可视化技术研究范文
时间：2023-06-15 17:40:03
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篇1
关键词：油田；注水系统；可视化技术
中图分类号：TB
文献标识码：A
文章编号：16723198（2013）01019401
以科学计算可视化作为基础发展起来的可视化技术，其最初主要应用在科学计算与工程测量中。伴随着可视化技术的不断发展，其所应用的领域也成扩大化的发展趋势。本文从油田注水系统的层面出发对可视化技术进行深入的研究与分析。
1可视化技术的应用
可视化技术指的是通过三维表现技术来实现对三维世界物体的再现，进而呈现出三维形体所具有的复杂信息。可视化技术是伴随着计算机图形学的发展而快速发展的新型技术，有着较广泛的应用途径。从现有石油行业的情况来看，可视化技术就被广泛的应用在石油勘探、油田开发以及油气集输等等诸多环节。油田注水系统中通过可视化技术的应用，能够极大的降低运营难度与成本，提高系统的安全性，进而有必要对油田注水系统的可视化技术进行深入的研究。从可视化技术的发展趋势来看，其与互联网、人工智能等等的结合会不断的促进自身技术优势的增加，进而在油田注水系统的优化中发挥更大的作用。
2油田注水系统的提升措施分析
油田注水的目的是为了维持油田能量，确保油层压力，进而促使供液能力的提高，并实现原油递减率的降低。简而言之，油田注水是油田维持地层压力的重要措施。从我国现有油田的实际情况来看，多数油田都处在高含水期，这就使得注水量大的问题导致油田生产投入成本的增加，进而有必要从油田的实际情况出发来确定油田注水系统的提升措施。
油田注水系统效率指的是油田注水到注水井中的总能量在注水泵电动机消耗总能量中所占的百分比。通常情况下，油田注水系统的效率分为电动机效率、注水泵平均运行效率以及管网效率三个部分。其中电动机效率指的是对注水泵电动机消耗能量的描述；而注水泵平均运行效率则是用来对注水泵消耗能量的描述；管网效率则是对管网的摩阻损失进行描述。正因为油田注水效率由这三大部分组成，决定了确定油田注水系统提升措施上也应从提高注水设备效率与调节注水系统参数入手来实现油田注水系统效率的提高。从提高注水设备效率的层面来看，需要加强对电机、泵以及管网等各个环节的优化。电机应用的优化主要指的是应结合油田的实际情况，确定合理节能高效的电机。泵的优化则指的是通过注水泵的优化来提高泵效率。管网的优化主要是指通过合理的布局来降低管网摩擦所导致的损失，合理确定注水管的管径，降低对能源的消耗。从调节注水系统参数的层面来看，主要是进行调节注水速度与节流来促进油田注水系统效率的提高。
3油田注水系统可视化技术的应用策略
在油田注水系统中，可视化技术的应用策略应包括以下内容：
3.1油田注水系统可视化程序的应用
可视化技术的应用需要油田注水系统可视化程序的支持。该程序是以注水系统能量平衡的数学模型、注水系统效率、注水系统能耗及注水系统的水力参数数值进行计算基础上，运用计算机编程技术编写油田注水系统可视化程序。该程序的基本功能是将油田注水站站内数据信息输入到系统中，进而实现油田注水站站内数据以及注水系统整体运行的可视化，同时还通过将连接数据信息、坐标数据信息以及站外数据信息的输入，实现了油田注水系统中注水网系统的可视化。油田注水系统可视化程序的基本操作主要包括数据信息输入、泵机组能耗分析、整个系统能耗分析、管线压力损失计算以及显示超过经济流速管线等等。
3.2油田注水系统可视化技术的应用流程
油田注水系统可视化的应用流程主要为以下几个步骤：
流程一：通过物质守恒原理与流体力学理论的应用，建立了油田注水系统效率与能耗的数学模型。
流程二：在确定出油田注水管网系统数学模型以及计算方法的基础上，以模块为基础构建了油田注水系统流程图，进而建立注水系统数据库。
流程三：对油田注水效率、能好以及注水系统水力参数进行计算的基础上，应用相应的计算机应用技术，编写油田注水系统可视化程序。
流程四：通过油田注释系统可视化程序的运用来进行油田注水系统注入动态以及可视化术分析，进而确定具体的油田注水系统管理的节能措施。
总之，伴随着可视化技术的发展，可视化技术在包括油田注水系统等在内的石油行业中的应用已经成了发展的必然趋势。因而，有必要结合油田的实际情况，不断的优化可视化技术在油田注水系统中的应用，进而促进整个石油行业的快速发展。
参考文献
[1]张卓，宣蕾，郝树勇.可视化技术研究与比较[J].现代电子技术，2010，（17）：133138.
[2]周定照，柳进，罗强，黄朝斌，刘忠军，文涛.可视化技术在石油行业的应用[J].石油工业计算机应用，2012，（11）：25.
篇2
关键词：真三维 地籍 产权
中图分类号：P273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0007-02
1 地籍管理现状
目前我国城镇地籍管理是以宗地为基础的二维平面地籍管理方式，主要记载国土资源在二维平面空间的信息。二维基础数据已覆盖了全国大部分省市，而且在应用上形成了较完善的体系。以地表权利为核心的地籍，其理论基础是同一宗地在垂直方向上的权籍一致性。在二维平面空间，通常采用投影方式或根据建筑面积分摊方式，将三维权利实体投影到二维平面上，以投影或分摊的方式来代表其权益范围进行登记。
2 存在的问题
随着城市和人口的不断集聚，城镇人地矛盾日趋紧张，为集约用地，土地利用的立体化趋势越来越明显。以地表为核心的国土权利法规和地籍管理方式，已经不能满足人们对三维空间的占用与使用，特别是当与同一土地表面、地下相关的空间归属权不同时，基于二维地表的传统土地登记和地籍系统将无法清晰的界定土地的权利空间。几个使用者共同使用一块地并且相互之间界线难以划清的情况定为一宗地，称为共用宗地。大多数的共用宗地只是在水平面上无法划清界线（如地下管线、高层建筑），比如在对城市中林立的高层建筑进行内部权利划分和管理时，利用二维空间数据难以满足应用需求。一方面国土主管部门无法对其权属进行清晰管理，另一方面权属界定由于没有明确的保障，引发了很多权属争议事件。
3 地籍管理新要求
国土资源是一个多维度、多空间的概念，包括了土地、矿产、地质风貌及其所承载的基础设施和生产生活环境。还有其他很多领域，涉及到地表、地上及地下，如城市土地立体利用、立体地价评估、空间权、地下空间权的使用等，都必然会涉及到土地的三维特性，也有必要在国土资源管理中得到反映。从税收地籍、产权地籍和多用途现代地籍的演变过程可以看到国土资源利用模式变迁的轨迹，但这个变迁过程仅停留在国土资源平面利用的范畴。从资源利用效率来看，国土资源利用由粗放型逐渐向集约型转变，这个变化也必然要在国土资源管理中得到体现，而直接体现这一变化的方式就是建立三维国土资源模型。
4 三维技术
目前三维市场主要有3种主流三维构建模式：传统建模、三维实景（街景）、全景真三维建模。
人工建模通过单个建模再场景整合，经过多年发展技术成熟，主要表现在三维场景的美观上。但技术路线决定了数据先天的缺点。（1）由于虚拟建模，造成了大量城市信息缺失，即使精细建模也只是对重要建筑、重要区域进行精细表达，无法做到城市完整信息的真实还原。（2）精细建模的模型可以用Lidar来保证，但其纹理多通过人工拍照获取，对于高层建筑纹理基于通过复制形式贴上去、这就决定了三维模型上每个点的精度无法保障。
三维实景即为街景，2007年goolge为解决虚拟三维建模向真实的三维影像过渡，而提出一项技术。街景是一种通过街景车拍摄街道两旁360°的照片，然后将这些照片经过处理上传至网站，供访问者浏览。这与2D平面地图形成了强烈的对比，使原本无聊的地图更加生动，更有阅读性和娱乐性。但街景作为过渡性技术，其他技术特点也局限了其应用的范围。（1）街景只是沿街的信息，无法对整个城市空间进行完整的体现，如非沿街区域、小区内、院内，即使沿街区域，由于中国城市沿街植被较多的特点，也无法对沿街的信息进行完整的采集。（2）街景做为360°拼接的照片，无法对空间体进行三维旋转浏览、三维空间分析，也决定了其应该范围只能局限在互联网（公众浏览）、城管（沿街部件管理），无法在GIS行业进行深入应用。
全景真三建模通过航空摄影的方式获取多角度倾斜影像和激光点云数据，快速自动化的建立地面三维模型，真实反映城市三维影像，作为近几年快速成熟的新技术，其真实、完整、高精度三维数据受到越来越多地理空间信息应用单位的追捧。
在全景真三维影像建模生产工艺中，机载激光雷达技术（Lidar）是保证数据精度的关键。机载激光雷达技术是集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元 （IMU）/DGPS差分定位技术于一体，该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，素有“精度之王”的美誉，作为近几年在测绘领域快速获取空间数据的新型技术，成为三维城市建设的一把利器。激光扫描对天气情况要求低，雾霾天也可以进行作业，这在国内当前天气环境下无疑是最好的选择，其高精度的特点也保证了三维数据精度的可靠性，长久以来三维建设因为没有测绘精度保证，三维应用都停留在展览、显示等层面，没有深度的行业应用。全景真三维技术也真正解决了长久以来三维数字城市建设“中看不中用”的尴尬局面。
