VR技术在水利工程中的应用探究

工程项目管理硕士论文业内推荐阅读6篇之第六篇：VR技术在水利工程中的应用探究

摘要

　　在如今的信息时代背景下，人们利用计算机技术不断发明创造出各式各样的高新技术，虚拟现实技术（VirtualReality,即VR）即为其中一种，这种技术目前已经被人们应用到多个领域中，比如建筑工程、医疗、军事、交通、文化教育等。作为一种新颖的综合性信息技术，VR是计算机图形学、通信、仿真等技术结合在一起后形成的，它的主要作用是创造一个能够给与用户交互式的逼真的立体环境，用户利用各种直接的感知交互技术，和该虚拟环境进行对话，从而和谐地融入到虚拟环境中。通过虚拟现实技术创建模型、仿真，不但能够大大降低工程设计的工作量，而且使得这一工作实现了可视化的操作，为用户营造虚拟场景。

　　笔者在本课题的研究中，以莲花寺水利枢纽工程项目的水利工程建筑物展开虚拟设计，从而开发出一套高效、有用的虚拟现实系统。本文的研究内容可以概述为：对BIM技术的相关研究成果、特点、实践价值进行说明，通过Revit创建厂房的立体模型，模型完全逼真地"复制"了厂房。将模型提供给3Dmax完成材质和图片渲染，然后输入到虚拟现实引擎Unity3D里面，使虚拟厂房中的第一人称漫游、厂房设备交互操作成为可能，完成具有良好拓展性的用户交互界面的设计，开发和发布虚拟场景程序。

　　本文的研究，为VR技术在水利工程所包含的所有结构体，乃至于各种建筑工程中的应用，开辟了新的思路方向，提供了可借鉴的经验。

　　关键词：虚拟技术；revit;水利工程；Unity3D;

Abstract

　　With the development of science and technology,a variety of high-tech computer technology based on the emergence of virtual reality technology （Virtual, Reality, VR） is one of them, this technology has been applied to many fields, such as construction, medical, military, transportation, culture and education. As a kind of comprehensive information technology VR is a novel, computer graphics, communication, form together with simulation technology, its main role is to create a user interaction with the realistic three-dimensional environment, users use a variety of direct dialogue and interactive technology, the virtual environment, and harmony into in the virtual environment. The simulation model is established, through virtual reality technology, not only can greatly reduce the workload of engineering design, but also makes the work to achieve the visualization of the operation, for the user to create a virtual The scene.

　　The author in this paper, virtual design for LianHuasi Temple water conservancy project of building, so as to develop a highly efficient and useful virtual reality system. The research content of this paper can be summarized as: the related research results, the characteristics of BIM technology, practical value, three-dimensional model is created by the Revit room the model is completely realistic "copy" of the room. The model is provided to the 3D Max material and complete picture rendering, then input to the virtual reality engine Unity 3D, the first person roaming virtual steering room, computer room equipment interaction possible, complete the design with good scalability of user interface development. The virtual scene and release program.

　　In this paper, all the structure VR technology included in the water conservancy project, as well as the application of various construction projects, has opened up a new direction of thinking, it can provide the experience.

　　Keywords: virtual technology; Revit; water conservancy project; Unity3D;

目 录

　　引言

　　目前随着BIM技术的迅速推广和发展，工程项目BIM成果和水平逐年提高，制作工程BIM模型的建模方法和手段日新月异，但是随着BIM技术的研究和深入，只仅限于Autodesk、Bentley、CATIA等平台软件的BIM模型实时查询信息、游览和展示，已无法满足现阶段的工作需要。根据当前发展趋势，利用BIM相关软件和虚拟现实VR手段结合，来实现项目的协同设计、实时查询、全生命周期管理更为快捷和高效。利用具备工程同步设计、工程同步管理功能模块的同时，使用虚拟现实VR头戴式显示器，让人以沉浸式的方式进入到工程项目中来，完成游览、实时查询等功能，给用户带来更加直观完全不同的体验。虚拟现实VR引擎的实时渲染技术能达到较高的渲染效果，从而能够高效率、高质量的完成BIM工程项目。通过对相关工具平台的研究和介绍，可以广泛的应用到的相关专业中，包括水利工程、轨道交通、建筑、市政、规划、EPC管理等方面，最大程度上满足不同专业对于各自工程本身的不同特点对信息化的需求，从而可以有效实现各个工程专业参与方都能通过软件平台查看模型以及提取工程信息数据，对工程进行高效的协同管理。

