城市震害預(yù)測虛擬仿真系統(tǒng)研究*

王東明

(中國地震災(zāi)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(zāi)區(qū)民眾造成了巨大的災(zāi)難。因此，人類必須面對這種突發(fā)性極強(qiáng)、危害性極大、波及面積極廣的自然災(zāi)害，并且積極通過研究地震災(zāi)害的成因和時(shí)空分布規(guī)律來尋求減輕地震災(zāi)害損失的途徑。我國是世界上遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。建國60多年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加速。有效地評定城市的地震危險(xiǎn)性、人工建筑物的抗震能力、防震減災(zāi)薄弱環(huán)節(jié)、地震應(yīng)急處置能力、緊急救援能力、民眾的防震避險(xiǎn)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(qiáng)的地區(qū)地震對策的基礎(chǔ)，能促進(jìn)“最大程度減輕地震災(zāi)害損失”這一防震減災(zāi)根本目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

震害預(yù)測工作就是在烈度區(qū)劃圖、地震危險(xiǎn)性分析和地震小區(qū)劃的基礎(chǔ)上，對預(yù)測區(qū)域內(nèi)的工程結(jié)構(gòu)在未來地震中的震害狀態(tài)和震害分布以及由此導(dǎo)致的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行分析和模擬。鑒于震害預(yù)測工作的重要性，我國防震減災(zāi)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(zāi)法》第十三條中規(guī)定“編制防震減災(zāi)規(guī)劃，應(yīng)當(dāng)遵循統(tǒng)籌安排、突出重點(diǎn)、合理布局、全面預(yù)防的原則，以震情和震害預(yù)測結(jié)果為依據(jù)”。2010年下發(fā)的《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)防震減災(zāi)工作的意見》(國發(fā)〔2010〕18號)中明確提出“進(jìn)一步做好全國地震區(qū)劃工作，盡快完成地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)縣級以上城市的地震小區(qū)劃和震害預(yù)測”。

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

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱 VR)，并非真實(shí)的世界，而是一種可交互的環(huán)境，從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實(shí)是人與世界交互的計(jì)算機(jī)接口。仿真(simulation)技術(shù)，或者稱模擬技術(shù)，在人們不斷深化認(rèn)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(shù)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(shù)、體育、模擬訓(xùn)練、綜合防災(zāi)等領(lǐng)域得到廣泛的成功應(yīng)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(yùn)用最廣泛的空間處理技術(shù)，將仿真系統(tǒng)構(gòu)架在GIS平臺之上將能更加形象地再現(xiàn)災(zāi)害的全過程。

城市震害預(yù)測虛擬仿真系統(tǒng)正是架構(gòu)在虛擬仿真技術(shù)和GIS技術(shù)的基礎(chǔ)之上，本文將重點(diǎn)介紹該虛擬仿真系統(tǒng)的基本構(gòu)架與技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)框架

城市震害預(yù)測虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下總體功能需求:建立為震害預(yù)測研究服務(wù)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?qū)ζ溥M(jìn)行編輯和修改;對城市所在地區(qū)進(jìn)行地震危險(xiǎn)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(jìn)行易損性分析，為地震損失評估提供基礎(chǔ)資料;具有對建筑物震害的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡進(jìn)行預(yù)測的功能;具備對信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、打印等功能，為震害應(yīng)急決策、城市規(guī)劃、建設(shè)和綜合管理提供服務(wù)。

城市震害預(yù)測虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)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(yù)測密切相關(guān)的空間和非空間數(shù)據(jù)，存儲和虛擬仿真相關(guān)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(jìn)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(shè)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(shí)(數(shù)據(jù)調(diào)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(gè)虛擬仿真的核心模塊，將完成被預(yù)測城市的建筑物、生命線等工程結(jié)構(gòu)的易損性分析及其在空間上的分布模擬(調(diào)用GIS的相關(guān)分析功能);虛擬現(xiàn)實(shí)模塊則將仿真模塊給出的仿真結(jié)果進(jìn)行虛擬環(huán)境構(gòu)建。

