多維可視化技術在滑移隔震中的應用

魏霖靜 陳蕾 劉軍生 曹曉輝

摘要： 多維可視化技術在非空間數據領域中的應用能夠有效地提高數據的呈現效果，使用戶對數據的觀察與瀏覽更加直觀化、交互化，以便將數據中隱藏的特征、關系和模式更好地體現出來。本文通過對信息可視化過程、多維可視化技術及摩擦滑移隔震結構的研究，闡述了多維可視化技術在滑移隔震中的應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構的設計提供了一種新型的設計方法，具有一定的實用價值。

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.

關鍵詞： 多維可視化技術；滑移隔震；結構

Key words： multidimensional visualization technology；earthquake isolation；structures

中圖分類號：TU352.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0144-04

0 引言

隨著信息技術與網絡技術在社會各個領域中的飛速發展，科學、工程、商業等領域中多維甚至高維信息日益增多。面對海量的多維信息和數據，人類認知能力的固有局限性已無法科學、全面對所有信息與數據進行合理地分析與處理，因此需要借助于抽象信息展現工具來完成對海量數據的理解與分析。多維可視化技術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系信息進行完整地體現。本文針對多維可視化技術對多維信息數據的認知與分析能力進行了深入的研究，并詳細地闡述了多維可視化技術在摩擦滑移隔震結構中的應用及多維可視化模型的建立。研究表明：多維可視化技術在多維信息認知方面具有不可比擬的優越性，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計人員對摩擦滑移隔震結構進行有效的設計，具有實用價值。

1 多維信息可視化技術

“信息可視化”一詞最早出現在ROBERTSON等1989年發表的文章《用于交互性用戶界面的認知協處理器》中[1]。它是人和信息間的一種可視化界面，是研究人、計算機表示的信息及它們之間相互影響的技術。科學可視化、人機交互、數據挖掘、圖像技術和圖形學等諸多學科的理論和方法被結合在一起，將那些抽象信息以直觀的視覺方式表現出來，使人們能充分利用視覺和感知能力去觀察、處理信息，從而發現信息間的關系和隱藏的模式[2]。

1.1 信息可視化過程

信息可視化是從抽象數據到可視化形式的映射過程，為更好地體現數據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階段：第一階段是數據的預處理階段，即將所采集的原始數據信息處理成可視化系統可處理和分析的數據集。在這一階段除了完成基本數據的處理，還要對一些特殊數據進行處理，例如丟失數據、錯誤數據、大規模數據等。第二階段為可視化映射階段，主要功能是將幾何形狀、圖像、聲音等數據信息轉化為可視化結構。這一階段是可視化過程的核心，通常采用數據集的有效性和表達性來衡量可視化效果。第三階段是繪制轉換階段，即將第二階段所生成的幾何圖像數據以用戶指定的形式進行輸出，并獲取用戶的反饋信息，形成人機交互的工作模式。

1.2 多維可視化技術

多維可視化技術是目前信息可視化技術研究的重點，所需解決的關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。典型的多維數據可視化方法有平行坐標、散點圖矩陣、星形圖標等[4]。

1.2.1 平行坐標（Parallel Coordinates）

1980年，Inselberg和Dimsdale提出的平行坐標技術是多維可視化技術中的經典技術，用于將多維信息或數據映射到一組平行的等距離坐標軸上[5]。平行坐標的主要思想是采用多條等距離的平行軸線將多維數據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屬性維。平行坐標法能夠簡潔、直觀地展示多維數據，并在不斷發展中將二維可視化方式擴展到了三維空間以期更好地展示高維動態數據。

1.2.2 散點圖矩陣（Scatterplot matrices）

散點圖矩陣是散點圖的高維擴展，是一種將高維數據轉化為二維的常用方法[6]。散點圖矩陣是將多維數據中的各個維度兩兩組合繪制成一系列有規律排列的散點圖[1]，通過這種方法能夠清晰地展示出多維數據中兩兩變量之間的關系。散點圖矩陣經常與其他方法結合來增加多維數據的可視化效果，例如，Yuan[7]提出一種將散點圖矩陣與平行坐標相結合進行多維數據分析的方法，該方法采用曲線代替了折線，以更為美觀的視圖展現多維數據，具有良好的人機交互性能。

1.2.3 星形圖標（Star Glyphs）

星形坐標是由Kandogan[8]提出的用于展現與分析多維數據的可視化方法。星形坐標法將坐標軸以相同的角度排列在二維平面的圓上，以圓心作為坐標軸的原點，并采用調整坐標軸長度與角度的方法對多維數據進行分類。該方法對分層數據有很好的展示效果，能夠清晰地展現出數據的各個分類。

2 摩擦滑移隔震技術

抵御地震災害是傳統的建筑結構理念，而現在建筑結構類型也是在此基礎上建立的，這其中包括多種建筑結構類型：純框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構，還有通過增加結構自身的剛度、強度、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構，這些建筑通常都能達到抗震設防的目的。但是，近年來我國發生地震時這些傳統的抗震設計體系并沒有達到預期的效果。

隨著社會經濟的發展，人們對建筑的要求也越來越高，而傳統抗震結構已經無法滿足現代人的需求，結構減震控制技術這種新型結構技術的產生吸引了人們的關注。其中的摩擦滑移隔震結構技術，具有低成本、易施工的優點，受到人們的喜愛和研究。除此之外，較為成熟的技術，應用較為廣泛的還有以下幾種：

