分布式仿真技术范文

导语：如何才能写好一篇分布式仿真技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】 枕颈畸形；寰枢关节脱位；齿突畸形；游离齿突

doi：10.3969/j.issn.2095-4174.2015.08.008

枕颈畸形是脊柱外科的一种常见病，可导致上颈椎不稳定，加速下颈椎的退变进程[1]，往往合并颈髓及延髓受压，并使之处于危险状态，摔倒、撞击等轻微损害可引起神经症状加重甚至危及患者的生命。本病常需要采用手术治疗[2]，以求恢复上颈椎的正常解剖关系，重建其稳定性，并解除颈髓压迫；但由于枕颈部毗邻延髓及小脑等重要结构，解剖结构复杂，而致使该部位手术的难度大、风险高，如手术方法选择不当，可造成严重的后果。对各种类型枕颈畸形手术方法的选择，国内外都予以极大的关注，也提出了很多新的、有效的手术方法。本文通过回顾分析本院收治的126例枕颈畸形患者的临床资料，总结不同类型枕颈畸形的手术方法选择，为临床医生在治疗枕颈畸形的术式选择上提供帮助和参考。

1 临床资料

选取2005年3月至2012年8月在本院就诊的枕颈畸形患者126例。男58例，女68例；年龄13～67岁，平均（37.4±9.2）岁。临床诊断为枕颈畸形合并寰枢椎可复性脱位74例，合并难复性寰枢椎脱位24例，合并寰枢椎半脱位20例，齿突畸形及游离齿突8例。单纯局部症状35例，表现为枕颈部疼痛不适、活动受限，尤其以旋转活动受限较为明显。神经压迫症状82例，单纯神经根疼痛症状11例，主要表现为枕大神经及耳大神经分布区的刺激性疼痛；颈髓压迫征71例，症状轻者表现四肢麻木、乏力，或肢体深反射活跃，重者可有单瘫、四肢不全瘫，甚至有呼吸困难症状。局部症状合并神经系统压迫9例。根据患者临床症状，采用日本骨科学会（JOA）制订的JOA-17分评分法对患者手术前后的脊髓功能进行评价，并根据公式计算术后改善率。术后改善率=（术后评分-术前评分）×100% /（17-术前评分）。

影像学检查，术前常规行颈椎X线片、枕颈部CT平扫及颈椎MRI平扫等相关检查，明确患者脱位情况和脊髓受压情况。寰椎前弓后缘与齿突前缘相对应点的距离（ADI） > 3 mm（成人）及 > 5 mm（小儿）诊断为脱位，张口位X线上表现为齿突与两侧块间距 > 3 mm诊断为寰枢关节半脱位。

2 方 法

2.1 术前准备 对于合并寰枢椎脱位的患者，术前行颅骨牵引。起始牵引质量为3 kg，根据患者具体情况逐日加大牵引质量，最大为5 kg。定时行床旁颈椎侧位及张口位X线片，以便及时了解寰枢椎脱位的复位情况，并根据X线片所示复位情况调整牵引角度及质量等。牵引约1周后床旁拍摄X线片。根据寰枢椎复位情况选择手术方式：可复位者，行经后路寰枕或寰枢植骨融合内固定术；难复位者，行经口咽入路寰枢关节松解复位后路枕颈固定术。患者诊疗路线见图1。经口咽入路的患者术前应检查口腔有无感染灶，术前3 d起采用庆大霉素雾化吸入，同时用质量分数为3%的硼酸液漱口，每日3～4次，术前当日使用适量广谱抗生素。

2.2 手术方法及要点 麻醉方法均采用经口咽或经鼻气管插管全身麻醉，术中所用植骨块均取自自体髂骨。手术方式选择见表1。

2.2.1 经后路寰枢椎椎弓根植骨融合内固定术

麻醉成功后，患者取俯卧位，头部置于头架上并保持持续牵引，头颈部稍屈曲。术区常规消毒铺巾，取枕外隆突向下沿后正中线做6～9 cm切口，依次切开皮肤、皮下组织、项韧带等，剥离椎旁肌，显露C1后结节和C2～3棘突，切断C1～2棘间韧带，骨膜下剥离至后结节旁17～21 mm的后弓。用神经剥离子探查C1后弓内侧壁和寰椎侧块的范围，注意保护椎动脉。充分显露枢椎椎板至双侧侧块关节部分，以及枢椎椎弓峡部上面和内侧缘，注意保护损伤C2神经。寰椎椎弓根螺钉进钉点取C1后弓与C1侧块背面的连接处，在该处用磨钻磨去适量皮质骨，用椎弓根探子由此处进入，沿C1侧块长轴轻轻进入侧块，深度约21～23 mm。用球形头探针探查确认钉道四壁及底部是否完整，置入定位针。经C型臂透视机确认进针位置、角度、深度恰当，选择适当长度的螺钉拧入。枢椎椎弓根螺钉植钉点取C2下关节突根部中点，用开口锥开口后沿C2椎弓根走形逐渐深入到椎弓根。经球形头探针探查钉道四壁及底部完整，经透视确认进针位置、方向、深度准确。用丝攻攻丝，选择适当长度的螺钉拧入。再次透视确认C1～2处于复位状态及螺钉位置、方向准确，安装连接棒，固定。取右骼骨松质颗粒骨20～25 g，植骨，逐层关闭手术切口。

2.2.2 经后路枢椎或C2～3椎弓根螺钉枕颈植骨融合内固定术 患者取俯卧位，将头部置于头架上适当牵引并使之稍屈曲。术区常规消毒铺巾，取枕骨粗隆至C3纵行手术切口，依次切开皮肤、皮下组织、项韧带，充分暴露枕骨粗隆、枕骨、寰椎后弓、C2、C3椎板及双侧关节突关节外侧。如经颅骨牵引后仍有颈髓压迫症状者，依据上述方法（寰枢融合术中已叙述），植入C2椎弓根螺钉。部分患者需要将融合内固定延长至C3，依上述方法，植入C3椎弓根螺钉。枕骨板需根据枕骨曲度进行预弯，使之与枕骨面相紧密相适合。枕骨板最上螺钉植入颅骨近中线枕部隆凸下方，经过枕骨板螺孔钻孔直至穿透枕骨内板，测深后拧入螺钉固定。其余2枚螺钉分别按枕骨板上的位置依次拧入并固定。预弯两根连接固定棒，两端分别连接于枕骨板和C2及/或C2～3椎弓根螺钉上。经C型臂透视显示寰枢椎复位、钉棒位置良好，进一步固定拧紧螺帽。取骼骨松质骨20～25 g，用咬骨钳制成细骨颗粒，去除后部部分皮质骨，制成植骨床，生理盐水反复冲洗伤口，做枕颈后部表面植骨。

2.2.3 前路松解复位后路枕颈植骨融合内固定术 患者取仰卧位，于手术台调至头高脚低位，并保持颅骨持续牵引。术区常规消毒铺巾。用下颌关节撑开器撑开口腔，充分显露咽后壁。取咽后壁正中切口，用骨剥将咽缩肌及黏膜向两侧分开，暴露出寰椎前弓和枢椎体的前面，用撑开器将软组织缓慢分开。将前纵韧带沿寰椎前弓下缘切断，再将颈长肌、头长肌等肌肉横断，此时寰椎关节会部分复位。将双侧侧块关节囊切开，显露出侧块关节腔，用刮匙刮除关节腔内的粘连组织，并伸入关节腔内用力向上撬拔寰椎侧块，使寰椎关节尽可能完全复位。经C型臂透视机透视确认寰椎关节复位满意后，以生理盐水冲洗伤口，用可吸收线缝合咽后壁切口。持续颅骨牵引情况下，改为俯卧位，颈椎稍屈曲。再行后路枕颈植骨融合内固定术（手术方法同上）。

2.3 术后处理 术后常规使用抗生素1 d，以预防感染。前路手术患者鼻饲饮食1周，2～4 d拔除引流管（引流量 < 50 mL・d-1）。术后3 d常规拍摄颈椎正侧位及张口位X线片，观察内固定及植骨情况。如术中行脊髓减压，可给予地塞米松静滴3～5 d。颈托保护3个月，3～7 d后鼓励患者下床活动。术后分别在3，6，12，24个月复查X线片，以了解内固定、植骨融合及畸形矫正情况。

2.4 课题设计 回顾分析既往枕颈畸形患者临床及相关存档资料，包括临床病历资料、影像学检查及随访资料等，统计比较手术时间、术中出血量、JOA评分表评分、术后改善率等，评价各种手术的临床疗效及其安全性，进而分析各种枕颈畸形的理想术式。

2.5 统计学方法 采用SPSS 21.0软件进行统计分析。计量资料以表示，两组样本均值比较采用独立样本t检验，多组样本均值比较采用单因素ANOVA方差分析，多组间两两比较采用LSD法；计数资料采用χ2检验；并发症比较采用秩和检验。检验水准α = 0.05。

3 结 果

3.1 一般结果 所有患者均获得随访，随访时间13～72个月，平均（37.4±11.2）个月；所有患者术后均获骨性融合，其中4例延迟愈合，1例因术后感染行二次手术。术后102例患者症状消失或基本消失，20例明显改善，4例轻度改善，术中未发生颈动脉及脊髓损伤等情况。按照手术方式不同分为3组：寰枢融合组、枕颈融合组、前后路联合组。3组手术时间依次为（169.02±10.24）min、（166.58±10.03）min、（201.33±13.46）min；术中出血量依次为（237.47±21.63）mL、（242.25±21.92）mL、（327.88±16.27）mL。见表2、图2、图3。

3.2 疗效评价 患者术后JOA评分改善（8.6±1.4）分，改善率达83%。手术前后各组JOA评分比较，差异均有统计学意义（P < 0.05）。各组间平行比较，差异均无统计学意义（P > 0.05）；术后与末次随访比较，差异均无统计学意义（P > 0.05）。见表3。

3.3 术后并发症 寰枢融合组2例患者术后3个月复查颈椎X线片示植骨块明显可见，给予消炎、促骨生长等药物对症治疗，于术后8个月均达骨性愈合。

枕颈融合组术后1例患者发生切口局部脂肪液化，并持续渗出，给予对症处理，并于术后15 d行伤口清创缝合术，定期换药，4周后伤口愈合。1例患者在术后4个月复查示植骨延迟愈合，经复查颈椎CT示所植自体髂骨被逐渐吸收，经再次行后路枕颈植骨融合内固定术，术后3个月获骨性愈合。

