工程管理虚拟实验室现状综述

摘要:

虚拟技术能够有效解决工程技术领域及相关行业由于资源紧张所带来的一系列问题，从单机虚拟仿真和网络虚拟建模两个方面综述国内外虚拟实验室在工程管理领域的应用。研究结果发现，工程管理虚拟实验室主要应用于工程管理专业教学和建筑施工两个领域，其对于革新工程管理教学理念，创新工程管理实践教学与人才培养方式，提升建筑行业管理水平具有重要的意义。然而，在工程管理虚拟实验室建设过程中也存在互动性不强、可扩展性弱、网络化层次低、平台搭建不够完善、工程管理教育领域应用不足等问题。

关键词:

工程管理;虚拟实验室;工程教学;建筑施工

虚拟实验室的概念最早由美国弗吉尼亚大学(UniversityofVirginia)威廉•沃尔夫(WilliamWolf)教授于1989年提出，其以计算机网络为核心，利用网络将虚拟器连接起来，实现数据的采集、分析和远程操作［1］。和传统实验室相比，虚拟实验室具有透明性、资源共享性、互动操作性、用户自主性、扩展性以及安全性等特点，能够在科研、教育领域得到良好的应用。随着计算机技术、多媒体技术、通讯技术和数字化信息技术在工程管理领域的不断推广和应用，建立基于虚拟仪器技术、虚拟现实技术的工程管理虚拟平台，能够有效解决工程技术及相关行业由于资源紧张所带来的一系列问题。按照构建虚拟实训平台实现方式的不同，工程管理虚拟实验室可以分为单机版和网络版两类［2，3］。

1单机版工程管理虚拟实验室建设现状

采用仿真技术构建的单机版虚拟实验室非常多，例如Erlangen-Nuremberg大学的虚拟教室就是基于HTTP协议与HTML语言构建的学习VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescrip-tionLanguage，超高速集成电路硬件描述语言)的仿真综合实验系统［4］。然而，作为一种全新的技术，国内外对其的研究主要集中在军事、航天、汽车等领域，在工程管理实验方面的研究较少。2002年美国亚利桑那州立大学的MuniramBudhu建立了土体试样虚拟实验，可以使学生与虚拟实验交互操作，实现土体采样、荷载的施加，并虚拟实验中的各种操作，可在必要时给予学生以适当的提示［5］。而西安建筑科技大学土木工程虚拟仿真教学中心统筹协调理论教学和实验教学、虚拟教学与实体教学、虚拟技术与现实技术，构建多层次、立体化、开放式、虚实结合的虚拟仿真实验教学体系，促进学生知识、能力、素质的全面发展，实现虚拟仿真实验教学的新发展，为实验教学的发展做出新的贡献［6］。汪德江和叶志明针对目前高校土木工程专业结构工程实验匮乏的问题，提出了以结构工程虚拟实验室代替真实实验的方法，讨论了虚拟现实技术建立结构工程虚拟实验室的可行性，并对在PC机上实现虚拟实验室的关键技术进行了研究，提出了结构工程虚拟实验室的基本开发框架［7］。目前，单机版工程管理虚拟实验室主要应用于工程教学和建筑施工中。

1．1工程教学领域

工程技术教学领域，Mukherjee使用MultiA-gents(多重智能)技术构建建筑管理教育框架，学习者可以通过该框架概括性的掌握建筑管理中各类因素的特点和相互关系(比如:建筑装饰材料、设计工艺、劳动力、工程预算、项目规划等)，从而直观的统筹整个项目管控流程［8］。部分学者利用3DMax对建筑施工进行动画演示，或是把教学课件当作三维游戏来开发，如Hans-Joachim根据不同的业主需求，模拟房屋建筑的施工，从中发现问题，并不断的修改和优化施工方案，模拟施工方案要求每个细节都与现实施工过程一致(如工人砌墙时需要什么工具，需要什么标号的水泥砂浆等)［9］。许多专家和学者偏向于虚拟实验室的应用研究，如岳建伟和张大伟以河南大学的教学改革项目为例，通过四维CAD模型(三维模型和时间)与虚拟现实技术，使学生主动变换施工进程和方法，对比不同实验结果，从而增加学生施工方法、施工顺序、场地设计和优化、工程安全等方面的经验［10］;刘峰利用虚拟现实技术，采用Photoshop处理贴图、3Dmax建模，在Virtools中进行互动编辑的方式，对如何解决建筑技术中传统教学的难题进行了探索性的研究，开发了“柱模安装互动课件”［11］。许晓莉结合虚拟现实技术、教育技术等方面的理论和方法，设计房屋建筑虚拟教学系统，在四川师范大学工学院建筑装饰工程技术专业一年级学生中得到了具体实施［12］。

