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发表于 2010-11-21 20:48:49
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欢迎心想我的作品：王耀玲
前 言
近几年来，随着计算机技术的不断进步，计算机、特别是微型计算机在我国取得了突飞猛进地发展。在微机迅速普及的同时，计算机应用水平也得到了很大程度的提高，多媒体、网络等技术遍地开花。特别是网络技术的推广应用，将改变人们传统的工作方式，给土木工程工作者带来很多的便利。
人━计算机交互(Human Computer Interactive, HCI)理论和技术是当前发展计算机应用的一个关键。多媒体、可视化和虚拟现实技术代表了HCI技术的不同侧面的要求。多媒体技术是90年代计算机技术的一个重要发展方向，它改变了传统计算机只能单纯处理数字和文字信息的不足，使计算机能综合处理声、文、图信息，并以其形象和方便的交互性，极大地改善了人机界面，改变了使用计算机的方式。
1 从DOS走向Windows
多年以来，DOS已成为PC机事实上的操作系统，国内也有各种各样的CCDOS以及成千上万的DOS应用程序。DOS自80年代初推出以来，版本不断更新，最新的版本已到6.21版。但近年来，Windows已在世界范围内广为流行。Windows之所以取得成功，究其原因，就在于DOS环境的局限性和Windows的优越性。
Windows的优越性体现在充分地发挥硬件性能；友好的图形用户界面；弹出式下拉式菜单、图标、对话框、加速键等用户操作手段；多任务同时运行；应用程序有统一的用户界面；特别是95年推出的Windows 95，方便上网，方便的信息和软硬件资源共享。
Windows是一个多媒体平台，也是一个网络环境，还是客户／服务器计算平台。
由于DOS没有为应用程序的用户界面提供标准的编程接口，不同的应用程序具有不同的用户操作方式，用户每拿到一个新程序，都得从头学习起。DOS虽然为PC机的普及和发展起了巨大的作用，并为广大用户所接受，但在发展的过程中，它所固有的一些缺陷也暴露了出来，它的发展已到了尽头。
真正要发挥Windows平台的作用，还得靠广大土木工作者开发自己的Windows应用程序。Windows支持的开发环境都很成熟、很强大，如Visual C++、Borland C++、Visual Basic等都是很流行的开发环境。由于Windows应用程序风格一致，许多部件都是相同的，因此，与DOS相比，开发周期会大大缩短。以前开发的土木工程应用软件大都是基于DOS系统，有些已经推出Windows版本。
2 计算机辅助设计的发展
在70年代之前，工程设计及科研使用计算机主要是完成数值计算结构分析，使用的计算机一般都是体积很大、速度较慢、容量较小且使用不方便的国产计算机，如TQ16、709机等，这种机器输入程序及数据采用纸带穿孔方式，不易被理解，检查和修改都非常不便，而且因为价格昂贵，所以只有一些大单位才有能力拥有这样的计算机。而且实用软件较少，这可以说是土木工程行业计算机应用的初级阶段。
80年代初期在进口机和部分低档的微机上，采用了键盘输入，建立数据文件的办法。为了保证计算速度、精度以及小机算大题等问题，广大计算机应用人员研制了很多有效、优秀的数值方法。特别是1981年IBM推出第一台PC机以后，一些有敏锐眼光的软件开发人员就开始把大机器上的程序移植到PC机上来。但早期程序的输入输出数据量都很大，数据整理、分析仍是专业人员头痛的问题。