基于3种主流的三维技术本身特点，针对大量国土资源土地登记、征收、出让、开发等管理要求，全景真三维建模无论在是数据的精度上保障地籍权属清晰界定、土地登记管理，还是在为其它各部门数据共享、构建国土管理”一张图”，都有先天的技术优势。
5 真三维国土资源管理
5.1 二三维地籍管理
随着城市聚集效应加强，土地利用强度越来越大，城市空间向立体化利用延伸，各综合性大楼、建筑综合体、地下停车场、地下商场、通信设施等遍布地上、地表、地下空间，由于分层开发利用，造成分层属性不同的权利人，给当前基于二维宗地的地籍管理制度提出了挑战。
采用二维地籍与三维地籍的混合管理模式，二维地籍登记中不能解决的复杂权属情况则能够通过三维系统进行登记，形成二维宗地平面与三维体宗地的混合管理方案。
5.2 不动产登记
我国的不动产登记是由土地、房屋、水利、海域、林业及农村承包土地组成的。目前土地登记制度中存在着大量的土地利用登记缺失状况。诸如商业高层建筑内部权属信息复杂、建筑顶部建造的通信设备、日益增多的电缆设施等。
建立基于倾斜影像和Lidar的真三维模型，Lidar直接获取模型三维坐标，三维登记地籍图通过界址点、界址线、界址面描述宗地的立体几何特征，并具有明确的方向性，三维宗地以体宗地为基本单元，用体积度量，精确描述立体空间中的三维产权体。按照不同楼层的实际情况进行地籍登记。通过这种方式将建立三维地籍库，反映三维产权体的基本情况，相比传统二维地籍库的信息要丰富许多，能够清晰的界定地表、地面、地下立体空间的权利，如图1所示。
5.3 三维地籍综合管理
利用三维地籍库，系统能够进行综合查询，实时准确的掌握任意体宗地的平面和空间土地登记情况，当输入土地使用者名称时，系统会自动切换到需要查询的宗地，用三维立体图像展现积宗地土地利用情况，并采用列表方式显示土地使用者名称、土地坐落、宗地面、土地证号等信息。同时，该功能还能显示共用宗地中土地使用者的基本用地信息，如宗地分割登记情况，当鼠标指向小区内某栋建筑物的任意区域时，系统就会自动告知该土地使用者的名称、分摊土地面积、土地用途、土地使用期限等主要信息。该功能将实现空间产权的清晰化管理，能够真实反映土地利用的空间分布情况。
5.4 地籍动态监管
通过实时动态监控系统，能够自动跟踪和监控新增建设用地审批项目，审批地块颜色会随着项目的进展而变化，清晰地显示建设项目获批后，宗地空间内部建筑物及权籍信息的变更过程，在建设方案的建筑高度、容积率等指标与登记信息发生出入后，系统将自动报警，真正有效地实现了对土地利用审批项目的全周期、立体化监管。
6 结语
全景真三维地籍管理作为国土行业最新的信息化手段，按照地理三维坐标组织管理空间信息，将地下、地表、地上等要素的空间信息和属性信息进行准确划分界定，生成真实的三维场景，为建立城市空间信息与国土资源管理登记提供了高效的三维模拟平台。基于三维可视化环境的土籍登记、信息查询统计分析，为业务部门和各级领导提供精细化的工作平台和科学的决策支持，极大提高了国土部门管理水平和工作效率，为城市经济发展和建设发挥着巨大的经济效益。
参考文献
[1] 艾东，朱彤.土地立体利用与三维地籍[J].国土资源科技管理，2007，24（5）：126-131.
篇3
【关键词】大数据；三维场景；快速可视化；LOD；GPU
1 引言
地理信息系统（Geographic Information System，GIS ）是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。随着人们对GIS行业越来越深入的了解，伴随着计算机软、硬件技术和通信技术高速迅猛的发展，GIS已然渗透进入国民生产的各个行业和国民生活的各个方面。然而传统的GIS技术仍然存在着明显的缺陷，主要表现为它以处理二维信息为主，把连续分布的三维现实世界抽象成二维的数字信息，不能给人以自然界三维空间真实物体身临其境的感受。三维GIS是GIS技术发展的重要领域，是进行全方位、多层次、多要素时空分析的基础，开发结构简单、功能完善的真三维GIS软件是当前GIS研究人员的重要目标。由于空间数据具有的数据量庞大、内容丰富等特点，使得三维GIS中要处理的空间数据量远远超出了当前计算机硬件所能处理的能力，该特点已经成为了三维GIS可视化的制约性因素。
层次细节（Level Of Detail， LOD）思想提供了一个解决庞大数据量与快速可视化问题A方向LOD技术主要是根据人眼的视觉原理，一个物体距离人眼越远，人眼看到该物体的细节也就越少，因此系统就可以将距离观察点较远的物体用较粗粒度的模型来代替，从而在不降低视觉效果的前提下大幅度降低了计算机需要处理的数据量，解决了系统的实时动态显示效果。在同样大小的显示范围内，采用LOD技术可以使数据处理量基本保持不变，这一特性对海量空间数据的实时三维可视化是非常重要的。
近年来，随着计算机图形处理器（Graphic Processing Unit， GPU）的计算能力的提升，极大的提高了计算机图形处理的速度和图形生成的质量。GPU技术的极速发展一方面提高了图形处理的计算速度，另一方面还促使了一些与图形处理相关的硬件技术的进步，比如：具有可编程的像素处理模块和具有顶点处理功能的图形硬件@染管道。在3DGIS可视化方面，LOD模型正朝着与GPU集成的方向发展，建模的方法已经不再是逐个选择某个多边形进行绘制，而是在大量的多边形组中选择一组进行批量绘制，建立适合于现代GPU处理的LOD框架，不再追求尽可能的减少多边形的绘制，只要能达到硬件的绘制要求即可。
本文基于对LOD与GPU技术的研究，设计并实现了一个3DGIS平台，并利用该平台解决了海量空间数据实时三维可视化问题。
2 LOD金字塔构建
本文使用的LOD金字塔模型是基于四叉树结构，以分层分块的方式构建的。利用这种方式组织的金字塔模型具有以下特点：
（1）对于树中任意相邻的层，从上到下，分辨率呈双倍递增关系，这样可以很方便的使用四叉树索引技术进行快速定位。
（2）树中每个节点对应一块区域，这样可以直接提供不同分辨率的数据而无需实时重采样。
在构建金字塔时，首先把原始栅格数据作为金字塔的底层，并对其进行分块，形成底层瓦片矩阵。在底层的基础上，从左下角开始，从左至右、从下到上按每2×2个像素合成一个像素的方法生成像素矩阵，并进行分块，形成上一层瓦片矩阵。
分层分块后的文件命名要能反映出数据所在层数和数据的坐标信息，本文采用如下命名规则：Dataset Name＼Level of LOD＼FileX＼ FileX_FileY.abc，其中，Level of LOD为数据所在金字塔模型的层号，FileX为块的行号，FileY为块的列号。利用该规则可以实现文件名与文件坐标之间的换算。
3 GPU高速并行计算
图形处理器（Graphic Processing Unit，GPU）是一个专门用于图形渲染的微处理器，它可以快速的操作和改变内存以加快输出帧缓存中的图像。
在GPU处理器出现以前，显卡只负责图形渲染的操作，大部分的运算处理都由CPU来实现。在GPU出现以后，主流计算机中的处理器大都包含CPU和GPU，由CPU和GPU协同结合来完成大数据量运算和图形@染的工作。CPU和GPU协调工作，CPU负责处理逻辑性强的事务处理和串行计算，GPU则专注于执行高度线程化的并行处理任务。与CPU相比，GPU在运算能力和存储器带宽上具有明显的优势，它可以通过增加并行处理单元和存储器控制单元的方式来提高计算机的并行处理能力和存储器带宽。与CPU相比，GPU具有很多优势：
（1）高度并行性：GPU具备多个@染管道，能并行处理多个顶点和像素数据，具有很高的并行性；
（2）GPU具有向量运算架构，使得其在处理大规模向量运算时性能更佳；
（3）只读高速缓存：GPU中的缓存是只读的，其主要功能是用于过滤对存储器的请求，减少对显存的访问，这使得它比CPU更适合于流处理计算，处理逻辑分支简单的大规模数据并行任务。
4 3DGIS平台设计与实现
本文结合LOD与GPU技术，通过C++语言，使用Microsoft Visual Studio 2012开发工具开发了一套3DGIS软件平台，其功能设计如图1所示。
如上图所示，配置文件中存储一些系统相关参数，如默认图层等，系统初始化时通过配置文件模块读取配置文件内容并创建默认对象；场景控制模块负责事件监听，并保存事件触发后相关场景参数的修改；数据调度模块使用基于四叉树的瓦片检索算法检索当前场景的可见瓦片，并负责在缓存或服务器中获取数据；渲染模块通过构建地形网格和纹理贴图产生三维场景。测试结果显示，当三维窗口大小为800×600时，平均帧频为24.8帧/秒。
5 结束语
本文利用LOD金字塔与GPU的高度并行计算能力和可编程性解决了3DGIS中大数据量场景的快速可视化的问题，并取得了良好的实验效果。本文的主要创新点是将LOD与GPU两项技术相结合，并成功应用到3DGIS软件的开发中。
系统在实现时，为了明确系统目标，降低编码工作量和数据整理搜集的工作量，仅从局部角度考虑三维GIS的快速可视化，没有像Google地球和NASA的WorldWind那些从全球的角度来实现系统的三维可视化，这也是本文下一步考虑解决问题。
参考文献
[1]陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，2001.
