土木工程CAD技术发展趋势与展望

土木工程CAD技术发展趋势与展望工程CAD技术的发展已有30多年的历史。它与工业生产实际和社会需求密切相关，与信息技术和信息产业的发展密切联系，随着实际应用的需要，计算机的新技术、新算法、新成果，在CAD中不断得到应用和发展，计算机图形学、虚拟现实技术、建模与仿真技术、特别是多媒体和网络通信技术在近年来快速发展，为CAD的技术和功能带来了巨大的发展和变化。8．1多媒体和通信技术在土木工程中的应用计算机辅助技术是计算机科学的最重要的分支之一，也是兴旺发达的中国土木工程领域十分重视的一个应用研究的热点，是跨学科领域的新技术发展重要方面。计算机辅助土木工程技术，一方面要求以人为中心对计算机本身不断改进，使之成为适合于工程师使用的多维信息处理机器，另一方面又要求反映土木工程的设计、施工、管理等典型环节的各种活动、变化规律，即信息表征能力强和信息模型科学性，从而能够帮助人们高效率地完成其科学研究和生产创造工作。现在，我们已将这些统称为多媒体计算机辅助工程(MCAE：MultimediaComputerAidedEngineering)。近年来我国MCAE研究和开发日益令人关注，学术交流活跃。近年来交流和讨论的主题包括：多媒体辅助工程的基础理论研究；多媒体CAD系统的开发理论与技术；分布式虚拟现实技术与工程应用；多媒体通信与计算机支持协同设计、远程工程管理和工程监理系统；工程数据可视化与工程图形图像处理等，内容丰富并且在研究深度上有很大进步。计算机辅助设计(CAD)和工程计算在我国的发展较快，市场经济将其推向一个至关重要的地位，成为企业在竞争中获胜的关键工具。在多媒体计算机和网络通信技术的支持下，现在能够更好地综合发挥工程师与计算机的互补功能，发挥人们的创造力，提高社会生产效率和工程质量。下面，对MCAE的研究成果和热点课题，进行综合分析，然后再阐述正在形成的新的理论概念与发展方向。8．1．1虚拟现实(vR)技术派生的工程应用系列虚拟现实技术是一种可以创建和模拟体验现实世界的计算机技术，它将真实世界的各种媒体信息有机地融合进虚拟世界，构造用户能与之进行各个层次的交互处理的虚拟信息空间。这种技术与工程中的应用目标结合，正在派生出一系列应用系统，例如：城市规划方案的虚拟漫游及环境评测；室内装饰设计效果展示与体验；设计方案的演示与论证；支持远程协同工作的虚拟设计室；建筑结构的虚拟模型和性能测试等。在现实的工程设计、管理和分析研究中，人们花了大量的物力、财力和精力，创造特定的工作方式和环境来解决所面临的工程问题，虚拟现实和多媒体技术为我们提供了建立工程的多维信息感知模型，使工程专家获得一个先进的认识和改造世界的工具，并且在开发和使用这些系统中，表现出巨大的热情和创造能力。8．L2分布式多媒体通信技术派生的工程应用系列由于现代工程设计和建设的基本特征是群体的、协同的、国际化的，因而工程领域对多媒体协同设计环境，从需求到实现，具有极大的热情。计算机从支持个体工作(单个系统应用)发展到支持群体协同工作(地域分散的不同专业的系统协作)，第147页其代表性名称是CSCW(ComputerSupportedCooperativeWorker)或Crroupware群件)。一般认为，CSCW是指群体中的人们，利用计算机系统联网工具，协同完成某项共同承担的工作任务。它适应了现代科学和市场经济的需要，适应了现代工程建设的需要。计算机支持协同设计，是CSCW在工程应用中最先发展起来的成功范例。从60年代开始，我国研究CAD实现方法，70年代建立起各自独立应用的单功能CAl)系统，80年代建立以工程数据库为核心的开放的集成化CAD系统，而在90年代，随着网络建设发展和信息共享需求，建立了开放的分布式的集成化CAD系统，随后，为大型工程和复杂产品设计、为CIMS推广应用，新一代的开放的分布式集成协同CAD系统建立起来，成为工程界普遍重视的一个应用目标。目前，在我国的工程领域中应用CSCW的技术研究成果，推出了一批在各个特定范围的应用系统，如：多媒体协作CAD系统，协作式指挥系统，远程多媒体监控系统，分布式协同训练模拟系统，远程多媒体协同会诊系统等。在“设计中的人工智能”(AID)国际学术会议上，专家们十分重视为工程设计营造的环境优势，认为网络上日渐丰富的设计资源和知识信息，将改变工程设计者现在的工作方式，为全球范围的设计者提供前所未有的发挥创造才能的机会。我国科技工作者为实现多媒体协同设计环境和虚拟设计室，已作了大量的基础建设工作，对于土木工程高新技术的信息化与集成环境计算机网络，有一个先进可行的规划方案，并已开始实施。8．1．3多媒体仿真技术派生的工程应用系列多媒体仿真是在科学计算可视化和可视仿真技术基础上发展起来的。在计算机图形学和工程研究与设计领域中，科学计算可视化被定义为：对科学计算数据进行可视化加工和三维图形显示，并且通过系统的交互方式能够改变其参数，以观察计算结果的全貌及其变化。近年来人们把传统的计算机仿真同科学计算可视化结合，发展了可视化仿真技术，运用多媒体系统的多维信息综合处理平台，实现了人们对于仿真对象的多种表现信息的更全面的感受仿真，即不仅是可视，还可听，有些系统已经具有“可接触”并能模拟力的动态变化响应。因此我们称之为多媒体仿真。多媒体仿真采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息，将系统行为和形态、数学模型和物理模型以及它们的时空表现模式，有机地统一地建模和求解。这种特点更适合于科学研究和工程设计分析的需要，因而受到我国工程界的普遍重视。工程界专家与多媒体系统、仿真技术研究者结合，针对工程特点和用户需求，已研制开发了一些成功的这类应用系统，例如：●洪水动力学模型与防洪排涝的多媒体仿真系统。●风荷载作用下高耸结构多媒体仿真系统。●引信系统动态仿真。●火电站炉膛仿真设计。●港口设计中生产调度过程优化的多媒体仿真。●故障预测多媒体仿真系统。●建筑空间中人体感受的三维模型仿真。●飞行训练仿真系统。值得说明的是，上述仿真系统与传统的数字仿真有很大的不同，对用户特别友好，支持媒体对象从建模到仿真过程的多媒体表现；支持仿真系统的实验、校正和控制；支持多媒体数据库管理及其版本进化，支持仿真演播和查询求解结果。8．1．4工程信息管理技术派生的应用系列工程多媒体数据资源的获取和处理是人们关心的首要问题。一项重大建设工程，从规划、设计、施工，到建成后的使用、维修，存在大量的不同媒体形式的工程数据文档；有些工程，例如建筑、水利、铁路等，还必须提供有关城市地理信息、水文气象、人文景观、社会经济、河湖工程等信息，需要同基于GIS的空间信息管理平台结合，才能有效地实现工程信息管理和应用。