魏霖靜 陳蕾 劉軍生 曹曉輝

摘要： 多維可視化技術(shù)在非空間數(shù)據(jù)領(lǐng)域中的應(yīng)用能夠有效地提高數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)效果，使用戶對(duì)數(shù)據(jù)的觀察與瀏覽更加直觀化、交互化，以便將數(shù)據(jù)中隱藏的特征、關(guān)系和模式更好地體現(xiàn)出來。本文通過對(duì)信息可視化過程、多維可視化技術(shù)及摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)的研究，闡述了多維可視化技術(shù)在滑移隔震中的應(yīng)用及滑移隔震可視化模型的建立。研究表明：摩擦滑移隔震的多維可視化模型的建立為滑移隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種新型的設(shè)計(jì)方法，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

Abstract： The application of multidimensional visualization technology in the field of spatial data can effectively improve the effect of data presented and make users observations and browse more intuitive， interactive， and meanwhile， show hidden features of data， relationships， and patterns. Through research on information visualization， multidimensional visualization technology and structures with base friction sliding isolation， this paper expounds the application of multidimensional visualization technology in earthquake isolation and the establishment of a visual model. Research has shown that the visual model offer a new kind of design method for structures with base friction sliding isolation and have some practical value in engineering.

關(guān)鍵詞： 多維可視化技術(shù)；滑移隔震；結(jié)構(gòu)

Key words： multidimensional visualization technology；earthquake isolation；structures

中圖分類號(hào)：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）01-0144-04

0 引言

隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中的飛速發(fā)展，科學(xué)、工程、商業(yè)等領(lǐng)域中多維甚至高維信息日益增多。面對(duì)海量的多維信息和數(shù)據(jù)，人類認(rèn)知能力的固有局限性已無法科學(xué)、全面對(duì)所有信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地分析與處理，因此需要借助于抽象信息展現(xiàn)工具來完成對(duì)海量數(shù)據(jù)的理解與分析。多維可視化技術(shù)正是這樣一種有效的信息分析工具，它并非簡單的圖像映射，而是將多維信息及其各屬性之間的關(guān)系信息進(jìn)行完整地體現(xiàn)。本文針對(duì)多維可視化技術(shù)對(duì)多維信息數(shù)據(jù)的認(rèn)知與分析能力進(jìn)行了深入的研究，并詳細(xì)地闡述了多維可視化技術(shù)在摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及多維可視化模型的建立。研究表明：多維可視化技術(shù)在多維信息認(rèn)知方面具有不可比擬的優(yōu)越性，摩擦滑移隔震的多維可視化模型的建立能夠更好地輔助工程設(shè)計(jì)人員對(duì)摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，具有實(shí)用價(jià)值。

1 多維信息可視化技術(shù)

“信息可視化”一詞最早出現(xiàn)在ROBERTSON等1989年發(fā)表的文章《用于交互性用戶界面的認(rèn)知協(xié)處理器》中[1]。它是人和信息間的一種可視化界面，是研究人、計(jì)算機(jī)表示的信息及它們之間相互影響的技術(shù)?？茖W(xué)可視化、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)挖掘、圖像技術(shù)和圖形學(xué)等諸多學(xué)科的理論和方法被結(jié)合在一起，將那些抽象信息以直觀的視覺方式表現(xiàn)出來，使人們能充分利用視覺和感知能力去觀察、處理信息，從而發(fā)現(xiàn)信息間的關(guān)系和隱藏的模式[2]。

1.1 信息可視化過程

信息可視化是從抽象數(shù)據(jù)到可視化形式的映射過程，為更好地體現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的這種可視化映射過程，Card等人提出了信息可視化模型[3]，如圖1所示。

Card所提出的信息可視化模型將可視化過程劃分為三個(gè)階段：第一階段是數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段，即將所采集的原始數(shù)據(jù)信息處理成可視化系統(tǒng)可處理和分析的數(shù)據(jù)集。在這一階段除了完成基本數(shù)據(jù)的處理，還要對(duì)一些特殊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如丟失數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、大規(guī)模數(shù)據(jù)等。第二階段為可視化映射階段，主要功能是將幾何形狀、圖像、聲音等數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為可視化結(jié)構(gòu)。這一階段是可視化過程的核心，通常采用數(shù)據(jù)集的有效性和表達(dá)性來衡量可視化效果。第三階段是繪制轉(zhuǎn)換階段，即將第二階段所生成的幾何圖像數(shù)據(jù)以用戶指定的形式進(jìn)行輸出，并獲取用戶的反饋信息，形成人機(jī)交互的工作模式。

