仿真引擎的关键技术范文

导语：如何才能写好一篇仿真引擎的关键技术，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。

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1三维虚拟技术概念述

三维虚拟是指通过三维建模技术建立现实世界的三维场景,在一定软件环境的影响下,驱动整个三维场景,响应使用者的行为,并根据使用者的不同行为做出相应的反应,最后通过三维环境显示出来。其中动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、系统集成技术等,属于三维虚拟的关键技术。在三维虚拟设计环境下,机械维修人员可以利用三维建模实现机械产品的仿真维修训练,真实感强,可视化效果良好,能够使维修人员对机械产品和维修场景产生最直接的感受与真实的操作体验,掌握机械产品的正确使用、维修方法,提高维修人员的维修质量和效率,降低训练成本,从而有效地推进机械模拟训练的现代化发展。

2总体研究方案

在三维虚拟设计环境下,机械人员可利用基于IETM式的三维虚拟维修训练系统在一个通用虚拟维修训练仿真环境中对维修人员进行教学培训和模拟训练,然后通过可视化仿真技术对机械产品的三维模型进行解析、导入和显示,并将机械产品的各个模型部件放入仿真平台中进行参数化设计,然后仿真平台可通过实时的状态记录功能,记录一个完整的虚拟装配流程,此时维修人员可借助直观的观察方式对模型部件进行交互控制,最后完成对模型部件的检查、拆卸和装配。三维模拟维修系统通过逼真的三维模型和交互式的显示效果,为维修人员提供了一个可以进行仿真维修训练的平台,从而实现基于三维模拟设计环境下机械产品模型部件的仿真维修训练过程。

3系统设计思路

三维模拟维修训练系统是由三维虚拟装配软件界面、三维动画录制、数据文件、三维模型渲染引擎、日志文件等功能构成,以ActiveX形式嵌入TETM系统,并在系统中设置链接信息,从而系统可实现交互式操作。在交互式界面中,用户可利用界面选择模型制作三维动画、培训资料,并利用三维模型渲染引擎对三维模型进行刷新和显示。

从系统的使用方面来说,该系统大概有这六方面的功能:对三维模型进行导入和解析、进行三维绘制、进行三维空间操作、录制动画、播放三维动画、进行三维培训。通过导入和解析模型文件能够使系统获取完整的数据信息,然后将模型文件放至仿真平台进行显示控制,采用鼠标、键盘等工具对模型文件进行空间操作,并记录每个操作的工作状态,连贯成完整的操作流程,利用三维动画帧文件进行动画播放。另外在此过程中,操作人员可以利用三维培训加强对模型的仿真维修训练,加深对机械模型的理解和掌握。

4关键技术

在三维虚拟设计环境下,基于IETM的三维虚拟维修训练系统的设计有几下关键技术。

(1)三维渲染引擎技术。

三维图像渲染引擎是由多个图像子系统组成,以实时计算、物理模拟、映射技术等方式为基础,为三维图景中的场景、人物、动画等视觉模型的图形表现、运行效率等提供技术支持,然后获得多种图形的一种表现形式。

该系统主要采用三维渲染引擎Ogre。这种图形渲染引擎以C++程序为依托,可让开发者更简单直观地开发出基于三维硬件设备的应用程序和游戏。当三维模型建立后,开发人员将渲染的对象放入渲染队列,然后渲染队列自动划分渲染对象,排列模型的渲染次序。

(2)模型解析技术。

导入三维模型是进行三维仿真维修训练工作的基础工作,只有完全解析模型文件,才能正确将模型文件及该系统需要的模型资源导入到三维虚拟环境中,确保用户对任意对象进行自主控制,维持模型文件的显示效果。等到模型解析完成后,该系统会自动输出场景文件、资料文件、纹理贴图、光源等,用户就可以按照需要对模型文件进行拆卸、维修和装配。

(3)模型控制与动画实现技术。

在该系统下,用户可通过操作鼠标控制仿真平台上显示的模型,同时可通过数据驱动模型运动,生成对应的动画效果,然后用户可通过关键帧的方式记录自己的操作步骤和具体细节,如模型部件位置变化、角度旋转、视角转换等,并保存为特定格式的动画文件。在播放三维动画的过程中,为了保证操作演示过程的清晰流畅,设计人员可在设计过程中添加相关的提示信息、问题设置等,并结合三维模型的相关演示实现完整复杂的逻辑流程。

5结语

综上所述,在三维虚拟设计环境下,可利用基于IETM式的三维虚拟维修训练系统实现对机械产品的仿真维修训练。与传统的维修训练相比,该系统从装备维修训练的实际情况出发,通过仿真平台将三维模型直接运用于机械产品的操作演示、维修维护和人员培训上,不仅可以提高机械产品的质量,而且可以降低机械产品维修使用的费用成本,对机械维修有着积极的促进作用。

参考文献

[1] 冯开平,左宗义．VRML外部程序的应用研究[J]．工程图学学报,2003(3):47～51．

[2] 王海洋,高钦和．大型装置起竖过程视景仿真系统研究[J]．计算机仿真,2007(3):184～186．

[3] 王乘,周均清,李丽军．Creator可视化仿真建模技术[M]．武汉:华中科技大学出版社,2005．

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关键词：3D打印；机械基础

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）05-014-01

在机类基础课程学习过程中，常用零部件、传动机构、常用机构是教学的重要部分，需要学生知道其结构、原理和常见故障排除。而在培训和教学过程中如何让专业基础课程更加紧贴专业课、更加紧贴生产实际，成为必须面对的问题。为提高《机械基础》实验课程教学水平，笔者提出了一种基于3D打印技术的实验室建设方案。

一、方案总体设想

机械基础半实物仿真实验室系统由3d打印模块和仿真设计模块组成。仿真设计模块的主要作用是提供一个原理演示和仿真设计环境，逼真地再现学生在实验过程中看到的情况，并通过显示系统达到与操作者实时互动，让学生产生身临其境的感觉。根据仿真实验室系统的作用，对系统提出如下功能要求：建立一个逼真的虚拟环境，包括自然环境、工作环境和实验环境；能够达到人机互动，并通过显示终端实时显示实验状态；事件特殊效果的显示和运动碰撞检测响应与实际情况相符。3d打印模块包含3d打印机硬件、驱动程序和模型优化程序组成，可完成仿真设计模块设计的零部件。在仿真设计模块中用户管理模块完成对使用者（学生）和管理者基本信息、学习进度、考核情况等基本信息进行管理。原理学习模块包含文字、图片、视频等多媒体素材，按照《机械基础应用》教材章节进行编排。学生可通过目录和关键词检索两种方式学习、查阅相关知识。为开阔学生视野在原理学习模块还将编排部分拓展内容。在虚拟实验模块中学生可以通过鼠标拾取、点击菜单等方式完成预定实验。参数化设计模块将利用soliderworks提供的动态链接库进行二次开发，学生通过勾选、指定输入等方式来完成常见机械零部件的设计和三维形体展示。在3d打印模块中模型优化程序完成3d模型格式的转换和面数的优化。系统总体组成框图如图1所示。

图1系统总体组成框图

图2 软件功能组成框图

机机械基础半实物仿真实验室系统软件部分依靠unity3d引擎采用Visual C#来进行开发。其中界面部分利用Microsoft最新的界面技术WPF，采用XAML语言来进行编写，数据库管理部分采用SQL2008来进行存储。为提高程序开发效率采用模块化编程思想，软件模块划分如图二所示。

二、方案设计关键技术

1、3D打印技术

3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

2、unity3d虚拟仿真技术

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关键词：电力电缆；故障定位；仿真培训；Flex

1、引言

由于电力电缆应用成本的下降，以及电力电缆自身所具有的供电可靠性高、不受地面、空间建筑物的影响、不受恶劣气候侵害、安全隐蔽耐用等特点，获得了越来越广泛的应用。然而，与架空输电线路相比，电力电缆的上述优点却为后期电缆的维护工作特别是故障测距与定位带来了较大的难度，尤其电缆线路故障的不可观测性等特点决定了电缆线路故障定位的复杂性。电力电缆作为电力系统的重要组成部分，一旦发生故障将直接影响着整个电力系统的安全运行，如故障发现不及时，可能导致火灾、大规模停电等较大的事故后果。因此，如何快速、准确地查找电缆故障，减少故障修复费用及停电损失，成为电力工程领域与研究界日益关注的问题。

电力电缆故障定位技术虽然经历了多年的研究，定位方法和定位技术不断成熟，各个厂家、设备都有各自的定位方法，但每种方法都只能解决部分问题，行业内也始终没有形成系统的指导规范。另一方面，由于在某一特定区域内，电力电缆发生故障的几率较小，这就使电缆检修工人很少有机会接触真实的故障定位环境，从而容易导致其定位技术无法熟练掌握。

本文研究的课题是江苏省电力公司2009年度的科技项目，旨在系统地总结电力电缆故障原因、故障类型及各阶段所采用的定位方法，对各种定位方法从定位原理、适用性、技术特点、仪表选用和具体操作等进行深入地比较，形成系统、全面的操作规程，为电力电缆故障定位工作提供电缆故障定位导则；另一方面，研发电力电缆故障定位仿真培训系统，采用真实案例数据建立故障定位模拟环境，电缆检修工人通过仿真培训系统演练各种故障定位的操作，从而加深其对定位知识的掌握，提高电力电缆故障定位的技能和业务熟练程度。

2、系统功能设计

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2.1、 导则学习模块

包括辅助学习模块额多路径学习模块。

辅助学习模块从不同的角度、不同的方式展现电力电缆故障原因、故障类型及各阶段所采用的定位方法、测试仪器，对各种定位方法从定位原理、适用性、技术特点、仪器仪表选用和具体操作等故障定位技术的各个重要关注点进行分类比较并提供查询。生成电缆故障定位导则，故障定位导则可以打印、下载。

多路径学习模块系统以导则为依据，将辅助学习模块中展现的知识点串联起来，展示电缆故障定位技术的全貌。本模块提供多个入口，分别是标准流程入口、定位阶段入口、故障类型入口、定位方法入口。

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2.2、 仿真演练模块

针对每一个电缆故障定位案例，提供仿真模拟环境，供使用者在模拟环境中练习故障定位，加深定位业务知识的掌握能力。仿真培训遵循定位导则的要求，同时体现具体案例在定位过程中的特殊现象、特殊处理。

