虚拟现实技术发展方向范文

导语：如何才能写好一篇虚拟现实技术发展方向，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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随着科学技术的不断发展，计算机科学对于人类生活的影响不断加深，尤其是最近十分火爆的“虚拟现实”技术更是给人们的体验带来全新的认知，并且逐渐改变人们对于交互系统的体验方式。所谓的虚拟现实技术，就是通过计算机的大量运算的高新技术集成，可以看成是未来对社会生活影响最为重大的科学技术之一。通过虚拟现实技术能够与建筑环境设计的技术进行融合，从而创造出一个比真实环境还要真实的虚拟系统，在这个系统中，建筑师能够通过虚拟现实技术来创造出具有可视、可感、可知等技术的三维虚拟世界。从而展现出建筑行业发展的新趋势。

虚拟现实技术应用效果影响

虚拟现实技术与网络技术相同，之所以能够得到迅速发展的原因在于，虚拟现实技术通过综合性的计算机信息处理，集成了计算机图形、多媒体、人工智能、传感器与互联网之间共同协作的综合处理系统，并且能够为人们创造出一个虚拟的体验世界，使得人们的感知能力由真实走向虚拟。因为虚拟的三维空间具有非常强悍的表现力，所以对于人机交互的操作系统就更能够使人感受到身临其境的感觉。在建筑环境设计技术方面应用虚拟现实技术，不仅能够为建筑进行规划与辅助的功能，而且还能够使设计时时刻保持准确的预知自己的设计。虚拟现实技术的强大功能远不止与此，由于其具有交互式三维体验，所以通过虚拟现实技术的感知要远远强于传统的表现方式。通过崭新的信息交互方式，能够使人亲身的感受到三维空间的技术与魅力，进一步通过三维场景的实时调整，信息系统的不断完善、集成多媒体技术等交互体验能够使得设计师针对建筑环境设计的各种方案都做到了如指掌，并且通过虚拟现实技术还能够进行有效推敲。简而言之，虚拟现实技术能够使得建筑环境设计进入到全新的环境设计领域。

建筑环境模型与虚拟现实技术

虚拟现实技术能够模拟出真实的物体，也可以创造出抽象的模型。比如房屋、家具、家电等物品或者分子结构、细胞结构等。这些物体都是我们世界中真实存在的，并且能够通过各种各样的工具与设备来被人类所接收，从而能够进一步感受到我们的世界。在虚拟现实技术中，建筑师能够将本来不存在的物体进行重构，而且也能够随心所欲的按照自己的设计来进行调节，包括各种各样的家具材料、环境设计等。通过虚拟现实技术来确定建筑的尺寸与实际的设计，从而保证建筑建成之后与设计完全一致，从而避免出现偏差的情况。而且通过虚拟现实技术进行的设计能够随时改变视角与光线下所呈现出的不同景象，建筑师也能够通过这样的模型构建选择出自己满意的方案，如果不满意还可以随时进行修改。

虚拟现实技术在建筑环境设计中的应用

1.硬件系统

虚拟现实技术的硬件系统并不太复杂，只要能够满足设备的信息的输入与输出功能即可，通过计算机的桌面系统进行互动就能够构建出建议的虚拟现实系统，但是如果想要进一步满足虚拟现实技术的全部功能，即虚拟现实技术所具备的沉浸感等就必须要配备专业的虚拟现实设备。包括键盘、鼠标、数据手套、方向盘反馈器、手柄等外设。对于信息的输出部分的硬件则需要更高性能的显示器适配器、多通道投影仪、偏振片以及立体眼镜。通过传感设备能够使用户对于虚拟环境产生各种映射反应，而且用户化身能够在虚拟现实环境下对于自身的体验进行叠加，从而产生双重交互的功能。通过方位跟踪器能够确保用户在使用虚拟现实环境下对于用户的移动范围进行精确的测量，从而避免用户在使用的过程中出现各碰撞的危险。虚拟现实技术主要是根据几何体的碰撞检测算法来确定虚拟空间的测量信息，然后实时反馈给用户，从而保证用户对于虚拟空间进行身切实的体验之外，还能够具有良好的触觉感知效果，这样更加有助于建筑环境设计方案的实现。

2.软件系统

如果光有硬件系统是无法满足设计者或者用户等人员真正完成虚拟现实技术体验的，只有通过建设一个与现实世界相符合的虚拟模型就能够进行准确的三维体验，从而较为真实的构建出建筑、环境、室内等真实存在的事物。通过三维模型的建立，能够更加真实的还原出虚拟现实空间内部的色彩、光影、材质等方面的特点。建设虚拟现实技术的软件系统能够分为三个部分，第一步是通过几何模型的建立来构建出三维场景的几何模型，从而实现用户体验基础。第二步就是通过物理模型的构件来确定几何模型的结构材质等，还能够调整颜色、光照等外界影响因素。第三部就是建立行为模型，从而对于物体的运动和行为进行描述。

结束语：虚拟现实技术发展到现在这样的阶段，已经不再是科技方面的幻想，而是能够真正为我们人类社会带来巨大进步的影响力，可以说虚拟现实技术通过应用到社会各界以及各个领域之间的关系来取得明显的社会经济效益。伴随着虚拟现实技术与建筑环境设计与技术的不断结合，能够为建筑设计提供更加创新的设计方法与方式，也必然对于建筑设计领域的发展起到改革的作用。

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关键词：虚拟现实；头戴式虚拟系统；汽车设计；应用

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0022-02

Abstract：This paper introduces the composition， classification and characteristics of virtual reality technology and head mounted virtual reality system， described the application of head mounted virtual reality system in automobile design， compared with the traditional virtual reality techniques in the area of automotive design， the head-mounted virtual reality system has both advantages and disadvantages. According to the corresponding problems， the corresponding solutions are put forward.

Key words：Virtual Reality； head-mounted virtual reality system； automotive design； adhibition

随着汽车产业的快速发展，各个汽车制造公司的竞争也日趋激烈，这就要求在汽车研发及生产的各个环节都能够保持高效快速应变，以适应市场环境的快速变化。汽车造型设计作为汽车研发的重要一环，面对外部市场环境快速变化的严峻挑战，对新科学技术的应用就更为迫切。

虚拟现实技术作为近年来发展最为迅猛的技术手段，将可能成为改变人类生活方式的一种新技术，而作为虚拟现实技术最重要的其中一种形式存在的头戴式虚拟现实技术自然是重中之重。

1 概述

虚拟现实的实质是“造个世界任我行”，它是以现代科学计算机技术为发展核心，融合相关学科技术，生成在视觉、听觉、触觉等方面逼近人类在真实世界中的感官感触的数字化虚拟世界，使用者借助相应设备，可以走进生成的数字化虚拟世界，并且可以与虚拟世界中的对象进行交互作用，产生身临其境的真实体验和感受。

（1）桌面式虚拟现实，这类型的虚拟技术要求相对较低，他只需要利用工作站作为运行设备，将计算机显示器作为用户观看虚拟数字世界的一个窗口，再通过鼠标等输入设备实现与虚拟数字世界的交互，用户可以通过输入设备对虚拟世界进行指令操作，通过显示设备进行对虚拟世界的观察。

（2）沉浸式虚拟现实，这一类型虚拟现实技术对虚拟现实硬件设备的要求较高，他是利用一种中间设备，例如头戴显示器，触觉手套等，将用户的视觉、听觉、触觉等感官感觉封锁起来，并通过中间传输设备，给用户提供一种全新的虚拟感觉，让用户沉浸其中。

（3）增强现实型虚拟现实，这一类型的虚拟现实能给用户提供平时或者是正常情况下难以观察到难以感受到的状态给呈现出来，是真实世界和虚拟世界的叠加，即“实中有虚”。

（4）分布式虚拟现实，他需要通过多个计算机设备连接在一起，共同建立一个虚拟世界，这时候的虚拟现实世界是一个真正意义上的多元世界，多个使用者可以对同一个虚拟世界进行操作。

1.1 什么是头戴式虚拟现实

头戴式虚拟现实是将数字化虚拟世界呈现给用户的一个窗口，用户可以通过头戴式虚拟现实设备将其对现实世界的视觉、听觉隔离起来，这时候就完全置身于虚拟世界了。头戴式虚拟现实显示根据人眼视觉原理左右眼成像不同，分别显示相应的左右眼图像，能让人感觉到虚拟世界的物体时有立体有深度信息的，从而传递给大脑一个真实的信息，在视觉层面上达到以假乱真的目的。

1.2 构成

一套完整的头戴式虚拟现实系统通常由以下几方面组成[1～2]：

（1）计算机硬件设备，它必须能承载庞大的数据量运转，快速生成图形图像并且能支持实时高速处理，高性能计算机设备是头戴式虚拟现实系统构成的基础也是关键。

（2）头戴式虚拟现实设备，它是人机交互的接口，使用者通过它可以对虚拟世界进行操作，虚拟世界也可以根据使用者的各项指令进行反馈，借助头戴式虚拟显示器，使用者可以看得见虚拟世界，并且^戴虚拟显示器中安装有定位器，当使用者行走的位置或者方向进行改变的时候，虚拟世界会相应变化。

（3）虚拟现实生成软件，它是虚拟世界得以实现的基础，你可以利用它构建真实世界场景的再现或是你所构想的虚拟世界，现阶段相关的虚拟现实生成软件游戏领域运用的比较多的是Virtools、Quest 3D等，在汽车设计领域用的比较多的有Alias、RTT等。

（4）虚拟现实三维数字模型。它是虚拟现实的内容也是载体，他可以是现实世界的再造，也可以是人们虚构的世界，它的状态决定是使用者所看到的内容。

1.3 成像原理

人们在观察周边世界的时候，能感受到物体的立体、远近、景深等效果主要是依靠于人眼强大的成像原理，人们由于两只眼睛的不同位置而产生眼距，在看同一件物体的时候得到两幅略微不同的图像，这两幅图像经过人的大脑的融合，形成一幅带有空间立体、距离远近等信息的景象，而头戴式虚拟现实显示器正是模仿人眼双目立体成像原理进行设计，头戴显示器有两个显示镜分别用来模拟人的左右眼，工作站根据后台数据输入指令，分别将左右眼画面输送给左右眼显示器，用户佩戴上头戴式虚拟显示器，就可以体验到虚拟的真实。

