仿真设计流程范文

导语：如何才能写好一篇仿真设计流程，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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【关键词】 角色 流程 仿真实验 设计

Design and Research on Aspects of ERP Simulation experiments

base on Role and Process

lijian

（TIANJIN CHENGJIAN UNIVERSITY，TIANJIN 300384 ）

【Abstract】 This paper first introduces the situation and existing problems in current university ERP experiment teaching， and leads to build ERP simulation experiments platform based on the role and process is necessary. Based on the actual situation of ERP experimental curriculum，In accordance with the three aspects of business environment、job roles and business processes，it design for simulation experiments platform. Finally， drawing on U.S. research universities’ the relevant system in curriculum evaluation， we evaluate teaching effectiveness from four dimensions of the simulation experiments

【Key words】 roles processes simulation experiments design

企业资源计划也称ERP，全称 Enterprise Resource Planning，它是建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，对企业内部人、财、物各方面资源进行整合集成管理，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。随着信息化建设的发展，ERP在企业中的应用越来越普及，企业对ERP实用型人才的需求增大。为了满足企业对人才的需求，高校培养人才的模式也正逐步向以应用型人才培养为主的模式发展，实验室是高校培养应用技术人才的摇篮，因此加强实验室建设，大力开展实验教学、丰富实验教学内容就成为高校培养专业型人才的一个非常重要环节。为此，各大高校在经济管理类专业教学中引进ERP内容，并从完善ERP课程体系的角度出发，开展ERP实验方面的教学改革，以科学发展观指导ERP实验教学体系构建，以适应社会对信息管理、ERP实施与应用人才的需求。

1 当前高校 ERP实验教学现状及存在问题

1.1 ERP实验教学师资短缺

目前高校讲授ERP课程的教师，要么是以信息技术为主的计算机专业的教师，要么就是以管理知识为主的管理专业的教师。从事管理的不懂技术，从事技术的不懂管理，导致管理和技术之间缺乏有机的联系。而高校中既懂管理又懂信息技术的复合型教师非常少，师资力量缺乏，从而导致学生对ERP课程的学习不够全面。另外，很重要的一点，教师采用传统的被动型实践教学模式，严重影响了ERP课程教学效果。因此，改变原有被动型实践教学模式为主动型实践教学模式，是高校实验教学改革亟待解决的问题。

1.2 企业参观、实习难度大、效果差

对于经管专业的学生来说，到企业参观和实习是接触到实际ERP流程的重要方式，但这种模式存在着很多问题。从企业角度讲，在市场经济环境下，置身于激烈的竞争环境，企业中每个员工的任务多，工作压力大，个人尚且自顾不暇，接待学生参观和实习更是“力不从心”。另外，现阶段企业的各项事务处理工作非常复杂，多数企业已开始利用计算机进行事务处理和业务管理，对系统数据的安全性和保密性有一定考虑，即使接受了实习学生，也大多不愿意让没有经验的人接触系统，实习学生基本没有直接参与核心工作的机会，多数都是打杂和帮忙性质的工作。从学校角度讲，一是实习经费不足，二是实习时间过于集中，场地分散，不利于教师指导、答疑。从学生角度讲，企业参观往往是走马观花，流于形式；企业实习更多是现实企业的运行情况的了解，很难有个人发挥的余地，更不可能参与企业的管理决策。

1.3 实验环节设计缺乏系统性和综合性

完整的ERP实验教学模拟系统应该包括单项模拟实验、阶段性模拟实验以及综合模拟实验。缺少任一阶段的实践过程，都会影响管理实验教学模拟系统的整体性和连贯性，违背了教学规律，不利于学生系统地学习管理知识。然而现实情况是学生在对ERP软件实验操作时是逐一模块的单个操作，如生产管理、供应链管理、财务管理等模块都是单独的应用，对各模块间数据共享、数据传递、数据接口不是很清楚，对ERP缺乏系统性、综合性的了解。

1.4 实验环境理想化、随机因素变化少

目前的ERP实验教学模式及手段有所改进，改传统的“验证式”实验教学为基于ERP平台的体验式、互动式模拟实验教学。此模式有利于培养学生团队意识、战略思想，但是模拟企业毕竟是理想化的设计，期间的环境因素变化少，不利于学生的随机应变能力的锻炼，这方面有待于改进。

1.5 物力沙盘模拟实验与ERP软件结合较差

ERP沙盘模拟对抗实验中的模拟企业是理想化的，对供应链、生产制造环节设计非常简化，实验产生的数据很难应用到ERP系统中。即 ERP软件所使用的数据与ERP沙盘模拟对抗实验所用的数据是不同的，如能整合统一成一套数据，实验效果会更好。

2 构建基于角色和流程的ERP仿真实验平台的必要性

长期以来，在我国高校管理类专业的教学中，存在着重理论、轻实践的现象，在实际教学中实验课程少，实验课时少，缺乏专业实验室及相应的软、硬件配置等。同时，实验教学项目单一，体现团队合作意识及个人创新能力的综合性实验少。由此造成学生的专业局限性不能很好的突破，难以通过实验课体会管理的整体概念，无法通过实验课充分发挥他们的创造力和独立思考能力。经济管理类专业相对于其他专业，更强调管理环境的模拟性和实效性。基于角色和流程的ERP仿真实验教学通过营造一个模拟的企业真实环境，让学生在模拟的企业环境中扮演不同的角色，模拟企业运作的整个流程，让他们在体验中学习，了解企业动作规律、锻炼学生动手操作和决策能力。

为此，高校实验教学中构建以ERP为核心，将管理学科不同专业实验课程整合起来，建立一个基于角色和流程的ERP仿真实验平台，就显得尤为必要。因为这个仿真平台在实验教学中对某行业（如制造业、银行业和保险业）的企业的某一个专业职能和流程进行仿真，为财务专业、市场营销、生产管理、物流管理等课题提供模拟教学环境，体现了它的跨学科、跨专业性。但更重要的是它的整合性，企业仿真平台是一个企业的完整模拟，使学生对信息流、资金流、物流有一个全面系统的了解，有利培养学生对企业的整体认识和系统认识，也有利于培养学生的团队协作精神，学生在模拟企业经营的过程中，能够真实地体验管理的方法、决策，通过这种实践培养学生综合运用知识的能力。这往往是过去经济管理学科教学中的薄弱环节。因此，高校引入ERP实验教学模式对于开拓学生视野，提高学生的综合素质具有重要的意义。

3 基于角色和流程的ERP仿真实验的实验环节设计

3.1 企业环境仿真设计

ERP管理环境主要是指市场环境、企业产品体系和结构、企业内部运作过程、销售商、供应商供应政策等等。ERP管理场景的设计，不但需要对这些方面进行描述，还需要在结合假定的企业，模拟的案例企业基础上，实现各种ERP静态数据和动态数据的设计，实现模拟环境和数据的统一。提供真实仿真企业的业务处理环境的功能，对环境的设计和各个实验流程的设计都必须使实验者有一个接近或仿佛置身于企业的实际环境中的感觉，这种环境可使学生自觉调整自身不同于课堂上课的状态，促使学生主动思考、规划实验过程和实验步骤，主动加入群体活动中去完成实验。

3.2 职能岗位角色仿真设计

ERP实验是对企业运作过程的实验。主要涉及生产计划管理、物流供应链管理、财务管理，这些管理功能是由不同的岗位（职位）来完成的。在实验过程中可以按5～10人分组，组成虚拟的公司，按每个分配虚拟企业内部的工作岗位，要求其扮演相应的角色，领会岗位职责，完成岗位的功能。这种角色的扮演还需要在软件角色和权限上进行相应的设置，体现不同职责的权限和软件功能。在模拟实验中，一种设计思路是每个学生以企业实际业务流程为牵引，针对一个特定系统的业务，由实验者模拟企业不同部门、不同的工作岗位，独立完成业务处理，目的是熟悉系统的功能，明晰不同类型业务的处理流程。为了全面提高实验者的综合实践能力，真实模拟系统在企业中的实际运行过程，在局域网完备的环境下，可以由不同的学员模拟企业中的不同岗位，每个岗位都具有相应的责、权、利，让每一个学生都找到相应的“职业角色”的感觉。

