敖健紅 何 順

（六盤(pán)水師范學(xué)院， 貴州 553000）

0 引言

土木工程防災(zāi)演練中，提供一種可視化程度較高的應(yīng)急預(yù)案，僅能為終端用戶描述預(yù)案執(zhí)行流程，而無(wú)法帶動(dòng)用戶設(shè)身處地的去感受災(zāi)害中可能遇到的危險(xiǎn)情景。而借助VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，完整的呈現(xiàn)出應(yīng)急預(yù)案的細(xì)微感知，增強(qiáng)了用戶沉浸度和體驗(yàn)度，更為詳實(shí)的加深了災(zāi)害環(huán)境的呈現(xiàn)效果。基于此，本研究圍繞VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展開(kāi)分析，探討了VR技術(shù)在土木工程防災(zāi)中的應(yīng)用策略，先做如下分析。

1 土木工程防災(zāi)VR流程模擬流程解析

1.1 準(zhǔn)備模擬預(yù)案資料

土木工程防災(zāi)中引用 VR技術(shù)，首先需要在準(zhǔn)備階段完成對(duì)于防災(zāi)隱患的模擬。通過(guò)VR軟件模擬出可以及時(shí)響應(yīng)的解決措施，進(jìn)而演示防災(zāi)事項(xiàng)的關(guān)注點(diǎn)和集中項(xiàng)。這一過(guò)程中，需要對(duì)土木工程項(xiàng)目進(jìn)行全面調(diào)查、評(píng)估、分析，并建立職能單位與居住成員的緊密聯(lián)系，進(jìn)而為VR及時(shí)的防災(zāi)科普宣傳、防災(zāi)物資籌備、防災(zāi)應(yīng)急設(shè)施準(zhǔn)備、防災(zāi)應(yīng)急演練提供虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)方案?？梢哉J(rèn)為，越為詳盡的細(xì)節(jié)調(diào)研，其后續(xù)的VR模擬防災(zāi)效果越強(qiáng)，是真正加強(qiáng)科學(xué)防災(zāi)的基礎(chǔ)工作和先決條件。可以借助VR模擬防災(zāi)的細(xì)微環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，來(lái)優(yōu)化災(zāi)后處置方案的工作方向，進(jìn)而為災(zāi)后重建提供參考。

1.2 模擬災(zāi)害應(yīng)急程序

在災(zāi)民緊急救援、疏散、避難設(shè)施等方面的評(píng)估和選擇，是進(jìn)一步應(yīng)用 VR虛擬技術(shù)的重要方向。在土木工程防災(zāi)應(yīng)急預(yù)案中，模擬土木工程項(xiàng)目的受損情況，以及社區(qū)單元在應(yīng)急預(yù)案中的快速反應(yīng)效果，是完整程序受災(zāi)后可降低受災(zāi)面積、保障人員安全、減少經(jīng)濟(jì)損失的應(yīng)急措施模擬過(guò)程。這一模擬過(guò)程相當(dāng)于一種支持性的模擬預(yù)案，是應(yīng)急處理階段是否能夠有效對(duì)接每一環(huán)節(jié)，保障災(zāi)害應(yīng)急程序順利執(zhí)行的基礎(chǔ)條件。當(dāng)VR模擬程序的執(zhí)行效果較為良好，可以判斷為理想狀態(tài)下的防災(zāi)應(yīng)急程序可以合理推進(jìn)。是借助VR模擬技術(shù)啟動(dòng)應(yīng)急任務(wù)，通過(guò)模擬災(zāi)害發(fā)生時(shí)的應(yīng)急處理效果，來(lái)推理應(yīng)急預(yù)案的可行性和可靠性。最后，對(duì)災(zāi)后處置及應(yīng)急任務(wù)終止，經(jīng)過(guò)科學(xué)的演示和檢驗(yàn)，對(duì)VR模擬防災(zāi)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷修改模擬預(yù)案，達(dá)到土木工程項(xiàng)目的防災(zāi)應(yīng)急措施要求條件。

2 應(yīng)用于土木工程的VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)類型

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是通過(guò)多種軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備，來(lái)完成對(duì)于某一種現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景的虛擬再現(xiàn)。計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)描述出了土木工程項(xiàng)目的防災(zāi)細(xì)節(jié)，需要借助終端VR設(shè)備為用戶呈現(xiàn)其中的關(guān)鍵信息。次數(shù)三維動(dòng)態(tài)的防災(zāi)程序，可通過(guò)Data Glove數(shù)據(jù)手套、HMD頭盔顯示器、Stereo Headphone立體聲耳機(jī)等硬件設(shè)備，達(dá)到投射虛擬場(chǎng)景，建立防災(zāi)預(yù)案的全感官沉浸。而依據(jù)沉浸效果的差異，可以將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分為三種系統(tǒng)類型：

2.1 桌面式VR系統(tǒng)