[2]李青元，林宗坚，李成明.真三MGIS技术研究的现状与发展[J].测绘科学，2000.25（2）：47-51.
[3]肖乐斌，钟耳顺，刘纪远，等.三维GIS的基本问题探讨.中国图象图形学报，2001（9）.
[4]James HClark，HierarchicalGeometric Models for Visible Surface Algorithms[J].Communieation of ACM， 1976（10）.
篇4
摘 要：可视化是当前计算机领域发展的重点。本文对可视化的发展现状、发展中的难点以及可视化技术在不同领域的应用进行分析、综合，并展望了可视化发展的前景。
关键词 ：计算机科学 可视化技术 应用
可视化这一概念自1986年提出以来，在自然科学领域得到了快速发展，它是帮助自然科学研究者理解复杂现象和分析处理大规模数据的重要工具。目前可视化研究成果广泛被应用在了航天技术、石油勘探、天气预报、医学等多个领域。随着图形、图像等传输设备的性能日益提升，可视化已成为计算机领域发展不可或缺的必备条件。
一、可视化概念
可视化是将符号转化成几何形状，使研究者能够观察到他们研究工作的一种计算技术，其改变了科学家原有的工作方式，提供给了科学家发现事物的最新途径，并且不断带给人们惊喜。
在计算机领域实现可视化的基本途径一般都包括三个方面：首先，将计算数据进行采集、组织、交换和压缩；其次，将处理过的计算数据进行几何图元的提取，并且对几何图元构建可视模型；最后，将图形绘制并显示。
二、可视化发展的难点
在计算机中实现图形的可视化，首先是要将需要可视化的系统组建模型，其次分析寻找描绘组建好的模型的最佳方案，最终呈现可视化效果。
但在现实中面临的难点就是很难组建需要可视化对象的模型，例如很多抽象的概念就无法进行物理模型的组建，在计算机中也无法对其进行模拟。
三、可视化研究成果
1.流体可视化软件
流体可视化软件是在多个相联系的模型下，在交互分布环境下研究暴风雨的形成规律。这是美国国家超级计算机应用中心研制出来的，其工作原理是将安装在NCSA的超级计算机CRAY-YMP与VGX工作站之间进行网络连接，其中超级计算机CRAY-YMP复杂模型计算，而VGX则提供用户可接入口，进行二维图形和三维图形的显示。
2.可视化技术在地质勘探中的应用
计算机可视化研究成果已被广泛应用到地质学研究中，实现地质可视化。地球物理勘探过程中应用到了可视化技术。美国SGI公司的油田开发、油藏数值模拟、石油地质等方面都引进可视化技术，并遥遥领先于世界同行业中的其他竞争者。
3.可视化技术在人体胚胎学中的应用
这主要是依据美国卫生和医学博物馆的胚胎数据进行人类胚胎模型的重构，并将结果以三维数据的形式展现，这是医学史上的一大进步，预示着人类可以远程访问人类形态数据，并且可以对其进行分布式计算，将医学研究推向一个新的高度。
4.可视化技术在医学上的应用
近代在医学领域广泛使用的CT、MRI以及PET都是医学数据的可视化技术。这些设备能够扫描产生人体病灶进行多个方位多个剖面的图像，使得医生能够清晰地判断病人病灶的大小、位置，帮助医生准确诊断病因。而且CT与传统的胶片感光成像不同的是，能够借助计算机直接对人体器官或者组织图像进行重构，帮助医学图像实现二维向三维的迈进，方便医生直接从体外观察病人病灶的内部结构。
5.可视化技术在数字博物馆的应用
数字博物馆就是依靠虚拟技术对藏品进行建模，实现三维可视化，在真实反应事物数据的同时，达到传递信息的目的。数字博物馆为不同区域院校师生提供了学习平台，并且有利于全国各地的学者之间的信息互换以及信息资源共享。
6.还原修复可视化技术
这主要应用于考古工作中，例如对于已经破坏的古建筑场景以及出土的破损文物，可以通过虚拟修复进行还原。这一过程需要将可视化技术与数字图像处理、计算机图形学、模式识别等技术综合应用。
四、小结
目前，国际上可视化研究的权威机构就是美国的国家超级计算应用中心（NCSA）。早在19世纪80年代美国就进行了大量的可视化技术研究，取得了可喜的研究成果，并且致力于将可视化技术推向更高的发展阶段。随着我国加快国际交流的脚步，国内的清华、北大以及中科院软件所等单位也相继进行可视化技术的研究。但目前，可视化发展程度较低，更高阶段的可视化研究尚处于探索阶段，因此，不断完善更新计算机硬件设施是促进可视化技术快速发展的保证。
参考文献：
[1]韩祯祥,吕捷,邱家驹.科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景[J].电网技术,2012(2).
[2]韩丽娜.计算机科学领域的可视化技术研究[J].计算机光盘软件与应用,2013(20).
篇5
关键词：装配 可视化 三维模型
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0102-02
传统的发动机装配工艺设计可以分为发动机装配工艺规划、装配工装的设计和装配工艺规程编制，主要依赖工艺人员的技术水平、经验以及对发动机二维图纸等资料的理解来完成。二维工程图纸的不直观性，给复杂结构的发动机装配工艺设计带来了很大难度。随着三维设计软件的引入，各型号发动机三维模型和型号装配所需的工装模型均已基本齐全，发展可视化装配技术的时机已经成熟，可以应用可视化装配技术解决传统发动机装配工艺设计中存在的问题。
1 传统装配工艺设计中存在的问题
传统装配工艺设计是指在二维图纸基础上的发动机装配工艺设计方式。其特点在于通过二维图纸传递发动机结构和装配关系信息；实物装配检验作为唯一的装配性检验手段；复杂装配过程设计一次成功率不高。总结传统装配工艺设计中存在的问题如下。
1.1 工艺规划周期长，优化程度低
传统的工艺规划为二维规划，工艺人员需要查阅大量图纸和文件，消化吸收，这需要一个长期过程，因此在工艺规化阶段很难形成多套工艺方案加以比较寻优。此外由于二维图纸不够直观，工艺人员在规划时很难统筹思考各方面、各层次的工艺问题，很难对最终规划进行全局优化。
1.2 工装设计一次性成功率低
二维设计环境不具备三维检测能力，对工装中一些干涉或不合理处缺少有效的检测手段是导致工装设计一次性成功率的根本原因。工装是发动机装配的重要保证，工装设计一次性成功率低直接增加了装配成本，影响了发动机装配进度。
1.3 装配工艺规程可理解性差
传统装配工艺规程以二维图纸和说明文件为主要内容，这种方式需要经过一定装配技术培训的操作者才能顺利理解。工艺规程可理解性差，主要原因有：（1）二维工程图表达装配信息，直观性差，不得不借助大量文字表达装配信息，导致了规程生涩难懂。（2）装配操作者整体技能及专业知识储备不足，难以直接从二维图中获取装配所需信息。装配工艺规程是指导发动机装配的重要文件，其可理解性直接影响着发动机装配质量与效率。
1.4 缺乏有效的培训手段
目前的培训手段主要是工艺人员依据二维图纸、装配工艺规程反复讲解。这种培训方式周期长，见效低。发动机结构复杂，装配操作者需要一定的经验和技能，熟练掌握经验和技能是个长期过程。缺少生动直观动态示教手段缩短这个过程，直接导致了人工成本的上升。
2 基于可视化技术的装配工艺设计
装配工艺可视化设计是在产品三维实体模型的基础上，利用计算机技术，信息技术和人工智能技术，来规划装配工艺与仿真实际装配过程。其通过建立一个虚拟的装配环境，可视化地分析各种可行装配方案，最终得到一个合理、经济、符合人机工程的装配方案，达到优化工艺设计、避免或减少实物制造、缩短研制周期、降低成本、提高装配操作人员培训速度、提高装配质量和效率的目的。它克服了传统发动机装配工艺设计中主要依赖于人的装配经验和知识以及设计难度大、效率低、优化程度低等问题。
