任振 余霞 樊怡辰 陳立華 王成程

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900)

0 引言

虛擬模型技術(shù)(virtual prototyping)是一種在虛擬環(huán)境中建模、模擬、分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程的數(shù)字化、可視化技術(shù)，其在制造業(yè)中得到了較好的應(yīng)用［1］。隨著信息化技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用，虛擬模型技術(shù)已經(jīng)在建筑施工領(lǐng)域開始應(yīng)用［2-3］。以虛擬模型技術(shù)和交互式仿真技術(shù)為核心的虛擬仿真技術(shù)，能夠?qū)こ淌┕し桨傅慕M織和實(shí)施進(jìn)行虛擬的驗(yàn)證和優(yōu)化，降低了實(shí)際施工過程中的返工現(xiàn)象和重大安全事故的發(fā)生，節(jié)約了管理和安全成本。其研究與應(yīng)用價(jià)值，逐漸引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。

國(guó)外對(duì)于虛擬仿真研究開展的比較早，目前其研究?jī)?nèi)容主要包含基本理論研究、施工領(lǐng)域的可視化仿真以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用等方面［4］。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)視覺建模方法、多用戶協(xié)同虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建等問題，這些研究主要集中在設(shè)計(jì)階段。在施工階段的虛擬仿真和軟件系統(tǒng)開發(fā)方面首次應(yīng)用是2000年上海正大廣場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工方案虛擬仿真系統(tǒng)［5-6］。Heng Li［7］等 人 研 究 了 集 成 虛 擬 現(xiàn) 實(shí)(VR)系統(tǒng)——VCL 在建設(shè)項(xiàng)目計(jì)劃管理中的應(yīng)用;Hadikusumo［8］等人基于VR 技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)名為DFSP (design-for-safety-process)的工具，用來識(shí)別施工過程中可能出現(xiàn)的，而實(shí)際上是設(shè)計(jì)產(chǎn)生的安全問題;上海海灣國(guó)家森林公園內(nèi)茶餐廳鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝均是虛擬仿真技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)施工上的一個(gè)嘗試［9］;深圳大學(xué)的李景茹使用C+ +語言結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)開發(fā)混凝土壩三維動(dòng)態(tài)可視化仿真軟件［10］。

綜合起來看，目前的虛擬仿真系統(tǒng)只能對(duì)單套施工方案進(jìn)行三維的預(yù)演或是針對(duì)施工過程仿真、進(jìn)度控制或安全控制某一方面進(jìn)行研究，對(duì)用戶的開放程度較小，缺乏良好的人機(jī)交互界面和與力學(xué)分析功能的集成，不能對(duì)施工方案進(jìn)行綜合評(píng)估與優(yōu)化。針對(duì)上述問題，提出一種基于二維和三維的交互式數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)，通過挖掘施工方案提供的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)虛擬施工的過程，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出虛擬仿真與力學(xué)仿真的接口，利用二維與三維之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬施工過程更為有效的控制。

1 交互式數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)整體框架

交互式數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)是指構(gòu)建二維和三維的數(shù)據(jù)交互體系，用戶通過良好的操作界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工方案的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取、分析和導(dǎo)出，進(jìn)而對(duì)虛擬施工過程的實(shí)時(shí)演示和對(duì)施工方案安全性虛擬仿真驗(yàn)證。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)平臺(tái)整體框架的設(shè)計(jì)，針對(duì)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的不同功能完成相應(yīng)的子平臺(tái)設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工過程虛擬仿真的演示與控制，同時(shí)考慮到二維和三維各自的特點(diǎn)，提出了集成由計(jì)算機(jī)1 構(gòu)成的二維控制子平臺(tái)和計(jì)算機(jī)2 構(gòu)成的三維顯示子平臺(tái)的方案(圖1)。

圖1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，二維子平臺(tái)和三維子平臺(tái)相互獨(dú)立，但是通過一套高效的數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制，將二者緊密地聯(lián)系在一起，從而達(dá)到高內(nèi)聚低耦合的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立模塊之間的數(shù)據(jù)交互。另外，本平臺(tái)集成與力學(xué)仿真的接口，將虛擬施工過程中的安全性信息反饋給用戶。

1.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工過程的可視化，結(jié)合安全性分析的要求，在二維子平臺(tái)和三維子平臺(tái)的基礎(chǔ)之上完成了兩個(gè)方面的設(shè)計(jì):

(1)吊裝過程的自主控制。既可以控制整體鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程，也可以控制單片網(wǎng)架或桁架施工過程演示，滿足了用戶的需求。二維子平臺(tái)操作主界面主要包括:菜單欄、視圖欄、工具欄、主要顯示窗口、狀態(tài)欄五個(gè)主要組成部分，由這些部分共同操作，完成二維吊裝場(chǎng)景的構(gòu)建以及命令的發(fā)送。

