導語：如何才能寫好一篇虛擬仿真技術(shù)優(yōu)點，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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【關(guān)鍵詞】虛擬仿真技術(shù)；建筑施工；應用從傳統(tǒng)角度來看，所謂的系統(tǒng)仿真技術(shù)很難對人的感知情況進行模擬，也就是說這種仿真技術(shù)很少涉及到對人的感知進行仿真建模。但是伴隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，仿真技術(shù)與傳感技術(shù)漸漸滲入到現(xiàn)實領(lǐng)域，這也導致人們開始對外界環(huán)境感知進行建模研究?，F(xiàn)如今，虛擬仿真技術(shù)越來越成熟，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行仿真建模，使仿真技術(shù)實現(xiàn)了圖像化，人們甚至可以通過仿真立體模型有種身臨其境的感覺，此外，由于仿真系統(tǒng)與生俱來的三維屬性、實時交互等特點，給仿真技術(shù)的發(fā)展也來了極大的推動作用，這就使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)在今后社會中更加具有生命力。

1.虛擬仿真技術(shù)應用于建筑施工中的意義

近幾年來，由于國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展需求以及國民需要，建筑工程的開展如火如荼，我國在針對建筑工設(shè)計時，在套用規(guī)范的基礎(chǔ)上，仍然依據(jù)加大設(shè)計安全系數(shù)的方法來實現(xiàn)對建筑受力與變形的控制，這就導致了建筑工程造價普遍過高的現(xiàn)象。建筑設(shè)計作為工程實施的基礎(chǔ)條件，對整個建筑工程系統(tǒng)以及周邊建筑環(huán)境都有著重要的意義和影響，并在總體的規(guī)劃目標等方面給其他的專業(yè)設(shè)計提供了正確的引導?？紤]到建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性與多變性，因此在研究時不得不在施工工藝方面謹慎考慮，從而涉及到信息化設(shè)計的全部內(nèi)容，在此方面，關(guān)于優(yōu)化方案、現(xiàn)場施工等較為少見，這就間接體現(xiàn)了我國建筑建設(shè)在信息化技術(shù)上存在的不足。

虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)大大彌補了這一不足，虛擬施工技術(shù)具備交互性、高度仿真性等優(yōu)點，通過它建立的設(shè)計數(shù)字幾何模型與施工，不但能同時滿足設(shè)計師、業(yè)主、施工方等參建單位的需要，對多種施工方案展開模擬、驗證、對比和優(yōu)化，并最終找到一種最優(yōu)的施工方法，實現(xiàn)低成本、短工期、高質(zhì)量的效益目的?？梢?，虛擬仿真技術(shù)給建筑工程帶來了一定的時代挑戰(zhàn)意義，虛擬仿真技術(shù)在施工中的應用無疑決定著施工方案的優(yōu)劣與否，它一方面對建筑工程的施工產(chǎn)生影響，另一方面也決定著工程的設(shè)計方案。所以說，應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立建筑工程的三維模型，對施工的各個階段實施三維可視化的模擬，在施工前了解各種構(gòu)件在實際結(jié)構(gòu)中的相對位置和相互關(guān)系，勢必有利于我國建設(shè)的技術(shù)經(jīng)濟效益，對建筑工程的設(shè)計與施工都會有非常好的借鑒與指導意義。

2.虛擬仿真技術(shù)在建筑設(shè)計中的應用

伴隨現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機網(wǎng)絡技術(shù)和新型載體的應用越來越廣泛，在這種趨勢下，傳統(tǒng)的園林設(shè)計模式必將被淘汰，新的設(shè)計理念也就呼之欲出了。“虛擬仿真”設(shè)計概念的提出可以追溯道上世紀80年代，它從理論的角度上對園林布局進行分析，認為所有建筑的地理數(shù)據(jù)都能在多維的虛擬模型中得到表示，這些表示形式除一般的時空維數(shù)之外，色彩、光影、甚至聲音等因素也被歸納入額外的“維度”中，用以增強視覺信息效果。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)漸趨成熟，比較傳統(tǒng)模式下的設(shè)計理念，虛擬仿真技術(shù)打破了傳統(tǒng)思維上建筑的局限性，在系統(tǒng)作業(yè)上對設(shè)計的表達可以說是較為全面的。

如今，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展方向極為明確，它通過操作系統(tǒng)的便捷性，圖形的設(shè)計時間快、質(zhì)量高、系統(tǒng)處理能力強。這些方面的改進勢必對建筑設(shè)計中虛擬仿真技術(shù)的應用產(chǎn)生影響，也將進一步領(lǐng)導建筑設(shè)計方法論和本質(zhì)革新，建筑設(shè)計者在園林設(shè)計領(lǐng)域的地位也將重新定論。我們可以試著想象，當建筑設(shè)計者在挖掘虛擬仿真技術(shù)潛能的時候，他們對建筑的復雜性與微妙性的理解也將日益深刻，這不但有利于虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，對現(xiàn)代建筑工程的設(shè)計創(chuàng)新也會有著莫大幫助。

3.虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應用

計算機在全球范圍內(nèi)的運用，推動了工程仿真模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展，這一階段，虛擬仿真技術(shù)也不斷成熟，其優(yōu)點是可以對施工環(huán)境下的復雜環(huán)境條件（介質(zhì)的非均質(zhì)特性、不連續(xù)性和各向異性等因素）進行綜合考慮。簡單地來說，建筑施工的過程就是把設(shè)計圖建成實物的過程，虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應用步驟大抵可以分為四個階段，即工程調(diào)研階段、概念模型抽取階段、力學模型建立階段、數(shù)值計算以及結(jié)果檢驗階段。虛擬仿真技術(shù)可以將工程結(jié)構(gòu)同環(huán)境整合起來并建立理論模型，通過“仿真試驗”獲取最佳設(shè)計方案。

站在傳統(tǒng)的角度來看，建筑工程從設(shè)計階段開始，一直到施工執(zhí)行階段，由于施工方法的多樣性，并且現(xiàn)場情況的可變化性，很難按照設(shè)計者的初衷開展作業(yè)。而虛擬仿真技術(shù)中所建立的仿真系統(tǒng)，無論是施工前后，對工程環(huán)境的外景仿真都能做到很好的把握。在建筑工程施工階段，對于土層規(guī)律發(fā)生變化而產(chǎn)生沉降時，及時修改施工方案無疑是重要手段之一，在這種土質(zhì)變化的不確定性因素下，仿真模擬技術(shù)遠遠不能僅靠簡單的運算就能解決所面臨的問題，它更多地是要進行野外地質(zhì)調(diào)查，到室內(nèi)試驗研究、計算模擬、地質(zhì)力學模型抽取以及野外驗證的全過程，在很大程度上，其準確性與可靠性都決定了工程對地質(zhì)認識的正確性。

在虛擬仿真系統(tǒng)中，場景中的一切物體，與實體都有著高度的仿真效果。對于建筑物模型，完完全全按照設(shè)計圖紙進行仔細地建模，并把建筑物旁邊環(huán)境的場景、道路等也實施建模渲染，與真實場景可謂是如出一轍。虛擬仿真技術(shù)作為信息化設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，直接左右著信息的來源渠道，可以毫不過分地說，虛擬仿真技術(shù)直接影響到建筑信息化設(shè)計與施工的實施。它是監(jiān)督設(shè)計施工的法眼，是規(guī)避工程風險的有力手段，更是建筑工程建設(shè)中不可或缺的內(nèi)容。其建模內(nèi)容涵蓋了地質(zhì)與支護的現(xiàn)狀觀察、位移監(jiān)測、應力與應變監(jiān)測、圍巖擾動及彈性波測試、支護質(zhì)量檢查等等，至于具體的量測手段、工具和時間，要根據(jù)工程現(xiàn)場具體要求而設(shè)定。

虛擬仿真技術(shù)滲入工程施工中，除了外形三維的仿真之外，聲音仿真、動作仿真等“三維外”的技術(shù)也有突破，這使得場景的真實感極強，給人的感受尤為逼真。觀察者可以從不同的入口進入虛擬仿真系統(tǒng)，在虛擬的建筑模型中邊走邊看，并從不同的角度實施觀察，借助鼠標等媒體工具同虛擬仿真模型實時交互，使漫游場景中所見到的各種實體可以切實地反映現(xiàn)實中的每種狀況，它對施工全過程進行模擬，在施工前了解各種構(gòu)件在實際結(jié)構(gòu)中的相對位置及相互關(guān)系，試驗多種施工方法，并在一系列的應用實踐之下，取得了舉世睹目的應用成效。

此外，針對我國建設(shè)工程中的一些不安全因素，如基礎(chǔ)沉降、塌方、滲水等不利于工程實施的一系列現(xiàn)象，虛擬仿真技術(shù)在工程施工上的應用能夠很好的解決此類問題，它不但可以通過建模很好地掌握基礎(chǔ)和支護結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用測量數(shù)據(jù)對設(shè)計進行整改，并指導施工作業(yè)；還可以預見事故風險，采取一系列的事前措施，給工程的安全施工提供信息，將工程的事故突發(fā)率降至最低；在分析處理量測數(shù)據(jù)后，通過反饋上來的信息，可以很好地保障施工環(huán)境的安全與穩(wěn)定；另外，通過積累相關(guān)的工程資料，也可以作為以后相似工程的實施的重點依據(jù)。

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關(guān)鍵詞：虛擬仿真；Matlab；電力電子技術(shù)；實驗實訓

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）02-0134-02

一、引言

電力電子技術(shù)是目前最活躍、發(fā)展最快的一門新興學科，且廣泛應用于工業(yè)、交通、IT、通信、國防以及民用電器、新能源發(fā)電等領(lǐng)域，它的應用領(lǐng)域幾乎涉及國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門。

二、電力電子技術(shù)課程教學現(xiàn)狀

當前高職院?；径疾扇±碚摻虒W加實踐操作的模式進行電力電子技術(shù)課程的教學。首先，講解電力電子器件的工作原理、特性以及使用方法；然后對各種變流電路（包括整流、逆變、斬波和交流變換等）的電路構(gòu)成、工作原理和波形等進行分析；最后在實驗實訓臺上進行實操、搭建電路、觀察波形等進行驗證。

電力電子技術(shù)課程本身屬于電類各專業(yè)課程中較難的課程之一，教學對象又為高職學生，他們理論基礎(chǔ)差，計算能力弱，因此教學重心一定偏向?qū)嵅?。然后，在對電力電子電路進行實驗實訓分析的過程中，由于電力電子器件具有非線性等特點以及電力電子電路的復雜性，造成實驗實訓結(jié)果不明顯，單從示波器顯示波形不能很好地檢測電路的正確性。而且電力電子技術(shù)的實驗實訓都涉及到220V或者380V的高電壓，具有一定的危險性。往往造成學生實驗實訓項目做得迷迷糊糊，不知道結(jié)果是否正確，即使知道錯誤了也很難進行排故，導致學生學習興趣減低，形成惡性循環(huán)。