1.2 多維可視化技術(shù)

多維可視化技術(shù)是目前信息可視化技術(shù)研究的重點(diǎn)，所需解決的關(guān)鍵問題是如何將抽象世界的多維信息映射到二維或三維的物理空間中。典型的多維數(shù)據(jù)可視化方法有平行坐標(biāo)、散點(diǎn)圖矩陣、星形圖標(biāo)等[4]。

1.2.1 平行坐標(biāo)（Parallel Coordinates）

1980年，Inselberg和Dimsdale提出的平行坐標(biāo)技術(shù)是多維可視化技術(shù)中的經(jīng)典技術(shù)，用于將多維信息或數(shù)據(jù)映射到一組平行的等距離坐標(biāo)軸上[5]。平行坐標(biāo)的主要思想是采用多條等距離的平行軸線將多維數(shù)據(jù)屬性空間映射到二維平面上，平行軸線中的每條軸線代表一個(gè)屬性維。平行坐標(biāo)法能夠簡潔、直觀地展示多維數(shù)據(jù)，并在不斷發(fā)展中將二維可視化方式擴(kuò)展到了三維空間以期更好地展示高維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

1.2.2 散點(diǎn)圖矩陣（Scatterplot matrices）

散點(diǎn)圖矩陣是散點(diǎn)圖的高維擴(kuò)展，是一種將高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維的常用方法[6]。散點(diǎn)圖矩陣是將多維數(shù)據(jù)中的各個(gè)維度兩兩組合繪制成一系列有規(guī)律排列的散點(diǎn)圖[1]，通過這種方法能夠清晰地展示出多維數(shù)據(jù)中兩兩變量之間的關(guān)系。散點(diǎn)圖矩陣經(jīng)常與其他方法結(jié)合來增加多維數(shù)據(jù)的可視化效果，例如，Yuan[7]提出一種將散點(diǎn)圖矩陣與平行坐標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行多維數(shù)據(jù)分析的方法，該方法采用曲線代替了折線，以更為美觀的視圖展現(xiàn)多維數(shù)據(jù)，具有良好的人機(jī)交互性能。

1.2.3 星形圖標(biāo)（Star Glyphs）

星形坐標(biāo)是由Kandogan[8]提出的用于展現(xiàn)與分析多維數(shù)據(jù)的可視化方法。星形坐標(biāo)法將坐標(biāo)軸以相同的角度排列在二維平面的圓上，以圓心作為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，并采用調(diào)整坐標(biāo)軸長度與角度的方法對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。該方法對(duì)分層數(shù)據(jù)有很好的展示效果，能夠清晰地展現(xiàn)出數(shù)據(jù)的各個(gè)分類。

2 摩擦滑移隔震技術(shù)

抵御地震災(zāi)害是傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)理念，而現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)類型也是在此基礎(chǔ)上建立的，這其中包括多種建筑結(jié)構(gòu)類型：純框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，還有通過增加結(jié)構(gòu)自身的剛度、強(qiáng)度、變形和能量消耗能力的主要使用于超高層建筑上的簡體結(jié)構(gòu)，這些建筑通常都能達(dá)到抗震設(shè)防的目的。但是，近年來我國發(fā)生地震時(shí)這些傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)體系并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑的要求也越來越高，而傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人的需求，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)這種新型結(jié)構(gòu)技術(shù)的產(chǎn)生吸引了人們的關(guān)注。其中的摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)技術(shù)，具有低成本、易施工的優(yōu)點(diǎn)，受到人們的喜愛和研究。除此之外，較為成熟的技術(shù)，應(yīng)用較為廣泛的還有以下幾種：

第一、純摩擦力滑移隔震系統(tǒng)。

純摩擦力滑移隔震系統(tǒng)由柔性石墨墊層、砂墊層、噴涂聚四氟乙烯的不銹鋼板三部分組成，力學(xué)模型如圖2。純摩擦力滑移隔震系統(tǒng)具有低成本、易制作、易施工的特點(diǎn)，在我國比較受歡迎且應(yīng)用廣泛。但也存在一些問題，不具有復(fù)位能力，結(jié)構(gòu)的最大滑移量和殘留滑移量可能較大，一般要配合其他限位和復(fù)位裝置使用。

