馬軍旗，周林豪，周 永，陳軍程，張志增

（1.中電建路橋集團(tuán)玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 653100；2.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，鄭州 450007）

隧道工程目前是我國(guó)各類工程中人員傷亡率最高的工程項(xiàng)目之一，采用數(shù)值模擬技術(shù)分析隧道圍巖穩(wěn)定性問題已被廣泛應(yīng)用。目前隧道工程中常用的數(shù)值模擬方法有離散單元法[1]、有限單元法[2]、有限差分法[3]和非連續(xù)變形分析法等[4-5]，一般運(yùn)用數(shù)值模擬軟件ANSYS、FLAC3D、MIDAS、RFPA等[6]對(duì)隧道工程進(jìn)行建模分析，但數(shù)值模擬的結(jié)果通常是由多個(gè)二維剖面的云圖來表示，出圖效率低且表現(xiàn)形式單調(diào)，并且當(dāng)技術(shù)人員看到數(shù)值模擬結(jié)果時(shí)還需想象其對(duì)應(yīng)的空間位置，這些導(dǎo)致了數(shù)值模擬結(jié)果的可讀性差。

為解決數(shù)值模擬結(jié)果在展示方面的不足，許多學(xué)者已經(jīng)做了大量研究。李云等[7]通過VrMap2.0 SDK平臺(tái)開發(fā)了一套大型行蓄洪區(qū)防洪減災(zāi)決策支持系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)數(shù)值模擬的可視化展示；王海燕等[8]通過CFD技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的耦合，實(shí)現(xiàn)了礦井火災(zāi)數(shù)值模擬的虛擬場(chǎng)景展示；毛軍等[9]實(shí)現(xiàn)了地鐵火災(zāi)煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬在虛擬仿真平臺(tái)的展示；歐耿鑫等[10]通過Visualization Toolkit開發(fā)了地下水?dāng)?shù)值建模與計(jì)算的可視化方法；邱流潮等[11]通過有限元和離散元耦合的數(shù)值方法對(duì)巴西圓盤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了巖石破碎過程數(shù)值模擬的可視化；耿敬等[12]通過將Mike21數(shù)值模擬結(jié)果與地形模型耦合，實(shí)現(xiàn)了洪水淹沒數(shù)值模擬的可視化展示；蘇關(guān)東等[13]開發(fā)了用于教學(xué)的滲流力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生可在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算?？v觀已有研究，尚未有隧道工程數(shù)值模擬結(jié)果的虛擬現(xiàn)實(shí)交互展示的報(bào)道。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是近年來發(fā)展最為迅速的一門交叉技術(shù)前沿學(xué)科，擁有強(qiáng)大的三維立體圖形展示功能和人機(jī)交互功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（Virtual Reality Modeling Language，簡(jiǎn)稱VRML）不僅能夠和各類工程建模軟件相融合，還能構(gòu)建各類虛擬場(chǎng)景，為隧道工程數(shù)值模擬結(jié)果的虛擬現(xiàn)實(shí)展示提供了可行的解決方案[14]。本文利用數(shù)值模擬軟件ANSYS對(duì)隧道工程進(jìn)行建模分析處理，然后運(yùn)用科學(xué)工程可視化與后處理軟件EnSight10.2進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與耦合，最后采用VRML實(shí)現(xiàn)隧道工程數(shù)值模擬結(jié)果的三維可視化[15]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言與數(shù)值模擬軟件

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言

VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言是一種可以直接建立現(xiàn)實(shí)模型或者構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的建模語言，具有較強(qiáng)的三維場(chǎng)景刻畫功能和人機(jī)交互功能，能夠創(chuàng)建可參與的三維互動(dòng)虛擬世界[16]。其主要目的是構(gòu)建一個(gè)立體的三維場(chǎng)景，將平面轉(zhuǎn)化為三維立體世界，然后通過其強(qiáng)大的人機(jī)交互功能解決用戶目前在三維圖形中交互的局限性。由于VRML可根據(jù)實(shí)際情況創(chuàng)建不同級(jí)別的應(yīng)用，所以其在虛擬現(xiàn)實(shí)、工程應(yīng)用及可視化、教育領(lǐng)域等具有廣泛的應(yīng)用前景[17]。