仿真演练的场所、仪器、接线采用3D技术，直观、逼真；针对具体的操作仿真实际的仪器读数、波形、声音。系统记录全部操作，标识错误的操作，给出错误的原因并扣分。

2.3、 视频教学

系统提供对故障定位教学视频、实际故障定位过程中的录像视频等视频文件的管理功能，使得用户可以方便的上传、维护、查询、播放相关视频。

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3、 系统实现关键技术

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3.1、 基于Flex的RIA技术

RIA(Rich Internet Applications)，是集桌面应用程序的最佳用户界面功能、Web应用程序的普遍采用和快速、低成本布署以及互动多媒体通信的实时快捷于一体的新一代网络应用程序。Flex技术是Adobe公司推出的开源RIA开发技术，它是开发Web及桌面应用的有效工具，支持以现有的J2EE框架Struts、Spring、Hibernate为基础，实现RIA应用和J2EE应用的有效整合，同时Flex能很好地支持多媒体和3D展现。

采用基于Flex的RIA技术可以很好地满足仿真培训系统需要的大量的交互性操作、3D仿真、视频声音播放等需求。

3.2、 BlazeDS技术

为了将基于Flex的RIA应用于J2EE,重点需解决两个问题，一是怎样建立客户端flash与服务器端的通信，二是以现有的J2EE框架Struts、Spring、Hibernate 为基础，如何实现Flex技术与J2EE应用的整合。本项目采用BlazeDS技术解决上述问题。

BlazeDS是一个基于服务器的Java远程控制和Web消息传递技术，它能够使得后端的 Java 应用程序和运行在浏览器上的 Adobe Flex 应用程序可以相互通信。应用BlazeDS后的系统架构如图2所示，一个BlazeDS应用程序包括两个部分：客户端应用程序和服务端J2EE应用程序。客户端应用程序可以是一个Flex 应用程序也可以是一个Flex、HTML和JavaScript的结合。在客户端，BlazeDS提供了RemoteObject、HttpServcie、WebService，Product和Comsumer等组件来提供访问服务器端数据的能力，其中RemoteObject、Product和Comsumer是以AMF协议来交换数据的，而HttpServcie和WebService则采用的是比较通用的Http访问协议，可以用来访问非BlazeDS服务器，即普通的web服务器。在服务端，BlazeDS的服务器包含在一个 J2EE Web应用程序中，它以servlet的形式存在， 因此可以在任何标准J2EE应用中运用它。通过BlazeDS公开Spring管理的服务，实现了BlazeDS与Spring的整合，而无需额外的配置文件。

3.3、 规则引擎

组件重用和规则定制是软件设计的重要概念。本系统的规则引擎由八部分构成，分别是抽象行为（Action）、业务句柄（Handler）、节点定义（Definition）、路由变迁定义（Transition）、环境上下文（Context）、事件与消息（Events and Message）、规则定义（XML figuration file）以及由引擎外部实现的扩展组件（Dialog）等。

抽象行为（Action），它为规则定义中的具有重用需求且抽象度较高的行为进行抽象化封装。业务句柄（Handler），它也是为了将组件重用，但业务句柄不具有抽象概念，并不是对具象事务的抽象处理，而是实实在在的业务耦合操作。节点定义（Definition），管理每一个抽象行为和业务句柄。环境上下文（Context），是一个在节点作用域外保存数据容器，它保存路由变 迁流转于各个节点之间的时产生的上下文数据，另外，引擎中的带外数据，即事件和消息也经由环境上下文转发。事件与消息（Events and Message），是规则引擎中的活性元素，是规则定义流转的原动力。规则定义（XML configuration file），这是规则引擎生产的原材料，它实际上是个XML定义文件，外部环境加载XML文件来构建一个规则引擎，所以系统使用者可以随时修改这个定义文件并重新载入，以此来改变原有的规则定义。扩展组件（Dialog），这是系统用户最终看到的界面，由预先定义并注册在引擎的窗体管理器控制的可重用UI组件。规则引擎实际上只定义了扩展组件的基本行为和部分基础实现，规则引擎的客户代码（各种继承扩展组件基本定义的UI组件）负责具体的功能实现。

4、 结语

本项目一方面系统地总结了电力电缆故障原因、故障类型及各阶段所采用的定位方法，对各种定位方法从定位原理、适用性、技术特点、仪表选用和具体操作等进行深入地研究和分析，形成系统、全面的理论及操作规程，为电力电缆故障定位工作提供极具价值的指导性规范；另一方面，仿真培训采用真实案例数据建立故障定位模拟环境，电缆检修工人在系统中依据仿真环境提供的各种数据，对定位阶段、方法及操作进行演练，从而加深其对定位知识的掌握，增强业务熟练程度。本系统的部署和应用将为电力检修部门提供实际现场操作之外的另一种学习和经验积累的方法，方便、有效地提升电缆检修技术人员的理论水平和操作技能。

2010年5月，系统在江苏常州供电公司部署、试运行，运行至今，RIA端展现满足用户需求的规定，服务器端运行稳定，对客户端用户响应快速及时。

参考文献：

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【关键词】虚拟现实 适度仿真 低成本化

虚拟现实技术(简称vr技术)是基于计算机技术及数据处理技术的沉浸式交互技术，也就是基于计算机技术等现代科技，人为产生的可以综合感知以模拟特定环境的虚拟交互技术。用户可以借助相应的设备以人类自然的方式与虚拟环境对象进行交互影响，从而产生类似真实环境的体验。

一、虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：

1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。

2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。

控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。

3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。

4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

二、虚拟现实系统的关键技术及成本构成

虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：

1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用cad技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。

2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。

3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。

3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。

4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。

三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析

使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。

首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。

其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。

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关键词： 嵌入式； 测试引擎； 测试平台； 实时性

中图分类号： TP31156 文献标识码： A 文章编号：2095-2163（2013）03-0095-05

0 引 言

嵌入式系统的开发环境与运行环境一般是独立的，因此完成相应的测试也要在开发环境和运行环境下分别执行，如此，在实施过程中就产生了两个问题，即增加了系统的测试成本；也由于分开测试降低了测试的自动化程度，为此影响了测试的执行效率，同时也带来了测试策略的选择问题。一般的嵌入式软件的仿真测试有三种方式，分为宿主机软件仿真、在线仿真器和目标机仿真[1]，从嵌入式测试效率、自动化程度及测试成本的角度分析，这三种测试方案各有优势和劣势。其中，基于PC宿主机软件仿真方式，由于受到网络通讯等硬件环境因素的影响，不可能模拟真实设备环境；而在线仿真系统又对硬件的依赖性比较高，测试领域较窄；目标机仿真虽然测试结果较真实，但却由于目标机硬件条件的限制而无法正确区分测试的错误是来自被测试目标机的软件系统还是硬件系统。

当前，常用的嵌入式软件仿真平台一般是面向嵌入式测试系统的，测试人员根据被测试的嵌入式系统的要求和规定对其进行软硬件环境配置，并通过组织该系统软件的各种输入数据来驱动测试系统的运行，同时输出结果并加以分析，因此针对测试工作的自动性、实时性、非入侵的闭环测试性的特点[2，3]，就要求现有嵌入式测试平台必须具备实时性和一定的环境仿真能力。

从上述分析可知，传统的测试平台一般是利用PC机的仿真软件来模拟硬件的功能，也就是利用PC机的仿真软件作为测试主体，在测试过程中使用标准总线和专用测试语言，这样做的目的是保证测试程序与测试硬件彼此独立，具备测试的可移植性。如现有嵌入式软件仿真测试单机平台、惯导软件可靠性仿真测试平台等。此类测试基本是依据开发方案来制定，其测试环境要么由宿主PC机提供，要么由宿主PC机及目标机共同提供，并从最小的单元测试级开始运行，只是这种测试平台主要是针对某类测试软件墙；有些则面向某些专用的微处理器，因此这种测试平台具有较强的针对性和专用性，使得这种测试方案的可移植性和可扩展性都比较差，也不具备通用性；同时，利用仿真软件在分布式测试平台方面也会由于通讯的实时性和调度的即时性而存在不足[4]。基于此，如何提高测试平台的通用性及自动化程度即成为当今嵌入式测试领域的一个难点。

从嵌入式系统测试角度，针对嵌入式开发测试或者嵌入式运行测试的不足，本文设计了一套具有一定通用性的、基于WEB结构的、自动化的嵌入式测试平台，实验证明，该测试平台具有更好的测试效率和可移植性，同时满足实时性测试要求。

1 关键技术和平台架构

1.1 自动化测试引擎

自动化测试系统主要是通过自动化测试描述测试引擎实现自动化测试功能，测试描述执行引擎是整个测试平台的核心模块，并运行在实时嵌入式操作系统（如vxWorks）上的，该模块负责理解和描述测试人员的测试意图，进行调度，同时负责环境模拟器的配置，使系统能条理清晰地完成自动测试。本文测试系统的测试引擎采用分阶段执行完成，其总体设计如图1所示，其执行过程如下：

（1）在测试前，由测试描述执行引擎来完成测试描述源代码的翻译过程，对要处理的测试请求进行词法及语法语义分析，将测试说明或者测试请求翻译为高效简捷的测试指令系列。

（2）测试过程中，由测试描述执行引擎负责实现对中间指令序列的实时调度， 并完成指令的编译解析执行， 同时根据任务流的内容实现对环境模拟器的配置，最终完成整个测试工作。

引擎是工作流技术的关键单元[5]，其质量直接关系到自动化程度的高低，而本文所使用工作流引擎为轻量级工作引擎[6]。本文在测试系统引入工作流技术，可以提高测试系统的自动化程度。

1.2 基于WEB自动测试平台构建

基于WEB结构的自动化嵌入式测试平台是由Server（服务器）与Browser（浏览器）两部分构成的，Server主要完成测试设计的相关工作，其中包括测试用例的设计与管理、测试任务设计与管理、自动测试引擎管理、用户权限管理、测试任务流的生成及测试结果记录等；而客户端Browser则主要实现用户的远程登陆、下载及上传等功能，并通过任务流引擎完成测试执行的相关活动，任务流引擎可以实现对环境模拟器进行配置和管理，驱动环境被测系统与环境模拟器相连。服务器通过完善数据库系统以利于整合现有的测试工具，方便实施测试资源利用的最大化，并藉此保证测试平台的可扩展性、可利用性及通用性。由于测试执行是在客户端进行的，就可以很容易地实现嵌入式系统的实时性要求，架构如图2所示。