(4)應(yīng)用層。一切仿真過程都是為結(jié)果服務(wù)的，該層主要實(shí)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(yīng)的結(jié)果，這些結(jié)果包括被預(yù)測城市在設(shè)定地震下建筑及生命線等工程結(jié)構(gòu)的震害狀態(tài)及分布、損失情況、應(yīng)急救援輔助決策等，同時(shí)，系統(tǒng)允許根據(jù)實(shí)際需要對自動構(gòu)建的虛擬環(huán)境進(jìn)行二次編輯。

圖1 城市震害預(yù)測虛擬仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(yùn)行的基礎(chǔ)，沒有數(shù)據(jù)就構(gòu)不成一個(gè)完備的系統(tǒng)。城市震害預(yù)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(chǔ)數(shù)據(jù)。地理信息空間數(shù)據(jù)(基礎(chǔ)地理圖、地形圖、專題地圖有關(guān)的屬性數(shù)據(jù))、建(構(gòu))筑物調(diào)查(含普查和詳查數(shù)據(jù))、生命線工程調(diào)查、地震次生災(zāi)害源調(diào)查、社會環(huán)境及經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料、地震目錄、地震地質(zhì)災(zāi)害資料等。(2)預(yù)測數(shù)據(jù)。主要是通過震害預(yù)測及相關(guān)研究得到的結(jié)果數(shù)據(jù)，由地震危險(xiǎn)性分析、建(構(gòu))筑物震害預(yù)測、生命線工程震害預(yù)測、地震次生災(zāi)害源影響評估、人口與經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)和防震減災(zāi)對策等結(jié)果數(shù)據(jù)構(gòu)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(shí)景三維數(shù)據(jù)、建(構(gòu))筑物實(shí)景三維數(shù)據(jù)、地形與地貌數(shù)據(jù)、建(構(gòu))筑物實(shí)景二維圖像等，進(jìn)行三維實(shí)體仿真建模得到的數(shù)據(jù)。(4)震害矩陣。某類結(jié)構(gòu)的震害矩陣反映該類結(jié)構(gòu)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(qiáng)震受災(zāi)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(biāo)準(zhǔn)震害矩陣(考慮4類易損性建筑的18個(gè)震害矩陣)②1990～2000年中國大陸地震災(zāi)害損失評估報(bào)告中獲取61個(gè)震例(國家地震局，國家統(tǒng)計(jì)局，1996)，用數(shù)學(xué)方法完善了61個(gè)震例中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和土坯房共計(jì)156個(gè)震害矩陣①王東明.2012.我國強(qiáng)震受災(zāi)環(huán)境綜合區(qū)劃.;③從“七五”以來20多個(gè)城市震害預(yù)測的報(bào)告中獲取的預(yù)測所得震害矩陣62個(gè)(分不同結(jié)構(gòu)類型)。系統(tǒng)對獲取的震害矩陣庫進(jìn)行建庫管理。(5)典型震害數(shù)據(jù)。收集國內(nèi)外歷次地震震害調(diào)查中獲取到的各類結(jié)構(gòu)物震害數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類整理，提取出各類結(jié)構(gòu)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(zāi)等)及災(zāi)民安置問題(包括場地選取、帳篷搭建、臨時(shí)給排水、垃圾處理等)，對虛擬環(huán)境中的三維震害模型進(jìn)行編輯、替換、刪除等，并可對系統(tǒng)虛擬仿真結(jié)果進(jìn)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(dāng)?shù)奈锢?、?shù)學(xué)或其他邏輯思維關(guān)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(zhì)的模仿品。以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)、結(jié)構(gòu)抗震分析理論、震害預(yù)測理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為工具，通過有效選取結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)，構(gòu)建出能較為客觀地反映城市現(xiàn)狀及不同地震危險(xiǎn)性下的結(jié)構(gòu)震害狀態(tài)的仿真系統(tǒng)模型。