3.3 企业业务流程仿真设计

企业之间竞争的关键在于其业务流程，对企业仿真平台也是如此。在仿真企业环境中，以企业业务流程为连接线，将各个业务部门、各个职能岗位有机地连接在一起，以系统性的经济业务深化理论与实践的结合，使每个实验者更深切地体会局部与整体的关系，体会到自己在流程中所处的位置和应负责的工作，体会到企业基于流程的运做模式。具体业务过程的设计是ERP实验的中心内容。在管理场景和角色扮演的基础上，需要设计具体的业务过程，如销售（一个订单产品）、采购（一批原料）、生产计划安排（一个计划期）。业务设计一方面需要切合管理实际和设计的管理场景，另一方面需要考虑到ERP功能实现及在数据处理方面的特点。

4 基于角色和流程的ERP仿真实验教学效果评价

在做好课程开设管理的基础上，客观评价教学效果也是完善实验课程全过程管理的必要环节，这也是当前的教学实践中非常薄弱、容易被忽视的部分。借鉴美国研究型大学在课程评价方面的相关制度，建议我国的实验教学评价可以从4个维度展开。

4.1 学生评价

对于美国研究型大学来说，学生选课人数和课后评价情况是考核课程教学效果的最重要的参考因素，这是其市场化办学的体现。虽然我国大学并不能够完全采用市场导向来组织教学，且我国在校学生的自主选择能力也有限，但学生参与教学效果评价仍然是必要的，是课程管理体系中不可或缺的环节，也是高校贯彻“以人为本”科学发展观的重要体现。

专业课程管理委员会应该设计课程评价指标体系，提供问卷、网站、电子信箱、QQ群等多种渠道，让学生能够及时将对课程的评价和意见信息反馈到专业课程管理委员会。专业课程管理委员会应认真审议学生的反馈信息。

4.2 同行评议

学生对课程的评价信息是综合和重要的，但有时也会因为个人情绪等各种因素产生较大的偏差。因此，需要聘请同行专家到课堂听课，并就课程内容、课程难度等提出建议和意见。

4.3 教学研究委员会评议

美国研究型大学大多设有教育研究所，其主要任务就是从教育技术、教学方法等角度对教学工作进行深入研究。这是提高课堂教学效果的有效途径，能够帮助教师发现和改正教学过程中的不足。实验教学由于涉及到各类计算机软硬件环境，借助多种辅助教学方式，主讲教师未必都能很恰当的驾驭这些技术，非常需要专业的教学研究人员进行辅导和协助。可以说，教学研究委员会是实验教学全过程管理所必需的组成部分。

4.4 实验教学中心评估

实验教学中心负责提供实验课程所需的各种软硬件环境，应主讲教师的要求安排实验时间和场地。在提供完善的服务同时，实验教学中心也需要与主讲教师不断沟通，并记录实验开展情况，分析实验设备的使用效率，并对提高实验中心利用率提出改进建议。

5 结语

基于角色和流程的ERP仿真实验平台的构建对目前高校ERP实验教学的发展起着显著的推动作用，该实验平台可以打破传统实验教学中实验项目单一，针对特定专业的局限性，不同专业的学生可以在同一个平台下共同完成实验课程，加强了各专业之间的交流与融合，同时在仿真环境下，更加真实地模拟企业经营，使学生全身心地投入到仿真实验中，扮演企业中的各种角色，运用自己的专业知识来处理业务，提高了学生解决实际问题的能力，从而达到提高实验教学质量的目标。

同时只有建立系统、客观的教学管理评价制度，才能激发主讲教师深化实验内容、创新实验技术、提高上好实验课的积极性和主动性。通过客观公正的教学考核与评价结果，运用各种精神和物质手段，对优秀者加以奖励，对工作质量达不到要求甚至造成教学事故者进行必要的惩罚，这种鼓励先进、鞭策后进的奖惩手段会在教学管理领域中形成积极向上的良好氛围，提高经济管理实验教学的管理水平。

参考文献：

[1]张真继，刘世峰，常丹 等.经济管理类实验教学体系的研究[J].实验技术与管理，2009，26（4）：179-181.

[2]尤赤矶，刘林青.基于ERP的经济管理类综合实验教学平台的构建[J].实验室研究与探索，2005，24（2）：59-61.

[3]王超杰.基于ERP平台的新型教学模式研究[J].成都大学学报，2006（1）：101-102.

[4]刘显铭，田新.高校ERP沙盘模拟课程教学问题探讨[J].黄石理工学院（人文社会科学版），2010（4）：77.

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关键词 油气储运 系统仿真 实验教学

中图分类号：TE8-4 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2016.11.068

Abstract This article according to the simulation software and the factory internship in the limited effect of lack of oil and gas storage and transportation professional， put forward to the students as the main body for designers and software developers， and to the team as the main form， so that each student to maximize their strengths. The system covers the field of oil and gas storage and transportation of each module， reproduce the real environment of the industrial field， enhance the students' awareness of production and various systems， the effective application of the system to make students master the production process， the professional knowledge to form a knowledge system， from theory to practice and understanding.

Keywords oil and gas storage and transportation； system simulation； experimental teaching

S着人类文明的进步，计算机在生活，工作，学习中发挥的作用越来越大，它带给现代教育的方便、直观等其独特的优越性，也促进了教育领域的发展。目前很多高校开发相应计算机辅助教学软件，以便于学生可以更直观和系统地学习，达到现场参观的效果甚至优于其效果，另外现在也有一些企业将其开发成系统软件，并将其商品化。①

目前相关工业计算机仿真技术是分为两大类，一种是从宏观角度考虑，对现场工艺流程的模拟，通过开关阀门完成不同的流程的操作以达到现场模拟的效果。二是从微观角度考虑，针对石油，化工，航空航天等行业，对其流体流态，导热，扩散等多方面的模拟。用于预测及优化设备流程系统或事故评估，以做好预防及应对措施。因此通过计算机仿真系统学习培训，对于工科生来说是一种高效率、低成本的教学手段。②

1存在的问题

1.1市场上没有的完善仿真实习系统

由于受到时间及安全生产等限制，学生不能到每个现场去熟悉流程，但是对于石油工程学院的学生来说，无论是油气储运专业还是石油工程专业，流程都是最重要的知识结构之一，那么为了解决授与学之间的矛盾，学校必须拿出一套形之有效的解决方案。仿真模拟的产生解决了这个问题，并且它在其它学科上也得到了广泛的应用，所以在油气储运和石油工程专业引入仿真系统是帮助学生对流程做全面了解最简单且有效的方法。但由于是小众专业所以各石油高校都在自行开发其仿真模拟软件但到目前为止，没有一所石油高校开发出一套完备的储运专业所需的仿真软件，所以无法在市场上推广。因此许多储运专业实际上并没有仿真这个模块。③

1.2 仿真实习系统的必要性

（1）缺少专业对口并且长期稳定的校外实习基地。在当今中国的经济形势下，各厂矿企业不可避免地把经济效益作为其考虑的首要因素。学生下厂实习，对正常的生产秩序总会产生或多或少的影响，因此，在接纳学生进厂实习的态度方面，工厂一般较为被动。

（2）无法保证生产实习质量。在石油化学工业、现代化学工业及其他过程工业日趋集成化、连续化、自动化的今天，现场操作的危险性也在显著增加，任何错误操作都可能带来十分严重的后果。因此，学生下厂后既难深入实际，更不允许动手操作，只能被动地看和听，其主动性、创造性都难以调动和发挥。这种走马观花，流于形式的实习方式，效果根本无法得到保证。针对上述问题，应在生产实习中加强高科技含量，强化有特色的生产实习，强化学生的工程意识，激发其学习主动性，使所学理论知识深入化、综合化和系统化。实践证明，将仿真培训应用于学生的生产实习中，不仅受到了学生的热烈欢迎，在提高实习质量方面也起到了事半功倍的效果。

2 解决方法

2.1 开发步骤

（1）划分不同领域，分成石油工程仿真系统和油气储运仿真系统。（2）划分不同性质，分成流程仿真系统和设备仿真系统。（3）梳理出不同的流程并对流程进行绘制。剖析不同设备内部结构绘制出设备内部结构。（4）根据流程图和设备结构图，通过组态王和Pro/E软件及Visual C++语言开发出相应的流程仿真系统和设备仿真系统。