VRML文件是一種文本文件格式，可通過各類文本編輯器進(jìn)行編寫，目前VRML文件的編輯軟件有VrmlPad、Cosmo World及V-Realm Builder等[18]。其中VrmlPad是VRML文件專用編輯器，具有VRML代碼讀取、編輯和調(diào)試等功能，是一款功能強(qiáng)大又簡(jiǎn)單快捷的VRML源代碼編輯器。

VRML文件主要由文件頭、節(jié)點(diǎn)、路由、事件和腳本組成，其中節(jié)點(diǎn)是VRML構(gòu)建場(chǎng)景的基本要素，VRML語言可通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)建出各類三維模型和交互環(huán)境[19-20]。在VRML構(gòu)建場(chǎng)景時(shí)，一般通過造型Shape節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)集PointSet節(jié)點(diǎn)、線集IndexedLineSet節(jié)點(diǎn)、面集Indexed－FaceSet節(jié)點(diǎn)、海拔柵格ElevationGrid節(jié)點(diǎn)及擠出造型Extrusion節(jié)點(diǎn)等先構(gòu)建出簡(jiǎn)單的物體模型，再通過空間背景Backgroung節(jié)點(diǎn)、視點(diǎn)Viewpoint節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)航NavigationInfo節(jié)點(diǎn)及點(diǎn)光源PointLight節(jié)點(diǎn)等構(gòu)建出虛擬場(chǎng)景，然后通過路由將各事件連接一起，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的虛擬場(chǎng)景。

本文數(shù)值模擬三維可視化的實(shí)現(xiàn)選擇VRML語言構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，VrmlPad為文件編輯器。

1.2 數(shù)值模擬軟件

20世紀(jì)70年代由美國(guó)ANSYS，Inc.公司開發(fā)的ANSYS程序通過有限元法（Finite Element Method，簡(jiǎn)稱FEM）進(jìn)行求解分析，在巖土工程數(shù)值計(jì)算分析中得到廣泛應(yīng)用[21]。本文的隧道工程數(shù)值模擬采用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

ANSYS是集結(jié)構(gòu)分析、流體分析、電磁場(chǎng)分析及聲場(chǎng)分析于一體的工程仿真模擬分析軟件，主要優(yōu)點(diǎn)有：第一，能夠?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)備的互聯(lián)；第二，能對(duì)各類結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行仿真；第三，能簡(jiǎn)化復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問題。ANSYS軟件可通過結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析和壓電分析等對(duì)相應(yīng)的工程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。其在巖土工程數(shù)值計(jì)算分析中的應(yīng)用和研究非常廣泛，主要通過結(jié)構(gòu)靜力分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析來求解因外荷載產(chǎn)生的位移、應(yīng)力及隨時(shí)間變化的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響等，使用ANSYS進(jìn)行數(shù)值建模分析時(shí)主要通過前處理、分析求解和后處理3個(gè)模塊進(jìn)行。在工程應(yīng)用中，以ANSYS作為數(shù)值建模和計(jì)算軟件，根據(jù)隧道工程地質(zhì)情況建立幾何模型，設(shè)置模型材料、邊界條件等，然后對(duì)模型施加荷載并計(jì)算求解，最終輸出計(jì)算結(jié)果。

ANSYS讀取的數(shù)據(jù)是通過記事本編寫的“*.TXT”格式的命令流，文件主要內(nèi)容包括Preferences、Element Type、Real Constants、Material Props、modeling、meshing及Solution等參數(shù)，表明了建立模型的單元類型、材料、施加約束與荷載等信息。通過ANSYS軟件的計(jì)算與求解，最終可將結(jié)果文件輸出為“*.rst”格式文件。

1.3 數(shù)值模擬后處理軟件

EnSight（Engineering Insight，對(duì)工程的洞察力）是由美國(guó)CEI公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)便的科學(xué)工程可視化與后處理軟件，在有限元分析（FEA）和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等后處理可視化仿真中有廣泛應(yīng)用。本文中隧道工程數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與耦合采用En－Sight10.2版本軟件完成。

