仿真技术及其应用范文

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关键词：计算机；虚拟仿真技术；应用

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 22-0000-01

The Analysis of Computer Virtual Simulation Technology and Its Applications

Meng Qingchao

(Institute of Information Technology,Luoyang Normal University,Luoyang 471022,China)

Abstract:Virtual simulation technology known as visual simulation or virtual reality technology (Virtual Reality,VR),refers to the use of computer technology as the core,the use of modern science and technology to produce high vivid touch,hearing,visual integration of the virtual environment,users with the appropriate tools in a natural way to interact with virtual objects,interactions,resulting in the ground,experience and feelings of empathy.In this paper,the introduction of virtual simulation technology to analyze its application in various fields.

Keywords:Computer;Virtual simulation technology;Application

一、计算机虚拟仿真技术的概念

虚拟仿真技术又叫视景仿真或者虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)，是指运用计算机技术为核心，采用现代高科学技术制作出栩栩如生的触觉、听觉、视觉一体化的虚拟环境，用户借助相应的工具以自然方式与虚拟客体进行相互影响、交互作用，从而产生身临其境、感同身受的体验和感受。虚拟现实是融合了信息与人的一门科学，是一些三维的交互式计算机为核心而生成的环境组成。这些环境可以是想象世界中的模型，也可以是真实的，其作用是运用人工合成的各种经历或环境来表示知识与信息。虚拟现实技术可以使抽象或复杂系统的概念变成确切含义的符号。

二、计算机虚拟仿真技术的应用

（一）在多媒体教学中的应用。在教学过程中，多媒体课件被越来越多的应用与教学。设计人员依据教学内容的信息和自己的创意，对教学内容分类组织，并综合各种动画、声音、图形、文字等多媒体素材，制作许多种多媒体课件进行教学。多媒体课件具有良好的共享性、极大的交互性、丰富的表现力三大特征，因此产生了多种多样的教学方式方法。制作课件的常用工具有flash、authoware、director、PowerPoint等软件，但是他们有存在不同程度的缺陷，例如authoware课件表现行较差，不能制作出很完善的动画；PowerPoint课件交互性不强，只能作为展示各种资料的工具。虚拟现实技术因其很好的想象性、沉浸性和交互性，因此逐渐地被应用于多媒体课件的开发中。在教学过程中，虚拟现实技术主要运用在分布式虚拟现实和桌面虚拟现实，由于沉浸型虚拟现实的设备设施非常昂贵，因此在教学中很少运用。在多媒体课件开发中，虚拟现实技术的应用主要是开发虚拟实验室、制作三维课件以及仿真实践训练。

（二）在计算机组装中的应用。计算机组装有着较强的实践性和直观性、操作性，因此，计算机组装实验在计算机组装教学和计算机研发中有着极其重要的作用，而在计算机组装实验中，往往由于相关设备的不足和计算机部件翻新较快的缘故，从而使得计算机实验操作具有一定的难度，影响了实验的效果。通过虚拟现实技术对计算机组装实验中的各种设备硬件进行仿真模拟，从而建立计算机组装虚拟实验。计算机组装模拟实验系统主要是通过VRML技术，让实验操作者利用人机界面对虚拟的现实环境中各种计算机设备硬件进行组装。整个计算机组装模拟实验系统一般包括了计算机各部件设备的三维浏览、各设备之间的组装过程演示和计算机设备的组装实验，同时也包括了实验说明。其中，实验说明主要是为了介绍整个实验的目的、原理以及实验过程中应该注意的事项及所用的各种实验仪器等等；计算机各部件设备的三维浏览是指通过VRML对计算机各设备部件进行三维仿真，从而能使参与实验的人可以在任何参观地点进行多角度的详细观察，在计算机的有关设备部件发生更新后，其可以即时地对虚拟系统中的相应虚拟设备进行修改，从而降低了现实实验中更换部件设备的经济负担。