三、虛擬仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)教學中的應用

虛擬仿真技術(shù)是近年來隨著計算機技術(shù)迅猛發(fā)展而逐步形成的一類實驗研究的新技術(shù)，它在各類專業(yè)各種類型的課程當中被廣泛應用。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點主要有：（1）實驗硬件門檻低，基本不需要專業(yè)的實驗設(shè)備，只需要普通計算機即可；（2）實驗過程安全可靠，不涉及高電壓、高電流；（3）實驗過程迅速、結(jié)果清晰明顯，能快速地在計算機屏幕上顯示所需要的所有結(jié)果，一目了然；（4）糾錯排故簡單，基本的仿真實驗修改只需要在仿真環(huán)境下進行器件或者連接的修改。

鑒于以上優(yōu)點，虛擬仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課程實驗當中進行應用十分合適，并能有效地提高電力電子技術(shù)課程的教學效果。目前，可對電力電子電路及系統(tǒng)進行虛擬仿真的軟件較多，如Matlab、Pspise、Saber以及Multisim等。這些模擬仿真軟件的出現(xiàn)，為電力電子電路及系統(tǒng)的分析提供了方便、有效的手段，大大簡化了電力電子電路及系統(tǒng)的設(shè)計和分析過程。其中Matlab軟件由于其Simulink環(huán)境下提供的SimPowerSystems工具箱在電力系統(tǒng)分析、電力電子電路分析中令人滿意的表現(xiàn)、友好的界面和模塊化的形式受到廣大用戶的青睞。

根據(jù)電力電子技術(shù)課程教學的要求，結(jié)合課程實驗操作內(nèi)容，我們設(shè)計、建立并實現(xiàn)了涵蓋高職教學要求的十五個電力電子技術(shù)Matlab仿真項目。下面以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行模擬仿真的方法和步驟。

四、仿真實例

本節(jié)以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行電力電子電路仿真的方法和步驟。直流升壓斬波電路是典型的直流斬波電路之一，它通過電容、電感元件的儲能以及電力電子器件（此處使用IGBT）的通斷控制，使負載上得到比電源電壓高的電壓，其電路原理圖如下所示。

根據(jù)電路原理圖，在Matlab的Simulink中建立直流升壓斬波電路仿真模型，步驟如下：

1.仿真平臺建立。啟動MATLAB，進入MATLAB環(huán)境，點擊工具欄中的Simulink選項，進入所需的仿真環(huán)境，點擊File/New/Model新建一個仿真平臺。

2.模塊提取。在Simulink環(huán)境中拉取所需要的模塊到仿真平臺中，具體做法是點擊左邊的器件分類，電力電子仿真實驗一般只用到Simulink和SimPowerSystems兩個，分別在它們的下拉選項中找到我們所需的模塊，用鼠標左鍵點擊所需的模塊不放，然后直接拉到仿真平臺中。本電路圖所需要的模塊及提取路徑如下表所示。

3.仿真模型建立。將提取的各模塊，按照原理圖布局好位置并進行連線。具體做法是移動鼠標到一個模塊的連接點上，會出現(xiàn)一個“+”字型光標，按住鼠標左鍵不放，一直拉到所要連接的另一個模塊的連接點上，放開左鍵，連線就完成了。本電路圖的仿真模型如下圖所示。

4.參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置分為模塊參數(shù)設(shè)置和仿真參數(shù)設(shè)置。模塊參數(shù)設(shè)置如下：直流電壓源的幅值設(shè)置為100V。電阻負載設(shè)置為1Ω?？刂泼}沖電壓由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，電壓幅值設(shè)置為3V，周期設(shè)置為0.001S，脈沖寬度比的大小設(shè)置可改變輸出負載電壓的大小。IGBT、功率二極管、信號分解器、電感和電容可保持默認設(shè)置。示波器根據(jù)需要輸出的波形個數(shù)設(shè)置輸入端口數(shù)。仿真參數(shù)設(shè)置如下：將開始時間設(shè)置為0，終止時間設(shè)置為0.01，算法設(shè)置為ode23tb。

5.仿真。完成以上步驟后便可以開始仿真，仿真結(jié)束后雙擊示波器觀察波形。直流升壓斬波電路在控制脈沖電壓寬度比為80%和40%時的仿真波形如圖3所示，與理論分析值一致。

五、小結(jié)

虛擬仿真技術(shù)隨著計算機技術(shù)的發(fā)展在近些年得到了長足的發(fā)展，越來越多的課程在教學中引入了虛擬仿真技術(shù)，它對課程教學效果的提供具有較大的作用。文章在分析教學現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，引入了使用Matlab軟件的虛擬仿真技術(shù)，并以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行電力電子電路仿真的方法和步驟。

參考文獻：

[1]王波.虛實結(jié)合、理實一體的電力電子技術(shù)課程改革的探索與實踐[J].時代教育，2015，（7）.

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[關(guān)鍵詞]計算機 仿真技術(shù) 研究與發(fā)展

中圖分類號：V448.15+3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）36-0229-01

引言

仿真是對現(xiàn)實系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿，人們利用這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，然后幫助人們對現(xiàn)實世界中某一層次的問題做出決策。計算機仿真就是建立系統(tǒng)模型的仿真模型進而在電子計算機上對該仿真模型進行模擬實驗的研究過程。計算機仿真技術(shù)即以計算機仿真為手段，通過仿真模型模擬實際系統(tǒng)的運動來認識其規(guī)律的一種研究方法，也稱計算機仿真方法。在科技飛速發(fā)展的今天，它已經(jīng)成為控制系統(tǒng)分析、研究、設(shè)計不可缺少的重要工具。

一、仿真的定義和分類

1.仿真定義

計算機仿真技術(shù)是以數(shù)學理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。

仿真是在數(shù)字計算機上進行實驗的數(shù)字化技術(shù)，它包括數(shù)字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件和經(jīng)濟系統(tǒng)，在若干周期內(nèi)的特征。

系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計算機和其它專用物理效應設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行試驗，并借助于專家經(jīng)驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息資料對實驗結(jié)果進行分析研究，進而作出決策的一門綜合性的和試驗性的學科。

二、計算機仿真技術(shù)的特點

1.模型參數(shù)可根據(jù)要求任意調(diào)整、修改和補充。人們可以得到各種可能的仿真效果，為進一步完善研究方案提供了可能。與傳統(tǒng)的實物實驗相比，具有運行費用低、無風險、方便靈活等優(yōu)點。

2.系統(tǒng)模型求解快速。運用計算機仿真，能夠在較短的時間內(nèi)得出仿真運算的結(jié)果，為生產(chǎn)實踐提供最及時的指導。

3.仿真運算結(jié)果可靠、準確。在機器沒有故障的前提下，只要系統(tǒng)模型、仿真模型、仿真程序科學合理，那么計算機的運算結(jié)果是準確無誤的。

4.實物、實時仿真直觀、逼真。這一特點使它在一些復雜工程系統(tǒng)中例如核電、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

傳統(tǒng)的仿真技術(shù)是一個迭代過程，即針對實際系統(tǒng)某一層次的特性（過程），抽象出一個模型，然后假設(shè)態(tài)勢（輸入），進行試驗，由試驗者判讀輸出結(jié)果和驗證模型，根據(jù)判斷的情況反復修改模型和有關(guān)的參數(shù)，不僅效率低，也存在環(huán)境、安全等因素的限制，所以很難達到實驗者滿意的仿真效果。而計算機仿真技術(shù)是利用計算機科學和技術(shù)的成果建立被仿真的系統(tǒng)的模型，并在試驗條件下對模型進行動態(tài)實驗，它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優(yōu)點，已成為分析、設(shè)計、運行、評價、培訓系統(tǒng)尤其是復雜系統(tǒng)的重要工具。

三、計算機仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀

計算機仿真技術(shù)的發(fā)展與計算機的發(fā)展是密不可分的。20世紀50年代的計算機仿真大部分是以電子模擬計算機為主機實現(xiàn)的，在部分特殊應用領(lǐng)域內(nèi)也有以液壓機、氣壓機或阻抗網(wǎng)絡作為主要模擬設(shè)備的。由于電子模擬計算機的精度較差等缺點，從70年代初開始，數(shù)字模擬混合計算機仿真得到發(fā)展。從70年代末起，以數(shù)字機為主機的各種各樣的專用和通用計算機仿真得到了普及和推廣。由于高性能工作站、巨型機、小巨機、軟件技術(shù)和人工智能技術(shù)取得了引人矚目的進展，在80年代人們對智能化的計算機仿真寄予了希望，也在綜合集成數(shù)字仿真和模擬仿真優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了在更高層次上的數(shù)字模擬混合仿真技術(shù)，在一些特定的仿真領(lǐng)域內(nèi)，這種智能計算機仿真和高層次的數(shù)字模擬計算機仿真都取得了令人鼓舞的結(jié)果。特別是近幾十年來，隨著系統(tǒng)工程與科學的迅速發(fā)展，計算機仿真技術(shù)也得到了蓬勃發(fā)展，已經(jīng)從傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域擴展到非工程領(lǐng)域，在社會經(jīng)濟系統(tǒng)、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、生物醫(yī)學系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、教育培訓系統(tǒng)等得到了廣泛應用。

四、計算機仿真技術(shù)的展望

隨著計算機應用技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)也在不斷地發(fā)展。未來的發(fā)展主要有兩個方向：

1.仿真技術(shù)的網(wǎng)絡化

眾所周知，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)研制出來的仿真系統(tǒng)有很多，它們不能互相兼容，可移植性差，實現(xiàn)共享困難，與開發(fā)的高成本、低效率、長時間不成正比，更不能充分加以利用。要想解決這些問題，首先要解決的是采用兼容性好的計算機語言來編寫仿真系統(tǒng)，其次是采用網(wǎng)絡化技術(shù)實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的共享。尤其是后者，在將來的仿真系統(tǒng)開發(fā)中具有重要的意義。實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡共享，不但可以在一定程度上避免不必要的社會資源的浪費，而且可以通過適當?shù)氖召M來彌補開發(fā)成本的不足。

2.仿真技術(shù)的虛擬制造

計算機仿真技術(shù)發(fā)展的另一個大方向是在虛擬制造技術(shù)領(lǐng)域的深入應用。虛擬制造技術(shù)是20世紀90年展起來的一種先進的制造技術(shù)，它利用計算機仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，在計算機上實現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品出廠以及企業(yè)各級過程的管理與控制。這使得制造技術(shù)不再主要依靠經(jīng)驗，便可實現(xiàn)對制造的全方位預測，為機械制造領(lǐng)域開辟了一個廣闊的新天地。

五、計算機仿真技術(shù)的支撐技術(shù)

計算機仿真技術(shù)的支撐技術(shù)主要有分布式計算機仿真技術(shù)、協(xié)同式計算機仿真技術(shù)、沉浸式計算機仿真技術(shù)、基于網(wǎng)絡的環(huán)境計算機仿真技術(shù)。