EnSight作為一款具有簡(jiǎn)單快捷的高性能圖形處理功能的可視化平臺(tái)，其數(shù)據(jù)接口豐富，能支持ANSYS、ABAQUS等數(shù)十款力學(xué)分析計(jì)算軟件的程序接口和數(shù)據(jù)格式[22]。EnSight中有4個(gè)ANSYS讀卡器，其中ANSYS Rrsults閱讀器是EnSight讀取ANSYS結(jié)果文件的主要閱讀器，其具有支持標(biāo)量、向量和張量變量，包括計(jì)算從張量導(dǎo)出的幾個(gè)標(biāo)量變量及局部元素結(jié)果成分的能力。采用EnSight進(jìn)行可視化與后處理時(shí)一般通過零件操作、計(jì)算器、繪圖、查詢、視口、注釋、時(shí)間、動(dòng)畫和用戶自定義工具等進(jìn)行操作，保存的幾何數(shù)據(jù)和變量值可通過En－Sight中的值塊（僅用于3D零件的變量的體繪制）、案例（EnSight Gold）、VRML、簡(jiǎn)單客戶端輸出和PLY多邊形文件格式5個(gè)內(nèi)部編輯器輸出。利用EnSight對(duì)隧道工程數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理和轉(zhuǎn)換時(shí)主要包括ANSYS數(shù)據(jù)讀取、更改變量著色和VRML文件輸出。在工程應(yīng)用中，以EnSight作為數(shù)值模擬數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換程序，主要通過ANSYS Rrsults閱讀器功能讀取ANSYS軟件輸出的“*.rst”格式文件，然后對(duì)讀取的文件進(jìn)行首選項(xiàng)設(shè)置、選擇著色變量、部件位移計(jì)算和元素變量著色更改為節(jié)點(diǎn)變量著色等處理，最終保存輸出為VRML文件。

2 ANSYS-VRML耦合的隧道工程數(shù)值模擬三維可視化

基于ANSYS-VRML耦合的隧道工程數(shù)值模擬三維可視化的技術(shù)流程：通過ANSYS軟件對(duì)隧道工程進(jìn)行建模分析處理后，利用EnSight作為數(shù)據(jù)可視化處理與轉(zhuǎn)換程序，再利用VrmlPad編輯器對(duì)讀取的模型進(jìn)行調(diào)試和編譯，最終輸出VRML格式文件，用戶可直接通過VRML瀏覽器進(jìn)行三維預(yù)覽，也可采用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行全景互動(dòng)體驗(yàn)。技術(shù)流程圖如圖1所示。由于用戶的所有操作都在虛擬場(chǎng)景中完成，所以有效地解決了傳統(tǒng)數(shù)值模擬表現(xiàn)形式單調(diào)且數(shù)值模擬與空間位置對(duì)應(yīng)不直觀這一問題。

圖1 技術(shù)流程圖

2.1 節(jié)點(diǎn)調(diào)試與編譯

節(jié)點(diǎn)調(diào)試與編譯是VRML文件構(gòu)建虛擬場(chǎng)景時(shí)要解決的首要問題，也是實(shí)現(xiàn)隧道工程數(shù)值模擬全景交互的一個(gè)關(guān)鍵步驟。在工程應(yīng)用中，隧道工程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)模型通過VRML節(jié)點(diǎn)中的面集IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，造型外觀屬性通過Appearance節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，場(chǎng)景信息通過空間背景Backgroung節(jié)點(diǎn)、視點(diǎn)Viewpoint節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)航NavigationInfo節(jié)點(diǎn)和點(diǎn)光源PointLight節(jié)點(diǎn)等實(shí)現(xiàn)。其中面集IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)主要由用于設(shè)定模型邊界連接點(diǎn)的坐標(biāo)位置、模型表面的粘貼紋理、模型中的面是否組成一個(gè)實(shí)體的coord域、texCoord域及solid域等構(gòu)成；Appearance節(jié)點(diǎn)主要由用于設(shè)定模型外觀材料的顏色、透明度、反光度、發(fā)光度及設(shè)定模型表面紋理貼圖的形態(tài)的material域、texture域等構(gòu)成；空間背景Backgroung節(jié)點(diǎn)主要由用于設(shè)定天空背景上需要著色位置的空間角、天空著色的顏色、地面背景上需要著色位置的空間角、地面背景著色的一系列RGB顏色的skyAngle域、skyColor域、groundAngle域和groundColor域等構(gòu)成；視點(diǎn)Viewpoint節(jié)點(diǎn)主要由用于設(shè)定視點(diǎn)在VRML場(chǎng)景中的空間位置的position域等組成；導(dǎo)航NavigationInfo節(jié)點(diǎn)主要由用于設(shè)定瀏覽者漫游類型的type域等構(gòu)成；點(diǎn)光源PointLight節(jié)點(diǎn)主要由用于設(shè)定點(diǎn)光源在坐標(biāo)系中的位置的location域等構(gòu)成。