针对目前发动机装配工艺中存在的问题可以利用三维规划技术、干涉分析技术、三维图解技术、仿真动画技术等可视化装配关键技术予以解决。
3 可视化装配关键技术的应用
3.1 三维规划技术
三维规划技术利用发动机三维数模与设计BOM在计算机中直接进行发动机装配工艺规划，制定零部件模型装配顺序及装配路径，并通过仿真，验证装配序列及装配路径规划的可行性与合理性。
目前主要采取“可拆即可装”的装配序列规划方法，通过拆卸装配体模型来确定产品的拆卸顺序，以拆卸顺序的逆序为产品的装配顺序。
中央传动齿轮箱装配序列规划时，将中央传动齿轮箱总成模型，依次拆分成图1所示的八个零组件（2～9），其中组件6（主动齿轮组件）依次拆分为四个零件（10～13），组件8（从动齿轮组件）拆分为九个零组件（14～22），逆序后求得各零组件装配序列。依照拆卸结果，将整个装配划分为从动齿轮组件装配（装配顺序如蓝色线路显示）、主动齿轮组件装配（装配顺序如绿色线路显示）、中央传动最终装配（装配顺序如红色线路显示）三大工序，二十一个工步。（如图1）
通过三维规划技术，可大大提高装配规划的效率，并且能够快速得出多种方案，逐一对比实现装配规划的优化设计。
3.2 干涉分析技术
干涉碰撞分析是判定工装设计是否合理的重要手段。现实表明装配工装设计失败，大都因为存在干涉，干涉直接影响着工装设计的合理性，工装设计定型前必须消除。
干涉可分为静态干涉和动态干涉两类。静态干涉主要由于设计失误，零件几何形状及尺寸存在缺陷，导致装配体内部零件与零件之间存在干涉。动态干涉是指机件运动过程与装配体其余部件发生的碰撞。
干涉分析技术可直接用于判断工装设计是否合理。工装模型与发动机模型组装后，通过间隙检查可以直观检测工装与发动机模型间是否存在静态干涉；通过工装功能的动态仿真，利用交互式冲突碰撞检查可以直观检测工装使用过程中是否与发动机模型发生动态干涉。
图2为高涡转子叶片外撑工装的间隙检查结果，干涉处以带颜色线条显示。分析表明由于压块设计不合理，压块与转子叶片存在相交干涉，需对压块进行切角处理。（如图2）
干涉碰撞分析可以帮助工艺人员在设计阶段就能发现工装设计中存在的缺陷或错误，这对于提高工装设计一次性成功率有着极大的意义，节约了工装设计成本的同时保证了型号装配周期。
3.3 三维图解技术
三维图解是利用可视化装配仿真软件输出的具有立体感的高清图片。采用三维图解技术，可以形象表达发动机结构信息及装配工装使用方法。
三维图解中，轴向爆炸图可以大致说明装配体各大小零件先后装配次序；三维立体剖切图用于表达装配体内部结构及大小零件相对位置关系，三维标注可以精确表达各零件相互安装位置及外形大小；局部放大可以表达装配体细节特征，透视或透明化处理可以看清装配体内部结构。这些手段的综合运用可以直观描述发动机装配信息。
装配工艺规程中采用三维图解（如图3所示），替换原来的二维图解将大幅度提高工艺规程的可理解性，避免了因理解偏差导致错装、漏装现象的发生。
3.4 仿真动画技术
三维仿真动画可以直观演示发动机装配真实过程。
发动机机件繁多，其装配动作基本都是平动、旋转、变形三种动作及其复合。时序上，装配序列、装配动作配合视角的调整（方便观察）、必要的渲染及装配要点提示，形成相应的装配动画演示发动机机件装配过程，指导现场装配。
4 结论
综上所述，可视化装配四种关键技术可以解决目前发动机装配工艺中存在的问题：（1）通过三维模型进行装配规划，减少了大量图纸查阅时间，规划结果可以通过模型直观验证，大幅度地提高了装配工艺设计效率与质量。（2）二维设计环境中难以发现的结构干涉可以通过三维模型直观显示出来，提高了工装设计的一次性成功率。（3）发动机复杂的装配信息可以通过三维图解直观传递，大幅度提高了工艺规程的可理解性。（4）采用三维动画对装配操作者进行培训，直观、形象、高效，节约了大量培训成本。
参考文献
篇6
【关键词】高凝油 热化学 解堵
在油气田生产过程中，由于地温低常常使得井筒周围地层结蜡，造成地层渗透率降低，开采难度增大。现场结合实际，曾采用注蒸汽、热洗、电加热等来解决这方面的问题。这些方法相比化学热存在诸多不足。目前常用的化学生热体系为亚硝酸盐与氯化铵生热体系，该体系，在酸催化条件下反应产生大量的热和气体，在现场应用较多。
其化学反应方程式为：
在实际生产施工中，使用盐酸、草酸等作为催化剂。这些催化剂按一定重量比与反应体系混合后，一般很快引起反应，虽然能达到预期目的，但是却会发生在施工过程中反应情况，给施工带来极大的安全隐患。
1 静35块简况
沈阳油田为全国最大高凝油生产基地，原油凝固点最高为67℃，最低为37℃，在常温下即成固态。静35块油层埋藏深度较浅，平均埋深1200米，地层温度43度；该区原油凝固点37℃，析蜡温度42℃。由于地温仅高于析蜡温度1度，造成地层特别时近井地带蜡堵严重，新井投产后原油递减快，没有稳产区。当采用侧钻等措施，解除井筒周围3～5米蜡堵，原油产量便得以恢复。但是由于其他措施一般施工成本较高，所以针对静35块的地质特性开展了热化学浅层高凝油增产研究和应用，并取得了较好效果。
图2 室温下不同搅拌速度-反应时间曲线
图
该配方使用有机无机两相界面反应来控制体系的引发时间，所以，两相的分散程度对体系引发时间影响很大。从图二可以看出，当溶液静止时，大约11小时可以反应，逐渐提高搅拌速度至800转/分，引发时间会迅速缩短1小时左右。当进一步提高搅拌速度，引发时间变化较小。
我们采取变化最大的200转/分作为以下实验的基本搅拌速度。
2.2.2 碳酸氢钠浓度的影响
改变碳酸氢钠的浓度，引发时间如图三。从下图可以看出，当碳酸氢钠浓度为0时，只需几分钟，反应就会发生，和加普通酸催化效果一样；当浓度达到2.5%以上时，反应时间受浓度影响基本不变。我们采取2.1%的浓度为施工浓度。
图3 碳酸氢钠浓度-反应时间曲线图
2.2.3 其他因素影响
（1）温度的影响：当温度升高时，溶液分子间运动加剧，该反应也会加剧，整个体系的引发时间会缩短，但是由于该体系采用两相溶液，所以温度影响较小。
（2）PH值的影响：氯化铵-亚硝酸钠溶液受酸碱度影响较大，但是地层水PH值在6～8之间变化，从实验可知，当PH>5时，对体系引发时间不会有影响，所以，地层水的PH不会有影响。
图4 时间-温度曲线图
我们使用催化剂浓度2.1%，室温下200转/分搅拌速度时，测得以下曲线，如图四。从图中可以看出，在前175分钟时，温度上升非常缓慢，仅从25℃升高至30℃；从175至180分钟时，温度上升速度明显加快，5分钟时间从30℃升高到60℃，并伴随气体产生；当温度达到60℃时，停止搅拌，反应迅速剧烈，伴随大量气体生成，在敞开容器中温度迅速升高至105℃以上，持续剧烈反应约5分钟后，反应放缓，温度逐渐降低。
结合第一口井施工经验，我们取催化剂B7%含量。
做施工前100kg试验，药液在第72分钟开始反应。
2011年8月对静35块33-31井进行油管注药剂热化学解堵施工，施工井段1608.1～1677.0米，共16.3米/4层，该井原油含胶质沥青质28.5%，含蜡量36.3%，地温47度。
施工时水泥车压力与时间曲线如图6：
结合施工情况分析：前10分钟为正替时压力5MPa，然后开始开始挤注，压力从12MPa逐步上升至103分钟的18.5MPa。在顶替水时，压力迅速上升至顶替完的23MPa，应为药液在地层开始反应。
施工后5小时开始放压，放压80分钟。作业下杆投产。3.3 产量对比
静35-30-32井，施工前日产液2.2吨，日产液1.0吨，施工后初期（两周）平均日产液2.9吨，日产油1.5吨。目前（截至2011年9月18日）平均日产液3.4吨，平均日产油2.1吨。增油率达110%。
静35-33-31井，施工前日产液2.2吨，日产油1.4吨，施工后（截至2011-9-18）平均日产液4.7吨，平均日产油3吨。增油率达114%。