80年代后期，软件开发技术人员学习国外先进技术，开发了具有图形前后处理功能的结构设计程序。前处理采用数据文件或人机交互输入数据，由程序对输入数据进行处理，可以生成结构计算简图和荷载图，对用户输入数据的正确性有了充分保证。后处理可以生成变形图、内力图、振型图、配筋表等，便于使用者理解分析结果以改进结构。这样的软件大大提高了工作效率，也为计算机知识不足的专业人员上机创造了条件。这一阶段软件人员对计算机图形技术的摸索与实践蕴育了计算机辅助设计(CAD)软件的产生。
计算机辅助设计首先取得成功的是结构CAD软件，其后是建筑及设备专业的CAD软件。开发结构CAD软件的工作量较大，它除了系统所需的图形、汉字等软件技术外，更重要的是涉及众多计算理论，规范要求及各种不同的设计成图的习惯作法等。从上部结构到基础，从计算数据准备、结构分析、配筋设计到出施工图，既要求方便的人工干预又要尽可能提高自动化水平。我国自己开发的结构设计软件有PK结构设计绘图软件、PESCAD平面体系结构CAD软件等。
建筑CAD的应用过程复杂，处理信息量大，表达形式多种多样，因此要求计算机容量大，计算速度快和显示分辨率高，即对硬件要求很高。随着微机性能的不断提高，特别是引进国外高性能的图形支撑软件，使国内出现众多AutoCAD平台上的建筑及设备专业CAD软件，可以进行三维造型，自动生成平、立、剖施工图，渲染图可以表现光影、质感和纹理，我国自己开发的建筑设计软件有：HOUSE建筑CAD软件包、AUTOBUILDING(ABD)建筑绘图软件等。国外引进的图形处理软件有3D Studio、3DMAX、Adobe Photoshop和CorelDraw等。设备专业软件功能强大，三维模型解决了碰撞问题，丰富的零件库为CAD设计提供了极大的方便。CAD应用在真实感的建筑设计、建筑规划、建筑装修行业、建筑施工和施工管理等方面，相对结构设计来说还需要做更多的工作。
随着计算机硬件和软件的飞速发展，计算机推广应用的条件成熟了。CAD软件的发展和普及，使我国的设计水平缩小了与发达国家的距离。CAD的应用水平已成为衡量一个设计单位或工程施工单位技术水平的重要标志及对外竞争投标的强有力的手段。建筑工程CAD可以从建筑设计方案、结构布置和分析、施工图到预算等全部由计算机完成。
我们今天处于高科技不断创新的时代，国际上CAD系统在技术上以日新月异的速度发展，而历史又一次给我们以发展自己的机遇，在集成化、协同化、智能化及其相关技术的研究与开发领域，可以说我们同发达国家是站在同一起跑线上的。
集成技术是指在工程设计阶段和各专业的有关应用程序之间，信息提取、交换、共享和处理的集成，即信息流的整体化，将设计的各阶段及涉及的各专业有机地形成一个整体。
协同技术是指在集成的基础上，在网络技术的支持下，实行并行工程处理作业。以工程项目为核心，使不同地域的生产"虚拟群体"能及时地共享图形库、数据库、材料库及一切上网资源。这要求协同各点对工程项目有着共同的描述，可以随时进行超越障碍(包括地域间、系统间)的信息交换以修改、评价设计工作的每个环节。
智能技术既把具有学习、记忆和推理功能的专家系统运用于CAD系统，使系统的性能得到更大的改善，可靠性进一步提高，灵活性更大，能够适应千变万化的工程设计的实际需要。
CAD技术只能在创新中求发展，创新一方面必须跟踪国际计算机技术发展的先进水平，另一方面需适应国内市场的需求。商品软件的每一个功能细节，都要受到用户的欢迎，市场的认可。例如数据输入要尽可能的少；操作要方便，高度的自动化和人工干预要有机结合；输出图形要简洁、排版灵活，数据表格化，便于查阅及理解等。
3 网络技术的利用
网络化是计算机应用发展的大趋势。计算机网络可供网上用户共享软件和硬件资源，为用户提供一种完善和高效的使用环境。网络还可以改变一个部门的结构和管理模式，在完成一工程项目时，所有的设计人员及管理人员无需在同一区域，通过计算机网络把他们联系起来，组成一个"虚拟群体"，能及时地共享资源。这样也可使不同工种设计部门如建筑、结构、水电、暖通等工种对设计数据的进一步共享与交流。