前后路联合组术中并发脑脊液漏1例，术中立即行硬脊膜缝合修补术，术后给予对症处理，患者头痛头晕6 d后缓解，未发生颅内感染等并发症。2例患者术后10个月时因原切口被颅骨内固定螺钉磨破而发生感染，再次入院经对症治疗。感染控制后，取出内固定并再次行后路枕颈植骨融合内固定术，术后3个月获骨性愈合。

3.4 颈椎旋转功能丧失情况 术后3组患者颈椎旋转功能均有所丧失，寰枢融合组、枕颈融合组、前后路联合组在术后3个月随访时颈椎旋转功能丧失情况依次为（62.02±6.84）%、（82.03±4.85）%、（66.75±13.64）%（图中目测接近80%）。见图4。

4 讨 论

4.1 手术入路选择 寰枢椎脱位是枕颈畸形最常见的合并症，寰枢椎脱位导致上颈髓及延髓受压和上颈椎不稳，由于上颈椎对于压迫容忍度较大，当出现临床症状时，往往已失去保守治疗机会，通常需行手术治疗，常用的手术方式有寰枢椎融合及枕颈融合。通过融合上颈椎，达到稳定上颈椎的目的。就其入路而言，临床上常用的有以经口咽入路和经后侧入路两种术式为主，也有部分学者报道经侧方入路，但有局部解剖复杂、手术风险大、暴露困难等缺点，限制了该入路的应用。后路入路容易显露，术野较大，便于安置内固定，在临床应用中以后路手术居多。前路手术主要采用经口入路，用于松解粘连或者畸形的寰齿关节，手术视野深在，暴露困难，且术后一旦感染容易波及神经中枢，十分凶险。本组126例均采用枕后入路，其中24例由于寰齿关节及侧块关节局部存在粘连或骨性连接等因素导致复位困难，需采取经口松解，寰枢关节复位充分，术中采用碘伏原液浸泡，术后常规应用抗生素等预防措施；但术后随访过程中依然发现有患者发生口腔相关感染。

4.2 上颈椎融合的选择 由于枕颈畸形存在寰枢关节脱位并发症或风险，进而导致延髓等生命中枢受压，常需上颈椎融合，常用的经典术式有：钢丝固定+骨融合技术、Apofix椎板钩技术、经寰枢椎侧块关节螺钉内固定技术（Mageal技术）、寰枢椎侧块钉板或钉棒技术和寰枢椎椎弓根螺钉内固定技术等[3-7]。以上技术均可取得不同程度的治疗效果，但也存在技术难度大、操作复杂、并发症较多等不足。临床上，无论寰枢融合还是枕颈融合均可丧失部分颈椎活动功能，尤其是旋转功能[8-9]。从生物力学的角度来看，寰枢椎融合保留了寰枕关节的正常结构和功能，患者头颈部的屈伸功能得以保留，对头颈部旋转功能的限制也相对较小[10-11]，较符合生理结构，故该术式更为有效合理。有学者研究发现，对于上颈椎不稳采用后路短节段椎弓根螺钉系统固定具有很好的术后即时稳定性[12-13]。卢旭华等[14]发现，寰枢椎椎弓根螺钉固定可以满足上颈椎各个方向所需求的稳定性。对于伴有寰枢椎脱位或半脱位的枕颈畸形患者来说，经术前牵引可达到理想的复位效果；或颈术中颈前路松解后可复位者，均可行寰枢椎融合术。谭明生等[15]研究证实，伴有不可缓解的枕颈部疼痛、脊髓神经根刺激及压迫症状，以及寰齿关节间距 > 5 mm的寰枢椎脱位，均需行寰枢椎及枕颈融合。本组共有49例行寰枢融合，53例行枕颈融合，其中包括8例齿突畸形，20例寰枢椎半脱位，74例可复性寰枢椎脱位。其中5例患者因MRI示颈脊髓时间受压迫较重而行后路椎管扩大减压术。此102位患者术后均获得满意疗效。

4.3 经口入路的选择 对于合并难复性寰椎脱位的枕颈畸形患者的治疗，传统的手术方法是经口咽入路切除齿状突或部分椎体，以达到脊髓减压的目的；但这种手术方式存在相当高的危险性。Jain等[16]发现，74例手术患者中，术后即刻脊髓功能减退的就有17例，而且其中7例没有得到恢复，在随访中，14.9%的患者症状加重。此手术的缺点主要在于：①不能达到理想的寰枢关节复位；②没有对寰枢关节不稳进行融合固定；③在脱位的前提下切除齿突操作不便，不易完全将其切除，且容易损伤硬膜和造成寰枢椎不稳的后遗症。为此笔者采用前路松解减压使之复位，之后再做后路植骨融合。寰枢椎复位不仅可以解除颈髓压迫，恢复其正常解剖结构，而且便于后路手术的操作[17]。前路松解复位而不需要切除顶压在硬膜上的骨质，可以降低损伤硬膜的风险。由于经口咽手术的切口属Ⅱ类切口，易于感染；但本手术仅在椎管外操作，不涉及脊髓，所以术后感染很少波及脊髓，且咽后壁组织较薄，一旦感染形成脓肿，脓液较易从切口破溢达到引流之目的，亦不会造成脊髓压迫。由于单纯前路寰枢椎松解复位无法避免由于部分没有被横断肌肉所造成的回缩力而导致复发的风险[18-20]，所以必须依靠椎弓根钉棒系统固定并使枕颈或寰枢椎融合，而传统的钢丝固定等技术无法达到此目的。近些年，对于外伤所造成的难复性寰枢椎脱位，经口咽寰枢椎复位钢板固定技术可以获得满意效果，此种术式不仅简化了手术过程，而且显著缩短了手术时间[21-23]；但能否应用于枕颈畸形所合并的寰枢椎脱位尚待进一步的研究。

4.4 个体化手术的优势 枕颈畸形常合并多种畸形，任何一种术式均无法满足治疗的需求，临床上常需个体化选择手术方案。对于寰枢椎均满足螺钉置钉要求者，应优先采用寰枢椎融合，以最大限度地暴露上颈椎的活动功能；因寰椎侧块或椎弓根存在畸形无法置钉者，则可采用枕颈融合，术后应加强康复锻炼，增加颈椎活动代偿；寰齿关节存在阻碍寰枢关节复位因素者，常需经口松解手术。本研究发现，在枕颈畸形的治疗中；解决颈髓压迫和重建上颈椎稳定是治疗成功的关键；而根据患者枕颈畸形的不同类型，选择不同的手术入路和手术策略，在保证手术安全、有效的前提下，应尽可能保留患者上颈椎的活动度和功能，方能达到临床疗效的最佳化。

5 参考文献

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篇2

关键词：交换分布仿真；通信技术；标准；研究

分布交互仿真技术在网络通信工程中有着良好的应用前景，而且对通信行业的发展有着促进作用，可以提高信息传输的效率，还要保证信息传输的安全性。分布交互仿真技术在军事领域中发挥着较大的价值，可以提高网络传输的效果，但是这项技术的应用时间比较不长，相关部门还没有建立完善的管理制度，这不利于对分布交互仿真技术进行管理与优化，限制了通信网络行业的发展，而且制约了通信技术的提升。在研究分布交互仿真技术时，可以参考国外的先进经验，将其更好的应用在军事通讯中，从而提高我国的军事力量。

1 分布交互仿真概述

分布式交互仿真是科技不断发展的产物，其在社会各个领域中有着广泛的使用，这项技术还需要借助计算机等设备，可以保证信息数据更快的传输，可以作为通讯工具，实现通信方式的多样性发展。我国对分布交互仿真技术的研究比较晚，所以这项技术与国外先进水平有着较大差距，为了缩小差距，提高我国数据通信水平，研究人员需要对分布式交互仿真技术的特点以及应用范围进行更好的研究，这样也有利于分布式交互仿真系统的推广。

1.1 概念

分布交互仿真是一种综合性仿真环境，它一般采用协调一致的结构、标准和协议，通过网络设备将分散在各地的仿真设备进行互联，其特点主要表现为分布性、交互性、异构性、时空一致性和开放性。分布交互仿真技术主要解决两个问题：一是使大规模复杂系统的仿真成为可能；二是降低仿真成本。

分布交互式仿真技术可以实时计算并生成一个反映实体对象变化的三维图形环境。通过计算机等设备，实验人员不仅可以“进入”这种虚拟环境（主要是视觉听觉环境），直接观察事物的内在变化并与其发生相互作用，还能通过开放式的中断处理来模拟各种随机事件，给人一种“身临其境”的真实感。

1.2 分布交互仿真的发展

在分布式交互仿真发展的早期阶段，通讯层和应用层是很难截然分开的。在应用层，为了能将实体的数据传给其它实体，每个仿真应用都为自己所生成的实体定义了一个结构或数据块，其中包括了传送实体信息所必要的数据定义。这样的数据可称之为“不规范的数据”。可以说，这种数据定义方式完全满足了实体间数据交换的需要，但缺点是每个实体的数据定义各不相同。每个仿真应用中不但要有本地实体的数据定义，还要有其它节点的实体的数据定义，才能在接到一个数据包后按照正确的格式来理解它。当网络中要增加一个新实体时，其它仿真应用中都要增加这一实体的数据定义。

1.3 分布交互方针的特征

分布交互仿真最大的特征便是没有中央服务器。分布交互仿真是严格的对等网络结构，在它里面所有数据传送给所有仿真应用，而数据的拒绝与接收依赖于接收者的需要。取消了中央服务器，分布交互仿真减少了由于一个仿真应用向另一个仿真应用传送信息的时间延迟。时间延迟严重影响网络仿真的实时性和有效性。举例说明，当一仿真应用向目标开火以后，被击中的目标必须尽可能快知道将要发生的军事行动，使其作出相应的防卫反应，通讯设备的延迟引入可能导致对方力量的加强，战场态势的变化。

