多维可视化技术在滑移隔震中的应用

魏霖静 陈蕾 刘军生 曹晓辉

摘要： 多维可视化技术在非空间数据领域中的应用能够有效地提高数据的呈现效果，使用户对数据的观察与浏览更加直观化、交互化，以便将数据中隐藏的特征、关系和模式更好地体现出来。本文通过对信息可视化过程、多维可视化技术及摩擦滑移隔震结构的研究，阐述了多维可视化技术在滑移隔震中的应用及滑移隔震可视化模型的建立。研究表明：摩擦滑移隔震的多维可视化模型的建立为滑移隔震结构的设计提供了一种新型的设计方法，具有一定的实用价值。

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.

关键词： 多维可视化技术；滑移隔震；结构

Key words： multidimensional visualization technology；earthquake isolation；structures

中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）01-0144-04

0 引言

随着信息技术与网络技术在社会各个领域中的飞速发展，科学、工程、商业等领域中多维甚至高维信息日益增多。面对海量的多维信息和数据，人类认知能力的固有局限性已无法科学、全面对所有信息与数据进行合理地分析与处理，因此需要借助于抽象信息展现工具来完成对海量数据的理解与分析。多维可视化技术正是这样一种有效的信息分析工具，它并非简单的图像映射，而是将多维信息及其各属性之间的关系信息进行完整地体现。本文针对多维可视化技术对多维信息数据的认知与分析能力进行了深入的研究，并详细地阐述了多维可视化技术在摩擦滑移隔震结构中的应用及多维可视化模型的建立。研究表明：多维可视化技术在多维信息认知方面具有不可比拟的优越性，摩擦滑移隔震的多维可视化模型的建立能够更好地辅助工程设计人员对摩擦滑移隔震结构进行有效的设计，具有实用价值。

1 多维信息可视化技术

“信息可视化”一词最早出现在ROBERTSON等1989年发表的文章《用于交互性用户界面的认知协处理器》中[1]。它是人和信息间的一种可视化界面，是研究人、计算机表示的信息及它们之间相互影响的技术。科学可视化、人机交互、数据挖掘、图像技术和图形学等诸多学科的理论和方法被结合在一起，将那些抽象信息以直观的视觉方式表现出来，使人们能充分利用视觉和感知能力去观察、处理信息，从而发现信息间的关系和隐藏的模式[2]。

1.1 信息可视化过程

信息可视化是从抽象数据到可视化形式的映射过程，为更好地体现数据信息的这种可视化映射过程，Card等人提出了信息可视化模型[3]，如图1所示。

Card所提出的信息可视化模型将可视化过程划分为三个阶段：第一阶段是数据的预处理阶段，即将所采集的原始数据信息处理成可视化系统可处理和分析的数据集。在这一阶段除了完成基本数据的处理，还要对一些特殊数据进行处理，例如丢失数据、错误数据、大规模数据等。第二阶段为可视化映射阶段，主要功能是将几何形状、图像、声音等数据信息转化为可视化结构。这一阶段是可视化过程的核心，通常采用数据集的有效性和表达性来衡量可视化效果。第三阶段是绘制转换阶段，即将第二阶段所生成的几何图像数据以用户指定的形式进行输出，并获取用户的反馈信息，形成人机交互的工作模式。

1.2 多维可视化技术

多维可视化技术是目前信息可视化技术研究的重点，所需解决的关键问题是如何将抽象世界的多维信息映射到二维或三维的物理空间中。典型的多维数据可视化方法有平行坐标、散点图矩阵、星形图标等[4]。

1.2.1 平行坐标（Parallel Coordinates）

1980年，Inselberg和Dimsdale提出的平行坐标技术是多维可视化技术中的经典技术，用于将多维信息或数据映射到一组平行的等距离坐标轴上[5]。平行坐标的主要思想是采用多条等距离的平行轴线将多维数据属性空间映射到二维平面上，平行轴线中的每条轴线代表一个属性维。平行坐标法能够简洁、直观地展示多维数据，并在不断发展中将二维可视化方式扩展到了三维空间以期更好地展示高维动态数据。