（三）在城市、小区视景规划中的应用。在城市、小区视景规划中，仿真建模是最为基本的环节。通过虚拟仿真技术将想法付诸理论现实。在视景仿真项目的开发过程中，其最重要的工作是虚拟模型的建立以及特效纹理与音效的制作工作。其具体的制作过程如下：我们往往选择以运行于SGI320桌面图形工作站的MAYA软件为主来完成。建成的模型生成模型库则通过在多媒体计算机中运行的CULT3D软件来执行三维交互查询和显示；并且通过在多媒体计算机中运行的director软件来进行模型库的调用和存储以及三维交互浏览的集成。同时，特效纹理和声效的制作也能通过以上在多媒体计算机环境下运行的软件进行制作，并且可以将其获得的结果变成数据库格式进行储存，从而促使便于浏览和检索的特效模型数据库的建立。最后，进行实景仿真，可根据仿真所需的具体要求，通过交互式视景仿真驱动软件EASYSCENE进行特效和模型的调用并对其进行高速逼真的仿真环境显示以及模型交互操作的实时响应。

如武汉市南湖大道旁的津发小区，对其实景仿真的开发过程进行介绍。在其中，精细实际的尺寸模型、真实DEM匹配、坡地别墅、蜿蜒贯穿的水系、森林级绿化、繁华的交通、模拟云雾，是该小区仿真项目的表现特点。如图所示：

其所涉及到的技术有：1.视点定位、相机动画；2.多维子材质；3.混合纹理材质；4.HDR实时反射水面材质；5.仿云雾效果；6.描边轮廓效果；7.地形碰撞检测；8.立方盒天空节点；9.喷泉、烟例子系统；10.3D音效。

参考文献：

[1]冯允成.虚拟现实仿真技术及在计算机装配中的应用[J].北京计算机技术大学学报,2010,27(2):213-216

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【关键词】建筑电气；系统故障；诊断

随着经济社会的快速发展，人们对居住环境和生活质量提出了新的要求，而建筑物作为人们居住、办公或休闲的主要场所，为了满足人们这种逐步提升的需求，也进行了鲜明的变革，使得现代建筑更具服务，楼宇自动化和智能化的新标准不断涌现，使建筑电气施工的难度变得越来越大，项目实施越来越复杂，给建筑电气系统施工质量的实现带来了新的挑战。而建筑电气系统故障诊断，直接关系着建筑投入运行后预期功能的实现以及电气系统运行的安全性和可靠性。

1 建筑电气系统故障分析

建筑电气系统故障控制的最终目的就是要使最终完工的建筑物的各个结构、设施及其整体功能能够达到业主的要求，同时能够满足相关法律、法规对其提出的质量规范。而对建筑电气工程而言，其质量控制工作应该包含对建设完工的建筑电气系统的适用性、安全性及可靠性能够满足业主要求，能否符合法律、法规规定要求等问题在工程施工过程中就采取必要措施进行监管和控制。可以说，建筑电气施工整个过程的质量控制是工程项目总体质量控制的重要组成部分，建筑电气施工总体质量目标需要通过相互衔接的各道工序的质量控制来完成，这就决定了电气施工管理及质量控制工作必须从各工序的质量控制到分项工程质量控制、再到分部工程质量控制形成的具有整体性和系统性的系统管理和控制过程完成。

2 影响电气系统故障的因素

2.1 建筑电气施工现场的线路安全

在施工现场线路的不安全有可能会导致火灾的形成，对施工的质量造成极大的损失。所以，现场的用电要极其谨慎。线路的不安全因素主要有以下几个方面：电气线路的短路。电气线路短路包括相间短路以及电线绝缘层失效。首先是相见短路，引起相间短路的原因主要是由于接线的疏忽以及安装时出现的问题。如果断路器接线电阻增大，那么就很容易引起相间短路。其次，在安装电线的过程中，如果裸电线过低或者是电线间距过小都不可以，如果电线过低导致金属物质与电线碰撞，这样同样会导致相间短路。如果间距太小，更容易发生线与线的碰撞问题。在安装断路器时，不能保证空间的干燥，这样就会导致水汽击穿短路。最后是电线的绝缘层失效，绝缘层实效也就说明失去了的绝缘的能力，一般是由于受损坏或者是老化的现象，导致线芯外露或者是电压击穿绝缘。