要實(shí)現(xiàn)隧道工程數(shù)值模擬的虛擬交互，需通過IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)和Appearance節(jié)點(diǎn)顯示隧道工程數(shù)值模擬的造型和外觀，通過空間背景Backgroung節(jié)點(diǎn)、視點(diǎn)Viewpoint節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)航NavigationInfo節(jié)點(diǎn)和點(diǎn)光源PointLight節(jié)點(diǎn)構(gòu)建更為逼真的虛擬場(chǎng)景，關(guān)鍵技術(shù)是為coord域、texCoord域、solid域、material域、texture域、skyAngle域、skyColor域、groundAngle域和groundColor域、position域、type域及l(fā)ocation域等設(shè)定準(zhǔn)確的域值。

2.2 ANSYS與VRML的耦合

通過VRML構(gòu)建虛擬場(chǎng)景有2種方式，第一種方式是直接通過VRML編寫造型節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)集節(jié)點(diǎn)和面集節(jié)點(diǎn)等建立物體模型，然后添加各類場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)從而構(gòu)造出一個(gè)虛擬世界；第二種方式是通過三維建模軟件建立模型，而后將其他格式的模型文件轉(zhuǎn)換成VRML格式文件，最終在VRML格式文件中添加所需的場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)從而構(gòu)造出一個(gè)虛擬世界。由于本文實(shí)現(xiàn)的是數(shù)值模擬結(jié)果文件的三維可視化，所以采用第二種方式將隧道工程數(shù)值模擬結(jié)果文件轉(zhuǎn)化為可交互的三維虛擬場(chǎng)景文件。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理分為3個(gè)步驟：第一步，采用ANSYS軟件對(duì)工程案例進(jìn)行數(shù)值建模和計(jì)算，并將結(jié)果輸出為“*.rst”格式文件。第二步，采用科學(xué)工程可視化與后處理軟件EnSight10.2讀取“*.rst”格式文件，并將“*.rst”格式文件轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型，通過軟件編輯功能對(duì)隧道工程數(shù)值模擬模型進(jìn)行修改處理，然后利用輸出接口程序“幾何實(shí)體至VRML”導(dǎo)出處理后的三維結(jié)果模型，生成“*.wrl”格式文件。第三步采用VrmlPad編輯器對(duì)“*.wrl”格式文件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)調(diào)試與編譯。

2.3 隧道工程數(shù)值模擬的三維可視化

VRML格式文件的展示方式有2種，第一種是通過VRML瀏覽器直接進(jìn)行全景交互瀏覽，第二種是通過相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行沉浸式全景交互體驗(yàn)。采用第一種方式進(jìn)行瀏覽時(shí)，常用的瀏覽器是BS Contact瀏覽器，BS Contact瀏覽器可直接讀取“*.wrl”文件并具有一定的三維立體視覺體驗(yàn)；采用第二種方式進(jìn)行沉浸式全景交互體驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行一定的設(shè)置，以HTC設(shè)備為例，需在HTC設(shè)備配套的steam平臺(tái)中添加BS Contact瀏覽插件，然后通過BS Contact打開相應(yīng)的“*.wrl”文件即可進(jìn)行沉浸式全景交互體驗(yàn)。

3 應(yīng)用案例

以某開挖隧道工程為例，根據(jù)工程實(shí)況運(yùn)用記事本編寫TXT格式命令流，利用ANSYS軟件讀取TXT格式命令流，并將TXT格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為隧道工程數(shù)值模型，通過軟件計(jì)算功能對(duì)隧道圍巖的變形進(jìn)行計(jì)算分析，得到位移云圖，并將計(jì)算結(jié)果輸出為RST格式文件。該位移云圖是由一個(gè)二維剖面來表示，不僅表現(xiàn)形式十分單調(diào)，還無法展示隧道內(nèi)表面的圍巖變形情況。而技術(shù)人員只能通過這些圖片來研究隧道圍巖變形失穩(wěn)過程，當(dāng)技術(shù)人員讀取數(shù)值模擬結(jié)果時(shí)還需想象其對(duì)應(yīng)的空間位置，使得整個(gè)研究過程十分不便，解決該問題的最好方式是將二維的云圖轉(zhuǎn)化為三維可視化的場(chǎng)景。