1.2.2 散点图矩阵（Scatterplot matrices）

散点图矩阵是散点图的高维扩展，是一种将高维数据转化为二维的常用方法[6]。散点图矩阵是将多维数据中的各个维度两两组合绘制成一系列有规律排列的散点图[1]，通过这种方法能够清晰地展示出多维数据中两两变量之间的关系。散点图矩阵经常与其他方法结合来增加多维数据的可视化效果，例如，Yuan[7]提出一种将散点图矩阵与平行坐标相结合进行多维数据分析的方法，该方法采用曲线代替了折线，以更为美观的视图展现多维数据，具有良好的人机交互性能。

1.2.3 星形图标（Star Glyphs）

星形坐标是由Kandogan[8]提出的用于展现与分析多维数据的可视化方法。星形坐标法将坐标轴以相同的角度排列在二维平面的圆上，以圆心作为坐标轴的原点，并采用调整坐标轴长度与角度的方法对多维数据进行分类。该方法对分层数据有很好的展示效果，能够清晰地展现出数据的各个分类。

2 摩擦滑移隔震技术

抵御地震灾害是传统的建筑结构理念，而现在建筑结构类型也是在此基础上建立的，这其中包括多种建筑结构类型：纯框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构，还有通过增加结构自身的刚度、强度、变形和能量消耗能力的主要使用于超高层建筑上的简体结构，这些建筑通常都能达到抗震设防的目的。但是，近年来我国发生地震时这些传统的抗震设计体系并没有达到预期的效果。

随着社会经济的发展，人们对建筑的要求也越来越高，而传统抗震结构已经无法满足现代人的需求，结构减震控制技术这种新型结构技术的产生吸引了人们的关注。其中的摩擦滑移隔震结构技术，具有低成本、易施工的优点，受到人们的喜爱和研究。除此之外，较为成熟的技术，应用较为广泛的还有以下几种：

第一、纯摩擦力滑移隔震系统。

纯摩擦力滑移隔震系统由柔性石墨垫层、砂垫层、喷涂聚四氟乙烯的不锈钢板三部分组成，力学模型如图2。纯摩擦力滑移隔震系统具有低成本、易制作、易施工的特点，在我国比较受欢迎且应用广泛。但也存在一些问题，不具有复位能力，结构的最大滑移量和残留滑移量可能较大，一般要配合其他限位和复位装置使用。

第二、带限位装置的滑移隔震结构。

带限位装置的滑移隔震结构是由使用涂有低摩擦系数的聚四氟乙烯材料的钢板作为上下支撑原件的滑移隔震元件和由普通钢板冷弯而成的U型钢板作为限位消能元件的两部分组合。计算模型如图3所示。此结构的产生，是因发生地震时，P-F隔震系统最大滑移量及残余滑移量较大。此结构的刚度较大，因此，足以抗衡小地震的发生，其受力分析和P-F隔震装置完全一样；中大震作用时，隔震装置发生水平位移消能减震作用，由于其具有U形片限位消能装置所以其在此阶段与P-F结构相比结构最大滑移量和最终滑移量均有所减小，但因U型限位器阻止了上部结构的运动就使得上部结构的地震反应较P-F结构有所增加。由于U型限位器由软钢制作而成其复位能力有限，在地震作用下仍然有残余滑移量的存在。

第三、恢复力摩擦基础隔震系统。

恢复力摩擦基础隔震系统（R-FBI），由喷涂聚四氟乙烯的不锈钢板和橡胶核心组成，其力学模型如图4所示。该隔震结构的钢板为中央及四周预留孔洞并将橡胶核心放置在其中来实现其共同工作，其中钢板为主要受力部件橡胶核心不受竖向压力。当结构受到小震时隔震装置钢板间的摩擦力能够阻止结构的滑动；当结构受到中大震作用时结构开始滑动同时橡胶发生变形，此时钢板间的摩擦和橡胶的变形都将消耗地震能量，橡胶核心同时能起到限位和自动复位的功能。此系统具有自动复位功能，但缺点是工艺较为复杂，成本高且施工难度大，所以，应用并不多，主要用于特殊建筑中。