2.2 用电布置问题

正常情况下，在比较潮湿地点的直接下层不会出现配电布置，比如在卫生间的浴室或者是厕所的下层。除去这一点还要注意的是一些发电机用房的布置，发电机用房同样不可以布置在潮湿的空间，要有一定的防潮设施才可以进行安装。

2.3 电梯电源的专用性问题

电梯在运行的过程中，供电线路不可以出现负荷现象，工程在实施的过程中，要保证电梯运行的质量安全。另外在施工时必须保证了解电梯负荷电流的最大限制，这样才可以正确选择有保护特性的主开关。因此，在对电梯电源进行安装时，要把相关规定的条文作为依据，为了防止电梯电源被一些用电设备的干扰，电梯必须拥有一个专用性的电源，以此来保证电梯的运行安全。

2.4 防雷问题

电气施工的防雷安装是非常重要的一个环节，对此应该进行严格的监督和检查。首先，有很多避雷带的弯曲弧度大小不一，而且避雷带转角的弯曲半径也打不到设计的要求，这就需要专业人士在安装时进行细微检查，如果对产品质量进行认真检测，可能还会发现支持卡的间距大小不够均匀等问题。其次是屋面的金属管道连接的问题，对于突出屋面的金属物或者是贴爬梯在安装时可能会出现与防雷装置没有稳固的连接。另外还有引下线的截面与避雷带焊接的质量差，而且小于避雷带的截面。最后，接地极电阻测试点设置不符合要求，防雷接地装置测试点金属物的防腐措施并不到位。

3 建筑电气系统故障诊断方法及措施

3.1 施工前要做好相关的准备工作在工程项目开工之前，电气安装的相关技术人员首先要对电气的施工图纸进行熟悉；然后与土建施工的技术人员对电气施工图以及土建施工图进行共同的查对，把出现交叉的施工部分列出来；接着依照土建施工的有关进度计划，对线路保护管理、支吊架以及有关的基础型钢进行预埋等。对配合工程交叉施工要排出相应的计划，并对配合的时间确定好，防止差错的发生和工程项目的遗漏。而在配合施工前，要及时制作好各种预埋件，在其防腐方面要做好相关的处理工作。此外，还要充分做好在施工开始之前的材料和技术准备工作。

3.2 施工过程中处理好协调的环节在专业技术人员进场的时候，总包单位就要对此进行限时的扫管，然后对交接的手续进行及时办理，才能予以批准。由于专业技术队伍出于自身的效益考虑，会对交接的手续匆忙办理以防止漏项情况的出现，因而总是一边进行扫管一边进行穿线，对时间进行拖延。关于这个问题，有关管理人员要适当增加专业技术队伍的人力。通过集中扫管，使得交接手续能够抓紧时间办理。

3.3 施工阶段所进行的质量控制

在基础工程进行施工时，要与土建配合好，做好止水板的预留和预埋工作以及弱、强电专业的电缆线的穿墙管。这一项工作要求各专业之间的施工工作要做好相应的协调工作，其中电气专业的施工必须要在土建进行墙体的防水处理前就完成相应的施工工作，这样才能防止由于防水层被电气施工破坏而出现墙体的渗漏现象。对于需要预埋的配电柜基础型钢、吊杆基础螺栓、木砖、吊卡以及铁件等需要预埋的预埋件，有关施工人员应提前与土建配合好，要对这些预埋件及时的埋入和保证施工到位，防止出现遗漏的现象。在安装电器的过程中，管理人员要对自身的专业能力和素质提高，实现质量的严格把关。

4 结论

在建筑工程中电气系统故障对于人们的生产生活会产生很大影响，所以施工企业应当制定质量管理制度，加强对企业员工的培训；通过过硬的技术，确保建筑电气的安全运行，保障广大人民生命财产的安全。