2 分布交互仿真中数据通信的研究

随着信息技术为主的高新技术发展和广泛应用，计算机数据通信与网络技术得到前所未有的重视，它已成为分布交互仿真技术中的关键所在，这也是造成我国分布交互仿真技术与国外存在差距的主要原因之一。同时，由于我国没有分布交互仿真技术规范和标准，这使得我国的分布交互仿真技术研究存在多样、复杂以及多元化特征，因此就需要我们在工作中给予高度重视也探索。在目前的实时数据通信技术分析中，它主要包含了数据传输的准确性、及时性，数据发送的可行性、方便和快捷性，信息接收系统的智能性和自动化要求。

2.1 数据通信的应用现状

经过的一段时间的研究表明，分布交互仿真技术中实体的数量在不断增多，仿真性能和仿真优越性也发生了翻天覆地的变化，这就给接受领域的额工作人员大大的增加了负担，使得整个管理实体数量发生了一个瓶颈。此外，在这种交互方式中，我们需要满足人们在回路上存在的仿真需要，但是对事件驱动、时间驱动上存在的仿真问题则无需要给予过多的重视和分析。

2.2 实时数据通信协议分析

实施数据通信是基于网络条件下的计算机数据分析，它在应用的过程中是以网络通信部分和实现基础为标准的，它在应用中需要解决的问题就是如何将信息从网络的一个节点快速、准确的传递给另外一个节点，这个过程中是一个快速、及时传递的过程，它和人与人之间的交流一样，采用合理、简单的语言进行沟通无疑要比复杂的语言快捷的多。因此，在通信协议的制定中，它是针对网络通信为基础开展的，协议利用是否合理、科学和科学将直接关系到网络通信的实现，也决定着网络通信工作的开展。

在一个分布式交互仿真系统中，必须要以科学的通信标准进行控制。在目前的交互仿真系统中，常见的协议包含了TCP/IP协议，它在应用中是以传输控制协议、网络访问协议为核心，它已经广泛的被世界多个国家重视和认可。目前，HLA网关能转化各种协议使用的PDU类型：实体状态、开火、爆炸和碰撞，这些能够支持DIS的仿真器。HLA网关预定是以联邦对象模型（FOM）为依据的数据，它们放在设置文件中，且在运行时改变。另外RTI还提供询问、删除以及时间管理等服务。

结束语

分布式交互仿真技术有着广泛的应用范围，其可以在不同的条件下运行，在数据通信领域中应用分布式交互仿真系统，可以保证数据通信的质量，也可以通信网络的稳定性以及安全性。当前社会，经济发展比较快，社会中各行各业都对通信技术有着广泛的应用，对通信行业的服务水平有着较高的要求，相关技术人员需要对传统的通信技术进行改进，还可以提供更多的通信方式，这样才能满足不同行业的需求，才能保证网络通信发挥着更大的价值。

参考文献

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篇3

关键词 多媒体计算机辅助设计 土木工程 新进展

中图分类号：TP3 文献标识码：A

随着工业化的飞速发展，计算机已经成为现实生活中不可或缺的重要元素，随着计算机发展形成的多媒体计算机辅助设计是一门可以跨学科的新技术，而且在土木工程应用中有着卓越的优势，所以已经越来越多的被引入土木工程的各个领域。多媒体计算机辅助设计能够实现土木工程师和计算机的实时交互，使得工程师在进行设计时能够充分的发挥想象力，因此受到了广泛的关注。

1多媒体计算机辅助技术在土木工程教学中的应用

我们知道，在土木工程教学中，经常需要对学生讲解大量的工程问题以及施工技术，然而这些知识仅仅根据老师的口头传授根本对学生们的学习产生不了多么大的作用，上课效果一点也不令人满意，有了多媒体计算机辅助设计之后可以将课堂上要使用的各种信息有效地组织在一起，老师们可以在课堂教学中适当的引入一些比较形象的可视化的土木工程应用成果，学生们也会比较感兴趣，而且课堂上有什么不懂的也可以自己在计算机辅助设计软件上再设计一次，从而加深对课堂的理解。多媒体计算机辅助技术能够使得课堂上的土木工程设计成果更加可视化，还可以减少了老师上课讲解的时间，这样老师就有更多的时间对同学们进行切身的指导。学生们也能够应用计算机辅助设计软件来提高自己的设计能力，对自身的潜力的挖掘起着十分重要的作用，因此被广泛的的应用在了土木工程教学中。

2多媒体算计辅助设计的各个衍生学科在土木工程领域的新进展

随和计算机技术的飞速发展，各种应用也如雨后春笋般的展示在人们面前，多媒体计算机辅助设计的出现对土木工程设计领域的进展有了巨大的推动作用。以下我们就针对计算机辅助设计的各个衍生学科在土木工程领域的的应用进行详细的介绍。

2.1虚拟现实技术在土木工程领域的应用

作为多媒体计算机辅助设计的衍生学科，虚拟现实技术也得到了十分广泛的应用。虚拟现实技术能够把计算机的应用提高到一个更崭新的领域，它能够使得计算机更加人性化，使得人们不需要在进行复杂的计算机操作就能够得到想要的效果。在土木工程领域中，虚拟现实技术能够切实的解决很多问题，在进行土木工程设计时可以为人们提供多维信息感知模型，可以使得设计方案更加生动形象，并且还能够进行虚拟性能测试，能够更好地向土木工程师展示设计的优缺点，从而进行下一步的改善，使得设计更加满足人们的需求。

2.2分布式多媒体协同技术在土木工程领域的应用

分布式多媒体协同技术能够使得多个用户在同一个虚拟环境中进行各类交互式仿真，它可以完美的将各种多媒体信息整合在一起，而且可以实现实时的人机交互要求，能够利用计算机实现多个工作任务同时完成，因此完全满足了现代工程建设的需要。土木工程中的设计和建设工作需要实现实时的交互，需要进行多媒体新信息的整合，土木工程领域的在从需求到实现的工作中都对分布式多媒体协同设计有极大的需求。

2.3多媒体仿真技术在土木工程领域的应用

信息处理技术和计算技术的发展使得多媒体仿真技术应用而生。随着计算机技术的日益成熟，多媒体仿真技术已经越来越先进，已经产生了功能强大的仿真软件，这些仿真软件的可靠性也越来越高，工程评估的能力也越来越强大，有的甚至可以实现实时的交互功能。土木工程设计工作是一项比较复杂的工程，需要对多种因素进行考虑，而且设计工序繁琐，各个工序之间关系也比较复杂，如果有一部分没有设计好将可能导致整个工程的失败。如果在进行设计时如果采用多媒体仿真技术可不但可以轻松实现各个功能的设计，还能够进行实时的仿真，然后根据仿真的结果再进行进一步的修改，从而使得设计更加完美，更加具有保障性。如果将虚拟现实技术应用在多媒体仿真技术中，在实现仿真模型的建立和实验模拟中我们还可以更加形象的看到可视化的设计效果，能够使得土木工程设计工作更加轻松便捷，因此在土木工程中应用的十分广泛。

多媒体计算机辅助技术主要以交互方法完成土木工程的设计工作，并且各种衍生软件还能够实现图形的编辑、修改、存储、显示，而且具备比较完善的机械标准件参数化图库供人们使用，所以得到了广泛的欢迎。

3结语

多媒体计算机辅助设计能够实现土木工程学科教学的有效化，并且各个衍生学科的发展都使得土木工程设计更加完美，更加具有保障性。虚拟现实技术使得土木工程设计更加可视化，分布式多媒体协同技术能够更进一步的满足土木工程设计的从需求到实现的工作的高效性，多媒体仿真技术轻松实现各个功能的实时仿真。总之，多媒体计算机辅助技术的出现能够促使土木工程领域有更多的新进展。

参考文献

[1] 吴炜煜，任爱珠.多媒体计算机辅助技术在土木工程领域的新进展[J].土木工程学报，2000，01：11-12.

[2] 任爱珠.土木工程计算机技术新进展及研究热点[J].土木工程学报，2011，06：53-59.

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【关键词】半实物仿真 飞行控制 实时性 MATLAB/simulink

1 引言

仿真技术综合了当代科学技术中多种现代化专业手段，在科学技术领域起到了极其重要的作用。半实物仿真技术是所有仿真技术中仿真置信度很高的一类，它的应用不仅局限于理论研究，更多被工程设计、开发测试使用，从早期的航空、航天逐步扩展到今天的军事、电子、通信、交通、舰船等多种行业。计算机技术的快速发展使得半实物仿真的核心――实时仿真计算机的运算能力得到极大提升，从传统的纯数字仿真逐步向人在环半实物仿真领域扩展。

传统物理试验或飞行试验验证直观、真实，但是费时费力，且验证不充分，一旦失败则会造成较大的经济损失，甚至发生严重的事故。纯数字仿真简单易懂，但难以模拟试验件的复杂特性，仿真精度不高。半实物仿真结合了实物试验和数字仿真的优点，将系统中的部分实物引入到计算机仿真系统中，既可以在实验室条件下对试验件进行各种状态下的测试验证，又可以保证试验测试的可靠性和安全性。国内外的飞机或飞机部件的供应商在飞机的研发测试中大都应用了半实物仿真技术。

本文旨在浅述通用的飞行控制系统半实物仿真平台设计思路，为以后试验设计提供基础。

2 系统设计

本文飞行控制系统半实物仿真平台采用一体化设计，是基于MATLAB/simulink飞行仿真模型的实时仿真系统。飞行控制系统半实物仿真平台的基本架构如图1所示。系统可分为5个子系统：

（1） 实时仿真系统：为系统的主体部分，完成实时仿真和信号转换功能，包括仿真主计算机（上位机）、实时仿真计算机（下位机）、信号转化换算机、信号调理机箱、接线盒及附件（包括工作台、机柜、电源、电缆等）。主要进行飞机模型实时解算，信号实时转换及传递。

（2） 综合控制台：由仿真测试计算机和仿真测试控制软件组成，完成实时仿真过程中数据显示、曲线绘制和数据管理等功能，一般放置在近试验人员的测控间，方便试验人员实时分析及监控数据。

（3） 模拟座舱及仪表系统：是仿真中用户和系统进行交互的设备，使系统支持人在回路的飞行仿真试验，驾驶员可通过驾驶盘（杆）、脚蹬、油门等对飞机进行操纵控制，并通过虚拟仪表显示，对飞机的参数进行监控。