計算機仿真技術(shù)分布式，既是由于數(shù)據(jù)分布的需要，也是應用分布式計算環(huán)境進行并行計算，以達到實時顯示目的的重要手段，分布式計算平臺有互聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)機組成，包括高性能的SMP和DSM多處理器、工作站/PC機機群系統(tǒng)。

來自不同地區(qū)、不同學科的學者過去式通過出差或開會等方式進行交流的，現(xiàn)在，隨著高速網(wǎng)絡投入使用，采用多媒體技術(shù)支持下是、的CSCW技術(shù)可以達到快捷、高效協(xié)同工作的目的。

計算機仿真技術(shù)采用傳統(tǒng)上為虛擬環(huán)境所裝用的投影式顯示設(shè)備，標志著這兩個研究方向融合的發(fā)展趨勢。由于沉浸式顯示設(shè)備能使用戶獲得臨場感，更有利于用戶獲得對數(shù)據(jù)的直觀感受，有助于結(jié)果的分析。

六、仿真系統(tǒng)的作用和意義

隨著軍事和科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，仿真已成各種復雜系統(tǒng)研制工作的一種比不可少的手段。尤其是在航空航天領(lǐng)域，仿真即使已是飛行器和衛(wèi)星運載工具研制必不可少的手段。在研制、堅定、和定形全過程必須全面的應用先進的仿真技術(shù)。否則，任何新型的、先進的飛行器和運載工具的研制都將是不可能的。

計算機仿真技術(shù)在軍事的應用是很廣泛的，如運用交戰(zhàn)模型進行的計算機仿真，新型武器裝備發(fā)展過程中的仿真、部隊作戰(zhàn)訓練方面的仿真、高層論證和規(guī)劃計劃中的仿真、軍事作戰(zhàn)理論和學術(shù)研究中的仿真、作戰(zhàn)指揮和戰(zhàn)爭計劃中的仿真，以及戰(zhàn)后后勤保障的仿真等。

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為了應對工業(yè)工程在有關(guān)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計、管理及優(yōu)化等綜合性實驗課程開發(fā)難度較大的問題，該文提出將計算機仿真技術(shù)與項目教學、案例教學相結(jié)合，實現(xiàn)了“教、學、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了設(shè)備消耗，尤其是耗材的使用量，節(jié)省了實驗經(jīng)費，而且克服了時間與空間上的限制，使得工業(yè)工程綜合實驗課的開課率和學生的專業(yè)綜合能力得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：

計算機仿真；工業(yè)工程；實驗教學

計算機仿真技術(shù)是繼數(shù)學推理與科學試驗之后認識世界自然規(guī)律的第三類基礎(chǔ)方法?；谟嬎銠C仿真技術(shù)的虛擬教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。這種教學方法生動形象，接近現(xiàn)實工作場景，有利于提高學習興趣，使學生在短時間內(nèi)進入相應情境，真實的體驗如在現(xiàn)實中執(zhí)行任務的感覺，以達到更快掌握技術(shù)手段的目的，而且這種教學方法可以利用計算機軟件的優(yōu)勢創(chuàng)造出靈活多樣的工作場景且不受行業(yè)限制，使學生對實踐問題的認識更深入，采用的應對方法更靈活。由此“計算機仿真技術(shù)”便成為專業(yè)學習及實際應用中的重要方法和技術(shù)手段。工業(yè)工程作為管理科學與工程的二級學科，其人才培養(yǎng)目標是培養(yǎng)出面向生產(chǎn)、管理、服務的高級專業(yè)技術(shù)和管理人才，面向的工作崗位主要有制造業(yè)現(xiàn)場管理、產(chǎn)能計算、生產(chǎn)計劃與控制、項目管理、精益生產(chǎn)等，以及服務業(yè)的流程優(yōu)化、工作研究等。其中，制造業(yè)涉及行業(yè)范圍廣、產(chǎn)品種類多、工序過程各異，因此，在教學過程中需要通過一系列系統(tǒng)的實驗項目培養(yǎng)學生專業(yè)的問題提煉能力及問題分析能力，并采用專業(yè)的技術(shù)方法和手段有針對性的對問題本質(zhì)進行處理。然而，正是由于工業(yè)工程方法應用行業(yè)的廣泛性及多樣性，使得我們不可能如其他5類工程學科般擁有自己典型的實驗實訓設(shè)備，亟需我們在實踐教學過程中探索新的教學方法與實驗支撐技術(shù)。

1工業(yè)工程實驗課程教學現(xiàn)狀分析

工業(yè)工程類實驗課程的教學，在傳統(tǒng)的教學模式中，主要是以“理論課+實驗室”的模式，強調(diào)學生對工業(yè)工程專業(yè)基本方法和技能的掌握與應用，如，工作研究、動素分析、人機工程、物流工程、流程優(yōu)化、現(xiàn)場改善等基本技能與方法論。傳統(tǒng)的實驗教學過程中，基本上遵照如下流程：首先，引導學生進行以上理論課的學習，使學生知道、了解并掌握這些基本的專業(yè)手法與技能；其次，通過開設(shè)相關(guān)實驗課程讓學生對所學的這些技術(shù)方法展開實踐，從而幫助學生達到訓練并養(yǎng)成工業(yè)工程專業(yè)素養(yǎng)的目的。然而，目前所開設(shè)的相關(guān)實驗課程均是就某一獨立技術(shù)方法而展開的較為單純的技能訓練，如，工作研究的實驗主要是針對動作研究、動素分析、生產(chǎn)節(jié)拍平衡開展具體分析過程實踐，幫助學生深刻體會這些基本專業(yè)手法的實際應用場合；人因工程，主要是通過系列人因?qū)嶒瀻ьI(lǐng)學生親身體驗，感受高度、亮度、顏色、頻繁度、規(guī)律度等人因影響因素帶給人視覺、聽覺等感官的切實感受，從而探討基于人因的合理化設(shè)計、布局及工作安排；設(shè)施規(guī)劃布局則是基于物流分析方法，通過物流強度度量，分析部門間的相關(guān)性強度，從而為合理布局、物流優(yōu)化提供有效參考。以上這些實驗均對學生在工業(yè)工程專業(yè)基本方法技能的培訓上起到了有效效果。然而，卻并未在促進學生養(yǎng)成工業(yè)工程職業(yè)素養(yǎng)上發(fā)揮強化作用。原因在于，缺乏像物流工程、系統(tǒng)工程、系統(tǒng)建模及仿真優(yōu)化等這類有關(guān)工業(yè)工程系統(tǒng)設(shè)計、管理及優(yōu)化的主干課程的綜合性實踐項目，要設(shè)計出針對本專業(yè)基本技能方法的綜合性實踐項目，需要的制造業(yè)相關(guān)設(shè)備、產(chǎn)品品種等數(shù)量巨大，且耗費大、成本高，很難從實際操作入手，計算機仿真方法不失為解決此問題的一種有效方法?；谟嬎銠C仿真技術(shù)的虛擬教學則以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到越來越多的應用和推廣。因此，應該將“項目教學”“案例教學”“教、學、做”一體化和基于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學的方法結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，提升實踐教學效果?；谟嬎銠C仿真技術(shù)的虛擬教學很容易與其它先進的教學方法相結(jié)合，因此，在工業(yè)工程類實驗課程的教學中，將基于計算機仿真技術(shù)的虛擬教學與其它教學方法相結(jié)合，有助于提高實驗課程教學效果，而且成本低、效率高，使學生可以不受場地、行業(yè)、設(shè)備與產(chǎn)品的限制，使學生更好的掌握專業(yè)技能和方法，并通過基于計算機仿真平臺開發(fā)的綜合性實踐項目，鍛煉學生的工業(yè)工程系統(tǒng)設(shè)計、管理及優(yōu)化的綜合能力，培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)，從而促進本專業(yè)人才培養(yǎng)效果的提升，計算機仿真技術(shù)在工業(yè)工程類實驗課程的教學中具有重要的意義。

2計算機仿真技術(shù)在實驗課程教學中的應用

計算機仿真技術(shù)為人們提供了一個理想的實踐教學手段，目前國內(nèi)外已經(jīng)普遍將其應用于軍事訓練、課程教學、運動訓練以及醫(yī)學研究等方方面面。美國是計算機仿真技術(shù)虛擬現(xiàn)實的起源地，現(xiàn)在美國計算機虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展水平也比較高，在這個領(lǐng)域代表了國際先進水平，也是第一個把虛擬仿真技術(shù)應用在教育教學中的國家，目前在感知、用戶界面、后臺軟件和硬件等幾個方面，形成了一個比較系統(tǒng)的虛擬仿真教學儀器架構(gòu)。如，美國的卡羅萊納州立大學利用Java技術(shù)建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室，主要有以下幾個模塊：基于JavaApplet的虛擬實驗設(shè)備和實驗設(shè)施、相關(guān)的實驗課程模塊、實驗結(jié)果評價模塊、協(xié)作模塊。在歐洲，英國在計算機仿真技術(shù)虛擬現(xiàn)實的相關(guān)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，研究出了虛擬仿真軟件包，并應用在教學儀器和工業(yè)安全培訓等方面。如，英國的諾丁漢大學在教育和學術(shù)方面對虛擬仿真技術(shù)進行了研究與探索，其目標主要在于探索桌面虛擬仿真的輸入設(shè)備應用上。此外，該小組還和其他學校緊密合作，將其仿真系統(tǒng)應用在了特殊學生教育中。在中國，目前各個大學和科研機構(gòu)也廣泛采用計算機仿真技術(shù)建立虛擬場景進行相關(guān)領(lǐng)域的教學與研究。例如：中國科技大學開發(fā)出第一套基于虛擬仿真的教學儀器系統(tǒng)——利用虛擬仿真技術(shù)進行幾何光學實驗平臺的開發(fā)，系統(tǒng)將計算機輔助教學儀器的智能化儀器、計算機技術(shù)、虛擬仿真和物理教學儀器等有機結(jié)合，把物理教學儀器系統(tǒng)推進到了新的領(lǐng)域；北京潤尼爾網(wǎng)絡科技有限公司以北京郵電大學強勢的網(wǎng)絡、通訊、電子三門學科為基礎(chǔ)，采用JavaApplet技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)、J2EE框架，為解決高校日趨緊張的實驗設(shè)備及實驗場地等實驗教學問題，由北京郵電大學網(wǎng)絡教育技術(shù)研究所組織精英力量，經(jīng)過多年研究，開發(fā)出了配套的虛擬實驗系統(tǒng)。通過對國內(nèi)、外的基于計算機仿真的虛擬現(xiàn)實教學應用情況進行對比，我們發(fā)現(xiàn)：當前，國外基于計算機仿真的虛擬實驗比國內(nèi)開發(fā)時間早，應用相對成熟，不管是在仿真器材還是仿真軟件上都比較豐富、且功能較多；同時，國外很多成熟的仿真實驗產(chǎn)品價格普遍偏高，且技術(shù)難度也不太適合本科學生，更適合研究所或工程師使用。盡管如此，我國還是有很多現(xiàn)行的成熟的計算機仿真軟件供我們選擇，這些成熟的仿真軟件具有界面友好、可擴充性、支持二次開發(fā)等特性，甚至大多實現(xiàn)模塊化利于定制化實驗的開發(fā)，基本上能滿足國內(nèi)高等院校實驗教學需要及豐富的仿真實驗需求。因此，國內(nèi)很多高校及科研院所普遍采用購買成熟的仿真軟件產(chǎn)品，基于自身的仿真實驗需求進行對應的二次開發(fā)，從而設(shè)計出適合自己的基于計算機仿真的虛擬實驗平臺，并得到了很好的應用發(fā)展。就工業(yè)工程類實驗課程而言，現(xiàn)在市面上流行的仿真軟件，如，F(xiàn)lexsim、witness、em-plan等都能提供給我們一個良好的仿真實驗平臺，供我們在這些平臺上進行綜合性實踐項目的構(gòu)建和開發(fā)。