参考文献

[1] 娄玉冰，和小娟，杨书显. 建筑电气设计存在的问题及主要对策 [J]. 四川水泥，2015，01：12

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关键词：低压电器；数字化仿真设计；发展；应用

一、低压电器仿真与数字化设计技术进展

解决了从三维造型软件，如UG-Ⅱ和pro/E的三维建模与三维仿真，到如ADAMS和Ansys的接口问题，为低压电器的仿真与数字化设计技术在实践中的应用打通了前进的道路。该项技术的开始阶段，着眼于低压电器各个部件的仿真，依靠静态至动态特性仿真，寻求各个部件的优化设计，如以低压断路器的机构操作速度为提高目标的优化设计，磁脱扣器的保护特性仿真与优化设计，交流接触器磁系统的静、动特性仿真与优化设计等。但一个电器的基本性能不是仅由单个部件的优化设计所能决定的。对低压断路器来说，分断特性与各个部件的配合有关，与多种物理现象的综合有关；另外，与仿真条件是否完全按照国家和IEC标准的要求进行也有关，因为实际样机的型式试验和出厂试验都是严格按照标准进行的。为了满足上述要求，当前低压电器仿真与数字化设计技术正向以下几个方面进展：

（1）多场域、多物理现象综合的仿真技术

例如，在对低压器结构进行仿真设计的时候，如果不考虑计算连杆本身的应变、应力，而只针对连杆之间的相互配合，那么这种低压电器无论是从部分结构到整体功能都不能实现设计的最优化；另外，如万能式断路器短时耐受的仿真设计，它的仿真不是单领域、单独部分的，而是对瞬态电磁场、热场和电路瞬态包括材料相变等相结合的仿真设计。想要将这种仿真技术实现好，不仅需要利用当下的电磁场仿真软件，还需要将自开发设计的软件、代码和商品软件的特点综合起来进行整合利用。

（2）基于磁流体动力学（MHD）电弧数学模型

想要实现灭弧室的仿真，一定要对灭弧室的电弧的物理现象进行具体的分析掌握，才能使灭弧室的仿真设计达到最佳效果。当前，已经有数位研究人员对电弧数学模型进行分析，研究表明电弧的磁流体动力学模型能够准确具体的将灭弧室的分段过程的物理现象表现出来，从而加快了其应用发展。电弧数学模型可以将灭弧室内的温度、磁场、压力以及离子密度等在分段过程中的先向变化进行分析，可以得到以下结论：灭弧室的几何尺寸、结构、材料等都会影响到电弧电压和电弧电流过后的介质性强度的恢复。MHD的电弧数学模型发展还不完善，对于一些复杂的计算，难以同电路瞬态、电极表面、机构动态等物理现象结合起来，计算中涉及电流过大时，难以进行收敛。

（3）建立简化的工程用电弧数学模型

对低压器的分段过程进行仿真，分段特性作为低压开关电器的主要特性，若要实现低压器的优化仿真设计，就要保证低压电器在无论尺寸怎样缩小的同时，都能够将额定极限短路分断能力ICU和额定短路分断电流ICS提高。要想实现这样的优化目标，其关键不是磁脱扣器、机构和触头系统，重点是建立简化的工程用数学模型，在电弧模型MHD难以耦合的时候，进行应用。

（4）使仿真技术严格按国家标准要求进行

产品通过仿真和优化设计后是否满足技术要求，需要用国家标准来考核，因而仿真工作必须严格按国家标准要求来进行。如万能式断路器的短耐仿真，在规定的功率因数条件下，选择合闸相角使短路电流第一个半波峰值达到可能的最大值；又如接触器的热仿真，按国家标准要求，发热试验时接触器的主回路和线圈要同时通电，且主回路触头间的连接导线要按规定选择。

（5）建立更有效的工程计算方法

在对多场域的静态或者动态仿真进行计算时往往会耗费大量的时间。因此我们应该从实际应用的角度出发，找到一种简单省时且不影响计算准确度的计算方法这也是仿真技术发展的需要和前进的目标。例如，我们将三维有限元热场应用于电器热计算当中，另外，当前所被广泛应用的热路网络计算方法，不仅能够减轻计算难度和计算量，还能够确保计算的准确度。

（6）仿真与数字化设计技术和节能减排的关系

社会经济的飞速发展，人们的用电需求越来越大，而我国的主要电力供给都是以煤炭资源为主体，所以说，节能减排、加大利用可再生能源、发展智能电网已经成为当今电力工业发展的必然趋势和目标。在配电系统中，低压电器是其中最主要的元器件，所以在进行研究的时候始终将低压电器作为重点研发对象。为了节能减排的需要，要加大对小尺寸低压气的开发，保证其性能和可靠性，从而使配电系统能够正常运行。随着直流系统、光伏系统作为可再生能源的发展应用，因而要不断提高直流开断技术。