图8 静35-33-31井施工时间压力曲线图
4 结果及讨论
（1）该配方解决了热化学施工无法控制引发时间的问题。
（2）理论计算，该配方每方溶液产生热量1.2×107千焦，产生气体80方。在试验室敞开容器中，原配方敞开容器中，反应最高温度可达107℃。新配方反应最高温度可达117℃。
（3）该配方只对蜡堵或同类有机质地层堵塞起作用。
参考文献
[1] 蒋晓明.气井热化学解堵技术，断块油气田，石油工业出版社，2004年3月，11（2）：84～85
[2] 杨建华.热化学油层戒毒技术的研究与应用，新疆石油科技，2003年3月，2（13）：22～24[3] 马英建.油井热化学解堵技术的应用，油田节能，2000年，3：48，60～61
篇7
【关键词】模拟电子技术；理实一体化；实施方案；成效
高职教育的改革在于建立一种新的有利于培养学生创新能力的新型教学模式，在教学中营造成一个能进行科学探索、实践技能培养的环境，使学生能自觉的投身于实践中，掌握学习的主动权，达到培养创造型、开拓型人才的目的。
《模拟电子技术》课程理论与实践一体化教学模式研究的意义在于它是高职院校深化教学改革的终极目标，是推进素质教育的重要途径，是培养技术应用型人才的基本途径，有助于提升学生的实践技能和科研能力，同时也提高了毕业生就业的竞争能力，从而体现出高职教育的特色，使高职教育能具有更大的生存和发展空间。这一教学模式的研究，打破了过去在教学中实践与理论严重分离的现象，将理论与实践有机的结合起来，在教学中边讲边练、讲练结合，使理论在实践中得以消化，使实践在理论中得以升华，在提高高职学生的实践能力方面起到一定的积极作用，即有效的改变高职学生高分低能的现象，提高他们的实际应用水平。
一、《模拟电子技术》改革前现状分析
高职学校大部分学生的学习特点是形象思维好于逻辑思维，实践学习好于理论学习，动手能力好于动脑能力。传统的《模拟电子技术》课程是第一学期上理论课，第二学期上实验课，弊端是等到第二学期上实验课时理论知识差不多全忘了，对所做的实验内容不能深刻理解，理论与实践严重分离，而且理论与实践教学的教师不是同一个人担任，这样实验课的效果可想而知。目前大多数高职专业的学生，普遍感到《模拟电子技术》这门课难学，其根本的原因有以下几个方面：
1.教师的教学方法单调，过分强调理论教学的系统性，忽略实践能力的培养。
2.理论与实验脱钩，理论课和实验课不是同一个教师担任，理论与实践衔接的不合体。
3.实验教学模式多样化的设计不够，设计性与综合性实验开的太少，对培养学生创新能力启发的不够。
而理论与实践相结合是职业教育的本质特色，同时也是职业技术教育发展的必然趋势，是职业教育办出特色的关键，为了适应高职教育的发展，强调理论教学的同时重点加强实验教学，即理实一体化教学，同时在理实一体化教学中增加设计性实验、综合性实验，在理论教学中，实验教学内容充分、合理、有序地展开，对帮助学生系统掌握当今电子行业发展都有极其重要的作用，对学生科研能力的培养也会有促进作用。有助于培养学生的创新能力，从而达到培养创造型、开拓型人才的目的。
二、《模拟电子技术》理实一体化的实施方案
由于《模拟电子技术》是高职高专学生一门重要的理论和实验相结合的课程，课程内容包括：半导体二级管及应用电路、负反馈放大器、集成运放放大器的基本应用、功率放大器、直流稳压电源、常用仪器的工作原理、性能技术指标和操作使用等，是一门实践性、应用性和综合性很强的课程。如果在本课程的教学过程中继续沿用传统的理论和实验教学各自独立进行的方法，已很难实现“以服务为宗旨.以就业为导向，以能力为本位”职业教育教学的目标。为了突出学生动手能力和专业技能的培养，充分调动和激发学生学习兴趣，从学生的实际情况出发，制定一套合理的教学方案对学生掌握本课程的内容，同时也为后续有关课程（如：《数字电子技术》、《电子自制》）的课程改革提供参考，并为基础实验课程的大纲的制定、教材编写提供科学依据，为此我们提出《模拟电子技术》理论与实践教学一体化，即将专业理论教学与实验教学融为一体，把学生带进实验室，利用先进的教学设施如多媒体、Multisim8仿真系统及模拟电子技术实验箱等，带领学生边学习理论，边实践操作，实现专业理论知识传授和实践操作技能训练的统一，通过理论与实践一体化教学，使高职教育的人才培养由学科型向技术应用型转变，激发了学生学习的积极性，也提高了学生的实践动手能力，由于这种教学方式中能够实现师生双方互动即边教、边学、边做，理论和实践交替进行，直观和抽象交错出现，理论课和实验课没有固定的模式，而是采取理中有实，实中有理，即理论与实践一体化。
1.制订模拟电子技术理论与实践一体化教学计划和教学大纲，增加一些综合性和设计性实验。把学生带进实验室上课，将理论课与实验课同步进行，即实现理论学习与实验操作的统一性，使理论学习与实践操作有机的结合起来，避免了学生理论知识的二次学习，提高了办学效率，从而突出了学生综合职业能力的培养。
2.实行实验室、实训室开放制度，使专业教师更加方便地进行教研和教改活动，从而全面提高专业教师的综合能力；学生利用业余时间在实验室也可以设计一些新产品、小发明、小创作，可以提高学生的科研能力。
3.实验教学模式多样化，包括：Mul-tisim8仿真实验教学、网上远程实验教学、电子产品设计大赛及实验室对学生的定期开放。
4.建立新的考评体系。包括对教师和对学生的考核评价，通过考核评价来修改改革方案，使方案更加具有说服力。
三、《模拟电子技术》理实一体化改革成效
《模拟电子技术》理实一体化改革取得了丰硕成果。
1.突出了高职特点。在课程设置上更具有高职特性，在授课内容的选取上更具有实用性和可行性，任课教师可以根据高职特点和学生实际情况自编讲义和校本实训教材等。
2.建立了模拟电子技术理论与实践一体化教学的专业实验室。即具有多媒体教学设备、模拟电子技术实验台的新型实验室，实验室实行预约开放制度，即在正常安排的上课时间以外，实验室对学生采取预约开放模式，使学生的实践能力有了很大提高。
3.理论教学与实践教学有机的结合起来。在教学中边讲边练、讲练结合，使理论在实践中得以消化，使实践在理论中得以升华，在提高高职学生的实践能力方面起到一定的积极作用，即有效的改变高职学生高分低能的现象，提高了他们的实际应用水平。
4.通过《模拟电子技术》一体化教学改变了高职院校的办学理念。为培养高职人才开启了新模式。使高职教育的人才培养由学科型向技术应用型转变，激发了学生学习的积极性，也提高了学生的实践动手能力。
5.实施一体化教学提高了教学质量。由于该教学方式有效的避免了理论与实验的脱节，使《模拟电子技术》理实一体化教学更有针对性和直观性，在实施教学过程中，以团队合作、师生互动为前提，使教与学融为一体，营造了互相激励、愉快学习的氛围，发挥了学生的主体作用，提高了教学质量。
6.实施一体化教学能提高教师的业务能力和教学水平。一体化教学要求教师不仅具有丰富的理论知识，同时也要有扎实的实践技能，做到“文武双全”，这样能使教师钻研业务，苦练技能，提高自己的综合能力。
7.实施一体化教学实现了“三个转变”。即从“要我学”到“我要学”，从“手脑分离”到“动手动脑”，从“各自教室”到“一体化教室”的转变。
实施一体化教学顺应了教学发展的潮流，但是为了适应社会对人才的要求，我们教师的责任任重而道远，我们还要探索最佳的教学模式和最佳的教学效果。
参考文献
[1]周雪主编.模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社，2005.
[2]从宏寿，程卫群编著.Multisim8仿真与应用实例开发[M].清华大学出版社，2008：29-56.