WEB架构中的Server是整个测试系统的主体，其功能包括自动化测试引擎、环境模拟器、测试脚本、数据库服务、远程服务等。其中，数据库服务是用来存储测试软件所需要的测试用例和测试结果，以及任务流中的任务、用户权限等等。同时该服务器还支持性能测试、可信测试（可用性和可靠性）、实时测试等功能，而数据库包括测试用例数据库、脚本数据库、结果数据库，以及用于支持工作流技术的各种数据库，其中任务流数据库、任务模板库、用户权限库为轻量级工作流技术的关键库，整个库结构图如图3所示。各种数据库功能如下：

（1）用例数据库中存放了针对开发方案的事先设计完成的各种测试用例。

（2）结果数据库中记录了测试过程中各种测试信息及测试后的各种结果。

（3）工作流数据库包括任务流数据库、任务模板数据库及用户权限数据库等，该数据库支持嵌入式测试系统的自动执行。

（4）脚本数据库中存放了针对于可信测试及性能测试等方面的测试脚本，该脚本由测试人员事先设计以用于测试，在测试过程中仅供测试驱动程序读取。

Server可通过Browser进行远程登陆访问，用户在客户端通过不同的权限登陆之后系统自动执行工作流测试，通过执行不同任务流中的相应任务，调用各自的测试脚本和测试环境以完成自动测试。

1.2.2 Browser

客户端的Browser主要实现用户的远程登陆及完成上传和下载等任务，用户可以通过Browser方便地上传测试信息及用户信息，系统验证用户信息及权限，并根据输入信息驱动自动测试引擎，从而完成相应的测试任务，同时从Server处下载相应的测试任务和相应的测试工具包。再根据相应的测试要求在Browser客户端完成测试环境的相应搭建和配置。

1.2.3 环境模拟器

在嵌入式测试系统中，搭建测试模拟环境是一项非常重要的任务，这个工作也是由自动测试引擎通过数据驱动的方式实现并完成的。在测试环境配置过程中，也要其他组件来协助和辅佐，如测试工具包、测试环境模拟器及测试用例集和其他帮文档等。测试模拟器是依靠自动测试引擎驱动方式工作的，在整个测试过程中担负了重要任务，是所有测试任务驱动引擎，主要包括测试用例的读取、数据包的发送、测试记录等工作。其中的自动测试引擎及环境模拟器在整个测试平台中的逻辑地位如图4所示，测试环境分为三层：

（1）最上层为环境模拟器的输入输出层（简称I/O层）。该层主要负责各类测试用例的输入，包括测试用例的读取及其他输入，也连同手工输入等，还包括测试数据结果的记录及存储等。

（2）中间层为环境模拟器及自动测试引擎系统层，包括自动测试引擎、环境模拟器及中心控制器。自动测试引擎负责所有任务的驱动，包括对环境中心模拟控制器的驱动，而环境模拟中心控制器则主要负责对整个模拟环境的驱动和调度，并在整个测试过程中起到主导作用，辅助自动测试引擎完成对各个测试任务的指挥和控制，同时将返回测试结果并保存在数据库中，因而是整个测试任务管理与组织者。

（3）最低层为环境模拟器与被测系统的交互通讯层，可以通过核实的通信机制来完成。

1.3 基于WEB结构自动嵌入式测试平台的测试过程

第一步 申请测试工具包，用户通过向服务器提出测试请求，服务器根据用户的相应权限开放相应的服务，并根据用户的测试请求查询相应的任务流ID，再根据任务流ID，驱动相应的自动化测试引擎，完成相应的测试任务。整个测试获取测试工具包过程如图5所示。

通过向服务器提供测试请求或测试说明，服务器的自动测试引擎根据用户提供的测试请求生成相应的测试指令序列即测试任务流，任务流是由任务模板库中的任务构成的，是若干个测试步骤，而任务即是每个测试步骤，每个测试步骤对应指定的测试工具包，因此根据相应的任务要求查找满足用户条件的测试工具包，并将用户需要的相应的测试工具包下载到客户端；若在数据库中没有得到相应的测试工具包，系统允许用户提交自己的测试说明，以便开发人员根据测试需求开发相应的测试工具包。

第二步 用户在客户端通过Browser登陆Server，启动自动测试引擎，驱动环境模拟器完成相应的测试工作，具体包括：

（1）用户成功登陆Server，启动自动测试引擎，进一步驱动环境模拟器，同时下载测试用例，并自动将该用例转换为被测目标机能接受的数据，再将其用到被测试的目标机。

（2）记录测试过程并将从目标机接收的消息及时传给Server。

第三步 服务器对测试结果分析，即对通过客户端回传的所有信息进行分析，并将分析结果返回给用户，其测试过程如图6所示。

2 基于WEB架构的测试平台验证

为了验证本测试平台的实用性，本文将该测试平台应用于深圳市轨道交通自动售检票系统的测试。为实现上述测试过程，对即将验收的轨道交通自动售检票系统在VxWorks，WINCE和Linux等不同的操作系统平台进行分别测试。通过对不同系统平台的合理应用，实现了对本测试平台的有效检验，并得到一批科学的数据，为将来进行嵌入式设备的有效验收提供一定的参考。

对于嵌入式系统测试，首先应该从嵌入式操作系统测试开始，并利用得到的操作系统的各项指标，再对嵌入式软件进行多方面的测试，主要包括功能测试、效率测试及可靠性测试等。

现在对健壮性测试通过举例做以说明。为了测试嵌入式操作系统的系统调用是否符合POSIX标准，对其健壮性进行测试，在测试的工具包中整合了基于Ballista测试思想的测试健壮性的各类测试套件。用户通过在测试PC机上运行自动测试系统对整个健壮性的测试套件进行有效的控制，任务流库中的每一条记录对应一个测试任务流，单个任务流由若干任务构成，一个任务对应一个测试用例，在用例库中的每一条记录也对应着一个测试用例。整个测试过程如下，首先主控制启动监听测试对目标机进行监听，一旦发现目标机链接成功，主控制程序即获取测试任务流，然后根据测试任务流中的任务获取相应的测试用例，获取的测试用例通过网络接口模块将发送给被测系统进行调用，由此完成目标机的系统测试。当测试完成后，目标机将测试结果传递给测试机，主控制程序便对结果进行分析，并将测试结果保存在测试机结果记录库中。其健壮性的整个测试过程如图7所示。

2.1 嵌入式操作系统测试

关于操作系统级的测试，本文主要对嵌入式操作系统开展一致性、健壮性及实时性的测试。一致性测试的主要工作就是测试VxWorks系统调用与POSIX规范的一致性。文中主要将POSIX规范转化为测试用例，并对系统调用进行功能测试，因而测试VxWorks常用的18个系统调用。而健壮性测试的方法在图7中已经阐述，而测试对象为VxWorks操作系统和Linux操作系统的部分文件类和时间类的POSIX的系统调用[7，8]。实时性主要是针对任务切换时间、任务抢占时间、终端延迟时间、死锁解除时间、消息传递时间及信号量的混洗时间等指标性能上进行测试[9]。

2.2 功能测试

功能测试主要面向城市轨道交通自动售检票系统终端中的嵌入式软件。测试的嵌入式设备为自动检票机、自动售票机。运行的测试环境操作系统为VxWorks、Linux及Wince。在测试现场测试PC机将配置环境模拟器，模拟嵌入式软件的硬件工作环境，并将该测试PC机通过标准总线与被测试机相连，进行嵌入式系统测试并保存测试结果。本文分别要完成售票机和检票机的21项和6项功能测试工作。

2.3 系统效率测试

系统效率测试主要是为了获得嵌入式软件在不同操作系统上的时间参数。相关的嵌入式软件的运行环境分别为WINCE、VxWorks和Linux。效率测试的步骤为，在现场的测试PC机上首先配置环境模拟器，模拟嵌入式软件工作的硬件环境，该测试PC机是通过标准总线连接到被测系统上，然后启动测试。下面通过自动测试引擎为例进行说明，为了验证平台执行引擎是否满足嵌入式系统的实时性要求，从检票机中选取一部分请求测试代码，并借助于CodeTEST测试工具包，通过自动测试引擎驱动环境模拟器配置测试环境，具体设置为：CPU P4/3.0 GHz，内存2GB，实时操作系统vxWorks。自动测试平台的效率分析主要从两方面开展与实现：

（1）考虑不同规模的单个测试请求文件的执行时间；

（2）考察给定的中等规模的测试请求代码（40行）下的多个测试请求的并发执行时间。

分析结果如表1所示。

分析测试结果可以看出，自动测试引擎处理中等规模（测试请求或者测试描述小于50行）的执行脚本时间不超过1毫秒，并且由于自动测试引擎支持多个测试请求的顺序和并发执行机制，因此，若能合理控制测试请求的规模和并发的执行程度，完全可以满足本测试系统对嵌入式实时性的要求。

2.4 可靠性测试

嵌入式软件的可靠性测试采用了模块化的设计思想，通常一个模型设计对应一个模块，所有的模块均有数据输入和结果输出及评估，完成嵌入式可靠性测试主要依托当今流行的故障注入技术来完成，具体细节可以参考相关文献实现及完成[10]。

3 结束语

本文提出了一种基于WEB架构的自动嵌入式测试平台，该平台将开发与扩充置于server端，而将测试的运行设在Browser端，这样做的目的解决了开发环境测试与运行环境测试双重测试问题，节省了测试资源，同时在该平台中引入了工作流技术，由此而提高了测试效率。最后将该平台应用于实际，应用表明该平台具有一定的实际参考意义。

参考文献：

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[8]刘洪涛，江建慧，赵则章.软件健壮性的包裹测试[J].计算机工程与科学，2005，27（4）：19-21.

篇6

为在虚拟环境下进行产品异地实时设计和装配，提出一种基于Web的三维协同设计模型.该模型使用户既可以通过浏览器在客户端的虚拟场景中进行个性化设计，也可以与其他用户进行协同设计.通过详细分析协同设计过程，研究任意形状基本实体的表征、零件扩展属性的描述、基本操作的表示、零件之间装配关系和部件运动仿真属性等的建立.基于ACIS和ECSG的三维造型技术和层次细节模型的生成算法，研发以某产品为对象的原型系统，证实该三维协同设计模型的可行性和先进性.