二、实例应用介绍

1、与多体动力学耦合求解

近些年，我国对接触器的动态性仿真技术已经有了一定的研究分析，接触器动态性仿真的主要功能就是减少在分闸时出头的弹跳，从而延长AC―3的使用寿命，对触头弹跳进行仿真，将电磁场、电路瞬态两者结合起来，同时与多体动力学进行耦合，之后运用ADAMS软件以对偶和计算的接口进行计算。

2、热路网络的应用及紧凑型断路器的设计

想要减少原料，避免资源浪费，那么就要加强对紧凑型开关电器的设计，从而避免工艺与资源的浪费。核心技术是降低温升和热计算，之前一般都是借助三维有限元热仿真技术，但是这种方法计算复杂且耗时过长，因此当前一般都发展并广泛应用热路网络的热分析，不仅计算简单还能够在工程中得以应用发展。

3、基于MHD电弧数学模型的中间和两侧出气

中间和两侧出气在直流分断过程中存在差异性，出气结构不同从而决定了电弧不同的动态过程，尤其是电弧弧柱运动到出气口附近。中间出气是比较传统的的方式，出气口的电弧前端为尖形，并主要集中在灭弧室中间区域，这是由于在出气口处流体受到明显压缩作用；两侧出气结构中，由于气流场的作用，在出气口处电弧呈现向两侧出气口分裂，有利于增大电弧与灭弧栅片和介质的接触面积，增加电弧在灭弧栅片“腹部”的运动。

4、 基于链式电弧模型，实现低压断路器的分断特性仿真

虽然低压电器一直在发现进步，各个零件特性的仿真性也越来越好，但是仍旧受到电弧数学模型的制约，特别是低压器在分断这一部分的仿真性还需要深入研究。虽然MHD在国内外都收到广泛的关注，但是MHD模型的最高断电仿真不能高于几千分，否则电弧不容易收敛，而且该模型不能和机构运动、触头拆开等阶段进行结合，因此，在实际的应用中，国内外都普遍选择比较简单的电弧数学模型，达到使低压电器达到整个过程的仿真。

三、结语：

综上所述，本文主要分析了低压电器数字化仿真设计的发展进程，并通过具体的实力应用做进一步的详细分析，从而进一步证明了数字化仿真技术的可信、可靠性，以及在低压电器上的应用推广，为今后低压电器数字化仿真设计的发展和应用提供一定的借鉴参考意义。

参考文献：

[1]陈德桂.虚拟样机成为开发新型低压电器的关键技术[J].低压电器，2002（6）：3-7.

[2]许文良，尹天文，周英姿，等，智能电器数字化创新设计关键技术研究与应用[J].低压电器，2012 （16）： 14-17.

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关键词： 流固耦合； 仿真技术； 中小型企业

中图分类号： TB115.1； TB126文献标志码： B

引言

流固耦合是流体力学与固体力学交叉而成的一门独立的力学分支，它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响.流固耦合仿真技术早期主要用于航空航天领域，随着技术的发展，应用范围已经扩展到石化、机械和能源等工业领域.其中，以中小型企业对这项技术的应用需求最为迫切.因此，调查研究流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用具有深层的意义和广阔的市场.本文着重从3个方面阐述流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用.（1）柴油机、齿轮泵、变速器和风力发电机等机械设备中齿轮箱飞溅设计；（2）各种液态空气、石油化工产品储液压力容器的晃动计算；（3）以板式太阳能换热器热应力分析为例，模拟防冻液在铜管中流动，计算铜管和铝板的温度分布，并以此为基础，对板式太阳能换热器的热应力进行计算.最后，对流固耦合仿真技术在中小型企业中的应用范围进行分析总结.

1应用案例1.1变速齿轮箱飞溅设计

由于变速齿轮箱的工作环境、承受载荷和相对运动速度不同，对强度要求也不同.飞溅是目前变速器方式中的一种.在一定工作环境的情况下，某种结构所采用的飞溅设计是否满足强度的要求，可以通过流固耦合仿真技术，对飞溅过程进行模拟，可以在设计方式确定之前获得效果的评估，这样可以缩短设计周期，提高工作效率.