（4） 实时网络通讯系统：为系统的通讯设备，包括以太网和反射内存网两种网络，系统中对实时性要求不高的部分采用以太网传输；实时性要求较高的部分采用光纤反射内存网通讯。

（5） 简易视景系统：模拟飞机座舱外的景象，给座舱内的驾驶员以足够的视场角的景象显示。简易视景系统一般由图形生成子系统、投影子系统、音响子系统组成，能接收来自实时仿真计算机传递的飞行数据，并进行3D显示。

2.1 实时仿真系统。实时仿真系统为整个半物理仿真平台的主体部分。本系统构建引入分布式布局思想，设计一对多的分布式模式。采用RTW-xPC作为实时仿真的框架。在半物理仿真系统中，飞机无法以物理部件的形式出现，为保证实时性飞机模型需要运行在实时仿真目标机上。飞控系统中其他部件的实现方式均有物理和数字两种方式。当缺少该部件时可借助实时操作系统保证部件模型仿真的实时性，将运行该代码的仿真目标计算机代替真实部件在半物理仿真系统中的位置。物理信号和数字信号之间的转换以及物理部件在系统中的接口均通过信号转化计算机实现。

飞行仿真模型是实时仿真系统的核心。在仿真主计算机的MATLAB/simulink环境下完成飞控系统离线和实时仿真模型的搭建，并运行在实时仿真计算机内。模型所模拟的部件要与真实物理部件的参数一致，是对物理部件的分析、抽象而建立，是真实系统的近似模型。在Matlab/Simulink环境下搭建模型，运用了模块化的设计思想，便于今后对模型的修改和完善，提高系统的通用性。

2.2 模拟座舱及仪表系统。模拟座舱及仪表系统是半物理仿真平台中的人机交互设备。模拟座舱采用虚拟现实技术模拟生成飞机在空中的飞行环境条件，使仿真人员具有身临其境的“真实”感觉。仪表系统从实时网络上接收实时仿真计算机发送来的飞机位置、姿态等信息，向驾驶员反馈飞机的实时操纵状态和飞机飞行状态，另一方面采样驾驶盘（杆）、脚蹬、油门的输出信号。当驾驶员操纵时，反映设备状态的模拟量输出就发生改变，模拟信号经过采样滤波处理后，输出给实时网络。

虚拟仪表软件开发平台主要采用GL Studio，它可以创建实时的、三维的、照片级的互动图形界面。GL Studio生成的C++和Open GL源代码可以单独运行，也可以嵌入其他视景软件中使用，且能够方便的被其他目标优化平台使用。

2.3 简易视景系统。简易视景系统一般由视景计算机、投影系统、音响系统和视景管理软件组成。由专门的视景软件配合硬件在视景柱幕上生成3D景象。音响系统一般包括音响计算机、功放等，模拟飞机飞行中的各种声音，包括那飞机起飞着陆及正常飞行的气流声、发动机声、起落架收放声等。

3 结论

本文提供了一种通用且实时可靠的飞行控制系统半物理仿真平台设计手段。平台采用一体化设计原则，可以在线调参、实时查看试验及飞行效果，极大地提高了试验效率。

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关键词：系统结构；工作原理；网络通信；多线程

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)16-21246-04

Design of Communication Based on Winsock in the DIS hardwareCin-the-loopSimulation Training System of Container Crane

SONG Tie-cheng,XU Kai-yu,LIANG Gang

(Dept. of Communication and Information System Shanghai Maritime university, Shanghai 200135,China)

Abstract: This paper analyses the requirements of DIS hardwareCin-the-loop Simulation training system of container crane. And a method is proposed to achieve high speed communication base on Winsock in the data interaction. The principal of this design and some important functions used in this application are introduced in this paper. Practice has proved that technology of asynchronous socket based on message and multithreads is a good way to achieve high-speed communication in DIS hardwareCin-the-loop Simulation training system of container crane.

Key words: System construction;Operation principle; Communication; Multithreads

1 引言

集装箱起重机分布式交互半实物仿真驾驶训练系统是在已经研制成功的集装箱起重机半实物仿真驾驶训练系统[1]的基础上，根据港航企业综合训练的需要和港口码头起重机装卸作业实际要求，基于分布式仿真技术，改进现有单机仿真训练器，研制开发多数量多类型起重机的协同交互式综合训练器。增加产品的技术附加值，满足港航企业对协同培训的发展要求，提高产品的国际竞争力的需求进行研发的。

该仿真系统是基于DIS ( Distributed Interactive System)协议，结合起重机操作及操作监控的特点而进行研发的起重机操作的仿真系统。它构造了一个虚拟的起重机操作环境，以满足对学员进行训练的要求。整个仿真系统具有对由不同类型的多台起重机和一个教员平台构成，各仿真器结点分别模拟各种不同的实际装备。仿真过程开始后，各仿真器结点之间需要通过网络传送大量的实时信息，以协调和控制各仿真结点程序的运行。因此，各仿真结点之间网络的通信是集装箱起重机分布式交互半实物仿真驾驶训练系统中的关键技术之一。

网络通信有很多种实现方法，其中Winsock是一套开放的、支持多种协议的Windows环境下的网络编程接口。在实际的应用中，它已经成为Windows网络编程事实上的标准。根据集装箱起重机分布式交互半实物仿真驾驶训练系统的特点，采用了UDP协议，应用套接字和多线程技术来满足该系统中各仿真结点信息传递的实时、高效、交叉、对等性的要求[2]。

2 系统功能

整个系统分为学员系统（图1）、教员台控制系统、网络通信系统模块组成[3]。

当学员在驾驶室操作台进行操作时，相应信号经过PLC及信号采集系统转换后把信息送入计算机，计算机根据接受到的数据，运行相应的动力学模型，把计算结果输入视景系统，控制图形输出，实时反映出仿真图象。通过加入视点，实现多视点切换。图2为该视景系统的一个画面。

图1 学员系统工作原理 图2仿真驾驶训练系统部分视景画面

教员台控制系统包括教员台主机、视景监视屏、驾驶室操作监视器以及相关的输入输出设备，其核心是用VC++6.0编制的教员台控制系统程序。该系统可以完成以下主要功能：系统自检、系统参数设置、操作训练科目和难度设定、操作训练环境条件设定、系统控制及仿真过程监视、故障设置、仿真过程的记录和重演、自动评分和操作错误分析等等。

网络通讯系统由网络交换机、专用和通用以太网卡、网络线、视频分配器等配以相应的TCP/IP通讯协议组成。该系统将负责驾驶室系统、PLC逻辑控制系统和教员台系统之间各种数据信号、视频信号的传送。

由于仿真训练系统在实际应用中，需要同时对多台不同类型起重机的操作及场景进行模拟，这就要求系统具备优异的兼容性、扩展性和计算能力。通过各仿真平台间的通信，实现系统的分布式，提高系统的性能。图3为仿真驾驶系统通信示意图。

图3 仿真驾驶系统通信示意图

3 系统中网络通信的实现

3.1 集装箱起重机DIS的通信特点

半实物仿真驾驶训练系统的数据通讯主要是通过网络交换机来完成的。该结构负责将各驾驶室操作台的经过A/D转换的操作信号和PLC产生的数据经网络交换机传递给教员控制系统、学员系统，以运行数学模型模块和进行图形驱动；将教员控制系统的命令和设定的参数传送给学员系统；教员控制系统通过切换接收学员系统传送的数据监控学员操作；学员系统也可以通过选择接收其他学员的操作数据察看操作情况；将吊具或集装箱的运动轨迹数据回传给教员台记录下来，以便重演。系统通讯结构图如图4所示。

图4 集装箱装卸桥半实物仿真驾驶训练系统通讯结构图

基于半分布式交互仿真系统的网络通信特点，在教员控制系统与学员系统间的通信采用了流式套接字。操作台与学员系统，及学员系统间采用了数据报套接字。

3.2 主要使用函数[5-6]

3.2.1 套接字建立函数

SOCKET WSASocket(int af,int type,int protocol,LPWSAPROTOCOL_INFO lpProtocolInfo,GROUP g, DWORD dwFlags);

对于UDP协议，应写为:

SOCKET m_sSend，m_recv;

m_sSend = WSASocket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0,NULL,0,0);

m_recv = WSASocket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0,NULL,0,0);

3.2.2 套接字绑定函数

int bind ( SOCKET s，const struct sockaddr* addr, int namelen)

需要注意两点：

(1)IP地址的填写。由于要使用的是广播通信方式，地址应设为INADDR_ ANY；

(2)端口号的分配。为两套接字指定特定端口，指定范围在1024一65536，可任意指定。端口号从一个16位无符号数(u_short类型数)主机字节顺序转换成网络字节顺序，需要使用htons( )函数。

SOCKADDR_IN addrSock;

addrSock.sin_addr.S_un.S_addr =htonl(INADDR_ANY);

addrSock.sin_family = AF_INET;

addrSock.sin_port = htons(8000);

if(SOCKET_ERROR == bind(m_sSend,(SOCKADDR*)&addrSock,sizeof(SOCKADDR)))

{

AfxMessageBox("绑定失败！");

}

SOCKADDR_IN addrSock;

addrSock.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);

addrSock.sin_family = AF_INET;

addrSock.sin_port =htons(7000);

if(SOCKET_ERROR==bind(m_recvt,(SOCKADDR*)&addrSock,sizeof(SOCKADDR)))

{

AfxMessageBox("绑定失败！");

}

3.2.3数据发送与接收函数

int WSASendTo(SOCKET s ,LPWSABUF lpBuffers, DWORD dwBufferCount, LPDWORD lpNumberOfBytesSent, DWORD dwFlags,const struct sockaddr Far*lpTo, int iToLen, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine);

int WSARecvFrom(SOCKET s ,LPWSABUF lpBuffers, DWORD dwBufferCount, LPDWORD lpNumberOfBytesSent, DWORD dwFlags,const struct sockaddr Far*lpTo,int iToLen, LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine);