关键词：

三维协同设计； 虚拟场景； 三维造型； 层次细节

中图分类号： TP317.4

文献标志码： B

0引言

全球化、网络化和虚拟化已成为当今制造业发展的重要特征，实现网络虚拟设计是制造业虚拟化的重要内容.近年来，为缩短产品的开发周期、降低生产成本，提出各种各样的设计模式.[13]利用虚拟现实技术、建模技术、仿真技术和网络技术等在Internet/intranet上建立起的虚拟设计环境是一种更接近人们自然活动的模式.人们在这样的环境中进行产品的开发和生产，可以充分发挥个人的想象力和创造能力，相互协作，发挥集体智慧，实现制造资源最大程度的优化配置，提高产品开发能力，快速响应市场变化.

三维协同设计以三维数字技术为基础，以三维设计软件为载体，不同专业人员组成设计团队，为实现和完成一个共同的设计目标或项目在一起开展工作，是知识共享和集成的过程，共同设计这一目标的所有专家必须共享数据、信息和知识等.三维协同设计将指向设计图纸为目标的设计方式转为指向设计内容.设计师只需将设计精力和资源用于建立合理的三维模型，通过三维协同软件和平台，直接对相关数据进行统一储存和输出，并且直接生成设计图，无须像以往一样，将大量的精力花费在图纸的绘制和修改上.

简而言之，三维协同设计就是在三维设计架构中对资源实现更优化配置的工程.三维协同设计重在解决三维设计中的信息沟通和知识共享等问题.开展三维协同设计有助于提高设计效率，降低设计成本，是未来CAD设计的发展趋势.

产品的三维模型是虚拟设计中各方人员组成的多功能团队进行产品协同设计的关键.设计人员（包括客户）在虚拟环境下进行产品异地实时设计和装配，即在三维造型软件中进行实时的网络间协同设计，也是协同CAD发展的趋势和热点之一.基于网络环境下的形状特征模型，不仅包括一般特征模型的优点，而且集共享性、可实时交互性以及数据可访问性和一致性于一体.[4]网络带宽和实时性要求会限制极大信息量的三维造型计算机协同操作（Computer Supported Cooperation Work，CSCW）技术在基于网络的协同CAD技术中的应用，所以，改进协同方式，采用新的网络设计模型，以支持高效率的网络间协同操作，成为进行产品实时三维协同设计的必由之路.

针对上述问题，提出基于Web的三维产品协同设计模型，重点研究协同设计模型、网络协同设计过程及其关键技术等，并以某型号产品为例给出原型系统.

1协同设计模型

为提高网络协同操作效率，需要摒弃传统的模型传输格式，转而探索和设计一种适用于表征产品三维模型和设计全过程的新的数据模型ECSG[56].该模型既可转换成用于设计需要的快速显示模型，又可转换成用于CAM的完全型数据模型.在几何造型方面，尽可能利用成熟技术，如已有的ACIS几何引擎等，集中精力探索和研究关键问题.

（1）设计界面.用于接收客户端的设计信息，并将其转换成ECSG格式，传回服务器待处理.

（2）ECSG模型格式.用于表征产品三维设计全过程的模型格式，不仅记录产品静态设计信息，如几何属性、位置属性和表面属性等，还记录产品设计的动态信息，如功能属性、装配属性和运动属性等.

（3）三维建模.Web虚拟设计系统的三维建模部件位于服务器端，通过调用ACIS几何引擎实现高级几何造型功能.将从客户端接收的三维实体表征模型ECSG转换为三维实体细节表示模型SAT.

（4）VRML转换器.实现由边界表示模型SAT到面片拟合表示模型VRML的转换.

（5）细节分层和局部数据接口.对VRML模型进行细节分层处理和局部数据提取操作，在满足视觉要求的前提下尽量减少网络传输流量，实现三维设计结果的实时显示.

（6）显示界面.在客户端的浏览器中利用插件显示服务器端传来的VRML模型文件.

2协同设计流程

根据上述结构模型，基于Web的产品三维协同设计过程见图2.

对于首次访问系统的用户，进入系统前需要通过Web浏览器注册个人信息.已注册的用户在开始一个新产品的设计时首先调用“开始会议”操作新建一个会议场景，浏览器接收用户输入的会议初始化参数，通过EAI和Java Applet将信息传到协同设计会议管理系统；然后由“开始会议”功能模块在会议数据库中创建一条新的会议记录，同时在访问权限数据库中为当前会议发起者与会议建立一条连接记录，并赋予用户管理员权限；最后系统根据用户的初始化参数，从设计资料库中调用相关VRML格式的虚拟场景数据反馈给Java Applet，并通过

EAI传回浏览器进行显示.对于希望参加已有会议的协同设计用户，只需要协同会议管理系统在访问权限数据库中新建一条记录，然后将所登录会议的设计场景传至客户端浏览器即可.

图 2协同设计过程

Fig.2Collaborative design process

本系统最重要的功能是用户在客户端进行的交互设计操作，当一个用户通过浏览器提交一个设计操作后，系统通过VRML场景的节点事件eventOut将设计数据传给Java Applet程序.如果当前的设计操作只涉及实体的修改和删除，那么Java Applet仅将设计数据通过Internet传给协同设计管理系统，修改相应数据库后，系统以广播的形式将修改信息传给所有协同用户的Java Applet程序（见图2），然后采用EAI技术，通过节点事件eventIn修改VRML模型数据，最后将修改结果传回浏览器进行更新显示；如果当前用户的设计操作需要从设计实例库中调用一个满足设计要求的最佳实例进行修改设计，那么系统在执行上述操作前，需要通过PDM采用一定的推理机制从数据库中提取设计实例.

3关键技术研究

（1）任意形状基本实体的表征.沿用标准CSG树各节点的表示方法，叶节点表示面、线和点等基本扩展元素，内部节点表示扩展的造型运算，如拉伸、旋转、放样和覆盖等.由于这些造型运算包括单目、双目和多目等情况，需要将标准CSG的二叉树表示扩展为树形结构表示.

（2）零件扩展属性的描述和基本操作的表示.采用面向对象的方法对扩展属性和基本操作进行描述，每个零件作为一个对象，零件的扩展属性用对象的属性表示，零件的基本操作用对象的方法模拟.

（3）零件之间装配关系和部件运动仿真属性的建立.采用面向对象的方法表示零件之间的装配关系，每个装配关系用一个对象描述，与装配相关的参

数用对象的属性表示，而装配操作和运动仿真操作则由对象的方法模拟.

（4）基于ACIS和ECSG的三维造型技术.针对以ECSG格式表示的模型文件进行结构分析，调用几何引擎ACIS的造型函数进行三维实体造型，得到SAT格式的中间文件；运用三角网格划分和优化算法，将SAT文件转换为VRML格式文件.

（5）层次细节模型的生成算法.以面删除算法为基础，提出一种渐进网格模型的生成算法，以面删除简化方法实现原模型的简化.为避免复杂的三角化过程，选择与被删除面共边的所有三角面形成的区域重新进行局部三角划分，同时，以一定的格式记录模型简化的过程，得到一种新的渐进网格模型的表示.对于不连续表面，采用小波变换方法实现层次细节网格的自动生成.

4应用实例

基于上述协同设计模型，研发出一套支持某产品网络协同设计的原型系统，客户端操作界面见图3.整个操作界面基于浏览器实现，共包括3个交互区域.左侧区域①由一个VRML插件组成，负责设计结果的三维显示和浏览，同时也提供用户直接与虚拟环境中三维实体的交互功能；右上方区域②由一个Java Applet实现，负责响应用户的设计命令，并通过底层的EAI接口实现对虚拟环境的操作，同时负责整个协同设计会议的管理；右下方区域③主要向在线用户提供设计交流场所，其实现方法与网络聊天室类似.

图 3原型系统客户端操作界面

Fig.3Operation interface of prototype system client

5结束语

开展三维协同设计有助于提高产品设计质量，

降低工程成本，而且效果直观，是工程设计技术发展的必然趋势.基于Web的产品三维协同设计既是一个刚刚起步的研究领域，也是制造业的一个发展方向.

本文通过基于ECSG的网络协同设计模型，实现服务器端三维实体表征模型与客户端三维显示模型之间的有机结合和转换；通过对关键性基础技术的研究，实现基于Web浏览器的高级几何造型、运动学仿真和装配模拟等功能；通过ECSG模型的引入和层次细节技术的研究大大减少网络流量，实现三维设计结果的实时显示；通过一个典型产品的Web虚拟设计原型系统的开发，对上述研究成果进行验证.本文的研究可为实现真正意义的网络协同设计

提供参考.

参考文献：

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篇7

中图分类号:TN919-34;TP391.9 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0176-04

Design of Anti-aircraft Gun Driving System Operation Simulation

Platform Based on HLA and Virtools

WANG Peng,ZHU Yuan-chang,DI Yan-qiang

(Department of Optical & Electrical Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract: To solve the problems existing in the simulation training system such as large amount of work, low development efficiency and low quality, a design method of the simulation training system based on Virtools and HLA is put forward. After providing a design system structure of the anti-aircraft gun driving control system,four key technologies (development of RTI BB module, motion simulation, visual display, model physical zing and collision detection) are investigation. An operation simulation platform of a certain anti-aircraft gun driving control system was designed based on this method.Keywords: Virtools; distributed mutual simulation; high level architecture (HLA); driving control system; visual display

0 引 言

分布交互仿真技术从产生(SIMNET计划)到DIS2.X,IEEE1278.X系列协议和ALSP协议,进而发展到今天的HLA,都是为了解决建模与仿真(Modeling and Simulation,M&S)领域存在的问题。如:绝大多数仿真平台的应用实现较为独立;仿真平台之间的互操作性和重用性差;开发、维护和使用费时间,而且成本高;可验证性、有效性和置信度较差[1]。当前,形式、功能单一的模拟训练系统已不能满足部队的需求,因此如何越好越快地设计出能够面向全系统、全任务空间、全领域的模拟训练系统已成为当前一个迫切需要解决的问题。

HLA就是从体系结构上建立的这样一个框架,它能尽量涵盖M&S领域中涉及各种不同类型的仿真系统,并利于相互间的互操作和重用性,同时能够利用不断发展的新技术来满足复杂大系统的仿真需求。采用HLA的技术体制,可以将单个仿真应用连接起来组成一个大型的虚拟世界。在这个虚拟世界中,可以进行大规模多对多/部队对部队的战术、战略的原则研究和演练仿真。

Virtools一款3D/VR软件由法国全球交互三维开发解决方案VIRTOOLS公司开发,主要由5个组件的开发平台和6个可选模块组成[2]。它采用模块化思想将原先由程序代码实现的功能封装入行为模块(building blocks),然后对行为模块进行相关的编排链接,就可驱动三维场景,显示相应的输出。基于Virtools的这种设计模式,本文提出了基于HLA/RTI和Virtools的高炮驾驶仿真平台设计方法。