本文采用Abaqus软件建立变速齿轮箱中齿轮和油之间的流固耦合仿真模型，设置油的材料参数和相应的边界条件，最后提交求解器进行计算.求解后得到变速齿轮箱飞溅设计的效果，见图1.

由图1可以清晰地看出油的飞溅状态，并评估其强度.这对飞溅方式的设计和油使用量的确定具有很好的参考价值.

1.2储液压力容器晃动计算

压力容器的用途非常广泛，它在能源工业、石油化工、军工和科研等国民经济的各个部门都起着很重要的作用.压力容器由于密封、承压和介质等原因，很容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全以及污染环境的事故.因此，密封性和安全性是压力容器的关键性能.本文应用流固耦合仿真技术，研究在极限工况（冲击作用）下某储液压力容器中液体的晃动问题，获得压力容器表面所承受的压力，为其安全评估提供依据.

采用FLUENT软件建立油箱以及油介质的仿真模型，定义油箱及介质的材料参数和冲击过程中的加速度及其他边界条件，最后提交流固耦合分析求解器进行计算.容器晃动过程中，不同时刻油箱壁所承受的压力见图2.

由图2可知，最大流体压力为1 634 Pa，此结果与压力容器的规格相对应，可以分析极限工况下储液容器是否存在安全隐患.

1.3板式太阳能换热器热应力分析

对于太阳能行业来讲，目前涉及到的主要问题是如何降低材料使用量和满足安全性，所涵盖的知识领域包括传热、流体、压力和机械强度等方面.因此，有限元仿真分析在太阳能行业中的应用越来越广泛，主要涉及以下方面.

（1）传热方面的设计.主要涉及到集热器当中的热传导设计相关的问题.

（2）机械强度计算及结构的优化设计.如太阳能安装过程中有很多需要安装支架，必要时须对支架进行满足要求的强度优化设计.

（3）抗风阻设计.尤其是在高楼或者大风地区，要进行支架的抗风核算.

本文以平板集热器条带的传热分析和热应力分析为例，说明流固耦合仿真分析在太阳能行业的应用.平板集热器条带的焊接形式见图3.

（a）带肋片的管子（b）缝焊（c）弧面焊（d）滚焊（点焊）（e）铜铝（全铜）复合

图 3集热器条带的焊接形式

以图3（b）形式为例，其实际结构见图4，集热管为铜管，上面为铝板.铜管直径为8 mm，铝板和铜管为激光焊接，平板表面的单位辐射量为800 W/m2，条带的吸收率为90%，防冻液在铜管中流动.平板集热器系统的简化物理模型见图5.

图 4平板集热器（a）防冻液 （b）平板图 5平板集热器系统的简化物理模型

在FLUENT中建立其流固耦合的传热分析模型，并设置铜管中防冻液的材料参数以及平板的热量吸收等，最后提交FLUENT进行计算求解.求解完成后，获得平板集热系统的温度分布场，见图6，并将温度分布和模型输出为Abaqus格式，用于平板集热系统的热应力分析计算.

（a）管道中防冻液温度分布 （b）平板中液体温度分布 （c）系统温度分布图 6平板集热系统的温度分布

将FLUENT的温度计算结果导入到Abaqus中，计算平板集热系统从初始温度20 ℃，上升到FLUENT计算结果温度过程中的热应力.热应力分析结果见图7.综合以上分析，用FLUENT软件建立流固耦合分析模型，得到平板集热器的最终工作温度场，然后采用Abaqus软件计算温升过程中产生的热应力，后续可以根据此热应力进行平板集热器的热应力疲劳分析估算其使用寿命.此方法对于优化平板集热器的设计有很重要的指导意义.（a）管道主应力分布图（b）平板主应力分布图（c）系统主应力分布图

图 7平板集热系统热应力（主应力）分布图

2结束语

通过列举几个比较典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造企业的应用，可以看出，在产品的设计阶段就能够通过计算机流固耦合仿真分析模拟出产品的工作状态，发现产品设计中存在的缺陷和问题，并可以给出产品设计的更改思路.