3基于計算機仿真技術(shù)的實驗教學模式開發(fā)

在深度分析學生學習特點和企業(yè)真實需求的基礎(chǔ)上，基于建構(gòu)主義學習理論和混合式學習理論，按照社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合計算機仿真實驗教學設(shè)計的基本原則，借鑒信息化和項目教學、案例教學設(shè)計方法，探索出基于實踐項目、真實案例和工作任務的計算機仿真實驗教學模式，實現(xiàn)了“教、學、做”一體化的實驗設(shè)計。該模式由“項目導入、制定計劃、實施計劃和成果展示與評價”4個環(huán)節(jié)組成，其中，計算機仿真實驗教學貫穿了該模式的所有環(huán)節(jié)。下面簡單介紹該模式的具體實施方案。

（1）在“項目導入”環(huán)節(jié)，專業(yè)教師的活動包括：借助選定的計算機仿真實驗平臺，導入項目任務及目標、展示項目結(jié)果，讓學生對項目有一個直觀的認識，然后再布置具體的實踐任務；利用計算機仿真實驗平臺，讓學生明確自己應當完成的具體任務和完成任務后可以獲得哪些知識以及達到什么樣的技能水平；在充分考慮學生的現(xiàn)有知識和能力水平的基礎(chǔ)上，適當采取分工協(xié)作方式，安排具體的任務完成時間及成果的評定方法等。

（2）在“制定計劃”環(huán)節(jié)，學生的活動包括：通過自主學習、分工協(xié)作等方式，對具體實踐項目的目標、任務進行分析；確定任務所涉及的專業(yè)方法和技能手段，充分應用已掌握的專業(yè)知識和能力，借助計算機仿真實驗平臺，設(shè)計出仿真實驗模型幫助決策與優(yōu)化；確定仿真實驗任務的實施步驟，為仿真實驗任務的實施做好充分的準備。

（3）在“實施計劃”環(huán)節(jié)，學生的活動包括：在計算機仿真實驗平臺上，按照擬定的計劃，逐步完成實踐項目的仿真任務；在完成實踐項目仿真任務的過程中，學生通過應用所學專業(yè)知識和技能，建構(gòu)自己的專業(yè)知識，從而幫助自己養(yǎng)成專業(yè)素養(yǎng)。

（4）在“展示與評價”環(huán)節(jié)，學生的工作包括：在計算機仿真實驗平臺上展示自己的實踐項目仿真成果；參與討論和評價；通過對比分析，學生對自己的實踐項目展開進一步的仿真優(yōu)化處理。

4結(jié)語

將計算機仿真技術(shù)與項目教學、案例教學更加緊密的結(jié)合起來，能夠更好的實現(xiàn)“教、學、做”一體化，并且，在顯著改善實驗教學條件、提升實驗教學效果的同時，減少了設(shè)備消耗，尤其是耗材的使用量，節(jié)省了實驗經(jīng)費，而且克服了時間與空間上的限制，使工業(yè)工程綜合實驗課的開課率和學生的專業(yè)綜合能力得到顯著提升。計算機仿真技術(shù)在專業(yè)實驗教學方面的應用前景廣泛,值得深入研究。

作者：趙燦燦 單位：首都經(jīng)濟貿(mào)易大學安全與環(huán)境工程學院

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篇5

1.1運行案例學生在模擬教學前需對案例相關(guān)知識進行主動性學習，上課時先分組進行案例討論，然后分配角色，準備用物，角色包括患者、家屬、護士、醫(yī)生、觀察員、記錄員。根據(jù)需要模擬醫(yī)院情景，如呼吸科病房、心內(nèi)科病房等，要求虛擬仿真環(huán)境逼真度高，高逼真度的環(huán)境可為學習者提供身臨其境的沉浸感，需要在視、觸、聽覺等感知通道提供真實感的體驗，使學生在特定的臨床情景中運用多媒體、實物等實施相應的護理操作。多媒體醫(yī)學模擬仿真系統(tǒng)由先進的電腦技術(shù)驅(qū)動，通過皮膚接觸、錄音發(fā)聲，顯示人體器官功能，覆蓋人體各大系統(tǒng)的仿真技術(shù)。通過角色扮演、溝通練習和技能訓練等融為一體的情景案例演練，使學生感受到醫(yī)院氛圍，體會到患者的痛苦，體驗到護士的辛苦，提高了學生溝通能力、應變能力和團隊合作能力，加快了角色的轉(zhuǎn)變。

1.2引導性反饋將演練過程全程錄象，完畢后給學生回放，針對學習目標進行引導性反饋，讓學生對扮演的角色進行點評，通過討論和溝通，了解學生的思路。如問學生：模擬訓練中發(fā)生了什么？為什么發(fā)生？我很好奇你怎么看這件事情？你當時的想法是什么？你從這次模擬練習中學到了什么？行動后反思，進一步提高教學效果。

1.3評價效果最后由教師總結(jié)仿真教學效果，需客觀而溫和地指出每組學生演練的優(yōu)點和存在的不足，提倡使用語句有：我發(fā)現(xiàn)……，我擔心……，強調(diào)做得好的部分，欣賞學生的優(yōu)點，并且說明其原因，對不足部分，提出解決方法。并向?qū)W生介紹相關(guān)護理新知識，以便學生自學。注意不要指責和批評學生，要讓學生感到自尊。

2結(jié)果

2.1完成仿真模擬教學24學時，大部分學生能積極爭取參與，結(jié)業(yè)考試內(nèi)科成績優(yōu)良率達55%，及格率達93%。護士執(zhí)業(yè)資格考試通過率明顯提高。

2.2通過仿真模擬教學，學生自主學習能力明顯提高，護理技能得到明顯提升，開始演練時，部分學生緊張，說話不流暢，表達不清楚，操作頻繁出錯，通過反復演練，學生自信心增加，表達能力、團結(jié)合作能力大大提高。學生對教學方法認同度達89%。

3討論

3.1傳統(tǒng)的教學方法，以教師講授為主，強調(diào)知識及技能的傳授，而對實踐能力、解決問題的能力、合作能力以及創(chuàng)新能力等方面培養(yǎng)不夠；仿真模擬教學，可以培養(yǎng)學生職業(yè)關(guān)鍵能力，如計劃、決策能力等。以教師為主的授課，大部分職院學生感到?jīng)]興趣，缺自信，教師也感到困惑，教什么？如何教？仿真情景模擬教學能激發(fā)學生的學習興趣，教師通過有目的的引入或創(chuàng)設(shè)具有一定情緒色彩的臨床工作情景，讓學生置身于臨床情景中，使抽象的知識具體化、形象化、趣味化，激發(fā)學生的學習熱情，使學生在做中學，學中做，做學合一。

3.2虛擬仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的合稱，它是在多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡通信技術(shù)等信息科技迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，將仿真模擬技術(shù)應用于內(nèi)科護理教學，體現(xiàn)了課程改革下新的教學模式，學生獲得了建構(gòu)學習知識的能力，建構(gòu)主義學習理論認為：知識不是通過教師傳授獲得的，是學生在一定的情境即社會文化背景下，借助于其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資源，通過意義建構(gòu)的方式獲得。

3.3仿真模擬教學能使學生身臨其境，在安全環(huán)境下練習內(nèi)科護理操作技能，學習不對患者構(gòu)成風險，可以反復練習技能直到掌握為止，學習中體驗真實，教學過程可以控制，另外，利用編輯的多樣病例，在標準化的環(huán)境學習，學生可以學習平時較少碰見問題的處理方法，這種教學模式在醫(yī)學教育領(lǐng)域前景廣闊，如何將模擬教學整合到護理課程中，是目前護理教育工作者面臨的挑戰(zhàn)。

3.4開展仿真模擬教學，關(guān)鍵是教師的教學思想、教學理念要轉(zhuǎn)變，教師的綜合素質(zhì)要提高，教師除了具備豐富的專業(yè)理論知識外，還需具備嫻熟的操作技能，具備跨學科知識，能充當導演、編劇、醫(yī)生、護士、家屬等角色，還必需有較高的計算計水平，能編輯病案并正確使用模擬患者。面對新的教學環(huán)境和教學條件，教師必須思考和實施新的教學方法，積極培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新能力，為學生提供豐富的知識延伸。

3.5仿真模擬教學在現(xiàn)代醫(yī)護教學中的應用，對護生的技能提高和強化具有重要作用，不僅增強了護生組織能力與團隊協(xié)作能力、處理護理危機能力，也為現(xiàn)代科學護理評估機制的建立提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。在仿真模擬教學基礎(chǔ)上進行內(nèi)科護理技術(shù)考核，可以了解學生學習效果?？己丝稍趯W習期間進行，也可在實習前強化訓練完成后進行考核，考核后需及時進行評價。

篇6

關(guān)鍵詞：虛擬樣機技術(shù) 機械設(shè)計 方法研究

隨著經(jīng)濟全球化趨勢的不斷深化，國內(nèi)外的競爭越來越激烈，為了在激烈的國際和國內(nèi)競爭中占據(jù)一席之地，獲取長遠的發(fā)展，各個企業(yè)都在積極采取有效措施來提高自身的核心競爭力。對機械制造企業(yè)而言，如何在短時間內(nèi)設(shè)計出質(zhì)量高性能好的機械設(shè)備成為企業(yè)制勝的關(guān)鍵。由于虛擬樣機技術(shù)大大減少了機械設(shè)計所需的時間，因此高效利用虛擬樣機技術(shù)提高企業(yè)機械設(shè)計的效率和效果成為機械企業(yè)設(shè)計工作的重點。

一、對虛擬樣機技術(shù)的基本認識

1. 虛擬樣機技術(shù)的含義

當前世界范圍內(nèi)對于虛擬樣機技術(shù)還沒有一個統(tǒng)一的概念，總的來講虛擬樣機技術(shù)就是以依靠計算機技術(shù)而產(chǎn)生的數(shù)字模型來代替物理機械產(chǎn)品的一種新型技術(shù)。它可以如具體的物理模型那樣，對機械產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用等全過程進行比較準確的分析和測試，從而對其中存在的不足及時修正，達到機械設(shè)計的最終目的。