　　1绪论

　　1.1研究背景与意义

　　虚拟现实技术（VirtualReality,即VR）旨在营造出一种和现实十分相似的，立体的虚拟世界，从而让用户产生仿若置身其中的逼真感，其在军事、医学、建筑工程等领域起到的作用日益提升。使用VR技术完成工程建模、仿真工作，不但能够大幅降低工作量，而且还能够采集系统信息，提高决策的正确性，更重要的是使工程设计和生产的可视化成为可能，为用户打造虚拟场景。对于工程建模和仿真而言，考虑到工程通常具有巨大的规模，而且各种自然条件非常复杂，再加上各种因素有可能导致工程设计、工程建设临时性的更改，因此建模和仿真一直是一项难题，工程设计、生产的可视化分析、管理面临巨大的困难。将VR技术植入到这一领域中，通过虚拟现实的建模技术，结合工程造型的实际特点创建模型，全部融入到仿真环境里面，完成组装和优化工作：基于系统仿真需求，选择恰当的仿真技术，完成虚拟世界里面造型的动画以及交互设计，能够有效地克服上述难题。如今，信息技术早已是建设项目最为依赖的技术之一，尤其是BIM（BuildingInformationModeling）技术，在建筑行业有着悠久的应用历史，经受了实践的考验，得到了广泛的认可。首先，这种技术提供了丰富的可视化功能，可以被用于完成工程建设前的碰撞检测，防止冲突的发生，并且能够加强不同专业彼此间的沟通，使其达到协调的目的。另外，BIM技术还创造了一个不同利益相关者交流的平台。再次，BIM技术拥有丰富的模拟分析功能，能够针对工程建设、进度控制、方案预演等展开模拟分析。在工程建设过程中解决一系列的实际问题。当然，BIM也有一定的局限性，它不能将丰富的信息数据和融入到环境中，因此无法在工程现场管理中发挥出作用。为了突破这一局限，笔者在本课题的研究中，将BIM技术、VR技术集成在一起，使BIM技术在工程现场管理方面发挥更大的价值，基于此创建全面的工程现场管理应用框架，使工程建设管理人员和建设人员能够进行顺畅的沟通和交流，为管理人员决策提供更多的信息，避免信息不足导致的失误决策的出现，促进工程现场管理效率的大幅提升。

　　1.2虚拟现实技术简介

　　虚拟现实技术（VirtualReality,即VR技术）作为一种应用历史比较简短的综合性信息技术，它将各种高新技术融合在一起，创造出一个逼真的、立体感的世界，置身于这一世界中，用户能够利用各种感知交互手段，和其所处的世界交互，对话，从而融合在一起[1][2]

　　VR技术的主要特点主要体现在：营造立体空间、人机交互式操作环境、身临其境的逼真体验等，它的出现，开辟了人机交互新的研究方向，为各种工程的大规模资料可视化创造出全新的方法。另外，虚拟现实技术还能够将各种尚未实现的场景逼真地呈现出来，方便人们研究相关领域中对象和目标的运动变化规律[3].1993年，世界电子学年会召开，作为与会人员之一的美国学者伯亚第，在会议上发表了《虚拟现实系统和它的应用》一文，文章对"虚拟现实技术的三角形"这一概念进行阐述，从而让人们对VR技术的三项特点，即三个"I"特征有了更深、更多的了解，具体如下[4][5].1、浸没感（Immersion）-别名临场感、沉浸感，它指的是用户身处计算机创造的虚拟世界里面，从而获得和客观世界相同的感受和体验。浸没感是评价VR系统性能表现最主要的指标之一。2、交互性（Interactivity）-它指的是在虚拟世界里面，用户并非被动地获取体验，而是可以通过姿体的改变调整体验的内容。比如在虚拟建筑内部自由地行走、开启或关闭一扇窗，挪动一张凳子等。这是VR模型和利用CAD系统创造出的模型和其他立体动画最显著的区别之所在。3、构想性（Imagination）-VR技术应该能够提供丰富的想象空间，进一步延伸人类的认知范围内，逼真地模拟客观世界，或者是营造出在客观世界中不存在甚至无法创造的环境。

　　图1-1虚拟现实技术的3个"I"特性图

　　具备上述特点后，人们不但能够像过去那样从外部观测计算机输出的结果，而且能够进入到计算机营造出的虚拟世界里面，人和机器之间的交流也超越了以往的数字化交流方式，通过直接的姿体动作和虚拟世界里面的场景、物体展开交互，充分发挥人所具有的感知、认知能力的作用，通过多样化的方式获取不同表现形式的信息，在虚拟世界里面，人们还能够利用自身的创造性思维，营造出客观世界里面根本不存在的场景。总体而言，VR技术旨在综合应用多种计算机技术，丰富系统的功能和服务，为人们的需求提供更加全面的满足，并非强制用户去适应计算机。凭借着自身的优势和特点，VR技术的应用领域不断拓展，如今已经在工程建模和仿真、航空航天、设计和规划、教育、医学、军事、游戏等领域发挥着重要的作用[6].