2.2 需开发的系统（图1）

2.3 已开发的仿真系统（图2）

2.4 营造组建仿真系统开发的环境

（1）通过不同模块和性质的划分，梳理出不同的流程并对流程进行绘制，重点开发储运流程仿真系统，特别是油库和加油加气站。

（2）通过过第二课堂，大学生创新创业项目结合素拓学分，要求学生在校期间必须参加一项专业领域的实践活动，使学生加入到创作团队中去。

（3）形成“传帮带”的传统和机制，使知识体系不断完善，每届都汲取大三，大四的成员加入团队，形成大四带大三传统。

（4）在软件的开发过程中，根据每个人不同情况，有的擅长画图，有的擅长编程，有的对组态王或Pro/E应用更熟练，充分发挥每个人的特长激发兴趣点，提高工作效率。

（5）充分发挥老师的带动及解决关键难题的作用，在学生陷入误区或是有解决不了的问题，老师给予关键性的指导。

2.5 预期效益

（1）初步建立起油气开发与储运工程实验实训中心的仿真实验室，并逐渐投入教学使用。

（2）学生通过开发仿真系统，对流程，设备有了系统且详细的认识，并对开发软件的应用达到精通的水平。提升了学生的技能，并使理论和实践的结合调动起学生的学习积极性，提高了学生的能动性。

（3）通过在仿真实验室的学习，推动了学生对知识结构加以更深入透彻的了解，通过对每个不同流程的操作，使学生对油库，加油加气等知识掌握得更扎实。

学生培养质量明显提高，既有坚实理论基础，又有熟练动手能力和创新能力，使毕业生能适应社会要求，尽快地适应工作岗位的需要。

3 仿真模块的培训

3.1 教师自身素质提升

由于仿真系统是由一个设备仿真系统和六个流程仿真系统组成，涉及到油气储运专业所有专业课程的知识。所以对教师来说也是一个挑战，因为每个教师一般只担任三到四门的课程。对自己未涉及的课程由于时间久没有接触，或是即使了解，但对于细节的掌握仍不够。并且每个流程系统是仿造工业流程，比平时书本所学更复杂，更细致。而且书本的知识相对于现在的工业发展有一定的滞后性。对于我们每个教师来说，也是一个知识再梳理，再更新的过程。所以在开课前每个教师也要进行仿真软件的培训，这样多学科的交叉也是对自己一些研究灵感的激发过程。

3.2 流程演示与事故排查

对于油气储运专业的学生来说，流程是最重要的知识结构，所以对于流程的演示教师必须详细演示，逐个开阀。使学生在了解流程的同时掌握每个阀门的作用。这样多个流程走下来，学生对于每个阀门的用途都铭记于心。但是对于中国高校的学生来说，接受力和理解力都是很强的，但是对创造力和解决问题的能力来说，仍是一个短板。所以我们必须结合工业现在的情况，在工业上不只是通过开关阀门切换流程，当遇到突发事故时要能快速精准地拿出解决方案。这就要求学生必须在熟悉流程的基础上通过逆向思维才能作出准确的判断。所以在流程演示之后抛出问题是十分关键的，然后让学生去思考，是由于哪些阀门操作错误造成，或通过开关哪些阀门，开车，停车等操作可减少损失。这样，通过正面教学与反面思考的方式达到举一反三的效果。

3.3对学生的要求

通过其实际操作性以及与未来工作的相关性激发学生的学习热情及学习兴趣。仿真的学习是一个双向互动的过程，学生的兴趣更加浓厚，随时学习随时操作，而且我们可以生成问题库，在每节课结束前学生必须完成计算机随机抛出的问题，这样学生才可以离开机房。在学生的考核环节上，可以从两方面着手，一是交互式考试系统，多种模拟情境，计算机随机抽取，学生需在规定的时间内完成，这样避免相邻的同学互相抄袭。二是对操作质量的评价，按操作次数计分，一次操作成功计满分，一次不成功计为不合格，这与现场生产情况是有关的，因为在实际企业员工操作中是要求一次成功不能出错的，④否则会带来经济损失或危险，这样就达到对学生学习与实践双重考核的目的。

4 未来展望

仿真教学系统形成之后，可以用于石油相关专业的本科实践教学，经过多次改进和完善亦可用于企业员工的技术培训等方面。另外，由于其专业原理简单、工艺直观、展现生动的特点，使工作现场最大限度还原。让学生在一个直观，生动的环境下把知识顺利掌握，且印象深刻，并对油库设计与管理，管输工艺，加油加气站的设计与管理，城市燃气输配等油气储运相关专业课有了深入的了解，完成理论到实践的跨跃。

4.1 实用性

仿真教学系统从设计，开发到最终的应用都以现代工业实际为大背景，内可用于教学，外可用于员工培训，是一个还原现场的虚拟操作界面，与工人在中控室的操作界面保持一致，兼具仿真性与实用性。 （下转第158页）（上接第146页）

4.2 综合性、设计性

（1）软件在编辑设计过程中。作为每个仿真系统的设计师，必须对每个流程都了如指掌，要清楚掌握每个区域的分流程（收油流程，发油流程，倒罐流程等等），每个设备的内部结构，并把他们组合起来，形成一个完整有机的整体。这即要求对知识掌握的通透性，又要求灵活性。并且每个参数变化，阀门开关等影响，这些细节要求更是必须精准，对设计者来说考验其运用不同思维方式去分析问题。所以其综合性、设计性使学生之所学达到最大化的应用。

（2）在应用中。在未来该仿真系统应用教学时，采取最大的灵活性，可以接受学生各种操作，学生可以自行制定方案，通过参数的变化调节，反映生产过程中各相应参数的变化及关联，激发学生的主观能动性和创造性思维。具有很强的设计性。在内容上，应用多学科，几乎涉及所有油气储运专业课，打破学科之间的壁垒，具有明显的综合性。在方法手段上，更新了传统的教学方式，不是仅限于观摹，而让每个学生都有参与感和主导感。清楚自己的工作内容并对其负责。

4.3 效果最大化

储运生产系统复杂而庞大，且属高危作业场所，所以一般学校组织的生产实习根本无法满足对其系统的深入了解，并且在生产中大多时间都是正常工作状态，几乎不会出现误操作及反常情况。而该仿真教学系统的出现，首先是可以让学生对庞大管输系统深入了解。通过参数与阀门的调节，熟悉流程。其次，可以模拟事故运行状态，学生可以从事故状态中找原因，总结经验。再次可以让学生动手操作，通过亲身实践增强他们对这份工作的责任感，使学习效果达到最大化。⑤

项目名称：构建具有石化特色的石油仿真系统（215149）

注释

① 邱挺，黄智贤，叶钊，李晓.化工仿真实习课程的教学实践与改革[J].化工高等教育，2012（5）：56-58.

② 邢晓凯.油气储运工程专业多元化实践教学的改革与探索[J].实践教学，2011（22）：123-124.

③ 屈成亮，徐洪，邵宝力，王海彪.以就业为导向的油气储运工程专业仿真实践课程设置的建议[J].科技视界，2013（35）：109-110.

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关键词：Quest；车间物流；建模；仿真

中图分类号：F273　文献标识码：A

引言

车间物流即是将车间内的所有设备、工具、原料、工作台、附属设施(如工具室、更衣室、厕所、升降机等)和各种作业(如仓储、品检、搬运等)，依照生产流程，作适当的安排与布置，使工厂的生产活动能顺利而流畅。

简而言之，车间物流是指：车间内各制造部门合理的划分，将机器设备、工具、生产器具适当的安排，物料合理运输，产品的工艺过程依照生产流程而互相配合，以做到最经济、最有效的组合而进行生产。

实践证明，采用科学的方法合理地进行企业厂区与车间平面布局设计可以使人流和物流有序的进行流动，缩短路径、避免人流与物流的交叉和折返，减少搬运时间，提高工作效率。

1.物流仿真软件Quest

1.1仿真软件的选择

在面向制造的仿真语言中，Quest，Arena和Wimess都能较好地用于制造系统仿真建模。作为制造业生产线的仿真器，Quest具有出类拔萃的操作简便性和功能。演示性能强大，富有现实感，几乎独一无二，可以设置逻辑命令语言，所以熟练掌握后可以实现相当高难度的仿真，并且由于Quest的强大的可视化和健壮的导人、导出功能，使其成为对生产工艺流程仿真和分析的工程与管理首选解决方案。