第一、純摩擦力滑移隔震系統。

純摩擦力滑移隔震系統由柔性石墨墊層、砂墊層、噴涂聚四氟乙烯的不銹鋼板三部分組成，力學模型如圖2。純摩擦力滑移隔震系統具有低成本、易制作、易施工的特點，在我國比較受歡迎且應用廣泛。但也存在一些問題，不具有復位能力，結構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位裝置使用。

第二、帶限位裝置的滑移隔震結構。

帶限位裝置的滑移隔震結構是由使用涂有低摩擦系數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。計算模型如圖3所示。此結構的產生，是因發生地震時，P-F隔震系統最大滑移量及殘余滑移量較大。此結構的剛度較大，因此，足以抗衡小地震的發生，其受力分析和P-F隔震裝置完全一樣；中大震作用時，隔震裝置發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結構相比結構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構的運動就使得上部結構的地震反應較P-F結構有所增加。由于U型限位器由軟鋼制作而成其復位能力有限，在地震作用下仍然有殘余滑移量的存在。

第三、恢復力摩擦基礎隔震系統。

恢復力摩擦基礎隔震系統（R-FBI），由噴涂聚四氟乙烯的不銹鋼板和橡膠核心組成，其力學模型如圖4所示。該隔震結構的鋼板為中央及四周預留孔洞并將橡膠核心放置在其中來實現其共同工作，其中鋼板為主要受力部件橡膠核心不受豎向壓力。當結構受到小震時隔震裝置鋼板間的摩擦力能夠阻止結構的滑動；當結構受到中大震作用時結構開始滑動同時橡膠發生變形，此時鋼板間的摩擦和橡膠的變形都將消耗地震能量，橡膠核心同時能起到限位和自動復位的功能。此系統具有自動復位功能，但缺點是工藝較為復雜，成本高且施工難度大，所以，應用并不多，主要用于特殊建筑中。

第四、串聯隔震系統。

串聯隔震系統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組成，其力學模型如圖5所示。其裝置是在摩擦滑移隔震支座的下鋼板和基礎之間安裝橡膠支座組成。此系統在小地震時，摩擦板間摩擦力較大，不會產生滑動，此時橡膠支座工作，整個體系具有橡膠隔震支座的減震效果；大地震時，大的震動力帶動摩擦板間的滑動，此時兩個支座同時工作，這樣可分散地震能量，限制地震向上的力度，減震效果較好。此系統造價高，目前只能在核電站中看到。

第五、滑移復位摩擦隔震系統。

滑移復位摩擦隔震系統主要由EDF系統、R-FBI系統兩部分組合。其力學模型如圖6所示。工作原理：EDF系統中的彈性支承元件由R-FBI單元所替代，即在R-FBI系統上再加一層摩擦板。中小地震時工作為普通的R-FBI系統，大地震時工作增加的摩擦板滑移開始工作，等于R-FBI系統擁有兩層安全防護。此系統成本昂貴，應用不多。

第六、摩擦擺隔震系統。

摩擦擺系統（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。其力學模型和構造如圖7所示。最早提出這一系統的學者是美國的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，在滑塊和滑道間噴涂有較好的效果。弧形滑道是此系統的特點，所以，當滑塊發生位置偏移，結構會因建筑自身重力回到初始最低點，達到復位。該系統耗能性能良好，同時也具備限位和復位能力，曾被很多人看好，但缺點也是工藝較為復雜，成本高且施工難度大，在民用建筑中使用很不現實，所以應用也不是很多。

3 多維可視化在摩擦滑移隔震中的應用

摩擦滑移隔震技術作為日益成熟的減震隔震技術已經廣泛的應用于建筑工程中。在此應用過程中，工程設計研究人員也開發出了多款計算程序用于工程計算仿真分析。這些計算程序多數是基于層間剪切模型計算理論編制而成的，建立的模型僅為二維的點式模型，該模型在很大程度上影響了設計人員對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為原型，同時引入現代計算機仿真技術中最為先進的多維可視化分析技術，并結合有限元分析計算方法，從而建立具有模型多維顯示與多維有限元計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人員對摩擦滑移隔震結構的設計問題。通過該分析模型工程設計人員不但可以直觀的觀測到摩擦滑移隔震結構的每一個部位，還可以得到摩擦滑移隔震結構每一構件的力學信息，從而輔助工程設計人員對摩擦滑移隔震結構進行有效的設計。

4 結論

多維信息及各屬性之間的關系信息，我們通過多維可視化技術可清晰地看到，并力圖在低維可視空間中展現多維抽象信息的多屬性數據特征。在多維信息認知和分析方面，多維可視化技術具有自身獨有的優點，在信息化技術時代下，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在多維數據信息方面優良的特性，著重論述了其在摩擦滑移隔震中的應用，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出滑移隔震結構中的每個細節，更好地輔助工程設計人員完成對摩擦滑移隔震的設計。

參考文獻：

[1]楊彥波，劉濱，祁明月.信息可視化研究綜述[J].河北科技大學學報，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.信息可視化技術及應用研究[D].浙江：浙江大學，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.