　　1.3虚拟现实技术研究现状

　　为了解决一系列的实际问题，军事、航空航天等诸多行业纷纷将关注点转向虚拟现实技术，这些领域的研究往往会消耗大量的资源，有些则存在危险隐患。如今，医学、工业设计、交通规划等行业运用的很多系统，都运用了虚拟现实技术，这种高新技术的应用，为这些行业带来了可观的经济、社会效益。虚拟现实技术诞生于美国，在这项技术上，美国一直走在世界前列，该国的多所高校长期致力于VR技术的研究。北卡罗来纳大学计算机系在建筑仿真、分子建模领域取得了一系列的成果。MIT针对VR技术的研究，主要集中在计算机动画、机器人、人工智能等领域。华盛顿大学的HITLab实验室则更加关注VR技术在教育、设计、制造等领域的应用。另外，欧洲的很多国家也为VR技术的发展作出了重要的贡献。比如英国，虚拟现实应用研究、分布并行处理、VR相关设备发展十分迅速。德国的研究机构和学者，针对VR改造、产品演示、培训等开展了大量的研究工作。从船舶仿真研究角度来看，挪威排名全球前茅。瑞典、荷兰等国家，也在VR技术研究、应用等领域获得了骄人的硕果。游戏是日本经济一项重要的产业，虚拟技术对于游戏娱乐的价值，也被日本科学家充分地发挥出来。日本的虚拟现实知识库早已发展到世界先进水平。相比上述国家，国内的VR技术研究起步比较晚，但发展却非常迅速。上世纪七十年代，国内航空航天专业的学者，开始涉足到计算机建模以及仿真技术的研究中来。

　　到了九十年代，很多国内的研究机构、大学从多个角度出发，展开VR技术的研究。1996年，中央政府推出"863"计划，该计划的主要项目之一，即为"分布式虚拟环境".同时，中科院连同北航、浙大等单位共同开展DVENET计划。在过去的几年间，研究方向有所不同的研究机构不断发力，比如大连海事大学、武汉理工大等高校重点探讨VR技术在船舶仿真方面如何应用等。在政府、科研机构、高校的共同努力下，虚拟现实理论、技术创新、系统开发、应用拓展等不断地进步。如今，我国已经迎来VR技术应用领域发展的新时代。大连海事大学"海运工程虚拟仿真实验教学中心"已经投入使用，为船舶教育培训提供了极大的便利，该中心已经获得国家级认证。

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　　1.4 BIM 技术国内外研究及应用现状
　　1.4.1 国外研究及应用现状
　　1.4.2 国内研究及应用现状
　　1.5 文章章节内容

　　2 BIM 技术
　　2.1 BIM 介绍
　　2.2 行业内 BIM 技术实施标准与办法
　　2.3 BIM 技术推广展望

　　2.4 目前构建 BIM 模型软件
　　2.4.1 早期设计软件综述
　　2.4.2 工程行业常用 BIM 软件平台
　　2.5 小结

　　3 构建 BIM 模型流程
　　3.1 Revit 技术特点
　　3.1.1 Revit 工作集
　　3.1.2 工程信息同步
　　3.1.3 通过数据接口相互导入

　　3.1.4 BIM 模型参数化
　　3.1.5 BIM 模型分类
　　3.1.6 不同平台工程软件关联
　　3.1.7 Revit 对平面图纸绘制与管理

　　3.2 Revit 模型制作流程
　　3.2.1 Revit 模型构成表述
　　3.2.2 BIM 模型制作流程
　　3.3 Revit 模型存在的问题
　　3.3.1 三维建模流程较为复杂
　　3.3.2 异型构件建立困难
　　3.3.3 出图规范不统一

　　3.4 Bentley 模型
　　3.5 云计算介绍
　　3.6 本章小结

　　4 可视化核心模型的建立及虚拟场景实现
　　4.1 可视化核心模型的建立
　　4.1.1 软件选择与建模流程
　　4.2 水电厂房内部贴图制作
　　4.3 厂房三维模型制作

　　4.4 虚拟场景实现方法与流程
　　4.4.1 Unity 3D 引擎功能介绍
　　4.4.2 实现漫游场景方法
　　4.4.3 大场景应用
　　4.5 本章小结

　　5 结论与展望
　　5.1 研究成果与结论
　　5.2 应用前景与展望
　　5.2.1 应用研究实践意义
　　5.2.2 应用研究项目的研究开发对企业、行业的推动（带动）作用

　　5.2.3 应用研究项目未来达到的技术水平及市场前景

　　由于虚拟现实 VR 技术和 BIM 技术结合，还没有在水利工程项目中大规模的应用， 通过学习调研研究水利工程前期规划、设计，后期施工、运维的有关知识，调研学习目 前主流虚拟现实 VR 和 Autodesk BIM 应用软件和技术解决方案，通过对虚拟现实 VR 平 台的了解以及结合现实水利工程、建筑、规划、轨道交通、市政、EPC 等工程的需要， 采集地理信息、建筑结构、工程数据等相关信息，从协同设计、协同管理的角度出发， 对工程项目进行全生命周期内的管理，利用 BIM 总体解决方案，进行水利工程虚拟现 实 VR 场景建立，使得工程人员更加方便快捷使用 VR 技术，利用头戴式显示器和手柄 外设，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般， 可自由没有场地限制地观察三维空间内的工程项目事物，为参与水利工程工作人员提供 方便快捷的交互式体验。通过对相关工具平台的研究和介绍，可以广泛的应用到的相关 专业中，最大程度上满足不同专业对于各自工程本身的不同特点对信息化的需求，从而 可以有效实现各个工程专业参与方都能通过软件平台查看模型以及提取工程信息数据， 对工程进行高效的协同管理。通过对本课题内容的研究，做好 VR 的技术储备工作，可 以为今后在水利工程中承担相关项目奠定关键技术基础。

　　参考文献
　　致 谢