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摘要:
虛擬技術能夠有效解決工程技術領域及相關行業由于資源緊張所帶來的一系列問題，從單機虛擬仿真和網絡虛擬建模兩個方面綜述國內外虛擬實驗室在工程管理領域的應用。研究結果發現，工程管理虛擬實驗室主要應用于工程管理專業教學和建筑施工兩個領域，其對于革新工程管理教學理念，創新工程管理實踐教學與人才培養方式，提升建筑行業管理水平具有重要的意義。然而，在工程管理虛擬實驗室建設過程中也存在互動性不強、可擴展性弱、網絡化層次低、平臺搭建不夠完善、工程管理教育領域應用不足等問題。
關鍵詞:
工程管理;虛擬實驗室;工程教學;建筑施工
虛擬實驗室的概念最早由美國弗吉尼亞大學(UniversityofVirginia)威廉•沃爾夫(WilliamWolf)教授于1989年提出，其以計算機網絡為核心，利用網絡將虛擬器連接起來，實現數據的采集、分析和遠程操作［1］。和傳統實驗室相比，虛擬實驗室具有透明性、資源共享性、互動操作性、用戶自主性、擴展性以及安全性等特點，能夠在科研、教育領域得到良好的應用。隨著計算機技術、多媒體技術、通訊技術和數字化信息技術在工程管理領域的不斷推廣和應用，建立基于虛擬儀器技術、虛擬現實技術的工程管理虛擬平臺，能夠有效解決工程技術及相關行業由于資源緊張所帶來的一系列問題。按照構建虛擬實訓平臺實現方式的不同，工程管理虛擬實驗室可以分為單機版和網絡版兩類［2，3］。
1單機版工程管理虛擬實驗室建設現狀
采用仿真技術構建的單機版虛擬實驗室非常多，例如Erlangen-Nuremberg大學的虛擬教室就是基于HTTP協議與HTML語言構建的學習VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescrip-tionLanguage，超高速集成電路硬件描述語言)的仿真綜合實驗系統［4］。然而，作為一種全新的技術，國內外對其的研究主要集中在軍事、航天、汽車等領域，在工程管理實驗方面的研究較少。2002年美國亞利桑那州立大學的MuniramBudhu建立了土體試樣虛擬實驗，可以使學生與虛擬實驗交互操作，實現土體采樣、荷載的施加，并虛擬實驗中的各種操作，可在必要時給予學生以適當的提示［5］。而西安建筑科技大學土木工程虛擬仿真教學中心統籌協調理論教學和實驗教學、虛擬教學與實體教學、虛擬技術與現實技術，構建多層次、立體化、開放式、虛實結合的虛擬仿真實驗教學體系，促進學生知識、能力、素質的全面發展，實現虛擬仿真實驗教學的新發展，為實驗教學的發展做出新的貢獻［6］。汪德江和葉志明針對目前高校土木工程專業結構工程實驗匱乏的問題，提出了以結構工程虛擬實驗室代替真實實驗的方法，討論了虛擬現實技術建立結構工程虛擬實驗室的可行性，并對在PC機上實現虛擬實驗室的關鍵技術進行了研究，提出了結構工程虛擬實驗室的基本開發框架［7］。目前，單機版工程管理虛擬實驗室主要應用于工程教學和建筑施工中。
1．1工程教學領域
工程技術教學領域，Mukherjee使用MultiA-gents(多重智能)技術構建建筑管理教育框架，學習者可以通過該框架概括性的掌握建筑管理中各類因素的特點和相互關系(比如:建筑裝飾材料、設計工藝、勞動力、工程預算、項目規劃等)，從而直觀的統籌整個項目管控流程［8］。部分學者利用3DMax對建筑施工進行動畫演示，或是把教學課件當作三維游戲來開發，如Hans-Joachim根據不同的業主需求，模擬房屋建筑的施工，從中發現問題，并不斷的修改和優化施工方案，模擬施工方案要求每個細節都與現實施工過程一致(如工人砌墻時需要什么工具，需要什么標號的水泥砂漿等)［9］。