建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下引起破壞是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，是地震作用的動力特性、結(jié)構(gòu)固有的特性、外界環(huán)境等眾多因素綜合作用的結(jié)果，而這些影響因素往往帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性、模糊性和不確定性，表明該仿真系統(tǒng)必然是一個(gè)“灰色”系統(tǒng)。另一方面，從引起震害反應(yīng)的角度來看，仿真系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng)之間只要結(jié)構(gòu)類型相似、地震背景相似、場地條件相似(李杰，宋建學(xué)，1996)，其震害現(xiàn)象也應(yīng)該相似，歷史的震害經(jīng)驗(yàn)是可以證明這一點(diǎn)的。

建模的目標(biāo)決定了模型的精度。我們的目標(biāo)是選取盡量少的關(guān)鍵參數(shù)作為橋梁，完成聯(lián)系真實(shí)系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系的任務(wù)。從系統(tǒng)學(xué)的角度，一個(gè)系統(tǒng)可以被定義成為集合結(jié)構(gòu)，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(qiáng)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(nèi)部狀態(tài)集，代表結(jié)構(gòu)抗震能力;Y為輸出集，代表震害的結(jié)果或基本特征。

圖2依據(jù)式(1)描述了建筑結(jié)構(gòu)震害虛擬仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)的關(guān)系模型。以影響結(jié)構(gòu)破壞的各種主導(dǎo)因素與結(jié)構(gòu)實(shí)際震害之間的關(guān)系為背景進(jìn)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(jié)構(gòu)特征參數(shù)選取依據(jù)震害預(yù)測理論中給出的不同結(jié)構(gòu)類型不同易損性分析所需要的參數(shù);內(nèi)部狀態(tài)即為結(jié)構(gòu)抗力概念，代表結(jié)構(gòu)抗震能力的廣義物理量(結(jié)構(gòu)內(nèi)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(yán)重破壞、毀壞5種，和震害宏觀調(diào)查保持一致。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)震害虛擬仿真系統(tǒng)與原型系統(tǒng)的關(guān)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(jié)構(gòu)特征等參數(shù)輸入，通過抗力計(jì)算劃定破壞狀態(tài)，并要求虛擬仿真模塊調(diào)取對應(yīng)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下引起破壞的仿真模擬。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

城市震害預(yù)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(shí)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括 OpenGL、DirectX、VRML、Java3D等，以及仿真中間件技術(shù)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(chǔ)上開發(fā)完成的。城市震害預(yù)測虛擬仿真場景(圖3)包括:地形、地物、工程結(jié)構(gòu)物地震破壞(圖4單體結(jié)構(gòu)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(gè)建筑單體的方位和結(jié)構(gòu)(根據(jù)震害預(yù)測進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行雨雪煙霧火等特效加載增加氣氛。工程結(jié)構(gòu)、道路、樹木等復(fù)雜物體的建模需要借助于三維建模軟件3DSMAX完成，再導(dǎo)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(shù)，通過動態(tài)內(nèi)存數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。應(yīng)用Billboard技術(shù)與透明貼圖技術(shù)結(jié)合，逼真地反應(yīng)了樹木、行人、電線桿等模型，實(shí)現(xiàn)了用貼圖來表現(xiàn)模型細(xì)節(jié)的目標(biāo)。

圖3 城市震害預(yù)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(yù)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(jié)論

城市震害預(yù)測虛擬仿真系統(tǒng)可以完整模擬城市工程結(jié)構(gòu)在遭受不同震級地震作用下產(chǎn)生震害過程的綜合系統(tǒng)，它具有完備的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、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(yù)測工作中，為城市防震減災(zāi)工作提供更多有用、可靠、直觀的信息，推動城市防災(zāi)規(guī)劃、應(yīng)急預(yù)案編制、抗震加固改造、民眾防災(zāi)教育等工作的開展，最大程度地去防止和抵御未來地震災(zāi)害可能帶來的巨大破壞。不可否認(rèn)，對城市震害預(yù)測結(jié)果進(jìn)行整體虛擬仿真需要大量經(jīng)費(fèi)投入，如何降低“城市震害預(yù)測虛擬仿真系統(tǒng)”建造成本是本系統(tǒng)今后能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

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