地下空間虛擬仿真實驗室建設問題研究★

馬宏偉 丁曼曼

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

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地下空間虛擬仿真實驗室建設問題研究★

馬宏偉 丁曼曼

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

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

虛擬仿真系統(tǒng)，實驗室，地下空間，城市模型

20世紀末期，王夢恕院士[1]、錢七虎院士[2]前瞻性地提出：“21世紀是隧道及地下空間的世紀”。進入21世紀以來，我國城市地下空間開發(fā)利用工作已如火如荼地展開，然而，城市地下空間工程專業(yè)人才匱乏的現(xiàn)狀制約了該領域的發(fā)展。為此，中南大學于2002年率先開設了城市地下空間工程專業(yè)，此后，山東大學、山東科技大學、安徽理工大學等高校也逐步開設了該專業(yè)，到2016年為止，全國開設城市地下空間工程及相似專業(yè)的高校已達50余所。

當前，城市地下空間工程專業(yè)已被教育部列為本科特設專業(yè)，同時，教育部已著手制定《城市地下空間工程本科專業(yè)教學質(zhì)量國家標準》。由此表明，教育主管部門對城市地下空間工程專業(yè)的開設與建設極為重視，但該專業(yè)的建設仍存在一些亟待解決的問題。

本文針對城市地下空間工程專業(yè)建設現(xiàn)狀，結合安徽理工大學城市地下空間工程虛擬仿真實驗室籌建實踐，提出了該專業(yè)虛擬仿真實驗室建設中存在的若干問題，并對提出的問題進行了深入的分析，提出解決相關問題的措施。

1 虛擬仿真實驗室建設現(xiàn)狀分析

虛擬仿真(Virtual Reality)系統(tǒng)即用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)，實際上是在計算機系統(tǒng)中構建工程的虛擬模型，并提供可視界面供用戶體驗該虛擬工程的綜合系統(tǒng)。伴隨著計算機技術的快速發(fā)展，虛擬仿真技術迅速在高等高校的科研領域占據(jù)了一席之地，近年來，虛擬仿真技術在教學領域的應用價值逐漸被人們所認識。

與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬仿真實驗的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下五個方面[3]：1)能充分利用現(xiàn)有軟硬件資源，節(jié)約開支；2)容易實現(xiàn)技術更新，智能化程度高；3)功能齊全，使用方便；4)實驗精度高，可以避免傳統(tǒng)實驗中因儀器設備引起的誤差；5)實驗時間靈活且不受地點限制。

國內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身科研和教學的需求建立了一些虛擬仿真實驗室。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)已建立虛擬仿真實驗室的高校已達上百家。就土木建筑領域來說，同濟大學、中國礦業(yè)大學等高校已先后成立了國家級虛擬仿真實驗教學中心。部分國家級虛擬仿真實驗教學中心建設情況如表1所示。

根據(jù)表1可知，各層次高等院校對虛擬仿真實驗室的建設熱情極高，然而，當前建立的城市地下空間工程虛擬仿真實驗室并不多見。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業(yè)為新專業(yè)，各類實驗室的建設模式尚未定型；另一方面，地下工程虛擬實驗室有其不同于地面工程實驗室的獨特需求，使得實驗室建設存在若干亟待解決的問題。

表1 部分虛擬仿真實驗教學中心表

2 城市地下空間工程虛擬仿真實驗室建設存在的問題

城市地下空間工程專業(yè)作為新建專業(yè)，其特色極為鮮明。然而，由于地下結構具備隱蔽性、復雜性、多樣性等特點，使得城市地下空間工程虛擬仿真實驗室的建設存在以下三個重要問題亟需解決。

2.1 模擬演示功能存在局限性

目前的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)多以演示實驗為主要內(nèi)容，演示多以實際工程實例為背景，建立靜態(tài)模型供學生了解地下工程的結構形式、內(nèi)部構造、施工流程等知識。然而，實際的地下工程施工是一個極其復雜的動態(tài)過程，其中涉及的爆破施工、隧道分部開挖施工、地下工程支護施工等作業(yè)過程中相關施工參數(shù)的變化，均會引起圍巖位移場與應力場產(chǎn)生時間效應。以鉆爆法施工為例，鉆孔爆破過程用時極短，危險性極大，圍巖在爆破過程中的應力、變形幾乎在瞬間發(fā)生，現(xiàn)場見習幾乎無法進行，最好的教學方式只有虛擬仿真演示。然而，進行不同爆破參數(shù)下的瞬時動力學過程模擬對仿真系統(tǒng)的運算速度和演示能力都提出了極高的要求，當前的虛擬仿真系統(tǒng)尚不能實現(xiàn)。因此，開發(fā)適用于地下工程特殊施工需要的虛擬仿真系統(tǒng)是實驗室建設必須解決的問題。