计算机网络可以是一个或几个办公室、一幢大楼或紧邻的楼群间的联网，称为局部网；也可以是长距离的跨地区、跨城市的联网，称为广域网。此外还有国际联网。
国际计算机互联网(INTERNET)是世界上最大的计算机互联网，是个巨大的信息库，它提供成千上万的信息资源，这些资源分布在世界各地170多个国家和地区近千万台计算机上，用户达7000多万。通过INTERNET可进行全球电子邮件通信，可查阅和检索各种信息，共享各科学领域的研究成果。
4 可视化技术的利用
科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)是80年代中后期提出并发展起来的，它是90年代计算机应用新技术的热点之一。近年来，可视化技术在国内已开始研究和应用，并取得了一定的成果。中国力学学会计算力学专业委员会、中国图象图形学会可视化专业委员会及中国工程设计计算机应用协会于1995年4月召开了第一届科学计算和工程设计可视化学术交流会。自此，在我国可视化技术的研究和应用进入了一个新的发展阶段。
虽然计算机用于科学计算已有50多年的历史，但由于受到计算机硬件技术的限制，科学计算不能以交互方式进行处理，使用者不能对计算过程进行干预和引导，只能被动地等待计算结果的输出；而且大量的输入输出数据只能手工处理，或简单地用二维图形输出。这样处理不仅不能及时地得到有关计算结果的直观、形象的整体概念，而且手工处理数据十分繁琐、易出错，所化的时间往往是计算时间的十几倍甚至几十倍。正是在这样的背景下，科学计算可视化技术应运而生。科学计算可视化的基本思路就是将科学计算中从建立计算模型到计算结果均采用图形的输入和输出来实现，将复杂的数据计算和数据处理推向后台，用户主要和图形打交道。用户通过使用多媒体技术在屏幕上作图和修改图形，形成计算模型后，自动生成后台的输入文件，用户可以通过交互方式获取中间结果和图形仿真以了解计算过程，干预和引导计算并最终获得计算结果的图形、颜色、静态和动态画面，使研究者了解全部过程和发展趋势。
科学计算可视化利用现代计算机强大的图形功能把科学计算中产生的数字信息转变为直观的、以图象或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量，如使用交互网格生成的有限元模型，结构受荷载作用过程中变形图上位移变化等。
进行科学计算的第一步是建立计算模型。除了常见的用输入数据或直接画图的方法外，近年来已发展了各种通过对摄录图象扫描采集数据从而建立计算模型，以及通过射线、超声、核子或磁共振进行断层扫描，再经重建技术把物理模型转化为计算模型等方法。这一技术的发展很大程度上得益于计算机数据处理能力和视频技术的飞速发展。特别是由于光栅技术日趋完善，数字用图形或图象来表示和由图象转化为数字方面以及其存取方法等的发展，为可视化技术奠定了坚实的基础。但围绕着这一相互转移的真实可靠、迅速有效等要求，仍有一系列问题需要解决。其中有软件上的问题(如数据建模、绘制算法、图形数据结构、人机界面等)，也有硬件上的问题(如计算速度、容量、显示精度、颜色数等)。如将三维数据集映射到二维图象平面上，并作等值面、等值线、向量、条纹线、流线等表示，为观察三维数据内部结构及物理现象提供可能及方便。在实现以上变换过程中应始终贯彻可视化思想，并用屏幕操作通过改变图形而改变数据，干予引导计算。