2. 虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)

經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展和生活水平的不斷提高，使得人們對產(chǎn)品的需求越來越多，對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量也有了更高的要求。但是在產(chǎn)品設(shè)計中，為了設(shè)計出成功的產(chǎn)品需要多次的實驗，而物理樣機制造所需的時間較長，這就直接延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期。在二十世紀九十年代，計算機技術(shù)的發(fā)展使虛擬樣機技術(shù)成為可能，逐漸彌補了這一缺陷。

3. 虛擬樣機技術(shù)的作用

在機械設(shè)計中，傳統(tǒng)的物理樣機制造不僅消耗較多的人力、物力和財力，而且對于其中存在的問題也需要花費較多的時間來進行修復。而虛擬樣機的制造成本較低、周期較多、且問題修復較為簡便，對于節(jié)約設(shè)計成本、提高設(shè)計質(zhì)量、縮短機械產(chǎn)品的研發(fā)周期具有積極的作用，有利于提高企業(yè)的核心競爭力，促進企業(yè)的健康長遠發(fā)展。

二、基于虛擬樣機的機械設(shè)計方法研究

1. 建模技術(shù)

虛擬樣機建模技術(shù)一般分為三個步驟：首先，要建立三維模型。建立三維實體模型是虛擬樣機技術(shù)得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)和前提，任何仿真技術(shù)都要從三維模型開始。在建立三維模型的過程中，一般會遇到兩個難題，一是齒輪、扇葉等機械零件的外形結(jié)構(gòu)復雜，二是約束關(guān)系較為復雜，這就要求設(shè)計虛擬樣機需要依靠專業(yè)的三維CAD軟件。其次，要為三維模型添加約束。建立三維模型后，需要依靠約束副把它們相互連接起來，從而定義物體間的相對運動。目前比較常用的CAD軟件一般都有動力或運動學插件，以實現(xiàn)約束關(guān)系與裝配關(guān)系的映射。此外，還要為三維模型施加驅(qū)動。施加驅(qū)動的目的是為了讓虛擬樣機能夠按照一定的運動規(guī)律來進行運動。

2. 協(xié)同仿真技術(shù)

仿真技術(shù)指的是在缺乏實際系統(tǒng)的情況下，實現(xiàn)活動或系統(tǒng)本質(zhì)的一種技術(shù)，是一種以模型為基礎(chǔ)的活動，它的基本框架是先建模，然后進行實驗，最后再進行分析。而協(xié)同仿真技術(shù)就是指在復雜產(chǎn)品的仿真過程中，采用多種仿真軟件來建立不同的模型，通過各種通訊方法來實現(xiàn)信息的交流，并利用求解器來進行求解，最終完成整個系統(tǒng)的仿真。

當前的仿真技術(shù)一般側(cè)重于電子、機械或控制等的單個領(lǐng)域，相互間的聯(lián)系非常少甚至是根本沒有聯(lián)系，這就很難滿足機械設(shè)計的要求?，F(xiàn)今大多數(shù)的機械研發(fā)過程需要涉及到機械、電子、液壓、控制、以及計算機軟件或硬件等多種學科領(lǐng)域，再加上產(chǎn)品本身是由多個子系統(tǒng)和零部件組合而成的，相互之間有著或多或少的聯(lián)系，單一的仿真技術(shù)不能實現(xiàn)對復雜產(chǎn)品的準確完整分析，因此必須采用協(xié)同仿真技術(shù)來實現(xiàn)對機械設(shè)計全過程的分析和評估。

3. 協(xié)同設(shè)計技術(shù)

協(xié)同設(shè)計技術(shù)是設(shè)計領(lǐng)域的一項新型設(shè)計技術(shù)，是指在計算機技術(shù)的支持和輔助下，所有設(shè)計成員對同一個設(shè)計項目，各自承擔一部分設(shè)計任務，并交互進行設(shè)計工作，從而得到一個最為符合設(shè)計要求的設(shè)計方法。協(xié)同工作的主要目標就是盡可能地縮短機械產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟和社會效益，增強企業(yè)的競爭力，促進企業(yè)實現(xiàn)更好的發(fā)展。協(xié)同設(shè)計一般需要做到以下幾點：首先，需要認知同步，建立共享的知識和語義；其次，要共同協(xié)商設(shè)計方法和策略，一般協(xié)同策略分為提案型、層次型、型、以及對等伙伴型四種類型；最后還要規(guī)劃設(shè)計的任務和方法。

4. 有限元分析

有限元是一種現(xiàn)代化的設(shè)計方法，可以比較準確地分析機械結(jié)構(gòu)件的強度和動態(tài)特征。它的主要優(yōu)點是通用性，可以求解邊界條件和結(jié)構(gòu)形狀都較為隨意的有關(guān)力學的問題，是一種比較值得信賴的計算方法，特別是對于虛擬樣機而言，是一種必不可少的工具。當前市場上有限元分析的軟件多種多樣，比較簡單方便的例如Cosmos/Works軟件。

總結(jié)：

在激烈的市場競爭中，企業(yè)要想繼續(xù)生存和發(fā)展就必須要不斷進行創(chuàng)新，提高生產(chǎn)效率。對于機械制造企業(yè)來說，機械設(shè)計是非常重要的一個部分，設(shè)計工作的好壞直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此在計算機技術(shù)高速發(fā)展的今天，進行機械設(shè)計時需要充分利用虛擬樣機技術(shù)，以適應時代和社會發(fā)展的需要，促進企業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]王建軍,張洪.虛擬樣機技術(shù)在機械設(shè)計中的應用[J]. 大眾科技. 2009(03)

[2]趙志平,李新勇.虛擬樣機技術(shù)及其應用和發(fā)展[J]. 機械研究與應用. 2006(01)

篇7

【關(guān)鍵詞】工程仿真機；DCS level 1；DCS level 2

0 前言

計算機仿真技術(shù)在核動力領(lǐng)域的應用已經(jīng)非常廣泛，包含核電嚴重事故分析，核設(shè)備設(shè)計、核電設(shè)計驗證、核電培訓、核電機組調(diào)試、核動力相關(guān)實驗等等。在這些應用中各有特點：核電嚴重事故分析方面要求仿真精度高；核設(shè)備設(shè)計注重力學分析、傳熱計算等；核電設(shè)計驗證強調(diào)靈活性高、適應性強；核電培訓要求逼真度高，范圍全、實時性好；核電機組調(diào)試可用到仿真技術(shù)代替實際設(shè)備，以實現(xiàn)對儀控系統(tǒng)的調(diào)試；核相關(guān)實驗利用了軟件模擬各種現(xiàn)實情景，為實物實驗增添了擴展空間。

用于核電設(shè)計驗證工程仿真機在核電驗證中的應用已經(jīng)有了多個實例（如方家山、福清、昌江核電機組中的儀控設(shè)計驗證）。用工程仿真機來輔助設(shè)計、驗證設(shè)計已經(jīng)是目前成熟的技術(shù)手段。它可以是全范圍工程仿真機，也可以是小范圍的桌面型仿真機?？捎糜趦x控系統(tǒng)的操作和信息管理層設(shè)計驗證、儀控系統(tǒng)的控制和保護層設(shè)計驗證、工藝系統(tǒng)改進驗證、運行規(guī)程驗證等等。本文主要收集和分析實現(xiàn)工程仿真機的仿真技術(shù)。

1 工程仿真機的架構(gòu)

工程仿真機就仿真技術(shù)可以分為兩個部分，工藝系統(tǒng)部分和儀控系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)，包括現(xiàn)場重要設(shè)備（如反應堆，蒸汽發(fā)生器）、泵閥通用設(shè)備、管道、測試儀表等。儀控系統(tǒng)又可以分為兩層，儀控系統(tǒng)的控制和保護層（DCS level 1），包括設(shè)備控制、安全保護等儀控系統(tǒng)的控制和保護層；儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層（DCS level 2），包含DCS人機交互的操作界面、信息監(jiān)視界面等。

工藝系統(tǒng)基本上是用仿真工具進行建模，實現(xiàn)方式大同小異。目前主流的方法較過去的進步就是實現(xiàn)了圖形化，將設(shè)備、管道在建模工具上作為部件使用，按照電廠系統(tǒng)流程圖繪制，然后生成代碼。

儀控系統(tǒng)的控制和保護層差異較大，實現(xiàn)方法目前可分為如下幾種方式：手動建模、翻譯仿真、DCS虛擬機、實物仿真。

儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層的實現(xiàn)一般有兩條途徑：實物仿真或用其它軟件進行模擬開發(fā)，完成與實際人機交互軟件相同功能的軟件開發(fā)。

2 工程仿真機的實現(xiàn)方式

工程仿真機的實現(xiàn)方式從仿真構(gòu)架上來說就是將上述提到的工藝系統(tǒng)、DCS level 1、DCS level 2分別實現(xiàn)。同時在整個構(gòu)架中需考慮三層之間的實時數(shù)據(jù)交換及命令的傳遞與執(zhí)行等，下面分別介紹工藝系統(tǒng)、DCS level 1、DCS level 2的實現(xiàn)方式。

2.1 工藝系統(tǒng)實現(xiàn)

底層工藝系統(tǒng)一般用仿真工具進行建模，目前主流的方法基本上是圖形化建模，按照電廠系統(tǒng)流程圖繪制成流網(wǎng)圖，然后生成代碼。本文舉一個建模平臺的例子以說明：

通用仿真平臺包含多個子軟件，這里介紹其中較核心的三個：

仿真支撐軟件是模擬機開發(fā)和運行的基礎(chǔ)，它包括以全局共享數(shù)據(jù)庫為核心的多個進程，提供對仿真模型軟件開發(fā)與調(diào)試、系統(tǒng)集成、仿真機實時運行與維護等仿真機全壽期的支持。仿真支撐軟件的主同步程序用于各實時執(zhí)行程序（模型軟件）的調(diào)度和共享內(nèi)存數(shù)據(jù)交換機制的維護，包括實現(xiàn)對控制集合和I/O讀寫進程的調(diào)度，以及與通訊進程間的數(shù)據(jù)交換。工程仿真機的模型軟件基于主同步程序進行調(diào)度。

通過對電廠流程圖的簡單分析，可以繪制為對應的流網(wǎng)圖，圖中各部件根據(jù)設(shè)計資料填入?yún)?shù)，完成后生成執(zhí)行碼。將所有要模擬的范圍照這個方式完成流網(wǎng)圖即完成了工藝系統(tǒng)層仿真的主要工作。

2.2 儀控系統(tǒng)的控制和保護層（DCS level 1）實現(xiàn)

工程仿真機儀控系統(tǒng)的控制和保護層（DCS level 1）的實現(xiàn)方法比較多樣，目前可分為如下幾種方式：手動建模、翻譯仿真、DCS虛擬機、實物仿真。