2 头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域的影响

虚拟现实技术作为能够准确体现汽车造型设计、加快汽车研发进程的一种有效手段，自诞生以来就受到了各大主流汽车公司的广泛关注与应用，并且其带来的巨大效益也得到了行业内的广泛认可[3]。放眼国外主流的汽车厂商像奔驰、保时捷等，都建立有自己的虚拟现实实验室。在近两年头戴式虚拟现实技术风潮疯狂席卷全球态势下，很多汽车公司都纷纷加入了头戴式虚拟现实技术的研究，在美国通用公司的虚拟现实中心的虚拟现实设计实验室里，当用户进入该实验室，佩戴上头戴式虚拟现实显示器，预先设置好的虚拟现实世界就会呈现在用户身边，用户可以看到和真实汽车一样的包括尺寸大小、颜色、纹理一样的虚拟汽车，用户可以像实际观察汽车一样前后来回观察，可以查看车体的造型轮廓及线条流畅性，也可以坐到汽车座椅上观察仪表、方向盘、娱乐面板等细节的效果，以及模拟驾驶员视野的观察。

3 头戴式虚拟现实系统在汽车设计中的应用探索

头戴式虚拟现实技术的出现，对汽车设计领域的原有设计流程及验证方法有了很大改进，在汽车研发过程中，汽车造型设计是很重要一环，汽车设计师的造型构想如何快速的让用户看得见并且喜爱是决定造型设计成败的关键。一个产品的设计流程往往需要经过几轮甚至十几轮反复推敲，时间成本比较高，难以跟上快速变化的市场环境，因此在设计过程中如何简化设计流程并且客观真实的反应汽车造型状态尤为重要，而头戴式虚拟现实系统能够在造型效果图之后就迅速加入设计流程，并且用虚拟的环境客观真实的还原实际状态，让用户所看即所得，而完成一套虚拟现实系统不仅需要硬件系统的支持，也需要软件的配合，而所观察到的内容则需要设计师前期虚拟现实数据的制作。

4 面临的问题与发展方向

头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域中的运用，让使用者能够以比较真实自然的方式与虚拟世界进行交互，提高了人机交互的真实性，但受限于当下科技水平、计算机仿真技术、人机交互技术等各方面的影响，仍存在一定程度上的虚拟世界不真实、人机交互程度不够以及用户共享性不足等题[4]。目前来看，一套头戴式虚拟现实设备同时只能支持一位用户观察使用，因此在用户共享体验上不够。

在将来科学技术水平、计算机仿真技术等各方面技术发展越来越成熟的时候，头戴式虚拟现实技术可以朝分布式虚拟现实技术发展，通过多个计算机设备共同建立一个虚拟现实世界，多个使用者可以对同一个虚拟世界进行操作，这时候的虚拟现实世界是一个真正意义上的多元世界。

5 结语

随着科技水平的发展，虚拟现实技术的发展也随之日渐成熟，并且由于其为人类生活生产方面带来的巨大效益越来越被接受，头戴式虚拟现实技术在汽车设计领域的运用作为即Powerwall桌面式虚拟现实之后的另一先进技术，能极大的优化汽车设计流程、缩短研发时间、有效提高汽车设计水平 ，给使用者提供真实的用户反馈，也越来越被汽车设计公司所青睐，虽然受限于当下科技发展水平等各方面因素的影响，头戴式虚拟现实技术在使用体验上仍有些不足，但随着科技的进步以及巨大市场资金的投入必定能推动这一技术的长足发展。

参考文献

[1]周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].信息科学，2015，45（2）：157～180.

[2]孟俊焕，王卫东.基于虚拟现实技术的汽车开发应用研究[J].农业装备与车辆工程，2006，2：11～14.

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发展土木工程信息化的着眼点以及关键点在于管理者，管理者必须打破传统的思想，从思想上进行改变，构建信息化的框架，推动行业的变革。

1.1土木工程信息网络它主要包括四个方面，首先是信息的远程提供者、信息的传播媒介，这是土木工程信息化的重点。然后是信息的接收端，有台式和手持式两种形式，手持式是未来的发展方向，它的作用是用它随时随地地与土木工程信息网进行互换信息，获得技术上的支持。其次是网络传输，既要保证土木工程的信息与电讯移动通讯网络相互兼容，又要土木工程信息网与各种接收端进行互换信息。最后是土木集成和交互系统，这一系统是有一系列比较大型的程序构成，只有遵循土木工程信息网络传输标准才可以进行信息的整合，土木工程信息制造商也可以通过这个平台精准、便捷的给工程提供不同信息，保证信息也通过这个平台进行传输。

1.2学科建设、信息产业化发展土木信息学科是将传统土木工程与现代信息技术相结合而形成的一个边缘交叉学科，任务是在土木信息技术发展的基础上，整合社会资源，进行学科建设，从技术、政治、经济、法制等角度对土木工程信息化的建设提供学科支撑，并培养大量专业人才[2]。土木工程信息技术的发展会引起土木工程行业整个结构的调整与资源整合。

1.3整合资源土木工程信息化建设必须遵循国家提出的原则———“国家主导、统筹规划、统一标准、互联互通、资源共享”。要想保证土木工程信息化工作能够顺利开展，必须调动各方力量，整合政府、土木工程相关部门，调动工作积极性，进而提高其配合力。积极地与国外进行技术合作，相互学习，形成健全的机制。

1.4商务贸易信息系统逐步融入互联网的土木工程，在提供信息服务上发挥巨大作用，又可比较设计方案、施工方案、技术合作方案等，提高效率，提高企业的决策能力。电子邮件的使用，可以改变建筑项目、承建商以及供应商之间信息沟通有误情况，增加工作透明度，进行网络投标可以从另一角度规范市场行为，减少成本。

2土木工程信息化发展前景

2.1虚拟现实技术的运用虚拟现实技术对图像处理技术、多媒体技术以及传感技术等多个信息技术进行整合运用，将抽象而又复杂的数据空间转化成用户比较熟知的事物。虚拟现实技术，可建立建筑物周围场景、机械设备等虚拟的三维立体模型，而且可以使其中的模型具有动态性能，对模型进行模拟配置，这样在虚拟环境中就可以对施工方案进行改动，这种改动完全可以用到现实中。随着土木工程耐久性的问题的日益突出[3]，通过虚拟现实技术，解决上述问题，是未来发展方向之一。

2.23S系统3S系统由遥感技术、全球定位系统、地理信息系统构成，它可以选择地进行观测、分析应用，这在土木工程中某些方面已发挥巨大作用，未来具有广阔的发展前景。近几年谈及的“数字城市”，是以“3S”技术为基础，综合运用各种因素对城市基础设施、各种功能机制进行采集。“数字城市”是在数字化信息处理技术的通信技术背景下的系统，这一技术的运用将会提升我国的城市规划建设。

2.3智能化智能化是信息化背景下土木工程发展的大方向，信息化的发展推动了智能建筑的发展，智能建筑融合了计算机、多媒体、现代通讯、环境监控，对机械设备的自动监控、使用者的信息服务和建筑进行优化，适合信息型社会的需要。

2.4数字信息集成系统工程中的数字信息集成系统由计算机集成制造系统、施工系统、运输系统三大系统构成，它们分别连接设计、制造工厂和现场。很多工作都可以通过施工网络进度计划以及项目管理整合到数字信息系统中，引入建筑设计信息、产品制造数字化集成、三级辅助等方法引入，这可以在很大程度上减少土木施工现场的工作容量以及强度，在现场施工的组织与管理方面，智能化管理系统可以使用专家系统、知识工程与人工神经网络等现代科学技术，利用集成、协调以及智能手段实现计算机管理系统。计算机辅助检测目前在结构定位检测方面已经发挥了越来越重要的作用，现场材料的性能测试、破坏性以及开发性测试，可以成为计算机集成系统的关键部分，可以有效地保证现场建造施工质量。

2.5电子数据和项目管理方向工程的施工在土木工程计算机技术应用中是一个重要方面，由于施工的复杂性，工程的投标报价、预算、合同的管理以及最后的验收都需要大量的数据与信息[4]，整个工程项目的管理都将会成为计算机辅助施工技术的一个方面。国际上已经开发出用于工地联系、人机通讯设备的双向无线电通讯设备。土木工程信息化的发展，使国际承包商跨越国界进行施工承包。

3结语

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关键字：VRML 虚拟仪器 虚拟机床

1. 引言

智能化、自动化、集成化的先进制造模式是现代机械制造业的发展方向。目前，虚拟现实技术凭借自身的直观性和自然的人机交互性等特征，在传统的加工仿真技术中的人机交互方面的薄弱环节中提供了全新的思维和解决方式，对数控机床虚拟操作的实现奠定了坚实的基础。对于数控机床来说，其虚拟操作主要包括实际的数控加工过程中相仿的各项手工操作，而且必须借助于人机交互技术，才能实现用户指令的接收和传递等问题，解决了进行多页面的信息传递问题。

虚拟现实技术（VRML）主要是利用计算机并且通过多种传感器借口来制造出一种逼真的技术所要求的模拟环境，用户可以与此虚拟环境进行交互并且可以融入到此模拟环境中的一种技术。虚拟现实技术是一个跨多门学科的技术，包括众多的计算机、媒体技术等，像传感器技术、计算机图形学、网络技术以及多媒体技术等都和虚拟现实技术有关联，虚拟现实技术是以上技术的集成和渗透，沉浸性、交互性和想象性是虚拟现实技术最主要的三个特性。

2. 数控机床虚拟加工的关键技术分析

所谓数控机床虚拟操作功能实质上是一种人机交互方式，是加工仿真系统中的一种。它具有操作便捷，操作过程更直观、更具体的特点。通过数控加工操作习惯的形式，进而实现各项参数的人机交互功能。数控机床的虚拟加工技术主要有三个关键技术，分别是数控程序的检查与翻译、刀补的计算和工件切除过程的显示。在下面的文章中，将对数控机床虚拟操作和实现方法进行详细的介绍。

首先，数控程序是指控制机床进行加工作业的特定代码，其中包含着各项运行的信息，主要是刀位信息和工艺信息。数控程序是数控机床在加工过程中的信息来源，所以在进行具体的运行时，必须先对已知的数控程序进行一些处理，提取出数据中的关键数据即数控程序中的工艺信息和刀位信息，进而生成数控程序锁描述的具体加工过程。数控程序包括预处理和翻译两大过程，在数控程序的预处理过程中要进行词法分析和语法检查两个工作；数控程序的翻译过程主要包括工艺及刀位信息提取过程和运动控制指令生成过程两个方面。