1.2Quest软件简介

Delmia，Quest是数字化工厂及离散事件仿真软件，是工厂生产系统集成、工艺流程设计和可视化解决方案，是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂环境。Quest为工业设计工程师、制造工程师和管理人员提供了一个单一的协同环境，以便在整个产品设计开发中确保最好的生产工艺流程，在为实际设施投资之前，改善设计，减少风险与成本，可使产品从一开始就能尽如人意。用Quest测试各种参数，例如设施布局、资源配置、其它可替换方案，产品开发小组可以量化他们的决策对生产产量和成本的影响。

Quest提供了一套全面的三维物流仿真方案，物流规划工程师可以直观地进行物流线路的分析，分析物流的瓶颈点，并提供柱状图或饼状图的分析工具，可以进行很方便的物流线路的调整以及物流负荷的调整。因此，它被广泛地应用于各种过程的建模、试验、分析设备的布局和过程流。

2.Quest建模流程

在这里，以某工厂搅拌机车间的物流建模为实例来进行说明。

2.1建模前的调研工作

调研是建模的基础。只有准确地采集到工艺、物流等各方面的信息，并以此为基础建立仿真模型，才能保证模型的准确性，并最终保证仿真模型的可信度。一般说来，调研内容涉及以下几个方面：①产品信息：产品的几何属性及可能影响产品工艺或物流流向的其他属性等。②设备信息：物流设备的分布、参数等。③工艺信息：各台设备上的工艺内容、工时、工艺对行车等资源的占用及一台设备上的串并行工艺等。④物流规则：零件按什么规则流向下道工艺、采用什么运输设备、是单个运输还是多件打包后进行运输等。调研结束后，形成规范的调研文档，作为建模的一项依据。

2.2Quest仿真模型建立

(1)布局图的导入

布局图是元素建模的基准。由于Quest不支持CAD下常见的DWG格式，所以首先我们需要将DWG格式的车间或者生产线布局图转化为Quest可以识别的DXF格式，然后导入即可。

本实例中的部工艺流程如图1－4所示。

(2)元素建模，在Quest定义以下的元素：

①创建和接收零件的要素：

来源(sources)：用来生成零件并使零件进入到仿真系统的要素；接收(sinks)：用来接收零件的要素。

②储存零件的要素：

缓冲(buffers)：储存零件的要素。

③处理器要素：

机器(machines)：加工零件的要素。

④物流传递要素：

传送带(conveyor)：标准的或者PNF(抓起和释放)型的传送带都能运送零件。AGV(Automatic Guided Vehicles)：该要素能够在预先定义的轨道上运行并运送零件。劳动力(Labor)：搬运零件或做其他工作的人。

(3)逻辑建模

链接(connection)是Quest模型中用于联系其它各个元素的元素。一个链接就是两个元素之间的一个逻辑链接。提供了零件从一个元素移动到另外一个元素的机制。零件不能在两个没有链接的元素之间移动。一旦模型中的两个元素被连接在一起，元素类的逻辑就掌握了决定零件如何移动的控制权。

(4)工艺设置

在人机交互界面中设置各个工艺的参数，包括加工时间，控制逻辑，输入输出零件等。

(5)结果分析

仿真结果可以仿真过程中以柱状图、饼状图等动态显示机器利用率等结果，也可以在仿真结束之后形成报告文档。

3.仿真条件及仿真结果分析

搅拌机车间由布局图可知包括：主机缸体线、控制室、滚筒、平台、粉罐立柱、支腿横梁、主楼斜撑和配料站。

3.1仿真条件

(1)仿真参数输入：物流仿真模型输入的工时数据如下，仿真时间为30天，一天16小时，一月共工作28800分钟。Process时间输入按照所给的工艺表格数据填写。仿真模型初始化时上车线及下车线各工位分有一台车架作为备料。

(2)节拍：主机缸体80分钟，控制室80分钟，滚筒30分钟，平台140分钟，粉罐立柱30分钟，支腿横梁30分钟，主楼斜撑15分钟，配料站420分钟。其中，节拍的时间为加工时间和吊装时间的总和。

(3)叉车规律按照工艺表上所分好的类，可以实现混合配送。共配备7辆叉车，车速为60000mm／min，行车，速度为6000mm/min，装卸载时间均为5分钟。

3.2仿真结果及分析

仿真建模所做的工作：

(1)完成车间内所有重要物料从高位货架、立体仓库、其他车间到装配线的流动过程进行模拟。

(2)完成物流设备，含AGV、RGV、平板车、配送小车、行车等，在车间内运行过程模拟。

(3)对建立的物流仿真模型进行仿真分析，分析是否存在物流通道阻塞、节拍不平衡等问题，提交物流仿真分析报告。

下面给出仿真的部分柱状图(如图5-8所示)。

(1)零件阻塞情况严重的设备／工位如下：

(2)利用率较为突出的机器如下：

(3)利用率较为突出的叉车如下：

(4)主要产品的成品数量：

(5)仿真结果分析和优化

根据流程运行结果，进行分析，系统是否存在瓶颈，流程是否畅通，物流量能否满足需求。根据最后的数据统计结果，分析物流量能否满足需求。如果系统运行后，结果有不理想之处，要根据相应的原因。调整方案或者改变参数，直至满足物流系统的生产需求。生成三维动画输出结果及仿真报告，提交给自动化物流系统的管理者和设计者，进一步优化和完善。

在本例中，从仿真数据中可以看出，每个机器的利用率都比较高，数值比较均匀，说明机器的利用比较充分和平衡。叉车的利用率也在一个合理的数值范围。产能也基本上达到了所规定的产能。拥堵的工位由于一部分产品要外协的零件进行装配焊接，所以此处是合理的。

4.结束语

篇4

涉及可视化仿真工具的应用工作主要围绕MATLAB进行细化设计，避免繁琐绘图以及计算流程的牵制效应，最终挖掘直观、快捷的电流变换电路的创新存在模式。因此，本文具体联合负荷升降要求的变换装置进行现场情景演练，将内部拓扑结构以及电感参数设计要求划分清晰，同时完整论述该类系统的规范原理，稳定必要结构疏通潜力。

【关键词】直流斩波 电路样式 MATLAB 模拟技术 细化流程

直流斩波电路强调疏通可调电压环境下的直流电形态，稳定输入与输出流程的衔接绩效。技术人员为了有效稳固该电路性能，从中挖掘适当的提升方式，同时对开发原理以及性能提升要领进行同步规划。需要注意的是，其中实际斩波装置的工作模式存在两类，包括脉冲与频率调试技巧。

1 斩波电路的工作原理论述

直流斩波电路主要功能就是结合直流电调试转换特性进行结构延展，透过对机理布置特征的观察，涉及不同样式的控制方式具体可以延展为时间比例、瞬时值以及二者混合构建途径。此类电路主张使用某类权控器件，途中联系IGBT以及相关器件进行总体流程延展；控制环节中若采用晶闸管，技术人员需设置晶闸管关断的辅助电路。整体电路以及相关电流规划流程中为了稳定管制绩效，有关设计人员专门设置了续流二极管部件。这类斩波电路的典型用途之一就是应用拖动式直流电动机，同时积极带动蓄电池负载功能；不足之处在于这类布局体系中都将出现反电动势状况。在现实电路设计流程中主要运用开关器件、阻性负载以及协调电压管理，并且内部电压数值主要借助开关张合状态表现。

2 直流斩波电路的建模与仿真操作技术研究

2.1 借用IGBT搭建的直流降压斩波电路以及规范参数设置

按照特定直流变换装置仿真模拟操作技巧分析，有关默认格式下的参数设计与缓冲电路管理工作需要满足同步跟进条件。在留有升降功能的非隔离式变换装置空间之下，有关变换器之间的正负极性输出机理形态十分复杂，必须全程依靠储能电感疏通。整个流程下来，必定造成变换器的耗能数量增加结果，影响实际工作协调质量。在实际项目开展过程中，技术人员最好全面摒弃不同变换器既定工作理念，同时采用新型技术指标要求规范开关电源结构，争取从中获取优良的使用价值。IGBT具体结合高压应用与快速终端设备进行垂直功率的自然进化调整；因为内部源漏通道电阻附加效应影响，IGBT开始针对结构功率缺陷进行应对。尽管创新模式的MOSFET设备将RDS特性全面规整，但是在高平电环境中的功率导通损耗现象仍然十分紧张；为了稳固IGBT结构，需要贯彻标准双极器件与VCE同步调用实效，将高电流密度瓶颈限制全面克服。