2.2.1 手動建模

正向控制邏輯建模所參考的數(shù)據(jù)是由設(shè)計單位提供的圖紙，設(shè)計圖紙并是不是組態(tài)圖，只反映了控制原理。

設(shè)計圖上使用到的控制部件僅包含單一的功能，且沒有詳細規(guī)定算法的變量名，部件和部件間的數(shù)據(jù)傳遞也僅僅標注了方向。設(shè)計圖紙是一種示意圖，用于傳達基本的控制設(shè)計，工程仿真機的實現(xiàn)方需要根據(jù)自身對于設(shè)計圖紙的理解，使用仿真平臺的通用基本部件來實現(xiàn)控制設(shè)計。

控制模型工程師對于控制設(shè)計理解的正確性會直接影響到最終的控制邏輯的正確性。τ詵鍬嘸部件，則需要根據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)試，方能確定合適的參數(shù)。

2.2.2 虛擬機實現(xiàn)方法

虛擬機實現(xiàn)方法的優(yōu)點在于能夠直接使用DCS組態(tài)的文件，能夠和DCS組態(tài)保持完全的一致性，具有相同的響應，模擬精確度是最高的，而且也節(jié)省了二次開發(fā)的工作量。但是采用虛擬機的方法實現(xiàn)工程仿真機的模擬有其局限性，一般來說虛擬機的模擬方式只能由DCS廠商自己實現(xiàn)。因為不同的DCS廠商進行組態(tài)后下裝的文件是不一樣的，文件的內(nèi)容和格式都是由廠商自定義的，對于其他使用者來說是基本無法解析的黑匣子。DCS廠商的組態(tài)下裝文件只能被其自主開發(fā)的平臺所解析并調(diào)用，很難與其他的平臺相融合，也就很難做到在其他的仿真平臺上正常運行。而且考慮到新建電廠DCS完成的時間進度要求遠遠晚于工程仿真機完成的時間要求，所以如果要滿足工程仿真機用于設(shè)計驗證，則要求DCS組態(tài)時間必須提前，這樣是不合理的，會造成正確性和完整性降低等一系列問題。

2.2.3 實物仿真實現(xiàn)方法

實物仿真即采購與仿真對象完全一致的軟硬件，型號和個數(shù)需要達到一一對應的關(guān)系。相當于將實際DCS的設(shè)備用于制造工程仿真機，這種方式實現(xiàn)的工程仿真機最接近實際核電站，最具有說服力。控制邏輯、操作界面完全一致，僅現(xiàn)場設(shè)備和流網(wǎng)需用傳統(tǒng)的仿真平臺進行模擬，并與實際DCS進行數(shù)據(jù)傳輸。但其造價很高，且實現(xiàn)凍結(jié)、重演等仿真機的重要功能也比較困難，核電站的工程仿真機很少采用實物仿真的實現(xiàn)方法。

2.2.4 翻譯仿真的實現(xiàn)方法

除了三種主流的工程仿真機實現(xiàn)方法，在特定條件下，可以采用翻譯的實現(xiàn)方式。翻譯是介于正向全仿和擬機之前的實現(xiàn)方法，用翻譯的方法進行模擬的首要條件是翻譯源文件的獲取。翻譯源文件并不是DCS組態(tài)下裝的文件，但是其包含了DCS組態(tài)的所有信息，且能夠被正確的解析。因為翻譯沒有正向組態(tài)的過程，所以采用翻譯方法能夠模擬的范圍取決于翻譯源文件所包含內(nèi)容的范圍。如果要實現(xiàn)全范圍仿真，則必須得到核電站進行了完整的DCS組態(tài)之后。

2.3 儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層（DCS level 2）實現(xiàn)

儀控系統(tǒng)的操作和信息管理層的實現(xiàn)一般有兩條途徑：實物仿真或進行軟件開發(fā)。

2.3.1 DCS level 2實物仿真

DCS level 2實物仿真與DCS level 1的實物仿真方式一樣，由DCS供應商直接對軟件進行適應性開發(fā)，使其可以與DCS level 1及底層工藝系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞和命令執(zhí)行。

實物仿真方式優(yōu)點是界面和操作感受完全一致，功能驗證可信度很高。但因其供貨的單一性，造價通常比較高，且多因商業(yè)動作存在一定的技術(shù)壁壘。

2.3.2 DCS level 2軟件開發(fā)

DCS level 2軟件開發(fā)就是對已知的界面、功能進行開發(fā)，達到設(shè)計要求或與已有的實際DCS level 2一致。這里就存在兩種情況，一種是在實際DCS還未出現(xiàn)時，僅有設(shè)計理念或設(shè)計文件支撐，另一種情況就是已經(jīng)有了目標DCS level 2，對它進行依照開發(fā)。這兩種情況從技術(shù)手段來說沒有本質(zhì)區(qū)別。

軟件開發(fā)方式實現(xiàn)的優(yōu)點是靈活性較高，在DCS level 2尚在設(shè)計階段就可以實施，不同的階段逐步變化，對DCS level 2設(shè)計前期有較大的作用。缺點是在實際DCS level 2成形后，開發(fā)出來的版本與實際版本不可避免有一些細微的差別，用于驗證的可信度稍欠。

下面就DCS level 2的軟件開發(fā)架構(gòu)進行簡要說明。DCS level 2軟件可分為三個基本層次，定義為：

1）界面層：為運行在OWP（Operator Work Panel，操作員工作臺）上的軟件，主要為操作員人機交互界面。

2）功能層：運行在OWP上，作為界面和數(shù)據(jù)服務、通信服務的接口，解除了系統(tǒng)服務軟件和界面的耦合性。

3）數(shù)據(jù)服務層：為各種DCS功能提供全局服務，例如DCS level 1的數(shù)據(jù)接口軟件為level 2提供Level 1的實時數(shù)據(jù)。

3 小結(jié)

用于驗證的仿真技術(shù)多種多樣，主流方法也各有優(yōu)缺點，適用于驗證的各種目的、時期、場合。下表是各技術(shù)方法的分析總結(jié)。

表1 仿真方法總結(jié)

【參考文獻】

[1]曲鳴.數(shù)字化儀控系統(tǒng)設(shè)計驗證平臺總體設(shè)計說明書[S].

[2]魯星言.基于翻譯技術(shù)的壓水堆核電站DCS level 1仿真實現(xiàn)[J].

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被動安全主要是指汽車在不可避免的情況下所發(fā)生的交通事故，能夠在事故發(fā)生時保護車內(nèi)的駕駛?cè)藛T以及其他人員的安全，或者將傷害降低到最小，此時，就需要反復的進行計算機試驗研究才能將損害降低最低，達到最大的優(yōu)化利益。由于這種試驗相對成本較高，所以不能經(jīng)常性的做實車碰撞試驗，只能根據(jù)計算機的方式進行測試，當試驗到一定階段的時候才能進行實車碰撞試驗，這在很大程度上就降低了成本。實車碰撞結(jié)果產(chǎn)生的問題，計算機會自動根據(jù)實際情況進行安全設(shè)計改良與革新，最終將導致研發(fā)周期的延長。為此，計算機模擬技術(shù)在汽車被動安全中是十分重要的。

2基于MATLAB/Simulink的仿真分析

MATLAB/Simulink是對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的一個軟件包，也可以稱之為一體化仿真環(huán)境。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)及連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。在MATLAB/Simulink環(huán)境下，系統(tǒng)模型可以根據(jù)實際結(jié)構(gòu)搭建，調(diào)整方便，結(jié)果輸出直觀。Advisor不僅可以對傳統(tǒng)汽車(包括輕型車和重型車)進行仿真，而且對電動汽車(包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車)也可以進行仿真分析，可以預測多種循環(huán)工況下的車輛性能、能量消耗、排放、控制策略實施情況以及零部件的效率。

3硬件在環(huán)仿真分析

硬件在環(huán)仿真，最初應用在結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴的系統(tǒng)的開發(fā)和測試上，是將被仿真系統(tǒng)的一部分用數(shù)學模型描述，并把它轉(zhuǎn)化為仿真計算模型，其他部分以實物(或物理模型)方式引入仿真回路，可以對虛擬運行環(huán)境中的設(shè)備進行逼真的模擬，其特點是實時性。這種定義比較早的“半實物仿真”定義更準確。通常硬件在環(huán)仿真的輸入和輸出是連續(xù)的或模擬的，在這種情況下，連續(xù)的輸入必須使用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字的形式。這種仿真可以充分發(fā)揮物理仿真和數(shù)學仿真的優(yōu)越性，避免各自缺點。硬件在環(huán)仿真環(huán)境實現(xiàn)了物理硬件和軟件模型的互換，從而可以在原型車不存在的情況下進行部件或整車的仿真，也可以對潛在的部件及其組合方案進行評價、篩選，直到確定最優(yōu)方案。功能強大的高逼真度HIL實時仿真不僅可以縮短開發(fā)周期，加快了產(chǎn)品上市速度，而且由于測試期間無需使用實際硬件而降低了設(shè)備成本以及相關(guān)的維護成本。HIL仿真最顯著的優(yōu)點是可以對實際情況進行模擬，而不會產(chǎn)生實際危險。

4虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是二十世紀八十年代末開始新型的一種實用技術(shù)，采用計算機技術(shù)進行視聽覺融為一體的，在某種特定環(huán)境下，進行的一種虛擬環(huán)境試驗，這種試驗就如同親臨現(xiàn)場般一樣真實。隨著科學技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，這種技術(shù)不斷地被應用于汽車工程建設(shè)之中，并推動了汽車工程建設(shè)的發(fā)展。利用虛擬技術(shù)可以將汽車進行數(shù)字化，然后將其模擬的環(huán)境結(jié)合起來，用真實的駕駛員進行一種仿真模擬駕駛，駕駛員可以真實感受到汽車的振動，噪音等就如同在現(xiàn)實生活中一樣，同時，可以進行各種危險技術(shù)的模擬實驗，所有這一系列的數(shù)據(jù)參數(shù)以及結(jié)果都將在虛擬技術(shù)中得以體現(xiàn)，這樣不僅僅實現(xiàn)了虛擬技術(shù)的現(xiàn)代化，更加節(jié)省了投資，可以反復的使用，測試，并不存在任何的風險。

5高層體系結(jié)構(gòu)技術(shù)

高層體系結(jié)構(gòu)技術(shù)是美國在1995年提出來的一種構(gòu)件計算機仿真技術(shù)的建模技術(shù)，最顯著的特征就是可以通過應用層將與環(huán)境分離，最大限度的利用新技術(shù)進行標準的服務功能，該系統(tǒng)也有較強的適應能力，這種技術(shù)在汽車工程中得到了廣泛的使用，隨著不斷變化發(fā)展與完善，并逐漸應用于航空航天等事業(yè)。無人駕駛飛機就是在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這種虛擬訓練與交通工程仿真技術(shù)不斷的結(jié)合，并越來越完善。

6結(jié)束語

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關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;模擬;仿真;職業(yè)教育

中圖分類號： G63 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）30-147-2

1 工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

目前國內(nèi)機器人企業(yè)接近400家，間接從事機器人的企業(yè)約4000家;國家高新區(qū)近40家規(guī)劃了機器人產(chǎn)業(yè)園區(qū);有36個城市將機器人產(chǎn)業(yè)列為重點發(fā)展對象;從事機器人相關(guān)的研究院所300余家。

