基于VR技術的土木工程防災策略研究

敖健紅 何 順

（六盤水師范學院， 貴州 553000）

0 引言

土木工程防災演練中，提供一種可視化程度較高的應急預案，僅能為終端用戶描述預案執(zhí)行流程，而無法帶動用戶設身處地的去感受災害中可能遇到的危險情景。而借助VR虛擬現(xiàn)實技術，完整的呈現(xiàn)出應急預案的細微感知，增強了用戶沉浸度和體驗度，更為詳實的加深了災害環(huán)境的呈現(xiàn)效果。基于此，本研究圍繞VR虛擬現(xiàn)實技術展開分析，探討了VR技術在土木工程防災中的應用策略，先做如下分析。

1 土木工程防災VR流程模擬流程解析

1.1 準備模擬預案資料

土木工程防災中引用 VR技術，首先需要在準備階段完成對于防災隱患的模擬。通過VR軟件模擬出可以及時響應的解決措施，進而演示防災事項的關注點和集中項。這一過程中，需要對土木工程項目進行全面調查、評估、分析，并建立職能單位與居住成員的緊密聯(lián)系，進而為VR及時的防災科普宣傳、防災物資籌備、防災應急設施準備、防災應急演練提供虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)方案?？梢哉J為，越為詳盡的細節(jié)調研，其后續(xù)的VR模擬防災效果越強，是真正加強科學防災的基礎工作和先決條件?？梢越柚鶹R模擬防災的細微環(huán)節(jié)設計，來優(yōu)化災后處置方案的工作方向，進而為災后重建提供參考。

1.2 模擬災害應急程序

在災民緊急救援、疏散、避難設施等方面的評估和選擇，是進一步應用 VR虛擬技術的重要方向。在土木工程防災應急預案中，模擬土木工程項目的受損情況，以及社區(qū)單元在應急預案中的快速反應效果，是完整程序受災后可降低受災面積、保障人員安全、減少經濟損失的應急措施模擬過程。這一模擬過程相當于一種支持性的模擬預案，是應急處理階段是否能夠有效對接每一環(huán)節(jié)，保障災害應急程序順利執(zhí)行的基礎條件。當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)下的防災應急程序可以合理推進。是借助VR模擬技術啟動應急任務，通過模擬災害發(fā)生時的應急處理效果，來推理應急預案的可行性和可靠性。最后，對災后處置及應急任務終止，經過科學的演示和檢驗，對VR模擬防災效果進行評價，不斷修改模擬預案，達到土木工程項目的防災應急措施要求條件。

2 應用于土木工程的VR虛擬現(xiàn)實技術系統(tǒng)類型

VR虛擬現(xiàn)實技術，是通過多種軟件系統(tǒng)和硬件設備，來完成對于某一種現(xiàn)實世界場景的虛擬再現(xiàn)。計算機仿真系統(tǒng)描述出了土木工程項目的防災細節(jié)，需要借助終端VR設備為用戶呈現(xiàn)其中的關鍵信息。次數三維動態(tài)的防災程序，可通過Data Glove數據手套、HMD頭盔顯示器、Stereo Headphone立體聲耳機等硬件設備，達到投射虛擬場景，建立防災預案的全感官沉浸。而依據沉浸效果的差異，可以將VR虛擬現(xiàn)實技術劃分為三種系統(tǒng)類型：

2.1 桌面式VR系統(tǒng)

桌面式VR系統(tǒng)是最為簡易的模擬程序呈現(xiàn)方式，雖然并未提供較高的用戶體驗度，但是允許多用戶同時進入系統(tǒng)，相對的自由度和經濟度優(yōu)勢更為明顯。僅通過顯示器設備，便可以完成虛擬防災程序的展示。

2.2 沉浸式VR系統(tǒng)

沉浸式VR系統(tǒng)所使用的VR設備更多，包括前文提及的Stereo Headphone、Data Glove、HMD等交互設備。在軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的雙重配合之下，完成了對土木工程防災程序的展現(xiàn)。在交互設備的支持下，用戶沉浸在極度真實的虛擬環(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)網架構的網絡系統(tǒng)類型，在用戶感知虛擬環(huán)境的基礎上，為不同地點的用戶創(chuàng)建了統(tǒng)一的虛擬交流環(huán)境。那么這樣的分布條件，決定了防災演練可以在異地開展，并通過遠程終端完成講座、視頻、培訓等多重交互式的學習過程匹配。

3 VR 技術在土木工程防災各階段的應用

3.1 設計階段

土木工程防災設計中應用VR技術，是為了更準確觀察建筑受災情況下特征。此外，擁有不同見解和經驗的設計者，以及利益相關者，可以在借助VR技術的情況下，對不同方案設計進行探討和研究交流。收集采納多方建議，進而更好地適應木工程防災需要。通過多角度環(huán)境思維互換，增強創(chuàng)新方式，深入設計理念。在土木工程施工過程中，可利用VR演示和技術論證，在模擬中從真實角度觀察，可以規(guī)避風險性，同時提升木工程防災的成功率。展現(xiàn)前期的木工程防災演示成果，以及技術論證方面的廣泛應用效果。