(2)安全性驗(yàn)證。通過對(duì)力學(xué)仿真所需數(shù)據(jù)的識(shí)別、提取和打包，轉(zhuǎn)換成ANSYS 可以識(shí)別的數(shù)據(jù)文件格式。在虛擬吊裝仿真過程中，如果用戶需要進(jìn)行施工過程中桿件某個(gè)時(shí)刻的力學(xué)分析，可以在二維子平臺(tái)發(fā)出指令，三維子平臺(tái)接受信息后將當(dāng)前狀態(tài)下構(gòu)件的自身屬性數(shù)據(jù)、空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)、約束條件數(shù)據(jù)通過與力學(xué)仿真軟件的接口導(dǎo)出以進(jìn)行安全性分析。

1.3 消息傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)

二維子平臺(tái)和三維子平臺(tái)之間信息的流暢有序傳遞，一方面，需要這兩個(gè)子平臺(tái)保持實(shí)時(shí)的同步關(guān)系。比如當(dāng)二維子平臺(tái)完成二維吊裝平面場(chǎng)景加載后，需要等待三維場(chǎng)景加載完成，方可發(fā)送命令給三維客戶端，整個(gè)過程消息傳輸機(jī)制見圖2。另一方面，虛擬仿真與力學(xué)仿真的數(shù)據(jù)傳輸過程需要明確。

圖2 消息傳輸機(jī)制圖

上述兩臺(tái)主機(jī)通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物理上的連接，考慮到二維子平臺(tái)和三維子平臺(tái)的高內(nèi)聚、低耦合的特性，可以采取一種基于socket 通信技術(shù)的分布式交互響應(yīng)機(jī)制［11］。將二維子平臺(tái)作為服務(wù)器端，三維子平臺(tái)作為客戶端。二維服務(wù)器端與三維客戶端之間發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式為:由二維發(fā)往三維:標(biāo)志位+數(shù)據(jù)包編號(hào)+數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度+命令+命令參數(shù);由三維發(fā)往二維:標(biāo)志位+數(shù)據(jù)包編號(hào)+返回碼。

虛擬仿真與力學(xué)仿真之間的數(shù)據(jù)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)在吊裝過程的任意時(shí)刻，進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)下構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析。其數(shù)據(jù)傳輸過程為:①用戶在二維子平臺(tái)發(fā)送受力分析指令;②三維子平臺(tái)導(dǎo)出進(jìn)行受力分析的各項(xiàng)參數(shù)，形成一個(gè)數(shù)據(jù)文件;③力學(xué)仿真軟件ANSYS 讀取該文件并進(jìn)行該狀態(tài)下構(gòu)件受力分析;④ANSYS將受力分析結(jié)果返回三維子平臺(tái)，用戶通過讀取返回的信息判定當(dāng)前狀態(tài)是否安全。

分布式交互響應(yīng)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，保證了平臺(tái)之間消息傳遞無滯后性，整個(gè)虛擬吊裝仿真過程能夠按照用戶的指令要求順利進(jìn)行。

1.4 互響應(yīng)技術(shù)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)吊裝場(chǎng)景虛擬漫游、機(jī)械吊裝線路導(dǎo)航、軟件界面交互操作等互響應(yīng)技術(shù)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以更好地實(shí)現(xiàn)交互式數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)的虛擬場(chǎng)景表現(xiàn)效果。

(1)視域同步。實(shí)現(xiàn)二維吊裝場(chǎng)景平面圖與三維吊裝場(chǎng)景的同步移動(dòng)，即將二維與三維鏈接在一起，始終保持相同的視角。該功能主要是依靠在二維平面圖中改變觀察者位置時(shí)，發(fā)送一個(gè)坐標(biāo)指令代碼 (double x，double y，double z)給三維場(chǎng)景來實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)設(shè)置的。

(2)交互漫游。二維和三維之間可以相互記錄對(duì)方在運(yùn)動(dòng)過程所經(jīng)過的坐標(biāo)信息，通過本功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吊裝機(jī)械的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄和定位，也可以反過來根據(jù)指定的軌跡為吊裝機(jī)械在三維虛擬場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航。

(3)吊裝過程交互仿真。通過點(diǎn)擊二維窗口的控件命令，三維窗口能夠動(dòng)態(tài)顯示該相應(yīng)操作的過程。實(shí)現(xiàn)思路是:將二維包含的構(gòu)件類別、運(yùn)輸線路、安裝位置空間坐標(biāo)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡等信息發(fā)送給三維，三維依據(jù)這些信息進(jìn)行虛擬吊裝模擬。

互響應(yīng)技術(shù)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)使三維虛擬場(chǎng)景更加真實(shí)，提高虛擬吊裝仿真的可視化效果和交互性程度，同時(shí)改善了平臺(tái)的易用性和直觀性。