工業(yè)機器人作為一種新型勞動力正改變著制造業(yè)的用工模式，以人為主的生產(chǎn)模式正逐漸向以機器人為主的模式轉(zhuǎn)變。工業(yè)機器人性價比越來越高、投資回報周期的縮短使得企業(yè)用機器人替代人類的愿望越來越強烈。

過去機器人主要用于汽車制造行業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)開始用在毛坯制造、機械加工、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配檢測及自動化物流倉儲作業(yè)等過程中。機器人作為一種標準自動化設(shè)備得到廣泛應用。社會、企業(yè)對機器人生產(chǎn)線設(shè)計、集成、安裝、維護、使用、操作等作業(yè)人才的需求極為迫切。這對機器人教學方式和教學效果提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

我國已經(jīng)成為工業(yè)機器人第一生產(chǎn)國和消費國并且依然在快速增長，但是工業(yè)機器人行業(yè)整體水平還很落后?，F(xiàn)階段我國工業(yè)機器人密度平均30臺/萬人，而歐美日等國家工業(yè)機器人密度達到150-350臺/萬人。

2 工業(yè)機器人工程技術(shù)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

工業(yè)機器人市場以每年30%的速度增長，很多企業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級，轉(zhuǎn)換生產(chǎn)方式也迫切需要大量專業(yè)的技術(shù)型人才來提供保障而且目前相應的人才儲備數(shù)量和質(zhì)量遠遠滿足不了社會需求。

工程教育與產(chǎn)業(yè)需求依然存在脫節(jié)現(xiàn)象而且產(chǎn)業(yè)需求的專業(yè)和課程設(shè)置反應不夠迅速，人才培養(yǎng)跟不上產(chǎn)業(yè)發(fā)展的節(jié)奏。企業(yè)需要大量人力財力進行再次培訓，但是存在人力流失率很高，以至于企業(yè)不愿培養(yǎng)的普遍現(xiàn)象。產(chǎn)教融合、校企合作機制不完善，企業(yè)往往缺乏參與的積極性、校企互動深度不夠。

師資隊伍實踐經(jīng)驗不足，經(jīng)驗豐富的工程人才從企業(yè)到高校的流動存在很多壁壘。

未來8年內(nèi)機器人相關(guān)行業(yè)崗位需求200萬人左右，工信部規(guī)劃，2020年中國機器人保有量達100萬臺，需要20萬專業(yè)人員，研發(fā)人員約15000人，行業(yè)工程師約20000人，因此人才缺口巨大。

3 工業(yè)機器人職業(yè)教育過程中存在的問題

機器人教學設(shè)備昂貴，學校無法大量購買，導致教學資源有限，而機器人教學設(shè)備數(shù)量有限，導致很多學生沒有真正的實踐機會，達不到教學的目的。機器人教學過程中存在誤操作容易損壞設(shè)備，因此老師會要求學生按照指定的步驟操作或者只在規(guī)定的范圍內(nèi)做一些簡單的練習，這樣大大降低了學生的積極性和學習效果。最后在工程中也存在機器人工作區(qū)域可達性、夾具設(shè)計可靠性等無法驗證機器人編程、調(diào)試周期長、程序優(yōu)化煩瑣等問題。

4 工業(yè)機器人模擬仿真技術(shù)應用背景

模擬仿真技術(shù)可以很好地解決以上問題！ 由機器人模擬仿真軟件和實際的控制器、示教器構(gòu)成一個完整的模擬仿真系統(tǒng)。該統(tǒng)在沒有實際機器人本體的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備間的實時通訊，操作示教器便可控制仿真軟件中虛擬機器人運動;同時使用者在示教器上編程，仿真軟件中虛擬機器人可再現(xiàn)程序的運行軌跡。這樣，借助于模擬系統(tǒng)，使用者既可以熟練掌握機器人操作，又可以掌握機器人編程。

5 工業(yè)機器人模擬仿真技術(shù)簡介

工業(yè)機器人模擬仿真技術(shù)是通過計算機運行軟件對實際的機器人系統(tǒng)進行仿真模擬。機器人模擬仿真主要是對機器人的動力學、運動學、軌跡規(guī)劃、控制算法分析研究及工作站設(shè)計、碰撞檢測、離線編程等。充分發(fā)揮工業(yè)級數(shù)字化仿真、先進虛擬制造技術(shù)軟硬件設(shè)備可以有效解決實訓設(shè)備短缺的瓶頸。

工業(yè)級的仿真已經(jīng)被世界上很多企業(yè)廣泛地應用到工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，對企業(yè)提高開發(fā)效率，加強數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業(yè)風險起到了重要的作用。學校在教學活動充分利用工業(yè)仿真、虛擬制造等技術(shù)可及時了解和學習先進制造技術(shù)相關(guān)技能，并解決學校開展教學活動高端實訓設(shè)備不足的問題。

6 國內(nèi)主要模擬仿真軟件介紹

機器人本體生產(chǎn)廠家的軟件主要有ABB的 RobotStudio、Fanuc的RoboGuide、KUKA的KUKASim等。通用類的模擬仿真軟件有RobotMaster、Robosim 、RobCAD 、Delmia等。

RobotStudio是ABB制作的一款面向ABB機器人變成的仿真模擬軟件，其軟件的優(yōu)點是虛擬示教器和真實示教器具有相同的功能，便于學習操作ABB機器人;RobotStudio軟件集成了建模、編程、仿真等功能，功能比較全面。但是RobotStudio最大的缺點是只支持ABB機器人，機器人間的兼容性差。機器人本體廠商的仿真軟件都有相似的特點。

RobotMaster是由加拿大軟件公司Jabez研發(fā)的主要用于焊接、打磨、拋光、去毛刺等應用的工業(yè)機器人模擬仿真軟件。軟件的特點是軌跡優(yōu)化功能，運動學規(guī)劃和碰撞檢測非常精確支持外部軸，如直線導軌系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)支持大多數(shù)品牌的機器人，但是它不支持多機器人同時模擬仿真。

Robosim簡介：Robosim主要用于教學培訓和工業(yè)應用。教學培訓主要針對機器人的操作、編程。工業(yè)應用主要針對搬運、碼垛、打磨、焊接等應用的模擬仿真。Robosim的優(yōu)點是支持機器人運動學建模、軌跡規(guī)劃，并且持基于python的二次開發(fā)，支持大多數(shù)品牌的機器人。Robosim的缺點是不支持建模功能。

7 工業(yè)機器人職業(yè)教育中的模擬仿真技術(shù)應用的意義

許多學校機器人教學中可能存在以下問題：機器人資源有限，卻沒有充足的資金購買大量的機器人，但是教學人又必須有大量的機器人滿足學生同時使用的需求;機器人教學過程中存在誤操作容易損壞設(shè)備，也存在安全隱患;同時學生在學習過程中機器人工作區(qū)域可達性、夾具設(shè)計可靠性等無法驗證，機器人編程、調(diào)試周期長、程序優(yōu)化煩瑣。

而機器人仿真技術(shù)恰好能有效地解決這些問題，因為模擬仿真技術(shù)可以彌補學校機器人教學資源不足的缺點，機器人初學者可以通過模擬仿真系統(tǒng)快速掌握機器人（操作、編程、調(diào)試），為項目的前期方案規(guī)劃提供技術(shù)支持，驗證機器人工作區(qū)域的可達性、工作夾具的可靠性、運用到工業(yè)中也可以縮短了機器人編程調(diào)試周期、縮短了項目周期，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量。

8 工業(yè)機器人職業(yè)教育中的模擬仿真技術(shù)應用

大專院校組建機器人實驗室時可以只需要在教室廠房只放置1-2臺機械手，多臺電腦安裝機器人虛擬系統(tǒng)或模擬軟件。學生可以在電腦仿真軟件上對機器人進行編程并在仿真環(huán)境下調(diào)試運行。當學生調(diào)試完成，并在老師檢查無誤安全后可以聯(lián)網(wǎng)下載到機械手并運行。通過這樣的方式機能保證學生的人身安全、教學效果又能解決許多學校建立機器人實訓室的資金問題。這對于院校希望快速經(jīng)濟的建立機器人實訓是一個很好的方案。

參 考 文 獻

[1] 蔡自興，郭[.中國工業(yè)機器人發(fā)展的若干問題[J].機器人技術(shù)與應用，2013（03）.

篇10

關(guān)鍵詞：計算機仿真；虛擬樣機；試驗；基于仿真的采辦；裝備采辦

引言

從20世紀90年代開始，美國國防部為了更好、更快、更省地采購和部署滿足21世紀軍事需求的武器系統(tǒng)，進行了一系列卓有成效的防務采辦改革，提出了基于仿真的采辦（Simulation Based Acquisition，SBA）的概念?；诜抡娴牟赊k的核心思想是通過采用建模與仿真技術(shù)，以并行、迭代、柔性的思想指導武器系統(tǒng)的開發(fā)與采辦，實現(xiàn)武器系統(tǒng)全生命周期各階段的協(xié)同工作，是對傳統(tǒng)采辦在過程、支持環(huán)境和采辦文化上的變革與創(chuàng)新。經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展，基于仿真的采辦得到美國軍方和工業(yè)界的充分肯定，他們認為，基于仿真的采辦可為切實縮短武器裝備的研制周期、減少資源消耗、降低采辦風險、提高裝備質(zhì)量。

虛擬樣機（Virtual Prototype，VP）是基于仿真的采辦中的一個重要概念，是建模與仿真技術(shù)在其中的一個最重要的應用形式。它利用虛擬樣機代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試、評估和人員訓練，成為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，提高面向客戶與市場需求能力的重要手段。

隨著高新技術(shù)成果大量地應用于武器裝備，武器裝備變得越來越復雜。傳統(tǒng)的串行采辦過程，論證方、用戶方、研制方和評估方分離的采辦制度將很難適應未來武器裝備的發(fā)展需求。因此，可以借鑒美軍基于仿真的采辦的成功經(jīng)驗，以并行、迭代、柔性的思想指導武器裝備的開發(fā)與采辦，用虛擬樣機代替物理樣機參與武器裝備的預研、方案論證、工程研制、定型試驗等過程階段的試驗與評估，并將試驗與評估的結(jié)果直接反饋于武器裝備的設(shè)計與研制，通過并行、迭代、柔性的方式不斷地改進和完善武器裝備的設(shè)計，更好地適應與滿足未來不斷變化的軍事作戰(zhàn)需求，降低武器裝備的開發(fā)風險和開發(fā)成本，縮短研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1虛擬樣機技術(shù)