2.2 变换器控制系统的实现流程分析

在系统设计环节中主要采取模拟控制与数字调节两种途径，本文就是重点结合变换器交互式系统进行双重规整。为了稳定变换器降压与升压工作模式需求，不同电路疏通信号应该主动与最新电路设计标准进行优良匹配，保证将逻辑控制下的分配问题全面肃清。按照这种原理分析，技术人员开始将变换器与主变换电路开关电源进行智能匹配，后期结论内容具体如下所示：新型变换器拓扑结构比较简单，各个节点工作交流模式也相对明确一些，能够稳定数字化模拟操作的动机需求。

2.3 直流斩波电路的建模与仿真操作

2.3.1 仿真模型以及相关参数匹配

结合IGBT直流降压电路建模以及参数设置条件进行科学分析，有关直流变换器仿真模型与默认参数设置条件已经齐全，为了迎接缓冲电路的消极化影响挑战，在设计仿真操作流程中主要遵循以下细化工序要求：将参数调试界面打开，选取固定算法之后设置相对误差标准，直接点击进入仿真模拟流程，其中各类脉冲周期统一稳定在0.001s左右，有关后期的仿真控制结果要做到精准提取；可在固定窗口位置建立全新模型结构，并将工具箱电力模块与IGBT模块等资源依次打开，按照默认值要求实施必要参数规划，同时将内部缓冲电路取消；之后将电源模块打开，将必要直流电压模块灌输并打开参数设置条框，将电压源设置为200V；后续可将必要部件与接地模块组打开，并直接复制串联样式的规划窗口，将内部电阻设置为10Ω；透过MATLAB输入源模块，同时在buck窗口环境中复制脉冲发生器模型，必要时可实现输出结果与IGBT门极的匹配目标。

2.3.2 直流升降压斩波电路的仿真操作

结合IGBT元件以及电路仿真模拟流程进行长远观察，涉及默认参数以及电路缓冲效应必须及时得到制定。尤其在电感支路与仿真动作同步延展条件下，为了主动迎合升降压斩波理论的精准规范要求，在直流变换电路设计过程中主要运用电控基准作为开关节点，保证电路接通与断开时机的科学管控。适当应用SIMU LINK对降压斩波电路与升降压斩波的仿真结果进行详细分析，并做好与常规电路设计方案的对比准备，确保输出电压波形的稳定状态，最终全面验证仿真结果的精准效应。

3 结语

综上所述，运用MATLAB对降压斩波电路仿真模拟操作流程进行细致分析，同时采取常规电路归控结果进行同步检验，进而全面肯定创新操作流程的积极效用。这种模拟操作手段有效杜绝了传统分析模式中的繁琐绘图与计算流程，进而灵活改变参数组合搭配样式，适应科学调试的现实状况，争取为后期电子技术与多元内涵整合奠定雄厚基础。

参考文献

[1]李小敏.Matlab/Simulink在直流斩波电路仿真中的应用[J].科技资讯，2008，31（20）：89-95.

[2]林皓.基于MATLAB/Simulink的液压仿形刀架建模与仿真[J].机械工程师，2008，21（07）：64-78.

[3]王建国.Matlab/Simulink在DC-DC变换器仿真中的应用[J].现代电子技术，2008，25（18）：34-40.

[4]黄松和.基于Matlab/Simulink的多自由度机械振动系统仿真[J].湖北民族学院学报（自然科学版），2008，13（01）：104-112.

[5]刘正生.基于Matlab/Simulink的旋翼飞机高度复合控制系统仿真[J].中国科技信息，2009，28（14）：176-181.

篇5

【关键词】民机照明；光学仿真；3D打印

1背景简介

计算机技术的飞速发展深刻影响了人类社会的生产生活方式。航空产业作为传统的高研制成本和长周期产业，也在不断寻求创新与突破，通过积极借用新技术来改进设计方法提高研发效率，压缩研制成本。传统的飞机照明设计是不断设计与验证的过程，通过结果的迭代不断逼近设计需求。通过借用以计算机技术为基础的新技术，可极大提高飞机照明系统的设计效率，降低研发成本。

2光学仿真技术

数字化技术经过几十年的发展，衍生出了很多的新技术，其中仿真技术的广泛应用正成为数字化设计技术发展的主要趋势［1］。照明设计中光学仿真是以数字模型为基础，赋予数模光学属性，计算相应的光度学参数。仿真的主要内容包括：照度计算、亮度计算、均匀度计算、人机视觉功效分析等。常用的光学仿真软件在计算特性方面各有侧重，包括SPEOS，Lighttools，Dialux，SPECTER等［2］。SPEOS在人机视觉功效分析等领域走得更前，该软件集成了多种算法以进行光线追迹。同时，SPEOS软件内嵌在CatiaV5中，设计者在CATIA中建立的数字模型可在SPEOS中直接赋予光学属性用于仿真计算，消除了格式转换引起曲面形状畸变的风险。若赋予数字模型以真实的材料属性，包括颜色、材质、表面纹理，再赋予其光学属性，则可进行人机视觉功效计算，得到逼近于真实视觉效果的仿真结果。

3增材制造技术

随着计算机技术、自动化技术、新材料技术等多学科的迅速发展和融合，先进制造技术迎来了巨大变革。被冠以引发“第三次工业革命”的增材制造技术正是先进制造技术的典型代表。增材制造技术又称“3D打印”，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。其过程是先通过计算机建立数字模型，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，在打印机中逐层打印。传统的方法制造出一个零件通常需要数小时到数天，根据零件尺寸以及复杂程度而定，而用三维打印的技术可将时间缩短为数个小时，并且该技术可以制造一些传统工艺无法制造的零件，从而减少零件的数量，提高系统可靠性，同时实现系统的轻量化设计。

4飞机照明设计方法探究

4.1传统飞机照明设计方法

基于需求管理的双V流程是飞机照明设计的基本要求［3］，通过对系统需求的逐层确认和对系统需求的验证来科学化规范化管理设计流程。简化的飞机照明系统设计流程如图1所示。传统的设计方法是试验驱动型，依靠后期的试验进行验证，容易造成跨阶段的更改和设计迭代。在定下初步设计方案之后，设计者往往对方案可实施性的把握不强，在灯光的布置、空间的光能量分布等问题上都存在很大不确定性，设计结果较粗糙。

4.2基于数字化技术的照明设计方法

现阶段国产民用飞机设计已实现了基于CATIA的数字化设计。系统数字模型可直接转化为光学仿真和3D打印的数据源，从设计端和制造端极大提高研发效率。光学仿真可在设计阶段仿真灯具传统的光度学参量，得到传统计算无法精确得到的光分布，完成过去只能在实物验证阶段进行的人机视觉功效分析，提高了设计质量。仿真完成后详细设计得出不同方案的产品模型可以利用3D打印技术快速变成实物产品，在物理样机上进行试验，实现设计与实物验证的并行。以某型号民用飞机的驾驶舱阅读灯优化流程为例，在该优化项中，需要在飞机的侧窗框装饰罩上新增一个阅读灯，并设计阅读灯的安装位置和角度。4.2.1照明需求分析飞行员在飞行过程中需要阅读航图，目标照射区为侧窗图表夹区域。可用的安装位置为目标区域上方窗框装饰罩处。初步分析该区域模型，然而该区空间狭小，结构复杂，需合理设计安装位置和角度以减小对原有结构的影响，如图2所示。4.2.2基于光学仿真的照明设计在本案例中，利用SPEOS软件进行光学系统仿真设计，其过程分为以下步骤：（1）系统建模：调取侧窗框装饰罩区域以及目标照射区域的相关数模，同时将阅读灯的数模导入其中。（2）建立光源：SPEOS软件提供多种光源的建立方式，包括面光源、泛光灯等。通过将阅读灯的配光文件赋予其出光面，建立光源模型。该模型中包括光通量、色温、配光等信息。（3）建立物体的光学属性：将仿真数模赋予光学属性，分为物体的体属性和表面属性，包括物体的表面反射率、体透射率和吸收等。（4）建立仿真探测器：可以根据不同的仿真类型和需求建立不同的探测器，包括光强探测器、照度探测器以及亮度探测器等。本案例中，在图表夹区域建立照度探测器，经光学仿真会在建立的照度探测器内生成照度分布。（5）仿真结果分析与设计修正：通过光线追迹进行仿真计算后，对探测器内的照度分布结果进行定性或定量的分析。可定性的判断光照分布区域，也可定量的分析特定点的照度值或者区域平均照度等。当结果不符合设计目标时，修正阅读灯的安装位置和角度，重新仿真。经仿真以及位置修正，目标区域的照度分布如图3所示。在确定灯具的安装位置和角度之后，根据灯具安装接口和活动包络，设计阅读灯的安装支架，并对原有结构进行修改以安装灯具。4.2.3支架制备与试验验证通过3D打印技术制备阅读灯支架试验件。本案例使用工业级打印机Objet500Connex1，打印方式为喷射可固化液态光敏树脂材料。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面，面越小其表面分辨率越高，打印出来的模型更精细。阅读灯支架试验件模型如图4所示。用打印出来的试验件支架进行装机和试验，照明效果如图5所示。试验结果表明，阅读灯能较好的照射侧窗图表夹区域，试验结果与仿真分析结果相吻合。整个设计到验证的流程均基于数字化软件，避免了传统方法设计中的设计反复以及注塑等方式制备支架的长周期，提高了设计效率。

