馬宏偉 丁曼曼

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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地下空間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)問(wèn)題研究★

馬宏偉 丁曼曼

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

論述了城市地下空間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，從模擬演示功能局限性、地下空間規(guī)劃模塊開(kāi)發(fā)、模型通用性等方面，分析了地下空間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中存在的主要問(wèn)題，并提出了解決問(wèn)題的措施，為類(lèi)似實(shí)驗(yàn)室建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室，地下空間，城市模型

20世紀(jì)末期，王夢(mèng)恕院士[1]、錢(qián)七虎院士[2]前瞻性地提出：“21世紀(jì)是隧道及地下空間的世紀(jì)”。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用工作已如火如荼地展開(kāi)，然而，城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)人才匱乏的現(xiàn)狀制約了該領(lǐng)域的發(fā)展。為此，中南大學(xué)于2002年率先開(kāi)設(shè)了城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)，此后，山東大學(xué)、山東科技大學(xué)、安徽理工大學(xué)等高校也逐步開(kāi)設(shè)了該專(zhuān)業(yè)，到2016年為止，全國(guó)開(kāi)設(shè)城市地下空間工程及相似專(zhuān)業(yè)的高校已達(dá)50余所。

當(dāng)前，城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)已被教育部列為本科特設(shè)專(zhuān)業(yè)，同時(shí)，教育部已著手制定《城市地下空間工程本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》。由此表明，教育主管部門(mén)對(duì)城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)的開(kāi)設(shè)與建設(shè)極為重視，但該專(zhuān)業(yè)的建設(shè)仍存在一些亟待解決的問(wèn)題。

本文針對(duì)城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合安徽理工大學(xué)城市地下空間工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室籌建實(shí)踐，提出了該專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中存在的若干問(wèn)題，并對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析，提出解決相關(guān)問(wèn)題的措施。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀分析

虛擬仿真(Virtual Reality)系統(tǒng)即用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)，實(shí)際上是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中構(gòu)建工程的虛擬模型，并提供可視界面供用戶(hù)體驗(yàn)該虛擬工程的綜合系統(tǒng)。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)迅速在高等高校的科研領(lǐng)域占據(jù)了一席之地，近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面[3]：1)能充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，節(jié)約開(kāi)支；2)容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)更新，智能化程度高；3)功能齊全，使用方便；4)實(shí)驗(yàn)精度高，可以避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中因儀器設(shè)備引起的誤差；5)實(shí)驗(yàn)時(shí)間靈活且不受地點(diǎn)限制。

國(guó)內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)已建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的高校已達(dá)上百家。就土木建筑領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等高校已先后成立了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。部分國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)情況如表1所示。

根據(jù)表1可知，各層次高等院校對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)熱情極高，然而，當(dāng)前建立的城市地下空間工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并不多見(jiàn)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于：一方面，城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)為新專(zhuān)業(yè)，各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)模式尚未定型；另一方面，地下工程虛擬實(shí)驗(yàn)室有其不同于地面工程實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)特需求，使得實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在若干亟待解決的問(wèn)題。

表1 部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心表

2 城市地下空間工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)存在的問(wèn)題

城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)作為新建專(zhuān)業(yè)，其特色極為鮮明。然而，由于地下結(jié)構(gòu)具備隱蔽性、復(fù)雜性、多樣性等特點(diǎn)，使得城市地下空間工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)存在以下三個(gè)重要問(wèn)題亟需解決。

2.1 模擬演示功能存在局限性

目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)多以演示實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容，演示多以實(shí)際工程實(shí)例為背景，建立靜態(tài)模型供學(xué)生了解地下工程的結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)部構(gòu)造、施工流程等知識(shí)。然而，實(shí)際的地下工程施工是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其中涉及的爆破施工、隧道分部開(kāi)挖施工、地下工程支護(hù)施工等作業(yè)過(guò)程中相關(guān)施工參數(shù)的變化，均會(huì)引起圍巖位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生時(shí)間效應(yīng)。以鉆爆法施工為例，鉆孔爆破過(guò)程用時(shí)極短，危險(xiǎn)性極大，圍巖在爆破過(guò)程中的應(yīng)力、變形幾乎在瞬間發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)習(xí)幾乎無(wú)法進(jìn)行，最好的教學(xué)方式只有虛擬仿真演示。然而，進(jìn)行不同爆破參數(shù)下的瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程模擬對(duì)仿真系統(tǒng)的運(yùn)算速度和演示能力都提出了極高的要求，當(dāng)前的虛擬仿真系統(tǒng)尚不能實(shí)現(xiàn)。因此，開(kāi)發(fā)適用于地下工程特殊施工需要的虛擬仿真系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)必須解決的問(wèn)題。

2.2 城市地下空間規(guī)劃功能待開(kāi)發(fā)