根據(jù)美國國防部建模與仿真辦公室（DefenseModeling and Simulation office，DMSO）的定義，武器裝備的虛擬樣機是指在需求分析、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、演示驗證等階段使用的、代替武器裝備實物樣機的數(shù)字模擬產(chǎn)品。虛擬樣機將建模與仿真技術(shù)擴展到新產(chǎn)品研制開發(fā)的全過程。它以計算機支持的協(xié)同工作為技術(shù)基礎(chǔ)，通過支持協(xié)同工作、CAD、CAM、建模與仿真、產(chǎn)品分析、計算可視化、虛擬現(xiàn)實的計算機工具，將各個集成化產(chǎn)品小組（IntegratedProduct Team，IPT）的設(shè)計與分析人員聯(lián)系在一起，共同完成新產(chǎn)品的概念探討、運作分析、初步設(shè)計、詳細設(shè)計、可制造性分析、性能評估、生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)管理等工作。

利用虛擬樣機代替物理樣機，可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)和測試成本，改進設(shè)計質(zhì)量。利用虛擬樣機，可使產(chǎn)品的設(shè)計者、使用者和評估者在產(chǎn)品研制的早期，在虛擬環(huán)境中，直觀形象地對虛擬樣機進行優(yōu)化設(shè)計、性能測試、制造和使用仿真，對啟迪設(shè)計創(chuàng)新、減少設(shè)計錯誤有著重要意義。

1.1虛擬樣機技術(shù)的特點

1.1.1虛擬樣機在產(chǎn)品的全生命周期中是不斷進化的

李伯虎院士等學者認為，利用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)虛擬樣機的過程，實質(zhì)上是一種產(chǎn)品全生命周期基于模型的不斷提煉與完善的過程。不僅如此，作者還認為，在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，隨著論證方、研制方、使用方和評估方對產(chǎn)品認識的不斷加深，虛擬樣機的開發(fā)是一個不斷進化、不斷完善的過程。虛擬樣機經(jīng)過不斷地迭代，逐步完善，逐漸逼近最終的實際物理樣機，最后研制方根據(jù)最終的虛擬樣機生產(chǎn)制造出滿足設(shè)計目標的物理樣機。

在進行系統(tǒng)論證時，由于對產(chǎn)品的認識還不深入，論證方僅僅能夠勾勒出產(chǎn)品的大概輪廓，提出產(chǎn)品的主要戰(zhàn)技指標要求，對于虛擬樣機的許多細節(jié)，暫時還無法進行確定。當進行系統(tǒng)設(shè)計時，隨著對產(chǎn)品設(shè)計的全面展開，虛擬樣機的細節(jié)逐步豐滿，產(chǎn)品的組成、工作流程、內(nèi)外部接口等內(nèi)容不斷豐富，虛擬樣機得到了初步地進化與完善。在后續(xù)的虛擬制造、虛擬試驗、虛擬使用等環(huán)節(jié)，制造方、試驗方和使用方會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在論證與設(shè)計中的許多問題與缺陷，不斷地提出產(chǎn)品的改進意見。這些都反饋到產(chǎn)品的論證方與設(shè)計方，對虛擬樣機的設(shè)計進行修改完善，實現(xiàn)虛擬樣機的不斷進化，最后形成最終的虛擬樣機產(chǎn)品，如圖1所示。

1.1.2虛擬樣機成為論證方、用戶方、研制方和評估方之間直觀的交流語言

以往，產(chǎn)品的論證方、用戶方、研制方和評估方之間的交流主要通過各種文書實現(xiàn)，包括研制任務書、設(shè)計方案、設(shè)計圖樣、試驗報告和使用說明書等文件。一方面，這些文件數(shù)量龐大，讀完并理解需要耗費較長時間；另一方面，這些文書不直觀，各方對文書的理解存在偏差，很難使各方對產(chǎn)品形成統(tǒng)一完整的認識。這些不利于各方之間的交流溝通，也直接影響到武器裝備的作戰(zhàn)使用。

利用虛擬樣機，就很容易使各方對產(chǎn)品的認識具體化，形象化。論證方向研制方說明研制目標和要求時，可以將其論證的虛擬樣機運行于仿真作戰(zhàn)環(huán)境中，直觀形象地展現(xiàn)武器裝備的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)目標、作戰(zhàn)過程、使用要求、戰(zhàn)技指標等，使雙方溝通更通暢，更容易達到一致的認識；當用戶培訓操作手時，就可以直接利用虛擬樣機，這樣不僅能夠比較容易地發(fā)現(xiàn)武器裝備的設(shè)計問題和缺陷，而且武器裝備的技術(shù)特點、使用特點也會直觀立現(xiàn)，也使得部隊能夠在戰(zhàn)時更好地運用武器裝備，使用武器裝備。

1.1.3虛擬樣機利于增量式開發(fā)的實現(xiàn)

增量式開發(fā)是指，已經(jīng)識別了武器裝備的預期能力，對于其終能力的需求是明確的。最終能力需求是可以通過多次增量開發(fā)得到滿足，但武器裝備的每次增量開發(fā)取決于當前的技術(shù)成熟度。這是為了平衡技術(shù)成熟度和研發(fā)風險、費用以及用戶能力需求緊迫性之間的關(guān)系。這樣就允許核心作戰(zhàn)能力可以快速投入戰(zhàn)場來滿足作戰(zhàn)需求。這種策略可以隨著技術(shù)的逐步成熟，將作戰(zhàn)能力以連續(xù)增量的方式投入戰(zhàn)場。增量式開發(fā)可以加快技術(shù)進步到戰(zhàn)斗生成之間的轉(zhuǎn)化，縮短武器裝備的采辦周期，形成“研制一批、生成一批、裝備一批”的武器裝備持續(xù)發(fā)展局面，使得關(guān)鍵技術(shù)進步可以快速形成戰(zhàn)斗力。

虛擬樣機的并行、迭代、柔性的開發(fā)過程與增量式的開發(fā)過程非常吻合，使增量式開發(fā)的過程較容易實現(xiàn)。另一方面，虛擬樣機的模型復用技術(shù)也可以與增量式開發(fā)相結(jié)合，在增量式的開發(fā)過程中大量地使用模型復用技術(shù)，進一步加快開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，快速技術(shù)進步向戰(zhàn)斗力的轉(zhuǎn)換。

1.2虛擬樣機技術(shù)的應用

目前虛擬樣機技術(shù)已經(jīng)顯示出其強大的生命力，廣泛的應用于航空、航天、車輛、機械等領(lǐng)域。波音777就是一個采用虛擬樣機技術(shù)的典范，它首次采用虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)了包含300萬個零件的波音777飛機全過程無圖紙設(shè)計。在11個月的時間里，設(shè)計小組利用虛擬樣機完成了751個飛行小時的機翼測試，730個地面小時的飛行性能測試，1088個飛行小時的推進器性能測試，770個飛行小時的飛行穩(wěn)定性測試，830個地面小時的飛行開發(fā)，1280個飛行小時用于ETOP，913個地面小時用于系統(tǒng)驗證，共8384個測試小時，他們耗費了最短的時間進行了歷史上最長時間的測試，減少了94%的費用和93%的設(shè)計更改。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)與武器系統(tǒng)的結(jié)合也越來越緊密。例如美國麥道公司采用虛擬樣機技術(shù)研究F/A-18戰(zhàn)斗機的發(fā)動機裝配問題，可以在30分鐘內(nèi)確定發(fā)動機是否能夠完全適應飛機及維修設(shè)備的需要；美國研制第4代戰(zhàn)斗機F22的過程中，虛擬樣機試驗與評估以及風洞試驗的經(jīng)費比是6：4；美國“響尾蛇”空空導彈的三個型號，由于采用了虛擬樣機技術(shù)，靶試的實彈數(shù)由129發(fā)減少到35發(fā)；在“愛國者”、“羅蘭特”和“尾刺”地空導彈的研制過程中，節(jié)省研制經(jīng)費10%～40%，縮短研制周期30%～40%，這三個地空導彈的靶試情況如表1所示。

李伯虎院士等人是在國內(nèi)較早開展虛擬樣機研究的技術(shù)團隊之一。他們基于國家863/CIMS航天并行工程項目，開展了復雜系統(tǒng)的虛擬樣機技術(shù)研究、應用與初步實踐，并開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬樣機支撐平臺，并將虛擬樣機技術(shù)成功地應用于航天飛行器的設(shè)計與制造。

另外，虛擬樣機技術(shù)在國內(nèi)已成功地應用于導彈、火炮、輕武器等武器系統(tǒng)的設(shè)計與制造領(lǐng)域，也成功應用于機器人、數(shù)控機床、拖拉機等裝備的設(shè)計與制造領(lǐng)域，甚至也應用于過山車和乒乓球發(fā)球機等娛樂設(shè)備的設(shè)計與制造領(lǐng)域。

2虛擬樣機試驗

2.1虛擬樣機試驗可以使傳統(tǒng)的串行采辦過程并行化

由圖2可知，傳統(tǒng)的采辦過程是一種串行的采辦過程，裝備試驗與評價活動并未貫穿裝備的整個采辦壽命周期，主要處于工程研制階段之后，生產(chǎn)部署之前。傳統(tǒng)的裝備試驗與評價活動基本上是以單件裝備型號產(chǎn)品為試驗對象，試驗目的基本上是為了檢驗裝備型號產(chǎn)品的各個單項性能指標是否達到了初始設(shè)計要求。利用虛擬樣機試驗就可以將傳統(tǒng)的串行采辦過程轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐖D3所示的并行的采辦過程。

2.2虛擬樣機可以彌補試驗時物理樣機數(shù)量上的不足

一般來說，裝備在進行定型試驗之前，生產(chǎn)的數(shù)量都極少，不能滿足今后體系效能試驗的數(shù)量要求。由于經(jīng)費、生產(chǎn)能力等方面的原因，研制方又不可能生產(chǎn)出符合體系效能試驗數(shù)量要求的裝備。因此，在體系效能試驗之前，對虛擬樣機進行驗模與評估，確保虛擬樣機能夠代替物理樣機參加試驗；試驗時，利用虛擬樣機代替部分物理樣機，構(gòu)建體系效能試驗環(huán)境，驅(qū)動試驗運行；試驗后，對虛擬樣機和物理樣機的表現(xiàn)進行綜合分析，評估裝備的體系對抗效能。

2.3可以將LVC仿真資源進行綜合集成構(gòu)建逼真的虛擬樣機試驗環(huán)境

仿真資源通?？煞譃檎鎸崳↙ive）、虛擬（Virtual）和構(gòu)造（Constructive）3種。真實仿真資源是指在部分虛擬的環(huán)境中由真實的人操作真實的裝備；虛擬仿真資源是指在虛擬環(huán)境中由真實的人操作虛擬的裝備；構(gòu)造仿真資源是指在虛擬環(huán)境中由虛擬的人操作虛擬的裝備。在裝備的論證、研制、試驗和使用過程中，產(chǎn)生了大量的IVC仿真資源，這些資源面向不同的仿真應用，滿足了不同的仿真需求。在進行虛擬樣機試驗時應很好地繼承LVC仿真資源，面向?qū)崙?zhàn)，進行綜合集成，構(gòu)建逼真的虛擬樣機仿真試驗環(huán)境。