第二、帶限位裝置的滑移隔震結(jié)構(gòu)。

帶限位裝置的滑移隔震結(jié)構(gòu)是由使用涂有低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯材料的鋼板作為上下支撐原件的滑移隔震元件和由普通鋼板冷彎而成的U型鋼板作為限位消能元件的兩部分組合。計(jì)算模型如圖3所示。此結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，是因發(fā)生地震時(shí)，P-F隔震系統(tǒng)最大滑移量及殘余滑移量較大。此結(jié)構(gòu)的剛度較大，因此，足以抗衡小地震的發(fā)生，其受力分析和P-F隔震裝置完全一樣；中大震作用時(shí)，隔震裝置發(fā)生水平位移消能減震作用，由于其具有U形片限位消能裝置所以其在此階段與P-F結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)最大滑移量和最終滑移量均有所減小，但因U型限位器阻止了上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)就使得上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)較P-F結(jié)構(gòu)有所增加。由于U型限位器由軟鋼制作而成其復(fù)位能力有限，在地震作用下仍然有殘余滑移量的存在。

第三、恢復(fù)力摩擦基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。

恢復(fù)力摩擦基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)（R-FBI），由噴涂聚四氟乙烯的不銹鋼板和橡膠核心組成，其力學(xué)模型如圖4所示。該隔震結(jié)構(gòu)的鋼板為中央及四周預(yù)留孔洞并將橡膠核心放置在其中來實(shí)現(xiàn)其共同工作，其中鋼板為主要受力部件橡膠核心不受豎向壓力。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到小震時(shí)隔震裝置鋼板間的摩擦力能夠阻止結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)；當(dāng)結(jié)構(gòu)受到中大震作用時(shí)結(jié)構(gòu)開始滑動(dòng)同時(shí)橡膠發(fā)生變形，此時(shí)鋼板間的摩擦和橡膠的變形都將消耗地震能量，橡膠核心同時(shí)能起到限位和自動(dòng)復(fù)位的功能。此系統(tǒng)具有自動(dòng)復(fù)位功能，但缺點(diǎn)是工藝較為復(fù)雜，成本高且施工難度大，所以，應(yīng)用并不多，主要用于特殊建筑中。

第四、串聯(lián)隔震系統(tǒng)。

串聯(lián)隔震系統(tǒng)是由具有疊層橡膠隔震效果的橡膠支座和具有摩擦滑移隔震效果的摩擦板串聯(lián)組成，其力學(xué)模型如圖5所示。其裝置是在摩擦滑移隔震支座的下鋼板和基礎(chǔ)之間安裝橡膠支座組成。此系統(tǒng)在小地震時(shí)，摩擦板間摩擦力較大，不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，此時(shí)橡膠支座工作，整個(gè)體系具有橡膠隔震支座的減震效果；大地震時(shí)，大的震動(dòng)力帶動(dòng)摩擦板間的滑動(dòng)，此時(shí)兩個(gè)支座同時(shí)工作，這樣可分散地震能量，限制地震向上的力度，減震效果較好。此系統(tǒng)造價(jià)高，目前只能在核電站中看到。

第五、滑移復(fù)位摩擦隔震系統(tǒng)。

滑移復(fù)位摩擦隔震系統(tǒng)主要由EDF系統(tǒng)、R-FBI系統(tǒng)兩部分組合。其力學(xué)模型如圖6所示。工作原理：EDF系統(tǒng)中的彈性支承元件由R-FBI單元所替代，即在R-FBI系統(tǒng)上再加一層摩擦板。中小地震時(shí)工作為普通的R-FBI系統(tǒng)，大地震時(shí)工作增加的摩擦板滑移開始工作，等于R-FBI系統(tǒng)擁有兩層安全防護(hù)。此系統(tǒng)成本昂貴，應(yīng)用不多。

