基于移动终端、混合模拟和增强现实的桥梁垮塌事故调查关键技术研究

In recent years, bridge collapses have repeatedly occurred in China. Scientific and efficient accident investigations of bridge collapse are very significant. However, there are three key problems in the accident investigations of bridge collapse: disordered picture acquisition, incomplete collapse simulation and difficult comparison of simulation results. This project introduce the emerging smart mobile terminal to propose the algorithms on efficient acquisition of site pictures and real-time reconstruction of panoramas, which provide new solutions for the efficient acquisition and orderly management of site pictures and the creation of large panoramas. Besides, a heterogeneous hybrid simulation method based on finite element method (FEM) and physics engine is proposed, to provide new method for the complete simulation of structure collapse process. Based on augmented reality (AR) technology, the panoramas of site and the complete simulation result are well combined, and the method for the reconstruction of the scene and process of bridge collapse is proposed, which creates a new platform for the comparison and analysis of accident investigation. According to the above studies, the corresponding system will be developed and then be used in some real accident investigations of bridge collapses. Following the technical line of acquisition, simulation and comparison, this project will provide systematic methods, technologies and software for the accident investigation of bridge collapse, leading to an obvious improvement of the efficiency and informatization level of accident investigation of bridge collapse.

近些年来，我国桥梁垮塌事故频发，科学、高效的桥梁垮塌事故调查具有重大意义。然而，目前的桥梁垮塌事故调查存在图片采集混乱、垮塌过程模拟不完整和模拟结果对照困难三个关键问题。本项目引入新兴的智能移动终端技术，提出基于智能移动终端的现场图片高效采集与全景图片实时重构算法，为桥梁垮塌现场图片快速采集和有序管理，以及大图幅的现场全景图片的快速合成探索新的方法；提出结合有限元与物理引擎的桥梁垮塌全过程异构混合计算方法，为结构垮塌问题全过程的完整模拟提供新思路；利用增强现实技术，将完整的模拟结果与真实的全景图片相结合，提出增强现实环境中的桥梁垮塌场景建模与过程再现方法，为桥梁垮塌事故调查创建新的对照和分析平台。最后，将上述研究应用于真实桥梁垮塌案例。本项目依照采集、模拟、对照的思路，为桥梁垮塌事故调查提供系统的方法、技术和软件支持，可显著提高桥梁垮塌事故调查的工作效率和信息化水平。

近些年来，我国桥梁垮塌事故频发，科学、高效的桥梁垮塌事故调查具有重大意义。然而，目前的桥梁垮塌事故调查存在图片采集混乱、垮塌过程模拟不完整和模拟结果对照困难三个关键问题。.针对图片采集混乱问题，项目提出了基于智能终端的灾害现场图片采集算法，并研发了相关软件，可以用于桥梁倒塌、建筑震害等灾害现场调查，实现集成化、网络化、智能化的灾害现场数据的采集，解决传统灾害调查中图片采集混合的问题。该部分成果取得了软件著作权《灾害调查信息采集系统V1.0》，并且转让给北京某科技公司，在本软件架构上进行二次开发，形成了可实际应用的软件产品，并销售给相关行业部门进行应用。该成果也在日本大阪举行的第十六届国际土木工程计算机应用大会（ICCCBE2016）上进行了推广，该会议是土木工程信息领域极具影响力的国际学术会议。.针对桥梁垮塌过程模拟不完整问题，本项目提出的基于有限元和物理引擎的桥梁垮塌全过程的异构混合计算方法，实现完整的桥梁垮塌全过程模拟，并提高模拟效率。该成果在科学意义上对于解决有限元在倒塌模拟上的不足具有良好的借鉴意义，因此，也被应用到建筑群在地震中倒塌过程的模拟中，相关成果发表在防灾领域国际高水平SCI期刊Natural Hazards上。在实际应用中，可以完整地模拟桥梁过程中残骸的运动过程，进而可以用于与真实事故场景的残骸对照，发现最接近实际的模拟情况，辅助发现桥梁垮塌的主要原因。因此，本成果在桥梁垮塌事故调查中具有极其重要的应用价值。.针对模拟结果对照困难问题，本项目提出了基于GPU和虚拟现实的桥梁倒塌过程真实感再现技术。该技术利用桥梁倒塌有限元模拟结果，在虚拟现实平台中建立真实感的桥梁模型，并且利用GPU并行计算技术提高桥梁倒塌过程的渲染效率，使渲染效率提升67倍，实现桥梁倒塌过程的实时渲染。相关成果发表在土木工程领域Q1类SCI高影响力刊物Automation in Construction上。.综上所述，本项目研究成果为桥梁垮塌事故调查提供了实用的软件工具、先进的模拟方法和真实感再现技术，圆满完成研究目标。