3.2 宣傳教育階段

大量事實證明，火災中造成眾多人員傷亡主要因素，是被困人員防災意識淡薄，自救互救能力有限的問題。在土木工程宣傳教育中，VR技術的應用起到了重要的引導性作用，提高了普通群眾火災防范意識和自我救助能力，可有效減少災害高危事故的發(fā)生幾率。通過VR技術支持，可以精準展示出受害點，明確災害發(fā)生主要原因。在交互式的模擬學習訓練中，就土木工程災害類型和連帶因素做出客觀分析，并進行更為細致的探討，避免日后施工中由于違規(guī)操作所出現(xiàn)嚴重的工程技術缺陷。人類了解事物之間聯(lián)系主要通過視覺映象，通過三維圖像反映，可以更直觀了解事物趨勢與發(fā)展。因此，在土木工程防災宣傳教育中，運用 VR技術具有加強防災演練效果的積極作用。

3.3 防災模擬階段

進行構造分析時，工程人員真正所關心的是對土木工程施加負載的最高作用力，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。利用模型實驗時對特殊形式構造、荷載以及性能繁瑣性材料的受力性進行判定，由于場地空間對模擬實驗的限制，只能通過小型模型進行試驗，導致結果難以精準化，產生分析誤區(qū)。利用VR技術則不需要考慮場地限制，進行同尺寸試驗，便于得出精確參數。在實驗遇到問題時，如構造難以進行試驗、發(fā)生周期較長等，VR技術具有較大優(yōu)勢，進行同比例實驗，簡化復雜實驗流程，便于對變化過程產生清晰地認知。傳統(tǒng)分析時，有限元法時通過內力等力線對構造應力的分析結果進行闡述。然而利用 VR技術與計算機仿真功能，可以借助顏色區(qū)分表達三維物體中點力大小，通過任意角度觀察物理不同力面。VR技術在土木工程防災實驗時，需和其他軟件協(xié)助使用以達到真實科學的效果。同時VR技術允許操作者實時修改數據，進而提高防災模擬結果比對和分析質量。

4 在土木工程防災中應用VR虛擬現(xiàn)實技術的策略

4.1 增強防災模擬感知力

在土木工程項目中，應用VR虛擬現(xiàn)實技術完成防災演練，并不代表預設模擬環(huán)境達到了真實的災害現(xiàn)場描述條件。當虛擬災害現(xiàn)場的環(huán)境信息相對有限，無法完全程序災害情景時，VR虛擬場景與災害場景的符合度較低，容易弱化用戶感知力。鑒于此，需要通過完整描述災害場景的真實情況，不斷補充模擬元素，達到增強防災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，為防災演練提供更為真實的虛擬情景?？蓸嫿ㄍ聊竟こ探ㄖ恿W模型、外力沖擊虛擬實驗模型、工程項目外觀功能模型等，直觀呈現(xiàn)建筑體在災害發(fā)生時的內外環(huán)境變化。

4.2 提高防災宣傳可視化

大量防災演練的實際過程中，自救、互救、防護意識匱乏，是造成土木工程災害傷亡的主要因素。借助VR虛擬現(xiàn)實技術，不僅是防災救災部門的訓練模板，同時也是進行防災科普宣傳的重要工具。在這一過程中，最為關鍵的是解決虛擬視覺反差效果，讓終端用戶達到較高的可視化程度。通過二維平面圖像信息，以及三維立體空間信息，補充防災信息維度，在VR虛擬空間內建立交互式版面，讓學習防災措施的功能性更強，令宣傳視頻或講座的呈現(xiàn)效果更佳。

4.3 優(yōu)化防災模擬適用性

防災模擬的VR場景，本身存在適用性問題。假設為VR虛擬場景匹配的災害元素不同，最終所呈現(xiàn)出的災害場景也會存在本質差異。諸如，土木工程建筑的荷載特性、使用材料、結構形式等原始資料，對火災、水災、地震、塌方等自然災害的抵御力效果不可能完全相同。為了進一步加強防災演練的真實性，依據不同建筑體年代、材質、結構等微觀要素，來設計適用度更強的等比例模擬空間，將有助于發(fā)揮出VR技術的虛擬場景呈現(xiàn)優(yōu)勢。通過選定真實度更高的場景化參數變量，達到應急預案的指標選取條件，補充額外產生的災害因素變量，才能更為理想的輸出防災模擬場景，令VR技術的優(yōu)勢在土木工程防災中真正發(fā)揮。

5 結語

綜上所述，VR虛擬現(xiàn)實技術在土木工程防災中的應用具有諸多優(yōu)勢，沉浸感、體驗度、可視化、交互性的諸多優(yōu)勢特征，決定了VR虛擬現(xiàn)實技術在土木工程防災中的可應用價值。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特優(yōu)勢，建議增強防災模擬感知力，提高防災宣傳可視化，優(yōu)化防災模擬適用性。進而發(fā)揮出VR虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，完整呈現(xiàn)土木工程防災預案的科學性與可行性，達到支持土木工程防災救援演示功能的逐步完備的積極效果。