其次，对于刀补的计算方面。在编写数控程序时，必须明确数控机床所控制的事刀具中心的运动轨迹，也就是说在加工过程中是使用刀尖和刀刃来完成的，而不能仅仅按照所需零件的外貌轮廓进行加工程序的编写。如若没有对此加以明确，而仅仅依靠零件的轮廓进行程序编写，往往会出现加工轨迹和零件的实际轮廓不一致的情况。为了解决这一问题，在编写数控程序时，必须明确数控机床所控制的对象是刀尖或刀刃，在刀具中心与刀具切削点之间进行位置偏置。根据所需零件轮廓和刀具中心偏移量，计算出刀具中心运行轨迹的功能即是刀具的补偿功能。

最后，对于工件切除过程的显示。工件切除过程的显示，即消隐算法的实现，在进行虚拟机床仿真设计时，我们不仅要保证虚拟过程的高效性、易实现性和稳定性，同时还要确保VRML的某一内部节点能对工件模型进行描述。在这里可以采用基于Z-map结构的材料切除方法，这种方法不仅简单易行，实现方便，而且占用内存少，不用重新设计原型节点。Z-map是一种非参数化的表示方法，采用离散的方式对三维模型的特征进行记录，所以为了实现Z-map结构模型的仿真过程，工件的实体模型必须要转换成Z-map结构表述的离散化的模型。

3. 系统仿真设计分析

对于整个系统的设计，我们可以采用VRML+JavaApplet+JavaScript的一种整合型的系统，这样可以把VRML构造的三维虚拟场景以及虚拟机床、虚拟场景控制中心的JavaApplet以及JavaScript共同整合到同一个Html文件里面，这样不仅能实现平台的独立性，而且对网络环境下来说更为适合。整个的数控机床虚拟仿真系统包括三个模块：人机交互模块、三维场景模块和三维场景监听模块。

首先，人机交互模块。这一部分主要是接收用户发送的指令，对于接收后的制定进行一系列的处理，然后把处理后的数据、结果等返回给用户。

其次，三维场景控制模块。这是系统中最重要的核心部分，人机交互模块接收到的NC代码、手动操控指令等的各种信息会在这一模块中进行解释，然后向人机交互模块发出相应的指令进行控制，这样就可以实现虚拟场景视角切换和机床运动控制等的功能。

最后，三维场景监听模块。对于这一模块来说，主要是获得VRML场景的刀具位置、冷却液状态以及刀具的进给速度等的数据信息，然后对所获得的数据进行分析变换在返回给人机交互模块，通过这一步骤，用户可以知道虚拟机床目前的运行状态。

4. 总结

对于VRML虚拟制造来说，数控加工仿真技术是其关键技术之一，采用数控加工仿真技术不仅能降缩短产品开发周期，降低开发成本，而且还能避免或者降低在数控机工过程中出现的欠切、碰撞以及过切、碰撞等情况。在以后的研究中，我们可以对数控机床的虚拟操作进行更深入的研究，可以把真实的数控机床系统和虚拟操作系统连接起来，这样就可以通过虚拟的系统对真实的数控系统进行远程控制，及时发现运行过程中的错误信息等。

参考文献：

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关键词：民机设计；数字化技术；三维模型设计；可视化后处理；数字化平面艺术

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)24-6029-03

The Application and Research of Digital Technology in Civil Aircraft Design

LIU Ning

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 200232, China)

Abstract: To analyze digital technology in respect of virtual reality, three-dimensional modeling, visualized post-processing, digitalized management platform. The development of computer digital technology brings new research method and way of working to the progress of design, technology demonstration and marketing. It also brings the process rationality, humanity and efficiency. Civil aircraft, as the representative of the high-end product, shows the future of the technology development. The greatest value of civil aircraft is marketing promotion, recognition and reputation by customs and clients. These are the keys to improve the international competitiveness of China.

Key words: civil aircraft design; digital technology; virtual reality; three-dimensional modeling; visualized post-processing; digital graphic art and design

1 数字化技术的定义

数字化技术指在一定的硬件基础上，通过计算机软件的运算方式来实现产品的设计研发、可视化术分析、虚拟产品展示等过程。这种过程可以简单称之为数字化技术。数字化技术以其丰富全面的功能在航空航天、科技、制造、多媒体等领域中得到了广泛的应用。

2 国内外航空业数字化技术的发展

2.1 国外数字化发展现状

国外数字化技术是随着信息技术、互联网技术、计算机硬件技术、CAD/CAE/CAM等技术的发展而逐渐发展起来。它主要以产品的数字化设计、协同平台管理、虚拟现实等技术为主要标志，促进了传统工作模式到数字化工作模式的根本性转变。随着产品制造模式的变化，这种工作模式在国外民机设计领域也得到了广泛的应用，极大提高了工作效率，节省了人力成本和硬件成本。

2.2 国内数字化发展现状

国内航空业近年逐渐开始应用数字化技术，经过近数年的努力取得了显著成效,集中体现在以下几个方面：

1）虚拟现实技术：利用数字化技术实现三维模型的可视化、建立数字样机。在详细设计阶段进行结构件和部分系统件的三维数字模型、预装配、干涉检查与运动模拟效果，并利用渲染技术体现了产品的外形轮廓、材质的表达、环境的渲染等。模拟效果逼真。

3）数字化管理平台：绝大多数飞机制造企业引进了产品数据管理（PDM）平台。部分企业还制定了数字化设计/制造管理标准。

4）在数字化技术推广应用：各航空企业对数字化设备均有着较大的投入，从整个行业来看，数字化类固定资产已占到固定资产原值的三分之一以上；工作站、服务器已达几千台；CAD等各类软件已达千余套；数控设备五百余台；产品数据管理（PDM）终端用户超过500个。

5）以数字化技术为前提的数字化艺术：利用三维设计软件(如Pro Engineer、Caxa、Alias studio、Maya等)，展示了优美的飞机外形、优雅的飞行姿态、美观的喷涂设计等。利用三维软件结合虚拟现实软件(如Division Mockup)对飞机的内部结构、管路、电气等的设计情况进行分析、利用数字化平面设计软件展现飞机舒适的内饰环境和美轮美奂的灯光效果等。这种全新的视觉效果对飞机的宣传工作都起到了至关重要的作用。

3 虚拟现实技术

3.1 虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术是近年信息技术迅速发展的产物, 是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统。它通过计算机硬件和软件系统共同实现。虚拟现实是在虚拟的数字空间中模拟现实世界中的事物,这是现实世界的事物在数字空间中的可视化和感官化的表现。

3.2 虚拟现实技术的特点

1）Immersion（沉浸感）、Interaction（交互性）：对于产品展示，传统表现模式无疑受到了空间和时间的条件的束缚。而想要在真实产品前就可以评估其设计的合理性，需要的时间和人力成本将是十分巨大的，而虚拟展示设计具有感官上的真实性的特点。一个受测试者置身其中，通过操作一定的设备如手套、头盔、立体眼镜等，不仅能获得身临其境的感觉，而且其交互性使用户有着强烈的主动式的体验。在人工虚拟建成的数字世界中，用户的得到了类似置身实际场景的真实体验。

2）准确性：虚拟的展示设计一般通过纯数字化、模型化、图表化的来展示。依托于数据生成的模型、数据结果保证了可视化结果的准确性。各相关领域的专业人员通过行业认可的计算手段进行数据计算、分析。通过可视化分析结果，分析产品设计的合理性。例如飞机模型展示、模拟装配、场景展示，使研发工作人员及市场研究人员对飞机的设计的进展情况有着充分的了解，可以做到及时发现问题，解决问题。为设计人员节省了繁琐的人工劳动。

3.3 虚拟现实技术发展趋势

如今，虚拟现实技术的发展成为数字技术发展最为迅速的领域之一，也是目前信息技术产业的热点之一。全世界很多发达国家虚拟现实技术在很多行业都得到了广泛的应用并取得了很大的发展，给企业带来了良好的社会效益和经济效益。未来，虚拟现实技术将从借助外部设备式的被动立体实现裸眼式的主动立体，效果将更加逼真、运算过程更加迅速；利用全球协作，将轻松做到分地实时渲染、数据同步更新。目前已有国内航空企业开始使用虚拟现实技术进行研发设计、技术分析。如Division Mockup。

4 数字化三维建模技术

4.1 数字化建模技术定义

基于数字化模型的建模技术是由专业人员通过使用专业CAD/CAE/CAM技术的应用，运用计算机图形学、几何学以及自身的专业知识，搭建出物体的三维模型。三维建模技术给工程设计领域带来了根本性的变革，帮助设计师从传统的、枯燥的绘图方式中解脱出来，设计师可以不再花费大量的时间和精力去测量模型的尺寸、公差等设计特征本身，更好的理解和观察设计对象，优化产品设计。

4.2 数字化建模的原理

三维设计软件模块众多，覆盖面广泛，软件功能强大，界面友好、操作方便。软件提供最基本的单元几何造型模型库，如球体、圆柱、圆锥等。创立简单的零件，可通过对其结构进行分析，将其分解成若干基本体，再对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零件的三维实体模型。对于较复杂的图形，软件提供草图工具，设计人员可以通过它先勾勒出截面，再拉伸出较复杂的几何形体。为了满足人们不断提高的审美要求，目前主要流行的几款三维设计软件基本都提供面片模块，该模块为设计人员提供了非常方便的曲面设计工具。对于具有大块曲面的零件，设计师可以方便地对单个面或片体进行变形处理，以达到需要的曲面。

4.3 数字化建模的应用

三维数字化模型可以更准确地对产品的数据进行定义，帮助相关专业人员对产品设计进行评估，并行地完成相关工作。更重要的是三维数字模型可以实现产品信息的数字量传递，直接作为制造加工的依据。

如今的航空领域，数字化技术中的建模技术已经应用的非常广泛。利用CAD软件，飞机的设计完全可以实现无纸化设计。为民机研发设计人员提供了极大的方便。

三维数字化模型同样可以与虚拟现实技术相结合，它是产品设计过程中最基本、最重要的工作之一。如图1、图2所示。

5 工程可视化后处理软件

5.1 可视化后处理软件

目前在航空领域可视化后处理软件有很多。其中Ensight为其中之一，它是一套适用于各种工程和科学的后处理与计算结果可视化与协同软件。在工业、科研、产品设计等领域应用广泛。可支持各种类型的工程分析数据。全球众多工程师、科学家及科研工作者都使用其来查看、理解、交流各种计算机处理数据结果。可处理百万甚至上亿的结点单元，具有并行处理与渲染的优势，并支持VR 系统环境以及实时协同等功能。通过Ensight可以将模拟计算飞机各种运算的数据进行可视化。