第四、串联隔震系统。

串联隔震系统是由具有叠层橡胶隔震效果的橡胶支座和具有摩擦滑移隔震效果的摩擦板串联组成，其力学模型如图5所示。其装置是在摩擦滑移隔震支座的下钢板和基础之间安装橡胶支座组成。此系统在小地震时，摩擦板间摩擦力较大，不会产生滑动，此时橡胶支座工作，整个体系具有橡胶隔震支座的减震效果；大地震时，大的震动力带动摩擦板间的滑动，此时两个支座同时工作，这样可分散地震能量，限制地震向上的力度，减震效果较好。此系统造价高，目前只能在核电站中看到。

第五、滑移复位摩擦隔震系统。

滑移复位摩擦隔震系统主要由EDF系统、R-FBI系统两部分组合。其力学模型如图6所示。工作原理：EDF系统中的弹性支承元件由R-FBI单元所替代，即在R-FBI系统上再加一层摩擦板。中小地震时工作为普通的R-FBI系统，大地震时工作增加的摩擦板滑移开始工作，等于R-FBI系统拥有两层安全防护。此系统成本昂贵，应用不多。

第六、摩擦摆隔震系统。

摩擦摆系统（FPS），由滑块和弧形滑道两部分组合而成，是一种有效的干摩擦滑移隔震系统。其力学模型和构造如图7所示。最早提出这一系统的学者是美国的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数，在滑块和滑道间喷涂有较好的效果。弧形滑道是此系统的特点，所以，当滑块发生位置偏移，结构会因建筑自身重力回到初始最低点，达到复位。该系统耗能性能良好，同时也具备限位和复位能力，曾被很多人看好，但缺点也是工艺较为复杂，成本高且施工难度大，在民用建筑中使用很不现实，所以应用也不是很多。

3 多维可视化在摩擦滑移隔震中的应用

摩擦滑移隔震技术作为日益成熟的减震隔震技术已经广泛的应用于建筑工程中。在此应用过程中，工程设计研究人员也开发出了多款计算程序用于工程计算仿真分析。这些计算程序多数是基于层间剪切模型计算理论编制而成的，建立的模型仅为二维的点式模型，该模型在很大程度上影响了设计人员对摩擦滑移隔震建筑的研究与分析。

基于摩擦滑移隔震的多维可视化分析模型是以摩擦滑移隔震技术为原型，同时引入现代计算机仿真技术中最为先进的多维可视化分析技术，并结合有限元分析计算方法，从而建立具有模型多维显示与多维有限元计算的可视化分析模型，其模型建立过程如图8所示。摩擦滑移隔震的多维可视化分析模型能够有效地解决工程技术人员对摩擦滑移隔震结构的设计问题。通过该分析模型工程设计人员不但可以直观的观测到摩擦滑移隔震结构的每一个部位，还可以得到摩擦滑移隔震结构每一构件的力学信息，从而辅助工程设计人员对摩擦滑移隔震结构进行有效的设计。

4 结论

多维信息及各属性之间的关系信息，我们通过多维可视化技术可清晰地看到，并力图在低维可视空间中展现多维抽象信息的多属性数据特征。在多维信息认知和分析方面，多维可视化技术具有自身独有的优点，在信息化技术时代下，已成为我们分析和驾驭多维信息的主要手段和工具。

本文就立足于于多维可视化技术在多维数据信息方面优良的特性，着重论述了其在摩擦滑移隔震中的应用，研究表明：摩擦滑移隔震的多维可视化分析模型的建立能够很好展现出滑移隔震结构中的每个细节，更好地辅助工程设计人员完成对摩擦滑移隔震的设计。

参考文献：

[1]杨彦波，刘滨，祁明月.信息可视化研究综述[J].河北科技大学学报，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]刘芳.信息可视化技术及应用研究[D].浙江：浙江大学，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.