1．2建筑施工领域

上海正大商业广场的建设是虚拟仿真技术在我国建筑领域的首次尝试，仿真系统在施工过程中通过对各种实际构件的相对位置及相互关系进行分析，采用多种施工方法，虚拟相应的情况，并计算出应力以供参考，从而对吊装方法和顺序进行优化。通过上海正大广场的实际论证表明，将虚拟现实技术应用于建筑工程实际具有重要的价值，能够取得良好的实际效果。而杨明玉则将虚拟现实技术应用建筑结构设计，提出了建筑结构虚拟设计的方案和流程，基于实际工程项目，开发了应用虚拟现实技术的钢结构施工虚拟现实仿真系统，该系统不仅解决了一些传统施工组织设计中的瓶颈问题，还清楚的表达钢构件与机械空间关系等［13］。国外在工程管理领域开发应用虚拟系统比较多的是在漫游系统(Walkthrough)方面。如Retik和Shapira将虚拟现实技术应用于规划施工现场，根据施工现场的实际情况，提出了具体的虚拟实验室的构建方法［14］;Dawood等人将4D/VR技术应用于施工过程的仿真方面，以构建仿真的综合信息资源，综合信息资源涵盖了整个建筑的方方面面，在虚拟实验室构建的理论方面有了较先进的认识［15］。Mo-hammed则使用AutoCAD，3DMax和VRML虚拟了钢结构的立体模型，模型可以显示钢结构的全部构造顺序，可以旋转观看，或把接头处放大后观看模型的构造［16］。其他类应用主要依赖于施工过程简化框架而实现，如Teicholz发明的节点模型(LinkNodeModel)被认为是施工仿真的雏形，随后，Halpin将其发展成循环操作网络(CycleNetwork，简称CYCLONE)，CYCLONE遂成为仿真系统的基础［17，18］。单机版工程管理虚拟仿真主要应用于工程教学和建筑施工两个方面。教学方面，虚拟技术可以使学生与虚拟模型交互操作，实现土体采样、荷载的施加，虚拟实验中的各种操作，可在必要时给予学生以适当的提示;而建筑施工方面，通过分项施工过程的仿真模型，可有效解决传统施工中遇到的瓶颈问题。

2网络版工程管理虚拟实验室建设现状

网络版虚拟实验室可以允许学生或研究人员通过Internet对实验室仪器、设备进行远程控制，用户可以远程设置和修改实验数据，观察实验结果并下载实验数据等。一方面，将单机虚拟实验室和网络相结合，可实现继续教育网络教学，突破时空限制，节约现实教学资源，以弥补实践教学条件的不足［19］;另一方面，网络虚拟技术诞生于应用，使得城市建筑布局、区域建筑及室内建筑的浏览从抽象变得生动，使得数字化多媒体城市地图、旅游景观的虚拟浏览、网上购房、样板间看房等等成为现实［20］。和单机版工程虚拟技术一样，学者们对于网络版工程虚拟实验室的研究也主要集中在实践教学和建筑施工领域两个方面。