許多專家和學者偏向于虛擬實驗室的應用研究，如岳建偉和張大偉以河南大學的教學改革項目為例，通過四維CAD模型(三維模型和時間)與虛擬現實技術，使學生主動變換施工進程和方法，對比不同實驗結果，從而增加學生施工方法、施工順序、場地設計和優化、工程安全等方面的經驗［10］;劉峰利用虛擬現實技術，采用Photoshop處理貼圖、3Dmax建模，在Virtools中進行互動編輯的方式，對如何解決建筑技術中傳統教學的難題進行了探索性的研究，開發了“柱模安裝互動課件”［11］。許曉莉結合虛擬現實技術、教育技術等方面的理論和方法，設計房屋建筑虛擬教學系統，在四川師范大學工學院建筑裝飾工程技術專業一年級學生中得到了具體實施［12］。
1．2建筑施工領域
上海正大商業廣場的建設是虛擬仿真技術在我國建筑領域的首次嘗試，仿真系統在施工過程中通過對各種實際構件的相對位置及相互關系進行分析，采用多種施工方法，虛擬相應的情況，并計算出應力以供參考，從而對吊裝方法和順序進行優化。通過上海正大廣場的實際論證表明，將虛擬現實技術應用于建筑工程實際具有重要的價值，能夠取得良好的實際效果。而楊明玉則將虛擬現實技術應用建筑結構設計，提出了建筑結構虛擬設計的方案和流程，基于實際工程項目，開發了應用虛擬現實技術的鋼結構施工虛擬現實仿真系統，該系統不僅解決了一些傳統施工組織設計中的瓶頸問題，還清楚的表達鋼構件與機械空間關系等［13］。國外在工程管理領域開發應用虛擬系統比較多的是在漫游系統(Walkthrough)方面。如Retik和Shapira將虛擬現實技術應用于規劃施工現場，根據施工現場的實際情況，提出了具體的虛擬實驗室的構建方法［14］;Dawood等人將4D/VR技術應用于施工過程的仿真方面，以構建仿真的綜合信息資源，綜合信息資源涵蓋了整個建筑的方方面面，在虛擬實驗室構建的理論方面有了較先進的認識［15］。Mo-hammed則使用AutoCAD，3DMax和VRML虛擬了鋼結構的立體模型，模型可以顯示鋼結構的全部構造順序，可以旋轉觀看，或把接頭處放大后觀看模型的構造［16］。其他類應用主要依賴于施工過程簡化框架而實現，如Teicholz發明的節點模型(LinkNodeModel)被認為是施工仿真的雛形，隨后，Halpin將其發展成循環操作網絡(CycleNetwork，簡稱CYCLONE)，CYCLONE遂成為仿真系統的基礎［17，18］。單機版工程管理虛擬仿真主要應用于工程教學和建筑施工兩個方面。教學方面，虛擬技術可以使學生與虛擬模型交互操作，實現土體采樣、荷載的施加，虛擬實驗中的各種操作，可在必要時給予學生以適當的提示;而建筑施工方面，通過分項施工過程的仿真模型，可有效解決傳統施工中遇到的瓶頸問題。
2網絡版工程管理虛擬實驗室建設現狀
網絡版虛擬實驗室可以允許學生或研究人員通過Internet對實驗室儀器、設備進行遠程控制，用戶可以遠程設置和修改實驗數據，觀察實驗結果并下載實驗數據等。一方面，將單機虛擬實驗室和網絡相結合，可實現繼續教育網絡教學，突破時空限制，節約現實教學資源，以彌補實踐教學條件的不足［19］;另一方面，網絡虛擬技術誕生于應用，使得城市建筑布局、區域建筑及室內建筑的瀏覽從抽象變得生動，使得數字化多媒體城市地圖、旅游景觀的虛擬瀏覽、網上購房、樣板間看房等等成為現實［20］。和單機版工程虛擬技術一樣，學者們對于網絡版工程虛擬實驗室的研究也主要集中在實踐教學和建筑施工領域兩個方面。
2．1工程實踐教學領域