5.2 可视化后处理软件的特点

1）支持图形质量和输出选择

2）动画功能

3）不限制的脚本实现批处理模式

4）虚拟现实的功适合演示

5）深度的右键单击选项，能够交互操作视图

5.3 可视化后处理软件的应用

可视化后处理软件在航空业的起步较晚，在汽车行业，后处理软件已较多的运动在气动外形分析、动力分析等方面。国内航空业已有企业利用可视化后处理软件对飞机设计的进行计算、分析（如图4）。今后可视化后处理软件将越来越多的应用航空领域。

6 数字化管理平台

目前国内航空业主流的数字化平台品包括PTC公司和法国Dassault Systemes公司的PLM系统。其中美国PTC公司的产品是基于Windchill内核技术，该平台的主要作用是管理飞机产品数据及流程，用于进行主制造商与供应商之间有实现在线协同设计等，该公司具备多年丰富的技术积淀和航空领域项目实施经验，全球很多航空企业是其合作伙伴。VPM是基于ENOVIA技术，用于管理飞机初步设计阶段的数模，与CATIA的无缝集成，是其在全球航空领域得到广泛应用的重要因素之一。

达索为各种企业提供电子商务解决方案，帮助企业实施数字化战略。ENOVIA专注于帮助企业管理数字化产品、流程和资源的综合性模型、协作模型及分布式模型。其核心优势主要是在数字化制造解决方案，不仅仅提供了生产过程的仿真，同时还提供了车间和生产线的仿真，人机工程等。

6.1 PLM产品的发展趋势

1）进一步和CAD/CAM集成实现数字化生命周期管理；2）贯穿从市场开发到后续产品运维的整个产品生命周期管理；3）进一步加强PLM产品研发和SCM供应链管理两大核心业务的集成和协同；4）真正的将前端的市场和产品规划，组合计划过程和后续的产品研发集成起来。

7 数字化平面艺术

如今，数字化技术越来越广泛的被运用在平面设计上，电子数码产品、多媒体产业、电子信息处理系统成为新技术的核心，平面设计成为数字化革命的实验田之一。数字化的平面技术带了艺术形式的新的表达形式，产生了数字化的平面艺术。

在航空领域飞机的外观和内饰中，平面设计已经是不可或缺的一部分，飞机的外观形象在飞机的宣传和销售过程中其实是非常重要的，国内以往整体效果偏向保守稳重，而近年国内民机的飞机喷涂有了新的变化，如上海世博会期间东航公司的“世博号”喷涂，积极的运用了新颖的图案设计元素，给飞机的整体外观注入了新的活力。国内某支线客机的蓝色图案和红色彩虹主题图案，也分别象征了该型号飞机的大气和活力。给我国自主研发的飞机的宣传起到了积极的作用。内饰方面，国产大型客机展示样机也同样大量的运用了平面设计元素。结合了中国祥云、龙的传统元素，搭配大气端庄的色彩，大型客机展示样机在2010年亮相珠海航展时，得到了国内外一致的好评。

8 结论

数字化技术的应用，为飞机的研制提供高效可靠的设计手段；提高了飞机设计的可靠性和可维护性；通过有效的平台管理，确保了研制过程的高效化、无纸化、保证了数据源的唯一；设计过程清晰可追溯，便于协调；通过工程可视化和后处理软件，测试产品零件的合理性，减少零件间的干涉；减少了因为设计不合理所造成的设计更改，缩短新机研制周期，节省飞机的研制成本；展现了飞机外观内饰的美学设计，提高了飞机的国内外知名度。

因此，数字化技术将有助于我国民机事业的发展。飞机的研发和制造是一项复杂庞大的系统工程，在技术上，未来飞机研制的趋势将更多地运用数字化技术为之服务。在人力上，掌握数字化技术的人才将为飞机设计的研制周期、质量、安全性带来保证。

参考文献：

[1] 金江波.关于数字化设计艺术的载体、信息特性及其技术的关系[D].上海大学美术学院,2002.

[2] 潘云鹤,孙守迁.数字化艺术与设计研究进展[C].杭州:第五届国际CAID&CD会议,2003.

[3] 刘芒果.机械CAD三维设计的应用研究[J].煤矿机械,2005(9).

篇6

关键词：隧道工程；监测；信息系统；数据库；GIS；可视化；

作者：李元海等

中国是世界上隧道最多、发展速度最快、地质及结构形式最为复杂的国家，在建和待建的山岭隧道、地铁隧道、水底隧道、水电压力隧道等不计其数[1-2]。众所周知，隧道工程与地面工程的一个重要区别在于其处于特殊的岩土地质环境中，工程设计和施工中存在很多尚不完全清楚的问题，主要原因在于：(1)岩土地质条件千变万化，难以把握；(2)岩土结构与人工支护系统的相互作用关系尚不明确；(3)大量城市隧道工程周围环境影响十分复杂。由于岩土力学理论与技术发展和经济条件的限制，要准确预测隧道及周围环境在施工过程中的动态响应几乎是不可能的。当前一个有效的手段就是在施工中加强过程监测，以岩土层、隧道结构与周围建、构筑物的变形和受力以及地下水的变化信息为依据来优化或修改设计与施工方案，即信息化施工，它在隧道工程施工的安全和风险控制方面起着重要作用，尤其是对于繁华城市地铁或长大复杂隧道，信息化施工是必不可少的关键施工技术[3-4]。

然而，信息化施工在早期实施过程中存在的一些问题[5]现在似乎依然没有得到多少改观，特别是施工安全监测是否完全发挥了应有的作用还值得反思。在信息化施工中，施工监测存在的一些问题主要集中在2个方面：一是数据采集；二是信息管理，本文主要讨论后者。我们知道，地下工程的监测目标都具有一个共同的地理特征，它们总是位于某个空间位置，监测目标和监控测点之间都有一个相对空间位置关系，工程师对于安全问题的关心主要是发生在什么时间和什么地点，而地点与空间地理信息紧密相关，因此，在对隧道工程监测信息管理方面，融合地理信息与数据库管理的GIS技术应是一个最佳的选择[6]，它以地图的形式形象直观地将工程、监测点与地面上下环境信息统一集成，能够对施工监测及其相关信息进行高效管理与快速分析，从而可提高施工监测的工作效率和信息化施工的技术水平。GIS在空间维度上包括二维和三维应用，在应用环境方面涵盖桌面、网络和移动终端，能够满足监测时空信息管理的多方面和多层次需求。基于GIS的隧道施工监测信息管理是信息化施工技术发展的必然趋势，笔者主要对其研究与应用现状、存在问题及发展方向进行综合分析与探讨。

1隧道工程监测信息分类与管理方法

现有隧道施工监测管理工作中的信息传递方式通常是在项目参与各方(如业主、设计、监理、施工和监测单位)之间进行，采用的形式有表格、单据、文件等纸质形式和电话、会议等传播形式，因此，信息收集、整理、加工、传递、检索和使用等整个周期较长，甚至出现重复和交叉工作，效率较低。这里，借鉴孙玉国[7]提出的以“数据”为中心的理念，笔者提出施工监测管理应以“信息”为中心的原则，加强信息分类与组织，借助网络技术实现信息管理平台的创建和应用，有利于提高监测信息管理的工作效率，充分发挥监测信息对设计与施工的指导作用。

1.1安全监测信息分类组织

信息的合理分类是为了高效管理，隧道施工监测及其相关信息种类繁多且来源广泛，按不同的分类标准有不同的分类方法，分类既不必过于精细，也不能过于简单，应从满足工程应用和便于信息管理的角度来适度划分。这里，建议以监测项目为中心，考虑重要影响因素，将监测信息划分为：(1)监测项目；(2)工程信息；(3)周围环境；(4)施工工况；(5)控制基准；(6)工程措施(类似知识库)；(7)其他信息。根据信息随着时间是否变化，又可分为静态信息与动态信息两大类。其中，测点数据与施工工况是与时间有关的典型动态信息，而控制基准、工程地质和环境等可近似认为是基本不变的静态信息。

1)监测项目：

有的根据监测对象分为地表沉降、地层位移、地下水位、净空收敛、拱顶沉降、土压力、钢筋轴力、混凝土应变、桩柱结构沉降与受力等；有的根据监测目标的受力和变形简单划分为A项和B项两大类。

2)工程信息：

包括工程基本概况、施工方法以及工程水文地质等，这些内容有助于了解工程的基本情况。

3)周围环境：

分为地面建(构)筑物、道路、桥梁、河流、地下管线及地下硐室等，这些与施工监测的目标和环境影响分析紧密相关。

4)施工工况：

这是结合施工情况来分析监测数据变化规律及原因的必需信息，主要包括施工进度、开挖与支护情况及周围场地环境变化(如超载)，通常以文字、数据、图片和影像等形式表达，是分析监测数据最重要的动态关联信息。

5)工程措施：

可以针对具体工程出现的常见事故或问题，建立一个对应的技术措施数据库，以便在为安全监测进行分析时能初步给出工程建议，供施工和设计单位参考；目前多数监测工作都会在监测报告，如日报、周报或月报表中包含这一项内容，但缺少一个全面、系统的数据库或知识库支持。

6)控制基准：

这是安全预警的重要依据，一般采用规范中的标准，但实际上，很多具体工程有一个自己的设定标准，依据工程条件的不同，或严格或宽松，所以，在控制基准设计时应充分考虑这2种情况。

7)其他信息：

上述内容之外的与监测有关的信息。

1.2监测信息的分析与预测

数据整理分析的目的是从平静中找出变化、从变化中找出规律、由规律预测未来，防患于未然是施工安全控制的核心目标，因此，基于监测信息的科学分析与有效预测至关重要。但众所周知，隧道及地下工程围岩与地质水文条件千变万化，非常复杂，即便是一个区段、一个工程获得的施工监测数据及由此得到的规律，很多情况下，也不能直接用于其他类似区段或工程。一个简单且有效的方法是采用回归分析，但回归分析目前多是获得了足够数据(即包括了稳定阶段的数据)，在后期进行数据整理时经常做的一项工作，而在施工过程中，尤其是变形初期(数据量有限)似乎仍然不能解决后期变形的预测问题。除此之外，还有一些比较复杂也有着先进理论基础的预测方法，如人工神经网络、模糊数学、时间序列和粒子群优化理论等[8]，这些方法似乎还主要停留在研究层面上，尽管很多文献给出的预测结果和实测结果曲线吻合得非常完美，但真正在实际复杂工程条件下的应用可靠性恐怕还存在很多疑问，应做进一步研究，此外，未来类似于联机分析处理(OLAP)等数据挖掘(DM)和知识发现(KDD)的综合智能分析技术的应用值得关注[9]。