设计工作是一个从无到有的反复修正过程。设计人员根据所掌握的知识、经验、规范，通过分析、计算、判断，多次修改，最后形成一项满足预定功能要求的设计。实践证明，计算机辅助设计(CAD)在提高设计质量、加快设计进度、节省人力物力上起到不可估量的作用。然而，综观传统的CAD软件，计算机的辅助设计的重要作用之一主要表现在建模上，即通过图形的输入建立计算模型和获取相应的数据。这一阶段一般不进行或很少进行物理或功能上的分析计算，基本上仅涉及到问题的几何方面，即将设计人员的思想用几何图形表示出来。分析计算通常在后续阶段单独进行。在确定每一图形元素时以几何坐标来定位，相互之间不发生直接关系，只有等最后集成时通过其几何坐标的一致来建立相互关系，形成整体结构。因此原则上讲这仅是一个计算机绘图的过程，某一操作所产生的物理作用及对其它部分的影响很难考虑。这一做法的另一个缺点是机时利用率很低。因为当某一操作命令发布后，计算机在刹那间就已执行完成并显示图形。在人从这一操作转向下一操作的动作过程中，计算机处于等待状态。
实际上设计人员在一开始进行方案设计的建模阶段，就希望能紧密联系设计的物理概念及功能要求。因此要求操作具有量化的智能反应，使一部分重要操作所带来的影响能由计算机立即反映出来。为此在建模时必须按照逻辑关系来定位，建立各方面的联系，只有在这一基础上计算机才能通过分析计算将结论反馈出来，告诉设计人员下一步应该怎么做。在操作上强调接近自然，应有尽可能多的可逆性和灵活性，能迅速频繁地进行图与数的交换，把操作所引起的数据进行加工。因此人的操作动作转换过程中，计算机有很大的余力可做此事。在分析计算阶段不能是单纯的计算，应同时在屏幕上产生图形，并通过对图形的操作变换数据，改变和引导计算进程，作出优化选择。形象地讲，操作如同用纸(屏幕)、笔(鼠标器)及橡皮(消影操作)，将屏幕当作有思维能力和计算能力的纸，画画改改，人机交互地指挥计算机作出设计。至于最后设计成果的图形表示及修改，则是不言而喻的事。
综上所述，可视化技术在设计工作中的反映关键在于图形显示与分析计算的紧密结合，这就是所谓工程设计可视化(Visualization in Engineering Design)。由于可视化技术的有效性，当前有些CAD软件中已或多或少地溶入了这一技术思想，具有可视化的某些功能。但不能认为在CAD中屏幕上出现了图形而认为是可视化。在工程设计中应用可视化技术，采用视算一体化(Visual-Computing Integration)这一术语更为确切。这一技术的引用，将使科学计算和工程设计工作方式的面貌大大改观，并由此带来巨大的社会效益和经济效益，前景十分广阔。而作为工程设计重要组成部分的CAD，可以预见，视算一体化应该也必将成为其发展的重要方向之一。
在可视化的多数应用领域中，由于可视化技术涉及的学科多、算法复杂、设备多，现有的可视化软件常常不能满足要求，因而不可避免地涉及到可视化编程。目前可用于编程的可视化软件多数表现为一些图形库或图象处理程序，如PHIGS+, GL, GKS, SIG GRAPH等。它们是一些基本的图形、图象处理程序，借助高级语言编程。
可视化编程环境是指开发可视化软件的程序设计环境。这是一种面向图形、图象处理的编程环境，并且模块化、动态集成，使用者可以在不需要了解各功能模块细节的基础上，通过简单的模块组合，即可生成自己的可视化软件。如AVS(Application Visualization System)和GIVE等可视化系统等。可视化编程环境的基本原理是将可视化过程看成一个循环过程：由计算得到数值结果，通过数据分析得到数据的可视化图象，通过图象的观察分析，再按需要修改计算方案、边界及网格，然后重新计算。可视化编程环境把此循环中的基本功能归纳为一个可以由计算机实现的统一模式，它包含过滤(数据变换及提取)、映射(把数据映射为几何图元)、绘制(由几何数据绘制成浓淡画面)等基本模块，使用者按使用要求，通过菜单交互动态的连接生成所需要的可视化软件。
有限元分析已广泛应用于各种工程领域，为当代计算机辅助设计的核心技术。可视化技术在有限元分析中最为活跃的研究方向有实体造型、非线性现象、动态和稳定问题，网格的自适应选择等。可视化技术对提高有限元法应用的可靠性和精确度起着非常重要的作用。