桌面式VR系統(tǒng)是最為簡(jiǎn)易的模擬程序呈現(xiàn)方式，雖然并未提供較高的用戶體驗(yàn)度，但是允許多用戶同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，相對(duì)的自由度和經(jīng)濟(jì)度優(yōu)勢(shì)更為明顯。僅通過(guò)顯示器設(shè)備，便可以完成虛擬防災(zāi)程序的展示。

2.2 沉浸式VR系統(tǒng)

沉浸式VR系統(tǒng)所使用的VR設(shè)備更多，包括前文提及的Stereo Headphone、Data Glove、HMD等交互設(shè)備。在軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的雙重配合之下，完成了對(duì)土木工程防災(zāi)程序的展現(xiàn)。在交互設(shè)備的支持下，用戶沉浸在極度真實(shí)的虛擬環(huán)境之中，創(chuàng)建了身臨其境的環(huán)境感知，促使用戶成為VR系統(tǒng)的操作者與參與者。

2.3 分布式 VR 系統(tǒng)

分布式 VR 系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)類型，在用戶感知虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)上，為不同地點(diǎn)的用戶創(chuàng)建了統(tǒng)一的虛擬交流環(huán)境。那么這樣的分布條件，決定了防災(zāi)演練可以在異地開(kāi)展，并通過(guò)遠(yuǎn)程終端完成講座、視頻、培訓(xùn)等多重交互式的學(xué)習(xí)過(guò)程匹配。

3 VR 技術(shù)在土木工程防災(zāi)各階段的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)階段

土木工程防災(zāi)設(shè)計(jì)中應(yīng)用VR技術(shù)，是為了更準(zhǔn)確觀察建筑受災(zāi)情況下特征。此外，擁有不同見(jiàn)解和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，以及利益相關(guān)者，可以在借助VR技術(shù)的情況下，對(duì)不同方案設(shè)計(jì)進(jìn)行探討和研究交流。收集采納多方建議，進(jìn)而更好地適應(yīng)木工程防災(zāi)需要。通過(guò)多角度環(huán)境思維互換，增強(qiáng)創(chuàng)新方式，深入設(shè)計(jì)理念。在土木工程施工過(guò)程中，可利用VR演示和技術(shù)論證，在模擬中從真實(shí)角度觀察，可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)性，同時(shí)提升木工程防災(zāi)的成功率。展現(xiàn)前期的木工程防災(zāi)演示成果，以及技術(shù)論證方面的廣泛應(yīng)用效果。

3.2 宣傳教育階段

大量事實(shí)證明，火災(zāi)中造成眾多人員傷亡主要因素，是被困人員防災(zāi)意識(shí)淡薄，自救互救能力有限的問(wèn)題。在土木工程宣傳教育中，VR技術(shù)的應(yīng)用起到了重要的引導(dǎo)性作用，提高了普通群眾火災(zāi)防范意識(shí)和自我救助能力，可有效減少災(zāi)害高危事故的發(fā)生幾率。通過(guò)VR技術(shù)支持，可以精準(zhǔn)展示出受害點(diǎn)，明確災(zāi)害發(fā)生主要原因。在交互式的模擬學(xué)習(xí)訓(xùn)練中，就土木工程災(zāi)害類型和連帶因素做出客觀分析，并進(jìn)行更為細(xì)致的探討，避免日后施工中由于違規(guī)操作所出現(xiàn)嚴(yán)重的工程技術(shù)缺陷。人類了解事物之間聯(lián)系主要通過(guò)視覺(jué)映象，通過(guò)三維圖像反映，可以更直觀了解事物趨勢(shì)與發(fā)展。因此，在土木工程防災(zāi)宣傳教育中，運(yùn)用 VR技術(shù)具有加強(qiáng)防災(zāi)演練效果的積極作用。

3.3 防災(zāi)模擬階段

進(jìn)行構(gòu)造分析時(shí)，工程人員真正所關(guān)心的是對(duì)土木工程施加負(fù)載的最高作用力，以及具有何種程度的破壞力，是否影響了建筑體自身的承載力。利用模型實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)特殊形式構(gòu)造、荷載以及性能繁瑣性材料的受力性進(jìn)行判定，由于場(chǎng)地空間對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的限制，只能通過(guò)小型模型進(jìn)行試驗(yàn)，導(dǎo)致結(jié)果難以精準(zhǔn)化，產(chǎn)生分析誤區(qū)。利用VR技術(shù)則不需要考慮場(chǎng)地限制，進(jìn)行同尺寸試驗(yàn)，便于得出精確參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)遇到問(wèn)題時(shí)，如構(gòu)造難以進(jìn)行試驗(yàn)、發(fā)生周期較長(zhǎng)等，VR技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行同比例實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化復(fù)雜實(shí)驗(yàn)流程，便于對(duì)變化過(guò)程產(chǎn)生清晰地認(rèn)知。傳統(tǒng)分析時(shí)，有限元法時(shí)通過(guò)內(nèi)力等力線對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的分析結(jié)果進(jìn)行闡述。然而利用 VR技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真功能，可以借助顏色區(qū)分表達(dá)三維物體中點(diǎn)力大小，通過(guò)任意角度觀察物理不同力面。VR技術(shù)在土木工程防災(zāi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需和其他軟件協(xié)助使用以達(dá)到真實(shí)科學(xué)的效果。同時(shí)VR技術(shù)允許操作者實(shí)時(shí)修改數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高防災(zāi)模擬結(jié)果比對(duì)和分析質(zhì)量。