2．1工程实践教学领域

随着网络教学的不断深入，网络教学对提升院校教育的现代化、信息化水平具有重要的作用［21］。李玲和王非指出，基于网络和虚拟现实技术的虚拟实验室是对传统实验室教学模式的创新，它将促进教学观念和教学形式的变革，其能够营造一种生动活泼、轻松愉快的教学氛围，为学生提供丰富的感性认识，加深对教学内容的理解，提高学生学习的主动性、互动性和创造性，从而有效弥补传统实验室及实验器材难以灵活使用的缺点［22］。姚奕等人［23］从网络虚拟实验室教材、操作流程，网络虚拟实验室理论教学模块，网络虚拟实验室的日常维护，网络虚拟实验室故障分析，网络虚拟实验室案例分析，网络虚拟实验室专业试题库教学模块6个方面探讨工程专业网络虚拟实验室的建设问题。而张丽萍则主要利用目前比较成熟的WEB技术、多媒体技术、虚拟仿真技术构建一个基于网络的土工虚拟仿真实验室，实现了实验相关知识的辅助学习，实验过程的模拟仿真操作，实验记录表的提交，试验后的教师批改评语，学生成绩查看等网络化的虚拟试验教学和管理功能［19］。梁博等利用网络计划软件、施工方案图库软件、三维现场平面软件等施工系列软件系统和辅助评标软件系统共同开发了土木工程学科虚拟实验室系统，该系统已得到了国内几十家高校的应用，为国内土木类学科的实验教学提供了新思路［24］。而卞步喜在CAI设计原则的指导下，使用3DMAX软件、虚拟现实建模语言和网络多媒体制作工具对工程力学网络多媒体教学进行了设计制作，并VR了工程力学轴向拉伸实验，扩展了针对工程力学网络教学的VRML节点类型［25］。国外虚拟实验教学已经有许多成功的案例，如美国的MIT微电子网络实验室(麻省理工大学)，卡内基梅隆虚拟实验室(Carnegie-Mellon大学)，虚拟工程与科学实验室(JohnsHopkins大学)，虚拟自动化实验室(汉诺威大学)，电子仪器虚拟工作平台(西班牙大学)，自动控制实验室(新加坡Si-ena大学)等等。部分学者也开始关注工程管理领域的网络虚拟实验技术的应用问题，如瑞士Bern大学的www．virtual-organization．net网站，它组织专家进行讨论，系统研究工程虚拟组织理论，如组织的特征、文化理念、组织环境、合作模式及虚拟组织的信息技术工具等［26］。

2．2建筑施工应用领域

叶雯通过对B/S和C/S两种网络结构的特点进行分析，最终选定B/S模式进行建筑工程实训平台的开发设计，以建筑力学实训单元中的金属拉伸破坏为例，对虚拟实训平台系统的功能、模块、系统流程等进行了分析［27］。通过这种计算机网络系统，施工人员将不受时空的限制，能随时查看施工状态。邱瑛提出P2P与虚拟建筑漫游相结合的思想，并构架了一个基于P2P的虚拟建筑漫游网络模型及其原型系统。张金镝利用X3D虚拟现实技术的几何节点、复杂节点技术、建筑技术等计算机科学的前沿技术开发和设计基于X3D虚拟现实技术的虚拟校园信息系统，其开发的系统能使用户通过网络浏览器体验虚拟校园［28］。国外专门研究网络虚拟技术应用于建筑施工领域的研究较少，其主要集中在辅助能力设计上，如JohnsHopkins大学建立了基于WWW面向教育的虚拟工程/科学实验室，可完成逻辑电路、节点机器手控制、热传递过程、声波传播过程以及桥梁设计等多种实验［29］;美国加州海军研究院(NPS)建立的大型虚拟环境(Large-ScaledVirtualEnvironment，LSVE)具有包括建筑穿行、带活动关节的人、互操作性、联网能力、地形数据库集成等功能，其建筑、地貌虚拟能力很强，能有效的提高美军作战水平。国内关于工程网络虚拟教学的研究主要集中在继续教育的网络教学上，重点帮助学生进行工程实践相关知识的辅助学习和实验过程的模拟仿真操作;而建筑施工方面，关于工程网络虚拟技术的研究主要集中在网络模型和网络数据的传输等方面。