1 驾驶系统仿真平台设计体系结构

1.1 基于HLA/Virtools模拟训练系统设计方法

HLA的核心思想是互操作和重用,其显著特点是通过运行支撑环境RTI(run time infrastructure)提供通用的、相对独立的支撑服务程序,将仿真应用与底层的支撑环境分开,也就是将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信传输三者分离,隐蔽了各自的实现细节,从而使各部分可以相对独立地进行开发,并能充分利用各自领域的先进技术。鉴于HLA的特点,分布式驾驶系统仿真平台采用HLA的标准设计。

分布式仿真系统离不开模型渲染和场景驱动,在这方面,目前常用的有2种方法:一种是直接基于OpenGL技术进行模型的渲染和场景的驱动;另一种是使用场景管理/驱动软件,如Vega,Vega Prime等,但是这种方法同样也离不开对OpenGL底层技术的了解,在进行场景驱动时仍然离不开编辑环境,如VC++等的支持。本文所述的3D/VR软件Virtools则将相关底层技术封装入行为模块,使开发者不需要了解和直接利用底层的OpenGL或Direx技术等就能得到开发应用,而且也使资源的重用性大大增强。除此之外,Virtools还有三维可视化编辑环境和流程图似的脚本编辑环境。基于此,开发者只需基于相应的逻辑关系对相关对象进行脚本编排,就能驱动可视化编辑环境中的对象和场景发生相应的变动。在这种设计思路和模式下,在对开发者的要求和工程开发周期大为降低的同时,虚拟场景在逼真度、沉浸感和交互性方面都得到了加强[3]。

为此,本文提出了基于Virtools与HLA的模拟训练系统设计方法,为了使HLA/RTI能够与Virtools相兼容,对HLA/RTI的相关功能进行了二次封装,并通过Virtools SDK将其功能封装进Virtools特有的BB中,这样当联邦成员要与联邦或其他成员进行信息交互时,只需调用相应的HLA/RTI BB,就可实现相关功能;不同的联邦成员只需修改相关的输入参数,就可使用相同的HLA/RTI BB,这样就使模块的重用性得到了较大的增强[4]。开发RTI BB的步骤如下:首先将RTI Ambassador和Federate Ambassador相关的功能服务封装成Win32形式的dll,然后将Win32 dll在环境下封装成RTI BB模块。

1.2 高炮外观模型的建立

高炮外观模型指模拟训练系统对某自行高炮外观的模拟,本文采用3dMax与Virtools相结合的方式对装备进行外观建模。首先,根据装备实物及相关资源在3ds Max中创建高炮模型和3D场景。为了提高模型的逼真度,可采用纹理映射、多通道等技术对模型加以优化,然后将模型导入Virtools中进行渲染以及做最终的处理。导入装备和地形模型之前,需要在3ds Max中安装程序3dMax Exporter.exe;导出时,首先是把建立在3dMax中的装备和地形模型以.nmo文件的形式进行输出。.nmo文件是Virtools Dev默认的用于存储角色和场景以及物体等信息的文件格式。然后,需要把相应的.nmo文件导入Virtools Dev中,添加实行交互的模块脚本。在项目保存成可编辑的工程文件.cmo文件或者只读的工程文件.vmo后,可以通过Virtools Dev自带的程序开发包(即SDK)进行.exe应用文件的开发。

1.3 联邦成员的程序框架

RTI对联邦执行的创建/撤销、联邦成员的加入/退出以及对象实例的注册/删除等操作,都是根据联邦成员的请求来完成的[5]。

因此,联邦执行的生命周期与联邦成员是息息相关的。根据HLA/Virtools的联邦成员结构,采用双线程结构。一个是窗口界面线程,主要用于管理用户和窗口的交互;另一个是仿真线程,主要用于完成仿真模型的执行和联邦交互。联邦成员的程序流程如图1所示。

图1 联邦成员的程序流程

2 驾驶系统仿真平台开发的关键技术

2.1 驾驶员RTI BB模块的开发

高炮武器系统仿真平台的互联分布通过RTI BB来实现,本仿真平台设计RTI BB时,主要考虑BB模块输入/输出参数端口的设计[6]。对于输入输出参数,分为一般参数和特殊参数,其中一般参数主要包括:创建联邦执行、加邦执行、初始化时间管理、公布与订购、时间推进等;特殊参数对不同联邦成员的需求各异,主要包括:启动RTI进程、需要更新的信息、需接收的信息等。具体实现时本文设计的RTI BB,是通过将HLA/RTI 中与本地联邦成员相关的本地RTI大使(RTI ambassador)和联邦成员大使(federate ambassador)的相关RTI BB服务进行封装调用,使得基于Virtools设计的脚本在驱动RTI BB时,就可执行联邦成员相应地创建联邦、加邦、公布订购、时间推进、更新成员信息、获取联邦或其他成员信息等功能。本仿真平台开发的RTI BB如图2所示。

图2 驾驶员联邦成员的RTI BB

2.2 高炮运动控制的仿真

人机交互模型的目的在于将人的操作转换为装备机理模型的输入。模拟训练系统中人机交互设备主要有两种:计算机标准外设、实装部件。对于计算机标准外设如鼠标、键盘等,由于计算机系统内核有特有的接口,在Virtools中也有相应的已封装好的行为模块,故可以直接进行仿真应用;在一些情况下,为了使沉浸感更强,经常需要用到虚拟现实(VR)设备,如方向盘、刹车、油门等[7]。为了支持这个功能,Virtools开发了VR Pack,该模块含有完备的虚拟实境硬件驱动程序,而且包含有先进的显示、声音同步技术,如Game lock等,这样对于VR设备就可以方便地进行仿真应用,整个平台从功能上可以分为以下几个模块[8]:

(1) 虚拟高炮在虚拟战场中的前进、后退、转向、停止等动作;

(2) 配合指挥车及其他高炮进行协同作战,包括完成要求的各种集结、编队行进等功能;

(3) 实时地将高炮的车体姿态信息传输给其他各个节点,如图3所示。

2.3 驾驶员视角的视景显示

高炮驾驶员通过眼睛获得90%以上的信息,所以,视景系统是驾驶模拟技术中非常重要的部分[9]。实现视景系统的关键就是如何制作出真实、实时、高水平的图像,使得路面和交通环境就像真实的一样。分析比较了几种常用生成视景系统图像的方法,提出了基于图像的虚拟现实技术,它不依赖于几何模型,而是通过在Virtools虚拟环境中实时获取的一组图像,通过这些图像的适当组合来生成位于不同试点的新视图。这种方法的最大优点在于生成的环境是这组图像所反映的客观真实场景,而且独立于场景复杂性。本驾驶系统中,基于此方法设计了驾驶员视角的视景显示系统,首先将相机获取的图像拼接为宽角度图像实现的单视点漫游,再通过图像插值和视图变形技术实现各视点间的平滑过渡,最终完成驾驶员视角区域内的连续漫游。图4给出某时刻,炮车驾驶舱三个潜望镜视窗的三维视景截屏仿真图。

图3 炮车行驶控制的仿真

图4 以第一视角操纵炮车在虚拟环境中运行

2.4 模型的物理化及碰撞检测

碰撞检测是构造模拟训练系统不可或缺的一个重要部分,在高炮驾驶仿真系统中,场景物体的碰撞处理,主要涉及到高炮与地面、高炮与地上景物(树木、栅栏等)、高炮与运动物体之间的碰撞[10]。当虚拟角色或者摄像机闯入地下或者走进树林的时,即使模型建造得多么逼真,也会给用户一种不真实的感觉,严重地影响了整个系统的效果和价值。

导入Virtools的高炮模型为组合模型,所以首先得赋予虚拟物体的物理属性,Virtools中物理化虚拟物体,要调用Physicalize行为模块给虚拟物体赋予重力、摩擦力、弹力等属性,使其具有真实物体的一些特性,这时Virtools会在模型周围按照选择的包围盒生成一个碰撞检测面,以便对模型进行交互测试。此外,还需给部件添加空间和逻辑上的约束机制,使高炮模型可以合理、正常的协同运作。在Virtools中碰撞检测使用的主要是层次包围盒方法,功能主要由标准外部构件管理应用程序接口(standard external managers API)中的碰撞管理接口(collision manager API)来实现。通常层次包围盒合上一些特殊的碰撞检测应用,就能按照实际需求,实时、精确地实现物体之间的交互测试,极大程度地增强用户操作模型时的真实感和交互感。┩5给出高炮在仿真环境中发生碰撞检测,无法穿透障碍物的仿真示意图。

图5 碰撞检测发生,高炮无法穿透障碍物

3 高炮驾驶系统平台开发应用

基于上文提到的开发设计方法,本文设计了如图6的某自行高炮单炮的联邦系统。

图6 某自行高炮驾驶系统训练平台

通过模拟高炮在虚拟战场环境中逼真的动力学、动力学特征,对高炮在虚拟战场环境中的各种运动行为进行仿真,以产生逼真度高的建模仿真效果。其中,仿真导演台就是通过人机交互界面,对各节点进行初始化,同时控制整个仿真过程,包括启动、暂停、停止和控制仿真推进的快慢;机理解算成员节点由VC++和Matlab共同编辑完成。其中,解算由Simulink负责完成,主要用来对仿真系统采集的数据进行分析处理,以实现装备机理仿真,并为外观模型提供数据支撑; 三维视景显示成员利用Virtools 软件进行仿真,用于实时显示整个三维仿真场景;成员间的交互则由RTI来实现。通过测试,整个高炮驾驶系统的渲染帧速率为50~60 f/s,完全可以满足虚拟场景交互的实时性和逼真度要求。

4 结 语

本文结合当前仿真需要,在构建高炮驾驶系统仿真平台时,提出了一种新的仿真平台设计方法,即将Virtools与HLA相结合,针对平台开发中的几个关键技术进行了研究,并提出了解决方案,解决了高炮作为联邦成员在虚拟环境中的运动等问题。此法既科学又易于实现,对今后相关的开发工作具有较好的参考价值。