需要注意的是，由于各仿真结点信息、传递的交叉性，要求发送函数具有发送广一播数据的能力。对接收函数没有特殊要求。

3.2.4设置套接字为非阻塞处理方式

在网络通信中，由于网络拥挤或其它原因，阻塞可能随时出现。Winsock对可能产生阻塞的函数提供了阻塞和非阻塞两种处理方式。在阻塞方式下，收发数据的函数在被调用后一直要到传送完毕或者出错才能返回；对于非阻塞方式，函数被调用后立即返回，当传送完毕后，由Winsock给程序发送一个事先约定好的消息。

在默认状态下，Socket以阻塞方式工作。由于系统对实时性要求较高，因此要求Socket以非阻塞方式工作。为了实现非阻塞通信，Winsock提供异步选择函数WSAAsynSelect ( )、套接字I/0控制函数ioctlsocket( )、事件选择函数WSAEventSelect()等几种方法。

根据实际需要，系统采用了基于消息的异步套接字，实现非阻塞通信。

int WSAAsyncSelect(SOCKET s,HWND hWnd, unsigned int wMsg,long lEvent)

该函数为指定的套接字请求基于Windows消息的网络事件通知，并自动将该套接字设置为非阻塞模式。

注册事件并定义消息响应函数：

ON_MESSAGE(UM_SOCK,OnSock)

afx_msg long OnSock(WPARAM wParam, LPARAM lParam);

HWND hwnd =AfxGetMainWnd()-> GetSafeHwnd();

if(SOCKET_ERROR==WSAAsyncSelect(m_socket,hwnd,UM_SOCK,FD_READ))

{

AfxMessageBox("注册网络事件失败！");

}

4建立多线程机制[6]

4.1 建立多线程

在系统中，系统使用了两个套接字。一个套接字用于数据接收，另一个用于数据发送。基于集装箱起重机分布式交互半实物仿真驾驶训练系统的网络通信特点，该系统专门启动一个工作线程来监视数据的接收情况，以满足该系统网络通信的实时性和高效性，同时也提高了通信的可靠性。而在主线程中则根据需要使用另一个套接字来发送数据。

4.2 保持线程间的同步

在多线程处理时，线程之间经常会同时访问一些资源数据，从而导致资源操作上的冲突。在集装箱起重机分布式交互半实物仿真驾驶训练系统中，工作线程不断接收数据并写人数据缓冲区，而主线程也要从数据缓冲区中读取数据进行处理。显然，两线程都要访问同一数据区，为了避免访问冲突，必须进行必要的冲突控制。

进行冲突控制，通常采用通过设置互斥体对象、通过设置信号灯、通过设置事件对象和通过设置临界区等方法，这里只讨论设置事件方法。首先，调用函数CreateEvent创建事件对象:HANDLE CreateEvent ( );然后，在线程访问共享资源之前调用WaiteForSingle0bject，共享资源访问完毕后，调用SetEvent（）将事件对象重新设置为有信号状态。

下面一段代码显示了创建接收数据工作线程和在工作线程中保持线程同步的程序片断：

HANDLE g_hEvent;

g_hEvent = CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);

if( g_hEvent ==NULL)

{//事件创建失败!;

}

DWORDThreadld;

HANDLE ThreadHandle=CreateThread(NULL,0, receiver , this , 0 , &ThreadId );

if(!ThreadHandle)

{

AfxMessageBox(“创建失败！”);

}

DWORD WINAPI receiver(LPVOID lpParameter)

{ …

WaitForSingleObject(g_hEvent,INFINITE);

…//访问共享数据区

SetEvent(g_hEvent);

…

}

5 结束语

实践证明，基于消息的异步套接字和多线程技术是一种较好地实现集装箱起重机分布式交互半实物仿真驾驶训练系统高速网络通信的方法。目前，我们已经成功地应用该方法实现了仿真驾驶训练系统的高速网络通信，为该系统的研制成功奠定了坚实的基础。文章所讨论的基本内容，对其它分布式交互仿真系统也具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 蔡志刚.集装箱装卸桥仿真系统[J].计算机辅助工程,2007(02):65-67.

[2] 李志强,胡辉良.Winsock在坦克分布式交互仿真系统中的应用[J].电子计算机,2002,2(154):51-54.

[3] 李剑,梁岗,王重华.集装箱装卸桥仿真训练系统通信功能的实现[J].上海海运学院学报, 2002(03):58-61.

[4] 张煜,张新艳.仿真技术在港口集装箱装卸作业中的应用[J].武汉交通科技大学学报,2000,12(6):680-683.

[5] 曹衍龙,刘海英.Visual C++网络编成实用案例精选[M].北京:人民邮电出版社,2006:21-37.

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关键词 编程；软件；matlab；仿真技术；测控系统

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671―7597（2013）031-092-01

现在全世界范围内都在大力发展工业、服务业、航天航空及计算机产业，这些产业和领域也在不断的发展和壮大，但是检测和控制也就显得越来越困难，需要有更加先进的测控系统和测控系统设计。测控系统的设计通常是一个模拟和仿真的过程，通过电子计算机技术及软件编程，提供一个模拟和仿真测控系统工作的平台。20世纪80年代以来，我国测控系统设计开始走上正轨，并且不断学习和吸收国外先进的测控技术，但是随着电子技术和数字信息技术的发展以前的测控系统逐渐不能够适应时代的需求。在测控系统设计过程中需要不断的对系统工作过程进行仿真模拟，不断的进行各种参数的修改和运算，以前测控系统模拟和仿真技术不能够很好的适应设计需求，所以需要有更加先进的仿真平台。

1 matlab及matlab仿真技术

Matlab是一个起源于美国的数学软件，它能够完成各种复杂的运算，还能够用于数据的开发、数据的可视化、数据分析等，这款软件一经开发就迅速被人们所关注并且投入使用，尤其是在测控系统中。Matlab有两个重要部分所组成即，matlab与Simulink，其中matlab主要用于数据的运算和开发等方面，它的原理和基础是矩阵，用矩阵解决各种复杂的数学计算问题，matlab要比C语言和fortran简单和快捷的多，并且吸收了C、C++、JAVA等软件的优点，更为普及。Simulink则为模型建造、数据分析和仿真提供一个环境，Simulink不需要进行许多步骤的书写，使用非常简单和快捷，而且仿真细节到位，能够模仿真实的情况，现在许都领域已经用Simulink软件进行系统仿真和模拟。

matlab仿真技术是基于matlab与Simulink的仿真技术，它能够通过对复杂数据的运算、处理和分析，对模拟对象的工作和工作环境进行仿真，这种技术能够非常精致的模拟每一个细节。matlab仿真技术操作简单、工作效率高，除了有同类别软件一些功能（运算符号），还有矩阵和向量运算方法进行数据处理和分析。matlab仿真技术的可视化功能也是非常强大的，在仿真过程中还能够对图像进行处理，进行动画制作等高级指令。matlab仿真技术的可操作性也非常强，它软件的数据源是可以根据用户自身需要而改变的，对源文件进行替换和修改，在仿真过程中能够更加灵活和便捷。

2 matlab仿真技术在测控系统中的应用

测控系统可以是单一的检测系统或者是控制系统，但是一般情况下检测与控制是相互联系，紧密不分的两部分，文章所指的测控系统包括检测与控制两方面。测控系统自产生以来大致有集中测控系统、DCS测控系统和网络分布式测控系统，无论每一种测控系统，都是为了适应时代的需求而产生与完善的，测控系统在设计过程中需要不断的对各种参数和设备进行调控和更改，这就需要对测控系统进行模拟运转和仿真。

现在的测控系统工作量较大，而且运算复杂、困难，在设计和投入使用前期需要有严格的仿真过程，在计算机技术和软件编程技术快速发展的今天，仿真技术也在不断的创新和突破。matlab仿真技术就是用matlab软件对测控系统的运作进行建模，对其现实中的工作进行仿真，把各方面的数据和设备调配到最佳的工作状态，使整个测控系统的工作效率达到最高，然后系统才能够投入使用。

matlab仿真技术能够通过Simulink预定义库模块即，建造测控系统的库模块，然后通过交互式的图形编辑器组合和管理较为直观的模块视图，再通过软件的一些功能进行代码和程序的生成，就能够达到模型建立的效果。在Simulink测控系统仿真模型库中整个测控系统仿真的流程是：信号的产生与输出、编码、解码、调试、解调，而且可以通过仿真模式对整个测控系统的运转进行仿真。在matlab仿真技术中能够使测控系统在虚拟的工作环境中运转，并且能够对系统各项数据和配置进行无限次的修改，直到满足测控要求之后。matlab仿真技术是基于matlab与Simulink的，通过一些代码和数据的处理、运算，发出一定的指令进行建模，而且它的可视性非常强，能够很直观的进行仿真过程，为测控系统的设计打下坚实的基础。

matlab仿真技术在测控系统中的应用，能够为测控系统的设计提供较为真实的模型和运作环境，并且不断的进行各种数据的调控，为测控系统投入使用高效运作提供依据。

3 结束语

测控系统的发展从简单到复杂，从低效到高效已经有了一定的发展历史和基础，matlab仿真技术在测控系统中的应用更加丰富了仿真系统的设计方案。matlab仿真技术能够为测控系统提供一定的依据，在matlab仿真系统的辅助下，测控系统能够进行不断的优化和创新，使其能够更加实用复杂的工作和工作环境。

参考文献

[1]张德丰，杨文茵.matlab仿真技术与应用[M].清华大学出版社，2012.

[2]孙传友.测控系统原理与设计（第2版）[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[3]钟麟，王峰.MATLAB仿真技术与应用教程[M].国防工业出版社，2004.