3总结与展望

总结各类文献中关于工程虚拟实验室的研究成果可知，虚拟实验室的建设无论对于工程实践教学或建筑施工领域都具有重要的意义。然而，受开发者观念、虚拟技术等的限制，现代工程虚拟实验室也存在很多问题。

3．1工程虚拟实验室建设不足分析

工程虚拟技术虽然在信息、互联网、三维立体等技术的推动下，不断进行革新，但其在实际应用中还存在很多不足，主要体现在以下几个方面。

(1)互动性不强。不论是平面虚拟还是空间虚拟，虚拟实验室都需要紧密结合用户需求。而现有的工程虚拟软件，大多数只能满足用户特定的功能，很少有能根据用户需求调整软件功能的虚拟实验设计软件。

(2)可扩展性弱。目前用于工程虚拟的电脑辅助软件众多，不同的使用者可以根据功能或是需求选择合适的虚拟软件，进而构建虚拟实验室。然而，当多个项目虚拟设计人员合作时，合作人员必须使用相同的软件，或相同的设计规格和思路，这会造成设计人员习惯上的困扰。此外，不同的工作平台，需要不同的软硬件支持，文档的转换问题也需要考虑。所以，利用现有的标准规格，制定一个通用的虚拟实验设计方式，以达成虚拟实验设计的模块化、标准化是非常有必要的。

(3)网络化层次低。工程虚拟教学方面，大多数虚拟实验室只局限于一个学院、一个小型的局域网或一个学校的校园网，很少有能实现多个高校协作的虚拟实验室，这造成了工程管理资源的浪费;而在建筑领域，网络虚拟也存在下载浏览器插件和打开虚拟建筑场景等待时间长，虚拟场景模型逼真度较低、真实感交差，以及三维虚拟漫游场景用户交互操作不直观等问题。加上绝大多数虚拟实验工具都需要经过安装、注册的过程才能使用，设计者需要考虑软件价格、操作平台、硬件运算能力，以及相容性等因素。

(4)平台搭建不够完善。适用于工程领域的虚拟技术有很多，如3DMax，AutoCAD，ArchitectStudio3D等等，每种技术都有各自的优缺点。全球范围内已经出现利用这些技术构建的工程领域虚拟实验室。不同的机型、操作系统、汇编语言，开发分布式系统软件十分困难，不同的虚拟实验室很难移植到不同的网络平台，虚拟实验室平台的功能重复开发工作十分频繁，容易增加虚拟实验室构建成本，造成资源浪费。

(5)工程管理教育领域应用不足。目前虚拟教学多数应用在物理、计算机、化学、航空航天以及军事领域，工程管理领域应用的较少;教育领域，虚拟实验除了在物理、计算机和化学专业外，其他专业如工程管理专业的教学应用较少。部分学校虽然建立了工程管理专业虚拟实验室，但主要通过键盘和鼠标完成仿真实验，所接触的工程要素主要是一些平面符号，这些符号和实际的建筑材料、施工过程等还有很大的差距，虚拟实践效果不强。

3．2工程虚拟实验室未来研究方向

通过对国内外研究现状进行详细的分析可知，未来工程管理虚拟实验室的研究将主要集中在以下几个方面:

(1)工程虚拟仿真技术已经非常成熟，未来的研究重点主要集中在如何实现工程虚拟数据的网络共享、数据极速传输等方面。

(2)目前出现的工程管理虚拟平台相互之间不存在很强的兼容性，如何利用网络技术、虚拟仿真技术，构建互动性、可扩展性强的工程网络虚拟仿真平台是未来研究的另一个重点。

(3)随着3D、交互式Flash等技术的发展，未来学者将更多的关注于如何利用这些技术在其它领域应用的成功经验，构建可视化、立体化、动态化的工程网络虚拟平台的构建，这不仅能提高工程管理专业的实践教学效果，也能帮助施工单位更迅速发现建筑施工过程中存在的问题，从而制定相关的解决措施。

作者：赵吉坤 郑哲 朱小春 单位：南京农业大学工学院 江苏省智能化农业装备重点实验室 中国水利电力对外公司

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