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篇8

关键词：无源光网络；链路仿真；动态带宽分配；IEEE802.3

随着光通信技术的飞速发展和国内电信运营商的增多，目前国内的骨干网已基本实现光纤化、数字化、宽带化。当前，摆在电信运营商面前的主要问题是如何建立一个宽带高速、数字化的接入网。由于光纤的传输距离远、抗干扰强、容量大，因此成为接入网传输介质的首选。无源光网络（PON，Passive Optical Network）在光纤接入方式中相对成本低，能平滑升级、带宽高、覆盖范围大、节省光纤资源、传输距离远、保密性强等优点，它打破了传统点到点的解决方法，是解决宽带接入的一种既经济、又面向未来多业务的用户接入技术，因而将是未来的发展方向。

1、EPON的技术原理

（1）系统结构与所有的PON系统一样，EPON系统由OLT、ONU和ODN组成。OLT位于局端，是整个EPON系统的核心部件，向上提供接入网与核心网／城域网的高速接口，向下提供一点对多点的PON接口；ONU位于用户端，终结光纤链路，并提供对用户业务的各种适配功能；ODN是由无源光分支分配器组成的光纤分配网络，使得一个PON接口的光纤传输带宽可以由多个ONU共享，节省了大量的光纤铺设成本。EPON技术利用这种点对多点的拓扑结构，以以太网为承载协议，因此而得名。

（2）EPON的关键技术―――MPCP

EPON以MAC控制子层的MPCP（multipointcontrolprotocol）机制为基础，MPCP通过消息、状态机和定时器来控制访问P2MP的拓扑结构。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配、ONU的自动发现和加入、向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP实体，它可以和OLT中的MPCP实体进行消息交互。MPCP在OLT和ONU之间规定了一种控制机制来协调数据的有效发送和接收：系统运行过程中上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告从而优化PON系统内部的带宽分配。

（3）EPON的主要OAM功能

远端故障指示

＊控制ONU的开与关，如果ONU被关闭，该ONU不能注册到PON网络和注册；

＊在下行方向上OLT向ONU该ONU的组播成员信息；

＊用户接入物理设备在故障期间可支持OLT至ONU的单向OAM远端故障指示；

＊交换ONU的产商代码／型号信息以及用户端口配置信息

＊ping测试，检查网络的连通性＊远端环回：提供了环回模式的机制。

＊远端统计查询b、链路管理＊支持包括诊断信息的事件通知；＊支持轮询MIB变量。

（4）EPON的增强特性―――DBA

需要说明的是DBA（动态带宽分配）的实现方式并不在EPON规范内要求，而现在DBA主要有两种实现机制Report方式和Idle帧检测方式。

DBA是由OLT全局控制的，不同于以太网的带宽争用机制。

2、EPON技术的关键架构

EPON开放式接入系统架构有2种业务模型：一种是通过L3业务复用交换设备与一个集成的业务提供商相连，同时提供多种宽带接入业务；另一种是通过L2带宽集中器直接与各业务提供商的IP router、VoIP Gateway、Video Server等相连，提供灵活的业务选择。此种架构可以最大限度提高EPON系统设计的灵活性，降低设备成本，保护现有投资，具有强大的扩容和升级能力，便于实现业务平面与承载平面的分离，易于开展多项增值业务。

在IEEE802.3ah中，定义了EPON系统的ISO／OSI参考模型。其中，与高层接口的是传统的MAC客户子层，负责将高层的业务流映射进EPON中进行传送；OAM子层是新增加的一项可选功能模块，主要用于传递OLT与ONU间的操作、维护和管理（OAM）消息；多点MAC控制子层则是EPON的核心功能层，负责一个OLT与多个ONU的通信控制和协调，利用MAC控制帧（如Gate、Re－port等）实现控制信息的交互；MAC子层则是通信的主体，与普通以太网MAC没有区别；适配子层（RS子层）则被用于实现点到点的仿真（P2PE：Point to Point Emulation），用于对EPON内部的逻辑链路标识（LLID）进行处理；数据链路层与物理层通过GMII接口通信；物理编码子层（PCS）则在完成传统PCS子层8B／10B编解码和字节同步的功能之外，新增加了可选的前向纠错（FEC）模块，以进一步提高系统的性能；PMA子层则主要完成串并和并串转换及时钟提取等功能，与普通千兆以太网技术一致；PMD子层则主要完成信号的光电转换，根据EPON自身的特点，要求OLT的光收发模块具有突发接收的能力，而ONU的光收发模块则必须具备突发发送的能力。

由于EPON中各个ONU距离OLT物理距离的差异，到达OLT侧的不同ONU的光功率可能有很大的差异，因此要求OLT侧的光接收机具有自动阈值控制（ATC）的功能。此外，由于EPON上行为TDMA的工作方式，每个ONU只能在预先分配好的时段内发送数据，否则将在OLT侧造成接收冲突。因此要求ONU侧的光发射机具有突发发送的功能，在不属于自己的时段内应不发光或只发微弱的光（＜－45dBm），在属于自己的发送授权到来时，能迅速将光发射功率调整到正常工作水平。EPON是将传统的廉价的、易于管理的以太网技术与可靠的PON拓扑结构相结合而开发的一项新的接入技术。要实现IEEE802.3ah－2004规定的各项技术指标，满足运营商对网络可管理可维护可盈利的要求，首先必须解决诸如链路仿真技术、绝对时标技术、上下行带宽控制与服务水平协议（SLA）、动态带宽分配（DBA）等关键技术。

链路仿真技术是用于解决EPON点到多点的拓扑结构与传统以太网拓扑结构的兼容而开发的，可以在逻辑层面实现OLT与多个ONU的通信机制。IEEE 802系列标准定义了两种类型的媒质：共享的媒质和全双工。在共享媒质情况下，所有站点都连接到同一个访问域，每次最多只能有一个站点发送数据，但所有站点都可以一直接收数据。在全双工方式下，通常采用一个点到点的链路连接两个站点或一个站点与一个网桥，此时，每个站点都可以同时发送和接收数据。基于以上定义，网桥将不转发从一个端口发送回本端口的帧，即连接在同一网桥端口的所有站点可以在不需要网桥参与的情况下互相通信。这就会引起一个有趣的现象：同一E－PON系统内部连接到不同ONU的用户之间在没有3层处理的情况下无法实现相互通信。为了解决这一问题，同时易于与其他以太网的无缝集成，在EPON系统内引入了新的链路仿真技术，以实现同一EPON系统内连接到不同ONU的用户之间可以互相通信。

为了避免多个ONU上行突发发送时的冲突，EPON系统采用了先进的绝对时标（Absolute Timestamp）技术，即同一EPON系统内部所有设备的定时都以OLT侧的定时为基准。系统通过上下行MPCP帧的Timestamp域传递定时信息。GATE和REPORT操作是MPCP协议的两种操作模式在OLT侧，发送GATE帧（Discovery Gate和Normal Gate）的同时将本地时钟计数器的值插入该帧的时标域。在Normal Gate中，还将包含OLT分配给该ONU的发送起始和结束时刻。ONU接收到属于自己的Gate帧后，提取其时隙起始和结束时刻存入相应寄存器，并将本地定时寄存器的值改为GATE帧中的时标值，同时比较这两个时标值的差是否大于guard＿threshold的值（IEEE规定该变量的默认值为4＊16bits time），若大于该值，则认为时标发生了较大漂移，ONU将发起一次重新注册来修正。ONU则通过上行发送REPORT帧来报告本地时标和待发送的数据信息。发送REPORT帧的同时将本地时钟计数器的值插入该帧的时标域。OLT侧从接收到的REPORT帧中提取该ONU的时标信息，计算往返时间值（RTT：Round Trip Time）。为了保证不同业务在EPON内部能够得到与其业务类型相匹配的服务，在ONU侧上行方向定义了不同的分类规则，查找引擎（LUE：Look Up Engine）利用这些规则确定从UNI端口发送过来的包的流向，以建立特定类型的包与所使用的队列的对应关系。而每个LLID又与某一个或某几个队列相对应，通常选择1个LLID对应1个队列。ONU侧每个LLID的上下行数据使用完全独立的队列进行处理，最大限度保证上下行业务的SLA和QoS。

此外，为了支持多种不同的带宽分配策略，需要将带宽分配机制与具体带宽分配算法独立，采用一种具有硬件加速功能的带宽分配引擎。这种典型的DBA实现可以很好根据用户需求动态地改变每个LLID的授权带宽。

3、EPON的建设建议

通过上面对EPON技术的简单介绍，可是看出EPON系统具有如下特点：

（1）局端（OLT）与用户（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本；

（2）EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网／驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素；

（3）采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20公里。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；

（4）上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用（TDMA）共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽；

（5）点对多点的结构，只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资；结合EPON的特点，并针对现网的情况，现对EPON的建设提出以下建议：

PON（无源光网络）作为目前FTTH最佳的解决方案，网络建设应本着近期以EPON为主，远期逐步向GPON过渡的原则。EPON目前成熟度较高，成本相对低廉，对数据业务支持好；GPON在带宽、效率和全业务支持方面具有优势。

基于PON的光纤接入网络应提供话音业务、传真、视频业务及高速的数据接入业务，通过光纤要在用户端设备上为用户提供语音、数据及视频三种不同业务合一的解决能力（具体包括POTS、VOIP、FAX、IPTV、CATV业务，Internet接入业务等）。提供的话音业务应考虑向NGN网的平滑演进。

PON网络建设中应结合其简化供电，避免电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，降低运维成本等技术特点，提高覆盖区域用户密度，降低单位用户成本。网络建设应选定较为集中的用户群区域或重点客户进行覆盖。

PON网络建设应以市场发展策略为导向，以目标网络为指导，根据技术发展和市场需求，适时引入。

PON网络建设应立足现存接入网现状，充分利用现有资源，节约成本，快速提供业务。

篇9

利用ERP沙盘进行企业经营虚拟仿真实训教学，在我国高校已经开展了近十年，成效显著。在梳理当前ERP沙盘教学存在的问题后，介绍了黑龙江科技大学借助云计算技术方法，结合高校教育教学的碎片化、社会化、平台化趋势对ERP沙盘虚拟仿真实训改革与实践过程，以及取得的成果，也为同类高校提升ERP沙盘实训教学质量提供思路。

关键词：

云计算；ERP沙盘；虚拟仿真；人机对抗

中图分类号：

G4

文献标识码：A

文章编号：1672―3198（2015）21016902

近十年来，我国各高校利用ERP沙盘进行企业虚拟仿真实训教学，取得了较为显著的教学效果。它将角色扮演、案例分析、专家诊断融为一体，打破经管类专业知识壁垒，理解企业运作全过程，综合性的提升学生管理能力和技巧，是经管类专业实训教学的一次重大变革。与之相辅相成，ERP沙盘模拟教学手段也经历了物理沙盘、电子沙盘与物理沙盘相互结合，最后到电子沙盘的三个不同发展阶段，支撑经营模拟和仿真的能力得到不断加强，有效地保障了ERP沙盘实训的顺利开展。

