xiàn)實技術的相關標準包括 OpenGL、DirectX、VRML、Java3D等，以及仿真中間件技術包括DIS、Living Worlds、Open Community(簡稱 OC)、High Level Architecture(簡稱 HLA)、Java Shared Data Toolkit(簡稱JSDT)等基礎上開發(fā)完成的。城市震害預測虛擬仿真場景(圖3)包括:地形、地物、工程結構物地震破壞(圖4單體結構震害狀態(tài)模擬)、植被等，開發(fā)中首先在城市的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)上，疊加地面紋理、地物模型、水系模型、煙霧雨雪特效模型等。DEM數(shù)據(jù)顯示城區(qū)地形地貌，地物模型反映各個建筑單體的方位和結構(根據(jù)震害預測進行相應破壞模型的更替)，水系模型表現(xiàn)城區(qū)水系分布情況，特效模型根據(jù)需要進行雨雪煙霧火等特效加載增加氣氛。工程結構、道路、樹木等復雜物體的建模需要借助于三維建模軟件3DSMAX完成，再導入到系統(tǒng)生成的場景中，在建模過程中充分利用紋理映射、凹凸紋理、LOD(Levels of Detail)、公告牌(Billboard)、透明貼圖等技術，通過動態(tài)內存數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)調度，提高系統(tǒng)運行性能。應用Billboard技術與透明貼圖技術結合，逼真地反應了樹木、行人、電線桿等模型，實現(xiàn)了用貼圖來表現(xiàn)模型細節(jié)的目標。

圖3 城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)展示的局部街區(qū)震害場景Fig.3 Earthquake disaster scenes in local street displayed by earthquake damage prediction virtual simulation system

圖4 城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)建筑震害模擬Fig.4 Earthquake damage simulated by earthquake damage prediction virtual simulation system

5 結論

城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)可以完整模擬城市工程結構在遭受不同震級地震作用下產生震害過程的綜合系統(tǒng)，它具有完備的數(shù)據(jù)庫結構、可靠的仿真模型和豐富逼真的三維震害數(shù)據(jù)輸出，可以更好地幫助用戶理解房屋的破壞程度和震害特征，也有助于不同部門間的信息傳遞和相互交流。該系統(tǒng)可用于今后的震害預測工作中，為城市防震減災工作提供更多有用、可靠、直觀的信息，推動城市防災規(guī)劃、應急預案編制、抗震加固改造、民眾防災教育等工作的開展，最大程度地去防止和抵御未來地震災害可能帶來的巨大破壞。不可否認，對城市震害預測結果進行整體虛擬仿真需要大量經費投入，如何降低“城市震害預測虛擬仿真系統(tǒng)”建造成本是本系統(tǒng)今后能否廣泛應用的關鍵問題。

國家地震局，國家統(tǒng)計局.1996.中國大陸地震災害損失評估匯編(1990－1995)［M］.北京:地震出版社.

李杰，宋建學.1996.地震災場的模擬控制問題研究.(I)地震災場模擬［J］.地震工程與工程振動，16(2).

孫柏濤，胡少卿，王東明.2007.云南省鄉(xiāng)鎮(zhèn)農村地震災害直接經濟損失研究［J］.地震工程與工程振動，27(1):153－158.

孫柏濤，王東明.2003.地震現(xiàn)場建筑物安全性鑒定智能輔助系統(tǒng)研究［J］.地震工程與工程振動，23(5):209－213.

孫柏濤，王旭，柴相花，等.2009.地震現(xiàn)場建筑物安全性鑒定量化方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，41(2):129－132.

王東明.2009.地震災場模擬及救援虛擬仿真訓練系統(tǒng)研究［D］.中國地震局工程力學研究所.

肖田元，張燕云，陳加棟.2000.系統(tǒng)仿真導論［M］.北京:清華大學出版社.

尹之潛.1996.結構易推性分類和未來地震災害估計［J］.中國地震，12(1):49－55.

Bellet T，Mayenobe P，Bornard J，et al.2012.A computational model of the car driver interfaced with a simulation platform for future Virtual Human Centred Design applications:COSMO-SIVIC［J］.Engineering Applications of Artificial Intelligence，25(7):1 488 －1 504.

Boukerche A，Araujo R B，Laffranchi M.2005.Multiuser 3D virtual simulation environments support in the Gnutella peer-to-peer network［J］.Journal of Parallel and Distributed Computing，65(11):1 462－1 469.

Buchali A，Geismar D，Hinkelbein M，et al.2001.Virtual simulation in patients with breast cancer Volker［J］.Budach Radiotherapy and Oncology，59(3):267 －272.

Pomara J，Lópeza V，Pomarb C.2011.Agent-based simulation framework for virtual prototyping of advanced livestock precision feeding systems［J］.Computers and Electronics in Agriculture，78(1):88－97.