隨著網絡教學的不斷深入，網絡教學對提升院校教育的現代化、信息化水平具有重要的作用［21］。李玲和王非指出，基于網絡和虛擬現實技術的虛擬實驗室是對傳統實驗室教學模式的創新，它將促進教學觀念和教學形式的變革，其能夠營造一種生動活潑、輕松愉快的教學氛圍，為學生提供豐富的感性認識，加深對教學內容的理解，提高學生學習的主動性、互動性和創造性，從而有效彌補傳統實驗室及實驗器材難以靈活使用的缺點［22］。姚奕等人［23］從網絡虛擬實驗室教材、操作流程，網絡虛擬實驗室理論教學模塊，網絡虛擬實驗室的日常維護，網絡虛擬實驗室故障分析，網絡虛擬實驗室案例分析，網絡虛擬實驗室專業試題庫教學模塊6個方面探討工程專業網絡虛擬實驗室的建設問題。而張麗萍則主要利用目前比較成熟的WEB技術、多媒體技術、虛擬仿真技術構建一個基于網絡的土工虛擬仿真實驗室，實現了實驗相關知識的輔助學習，實驗過程的模擬仿真操作，實驗記錄表的提交，試驗后的教師批改評語，學生成績查看等網絡化的虛擬試驗教學和管理功能［19］。梁博等利用網絡計劃軟件、施工方案圖庫軟件、三維現場平面軟件等施工系列軟件系統和輔助評標軟件系統共同開發了土木工程學科虛擬實驗室系統，該系統已得到了國內幾十家高校的應用，為國內土木類學科的實驗教學提供了新思路［24］。而卞步喜在CAI設計原則的指導下，使用3DMAX軟件、虛擬現實建模語言和網絡多媒體制作工具對工程力學網絡多媒體教學進行了設計制作，并VR了工程力學軸向拉伸實驗，擴展了針對工程力學網絡教學的VRML節點類型［25］。國外虛擬實驗教學已經有許多成功的案例，如美國的MIT微電子網絡實驗室(麻省理工大學)，卡內基梅隆虛擬實驗室(Carnegie-Mellon大學)，虛擬工程與科學實驗室(JohnsHopkins大學)，虛擬自動化實驗室(漢諾威大學)，電子儀器虛擬工作平臺(西班牙大學)，自動控制實驗室(新加坡Si-ena大學)等等。部分學者也開始關注工程管理領域的網絡虛擬實驗技術的應用問題，如瑞士Bern大學的www．virtual-organization．net網站，它組織專家進行討論，系統研究工程虛擬組織理論，如組織的特征、文化理念、組織環境、合作模式及虛擬組織的信息技術工具等［26］。
2．2建筑施工應用領域
葉雯通過對B/S和C/S兩種網絡結構的特點進行分析，最終選定B/S模式進行建筑工程實訓平臺的開發設計，以建筑力學實訓單元中的金屬拉伸破壞為例，對虛擬實訓平臺系統的功能、模塊、系統流程等進行了分析［27］。通過這種計算機網絡系統，施工人員將不受時空的限制，能隨時查看施工狀態。邱瑛提出P2P與虛擬建筑漫游相結合的思想，并構架了一個基于P2P的虛擬建筑漫游網絡模型及其原型系統。張金鏑利用X3D虛擬現實技術的幾何節點、復雜節點技術、建筑技術等計算機科學的前沿技術開發和設計基于X3D虛擬現實技術的虛擬校園信息系統，其開發的系統能使用戶通過網絡瀏覽器體驗虛擬校園［28］。國外專門研究網絡虛擬技術應用于建筑施工領域的研究較少，其主要集中在輔助能力設計上，如JohnsHopkins大學建立了基于WWW面向教育的虛擬工程/科學實驗室，可完成邏輯電路、節點機器手控制、熱傳遞過程、聲波傳播過程以及橋梁設計等多種實驗［29］;美國加州海軍研究院(NPS)建立的大型虛擬環境(Large-ScaledVirtualEnvironment，LSVE)具有包括建筑穿行、帶活動關節的人、互操作性、聯網能力、地形數據庫集成等功能，其建筑、地貌虛擬能力很強，能有效的提高美軍作戰水平。國內關于工程網絡虛擬教學的研究主要集中在繼續教育的網絡教學上，重點幫助學生進行工程實踐相關知識的輔助學習和實驗過程的模擬仿真操作;而建筑施工方面，關于工程網絡虛擬技術的研究主要集中在網絡模型和網絡數據的傳輸等方面。
3總結與展望