1高校ERP沙盘实训教学存在的问题

1.1教师价值尚不显著

在电子沙盘支持下的ERP沙盘教学过程中，教师职责聚焦在三个方面：讲授、教学引导和控制、对学生经营状况进行年度点评。其中，教学引导和控制处理的比较完美，而其他两个方面均不理想。面对初次接触沙盘的学生时，教师系统讲授沙盘经营规则，却并不能达到满意教学效果；教师年度点评时往往依据演示文稿，仅参照资产负债、损益等表格进行对比展示，或借助部分经营图形分析解释，也缺乏对学生经营更细致地，有说服力的数据分析过程。因此，教师传道与解惑的核心职责并不能充分体现。

1.2学生价值提升有限

ERP沙盘实训是一种以学生为中心的“体验式”教学方式，评价学生价值的关键指标是教学覆盖面和能力提升度。然而，由于师资和课时限制，当前的高校ERP沙盘实训普遍定位在培养竞赛型选手上，仅有少部分学生受益，教学覆盖面并不高。即便参与了高校ERP沙盘实训的学生，其成绩评定依据整个团队而非个人，很难评价学生经过培训后的能力差异。另外，现有电子沙盘支持下的ERP沙盘实训方式，缺少稳定社区环境的支撑，学生不可能从反复不断经营模拟中形成充分交流和自主学习，缺乏学生在校级之间的协同学习，难以共享资源和经验。

1.3软件价值亟待挖掘

主流ERP电子沙盘软件品种繁多，功能模块大同小异，但软件购买成本较高，考虑到实验室硬件配套建设成本，总投资较为可观。但是受国赛和实验室开放的时间限制，ERP电子沙盘实验室资产利用率并不理想，呈明显周期性变动。

除此以外，多数ERP电子沙盘软件缺少可视化盘面，限制了初学者通过ERP沙盘学习ERP基本原理的教学本质，存在一定盲目性；受到人数限制，教学过程需要一定的人数保证，否则无法满足最低6组的对抗条件；受到时间限制，仅能在实验室的PC机上使用，学生无法利用闲暇时间，在个人Pad和手机上操作。更重要的是，在分组对抗过程中，学生缺乏科学而循序渐进的分级训练，不利用培养高水平竞赛选手。

2我校ERP沙盘实训的教学改革情况

随着高等教育教学理念的变革与深化，以及云计算为代表新一代信息技术的不断普及，使学生实训学习过程呈现碎片化、社会化、平台化特征，强调学生自主学习能力和创新思维培养成为高校经管类专业实训发展的必然趋势。在这种大背景下，我校自2012年开始尝试云计算环境下的ERP沙盘实训改革，经过近3年时间2400人次的实践验证，取得了良好的教学效果。

2.1教师碎片化教学的探索

通过精心设计ERP沙盘对企业运营进行虚拟仿真，结合原汁原味的物理沙盘实物，将传统沙盘运营规则的课堂讲授过程，教师按照知识点录制5-8分钟微视频，或者针对经典运营案例，录制点评微视频，营造了一个真实的“微教学资源环境”。由于海量低成本的云存储服务支持，这些微视频可以随时被学生在各种移动设备播放，并与教师深度交互，逐步达成碎片化教学。

2.2学生社会化学习的探索

ERP沙盘仿真企业经营过程中，学生通过自身体验管理过程，也可以通过观察他人行动成败，间接增长管理经验，本质上是一种社会化学习。借助云计算平台，我校构建了ERP沙盘社区下的用户平台认证体系。通过平台模拟运行环境、用户积分排名、单人/团队任务、沙友圈子等功能支持，打造用户平台社区化机制，促进学生进行全社会范围内所有参与者之间分享ERP沙盘实训经营方案，发帖交流各自学习经历和体会，并通过云平台发起协作约定，获得团队管理新体验。

2.3软件平台化设计的探索

2.3.1租用云平台提高运行性能

基于现有成熟的公有云服务，我校ERP沙盘实训经营具备大并发能力，突破了社会化学习环境下南北网速差异的困难。通过Internet以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化资源的云计算模式，可以根据前述ERP电子沙盘实验室使用量的周期性变化情况，能够动态地调整教学高峰时期与空闲期的落差，降低投入成本。

2.3.2构建跨平台运行的云端系统

云计算环境下的ERP沙盘虚拟仿真系统，采用跨平台HTML5作为开发引擎，实现多终端（PC、手机、PAD）等多个系统（IOS、Java、Win）无缝衔接。

最重要的是，系统采用“短链接-回放”设计思路并加以改进，用户操作触发服务器的短链接服务，所有经营过程的逻辑计算、信息存储均在云服务器进行。用户端仅负责执行服务发回的表现脚本，回放由服务发回的压缩后视频流，重现服务器执行的过程及结果。其优势是ERP沙盘实训的业务处理逻辑完全放在云端，不必再考虑代码安全性问题，支持存储、通讯、运行开销轻量级化，赢得更好的用户体验（如图1所示）。

2.3.3面向科学训练的人机对抗模式

云计算环境下的ERP沙盘虚拟仿真系统突破了传统电子沙盘仅能开展分组训练的局限，支持人机对抗模式，对ERP沙盘实训教学具有相当重要的意义。利用人机对抗功能，学生可以突破教学的最低人数限制，独立发起与5个机器对手的博弈。利用海量云存储能力，对每个特定市场预测，俊在服务器端建立动态方案库。学生与机器对弈后，会将学生策略编码后存入方案库。人机对抗模式表面上是使机器具备向人类对手学习的能力，本质上是学生面对不断优化的竞争方案，是和优秀的人类对手同台竞技，是社会化学习的扩展。

在人机对抗功能上，我校首次建立了ERP沙盘实训的自适应教学模式。针对初学者和竞赛选手，云计算环境下的ERP沙盘虚拟仿真系统根据人类对手能力水平，自动给出与之适应的训练任务和方案，保证了ERP沙盘模拟教学的科学性和严谨性。

2.3.4更加精细的成绩考核体系

云计算环境下的ERP沙盘虚拟仿真系统克服了传统电子沙盘仅依靠团队权益确定学生成绩的缺陷，采用分岗方案数据库，对不同专业背景的学生进行侧重考核。

在云计算环境下，学生所有经营模拟的决策细节被存储在云服务器上，通过大数据分析和挖掘，与同岗位、同难度的其他学生经营数据进行对比，可以给出不同训练层次下的经营状态报告，指出学生经营决策制定和执行中存在的不足之处，并通过自动记录积分和等级，在学校、省内、全国多个层次进行分岗排名和综合实力排名（如图2所示）。因此，云计算环境下的ERP沙盘虚拟仿真系统通过更详尽的数据分析，有效支撑教师教学点评视频的制作，提升教师价值。

3结束语

采用云计算环境下的ERP沙盘实训教学模式，克服传统电子沙盘教学中存在的不足，同时融合了高等教育教学的最新流行理念，建立了“微教学资源环境”，通过改善碎片化教学效果进而提升教师价值；建立了“用户平台认证体系”，通过改善社会化学习效果进而提升学生价值；建立了“基于云端的人机对抗系统”，通过改善平台化情境效果提升软件价值。这种教学模式的应用和实践，促进了ERP沙盘实训教学水平向更高层次迈进。当然，目前的研究成果尚有些问题和关键技术，如业务资源服务自动组合技术、人机混战的智能设计、接口与平台松耦合等问题，还有待进一步研究和改进。

参考文献

[1]张庆华，彭晓英.高校ERP沙盘模拟教学存在的问题与改革实践[J].中国管理信息化，2008，（23）：112113.

[2]林祥友，曾廷敏.ERP实物沙盘与电子沙盘的结合运行模式[J].财会月刊，2012，（12）：9495.

[3]吴红霞，冯云晓，刘遵峰.ERP手工沙盘与电子沙盘整合的实践教学改革[J].河北联合大学学报（社会科学版），2013，（03）：7072.

篇10

[关键词]：煤矿数字化；发展现状；关键技术

中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：

引言

进入21世纪以来，信息技术的快速发展和浪潮般的推广应用，为矿山企业带来了机遇，也带来了压力。一方面，随着矿产资源消费的急剧增长和开采加工难度的日益增大，促使采矿逐渐走向数字化和智能化；另一方面，随着计算机技术、网络技术、数据库技术、自动化技术、传感器技术、数字视频技术和现代管理技术的发展，煤矿信息化正向信息扩展、高度集成、综合应用、自动控制、预测预报、智能决策的方向发展。煤矿企业对信息化建设越来越重视，且大部分建设了以光缆为基础的高速企业网，开发了管理信息系统、采矿生产运输自动化系统、生产调度监控系统 与internet网对接并建立了网站系统。特别对于井工矿企业，如何去创新出自己的数字化管理之路，已经越来越成为一个重要和迫切的研究课题。

煤矿数字化简介及意义

煤矿数字化，又称数字矿山，是由数字地球的定义延伸而来，即在矿山范围内以三维坐标信息及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入所获得的信息的总和。煤矿所能获取的信息可划分为固有信息和动态信息2个层面，固有信息包括矿井原始数据(地质、测量、钻孔)和煤层、围岩、井巷等地质体空间信息；动态信息包括采掘、通风、运输、供电、给排水等生产系统网络及其装备信息，生产过程中产生的信息(设备状态、环境、人员)，专业分析辅助决策信息，生产经营管理信息。这些信息在煤矿地质勘探、规划设计、建井施工、生产经营管理各环节中产生,具有持续产生、共享利用、多源异构的特征，所以分析矿山信息的构成、产生过程、获取手段、表现方式,建立矿井基础信息数据仓库，开发数字矿山基础信息平台，实现矿井固有信息和内嵌动态信息的认知、获取、表达、处理、共享、可视化、传输和使用等过程的数字化是建设煤矿数字矿山的主要内容，最终发展目标是实现矿山资源与开采环境数字化、技术设备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化。

数字化矿山建设过程是提高生产经营管理水平、转换经营机制、促进管理现代化、建立现代企业制度、 提高经济效益、 促进安全生产的完善过程；也是煤炭行业实现跨地区、跨行业和实施大集团战略、走可持续化发展道路的技术保障。煤炭工业数字化建设， 可提高煤矿企业安全管理的预测预判和预防预控能力， 推动安全从静态管理向动态管理、从被动管理向主动管理、从程序管理向工序管理的转变， 是保障煤矿安全生产的必然选择和重要途径。