5结语

利用同时基于CATIA的光学仿真和增材制造技术，可以分别从设计端和制造端提高民用飞机照明设计的研发效率及设计水平、减少风险，缩短研发周期，降低研发成本。合理利用这些新技术，或许会让中国的民航制造业在这个传统领域实现弯道超车，赶超制造业强国。

参考文献：

［1］郑党党.飞机设计中的数字样机技术［J］.航空制造技术，2016.

［2］刘洪涛.民用飞机照明数字仿真技术研究［J］.技术研发，2015.

篇6

1混合信号/MEMS协同设计技术

Cadence混合信号/MEMS协同设计技术包含三个子流程:

MEMS设计

MEMS IP与导入

混合信号设计

MEMS设计子流程采用了由上而下的方法,从行为建模开始,一直到有限元仿真。对于MEMS设计,基于Cadence 技术的设计子流程随时可用,而且该流程非常便利,通过使用SIMPLI (VCAD Productivity IP) ,很多第三方的MEMS工具都可以对应。该MEMS设计子流程在18个设计任务中得到展示。一个X轴的MEMS加速计设计展示了这些设计任务从规格到的全过程。

混合信号设计子流程采用了一种中部汇合法,是Cadence AMS设计技术的一种变化形态。它降低了混合信号设计团队应用MEMS结构的门槛。此外,需要混合信号设计师处理的多数步骤(由于MEMS结构的存在)都是在SIMPLI操作环境中进行的。因此混合信号设计师不需要MEMS设计子流程的特殊培训。

2特色

2.1 混合信号/MEMS规格导向型环境

可实现验证IP重用

将验证任务自动进行

测试环墙可为层级式

可使用与数字功能验证类似的模型

为混合信号MEMS设计执行协同优化与射频仿真

2.2 用于MEMS领域的SIMPLI界面

MEMS与芯片中混合信号部分的协同设计存在的一个重大挑战在于他们可能无法共用相同的流程。并且,MEMS工具也无法提供混合信号团队所需要的信息。为了从MEMS工具生成所有必要的信息,同时仍然能够保护知识产权,就需要有一个额外的层。

Cadence混合信号/MEMS协同设计技术使用了一个专用于MEMS领域的SIMPLI界面。SIMPLI是VCAD效率IP的一种,以标准输入进行操作,在Cadence Design Framework中产生混合信号设计所需的窗口。SIMPLI能够自动提取与已的MEMS结构的接口处的寄生电容。使用SIMPLI界面,设计师可以方便地从Layout导出abstract view,将其行为或降阶模型导出为128位的RSA加密格式,同时确保信息对于混合信号设计团队进行仿真的实用性。 2.3 在设计周期初期进行全芯片仿真

为了了解设计中的概念性问题,需要尽早对整个系统进行协同设计。混合信号/MEMS协同设计技术可以实现测试平台的重用并提供不同的设置,它可以在设计仍然在开发中的阶段就进行主芯片验证,从而降低设计成本。

2.4 基于PCELL的混合信号/MEMS物理协同设计

混合信号/MEMS协同设计技术展示了一种PCELL方法用于部署复杂的MEMS结构。例如加速计。在PCELLI中可以直接进行及早的设计规则检查(DRC)。动作感知PCELL展示了如何对MEMS结构进行电气寄生参数提取。

使用FEM的tool,在仿真时,FEM感知的PCELL可以很方便的与部分PCELL进行信息交流。所有PCELL都是通过Cadence Virtuoso技术与行为模型相连接。

2.5 可执行的方案

1)MEMS设计

概念确认

功能验证

物理设计

后布局与签收

2)MEMS IP与导入

使用SIMPLI进行MEMS IP

使用SIMPLI进行MEMS IP导λ

3)混合信号设计

概念确认

功能验证

全芯片装配

后布局与签收

全芯片协同验证

4)产品综合

Virtuoso多模式仿真

Virtuoso AMS Designer Simulator

Virtuoso模拟设计环境

Virtuoso Layout Suite

Assura设计规则检查器(DRC)

Assura Layout vs. Schematic(LVS)检验器

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关键词 柠檬酸；仿真实验；实践教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）12-0049-02

1 前言

实践教学是高等工科教育教学中的重要组成部分。通过实践教学，可以帮助学生巩固课堂知识、培养其专业基本技能、养成并具备良好的创新习惯。可是，在实际教学实施过程中存在诸多问题。

首先，能够接受学生去实习的企业数量有限，学生数量又较多，都到企业或工厂进行实习，给工厂带来较大的压力。

其次，工厂现在都是大规模连续生产，生产过程要求连续稳定，导致学生在生产实习时只能看不能动手操作，难以完成生产实习的教学目标。

最后，随着科技的进步，现有大型生产装置日益系统化、自动化，导致学生只能观察和了解整个系统的表面，无法深入学习，难以提高教师和学生的积极性，生产实习的效果很差。

2 仿真实验

在增加硬件实验设备难以立即实现的情况下，利用计算机仿真技术，开发适合于专业需求的实验与操作实习仿真软件成为解决当前实验教学存在问题的一个重要途径。区别于传统的实验，仿真实验不需要实物形态工具与对象，实验时主要是针对软件设计的实验设备与仪器进行。计算机仿真技术借助面向对象编程软件与多媒体制作技术，制作与传统实验操作相对应的软硬件条件。学生在仿真实验中可像在真实环境中一样实现各种实验项目，实验结果甚至优于实际实验。可见，计算机仿真实验可辅助、部分替代传统实验操作。仿真实验提供了友好、操作方便的教学环境，学生的学习兴趣也大大提高。仿真实验与互联网信息技术结合后，通过网络链接，学生可在网络上进行远程实验课程学习，克服了传统实验教学空间和时间的限制，同时能大幅降低实验经费。

当前，计算机仿真在工科实验教学中已经得到越来越多的应用。以生物工程专业为例，烟台大学就已经开发完成一套谷氨酸发酵生产仿真软件，实现了谷氨酸发酵生产与分离提取过程的形象化与动态模拟。该软件在山东轻工业学院、青岛农业大学、文经学院等多所学校内试用，成为生物工程专业实习教学与培训的重要辅助手段。国内某公司开发的离心泵单元仿真培训被众多院校采用，作为相关专业的离心泵操作训练工具。

其他专业如热能与动力工程专业，许多高校都在实验教学中加入仿真实验以辅助教学，如制冷模拟教学课件[1]、小型冷库仿真教学系统[2]、制冷空调综合创新模拟实验平台[3]等。烟台大学也研制了传热学实验教学仿真软件[4]辅助实验教学。这些仿真实验在实际应用中都取得较好的教学效果，值得大力推广。