第六、摩擦擺隔震系統(tǒng)。

摩擦擺系統(tǒng)（FPS），由滑塊和弧形滑道兩部分組合而成，是一種有效的干摩擦滑移隔震系統(tǒng)。其力學(xué)模型和構(gòu)造如圖7所示。最早提出這一系統(tǒng)的學(xué)者是美國的Dr.Victor Zayas教授，于1985年提出。摩擦材料都具有良好的高耐磨性和低摩擦系數(shù)，在滑塊和滑道間噴涂有較好的效果?；⌒位朗谴讼到y(tǒng)的特點(diǎn)，所以，當(dāng)滑塊發(fā)生位置偏移，結(jié)構(gòu)會(huì)因建筑自身重力回到初始最低點(diǎn)，達(dá)到復(fù)位。該系統(tǒng)耗能性能良好，同時(shí)也具備限位和復(fù)位能力，曾被很多人看好，但缺點(diǎn)也是工藝較為復(fù)雜，成本高且施工難度大，在民用建筑中使用很不現(xiàn)實(shí)，所以應(yīng)用也不是很多。

3 多維可視化在摩擦滑移隔震中的應(yīng)用

摩擦滑移隔震技術(shù)作為日益成熟的減震隔震技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于建筑工程中。在此應(yīng)用過程中，工程設(shè)計(jì)研究人員也開發(fā)出了多款計(jì)算程序用于工程計(jì)算仿真分析。這些計(jì)算程序多數(shù)是基于層間剪切模型計(jì)算理論編制而成的，建立的模型僅為二維的點(diǎn)式模型，該模型在很大程度上影響了設(shè)計(jì)人員對(duì)摩擦滑移隔震建筑的研究與分析。

基于摩擦滑移隔震的多維可視化分析模型是以摩擦滑移隔震技術(shù)為原型，同時(shí)引入現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中最為先進(jìn)的多維可視化分析技術(shù)，并結(jié)合有限元分析計(jì)算方法，從而建立具有模型多維顯示與多維有限元計(jì)算的可視化分析模型，其模型建立過程如圖8所示。摩擦滑移隔震的多維可視化分析模型能夠有效地解決工程技術(shù)人員對(duì)摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。通過該分析模型工程設(shè)計(jì)人員不但可以直觀的觀測到摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)的每一個(gè)部位，還可以得到摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)每一構(gòu)件的力學(xué)信息，從而輔助工程設(shè)計(jì)人員對(duì)摩擦滑移隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

多維信息及各屬性之間的關(guān)系信息，我們通過多維可視化技術(shù)可清晰地看到，并力圖在低維可視空間中展現(xiàn)多維抽象信息的多屬性數(shù)據(jù)特征。在多維信息認(rèn)知和分析方面，多維可視化技術(shù)具有自身獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，在信息化技術(shù)時(shí)代下，已成為我們分析和駕馭多維信息的主要手段和工具。

本文就立足于于多維可視化技術(shù)在多維數(shù)據(jù)信息方面優(yōu)良的特性，著重論述了其在摩擦滑移隔震中的應(yīng)用，研究表明：摩擦滑移隔震的多維可視化分析模型的建立能夠很好展現(xiàn)出滑移隔震結(jié)構(gòu)中的每個(gè)細(xì)節(jié)，更好地輔助工程設(shè)計(jì)人員完成對(duì)摩擦滑移隔震的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊彥波，劉濱，祁明月.信息可視化研究綜述[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（1）：91-102.

[2]Nahum D Gershon， Stephen G Eick. Information Visualization [J]. IEEE Computer Graphics and Applications， 1997，7 （4）： 29-31.

[3]Card S K， Mackinaly J D， Shneiderman B. Readings in Information Visualization： Using Vision to Thinking [M]. Morgan Kaufmann， 1999.

[4]劉芳.信息可視化技術(shù)及應(yīng)用研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2013.

[5]Inselberg A， Dimsdale B. Parallel coordinates： a tool for visualizing multi-dimensional geometry[C]. Proceedings of IEEE Visualization 1990. Los Alamitos： IEEE Computer Society Press 1990： 361-378.

[6] D.F. Andrews. Plots of high dimensional data [J]. Biometrics， 1972， 28（1）：125-136.

[7] Xiaoru Yuan， Peihong Guo， He Xiao， et al. Scatting point in parallel coordinates [J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 2009， 15（6）：1001-1008.

[8]Kandogan E. Star coordinates： A mufti-dimensional visualization technique with uniform treatment of dimensions [C]. Proceedings of IEEE Information Visualization Symposium 2000. Los Alamitos： IEEE Computer Society， 2000：4-8.