總結各類文獻中關于工程虛擬實驗室的研究成果可知，虛擬實驗室的建設無論對于工程實踐教學或建筑施工領域都具有重要的意義。然而，受開發者觀念、虛擬技術等的限制，現代工程虛擬實驗室也存在很多問題。
3．1工程虛擬實驗室建設不足分析
工程虛擬技術雖然在信息、互聯網、三維立體等技術的推動下，不斷進行革新，但其在實際應用中還存在很多不足，主要體現在以下幾個方面。
(1)互動性不強。不論是平面虛擬還是空間虛擬，虛擬實驗室都需要緊密結合用戶需求。而現有的工程虛擬軟件，大多數只能滿足用戶特定的功能，很少有能根據用戶需求調整軟件功能的虛擬實驗設計軟件。
(2)可擴展性弱。目前用于工程虛擬的電腦輔助軟件眾多，不同的使用者可以根據功能或是需求選擇合適的虛擬軟件，進而構建虛擬實驗室。然而，當多個項目虛擬設計人員合作時，合作人員必須使用相同的軟件，或相同的設計規格和思路，這會造成設計人員習慣上的困擾。此外，不同的工作平臺，需要不同的軟硬件支持，文檔的轉換問題也需要考慮。所以，利用現有的標準規格，制定一個通用的虛擬實驗設計方式，以達成虛擬實驗設計的模塊化、標準化是非常有必要的。
(3)網絡化層次低。工程虛擬教學方面，大多數虛擬實驗室只局限于一個學院、一個小型的局域網或一個學校的校園網，很少有能實現多個高校協作的虛擬實驗室，這造成了工程管理資源的浪費;而在建筑領域，網絡虛擬也存在下載瀏覽器插件和打開虛擬建筑場景等待時間長，虛擬場景模型逼真度較低、真實感交差，以及三維虛擬漫游場景用戶交互操作不直觀等問題。加上絕大多數虛擬實驗工具都需要經過安裝、注冊的過程才能使用，設計者需要考慮軟件價格、操作平臺、硬件運算能力，以及相容性等因素。
(4)平臺搭建不夠完善。適用于工程領域的虛擬技術有很多，如3DMax，AutoCAD，ArchitectStudio3D等等，每種技術都有各自的優缺點。全球范圍內已經出現利用這些技術構建的工程領域虛擬實驗室。不同的機型、操作系統、匯編語言，開發分布式系統軟件十分困難，不同的虛擬實驗室很難移植到不同的網絡平臺，虛擬實驗室平臺的功能重復開發工作十分頻繁，容易增加虛擬實驗室構建成本，造成資源浪費。
(5)工程管理教育領域應用不足。目前虛擬教學多數應用在物理、計算機、化學、航空航天以及軍事領域，工程管理領域應用的較少;教育領域，虛擬實驗除了在物理、計算機和化學專業外，其他專業如工程管理專業的教學應用較少。部分學校雖然建立了工程管理專業虛擬實驗室，但主要通過鍵盤和鼠標完成仿真實驗，所接觸的工程要素主要是一些平面符號，這些符號和實際的建筑材料、施工過程等還有很大的差距，虛擬實踐效果不強。
3．2工程虛擬實驗室未來研究方向
通過對國內外研究現狀進行詳細的分析可知，未來工程管理虛擬實驗室的研究將主要集中在以下幾個方面:
(1)工程虛擬仿真技術已經非常成熟，未來的研究重點主要集中在如何實現工程虛擬數據的網絡共享、數據極速傳輸等方面。
(2)目前出現的工程管理虛擬平臺相互之間不存在很強的兼容性，如何利用網絡技術、虛擬仿真技術，構建互動性、可擴展性強的工程網絡虛擬仿真平臺是未來研究的另一個重點。
(3)隨著3D、交互式Flash等技術的發展，未來學者將更多的關注于如何利用這些技術在其它領域應用的成功經驗，構建可視化、立體化、動態化的工程網絡虛擬平臺的構建，這不僅能提高工程管理專業的實踐教學效果，也能幫助施工單位更迅速發現建筑施工過程中存在的問題，從而制定相關的解決措施。
作者：趙吉坤 鄭哲 朱小春 單位：南京農業大學工學院 江蘇省智能化農業裝備重點實驗室 中國水利電力對外公司
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