煤矿数字化发展现状

我国的煤炭工业是国民经济重要的基础产业，但与国际上发达国家相比，我国煤炭企业普遍存在两个方面的不足：一是煤矿总体装备技术水平，尤其是系统的整体有效性、信息化水平不高；二是煤矿生产事故较多，造成国家财产和人民生命的严重损失。我国煤炭工业数字化进程起步较早，但 90 年代煤炭行业整体经济效益下滑， 数字化进程极大受挫。随着煤炭行业的复苏，煤炭企业数字化意识有了很大的提高，数字化管理体系、信息安全体系逐渐形成，数字化技术创新进展较快，数字化基础设施建设步伐加快。

从煤矿数字化的内涵和发展目标来看，实际上目前我国煤矿完全意义上的数字化还没有建成，究其原因主要有以下几个方面：（1）煤矿数字化是一个复杂的巨系统,涉及煤矿地质勘探、规划设计、建井施工、安全生产、经营管理的全过程，许多信息需要持续利用共享，然而各环节信息化方式和水平不同，数据格式兼容性差，信息不能重复利用，信息孤岛现象严重；（2）我国煤矿数字矿山仍处于初级发展阶段，成熟的能够统一管理和集成空间信息、实时动态信息和管理信息的基础平台还未见报道，分析原因主要与开发商所涉及专业有关。目前，直接推动煤矿数字矿山发展的相关专业开发商有3类：一类为煤矿地质测量系统开发商，他们从早期的矢量化成图系统，逐步发展完善成具有煤矿专有功能的地质测量系统，有的还集成了一定的管理功能，这类开发商自称是数字矿山的领跑者；其次是煤矿自动化系统集成商，他们从早期的煤矿安全监测系统，发展到今天集成的全矿井综合自动化系统，将矿井各生产环节的实时信息掌握在手，这类开发商自称是数字矿山的实践者；第三类是煤矿信息管理的开发商，他们从煤矿办公自动化、运销、设备及劳资等管理模块入手，将煤矿各业务科室的管理流程信息化。由于这3类开发商涉及煤矿不同的业务部门，各自所采取的技术路线、应用平台千差万别，造成目前各类系统难以整合、信息资源无法共享,很难形成统一的空间信息、实时信息和管理信息平台；（3）在技术层面能承载数字矿山海量信息平台的技术首选3DGIS，而3DGIS理论与煤矿对数字矿山适用性的客观需求差距较大。数字矿山需要3DGIS作为框架支撑技术，而3DGIS技术只在三维可视化渲染引擎方面比较成熟，在通用的三维建模算法、三维空间分析、三维空间信息存储引擎等关键技术方面仍在探究阶段，通用的商用3DGIS平台还没有出现。但煤矿建设数字矿山不仅要求可视化地进行三维模拟和虚拟再现矿井生产环境及相关现象，更主要是能够仿真化地模拟分析矿井采煤、掘进、供电、运输、通风、给排水等生产系统运行过程和灾变过程，实时采集相关环境与工况参数,按照各业务系统的运行原理进行空间分析，最后实现自动化地预警矿井灾害和启动安全预案，为安全生产起到真正的辅助决策作用，由此可见,3DGIS支持与实际需求有一定差距；（4）煤矿所处的环境复杂、不确定因素多、相关专业多、生产系统工艺复杂、技术设备智能化水平低、采掘现场的许多工况参数尚无法获取,这些都制约数字矿山的发展。

从以上分析可见，我国煤矿数字矿山的发展并不是一朝一夕的事情，需要各专业协同发展，需要解决技术设备智能化、3DGIS支撑技术、不同来源信息的自动采集技术、多源异构信息的集成融合技术、三维建模及可视化技术、空间和属性数据的集中或分布组织管理及共享技术、基础信息的分析处理、基础信息的工程应用等关键技术。这些技术发展并不平衡，有一个逐步发展的过程，所以数字矿山的建设也需要循序渐进地推进。根据煤矿客观需求和当前技术水平，笔者认为构建以矿山空间信息描述为主框架，整合煤矿安全生产实时信息和管理信息的煤矿数字矿山基础信息平台是数字矿山发展之路的一个里程碑。制定数字矿山信息描述标准和面向第三方的标准接口已成为各类开发商的共识。

4技术路线

4.1信息规范和接口标准

数字矿山包含矿井范围内所有信息的集合。其必是一个多源异构的集成平台，研究平台内信息的定义、描述标准和规范，以及各系统间的接口技术规范是数字矿山优先要研究的内容。因此，制定我国数字矿山的信息规范和接口标准是数字矿山健康发展的关键。

设备智能化

终端设备的智能化是指该设备具有完备的检测( 设备的运行参数和空间位置) 和控制执行功能，并能通过接口与第三方进行信息交互，随着技术的发展，矿井装备智能化有了一定的改善，但总体水平比较低，矿井生产的主要设备如综采和综掘成套装备的电控智能化只在电液控制方面有所突破，综采工作面的采煤机、刮板输送机、转载机等主要设备智能化程度较低，相关工况参数难以获取。主要设备的智能化是数字化矿山基础。

高速传输网络

由于煤矿生产包含采掘、运输、提升、供电、通风和排水等多个环节，就决定了矿井监测、控制子系统异构的特征，集成和整合子系统需要统一的传输平台，而可靠稳定的矿井高速网络是传输平台的首选。随着信息技术发展，工业以太环网、无源光网络 ( GEPON) 、SDH 等技术广泛应用于煤矿，承担矿井数据、图像和语音的实时传输任务，但工作面、掘进巷道等地方是网络覆盖和高速接入的难点，这些地方恰恰是数字矿山信息的重要节点，高速接入、传输这些节点的信息目前是矿井高速网络的短板。因此，矿井末端节点的高速接入和传输技术是数字矿山研究的重点，各种无线传输技术 ( WIFI、ZigBee) 、光纤传感器网络技术、专业现场总线技术的研究已成为研究的热点。

多源异构数据的集成和共享

把不同来源的基础数据通过XML、Web Services 等技术集成融合在煤矿数字矿山基础信息平台，通过建立基础信息平台数据中心的矿用对象管理中心，以矿用对象库的形式共享空间数据和实时数据，供矿井可视化、各业务应用系统使

用。重点要解决数据的存储引擎、数据的访问机制问题。

4.5 基于3DGIS的矿井综合信息管理平台

数字矿山必须建立具有矿山特征的专业 3DGIS平台，重点解决三维空间模型描述方法、三维模型数据存储管理引擎、可视化渲染引擎、三维空间场景要素组织管理、模型交互编辑操作、通用基本要素建模算法、空间基本分析等技术问题。

首先应用三维地理信息技术建立的复合地质数据库和矿井真三维空间地质模型建立生产管理信息系统、地质测量子系统、矿井三维空间地质建模、信息查询及输出模块、采掘信息管理子系统、生产与矿井储量分类统计数据输出模块、运输及生产保障信息子系统。拟采取的技术路线为：①从矿区层面的地测空间数据入手，按空间数据的几何特征和业务门类进行分类组合，并按国标和行业标准，建立统一的编码系统。②根据业务门类或指定主题，按照“不重不漏、留有余地”的原则，规划、构建矿区层面的数据仓库。每一个主题可对应一个子仓库，如地质、采矿、运输及保障等，每一个子仓库可与一个或几个分布在各矿的操作型数据库相连。③不论某空间要素分布在何处，也不论其原始记录数字化与否，皆应通过信息平台的构建，使每一个地测空间要素都对应一个体现上述综合特征的标识码。该标识码及其对应的空间要素的所有信息可以分布式地存放在己有的操作型数据库中，也可以存放在新建的数据子仓库或矿区层面的数据仓库中。④凭借数据仓库特有的“向下探察技术”，首先要能够根据标识码从散布在数据仓库里的海量数据中“找到”所需数据，然后通过适当的数据转换机制“打开”该数据，使之能为特定的研究目标所用。⑤根据三维GIS理论和方法，运用空间分析、虚拟现实、WebGIS等技术，构建真三维空间实体模型，动态模拟地质体变化、采掘过程、运输过程。⑥建立多维地测绘图系统。⑦建立数据仓库及处理结果的网上数据接口、界面，使用户不仅能通过网络实现二维或三维的显示和输出,而且可以借助多维地测绘图系统实现快速成图。

基础数据专业分析处理

数据必须经过处理才能增值利用，所以数字矿山必须支持丰富的数据处理方法库，一般处理方式有数据本身的统计分析、数据挖掘和专业处理分析。专业分析处理需要研究采掘、供电、运输、通风、给排水等各生产子系统的工作运行原理，然后研究建立相关数学模型 ( 比如通风网络解算) ，制订良好的访问接口，为其他应用系统服务。

业务应用系统开发

数字矿山通过开发丰富的业务应用系统体现其实用价值，业务应用系统开发需要研究具体业务的数据使用流程，对数据专业分析处理的时机、数据可视化的方式等，另外更重要的是要考虑用户操作界面的友好性和功能的适用性，真正为辅助矿井的生产经营管理真正起到作用。

结语

综上所述，数字矿山需要在企业高速网络环境下建立一套集矿井基础数据 ( 空间、属性) 实时有效采集、准确传输、存储管理、科学分析、可视化表现、自动化控制、智能化预警和信息反馈的矿井综合自动化安全生产系统。需要建立以矿井监控数据、空间数据为基础，以矿用对象库为核心的统一的数字矿山基础信息平台，构建煤矿按生产系统划分主题的具有完整内涵的煤矿数据仓库；开发具有煤炭行业特征的专业化 3DGIS 支撑平台，为基础数据的组织管理和可视化提供机制和保证； 基于数字矿山基础信息平台开发以矿井安全生产、经营管理为核心业务的应用系统，但是，数字矿山建设是一个长期的实践过程，不能单纯完全依靠技术手段来解决一切问题，人与组织的参与同样至关重要。其次，数字矿山建设必备的条件是人才的供给，所以人才建设也是数字矿山得以成功应用和实施的关键，总之，数字矿山建设是一个长期的过程，必须有强大完善的先行规划，整体部署，分步实施，最终实现矿山资源与开采环境数字化、技术设备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化的发展目标。

参考文献：

[1] 《地理信息世界》吴立新，地理信息世界编辑部