篇8
关键词：网络技术：信息可视化；海量数据
1 引言
随着网络技术的发展。从海量数据发现有用信息是很困难的，这就需要采用一种技术帮助人们来研究这些数据，可视化技术便是一种很有效的方法。信息可视化可以定义为利用计算机帮助将抽象的不具有视觉形象的数据赋予视觉形象以便于人们理解和处理的一个过程。信息可视化技术就是将各类抽象的数据信息转换成图形信息，使研究者能真实地观察他们对实际问题的模拟及处理结果，它是随着计算机图形学的成熟，高性能图形工作站的普及以及人们运用计算机图形表达各种信息的需要而发展起来的一门新兴的高技术。
2 信息可视化的处理过程
由于信息可视化是对不具有视觉形象的数据的可视化。它的原始信息本身是不具有图形特征的，而且数据量是很大的，要直接从海量数据中发现有用的信息是十分困难的。因此需要将其进行抽象处理转换成图形信息，用直观和清楚的方式显示出来，使用户能方便地使用这些数据。信息可视化技术把这些数据转变成人的视觉可以感受到的图像。这些图像可以将大量的抽象数据有机地组织在一起，并形象生动地显示数据所表示的内容及其之间的关系，从而提高了人们的洞察力。
可视化技术作用于科学研究的全过程。它从大量的原始数据中通过分析提取有效数据开始，经过各种转换生成图形映射，并完成绘制图像的过程。最终显示出所绘制的图像。
3 可视化的基本原则
WWW领域内的可视化有若干原则，主要包括布局、抽象、聚焦和交互性四个方面。
布局(Layout)――网络信息可视化的最简单的方法是这样的：网站是一个图形，有很多算法能画出这样的图形来，选择其中的一种或几种并用它们画出部分Web的图形，这样问题就解决了。但是这种方法并不适用。主要的原因是比例。图形的绘制是一个成长的领域，有用的可视化表示法应该是用尽可能少的节点和边组成的图形，但是能产生这种表示法的一般技术是不存在的。布局要基于任务。如果可视化的主要目的是帮助用户以一种有组织的方式记录某浏览时间段的浏览过的轨迹，使用分级布局方式是一种有效的方法。在这一领域内很多原型采用的都是这种方式。
抽象(Abstraction)――在网络信息可视化方面，抽象技术作用是非常显著的，它可以将那些看上去很混乱的网络进行处理，使复杂网络趋于结构化。抽象原则通常是与聚类联系在一起的，也就是说只有具有同样特征或者同一类型的网页才适用于抽象原则。例如：网络导航生成器工具能按照结构特点或者是内容相关特性把节点分组，抽象成高级“簇”。分层和分类是提高可视化的最有效的方法之一，它在视觉上将各种类型的数据分成不同的层。在网络信息可视化技术中，嵌套图表的使用和动态地对可视化外观进行部分强调和淡化技术是完成分层所需要的部分基础。
聚焦(FOCUS)――聚焦有两种方法，一种方法是选择显示与目前任务相关的信息；另一种方法是强调显示的某些部分，同时以淡化方式保留其他部分以便提供相关的上下文联系。这也就是促成鱼眼和其他强调技术的思想。
交互性(Interaction)――用户不仅能观看到绘制的图形。而且能对图形进行一些主动的操作控制，这样用户获得的信息会更多。在直接操作方面有很多方法可以使网络可视化信息更丰富。
4 两种网络技术中的信息可视化
综合分析目前网络技术中的信息可视化可以分为两类：一类是基于网站结构的可视化技术；另一类是基于CUT的可视化技术。
4.1 网站结构的可视化技术
基于网站结构的可视化技术可以对大型的网站进行可视化。由于大型网站结构复杂，涉及的网页和链接成千上万，要实现大型网站的可视化是非常困难的。必须采取适当的可视化技术才能较好地达到网站可视化预期的目的。目前比较通用的技术有锥形树、双曲线浏览器、NicheWorks等。
(1)锥形树技术适合层次树。它将所有节点显示在一个虚拟的房间中，每个节点和它的孩子节点的布局呈锥形。为了让用户可以观察到所有的数据，锥形是半透明的，而且层攻树可以转动。
(2)双曲浏览器技术为了在有限的平面中显示更多的节点，采用了广角镜的技术。节点的显示空间根据它到焦点节点的距离而逐渐缩小。试验结果表明它显示的节点个数可以10倍于传统的技术。用户在观察图结构的时候，可以使用鼠标转移焦点。
4.2 基于CUT的可视化技术
基于CUT的可视化技术中的CUT是Content、Usage、Topology三个单词的缩写，Content指的是网页内容，Usage指的是访问日志，Topology指的是网站结构，所以基于CUT的可视技术就是基于网页内容、访问日志和网站结构的可视化技术。目前基于CUT的可视化技术在很多工具的设计中得到应用，比较典型的有：WebWiz、磁盘树、WebPath等。
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[关键词]信息化；软科学；黑箱；人机结合；知识模块；知识管理
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）03-0046-03
软科学是一门新的综合性的科学，其目的是阐明现代社会各种复杂的问题，并实现决策的科学化，对包括人和社会现象在内的广泛范围的对象进行跨学科的研究工作。[1]而以科学决策和科学管理为主要教学内容的软科学课程，也具有典型的跨学科性。相对于传统的自然科学类别课程，其在教学工作开展过程中不可避免地存在教学内容实证难度大、模型算法求解难度大、学习效果考核难度大等问题，而广泛引入相关信息化技术是破解上述问题的有效途径。
一、在软科学课程中采用信息化技术的必要性分析
软科学概念的产生，有着深刻的历史背景。第二次世界大战结束后，和平的国际环境为各国的发展提供了有利的机会和条件，各主要交战国纷纷改革战时体制，实现了战略转变，推动了科技、经济和社会的发展。随之，全世界进入了创造知识和应用知识的新时期。同时，国际市场日益激烈的竞争更促进了科学技术的发展，科学研究的问题层出不穷，涉及的因素急剧增多，研究对象日趋复杂化。对各种现实问题必须运用多种学科的知识进行综合研究，这样才有可能取得比较好的效果。尤其是那些涉及与决策科学化有关的政策问题更是如此。这类研究不仅涉及自然科学和社会科学本身的理论和方法，而且触及他们的社会功能。因此，难于达到严格定量化的程度，多处于定性研究和半定量化研究的水平[2]，于是人们把这种科学称为软科学。
根据以上分析可以看出，软科学课程主要以科学决策和科学管理作为教学内容。相对于传统的自然科学类课程，其本身不可避免地会存在教学内容实证难度大、模型算法求解难度大、学习效果考核难度大等问题。而随着信息化技术的不断发展和成熟及其在教学工作中的深入应用，上述问题将会迎刃而解。
1.信息化技术是解决软科学课程教学内容实证难度大问题的有效途径。软科学课程重点讲授科学决策和科学管理的相关内容，主要涉及分析流程、方案设计、模型算法等知识点，教学内容的时间维度和空间维度跨度非常大，教学内容难以实证，很多教学内容难以在课堂上完整地展现。由于缺乏教学内容实证化手段，学生对教学内容的理解不深刻，这在一定程度上影响了教学目的的实现。而信息化技术能够有效解决软科学课程教学内容实证难度大的问题。信息化技术主要体现在以计算机技术为核心的软件系统应用方面，各种建模仿真软件的出现为我们在计算机中搭建起了一个虚拟的数字化实验室。在这个虚拟实验室中，学生能够建立起针对各种场景的仿真模型，并分析各决策变量对系统运行效果的影响途径与程度。这解决了软科学课程教学内容实证难度大的问题，使学生能深度融入教学过程中，切实体会到复杂抽象事物的内部工作机理，并进行一定程度的探索分析。
2.信息化技术是解决软科学课程模型算法求解难度大问题的有效途径。当前软科学研究呈现出明显的跨学科特性，为了提高决策和管理研究的精确化和定量化程度，人们开始有意识地采用多种模型算法对软科学问题进行描述并求解。注重定量化手段的应用已成为当前软科学研究的典型特征，各种模型算法也成为软科学课程中的重要教学内容。模型算法理论性强，学习难度大，是软科学课程中的学习难点，但并不是学习重点。模型算法讲授过多会冲淡核心教学内容，讲授不足又会影响学生对于模型算法的理解。因此，如何根据软课程的核心教学需求，恰当地讲授并使用这些模型算法是当前软科学课程教学过程中亟待解决的问题。信息化技术是解决上述问题的有效途径。信息化技术将复杂的数据分析处理过程转化为自动化的程序运行过程，学生只需掌握软件系统的输入条件和输出参数即可，可无视其内部工作机理的存在。这可以将学生从繁琐的模型解算工作中解脱出来，使学生能将更多的精力集中在如何应用理论知识方面，有效解决了模型算法与软科学教学内容之间学习比重协调难度大的问题。
3.信息化技术是解决软科学课程学习效果考核难度大问题的有效途径。软科学课程中的预测和决策理论学习难度大，不但要求学生能够理解相关工作实施流程，还要求学生能够针对具体问题构建相应的分析模型，并进行求解。相对于传统的自然科学课程，这种考核要求实现难度更大，只凭卷面考试无法深入考核学生对于教学内容的掌握程度，而信息化技术能够在一定程度上有效解决上述问题。可以信息化技术为依托，将教学内容转化为相应的程序模块，通过程序运行的方式对学生学习效果进行考核。这就要求学生必须深入骨髓地掌握公式模型中的每个字符、每个序号，来不得半点含糊；同时要求学生采用数据的方式对相关问题做出解答，这避免了试题答案空洞无物、流于表面的现象。可，这是一种更加彻底、更加全面的考核方式。