為實(shí)現(xiàn)隧道工程數(shù)值模擬的三維可視化，可通過En－Sight軟件對(duì)ANSYS的結(jié)果文件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)ANSYS與VRML的數(shù)據(jù)耦合。利用EnSight軟件讀取“*.rst”格式文件，并將“*.rst”格式文件轉(zhuǎn)換成隧道工程數(shù)值模型，再通過軟件編輯功能將“連續(xù)著色單元變量”設(shè)置為調(diào)色板首選項(xiàng)，著色變量設(shè)置為“Displacement”，元素變量著色更改為節(jié)點(diǎn)變量著色等，然后利用輸出接口程序“幾何實(shí)體至VRML”導(dǎo)出處理后的三維結(jié)果模型，并生成“*.wrl”格式文件。

經(jīng)EnSight處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)雖然已具有三維可視化功能，但其場(chǎng)景還存在缺陷，需通過VrmlPad編輯器對(duì)“*.wrl”格式文件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)調(diào)試和編譯后才能進(jìn)行虛擬交互體驗(yàn)。根據(jù)隧道工程數(shù)值模型的原點(diǎn)坐標(biāo)，運(yùn)用VrmlPad編輯器對(duì)VRML場(chǎng)景中視點(diǎn)Viewpoint節(jié)點(diǎn)的position域的域值進(jìn)行更改，并編寫用于設(shè)置空間背景的Backgroung節(jié)點(diǎn)的skyAngle域、skyColor域、groundAngle域及groundColor域、用于設(shè)定瀏覽者漫游類型的導(dǎo)航NavigationInfo節(jié)點(diǎn)的type域及用于設(shè)定點(diǎn)光源在坐標(biāo)系中的位置的點(diǎn)光源PointLight節(jié)點(diǎn)的location域，最終形成可交互的隧道工程數(shù)值模擬三維可視化場(chǎng)景。

當(dāng)觀察者戴上VR設(shè)備后，可以身臨其境地進(jìn)入隧道模型之中，并能在隧道中走動(dòng)和觀看隧道圍巖變形數(shù)據(jù)，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)值模擬中表現(xiàn)形式單調(diào)、數(shù)值模擬與空間位置對(duì)應(yīng)不直觀的缺點(diǎn)，還增強(qiáng)了技術(shù)人員的視覺感受和互動(dòng)性。

4 結(jié)論

本文基于VRML語言編譯了隧道工程數(shù)值模擬的結(jié)果文件，并將其成功地應(yīng)用到隧道工程數(shù)值模擬的三維可視化中。通過本文的研究，得出以下結(jié)論：

（1）本文提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的隧道工程數(shù)值模擬三維可視化方法，既繼承了數(shù)值模擬提供的位移、應(yīng)力等圍巖信息，又融合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的顯示逼真和互動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為隧道工程數(shù)值模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)展示提供了一條新思路，滿足隧道工程數(shù)值模擬對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的需求，具有較強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

（2）EnSight為隧道工程數(shù)值模擬三維可視化提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，VRML語言為隧道工程數(shù)值模擬三維可視化提供了虛擬場(chǎng)景環(huán)境，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于隧道工程數(shù)值模擬的條件已經(jīng)非常成熟。

（3）以EnSight作為ANSYS與VRML的數(shù)據(jù)耦合轉(zhuǎn)化接口，便于將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與其他數(shù)值模擬軟件（如ABAQUS等）耦合，增強(qiáng)了數(shù)值模擬三維可視化的靈活性。

（4）本文的隧道工程數(shù)值模擬三維可視化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化接口是通過EnSight軟件手動(dòng)轉(zhuǎn)換的，在以后的研究中，將改進(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化接口，提高轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)研究如何實(shí)現(xiàn)其他數(shù)值模擬軟件與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的耦合。