3 柠檬酸发酵生产仿真实验

柠檬酸发酵实验 柠檬酸发酵实验是生物与食品类专业的主要实验教学内容之一，目的是让学生了解柠檬酸的生产原理与流程，掌握柠檬酸的发酵生产工艺与发酵分析方法，通过实验能熟练地掌握真菌发酵的接种、培养与发酵产物的分析测定等技术。由于柠檬酸整个发酵生产流程所需设备众多，现在国内还没有厂家制作销售实验用柠檬酸全过程生产演示的仪器，大多数学校实验教学中只是在实验室中开展柠檬酸生产中发酵部分的实验，无法实现整个生产过程的操作练习。由于柠檬酸生产厂家分布过于分散，大部分高校因人力、物力等资源限制，无法开展实地操作实验教学。

针对此问题，本文开发了柠檬酸发酵生产仿真软件。该软件能够实现柠檬酸发酵生产全过程的仿真模拟，为广大生物与食品类专业学生的生产实习提供支持。通过该软件的推广使用，满足这些专业实验教学的迫切需要。

柠檬酸实验仿真工具 柠檬酸实验仿真软件的开发是根据教学任务要求，分析整理实验教学内容而进行的。利用该软件，学生对柠檬酸生产流程获得形象化的认知，还可以在仿真平台上完成实验虚拟操作，得到实践成绩。

本软件含有实验内容、成绩评定、使用帮助等内容。软件能够实现的实验内容包括柠檬酸生产的淀粉糊化、发酵、粗提和精提四个主要流程，在每个流程的实验界面上，都设计了该流程所需的全部实验部件，包括罐体、阀门、泵、过滤机、搅拌器等，各动力机械与调节阀门均可实现手动调节。学生在该仿真软件上手动完成各生产过程的相关操作练习。软件的成绩评定功能将在学生实际操作过程中，根据操作过程顺序以及由此引起的生产工艺参数变化情况给出实验成绩，并提供详细的得分明细与说明，学生可根据该明细查找实验操作中出现的问题并加以改进。软件的实验成绩判别功能实现了实验操作的定量计分，减轻了实验指导教师的负担。软件提供的帮助功能为学生提供逐步实验操作指导，帮助学生更快地熟悉相关实验操作。软件还提供了时间加速功能，使得学生能够在较短的时间内就完成柠檬酸的实际长时间生产过程。

软件采用VB6.0软件开发，功能包括装置组成与工艺流程演示、部件运行与阀门操作动态演示、工艺参数动态变化、逐步指导等功能。图1～图4分别为淀粉糊化、发酵、粗提和精提四个流程的实验界面。

该软件的开发采用模块化编程，每部分实验内容作为一个大模块，大模块中还细分为若干个小的模块，模块之间通过操作流程引起的操作流程因果关系、耦合参数进行衔接。开发过程中采用动态模拟技术实现搅拌器、罐体液位、管道内流体流动等动态变化内容，实验参数可依据实际操作实现动态即时显示，学生能够随时了解参数的动态变化情况，并据此判断操作时机。

教学效果 基于仿真技术开发的柠檬酸发酵生产仿真软件，完整地模拟了柠檬酸生产的全过程，学生通过使用该软件，不仅加深了对所学理论知识的理解，还对柠檬酸的生产流程有了更深刻全面的认知，生产操作水平也得到了较大的提高。仿真实验由于界面设计友好，形式新颖，学生对此普遍欢迎，实验兴趣大大提高，取得较好的教学效果。可见，柠檬酸发酵生产仿真软件很好地解决了实践教学过程中存在的不足，提高了实践教学的水平，强化了生物工程专业学生综合素质的培养。

4 结论

本文首先分析传统实验与实习教学存在的一些问题，总结仿真实验教学应用现状及其优点，叙述自主开发的柠檬酸发酵生产仿真软件以及学生的使用体会。■

参考文献

[1]晏刚，吴业正，厉彦忠，等.发挥实验室优势，完善实践教学改革[M]//2004年制冷会议论文集：实践教学.2004：

135-137.

[2]张华，刘楚芸，王勤.基于web的小型冷库教学系统的设计与开发[M]//2004年制冷会议论文集：实践教学.2004：

142-144.

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仿真是硬件设计流程中较为耗时和烦琐的一环。主要原因有：仿真的激励波形必须由设计者自行创建，测试波形必须人工输入，仿真的结果正确与否必须由设计者自行判断，很难自动化；时序仿真前必须对整个设计做耗时的全编译；仿真过程是计算机软件模拟芯片对测试输入的逻辑处理，通常计算时间消耗很大。

在这4个步骤中，第2步依赖于设计者的经验和特定设计逻辑的复杂程度，第3、4步则由计算机完成，基本上是个定数，只有第一步还具有提高效率的空间。我们在进行实际的FPGA设计处理信号时，针对第1步有大量仿真数据输入的需求，在研究QuartusII激励波形文件的格式后，编程设计了一种将输入数据转化为激励波形的方法。

Quartusll中仿真流程

现在Alte ra公司的器件均可由Quartus II进行设计。Quartus II除了能完成语法检查、综合、布局布线、生成配置文件和时序分析的设计全流程，还自带仿真功能(Quartus IISimulator)。Quartus II中时序仿真的流程图如图1所示。

vwf文件全称是矢量波形文件(Vector Waveform File)，是QuartusII中仿真输入、计算、输出数据的载体。一般设计者建立波形文件时，需要自行建立复位、时钟信号以及控制和输入数据、输出数据信号等。其中工作量最大的就是输入数据的波形录入。比如要仿真仅1KB的串行输入数据量，则手工输入信号的波形要画8000个周期，不仅费时费力而且容易出错。

如果能找到一种简易的将输入数据转化为激励波形的方法，则可以极大提高仿真速度，减少手工操作时间，因此需要研究vwf文件的格式。

vwf文件格式分析

既然vwf文件是仿真数据的载体，那么必需首先弄清楚该文件存放数据的格式，再针对这种格式做一定的变换得到所需要的波形。

以时钟信号clk为例，vwf文件以如下方式存储和表示该信号。

在第2部分数据说明中，LEVEL O表示低电平，LEVEL l表示高电平，FOR后面跟着是持续时间，REPEAT表示重复次数。手工描画的波形在存储时均被转化为此形式表示，这种形式也会被一一对应地表现为波形。其实这就是一种文本方式描述数据的格式，一些其他波形文件格式(例如．tbl文件)也是与此相似的。

串行数据转化为vwf文件的方法

在用软硬件接收和处理通信线路上某种协议的数据时，通常都会取得一定量的典型数据做试验使用，这些典型数据就会被用作仿真的输入数据。多数通信线路传输串行数据流，硬件系统接收的输入信号是串行的。

将试验数据逐比特地转化为激励波形就是建立测试激励的主要工作。由上一部分对vwf文件格式分析可知，数据流会被映射成电平的持续时间，而持续时间是时钟周期的整数倍。数据流可以看作是O、l比特流的单向延伸，确定了0、1流即可将对应的持续时间计算出来，从而给出波形的文本描述。

因此只要能将试验数据的0、1流识别出来，再以vwf文件格式为基准生成对应文本，就能将输入数据自动地转化为激励波形。

数据文件到串行激励波形的编程实现

识别数据的0、l游程算法(C或C++)如下。

／／rl即为所识别的0、1比特游程，fpin是输入数据文件的指针，datin是无符号字符

／／tmp=O时，rl为0游程；反之rl为1游程

剩下的就是将游程转换为．vwf文件格式输出。

／／clk_t设为一个时钟周期对应的ns数或参照vwf文件说明的单位

／／fpout为输出文本文件的指针

／／此括号对应第一个while()

最后将输出的文本复制到．vwf文件相应的信号数据部分即可。

总结

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文章编号：1671-489X（2017）08-0131-03

Abstract Firstly， the authors introduce the limitations of conven-tional experimental teaching in water treatment technology， combined

with the experimental platform of wastewater treatment， developed the virtual simulation teaching software in wastewater treatment. Through the virtual experiment instruction and experimental tea-ching deepen students’ understanding for wastewater treatment struc-

tures and improve the quality of teaching.