二、信息化技术在软科学课程中的应用策略设计
采用信息化技术实施教学活动，应立足于原有教学体系，深入分析信息化技术特点，合理设计信息化技术应用策略，对传统教学体系进行改造。
1.采用“黑箱”方式确定教学重点，突出应用型人才培养导向。学生在课程学习阶段，会接触到各种理论、方法与技术，要想把每一项内容都学精、学透是不现实的，在这种情况下，可采用“黑箱”教学应用策略。对于理论难度大、短期内难以深入掌握的教学内容，可将其封装为黑箱，学生只需要深入了解教学内容的输入条件与输出参数即可，而对于黑箱内部复杂的数据处理过程可“点到为止”。这样学生能够快速掌握相关技术的应用流程。而采用信息化技术是支持黑箱教学应用策略的最佳途径。可根据教学需求将相关信息化技术引入教学工作，利用其自动解算功能将模型求解方法封装为黑箱。这样在信息化技术的支持下，学生在学习过程中可“观其大略”，只需深入掌握其输入条件和输出参数即可，复杂的解算过程交由计算机自动完成，并且在信息化技术支持下，学生能够采用工程化的信息化技术自行解决相关问题，这更加突出了应用型人才培养的导向。[3]
2.采用人机结合的方式理顺教学流程，降低复杂理论知识的学习门槛。采用信息化技术并不意味着降低理论知识学习的要求，相反，为了提高信息化技术的运用水平，学生也需要对相关理论知识有深入地了解。[4]为提高学生的学习效率，本文设计了人机结合的教学应用策略以理顺教学流程，降低复杂理论知识的学习难度。“人”指的是采用手工方式解算相关问题；“机”指的是采用信息化工具解算相关问题。这两种方式相互印证，既降低了复杂理论知识的学习难度，又提高了学生使用信息化工具的水平。人机结合的教学方式提高了相关理论知识学习的系统性，使学生在使用信息化工具时不但知其然，还知其所以然，使信息化工具真正转化为学生知识体系结构中的有机组成部分。
3.采用知识模块复用方式强化课程重心，突出核心知识对课程整体的支持作用。任何一门课程，都有一定的核心方法和技术，这些核心方法和技术穿插在整个课程体系之中，起着基础支撑的作用。在信息化技术深入发展的今天，相关信息化工具已成为支撑软科学课程教学工作开展的重要基础，掌握这些信息化工具的使用方法已成为课程学习的基本要求。在这种背景下，可将相关信息化教学内容提炼成为相应的知识模块，并将使用频度较高的模块确定为教学重点，然后根据教学需求，创造教学场景，多次引用这些教学模块，突出学生核心技能的培养。
4.采用知识管理平台组织管理模型算法，固化并活化教学试验成果。软科学课程重点讲授相关学科领域的预测与决策问题，具有典型的软科学特征，教学试验成果主要体现为信息化的模型与算法。为了提高教学试验成果的管理水平，突破传统的纸质试验报告管理模式，本文设计开发了通用知识管理平台，用于固化和活化教学试验成果。所谓固化，是指学生根据教学要求，将相关试验成果转化为接口形式规范的程序模块，并导入到该平台中，以程序模块形式固定试验成果；所谓活化，是指入库的程序模块具有灵活的可用性，其既可以独立运行，又可以与其他程序模块进行组合，实现更为复杂的数据分析功能，使静态的纸质报告转化为动态的“活”的可用程序。利用该平台不但提升了以模型算法为核心的教学试验科目管理水平，还有利于学生试验成果的积累与使用。相对于传统的纸质试验报告管理方式，这是一种创新。目前，该平台开发了模型管理、算法建模、协同分析、响应分析、模型成熟度分析等功能。
三、信息化技术在软科学课程中应用的实践研究
本文针对装备战场抢修理论与技术课程中的“改进的损伤树分析”教学内容，采用信息化技术开展了教学工作，从实践层面验证了信息化技术对于改进软科学课程教学效果的重要价值。该实践研究立足于课程原有教学需求，合理设置信息化技术切入时机，以便实现良好的教学效果。
（一）课程教学分析
本讲教学内容来自于48学时研究生学位课程装备战场抢修理论与技术。本课程是学习装备战场抢修基本理论、方法和技术的一门课程，围绕装备战场抢修预测和决策问题，讲授战时装备维修保障的基础理论知识，具有典型的软科学特征。
学生在前面的课程中已经学习了传统的损伤树分析方法，但随着研究生培养需求的不断调整，以及装备战场损伤分析技术的不断发展，传统的损伤树分析教学内容面临着扩充与改进的挑战。首先，从研究生培养需求角度来看，我们更需要向学生讲授面向装备使用阶段的教学内容，以便满足学生将来的部队任职需求。但传统的损伤树分析方法侧重于装备研制设计阶段，主要用于分析和评估装备的可靠性与安全性水平，而对装备使用阶段的维修保障工作只有少量支持作用。为满足研究生将来部队的任职需求，迫切需要改进损伤树分析教学内容。其次，从装备战场损伤分析技术发展角度来看，相关技术的发展为改进损伤树分析教学内容提供了丰富的素材。结合本讲教学需求，我们将贝叶斯网络技术引入到损伤树分析中，并将信息化工具Hugin（贝叶斯网络建模软件）引入到教学环节，这有效扩充了p伤树分析的教学内容。采用贝叶斯网络技术，可定量衡量各部件的损伤概率，有助于提高损伤定位分析活动的精度和自动化程度。该教学内容面向装备使用阶段，符合研究生的部队任职培训需求。
（二）教学基本过程
根据本文第2节提出的信息化技术应用策略，本次课设计了由问题剖析、技术破解、目标达成三个环节构成的教学过程。
首先进行问题剖析。在上次课损伤树学习的基础上，分析其主要功能，包括全面分析导致系统损伤的各种原因、全面描述元部件损伤与系统损伤之间的逻辑关系、定量计算复杂系统的损伤概率，同时点出损伤定位分析也是损伤树的功能之一，但不是关键功能。然后点出损伤树存在的“教学危机”，即侧重于装备研制设计阶段，对学生将来的部队任职支持作用有限，从而进一步点明本次课的重点“改进的损伤树分析”，从损伤定位分析角度入手，对传统的损伤树分析方法进行改进。这种改进是一种创新，而研究生将来的学位论文撰写工作也强调创新。借此教学契机，可以向学员提示研究工作创新的两条主要途径，即需求推动（研究生培养需求调整）和技术拉动（战场损伤技术发展），为研究生的学位论文撰写工作提供指导。
然后进行技术破解，向学生讲授支持损伤定位分析活动开展的贝叶斯网络技术。这是本次课的难点，但不是重点。因此，如何向学生深入浅出地讲明贝叶斯网络技术要点，是确保授课任务完成的关键。首先，可以引入一个有趣的问题。有3个门，主持人将奖金藏在其中某1个门的后面，然后让观众随意选择1扇门，若选中，奖金归观众所有。假设观众选择了1号门，然后主持人打开另外2扇门中没有奖金的那扇门，假设打开2号门，问此时观众是否有必要改变选择。学生通常会认为没有必要，因为奖金藏在1号门和3号门后面，概率各为1/2。实际上，考虑到主持人因素后，改变选择的获奖概率将为上升为2/3，应当改变选择。而后通过Hugin软件分析这一问题，证实获奖概率的确为2/3。通过这种直觉推测和理论分析的差异激起学生学习贝叶斯网络的热情，在此基础上趁热打铁，向学生讲授贝叶斯网络的基础知识。贝叶斯网络理论体系庞大，在讲授中不可能面面俱到，这里只讲授最为关键的链路定理。尽管讲授内容不多，但能确保教学内容的封闭性，即根据这些教学内容，能够实现网络建模、网络解算、网络应用一个较为完整的贝叶斯网络使用流程，麻雀虽小，五脏俱全。而Hugin软件正是构建这一麻雀的关键，因为它有效降低了网络解算难度。当然只依靠Hugin软件进行计算，学生还会产生“雾里看花，水中望月”的模糊感觉，依然不解渴，此时趁势而上向学生讲授两种解算方法，分别是理论分析和数值计算，以增强学生的学习满足感。
通过技术破解环节，以Hugin软件为支撑，学生初步掌握了贝叶斯网络应用的基本流程，最后进入目标达成阶段，即利用贝叶斯网络如何进行损伤定位分析。首先对损伤树与贝叶斯网络从结构上进行对比，说明二者都是知识的图形方式描述方式。然后从二者的相同和不同角度入手展开教学工作。先分析相同点，这是本次课的重点内容。损伤树中的事件对应于贝叶斯网络中的结点，损伤树中的逻辑门对应于贝叶斯网络中的联接强度，并向学生讲授二者之间的转换方法。利用这些知识，学生能够将损伤树转化为贝叶斯网络，并开展损伤定位分析，从而实现本次课的主要教学目的。接下来分析不同点。损伤树中的事件只能描述二态性：要么正常，要么损伤，而贝叶斯网络的结点可描述多态性：正常、轻损、重损等。损伤树中的逻辑门只能描述确定性，肯定损伤或者肯定正常，而贝叶斯网络的联接强度能够描述模糊性，即可能损伤、可能正常，从而证明损伤树是贝叶斯网络的一种特例。通过差异性对比进一步加深学生对于贝叶斯网络特点的理解。
四、结束语
信息化技术已广泛应用于软科学研究领域，如何将信息化技术有效移植于软科学课程教学工作，是每一名教师应当深入思考的问题。采用信息化技术开展教学工作，并不会从根本上改变原有教学目的。因此，应当合理设计教学应用策略，使信息化要素合理融入整个教学体系之中，避免“有了信息化技术就可以抛弃传统教学模式”的错误认识，正确认识信息化技术在课程教学中的地位和作用。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 王建国，李海波，丁其涛，等.中国软科学研究机构评估指标体系构建探讨[J].科技管理研究，2013（9）：71-75.
[2] 杨爱华.软科学研究方法存在的问题与创新路径[J].科技管理研究，2013（7）：243-246.