1.3监测信息管理支撑技术

隧道施工监测工作包括信息采集与信息管理两部分。信息采集是信息系统的数据来源，当前，基于普通水准仪和收敛计等常规隧道净空位移量测虽然简单实用，但不能满足实时监测的要求，因此，一些具有实时与远程传输功能的诸如全站仪、静力水准仪在隧道监测中被作为一种新技术进行研究、应用和推广[10-11]。早期的隧道施工监测信息管理基本上停留在文字、表格和图形文档方面，这些信息往往都是分散的，查询和统计分析都要花费很多时间，管理工作的效率很低，而计算机信息技术的发展，特别是数据库、GIS、网络以及移动通信技术，使得监测信息的集成化和网络化管理日渐成为基本需求，同时基于三维空间与虚拟现实技术的形象化与可视化管理对工程师产生了很大的吸引力。可以说，计算机与信息技术是大步提升监测信息管理技术的重要支撑，其应用水平也是衡量信息化施工技术水平高低的重要标志，充分利用信息技术是未来隧道安全监测信息管理的技术发展方向。

2隧道工程施工监测信息管理系统研究与应用

2.1研究现状

隧道施工监测信息管理系统主要以程序或软件开发为核心，目前国内有众多研究人员开展了大量的研发工作，并取得了很多成果，当然也存在一些问题。

信息管理系统研发主要涉及系统运行的环境、系统功能的设计、系统的可视化功能和预测分析方法等几个方面。施工监测信息管理的发展可以分为早期替代手工计算的计算机数据计算与分析、采用数据库进行简单管理、以GIS(含WebGIS)技术应用为代表的集成多源信息的可视化管理等几个阶段；程序或软件应用从早期的DOS环境到当前的Windows(或Linux、OS)，从单机到网络，从二维可视化发展到三维空间，可以说，监测信息管理技术的进步与计算机信息技术的发展和应用密不可分。

作为我国隧道信息化施工技术研究的前辈，王建宇[12]对信息化设计的原理以及监测数据的处理与分析方法较早进行了全面研究，此后，有不少研究人员相继开展了相关监测信息系统的研发工作。如邝明[13]开发的隧道施工信息监测及计算机辅助系统，基于FoxPro平台开发，在MS-DOS下运行，主要包括建立观测档案、量测数据输入、数据回归分析、超限报警及查询、输出打印等功能，同时创建有规范数据库，可作为早期系统开发特点的代表之一。张强勇等[14]采用VisualC++和SQLServer作为开发工具，考虑了网络运用，设计了基于C/S架构的网络版系统；崔健等[15]采用基于C#的面向对象方法和GIS二次开发组件MapX开发的系统，引入了GIS技术，利用Oracle进行数据库管理，考虑了数据远程传输和离线更新模式。杜年春[16]研究设计的监测信息系统也是基于网络应用环境，其中，WebGIS信息管理利用基于跨平台的Java语言进行开发的。蒋树屏等[17]研究建立的隧道现场监控量测数据管理系统能够生成围岩和支护结构的应变、应力在隧道开挖过程中的时间-空间分布曲线以及深孔量测项目在围岩内部的分布图，由此判断围岩与支护结构的稳定情况，系统包含基于扩张卡尔曼滤波器有限元耦合算法的反演分析是其主要特色。陆轶[18]、孙中伟[19]采用ArcGIS提供的二次开发组件包ArcEngine和ArcView创建了隧道监测GIS信息系统，是ArcGIS的典型应用之一。贺跃光等[20]研制开发的基于WebGIS的城市地铁施工监测信息管理系统提供以下功能：数据入库、数据处理及精度评定，报表与图形生成，回归分析与变形预报预警，网上信息及信息交流；系统分为系统应用、基础数据库、电子地图3个服务器节点；从功能结构上划分为6个子系统：地铁线路、站点基坑管理，监测数据管理，预警、预报信息管理，WebGIS信息管理，系统用户及日志管理以及信息交流平台，功能设计相对比较齐全。此外，王浩等[21]以采用全站仪进行洞室围岩表面三维收敛变形非接触监测为例，建立了一个功能相对专一的施工期监测信息管理系统。李天斌等[22]结合川-藏公路二郎山隧道围岩稳定性研究，初步建立了隧道信息化监测、预测和决策系统(TMFS)，提出了围岩稳定性“综合集成分析”的理念，系统的基本功能组成体现了公路隧道新奥法信息化施工的工作流程，即施工跟踪测试与监测—评价与预测预报—信息反馈—信息化决策。国外有以意大利GeoDATA公司为代表的地下工程施工风险信息化管理平台GDMS，它包括监测数据管理系统以及文件管理系统，但该系统并不完全适合国情。

上述研究成果都考虑了隧道监测数据管理的基本功能需求，如数据计算、回归分析和图表绘制、预测预报等，主要区别在于开发方法、系统的结构、功能的多少、运行的环境、可视化的强弱以及实用性等几个方面。

笔者在隧道监测信息管理系统方面的研发历程，似乎也可作为该项技术阶段发展的一个小小缩影。在1995年采用Pascal编制了一个DOS环境下运行的简单程序[23]，实现了监测数据计算与图表绘制的自动化；随后采用具有快速开发和数据库特色功能的Delphi[24-25]，在1997年开发了一个Windows下运行的监测数据库管理程序，实现了菜单操作，将数据库(Foxbase)技术应用于监测数据的管理，这些系统的功能相对简单，但在日常数据计算、图表绘制和报表自动生成方面都明显提高了工作效率；在以可视化为显著特征的GIS开始盛行时，借鉴GIS思想，使用高级语言从底层(未采用GIS软件)初步开发了一个图形平台[26]，具备类似AutoCAD的二维基本功能，包括点、线、面的绘制和复制、平移、镜像、捕捉等功能，实现了在监测地图上测点与监测数据的链接关系，底层开发的优点是系统独立于GIS、AutoCAD等相关平台软件，灵活性强、升级方便；缺点是研发与系统维护的工作量大，研发周期长。为解决这一问题，基于专业人员重在解决专业问题的思路，可以选择合适的通用GIS软件[6]为基础平台来进行二次开发，这样综合数据集成管理的效率高，开发出来的系统可视化功能强。近年来，笔者借助于商业GIS软件提供的SDK，基于桌面与网络环境进行了一些新的研发，并在工程现场中进行了应用，研究成果有待发表。

GIS无疑是隧道监测信息可视化的重要技术，此外，未来虚拟现实技术(VR)的应用也将是提升监测信息管理可视化的一个重要方向[27-28]，引入VR和网络技术，通过对隧道现实环境的计算机再现，实现本地或远程隧道虚拟漫游、实时监测、信息管理于一体的隧道施工监测信息反馈系统，可以使用户能够运用鼠标和键盘突破物理、空间和时间的限制，直观方便地查看监测仪器与监测目标及周围环境的位置、范围和数据，在虚拟场景中监控管理监测目标，提高监测的直观性和临场感。

现在，移动通信终端设备的发展将为隧道监测信息的快速传输和高效服务提供技术支撑，尽管相关研究很少，但也有少数人员开始了一些探索，如邹进贵等[29]基于WindowsCE掌上电脑开发了一个沉降监测与管理信息系统，实现了数据移动传输和终端查询。移动通信设备上的信息系统开发也许不能理解为从PC到移动设备上的简单移植，隧道监测移动信息管理系统在开发工具、开发平台、信息系统框架设计、信息存储与传输等方面与PC系统都有所不同。目前流行于智能手机上的Android系统[30]未来在隧道监测信息移动管理方面的应用潜力很大，值得研究。

2.2现状分析

2.2.1研究开发方法

软件系统设计应遵循以下原则：功能实用性、可扩展性、灵活性、可重用性、可靠性和安全性。系统开发要解决的关键问题是数据信息的组织与管理，以及为用户提供一个友好的人机界面和满足网络化和可视化的需求。当前，数据管理平台或引擎通常采用MicrosoftAccess、SQLServer或Oracle等数据库，在Windows操作系统环境下，采用开放数据库互连(ODBC)方法，利用开发工具提供的应用数据接口ADO技术实现对数据库的创建、访问、编辑和查询等功能。具体选择何种数据库支撑软件，与数据量的大小和应用成本考虑有关。数据量小、应用简单可用Access，反之，可选用SQLServer等大型数据库。软件系统的人机交互界面一般采用通用高级开发语言(如Delphi、C#、VB和Java)进行设计开发，具体选择根据个人喜好或对软件的熟悉掌握情况。因为，一些开发工具在功能和软件界面设计效率方面区别不大，软件界面设计难度不在于工具本身的复杂性，而在于开发者一个良好的用户界面框架结构设计，良好的用户界面体现出对系统功能合理的层次组织，是便于系统应用推广的关键。网络化主要是满足监测信息的共享与远程监测两个需求，可以通过建立网站借助于Internet来实现监测信息的远程传输与查询；可视化除了简单的数据图形、影像与视频外，更重要的是GIS技术的广泛应用，通常借助于GIS基础软件的二次开发功能，如国外的ArcGIS[18-19]和国内的SuperMapGIS软件[31]都提供了相应的SDK(二次开发工具包)，供开发人员采用通用开发工具来创建一个反应测点空间位置与周围环境的类似电子地图的图形平台[31]，在此平台上集成多源信息，可以提高复杂信息的管理工作效率。

2.2.2系统功能结构

根据隧道工程监测信息管理的功能需求和综合现有研究成果，加上个人的认识与理解，笔者认为一个功能相对完整齐全的信息管理系统框架结构如图1所示。系统应以“信息”为中心，通过研发与应用，使得任何一位相关技术人员或主管领导(Anybody)在任何时间(Anytime)、任意地点(Anywhere)，只要能够接入互联网即可访问本系统，完成系统中涵盖的所有管理工作(Anything)，从而实现基于WebGIS的隧道工程施工监测的4A服务[32]。

需要说明的是，一个具体的监测信息管理系统不一定要包括图1所示的所有功能，可以针对工程应用的具体要求进行开发。当前很多相关系统大多也只是实现其中的部分功能，要建立图1所示的隧道施工监测信息管理的完整技术体系，还有很多工作需要做，其中，未来在移动终端、实时监测和虚拟现实仿真应用以及监测数据的可靠性预测分析方面都需要进一步研究。