Key words virtual simulation； wastewater treatment； experimental teaching

1 引言

了解并掌握污水处理厂的工艺流程、设计方法和基本运行参数，对给排水科学与工程专业学生来说是十分重要的。随着水环境污染的加剧，为达到处理标准，水处理工艺变得越来越复杂，水处理工艺系统设计运行管理和优化改造过程在教学中难以直观体现，学生在生产实践过程中难以了解其内部构造原理。另外，实物实验教学中还存在如下问题。

1）污染问题。因在水处理实验中需要用到各种各样的化学药剂，以致实验排放的废水成分复杂，处理成本高。

2）经费问题。随着技术进步，一些新的水处理技术也在不断涌现，由于经费问题，往往会造成实验设备更新跟不上科技进步的步伐，这就限制了做一些实验的可能性。另外，学生操作实体设备损耗较大，且实体设备价高、数量少，无法满足学生人人动手操作的需求。

3）时间、空间问题。在实际实验教学中，都要求学生在指定的地点、特定的时间内完成实验任务，学生只能是被动地、不充分地准备实验，缺乏主动灵活性和重复性。

4）效率低[1]。在实际实验教学中，人为性较强，实验操作过程的演示不够全面及细致，实验注意事项繁多，学习枯燥，效率不高。

因此，单纯依靠课堂教学和传统实验培训已远远不能满足学生的培养要求。

虚拟仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备，即可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学要求和目的，它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶[2]。在实物实验中所采用的实验工具、实验对象都是以实物形态出现的，而在仿真实验中，不存在实物形态的实验工具与实验对象，实验过程主要是对虚拟的实验仪器及设备进行操作[3]。在大数据背景下，水处理虚拟仿真通过对大量已有环境数据的建模和3D仿真设计，为水处理教学科研建立虚拟境界，使学生在虚拟环境中开展水处理工程的实验操作，以激发学生的学习兴趣，深化学生对水处理技术内部机理的认识，增强实验教学效果[4]。

2 污水?理实训实验装置

污水处理实训实验装置具有一级物化处理、二级生物处理与三级深度处理等工段，具备SBR、UASB（EGSB）、氧化沟、A/O污水处理工艺、A2/O污水处理工艺、MBR、曝气生物滤池等多处理单元，能够实现单一工艺或多种工艺的组合运行。该装置可根据用户需要在线调节系统流量及回流比；可进行在线水质监测参数反馈；可进行容器内液位监控，并设置液位报警，保证系统安全运行；可进行自控/手控切换操作，方便调试。

该装置的主要技术指标如下。

1）处流流量：50～100 L/h。

2）工作电源：AC220V/380V±10%。

3）安全保护：具有漏电自动保护装置。

4）进水要求：SS

300 mg/L、NH3-N

5）出水标准：出水SS、COD、BOD5、NH3-N、TP、pH等主要指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-

2002）》一级A排放要求。

工艺流程大致如图1所示。该实验装置的主要缺陷是：

1）装置成本较高且占地面积大；

2）处理水量有限；

3）需要日常的运行维护管理；

4）学生实训操作受时间、空间的限制。

3 虚拟仿真实验教学

虚拟仿真软件系统包括污水处理厂操作过程模拟，格栅池、沉淀池、厌氧/缺氧/好氧池等设计和运行参数，污泥处理系统和污水处理能力分析等模块，可以通过交互操作，简便地模拟整个工艺流程内不同进水水质水量对处理效果的影响，并可调整各单元处理设施的设计参数，讨论不同设计参数与废水处理效果之间的关系，显示针对不同的进水水质和水量，各种运行工况下，出水的水质情况和整个系统的处理效率。虚拟仿真软件界面如图2～图6所示。

通过虚拟实验，学生可直观了解整个污水处理厂的工艺流程，单元处理构筑物的结构设计，污水脱氮除磷的基本原理和相关的运行参数以及污水处理厂污泥处理相关知识，掌握污水处理厂的设计要素和运行条件。

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在我军所开展的一些电子对抗作战仿真实验中，有关的实验设计理论与方法已得到了不同程度应用，如××××实验室所开发的《××××电子对抗作战仿真实验系统》选取×个因素作为考察重点，并简单开展了二水平实验；×××学院×××教研室所开发的《×××电子对抗作战仿真软件》在具体应用中对各考察因素采用了正交抽样的方法进行方案生成等。但总的来说，在我军所开展的电子对抗作战仿真实验中对实验因素、因素水平的设置都还显得过于简单，与实际情况还有很大的差距。

面临的主要问题

电子对抗作战仿真实验与一般的科学实验类似，都遵循“探索发现—检验假设—演示验证”的实验过程。若依据不同的实验阶段对电子对抗作战仿真实验进行分类，便可将其划分为探索发现实验、检验假设实验和演示验证实验。结合各类实验的特点进行电子对抗作战仿真实验设计，是规范我军电子对抗作战仿真实验设计的有力举措。然而，在这过程中还有许多问题亟待解决。

1)对电子对抗作战系统的认识有待加强。对电子对抗作战系统的认识难点主要在于电子对抗作战系统与火力作战系统有很大的差别——电子对抗作战系统的作战效能不能像火力作战一样在交战结果中得到直观的显现，而必须通过分析其对联合作战的影响进行分析判断。此外，由于复杂系统固有的病态定义和病态结构，以及无充分的先验知识，很难以一种严格的数学形式来对它进行定义和定量分析，很难从空间和时间上加以分割，容易造成系统的边界模糊。

2)对各类实验特点的认识有待加强。对用于不同目的的电子对抗作战仿真实验进行设计，所选用实验设计方法亦会有所不同。目前，国内外对探索发现实验、检验假设实验和演示验证实验的特点都进行了较为深入的研究。然而，由于电子对抗作战仿真实验自身所具有的特殊性，只能从对这三类实验外延和内涵的认识上不断接近其本质，目前还很难实现对电子对抗作战仿真实验的全面认识与掌握。

3)对实验因素的选择缺少有效方法。实验因素也称作实验因子或自变量，是进行实验时重点考察的对象。实验因素的种类与数量直接影响着实验设计方法的选择。而电子对抗作战仿真实验一般都是多因素实验，有些实验因素对实验结果的影响是极其微弱的，实验中需采取有效的分析方法将其剔除，然而目前常用的实验因素效应分析方法很难满足实验因素选择的基本要求，即难以对众多实验因素进行客观、全面、重点的分析，并从中找出关键、独立、敏感的实验因素。

4)对实验因素水平的确定缺少参考依据。实验因素取值点的数量称该实验因素的“水平”或“位级”，实验因素水平多少也是影响实验设计的一个重要因素，如果实验因素的水平过多，会极大地增加实验的工作量，过少又可能不能有效反映实际情况。然而，由于近年来我军电子对抗实战经验的匮乏，在确定实验因素水平时，很难找到与实际情况相符的、有效的参考依据，容易导致设定的实验因素水平不具客观性和代表性，影响实验自身的价值。

发展措施

电子对抗作战仿真实验设计能力，是开展电子对抗作战仿真实验所需的核心能力。只有进一步加强电子对抗作战仿真实验设计能力，才能使我军的电子对抗作战仿真实验水平跟上新技术的发展。发展我军电子对抗作战仿真实验设计能力还需从多个方面不断努力。

1)注重相关人才培养。通过加强对各单位军事人员和计算机技术人员进行电子对抗相关知识的集训或学习，力求让他们在学习和需求分析、总体设计以及较长时间的研制过程中，优化自身的知识结构，培养出一批既懂电子对抗相关问题又懂计算机应用的“复合型”人才。

2)加强对实验本质的认识。对电子对抗作战仿真实验的本质内容进行研究分析的过程，是一个不断循环、迭代和反馈的过程，通过不断反馈、重复所进行的电子对抗作战仿真实验，对相关实验的实验因素、因素水平进行优化，逐步逼近对实验本质的准确认识。

3)加强对实验设计方法使用特点的掌握。不同的实验设计方法适用于不同的实验对象。在进行电子对抗作战仿真实验设计时，首先应该加强对相关实验设计方法使用特点的学习与研究。通过研究其在相关领域实验设计中应用情况，准确掌握各实验设计方法的使用特点和使用流程，并创造性地运用到电子对抗作战仿真实验的设计之中。

4)促进实验设计方法与实验本质的有机结合。通过对各类电子对抗作战仿真实验的本质、特点以及适用于电子对抗作战仿真实验的各种实验设计方法的特点进行全面分析，找出实验设计方法与电子对抗相关问题的结合之处，并进一步探索实验指标、实验因素、因素水平的选择问题，最终形成规范的电子对抗作战仿真实验设计流程，用于指导我军相关作战仿真实验的开展。

结束语