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【关键词】EDA仿真 SMT虚拟教学 教学改革 云计算

1 引言

EDA（Electronic Design Automation）是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包。主要能辅助进行三方面的设计工作，既IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术经过了三个阶段的发展。从70年代的（CAD）阶段和80年代的（CAE）阶段，到90年代的电子系统设计自动化（EDA）阶段。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向。它不仅为电子技术设计人员提供了“自顶向下”的设计理念，同时也为教学提供了一个极为便捷的、科学的实验教学平台。电工电子类专业课程中的电工基础、模拟电子技术、数字电子技术都可以通过EDA仿真软件，进行电路图的绘制、设计、仿真试验和分析。应该说将EDA仿真软件应用到电工、电子类专业的教学中是一种教学手段的创新，也是提高教学质量的优选方法。

以下主要讨论EDA在SMT虚拟教学中的应用。

2 SMT贴片工艺虚拟仿真教学

SMT贴片工艺是我国大中专院校电子组装技术必修的一门课程，是电子组装技术与设备专业的一门职业技术课程，一门核心技术课程，是本专业学生毕业后直接任职SMT生产（工艺）技术员岗位，从事电子产品生产制造（SMT）工作的主要支撑课程。通过本课程的学习，使学生具备高新电子制造企业高技术岗位。而由于我国多数学校在实验设施上不能满足学生学习条件，使得SMT贴片工艺虚拟仿真教学得到了快速的发展。虚拟仿真教学也可以对社会上没有电子组装技术的人去学习SMT贴片技术带来了可能性。

随着国内电子行业的快速发展， 我国己成为世界电子产品制造大国，而表面贴装技术（SMT） 在电子产品的生产中占据十分重要的位置。SMT是将表面元器件贴装到PCB上，通过波峰焊或回流焊加热而使PCB与元器件之间实现机械和电子连接的过程，作为电气互联技术的主要组成部分和主体技术， 已成为现代电气互联技术的主流，被誉为“电子组装技术的第三次革命”。因此，让学生了解SMT的生产过程和生产工艺就显得特别重要。

传统的物理实验教学，在时间、空间和实验条件等方面会受到限制，缺乏一定的灵活性，不利于物理实验教学的实施与开展。随着计算机仿真技术和网络技术的发展，一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统产生――虚拟实验室。虚拟实验室作为推动教育模式进化的一种有效方法，逐渐成为近几年来国内外实验教学和远程教学研究和应用的热点。虚拟实验室不仅可以克服传统实验教学人力、物力、财力投入大的问题，更为远程实验教学的实施提供了条件和技术支持，也为远程教育的质量提供了有力的保障。

贴片机是SMT生产线中的关键设备，主要完成元器件的贴装功能。贴片机的贴装精度及稳定性将直接影响到所加工电路板的品质及性能，它对整个生产线的产品精度，生产效率，实际产量和生产能力起决定性的作用。而我国的SMT设备研制水平非常落后，尤其是贴片机方面与国外上的差距正在不断扩大，因此本文将深入研究贴片机制造工艺过程的虚拟仿真技术，加深学生对贴片机知识的认识和理解，为学生独立自主地进行学习与实践创造良好的条件。

3 EDA虚拟仿真技术在SMT贴片工艺虚拟仿真教学中的应用

3.1 虚拟环境下PCB文件BOM表和坐标文件的导出

贴片机是用来实现高速、高精度地贴放元器件的设备。贴片机编程是指通过按规定的格式或语法编写一系列的工作指令，让贴片机按预定的工作方式进行贴片工作，但前提是需要知道所加工的PCB文件里的BOM表和坐标文件。Protel99se是一种简单易学的画图软件，通过该软件，学生可以快速了解贴片机的编程过程所需PCB文件的BOM表和坐标文件。在Protel99se中PCB板的工艺图片和导出的BOM表信息如图1所示。

3.2 PCB贴片机的三维实体模型建模

贴片机的三维实体模型构建研究主要构建贴片机的机架、PCB传输机构、贴装运动系统和供料槽。主要通过反复的查阅贴片机的相关资料，对贴片机的分类、架构和工作原理进行了解，在三维软件建模的过程中（如PRO/E软件），根据模块间组合装配的程度进行反复修正。三维实体模型建模各组件模块的功能组合分析如图2所示。

3.3 PCB贴片运动过程虚拟仿真设计

贴片机贴片运动过程虚拟以建立的模型为依托，根据贴片机运动的原理进行仿真参考设计。即以贴片机的实际生产为前提，以功能模块为仿真对象，在整个仿真过程建立一条主线，把握好部分与整体的协调运动来进行贴片机的供料系统运动模拟、传输机构运动模拟和贴装运动模拟。在整个仿真设计的过程中，需要不断根据零部件的运动配合和装配约束等问题对模型的运动进行反复测试，并发现其中存在的不合理性，和不断调整运动仿真的顺序，以增强各部分模块间的装配和运动配合，让仿真更接近真实的实验。贴片机的运动形式如图3所示。

4 虚拟化技术在云计算中的应用

云计算的特征体现在虚拟化、分布式和动态可扩展。虚拟化， 是云计算最主要的特点。每一个应用部署的环境和物理平台是没有关系的， 通过虚拟平台进行管理、扩展、迁移、备份， 种种操作都通过虚拟化层次完成； 动态可扩展是指通过动态扩展虚拟化的层次， 进而达到对以上应用进行扩展的目的； 分布式是指计算所使用的物理节点是分布的。从云计算的最重要的虚拟化特点来看， 大部分软件和硬件已经对虚拟化有一定支持， 可以把各种 IT 资源、软件、硬件、操作系统和存储网络等要素都进行虚拟化， 放在云计算平台中统一管理。虚拟化技术打破了物理结构之间的壁垒， 代表着把物理资源转变为逻辑可管理资源的必然趋势。在未来， 所有的资源都透明地运行在各种物理平台上， 资源的管理都将按逻辑方式进行， 完全实现资源的自动化分配， 而虚拟化技术则是实现这一理想的唯一工具。针对云计算， 虚拟化技术的融合和应用应面向高级虚拟主机、应用和资源， 以及虚拟化存储等方面。

同样的，SMT虚拟仿真教学也可以运用到云计算中去，可以把创建好的虚拟教学视频通过网络传输到云端，那么，无论学校硬件设施如何，老师们都可以通过云端下载网络视频，进行视频教学，这样就避免了由于学校硬件设施而不能开课的问题，这也是现代教学改革的一种体现方式，更有利于我国教育良好的发展。

5 结束语

本文通过对EDA仿真技术的分析，提出了EDA仿真技术在SMT虚拟教学中的应用；此技术不仅可以用在硬件设施不足的院校，更为成人学习带来了可能性，通过用理论学习和虚拟教学相结合的思想构建了一种以体验式学习为指导的贴片机制造工艺虚拟仿真实验；提出用三维实体建模软件完成贴片机的机架、PCB传输机构、贴装运动系统和供料槽的模型创建的思想；最后讨论了虚拟仿真在云计算中的应用，为教学等提供了更有利的方案。

参考文献

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关键词：雷达电子对抗异构仿真系统；集成技术；反射内存网；信息技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0074-02

为了完善现代作战体系，满足作战训练系统的实际需求，应加强各种仿真技术的合理使用，实现雷达电子对抗异构仿真系统构建，使得仿真系统集成技术可以满足全要素、高逼真度的模拟需求，为作战理论的丰富及体系的完善提供可靠的参考依据。因此，需要加强对雷达电子对抗异构仿真系统功能特性的深入理解，灵活运用各种集成技术优化系统的服务功能，保持系统在现代作战体系及作战模拟训练中的应用良好性。因此，需要深入研究雷达电子对抗异构仿真系统的集成技术，扩大该仿真系统的实际应用范围。

1 雷达对抗的基本原理及方法

1.1 雷达对抗的基本原理

所谓的雷达是指通过运用测定目标对电磁波反射现象来找出目标位置的设备。雷达的工作过程为：雷达发射机安按照合理的方式像空中领域发射一定强度的电磁波，当电磁波遇到障碍物时将会散射，雷达接收机将会接收到经过调制后的反射回波，通过信号处理方式得出被测目标的相关信息。雷达对抗的基本原理是：性能可靠的雷达对抗设备通过侦察的方式接收到目标雷达发出的电磁信号，进而对这些电磁信号进行全面地分析与处理，获得目标雷_的各个参数，结合雷达信号处理专业知识，获取目标雷达的各种状态信息，最终将分析结果及时地传送给干扰机及相关设备的过程。雷达对抗的基本条件有[1]：（1）像空间领域发送电磁信号；（2）接收机在一定的时间内接收到强度高的电磁信号；（3）目标雷达的各个参数、状态信息处于雷达对抗设备能够处理的范围内。

1.2 雷达对抗的基本方法

结合雷达对抗的基本原理及条件，可以选择不同的雷达对抗方法，实现对目标雷达参数与状态信息的采集、处理。雷达对抗的基本方法主要包括[2]：（1）采取有效的措施及时地破坏目标雷达探测电磁波传播路径；（2）将产生的各种干扰信号发送到雷达接收即中，扰乱雷达对目标信号的实时检测，降低其获取信息的准确率；（3）减少目标雷达的截面积，确保其状态信息及参数收集的可靠性。

2 反射内存数据通信原理分析

作为一种可靠的实时网络，反射内存网的合理运用，可以快速地确定与分享各种实时数据，满足雷达对抗设备的实际需求。反射内存网的主要特点有：具有良好的传输确定性，可预测性能强；软硬件平台适用3范围广、传输纠错能力强；可以满足中断信号的实际需求。

反射内存网正常工作时内部的反射内存板卡对各种传输介质有着较强的依赖性，可以使反射卡的各个节点之间能够实现数据共享及数据拷贝。在多种总线的支持下，可以确定反射内存板所占有的内存地址，确保计算机向反射内存板输入数据时数据能够在相同内存地址的作用下存储到指定的位置，在满足安全访问条件的前提下其它的计算机在可以随时访问这些数据，优化反射内存版读写方式。同时，由于反射内存网数据传输依赖于硬件，不需要考虑各种通信协议，通过软件代码编写方式能够实现数据读、写，满足了实时系统快速反应周期的多样化需求[3]。与此同时，反射内存光纤网络设置中采用了先进特殊的技术，确保了分布实时系统数据传输的可靠性，保持了分布节点间数据通讯的良好性。因此，为了达到信息传送中断的实际需求，应注重反射内存光纤网络的合理使用。

3 雷达对抗系统建模与仿真技术

现代建模与仿真技术主要是指以相似的原理、模型理论、系统技术及建模与仿真应用领域相关的技术为基础，通过对计算机网络、专业仿真设备的合理使用，构建出已有的或者设想过的系统，进而进行分析、评估、维护等方面的综合性技术。