城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)已明確，城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)應(yīng)培養(yǎng)具備從事城市地下空間工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、研究、開(kāi)發(fā)利用、施工和管理能力的專(zhuān)門(mén)人才。然而，現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更多地關(guān)注工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工問(wèn)題，對(duì)城市地下空間規(guī)劃方面尚未涉及。因此，開(kāi)發(fā)城市地下空間規(guī)劃功能對(duì)豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能、提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量均有重要的作用。

2.3 模型的通用性存在障礙

由于虛擬仿真系統(tǒng)的硬件和軟件供應(yīng)商眾多，各供應(yīng)商提供的軟件接口不具備通用性，使得實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中大量的時(shí)間用于獨(dú)特的虛擬仿真模型開(kāi)發(fā)工作，嚴(yán)重影響到實(shí)驗(yàn)室模型數(shù)量與規(guī)模的多樣化和模型質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)化。提高各類(lèi)軟硬件系統(tǒng)的兼容性，對(duì)提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用率、節(jié)約實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本均是有利的。

3 問(wèn)題的解決

3.1 開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)演示功能

當(dāng)前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)地下工程施工的模擬不夠真實(shí)，根本原因在于系統(tǒng)不能與CAE(Computer Aided Engineering，即計(jì)算機(jī)輔助工程)軟件完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)，當(dāng)前部分CAE軟件的計(jì)算速度也不能滿(mǎn)足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的要求。為此，在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，宜對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)商提出該特殊要求，要求軟件系統(tǒng)預(yù)留CAE軟件接口，并在系統(tǒng)軟件中加入模型自動(dòng)生成功能；同時(shí)，在采用CAE軟件進(jìn)行模擬分析中，模型的網(wǎng)格劃分及計(jì)算步序均不宜過(guò)細(xì)，只要能夠滿(mǎn)足虛擬仿真演示精度要求即可，且可以采取計(jì)算機(jī)硬件升級(jí)、軟件算法優(yōu)化等措施進(jìn)一步縮短計(jì)算時(shí)間，達(dá)到實(shí)時(shí)演示的要求。

3.2 城市地下空間規(guī)劃功能的開(kāi)發(fā)模式

城市地下空間的規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)虛擬仿真教學(xué)需要，仿真系統(tǒng)可開(kāi)發(fā)模塊化的規(guī)劃功能，系統(tǒng)內(nèi)置商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、交通樞紐區(qū)等城市模塊，摒棄傳統(tǒng)的以城市建設(shè)現(xiàn)狀為基礎(chǔ)進(jìn)行地下空間規(guī)劃的模式，采取模塊組合“拼裝”城市的方式，以便虛擬演示中根據(jù)需要建立不同的城市模型。既可提高模型制作速度，又能滿(mǎn)足模型多樣化需求。

3.3 創(chuàng)建模型交流平臺(tái)

既有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室模型的通用性問(wèn)題極為突出，由于地下工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)尚未廣泛開(kāi)展，因此在后續(xù)建設(shè)過(guò)程中，可以借鑒MOOC(Massive Open Online Courses，即大型開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)課程)的模式，創(chuàng)建模型交流平臺(tái)，開(kāi)放虛擬仿真系統(tǒng)的模型接口，使得不同單位的仿真模型數(shù)據(jù)可以相互交流使用，從而提高實(shí)驗(yàn)室利用效率、增強(qiáng)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

城市地下空間工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有著不同于地面工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的獨(dú)特之處，當(dāng)前在該類(lèi)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中面臨大量新的問(wèn)題需要解決。

本文結(jié)合安徽理工大學(xué)地下空間工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室籌建實(shí)際，提出了城市地下空間工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)存在的模擬演示功能局限性、地下空間規(guī)劃功能待開(kāi)發(fā)、模型的通用性存在障礙等三個(gè)主要問(wèn)題，并通過(guò)問(wèn)題的分析，提出了解決三大問(wèn)題的思路，為類(lèi)似實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供參考。

[1] 王夢(mèng)恕.21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的年代[J].巖土工程界,2000(1):13-15.

[2] 錢(qián)七虎,陳志龍.21世紀(jì)地下空間開(kāi)發(fā)利用展望[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第八屆年會(huì)論文集[C].1998.

[3] 蔡衛(wèi)國(guó).虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011,28(8)：76-78,82.

On construction problems of lab construction by virtual simulation of underground space★

Ma Hongwei Ding Manman

(CollegeofCivilArchitecture,AnhuiUniversityofTechnology,Huainan232001,China)

The paper indicates the advantages of the virtual simulation labs of urban underground space, analyzes main problems in the lab construction of the virtual simulation at the underground space from the limitation of the simulation demonstration functions, model development for the underground space planning, and model universality, and points out some measures for solutions, so as to accumulate experience for the similar lab construction.

virtual simulation system, lab, underground space, urban model

1009-6825(2016)28-0235-02

2016-07-25 ★ ：安徽理工大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)核心課程建設(shè)項(xiàng)目

馬宏偉(1984- )，男，博士，講師； 丁曼曼(1983- )，女，實(shí)驗(yàn)員

TU929

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