2.2.3可视化技术

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的方法，它已成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。对于施工监测信息来说，根据文本数据绘制出监测历时曲线是最早实现的简单可视化，当然，简单并不意味着没有继续研究的必要，实际上在可视化灵活操作方面，还可以做些细致的工作，例如在监测曲线图上，移动鼠标就能即时显示监测相关数据信息的丰富变化，就是一个非常实用的功能。当前GIS已经成为信息可视化的重要手段，可以采用GIS创建一个集成管理多源监测信息的图形平台，将具有空间属性的监测点与周围环境集成到一张电子地图上，实现测点信息与周围监控对象管理的可视化。目前GIS应用可以分为二维、二维半及三维，三维应用主要强调地上、地面以及地层的三维集成可视化，其中地面以上主要包括房屋、桥梁等建构筑物，地面主要包括道路、河流、绿地等，地下则包括地层以及地下管线等。地下部分的可视化能够直观地反映工程所在区域的地质情况，而施工监测信息的变化则与地质条件紧密相关，三维地层建模技术为此提供了技术支撑[33]。地面及地上三维可视化，可以应用目前广泛应用的三维地图技术。除此之外，VR也可作为隧道施工监测信息管理的三维虚拟现实平台，以更加直观、形象地显示监测信息与周围工程环境的空间立体关系，增强对于监测信息与安全风险控制的深入理解。VR与三维电子地图的一个重要区别是其具有临场真实感，例如，在隧道施工中如果地面房屋建筑结构的沉降监测超限，可以采用房屋出现开裂、倾斜，甚至倒塌再配合声音来模拟可能出现的风险，并发出预警，感同身受。VR应用系统也可以独立于GIS技术，这样做的好处是系统研发与维护都相对简单，也便于应用推广。但目前虚拟现实在隧道监测信息管理方面的应用研究还不多见。

这里值得说明的是，对于技术的先进性与实用性问题的平衡考虑和认识，二维GIS的技术发展最为成熟，功能最实用，成本最经济；真、假三维GIS(2.5维通常也称为假三维)立体感强，更形象、更逼真，在技术方面代表进步和提升，因此，来自现场的应用需求比较强烈，但并不能完全取代二维GIS技术的成熟性、稳定性、简便性和经济性。三维GIS代表隧道监测信息管理图形平台可视化的发展方向，但二维GIS现在和将来也都值得进一步研究与应用，不能也不应厚此薄彼，理想的可视化集成平台模式是二、三维GIS的一体化应用。

2.2.4系统运行环境

按系统运行环境的不同，可以把基于GIS的隧道施工监测信息管理系统分为两大类：一类是桌面系统(单机版)；另一类是基于Internet的网络系统(网络版)。这两类系统各有优缺点，网络系统显然能够最大限度地实现监测信息共享，同时方便远程查询与管理，但是系统运行环境的构建比较复杂，比如要进行专门的网站创建和网页系统设计，需要服务器支持，此外，基于网络的数据实时分析能力要比桌面系统低很多；相反，桌面系统可以充分利用本地计算机进行强度较大的计算，数据处理与分析能力强，同时，对于工程现场应用，例如，现在很多城市地铁工程项目现场都设有监控室，安装这样一套系统作为安全监控系统的一部分，很简单也很实用。因此，在施工监测信息系统网络版开发越来越多的情况下，单机版的系统在日常监测数据的处理、分析与管理方面，仍然起着不可替代的作用。实际上，单机版和网络版可以联合并用，如单机版作为网络版的数据信息加工处理工厂，而网络版作为单机版处理后的信息集散地，当然，它们也可以针对不同的需求独立应用。

2.2.5系统的实用性

如果单从研究的角度来说，系统研发更注重技术的先进性和创新性，然而，系统研究的目的最终是为了应用，系统的实用性对工程应用更为重要。在隧道施工监测信息系统研发方面，虽然有不少成果公开发表，但是从一般的文献中，很难了解和判别相关系统的实用性到底如何。监测信息管理系统的核心是软件，如果以软件商业化作为系统成熟和实用标志的话，遗憾的是，当前还没有看到相关通用商业软件系统，换句话说，迄今为止，实用性很强的系统可能很少。原因可能很多，其中一个方面应该和系统研发应用的持续性有关，不少系统由高校和科研院所研制开发，以一些政府部门或企业委托的科研项目作为支撑。如果把系统类型按发展阶段分为研究型、试用型和实用型，往往在项目结束之际，很多系统研发最多还处于试用型阶段，有的甚至还在研究阶段，随着项目的结题、验收或鉴定，完成相关科研成果报奖等使命，其改进、完善和推广由于得不到进一步的后续研发支持而中断。原因有两方面：一是对于研发人员来说，初步取得的成果不尽理想未能引起委托单位进一步投入的兴趣；二是委托单位可能对于系统持续研发投入的必要性认识不足，从而导致在系统从研究到应用的发展过程中，半途而废，实际上这是对前期人、财、物等投入的一个很大浪费。软件系统从研发到实用是一个持续不断投入和长期不断升级的过程。

3存在问题及发展趋势

3.1存在问题

综合现有研究现状分析可以看出，当前隧道施工监测信息管理主要存在以下几个问题：

1)监测信息以及与其相关信息种类繁多，信息的特性与处理方法不尽相同，基础数据库信息的有效分类、组织需要加强，这是整个信息系统研发和运转是否高效的重要基础。

2)科学预测旨在防患于未然，当前无论是简单或复杂的预测方法在真正应用于实际工程的有效性方面还存在一些问题，尽管相关文献展示的预测与实测符合完美，但工程应用的真实性和可靠性还存在疑问。

3)施工监测信息在快速反馈与及时指导施工方面，存在不足，依赖信息管理系统不能完全解决这一问题，但应通过集成实时监测功能、快速数据分析和科学预测、及时预警来提供足够的辅助决策技术支持。

4)从技术的先进性来说，隧道施工监测信息管理三维可视化平台目前并不多见，尤其是三维GIS和虚拟现实技术的应用开发，还处在初步研究阶段。

5)从技术的实用性来看，隧道监测信息系统在软件功能的完备性、易用性、健壮性和安全性等实用性方面距离成熟商业软件标准还存在明显差距。

针对上述问题，需要紧密结合隧道工程信息化施工的技术需求，按照软件系统的基本要求和研发规律，充分利用现代计算机信息技术，进行持续不断地研究、开发和应用。

3.2发展趋势

未来的发展趋势笔者认为有以下几个方面：

1)在数据库合理组织和科学预测分析前提下，借助于可视化技术，创建运行稳定、易用和安全可靠的实用性系统，至关重要。

2)结合不同的应用需求，系统在单机版、网络版、二维GIS可视化和三维GIS可视化等研发方面，齐头并进，不应厚此薄彼。

3)隧道施工监测信息系统如丰富监测信息的管理功能，可考虑对于实时监测设备和元器件采集数据的实时接收、显示与分析，以及对于相关施工工况(如施工进度)的辅助显示，通过适度扩大相关应用功能，增强其工程实用价值。

4)利用虚拟现实技术，开发出隧道施工监测信息管理的虚拟现实平台，能够提升隧道监测信息管理可视化水平和管理工作效率。

5)未来基于手机、PDA等移动通信终端和类似Android、iOS等移动操作系统的移动监测信息管理技术值得研究开发，有望真正实现施工监测信息的随时、随地一切尽在“掌握”之中，有助于对隧道工程施工安全风险的管理与控制。

4结论

1)隧道工程施工监测信息管理技术发展经历了从纸质文本与图形文档管理、计算机简单数据处理、数据库管理、GIS与网络应用到虚拟现实技术应用等几个重要阶段，系统应用已从单机逐步扩展到网络，信息管理的可视化从简单的图形图像发展到二维和三维GIS空间。

2)当前隧道工程施工监测信息管理系统存在的主要问题包括多源相关信息的有效分类组织、数据预测与预警方法的可靠性、对工程的实际指导作用和应用软件系统的实用性，都有待于进一步提高。

篇7

随着经济的全球化与信息的社会化，市场竞争日益激烈，产品竞争已经由传统的价格竞争转化为技术含量的竞争，高科技产品成为市场的主流，创新成为企业发展的灵魂。为了适应新的市场变化，企业必须以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务来满足不同用户的需求。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性，对市场需求的变化做出快速反应。为此，探索新的设计制造方法是企业生存的最重要手段。

随着信息技术的迅猛发展，出现了一些先进的设计制造技术，现代设计制造技术的发展方向就是不断吸收现代科学技术，实现设计制造技术的数字化、功能化、智能化和网络化。虚拟技术已成为当今最活跃的制造业设计技术，它的发展，促进了虚拟制造(VitrualManufacturing)的形成和发展，为机械产品的设计、加工、分析以及生产的组织和管理提供了一个虚拟的仿真环境，从而在计算机上“组织”和“实现”生产，在实际投产前对产品的可制造性等方面进行评估，保证一次成功生产，从而降低生产成本，减少上市时间，快速响应市场，提高企业竞争能力。

1虚拟制造的内涵及其分类

1.1虚拟制造的内涵

随着制造业技术的飞速发展，人们对制造的内涵也有了全新的、更全面的认识。制造是指按照市场需求，运用知识和技能、借助工具、采用有效的方法、将原材料转化为最终产品并投放市场的全过程。虚拟制造(VitrulaManufacturingVM)是指利用计算机模型和仿真来实现产品的设计和生产的技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术和高性能的计算机、高速网络为支持，在计算机上群组协调工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程管理与控制等产品制造的本质过程。“虚拟制造”虽不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，它在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能通过模型来模拟和预估未来产品的形态、功能、性能以及可加工性等方面可能存在的问题，从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案，从而使制造技术发展到全方位预报阶段。虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，它是各种计算机辅助技术面向产品全生命周期的集成化综合运用。

实际制造具有对物质、信息、能源进行转换的功能，即投人原材料、生产、信息、电力等能源，制造出所需的产品及与产品相关的信息。虚拟制造是将实际生产中的“物质”和“能源”信息化，针对实际生产系统中的信息及被信息化的“物质”和“能源”实现与实际生产在信息上的等价交换，虚拟制造虽然没有制造出实际产品，但却生成了有关产品的信息以及制造产品所需的信息。

1.2虚拟制造的分类

虚拟制造既涉及到与产品开发制造有关的活动，又包含与企业组织经营有关的管理活动。根据所涉及的范围及工程活动类型，可将虚拟制造分为三类：以设计为核心的虚拟制造；以生产为核心的虚拟制造；以控制为核心的虚拟制造。