雷达对抗系统建模与仿真技术的主要特征有：（1）动态性。可以对事物的动态过程进行描述，实现连续事件与离散事件的有效分析；（2）分布性、系统性及实时性。复杂的仿真系统是由多个分布式计算机共同组成的；建模与仿真可视为一个完整的系统，是由多种关系共同组成的；仿真系统构建时需要充分考虑实时性需求，并将时间管理理念融入到系统构建中；（3）交互性、一致性及可行性。仿真系统构建中包含了多个模型，不同的信息之间交互性强；一个完整的仿真系统中包含了多个视图、帧速率、模型与数据，但需要保持这些组成部分的一致性；建模与仿真得到的结果是可信的，需要满足使用者的实际需求。

在构建可靠的雷达电子对抗异构系统过程中，需要注重建模与仿真技术体系的不断完善。该体系主要包括建模技术、建模与仿真支撑系统的各种技术、仿真应用技术。像数据可视化建模技术、多视图建模技术、模糊识别、连续系统建模技术等，可以为建模与仿真技术体系的不断健全提供可靠地保障[4]。同时，需要加强对武器装备仿真、作战仿真组成的军用仿真的深入分析，注重战役仿真、战术仿真、技术仿真、训练仿真等不同军用仿真技术的合理运用，扩大电子战建模技术的实际应用范围。

4 基于反射内网桥接的雷达电子对抗异构仿真系统集成架构技术要点分析

该仿真系统集成技术使用中的异构性具体表现在：（1）参考模型方面的异构。通过对不同集成技术及仿真系统实际作用的分析，可以结合不同颗粒度的建模方式实现建模分析；（2）仿真实现方式异构。通过对计算机模拟及其它模拟方式的适应，有利于实现联合试验仿真系统构建；（3）网络结构方面的异构，结合不同仿真试验对象的实际需求，应注重RTI以太网及系统时钟实时网络的合理运用，优化仿真系统通信机制，优化雷达对抗性能。基于反射内网构成的雷达电子对抗异构仿真系统集成架构技术要点具体表现在以下方面：

4.1 基于反射内存网异构桥接的相关机制

构建可靠的雷达电子对抗异构仿真系统，需要充分考虑作战效能层面的实时模拟及射频信号方面的实物模拟。作战效能层面的实时模拟有利于计算机仿真分系统，需要集合TCP/IP协议及RTI以太网通信体制的作用，构建出可靠的点对点通信模式，满足逼真度强、超实时仿真实验需求；视频信号层面的实物模拟仿真分系统依赖性系统时钟与射频电缆相结合的联结方式，增强了仿真系统模拟的实时性。体现了仿真系统模拟分析中的复杂性。

在可靠的系统集成技术支持下，雷达电子对抗异构仿真系统构建中需要充分地考虑模拟实时性、模拟粗粒度满足模拟细粒度等原则的要求，制定出完善的系统集成方案，并将系统开发成本控制在合理的范围内，促使半实物仿真分系统支持下异构仿真系统信息与运行方控制之间可以实现实时交互，保持不同体制下仿真方式的互通性，确保各种仿真方式的良好操作性。

4.2 基于反射内存网异构仿真系统集成架构技术要点

确定反射内存网桥接的具置，有利于实现雷达电子对抗异构、网络异构等不同异构形式的衔接，增强仿真系统内部各构件之间的互联互通性。同时，设置好的每个桥接席位都需要安装反射内存卡，并在光纤交换机及相关传输介质的作用下形成具有良好拓扑结构的放射内存网。通过对基于反射内存卡应用软件的合理使用，有利于实现系统内所有数据的读写交互，确保@些数据能够在最短的时间内被处理，保持数据与时间的同步性[5]。

在处理时钟数据的过程中主要依赖于半实物桥接席位，促使雷达能够将检测到的目标信息及时地写入发射内存卡，并在反射内存网的支持下使得其它的桥接席位能够实时地读取系统数据。在雷达电子对抗异构仿真控制系统运行过程中，通过对反射内存网原理的利用，可以对时钟信息进行实时的读取，提高不同节点时间推进过程中节拍信息获取效率，并在信息处理机制作用下优化雷达搜索目标、跟踪航迹数据工作性能。

4.3 雷达电子对抗异构仿真系统运行的不同方式

为了使雷达电子对抗异构仿真系统能够处于稳定的运行状态，需要在选择集成技术的过程中充分考虑系统运行的不同方式。系统的仿真设计阶段、试验运行阶段、综合效能评估阶段中各类仿真工具软件的合理使用，可以为系统运行方式的有效选择提供必要的参考依据[6]。雷达电子对抗异构仿真系统运行的不同方式主要包括：（1）时间受限方式；（2）时间控制方式；（3）时间控制与时间受限相结合方式；（4）时间控制与时间不受限方式。通过这些不同运行方式的合理使用，可以为雷达电子对抗异构仿真系统运行效率的提高及服务范围的扩大提供可靠地保障，促使效能仿真系统作用下的所有数据信息能够高效传递，实现对目标物的实时追踪与锁定。

5 结语

综上所述，这些不同的集成技术在现代雷达电子对抗异构仿真系统运行中起着重要的保障作用，最大限度地满足了现代战争战略计划制定与实施的实际需求。因此，需要结合当前部队深化改革及国防事业快速发展的要求，健全军队指挥管理体系，增强作战训练计划制定合理性，提高雷达电子对抗异构仿真系统的运行稳定性，在各种集成技术的作用下保持电子战场作战水平的了良好性，为部队电子对抗能力的全面提高打下坚实的基础。与此同时，需要在雷达电子对抗异构仿真系统集成技术优化中注重信息技术及计算机系统的合理使用，保持这些集成技术的先进性，充分地发挥出这种仿真系统在未来电子战场的各种优势，促使我国军队整体作战水平能够始终保持在更高的层面上。

参考文献

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[2]朱峰.对有源电子扫描阵（AESA）综合射频系统的干扰技术研究[D].江苏科技大学，2014.

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[4]彭勇.作战仿真模型体系分析及其模型设计与实现关键技术研究[D].国防科学技术大学，2011.

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1.学生校外实习困难重重

企业走向市场，更加注重生产效益、技术保密和生产安全，学校难以建立长期稳定、专业对口的校外实习基地。企业对学生下厂实习的态度从积极到应付，进而变为消极，各种限制条件很多，实习往往变成了参观。笔者学院与兖矿鲁南化肥厂一直保持着密切的校企合作关系，化工专业学生在完成氨合成、尿素等专业课程的学习后，在该厂进行为期1个月的生产实习。但1999年以后，由于企业政策的变化，生产实习开始变得困难，学生的实践技能培养遭遇了尴尬。

2.增加实训工位，提高动手能力的要求

学生校外实习变得困难重重，于是实习只能依托校内实习基地。但由于经费不足，各实训室所能提供的实习工位严重不足，远远不能满足实训教学的要求。理论学习与实践操作严重脱节，使学生的职业技能和职业综合素质的培养不到位，特别是在讲授有关工艺流程，装置开、停车和事故处理相关内容时，学生厌学，教师难教，教学质量出现了滑坡。

1990年，北京化工大学仿真中心在国内首先提出并倡导采用全数字仿真技术解决本科生的工程实践教学问题。2005年，笔者学院开始把仿真训练软件引入生产实习教学环节，这一系统投资小、运行和维护费用较低，能够兼容多种典型的化工流程，具有工业级规模精准的静态与动态特性，因此在有效满足实习工位的前提下，很好地满足了实训教学的要求。

3.企业自动化控制技术发展的必然要求

化学工业是国民经济的重要支柱产业，大型化工基地遍布全国。随着我国改革开放和现代化建设的飞速发展，化工企业的规模迅速扩大，大量先进的生产装置被投入生产，这些新投产的装置具有很高的自动化和信息化水平。目前，国内外大中型化工生产装置普遍采用DCS(分布式控制系统)，以实现生产过程的集中显示和分散控制。2009年，国家安全监管总局也下发文件将涉及危险化工工艺的化工企业作为自动化控制改造的重点。可以预见，自动化控制是今后一段时期化工装置控制技术发展的方向。

4.节能降耗、减少开支的需要

仿真培训系统的推广应用，为我国化工职业技术训练开辟了一条新的途径。它在保障安全生产、降低操作成本、节能、节省原料、保障人身安全、保护生态环境等方面发挥了越来越大的作用。

5.企业技能鉴定和员工培训的必然要求

近年来，越来越多的企业将仿真系统应用于初级工、中级工和高级工的技能等级鉴定。如，中国石化的四个高级技师基地将仿真系统用于技师培训与考核；在山东省职业技能鉴定中心下发的《高级化工总控工操作技能考核准备通知单》中，要求把化工单元操作仿真软件或化工单元操作训练装置作为实操考核内容项目。

仿真系统已经成为企业员工培训不可或缺的手段。目前，石化企业已经全面应用仿真系统，新建或改造装置操作技能培训、在岗人员技能提升培训、系统操作员的技能培训、新入厂操作人员与技术人员的操作技能培训。

二、化工仿真软件涵盖的培训内容

目前，国内大中专职业院校普遍采用北京东方仿真控制技术有限公司开发的教学培训软件。笔者学院化工仿真培训的主要内容包括单元操作仿真和工段级仿真两个层面，单元操作培训使用北京东方仿真控制技术有限公司的CSTS2007版本，基本涵盖了所有常用化工操作单元，见表1。

工段级仿真（五套）：甲醇合成工段、常减压炼油、丙烯酸甲酯、空气分离、乙醛氧化制醋酸，涉及煤化工和石油化工等相关领域。

三、化工仿真培训的不足

当然，再好的仿真软件也代替不了实际生产，因此，有条件的学校还是应该购置实验实训设备，结合仿真软件开展教学，效果会更好。正版仿真软件价格不菲，而国外职业教育实习仿真软件虽发展较快，但由于涉及知识产权和软件汉化等制约因素，引入国内还需时日。同时，仿真技术并非十全十美，其不足主要体现为以下几个方面。

一是软件的开发需要采集化工装置的各项工艺参数建立数学模型，但因为各种影响因素相互制约，实际生产时的工艺条件变化比仿真模拟时要复杂得多。二是程序开发有漏洞，违反操作规程的程序设计时有发生。三是一机（计算机）一位（工位），在装置开、停车过程中，操作者既担任内操角色，又担任外操角色，无法训练两个角色间的团队配合及协调行动。四是软件无法模拟现场装置的实际动手操作，也就是培训中还需要培养操作人员对现场装置的几何空间概念的把握，以及对操作设备与部件的操作力度、动态时机的把握。