篇10
关键词：计算机控制技术；课程群；教学模式
作者简介：谢昊飞（1978-），男，重庆人，重庆邮电大学自动化学院，副教授；蔡龙腾（1990-），男，湖北孝昌人，重庆邮电大学自动化学院硕士研究生。（重庆 400065）
基金项目：本文系重庆市高等教育教学改革研究项目“工程训练中心建设的研究与实践”（项目编号：1201019）、重庆邮电大学研究生教育创新计划重点项目“自动化类研究生创新教育基地建设”的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0097-02
一、课程教学模式研究现状
随着计算机技术、自动控制技术、嵌入式技术以及网络通信技术的快速发展，计算机控制系统在机械制造、过程控制、航天航空、交通运输、流程自动化等领域得到广泛的应用。因此“计算机控制技术”是一门工程性很强的本科专业课程。但是由于本课程融合了单片机知识、自动化控制理论、现代控制技术、计算机技术和数字通信原理，涉及面十分广，给传统的理论课程体系、实验系统和教学方法带来了很大挑战。为此，90年代中期以来，各高等院校纷纷开始对传统的教学模式提出改进措施以增加教学的效果，提高教学质量。
改革内容大致体现在三个大的方面：课程理论体系结构、实验体系结构和教学方法。课程理论体系结构的改革主要体现在选择主流的微型计算机为工具，以完成的应用案例为主导线展开课程内容，与传统的连续控制系统的对比教学提高效果。[1，2]基于计算机控制中若干基本概念，介绍了由连续控制器到离散控制器的设计方法。[4]实验体系结构是众多教师着重考虑的环节，以增加学生对理论的理解力和实际的动手能力，减少了验证性的实验，增大了设计性、综合性和研究性的实验内容。[5]教学方法涉及面十分广泛，包括应用现代的信息技术教学手段、典型案例教学。
上述改革措施的实施很大程度解决了一部分教学过程中的问题，但是仍然有一些难题还需要解决。首先，“计算机控制技术”课程理论内容和实验内容与“自动控制原理”、“单片机原理”、“微机原理”、“现代控制理论”以及“信号处理”等相关的课程未有统一考虑。其次，实验教学中，仍然是原理性验证，遇上实际的工业现场系统时，学生同样存在束手无策的现象。最后，学生缺少主动查阅资料独立解决问题的能力。本文针对上述问题开展立体化教学模式的研究，让上述的因素相互关联，形成一个有机的整体，从而提高教学效果。
二、“计算机控制技术”课程群建设
考虑到自动控制原理、计算机控制技术的发展趋势以及对学生在自动化专业知识、创新能力、综合素质的要求，将“微机原理”、“单片机原理及应用”、“计算机控制技术”、“嵌入式系统”和“网络控制技术”五门课程构建一个计算机控制技术类课程群，整体考虑课程衔接、理论教学内容、实验教学内容、教学方法、理论与实践的合理配置以及课程群内容的优化，从而让学生从大二年级到大四完成一个有机系统的学习过程。
在建设课程群主要讨论各个课程理论内容、实验内容、课时的分配以及课程间的衔接。将“微机原理”课程放于大二的第二学期，它是整个后续课程的基础。它主要给理解基于IBM 8086系列计算机的经典结构以及外部接口的设计。同时将一部分关于A/D、D/A内容删除，划分到“计算机控制技术”课程中。单片机原理及应用则主要展示基于MCS-51单片机的原理和接口设计部分。接口包括键盘、数码管、LCD灯、功率接口、通信接口设计。计算机控制技术则着重于数字控制器的设计过程、状态空间的设计、过程通道设计以及整个系统的设计过程。嵌入式系统和网络控制技术最近发展的热点技术，前者着重于嵌入式操作系统的学习和接口驱动的设计，而后者是计算机控制系统的网络化、智能化，因此侧重于大的现场总线控制系统的介绍。
为了保持实验课程的一致性，实验内容是具有严格的衔接性的，除“微机原理”外，其他课程的实验系统开发平台均是基于统一的芯片。因此当整个课程群实验完成时，学生将学会从简单接口设计到一个单回路控制系统的设计，然后到一个多回路的网络控制系统的设计过程。
此外，设立专门课程群的管理机制，规范各个课程理论和实验系统、课程设计和综合设计内容，对课程中出现的问题及时处理，建立网络管理系统。
三、真实工业环境的实验系统建设
针对传统的实验系统缺乏真实工业环境的特点，构建实际的工厂控制环境，让学生体会实际的现代工业生产过程，从而理解计算机控制技术课程的各个知识环节是必要的。
因此在保留传统实验系统的基础上，以一个完整的计算机控制系统为目标组织实训，让每位同学担任工程师、管理人员、材料采购人员、生产人员或其他角色，并在其间发挥作用，要能和团体内的其他成员协调配合，使学生能敏锐地发现应该由他解决的问题，并知道自己应该如何去做。为此，构建如图1所示的真实工业环境，形成计算机控制产品设计、样机试制、定型设计到电磁兼容性测试与可靠性试验的一套系统的产品实验、开发与测试环境，培养学生以可靠性为核心的产品化、工程化意识与能力，提高学生的产品设计能力、工程测试能力和综合运用所学知识的能力。
第一，电子产品生产线包括电子产品设计、生产和测试全套流程的设备配置。能实际生产计算机控制产品与智能仪器仪表、智能电器的电子部分。测试包括电磁兼容测试、高低温测试等可靠性产品测试内容。系统配合机械产品生产线生产的智能仪器仪表、智能电器可在流程工业控制系统或供配电系统进行试用。
第二，机械产品生产线包括机械产品的设计、生产和测试全套流程的设备配置。能实际生产计算机控制产品与智能仪器仪表、智能电器的壳体，并配合电子产品生产线生产的计算机控制产品、智能仪器仪表、智能电器可在流程工业控制系统或供配电系统进行试用。
第三，以典型的流程工业生产过程为对象，体现多总线集成的网络化控制系统特点，并可为学生设计开发的基于总线技术的计算机控制产品与智能仪器仪表提供试用条件。其中现场总线技术及无线技术方面形成基于单元设备、通信卡、芯片、协议栈和多总线集成等各不同层次的系统性、设计性、综合性、创新性的实验、开发与测试平台，培养学生分析问题、解决问题的能力和技巧，提升学生的综合性、系统性、创新性思维能力。
第四，构建完善的车间供配电系统，并可为学生设计开发的计算机控制产品、智能仪器仪表或智能电器产品提供试用条件。
四、科学研究与课程教学相结合
科学研究与课程教学主要体现两个方面：
第一，科学研究可以帮助任课教师和上课学生掌握与课程相关的技术发展趋势、相关应用领域的科学研究方法。任课教师可以从科研中更加深刻理解课程中内容，提高其课堂水平，形成理论和实践有机结合。同时，课题组的相关科研工作积极吸纳学生参与，不但他们可以掌握本领域的前言动态，还可学习如何主动分析问题，获取相应的专业知识，解决现实的工程科研问题，从而具有较高的综合素质。
第二，科学研究可以促进课程纵深发展。科学研究较大丰富了办学的资源，可以利用科研的仪器仪表和其他研究工具，加强实验系统设计不足。目前，本课题组已利用相关资源，形成了课程的实验、课程设计、综合设计和毕业设计的设计平台。同时，还可以提升整个课程的地位。通过科研，可以将研究内容整理出有实用价值的信息融入相关课程，甚至可以编撰相关教材和专著。
自2004年来，课程组一直致力于一种“科研促教学”的教学方法，利用承担的国家和企业等相关科研项目，构建了工业以太网的计算机控制系统、智能汽车控制系统等教学平台，并利用了平台进行与课程的课程设计、综合设计，取得十分好的效果，甚至有部分同学提出了许多十分新颖的设计。
五、教学改革的效果分析
1.教学效果
通过立体化的教学，学生对课程的理解得到了进一步的加深，对课程在各个领域的知识应用有了形象的认识，对课程数字控制器、控制通道等重难点内容有了实质的提高。从近5届本科生的考试平均卷面成绩来看，从最初的63.8分提升到最近78.4分，其中85分以上提高到了42.4%。实验效果从反馈效果来看，学生的动手能力有了十分的改善。从最初的验证性实验，已经可以完成了一些综合较强的设计实验。
2.实践效果
由于融合了科研资源和面向真实的工业环境等策略，学生实践能力得到极大的提高。学生已经从最初的被动式接受知识，改为了主动式思考面临的实际问题，并解决现实生活存在的一些问题。近5年，与课程相关的学生科技竞赛获得奖项30余项，学生设计的许多课程设计和综合设计作品都列入实验室展览室。
总之，在结合课程群设计、真实工业环境的实验系统和科学研究的立体化的新的教学模式下，经过多年的努力，开始取得了一定的成绩，学生的课程实践能力取得很大的进展，对课程的理解有了很大提高，“计算机控制技术”课程也成为重庆市精品课程。
参考文献：
[1]刘莎.计算机控制技术课程教学的探索与实践[J].中国电力教育，2008，9（121）：118-119.
[2]周欣欣，宋人杰， 李红彪，等.计算机控制技术 课程教学改革初探[J].东北电力大学学报（社科版），2008，（3）：29-31.
[3]于海生.自动化专业“计算机控制系统”课程的改革与实践[J].电气电子教学学报，2000，8（22）：15-17.
[4]杨志军.开阔思维 抓住本质――“计算机控制技术”课程教学探讨[J].广东工业大学学报（社会科学版），2008，（S1）：82-83.