2.2 城市地下空間規(guī)劃功能待開發(fā)

城市地下空間工程專業(yè)培養(yǎng)目標已明確，城市地下空間工程專業(yè)應培養(yǎng)具備從事城市地下空間工程的規(guī)劃、設計、研究、開發(fā)利用、施工和管理能力的專門人才。然而，現(xiàn)有的虛擬仿真實驗系統(tǒng)更多地關注工程結構的設計、施工問題，對城市地下空間規(guī)劃方面尚未涉及。因此，開發(fā)城市地下空間規(guī)劃功能對豐富虛擬仿真實驗系統(tǒng)功能、提高學生培養(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)的硬件和軟件供應商眾多，各供應商提供的軟件接口不具備通用性，使得實驗室建設過程中大量的時間用于獨特的虛擬仿真模型開發(fā)工作，嚴重影響到實驗室模型數(shù)量與規(guī)模的多樣化和模型質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)化。提高各類軟硬件系統(tǒng)的兼容性，對提高虛擬仿真實驗系統(tǒng)利用率、節(jié)約實驗室運行成本均是有利的。

3 問題的解決

3.1 開發(fā)實時演示功能

當前的虛擬仿真實驗系統(tǒng)對地下工程施工的模擬不夠真實，根本原因在于系統(tǒng)不能與CAE(Computer Aided Engineering，即計算機輔助工程)軟件完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時，當前部分CAE軟件的計算速度也不能滿足虛擬仿真實驗的要求。為此，在實驗室建設過程中，宜對系統(tǒng)供應商提出該特殊要求，要求軟件系統(tǒng)預留CAE軟件接口，并在系統(tǒng)軟件中加入模型自動生成功能；同時，在采用CAE軟件進行模擬分析中，模型的網(wǎng)格劃分及計算步序均不宜過細，只要能夠滿足虛擬仿真演示精度要求即可，且可以采取計算機硬件升級、軟件算法優(yōu)化等措施進一步縮短計算時間，達到實時演示的要求。

3.2 城市地下空間規(guī)劃功能的開發(fā)模式

城市地下空間的規(guī)劃是一個復雜的系統(tǒng)工程。為滿足專業(yè)虛擬仿真教學需要，仿真系統(tǒng)可開發(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)的以城市建設現(xiàn)狀為基礎進行地下空間規(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，又能滿足模型多樣化需求。

3.3 創(chuàng)建模型交流平臺

既有虛擬仿真實驗室模型的通用性問題極為突出，由于地下工程虛擬仿真實驗室建設尚未廣泛開展，因此在后續(xù)建設過程中，可以借鑒MOOC(Massive Open Online Courses，即大型開放式網(wǎng)絡課程)的模式，創(chuàng)建模型交流平臺，開放虛擬仿真系統(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，從而提高實驗室利用效率、增強模擬實驗教學效果。

4 結語

城市地下空間工程虛擬仿真實驗室建設有著不同于地面工程實驗室建設的獨特之處，當前在該類實驗室建設中面臨大量新的問題需要解決。

本文結合安徽理工大學地下空間工程虛擬仿真實驗室籌建實際，提出了城市地下空間工程虛擬仿真實驗室的建設存在的模擬演示功能局限性、地下空間規(guī)劃功能待開發(fā)、模型的通用性存在障礙等三個主要問題，并通過問題的分析，提出了解決三大問題的思路，為類似實驗室的建設提供參考。

[1] 王夢恕.21世紀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] 錢七虎,陳志龍.21世紀地下空間開發(fā)利用展望[A].中國土木工程學會第八屆年會論文集[C].1998.

[3] 蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，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 ★ ：安徽理工大學本科專業(yè)核心課程建設項目

馬宏偉(1984- )，男，博士，講師； 丁曼曼(1983- )，女，實驗員

TU929

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