四、仿真技术的发展展望

1.3D仿真软件的研制开发

3D仿真软件具有化工工艺仿真、场景展示、设备展示、系统展示、结构展示、功能特性展示、参数展示、工作原理展示等传统2D仿真软件所不具备的功能。通过3D仿真模拟，学生可体验真实化工工艺系统的所有功能（开采和生产过程、操作、控制、性能、安装、维护等）。软件人机界面友好，功能齐全，流程简明，更易于学习、掌握。

北京东方仿真控制技术有限公司已经开始了3D仿真软件的研制开发，并取得了初步成功，目前正处于测试和推广应用阶段。相信在不久的将来，3D仿真软件会逐步取代传统2D仿真软件。

2.全流程级半实物仿真工厂的建立

随着我国煤化工和石油化工的快速发展，装置不断大型化、复杂化，自动化水平普遍提高，这对职业技术培训提出了更高的要求。为提高技术培训的成效，在仿真培训硬件设施上，需要建立典型的、有代表性的、有较强适应性的流程级、规模化实训装置，特别是要求仿真培训系统不但能够模拟控制室内的计算机控制系统（DCS）的操作，还应当模拟现场装置的实际动手操作，也就是要培养操作人员对现场装置的几何空间概念的把握和对操作设备与部件的操作力度、动态时机的把握，其中还必须包括控制室操作人员与现场操作人员的团队配合及协调。这些训练内容对于实际生产中复杂系统的开停车、非正常工况的处理以及事故紧急状态处置等非常重要。

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Abstract: The virtual reality technology is one has the potential extremely the front research direction, faces one of the 21st century's important technical. The virtual reality technology application's domain is also getting more and more broad, the typical application domain has the education to apply, the project to apply, the entertainment application and the commercial use, but in the commercial use domain appears gradually the 3D network hypothesized commercial city is a virtual reality technology model application, the virtual reality technology has brought the infinite vitality in the hypothesized commercial city's application for the entire electronic commerce.

关键词:虚拟现实 3D虚拟商城 分布式虚拟现实

key word: Virtual reality 3D hypothesized commercial city distributional virtual reality

一、引言

随着Internet的发展,人们的商务行为已经从传统商务转变为电子商务。在各种各样的电子商务中,最为重要的一种就是网上商店。人们可以足不出户,在家里的电脑上就可以买到几乎所有的商品。目前除了2D网页式的实现方式以外,分布式虚拟环境是网上商店的一种更新、更好、更合适的实现方式。

二、虚拟现实技术

虚拟现实(VR, Virtual Reality)也被称为虚拟环境 (Virtual Environment. VE)、人工现实((Artificial Reality),电脑空间((Cyberspace).是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是作为一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的新技术,目前所涉及的研究应用领域已经包括军事、 医学、心理学、教育、科研、商业、影视等,VR技术已经被公认为是 21世纪重要的发展学科以及影响人们生活的重要技术之一。

虚拟现实的研究开发工作可追溯到80年代初。如1983年美国国防部(DOD)制定了SIMENT的研究计划;1985年SGI公司开发成功了网络VR游戏DogFlight。到90年代初,美国率先将虚拟现实技术用于军事领域,主要用于以下四个方面:虚拟战场环境;进行单兵模拟训练;实施诸军兵种联合演习;进行指挥员训练。一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作,并陆续推出了多个实验性DVR系统或开发环境,典型的例子有美国NPS开发的NPSNET(1990)、瑞典计算机科学研究所的DIVE(1993)及英国Nottingham大学的AVIARY(1994)。

目前虚拟现实系统主要划分为四个层次:一是桌面虚拟现实系统,也称窗口中的VR。它可以通过桌上型机实现,所以成本较低,功能也最简单,主要用于CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)建筑设计、桌面游戏等领域。二是增强现实性虚拟现实系统,又称为混合虚拟现实系统,它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统。三是沉浸虚拟现实系统,如各种用途的体验器,使人有身临其境的感觉,各种培训、演示以及高级游戏等用途均可用这种系统。四是网络分布式虚拟现实系统(Distributed Virtu al Reality,DVR),它在因特网环境下,充分利用分布于各地的资源,协同开发各种虚拟现实的利用。网络分布式虚拟现实将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络连接起来,采用协调一致的结构、标准、协议和数据库,形成一个在实践和空间上互相耦合的虚拟/合成环境,参与者可自由地进行交互作用。目前,分布式虚拟交互仿真已经成为国际上的研究热点,相继推出了 DIS、MA等相关标准。网络分布式虚拟现实在航天中极具应用价值,例如,国际空间站的参与国分布在世界不同区域,分布式虚拟现实训练环境不需要在各国重建仿真系统,这样不仅减少了研制费设备费用,而且也减少了人员出差的费用和异地生活的不适。它通常是浸沉虚拟现实系统的发展,也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统通过因特网连接起来,共同实现某种用途。

分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有:(1)教育应用:把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域,由于数据更加逼真,大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣,效果十分显著。同时,随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展,系统因此能够提供更加协调的人机对话方式。(2)工程应用:当前的工程很大程度上要依赖于图形工具,以便直观地显示各种产品,目前,CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和,从而进一步提高生产效率并削减成本.(3)商业应用:对于那些期望与顾客建立直接联系的公司,尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司,Internet具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。(4)娱乐应用:娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境,从而使人们能够享受其中的乐趣,带来更好的娱乐感觉。

三、3D虚拟商城

目前,电子商务潮流充斥着整个社会,给整个经济社会带来了无限商机,随之出现在网络世界中的在线虚拟商城也拥有很多好处,比如可以每周七天每天24小时不间断营业,用户可以很方便地通过搜索来找到他所需要的项目和产品,还有很重要的是不用实体店面可以节省很多的成本。但是,在线虚拟商城中,用户总会觉得产品太少,而且觉得只你一个人在购物,很孤单。在这种环境下,用户不愿意像在实体店中那样逗留很久。最终,在网上虚拟商城中的消费也大打折扣。为了满足人们的更高需求,突破2D网页界面的网页的3D虚拟商城等正在逐步走入并将逐渐占领整个商业市场。

3D虚拟商城是一种基于Internet的虚拟购物环境,它采用C2C的电子商务模式,让用户在3D虚拟环境中漫游,能进行交互式的操作,全面虚拟了购物的浏览、挑选、支付的过程,使用户有身临其境的感受;同时还会提供数字化的管理,商品分类清楚,搜索方便,具有完备的财务系统和可靠的安全系统,确保购物的有效性,完整性和机密性。3D虚拟的商城中3D语音和图像功能为顾客提供身临其境的、互动以及网络一体化的虚拟世界。顾客可以通过创建个人化的“虚拟替身”(avatar),在3D虚拟商店中浏览商品和购物,同时与来自世界各地的其他顾客和销售人员互动交流;其次,顾客也可以参加由虚拟商店职员提供的商品演示或使用指导;第三,顾客可以通过组建社会化或虚拟的购物群组,与他们的朋友、家人和同事共同举办网上购物聚会,共同分享购物的乐趣与经验,开创全新的辅助式电子商务或社交性购物的概念;第四,网上客户服务将变得尽善尽美,客户将不再需要通过电子邮件、点击通话或浏览数百页的网上论坛来寻找所需的答案。一旦有任何疑问,便可立即登录,向客户服务代表寻求帮助、或者询问另一位信用评级较高的顾客;第五,企业更可以利用网上商店,在虚拟环境中测试新的店面设计和构思。因此建立并发展3D虚拟商店具有实际意义。

四、DVR(Distributed Virtual Reality,DVR)在虚拟商城中的应用

虚拟现实(VR)是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。而虚拟现实技术的兴起,为人机交互界面的发展开创了新的研究领域;为智能工程的应用提供了新的界面工具;为各类工程的大规模的数据可视化提供了新的描述方法。它充分利用计算机硬件与软件资源的集成技术,提供了一种实时、三维的虚拟环境(VirtualEnvironment),使用者完全可以进入虚拟环境中,观看计算机产生的虚拟世界,听到逼真的声音,在虚拟环境中交互操作,有真实感,可以讲话,并且能够嗅到气味。DVR技术的发展始终围绕它的三个特征而前进,即沉浸感、交互性和构想。这三个重要特征与其相邻近的技术(如多媒体技术,计算机可视化技术等)相区别,沉浸感是指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉,如同进入了一个真实的客观世界; 交互性是指人能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互,操作或者交流;构想是指虚拟环境可使人沉浸其中并且获取新的知识,提高感性和理性认识,从而深化概念并萌发新意。因而可以说虚拟现实可以启发人的创造性思维。这些特点均为三维虚拟商城的建立和发展提供了良好的技术支持,基于DVR平台的三维虚拟商城将是电子商务网络商城发展的必然趋势。

其中三维虚拟商店的系统结构和模型的研究、三维虚拟商店的碰撞检测方法、三维虚拟商店的动态交互等都是基于DVR的技术支持。三维虚拟商店的系统结构和模型的研究是为了提高系统的安全性和综合性能,方便以后对系统功能进行完善和扩张进行的,系统采用MVC三层结构。对系统的关键信息进行了封装,而且大部分业务逻辑处理都集中在服务器上,提高系统安全性和性能。三维场景的碰撞检测对于提高虚拟系统的真实性、增强虚拟环境的沉浸感有至关重要的作用;三维虚拟商店的动态交互主要研究三维虚拟场景中物体的动态添加、三维场景中物体的材质的更新、三维场景与数据库的关联等问题。

虚拟商城的展示在国外发达国家得到了广泛的应用,成为实物展示的重要互补。我国在虚拟商店展示领域的研究比较落后,对虚拟展示系统的开发技术没有形成完整的理论和方法,特别在商店的设计与制作方面,缺乏有效的开发平台。而网络虚拟技术的发展为商家与客户进行信息交流开辟了一条新途径,特别是虚拟现实技术的发展,为网上最终实现网上虚拟展示的“真实化”提供了可能。

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