推动可视化技术发展的动力来自应用。当前在土木工程领域出现了大量的可视化应用程序，如拱坝的建模和计算结果的图形表达、流场计算分析结果的处理、桥梁结构动力分析结果的可视化表达等等。此类软件一般由掌握一定软件知识的专业人员开发研制。应用Window操作系统进行可视化的研究和开发可以充分利用操作系统的优势和基于操作系统的各种图形处理软件，如在Windows95平台上的FORTRAN Power Station 4.0就为在土木工程计算分析中常用的FORTRAN语言的继续应用提供了新的广阔前景。
图1、图2是浙江温州瓯江二桥在地震作用下不同时间的变形。
5 虚拟现实技术在土木工程中的应用
信息技术是现代文明的基础，是开展科学研究和技术开发的重要支撑手段。人类在漫长的信息交流历史中掌握了一种重要的信息处理技术：抽象。人们用一个非常简单的概念就可以表示非常丰富的内容。在信息传递过程中，用比较精炼的语言就可以描述复杂的场景，传递大量的信息。
但是，这种信息的处理与传递方式有一个前提：信息的接受者与发送者应有相同(至少相似)的认知空间。因为接受者在接收到抽象信息后，需要将信息还原到相应的认知空间才能理解。人们是以全方位的感知和认知能力理解事物的，即人们生活在一个多维信息空间中，而抽象表示方法则往往丢失一部分原来不重要的细节，实际上丢失的一部分内容也是很重要的信息。多维信息经过抽象后，常常变成单维信息。这样一来，接收者就难于理解所收到的抽象信息。为了克服这样的困难，人们常借助实物来进行交流。要彻底解决这个问题，需要寻求一种多维信息表示方法，用它既可以表示真实世界，也可以表示虚拟世界。表示真实世界时，可以突破物理空间和时间约束，做到"超越现实"；在表示虚拟世界时，又能使其中的虚拟物体表现出多维逼真感，以达到"身临其境"的感受。最后形成一种"人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维信息空间"。虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，正是这样一种表示方法。VR技术为用户提供了一种新型的人机接口，它利用计算机生成的交互式三维环境，不仅使参与者能够感到景物或模型十分逼真地存在，而且能对参与者的运动和操作做出实时准确的响应。
虚拟现实中的景物可以是真实物体的模型，如还没施工的房屋、正在设计中的工厂或产品的工程模型；可以是现实中看不到的抽象模型，如化学分子结构、飞机机翼的超音速气流模型；甚至可以是利率、股票等金融信息的三维模型表示。无论怎样，它们都利用了现实世界中存在的数据，将计算机产生的电子信号，通过多种输出设备转换成能够被人类感觉器官所感知的各种物理现象，如光波、声波、力等，使人感受到虚拟境界的存在。这种现实是计算机生成的，又是现实世界的反映，是真真实现实的一种表现形式。
虚拟现实在土木工程中将会有很好的应用前景。人们常说"百闻不如一见"，"一幅图能抵千言万语"，VR技术带给我们的不仅仅是"一见"、 "一幅图"，而是具有真实感的序列立体图象，这样就大大方便了我们对于对象的认识和理解。例如，在兴建建筑物以前，设计人员需要与建设方讨论设计方案。在建筑物竣工之前，便需要开始推销房子，因此需要向客户介绍房子的各种情况。如果采用传统的方法，那么无论在设计时，还是推销时，都需要向其他人员做很多的说明，而且效果并不怎么理想。如果采用虚拟现实技术，我们就可以在建造房子之前，先用计算机建造一座虚拟的房子。当设计人员与建设单位讨论设计方案时，或在推销房子时，只需让对方带上头盔及数据手套，到虚拟建筑物里走一走。通过头盔，他可以看到建筑物的三维形状，同时，他所看到的内容与他所在的位置、眼睛所注视的方向的方向相一致。因此他可以走在建筑物里，看一看建筑物的各个角落，甚至还可以打开建筑物内的门和窗，体验一下建筑物的采光情况。建设单位就可以很容易地提出修改意见或选择方案，一般的购房者也可以非常轻松地选择自己满意的房子。显然，这种方法比传统的方法更有效，可以给客户更直观、自然的感受。