1）.以设计为核心的虚拟制造。以设计为核心的虚拟制造将制造信息引人设计过程，利用仿真来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对零件甚至整机进行可制造性分析，包括加工工艺分析、热力学分析、动力学以及运动学分析等。主要解决“设计出来的产品是什么样”的问题，以便对产品各方面性能进行仿真与评估；

2）.以生产为核心的虚拟制造。以生产为核心的虚拟制造将仿真技术溶人生产过程模型，以此来评估和优化生产过程，以低费用快速评价不同的工艺方案、资源需求计划、生产计划等。主要解决“这样组织生产是否合理”的问题，以便对生产过程进行仿真，对各个生产计划进行评估；

3）.以控制为核心的虚拟制造。以控制为核心的虚拟制造将仿真技术加到控制模型和实际处理中，实现基于仿真的最优控制。充分利用计算机的强大功能将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，对生产线的优化等生产组织和管理活动进行仿真。主要解决“如何去控制”的问题。

2虚拟制造的特点

与实际制造相比，虚拟制造具有其本身的特点：

1）.虚拟性。虚拟制造不是真实的制造过程，不生产实际的产品、不消耗真实的材料与能源，是通过数字化手段来对真实制造过程进行动态模拟以实现制造的本质过程；

2）.基于数字化模型的集成。虚拟制造过程依赖于模型，涉及到的模型有产品模型、过程模型、活动模型和资源模型。通过这些数字化模型在计算机上的集成，实现对产品的设计、制造、测试、装配等操作，而不再做对传统的原型样机的反复修改；

3）.支持敏捷制造。由于整个过程的信息存储在计算机内，能够根据用户需求或市场的变化快速改型设计，快速投人生产，能够大幅度压缩开发新产品的时间、提高质量、降低成本；

4）.分布合作。借助于计算机网络，虚拟制造可使分不在不同地点、不同部门的不同专业人员对同一个产品模型同时工作，相互交流，实现信息共享，减少大量文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发更快捷、优质、低耗地响应市场变化；

5）.仿真结果的高可信度。虚拟制造就是通过模型的验证、效验等仿真技术来检测设计出的产品或制订出的生产规划，使得产品开发或生产组织一次成功，所以它能真实地反应实际对象。

3虚拟制造的关键支撑技术

虚拟制造借助于虚拟环境中获取的各种信息，集成和综合了可运行制造的环境，用来改善从装配产品的概念设计到动态仿真的各个阶段。虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后三项是虚拟制造的核心技术。

3.1虚拟现实技术

虚拟现实(VirtualRealityVR)技术是美国JaronLanier于1989年首次提出的，该技术的内涵是由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境。从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来，融为一体，相互间进行信息的交流和反馈。虚拟现实技术或由它构建的系统，最重要的特征在于沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)和构想性(Imagination)。

虚拟现实技术综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维虚拟环境。虚拟现实系统(VRS)由人机接口、软件技术、虚拟实现的计算平台等部分组成。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输人，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。

3.2建模技术

虚拟制造系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是现实制造系统的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。虚拟制造系统的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。

(1)生产模型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是对系统生产能力和生产特性的描述，给出产品设计方案的可能性；动态描述是对系统动态行为和状态的描述，进而预测产品生产的全过程；

(2)产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。对虚拟制造系统来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，即产品模型描述的信息既包含产品结构、产品形状特征等静态信息，还包含能够进行干涉检查，各项性能分析等方面的动态信息，是能够通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需所有信息的模型；

(3)工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

3.3仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，借助于计算机的快速运算能力，可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。

仿真的基本步骤为：研究系统、收集数据一建立系统模型*确定仿真算法*建立仿真模型神运行仿真模型*输出结果并分析。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、实际生产过程行为仿真、装配过程仿真、检验过程仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。

4虚拟制造技术的现状分析

尽管虚拟制造技术近年来在国际上取得了迅速的发展，但是目前还缺乏从产品设计全过程的高度开展虚拟制造的研究，集中体现在以下方面。

4.1基于集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段

(1)CAD模型中的产品信息含量太低。CAD模型是在产品的设计过程中形成的，很多信息(几何的非几何的)需要记录在其中，它是重要的数据源。在虚拟制造中，很多分析模型需要从CAD模型中提取相应信息。然而目前的CAD模型主要是从几何实体的角度描述产品，远不能全面的描述产品，能够提供的共享信息太少；

(2)现有的CAD模型无法支持产品的概念设计。产品的全新设计要经过概念设计、详细设计、产品工艺规划及制造几个过程，而CAD模型只支持产品的详细设计；

(3)缺乏良好的产品信息重用机制。由于目前各应用软件间的产品数据交换主要是通过专用的数据接口来实现，这种转换也是同一问题数据的简单映射，无法实现模型间数据的自动转换和衍生，无疑增加了虚拟制造产品开发的复杂性。

4.2产品创新支持工具尚不充分

(1)缺少创新设计支持系统。产品创新设计是一门综合性科学，需要新技术、新材料、新工艺的支持。虚拟制造的环境为创新设计提供了很好的运行机制，但是还需进一步组织开发创新设计的支持系统；

(2)缺乏将知识与虚拟制造结合的工具。知识可以创造革新产品和新技术，产品创新注重知识。但是由于知识表达与组织的复杂性与重要性，如何将其与虚拟制造的数字化产品结合起来是一个有待解决的难题；

(3)缺少交互式外形设计技术与虚拟制造的集成工具。

目前，虚拟制造被认为是最有发展前景的产品创新技术。如何解决将有关产品整体定位、外观设计的交互式外形设计技术引人到产品虚拟制造中并与之有机地集成起来尚需进一步研究。

4.3产品数字化技术

(1)基于产品数据管理(PDM)与其他软件的集成问题。产品数字化的核心是PDM技术的应用，目前，出现了各种版本的PDM软件，但是缺乏标准，由此造成了PDM软件与其他应用系统的集成问题。在虚拟环境下，各专业、各部门人员基于同一产品模型协同工作，必须解决PDM与其他应用软件的集成；

(2)虚拟产品开发的产品数据组织体系。虚拟产品开发方式生成的产品数字样机的产品结构树既要反映产品设计阶段的构造层次结构、产品的装配顺序，还要反映生产流程，制造部门可以直接根据产品数字样机进行制造。因此，研究适合虚拟产品开发的产品数据组织体系是切实必要的；

(3)与数字化产品模型相关数据的组织和管理。

产品的数字化包括建立产品的数字模型及其相关的性能指标，包括结构分析、运动学分析、动力学分析、热力学分析的结果，为产品的定型提供理论依据，并对产品性能进行改造。如何有效地解决数据的组织和管理，使之有效地适合虚拟制造的需要是目前研究的热点。

4.4制造过程仿真建模方法和技术

基于物理模型的制造过程仿真技术已经得到广泛应用，但建模方法与建模技术仍未有突破性进展。

(1)虚拟加工工具有待完善。目前已有很多商品化软件可以进行“可加工性”评价，但虚拟制造还需研究开发大量的虚拟加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工过程仿真系统等；

(2)虚拟装配的基础理论研究。虚拟制造对虚拟配中的公差分析与综合技术还缺乏理论基础，在模型的生成以及对ISO公差标准、形位公差的支持方面还存在很多问题，迫切需要解决；

(3)装配工艺规划的进一步研究。目前基于虚拟装配工艺规划的研究存在很大的局限性，主要是指:仅考虑沿坐标轴方向的平移，装配运动方式过于简单；偏重于几何计算，工程语意知识的利用有待加强；装配顺序的选择标准不够广泛和统一；

(4)虚拟测试技术研究。虚拟测试是成功运用“虚拟产品开发”技术的关键环节，也是必不可少的。当所有环节计算机化后，测试和效验环节就成为影响效率的重要因素。

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【关键词】地理信息系统;空间信息技术;技术融合;GIS应用

1.引言

近些年，我国电信事业迅猛发展，电信市场也经过了几次变革，现形成了三家全业务运营商为主体的市场格局。随着人民生活水平的提高，客户需求也日益多样化，从最初较为单一的通话及短信业务发展到现有的上网、购物、休闲娱乐等多样化的服务。因此想要在激烈的竞争中站稳脚跟，电信运营商必须提供更高的服务质量和服务效率来提高自身的竞争力。

电信行业所涉及数据的主要特点之一是量大而且与地图的关系十分密切，所以面对电信行业发展需求，GIS由于其具有数据采集与编辑、数据库管理、空间查询和分析、地形分析、制图等强大功能而被应用于电信行业，充分发挥GIS在空间地理数据的分析能力， 建立通信资源的可视化电信管理系统，用以提高业务的服务水平和竞争能力。

2.GIS技术发展现状

2.1 地理信息系统（GIS）

地理信息系统（GIS），有时也称为“地理咨询系统”和“资源与环境信息系统”，它是在计算机软、硬件系统支持下，对现实世界的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据的属性进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。随着计算机和信息技术的快速发展， GIS技术与其它一些信息技术融合，为GIS技术的应用奠定了坚实的基础。

2.2 技术融合

GIS具有很高的融合能力，它与其它信息技术融合，拓展了整体信息技术的应用。

2.2.1 GIS与Internet结合

随着Internet 技术的不断发展和对地理信息系统的需求，将GIS 与网络技术相融合，利用Internet技术在Web 上空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，建立网络化的地理空间集成平台，成为GIS 的一个新发展方向。基于Web的GIS系统综合利用了信息处理、计算机图形学、数据库、Internet、地理信息系统（GIS）、软件工程等先进技术，具有访问范围更广泛，平立，系统成本低，操作简单，计算负载平衡高效等优点。

2.2.2 GIS与多媒体结合

GIS与多媒体技术融合为多媒体地理信息系统（MGIS），实现了GIS最为直观的表达方式，提供了更加形象化、具体化的视听手段。GIS与多媒体、Internet的结合，可以实现资源环境制图的信息共享及快速动态制图研究，在地理学中得到应用。

2.2.3 GIS与RS、GPS结合

GIS具有强大的对空间数据的处理和对现实世界的模拟能力，以及在空间要素的叠置过程中能够产生与这些要素相关的综合新信息，其趋势是走向集成化和智能化。GIS与RS、GPS结合，实现了以地理信息系统（GIS）为核心的2S技术集成，构成了对空间数据适时进行采集、更新、处理、分析及各种应用提供科学决策的强大技术体系。2S的应用改变人类观测地球和信息处理的方式，大大开拓了人类的视野。