4 在土木工程防災(zāi)中應(yīng)用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的策略

4.1 增強(qiáng)防災(zāi)模擬感知力

在土木工程項(xiàng)目中，應(yīng)用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成防災(zāi)演練，并不代表預(yù)設(shè)模擬環(huán)境達(dá)到了真實(shí)的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)描述條件。當(dāng)虛擬災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息相對(duì)有限，無(wú)法完全程序?yàn)?zāi)害情景時(shí)，VR虛擬場(chǎng)景與災(zāi)害場(chǎng)景的符合度較低，容易弱化用戶感知力。鑒于此，需要通過(guò)完整描述災(zāi)害場(chǎng)景的真實(shí)情況，不斷補(bǔ)充模擬元素，達(dá)到增強(qiáng)防災(zāi)模擬感知力的積極效果。方能形成多維感官信息的交互條件，為防災(zāi)演練提供更為真實(shí)的虛擬情景。可構(gòu)建土木工程建筑動(dòng)力學(xué)模型、外力沖擊虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、工程?xiàng)目外觀功能模型等，直觀呈現(xiàn)建筑體在災(zāi)害發(fā)生時(shí)的內(nèi)外環(huán)境變化。

4.2 提高防災(zāi)宣傳可視化

大量防災(zāi)演練的實(shí)際過(guò)程中，自救、互救、防護(hù)意識(shí)匱乏，是造成土木工程災(zāi)害傷亡的主要因素。借助VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅是防災(zāi)救災(zāi)部門(mén)的訓(xùn)練模板，同時(shí)也是進(jìn)行防災(zāi)科普宣傳的重要工具。在這一過(guò)程中，最為關(guān)鍵的是解決虛擬視覺(jué)反差效果，讓終端用戶達(dá)到較高的可視化程度。通過(guò)二維平面圖像信息，以及三維立體空間信息，補(bǔ)充防災(zāi)信息維度，在VR虛擬空間內(nèi)建立交互式版面，讓學(xué)習(xí)防災(zāi)措施的功能性更強(qiáng)，令宣傳視頻或講座的呈現(xiàn)效果更佳。

4.3 優(yōu)化防災(zāi)模擬適用性

防災(zāi)模擬的VR場(chǎng)景，本身存在適用性問(wèn)題。假設(shè)為VR虛擬場(chǎng)景匹配的災(zāi)害元素不同，最終所呈現(xiàn)出的災(zāi)害場(chǎng)景也會(huì)存在本質(zhì)差異。諸如，土木工程建筑的荷載特性、使用材料、結(jié)構(gòu)形式等原始資料，對(duì)火災(zāi)、水災(zāi)、地震、塌方等自然災(zāi)害的抵御力效果不可能完全相同。為了進(jìn)一步加強(qiáng)防災(zāi)演練的真實(shí)性，依據(jù)不同建筑體年代、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等微觀要素，來(lái)設(shè)計(jì)適用度更強(qiáng)的等比例模擬空間，將有助于發(fā)揮出VR技術(shù)的虛擬場(chǎng)景呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)選定真實(shí)度更高的場(chǎng)景化參數(shù)變量，達(dá)到應(yīng)急預(yù)案的指標(biāo)選取條件，補(bǔ)充額外產(chǎn)生的災(zāi)害因素變量，才能更為理想的輸出防災(zāi)模擬場(chǎng)景，令VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在土木工程防災(zāi)中真正發(fā)揮。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程防災(zāi)中的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)，沉浸感、體驗(yàn)度、可視化、交互性的諸多優(yōu)勢(shì)特征，決定了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在土木工程防災(zāi)中的可應(yīng)用價(jià)值。鑒于桌面式VR系統(tǒng)、沉浸式VR系統(tǒng)、分布式 VR 系統(tǒng)等不同類型所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，建議增強(qiáng)防災(zāi)模擬感知力，提高防災(zāi)宣傳可視化，優(yōu)化防災(zāi)模擬適用性。進(jìn)而發(fā)揮出VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，完整呈現(xiàn)土木工程防災(zāi)預(yù)案的科學(xué)性與可行性，達(dá)到支持土木工程防災(zāi)救援演示功能的逐步完備的積極效果。