VR技术还可应用于设计、规划、工程管理等，随着输入输出设备价格的降低，视频显示质量的提高，以及功能强、易使用的软件的实用化，VR的应用必然会推广开来。
6 其它计算机技术的应用
6.1 人工智能在土木工程中的应用
专家系统、机器学习是当前人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)研究中比较活跃、富有成果的一个领域。所谓专家系统(Expert System)就是一个特定领域问题求解的计算机程序，是一种使用人类专家知识来做出判断推理的计算机程序系统，它对特定专业领域内的问题能够提供具有专家水平的解答。专家系统已被广泛应用于各个需要由专家来做出判断推理解决问题的领域，专家系统技术也被应用于各种计算机智能系统中。程序的解题能力不仅取决于它所采用的形式化体系和推理模式，而且取决于它所拥有的知识。也就是说：要使一个程序具有智能，必须向它提供大量有关问题领域的高质量的专门知识。
专家系统的研究已有近三十年的历史，它得到了越来越多的应用，发表的论文专著也相当多。国外已涌现出了一系列成功的专家系统。如楼板设计系统FLODER、结构构件设计SPEX等等。国内也研究出不少专家系统，应用领域也很广。如城市规划的智能辅助决策系统；建筑工程项目成本测算、施工管理专家系统；现有厂房评估对策专家系统等等。
开发专家系统有许多优点。人类专家位数不多，不可能随时随地出现，而专家系统只要有计算机就能运行。培养人类专家需要很长时间，专家系统则不需要。专家系统还可以把专家的宝贵经验储存起来。
学习是人类智能的主要标志和获得智慧的基本手段。到目前为止学习的机理还不清楚，所以什么是学习就没有统一的、严格的定义。机器学习是使计算机具有智能的根本途径。计算机若不会学习，就不能称为具有智能的。
把专家系统、机器学习这些新技术应用于土木工程这一领域，将会产生重大影响。
6.2 大型土木工程数据库系统的建立与完善
建立与完善大型土木工程数据库、图形库系统，与网络技术结合，可以让土木工程工作者可以共享数据，避免重复输入带来的浪费和错误。统一化标准化是保证设计质量的重要手段，除了有好的操作系统和应用软件外，还必须建立起一个内容丰富的图形库，图形库应包括统制图标准，常用标准图，符合规范的构造节点祥图等，这是一个量大面广的基础工作，而且应有不同层次的图形库，如国家级的、地区性的和单位自有的图形库。
数据库技术与多媒体技术结合，开发多媒体数据库。采用多媒体数据库技术进行信息的存储和管理，可以对土木工程领域中大量的文档、设计方案、图纸等资料进行有效的管理。如用多媒体数据库存储城市地理信息、城市建设现状信息、城市交通和市政信息等，便于规划师进行统筹考虑、合理规划。多媒体数据库为土木工程提供了新型高效的信息工具，将会得到更广泛的应用。
6.3 各种计算机模拟的试验系统
由于计算机硬件技术和软件技术的飞速发展，很多试验可以在计算机上模拟，如采用数值模拟方法预测建筑物表面的风压。建立模拟试验系统有许多优点。比起实验室里做试验要简单、节省费用；对一些复杂的试验可起到指导作用，两者结果可相互校核；可以把不可见的东西可视化。
例如美国国家宇航局Ames研究中心的分布式虚拟风洞，这一共享的分布式虚拟环境用来观察三维不稳定流场。两个人协同工作，每人可在一个环境中从不同视点和观察方向观察同一流场数据。
相信随着各种新技术的普及，多媒体、可视化和虚拟现实技术，智能技术，CAD与MIS系统的结合，网络技术，协同工作环境都会适应普及与提高的需要而进入我们的研究与开发领域，进而成为工程设计、施工及科研的有效手段。 |
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