2.2.4 GIS与CAD结合

GIS与CAD结合为人们提供了一种设计和管理于一体的工具。GIS与DTM、CAD结合，使专题地图的立体显示成为可能，并为地理学的分析应用开拓了新领域。

2.2.5 GIS与VR结合

GIS与虚拟技术（VR）融合为VRGIS技术，是GIS技术、可视化技术和虚拟现实技术结合而形成的新一代虚拟现实系统。该系统在提供较强的多维数据建模能力和多维空间数据管理能力的同时，更能支持复杂虚拟图形空间的生成和支持用户采用多种交互设备与图形空间进行交互。

2.2.6 GIS与EMIS结合

环境管理信息系统（EMIS）是以现代数据库技术为核心，将环境信息存储于电子计算机中，在计算机软硬件的支持下，能够实现对环境信息的管理、查询、统计、优化处理和输出的系统。GIS和EMIS在概念和研究对象上具有相似性、互补性，这使得二者的结合是自然的、合理又具有潜力的。“数字环保”就是基于二者结合实现的。

2.3 移动GIS

移动GIS是建立在移动计算环境、有限处理能力的移动终端处理条件下，提供移动中的、分布式、随机性的移动地理信息服务的GIS，是一个集GIS、GPS、GSM/GPRS/CDMA三大技术于一体的系统。是以移动互联网为支撑、以智能手机或平板电脑为终端、结合北斗、GPS或基站为定位手段的GIS系统，是继桌面GIS、WEBGIS之后又一新的技术热点。

3.Web GIS技术

基于Web的GIS系统综合利用了信息处理、计算机图形学、数据库、Internet、地理信息系统（GIS）、软件工程等先进技术，借助现代网络通信设备，使各类数据能够很方便的到网络上。达到了由用户自定义数据检索方式、自定义图形层次结构、在网络上直接处理数据，显示各类图形等目标。

图1 三层体系结构

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在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。当前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体。机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

2智能化技术发展趋势

2.1性能发展方向

(1)高速高精度高效化。

速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

(2)柔性化。

包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大。可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群拉系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

(3)工艺复合性和多轴化。

以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工。正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。

(4)实时智能化。

早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展。由此产生了实时智能控制这一新的领域。

2.2功能发展方向

(1)用户界面图形化。

用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前Internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术，也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用。人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

(2)科学计算可视化。

科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语育表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

(3)插补和补偿方式多样化。

多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补(非均匀有理B样条插补)、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

(4)内装高性能PLC。

数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形圈或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能，编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实侧，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

(5)多媒体技术应用。

多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域。应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

2.3体系结构的发展

(1)集成化。

采用高度集成化CPU，RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度，应用LED平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点。可实现超大尺寸显示。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，掘高系统的可靠性。

(2)模块化

硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化，根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服，PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

(3)网络化

机床联网可进行远程控制和无人化操作，通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行。不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。

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关键字：矿山测量；绘图技术；具体方法；

中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：

一、绘图技术的种类

（一）CAD绘图技术

在CAD绘图技术支持下，相关工作人员能够由原始的生产测量数据或是地质探测数据生成相应的采矿生产计划图。特别值得注意的是：矿山开采项目作业中诸如地质构造、人员配备、施工技术等客观条件均会在采矿作业不断推进的过程中发生一定的变化，要想使CAD绘图技术下所得出的采矿生产计划图及时有效，就势必需要建立起相应的数据库管理系统专门负责对这些动态原始数据的检测与管理工作，注重数据信息的定期更新与设计系统响应时效。笔者认为．具体到贯通测量当中，以三心拱断面图的绘制为例．这种形式巷道断面层的绘图需要首先建立起有关矿车、电缆钩以及风筒的数据模型，在数据库信息系统接收并响应CAD绘图任务的时候能够直接根据参数指标调用该数据模型，并及时生成相应的计算机图形。

（二）数字绘图技术

数字化绘图技术从本质上来说是现代矿山测绘技术与计算机信息处理技术相结合的一种产物。它能够将地球表面的各规模、各类型空间要素信息资料以数字化的形式进行高度抽象。并在这些要素之间建立起一种坐标或是图像的关系．进而将其储存在棚应的关系数据文件当中。计算机信息处理系统及其应用技术的大范围研究与推广使得新时期的矿山测量作业面临着前所未有的发展机遇与挑战。在当前的矿山测量工作中，地形图的测绘、矿岩量的测绘、台阶分层图的测绘等关键工作都明确了数字化的发展方向，数字化绘图技术也因而在矿山测量中具备了极为深远的发展意义与价值。笔者在下面（矿山测量在各种绘图技术中的具体应用中的第二点）将会介绍现从两个方面来对这一绘图技术在矿山测量工作中的应用情况做详细分析与说明。

（三）虚拟现实绘图技术

笔者翻阅大量有关矿采企业安全事故报告资料发现，近几年以来，井下安全事故成为了矿采过程中最频发的安全事故，究其原因，往往是由开采技术不合规范、工程质量缺乏保证以及采矿作业中管理制度的缺失这几方面问题所造成的。其中，工程质量缺乏保证这一问题表现得尤为突出，是我们在矿山安全生产体系构建中的关注重点。笔者认为，结合新型绘图技术来说，虚拟现实技术与矿山井下开采作业的融合能够使得整个矿采作业环境变得更加逼真与形象。

二、矿山测量在各种绘图技术中的具体应用

（一）CAD绘图技术在矿山测量中的应用

1.首先，全站仪在矿山测量中的广泛应用使得传统意义上的经纬仪偏角测量技术不再使用，坐标放样法成为了矿山测量的关键。我们必须明确一点，在坐标放样技术支持下，矿山测量的关键点出现在了内业方向，这也就意味着测量预测点坐标位置的确定变得更加复杂。在考虑传统地形、地质构造的同时它还需要注重曲线要素与构造物特点对于坐标点的特殊要求。而AUTO CAD绘图软件与

坐标放样法的融合则很好地解决了这一问题，它将世界坐标系统设定为默认坐标，进而使得预测点坐标位置的确定变得简单有效。

2.其次，全站仪在矿山测量中的应用形成了一种新的放线方式，H口极坐标放线方式，然而这种放线方式在坐标计算上一直存在很大的缺陷。AUTOCAD绘图软件与其坐标计算功能的融合，可以使坐标计算在CAD预设坐标系与绘图取点等功能的应用中，根据矿采过程中所规划的点、线、面以及圆弧等渚多元素绘制出精确的矿采图形，并利用AUTOCAD绘图软件所特有的取点功能去除倒球点上的夹角、坐标等等。进而正确放线。

3.在整个AUTO CAD绘图系统当中最值得一提的当属AUTO CAD2010。这一绘图软件所特有的二次开发与指令接收功能，能够使相关工作人员依据矿山测最工作的需要，指定AUTO CAD2000自动进行人工模拟作业，在及时提供精确矿山测量数据的同时，节约大量的人力、物力开支。

4.在当前技术条件支持下的矿山测量工作当中，相关工作人员在AUTO CAD绘图软件的支持下不仅能够完成一系列有关测鼍信息输入、输出、记录以及模拟的工作任务．还能够按照一定的顺序建立起—个较为完整的基础信息库系统。这一系统最大的特点在于它将各种矿山测量数据，如图件信息数据库、生产进度控制数据库以及边坡监测信息数据库等子数据库系统聚为一体。便于查阅与汇总。

(二)数字化绘图技术在矿山测量工作中的应用

首先是控制测最。在GPS技术发展日趋完善以及全站仪测量仪器性能不断提升的推动作用下．传统意义上的三角测量已不再适应于当前矿采企业的测量工作，一种较为灵活的GPS网测量技术悄然兴起。在确保检测质量精度的同时大大减轻了矿山测量的工作强度。笔者认为这一改变使得传统矿山测量中地面点平面位置的测量误差得到了有效控制。数字化的绘图技术在计算机自动展点功能的作用下。实现了地物点与图根点的“零误差”，更确保了矿采作业的安全稳定运行；其次是碎步测量。在当前技术条件支持下，应用比较广泛的碎步测量技术可以划分为全站仪极坐标法与GPS—RTK测量技术这两种。当外业测量工作顺利完成之后，相关工作人员可以将实测的多数碎步点坐标输入计算机终端储存系统，计算机处理程序根据预设指令将这些坐标点以展会编码的形式呈现出来，使得相关工作人员有关各个碎步点的连接工作变得更加简便与精确。

（三）虚拟现实技术在矿山测量中的应用

近几年以来，井下安全事故成为了矿采过程中最频发的安全事故，究其原因，往往是由开采技术不合规范、工程质量缺乏保证以及采矿作业中管理制度的缺失这几方面问题所造成的。其中，工程质量缺乏保证这一问题表现得尤为突出，是我们在矿山安全生产体系构建中的关注重点。笔者认为，结合新型绘图技术来说，虚拟现实技术与矿山井下开采作业的融合能够使得整个矿采作业环境变得更加逼真与形象。计算机软件系统支持下的三维图像构建与加工技术能够在计算机终端平面中再现各种安全事故的发展过程。相关工作人员能够接收到最真实，最全面的事故信息，从而分析出井下事故的最根本原因，这些原因中涵盖了传统意义上事故分析技术所无法分析到的现场工作人员动作行为原因。虚拟现实技术能够面向数据库系统服务终端为矿采企业管理者及上级领导部门提供各种地测数据远程查询与管理软件支持。可以说，虚拟现实技术与矿山测量工作的融合对于迸一步推动矿山管理信息化、现代化乃至数字化发展都有着极为深远且重要的意义。

三、结语

在我国社会主义经济建设中，矿业所占的地位是非常重要的。随着现代电子技术在矿山开采中应用,以及矿山建设与生产标准的提升,矿山测绘中逐渐应用了一系列先进的测量仪器,测量方法也有了科学的发展。矿山测量中绘图技术的应用是现代电子技术与传统井下测量技术完美结合,在不同规模、类型的矿山中都能发挥重要的作用。但是在贯通测量对于任何疏忽或误差都要严格控制,以实现测量结果的精确性和科学性,进而保障矿山生产的安全性。

参考文献：

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[2] 龚逸. 论现代建筑工程测量技术的应用[J]. 价值工程. 2010(30)

[3] 牛军平. 全站仪数字化导线测量技术在煤矿的应用[J]. 科技促进发展(应用版). 2010(08)