2 工程應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目背景

為滿足某國(guó)防科研項(xiàng)目試驗(yàn)的要求，需配套建造一個(gè)大型鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室占地約1.6 萬m2，分為上下兩層，下層是7m 高混凝土框架結(jié)構(gòu);上層是約15.5m 高鋼結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目具有一般國(guó)防科研實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在:

(1)工期要求緊?？蒲性囼?yàn)項(xiàng)目任務(wù)重，留給基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)的時(shí)間更短，為了不影響試驗(yàn)進(jìn)度的進(jìn)行，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的進(jìn)度嚴(yán)格要求。

(2)質(zhì)量要求高。科研試驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)量有較高要求，一方面是對(duì)結(jié)構(gòu)承受各種荷載的安全性要求;另一方面是對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、變形、環(huán)境溫度、濕度等精度的要求。

(3)變更風(fēng)險(xiǎn)較大。國(guó)防科研試驗(yàn)具有較強(qiáng)的不可預(yù)見性，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中產(chǎn)生各種變更的可能性大，對(duì)施工方案、進(jìn)度和概算均會(huì)產(chǎn)生影響。

由于以上特征，結(jié)合本項(xiàng)目交叉作業(yè)頻繁，鋼結(jié)構(gòu)吊裝難度大，任務(wù)重的特殊情況，鋼結(jié)構(gòu)施工部分成為本項(xiàng)目建設(shè)過程對(duì)進(jìn)度影響最大的風(fēng)險(xiǎn)，因此必須就本項(xiàng)目涉及到的鋼結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行重點(diǎn)分析，采取有針對(duì)性的措施，確保項(xiàng)目順利實(shí)施。

本項(xiàng)目中二維子平臺(tái)主要是基于地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS Engine 9.3，并使用VS2008 對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā);三維顯示子平臺(tái)基于實(shí)時(shí)視景仿真軟件Vega prime 2.0，并使用VS2003 對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)。

2.2 吊裝機(jī)械的仿真優(yōu)化

利用二維與三維的數(shù)據(jù)交互，二維控制三維場(chǎng)景的演示，能夠逼真地模擬出施工現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)吊裝全過程。以履帶吊的運(yùn)動(dòng)控制為例:用戶在二維子平臺(tái)程序界面輸入履帶吊運(yùn)行線路的起始點(diǎn)、中間點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)信息后，發(fā)出指令，三維子平臺(tái)顯示界面就可以實(shí)際模擬出履帶吊在設(shè)定路徑上運(yùn)動(dòng)過程(圖3)。通過與力學(xué)仿真的接口，可以在ANSYS 軟件中模擬計(jì)算履帶吊在該線路上運(yùn)動(dòng)過程的力學(xué)信息(圖4)。這樣就實(shí)現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)線路安全性檢驗(yàn)和路線優(yōu)化。

圖3 履帶吊的運(yùn)動(dòng)控制

圖4 路線的安全性驗(yàn)證

2.3 力學(xué)仿真對(duì)施工方案的優(yōu)化

在對(duì)原次桁架虛擬吊裝過程模擬中，發(fā)現(xiàn)存在碰撞和機(jī)械利用率較低等問題，經(jīng)過討論研究可以采用雙機(jī)整體抬吊的新方案進(jìn)行吊裝。由于對(duì)于新方案的安全性沒有把握，需要利用力學(xué)仿真進(jìn)行驗(yàn)證，主要思路是選取吊裝最不利的一片桁架即次桁架第三片在最危險(xiǎn)時(shí)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)仿真分析，過程如圖5 所示。通過對(duì)新吊裝方案的虛擬模擬及安全性驗(yàn)證，滿足可行性和安全性的要求。最終選擇采用新的施工方案進(jìn)行吊裝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工方案的優(yōu)化，節(jié)約了成本和工期，為項(xiàng)目實(shí)施帶來較大經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 對(duì)次桁架第3 片進(jìn)行安全性驗(yàn)證的過程

3 結(jié)語

基于二維和三維的交互式數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)，支持了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬施工過程仿真的實(shí)現(xiàn)。通過提供良好的人機(jī)交互操作界面和力學(xué)仿真的接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多套施工方案進(jìn)行綜合評(píng)估和優(yōu)化，節(jié)約返工成本，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保障施工進(jìn)度，為實(shí)際工程項(xiàng)目帶來較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。其原理具有通用性，對(duì)該平臺(tái)的整體框架和功能進(jìn)一步開發(fā)，適用領(lǐng)域不僅局限于大型鋼結(jié)構(gòu)施工，還可實(shí)現(xiàn)其他大型復(fù)雜工程的虛擬施工仿真模擬。

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