在产品更新换代如此之快的今天，企业的生存发展之道就是不断推陈出新，且生命周期还要很短.该技术对于以传统设计方式为主，产品生命周期长的中小型企业是一个新的希望.但是，由于该技术应用过程中的软硬件投入很大，一般中小型企业无法承受，所以并没有在中小型企业中广泛的应用.目前出现一种软硬件同时租赁使用的新的经营模式，能很好的解决这一问题.相信以后流固耦合仿真分析技术在中小型企业中的应用会更加广泛.参考文献：

[1]邢景棠， 周盛， 崔尔杰. 流固耦合力学概述[J]. 力学进展， 1997， 27（1）： 1930.

[2]郭术义， 陈举华. 流固耦合应用研究进展[J]. 济南大学学报， 2004， 18（2）： 123126.

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【论文摘要】将虚拟仿真技术引入教学领域后对传统教学手段产生了强烈冲击。本文针对航空电子装备教学中如何应用虚拟仿真技术给出了应用方法和体会。

1．引言

自 20世纪 9O年代以来，以计算机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现，并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段，虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击，并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明，虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验，探讨在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和体会。

2．虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。

2．1虚拟现实技术

虚拟现实技术就是利用三维建模技术，构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景，并能响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 生成技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真，也称为视景仿真，它主要用于产品设计与展示、商业广告、游戏设计等。

在航空电子装备教学中，大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ，传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代，因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ，传统教学方法 已远远不能满足要求 ，而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。

目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发，主流平台Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虚拟现实数据库 OPENFLIGHT已经成为 了工业标准 ，在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作为视景仿 真开发的技术平台 ，解决物理模型的创建、场景显示等问题。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 ．同时采用嵌入 OPENGL技术来解决物理模型 的交互问题。

2．2系统仿真技术

系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 ．它通过建立实际系统 的数学模 型 ，利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真，也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。

在航空电子装备教学中，对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述，配合一些静态的图形帮助学员理解 ．教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧 。近年来．我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中，根据被仿真装备的工作原理，建立系统的数学模型，并根据装备的不同工作状态，对模型进行动态运行．结合虚拟现实技术实现的逼真场景．较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用．也可供学员自学，并达到了较好的教学效果。

目前，有许多成熟的系统仿真开发平台软件．如 Simulink、SystemView等，这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎．但价格较为昂贵，且大多未提供对外的仿真数据接口．仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。

3．虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤

3．1建立仿真模型

这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ，也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立，主要依据装备本身的物理状态，其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立，则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化，本着够用为度的原则 ，以尽量减小运算量。建立数学模型时 ，还应考虑到系统运行时的参数调整。

3．2创建仿真装备的虚拟场景并驱动

对于虚拟场景的驱动，根据使用方式的不同采用了不同的方式如果进行的仅是装备外观、结构的展示，可使用EON进行动作的编辑和驱动；如果需要对装备进行虚拟操作仿真，则使用 GLStudio软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作，然后再利用 Vega Prime驱动以实现更复杂的交互操作。

3.3系统集成

系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起，使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件，因此，系统集成变得十分方便。编写程序时，只需考虑软件功能的安排，注意程序间的兼容性即可。

系统集成时，还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来，即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台，与视景仿真处于不同的系统进程中．因此这种驱动是通过两进程间的实时通信来完成的。这里还需要考虑进程间的同步问题。

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【关键词】虚拟仿真；项目教学；工学结合；

一、概述

《液压与气动技术》是高职机械类专业的一门专业技术课，应用性很强，在机械类的各个专业如机械制造及自动化、机电一体化、数控等专业都占有十分重要的地位，是专业课中的重点课程。这门课程不仅理论性强，而且具有很强的实践性，与企业的生产实际联系紧密。

从我国职业教育的实际出发，坚持理论联系实际，通过课程组成员的国外学习和国内交流，针对《液压与气动技术》理论与实践结合紧密的特点，在实训教学环节中逐步引入"项目引导、任务驱动"的理念，但是在项目教学过程中存在一个瓶颈问题：实训资源相对缺乏，加上上课时间可训练的时间有限，限制了同学们课后实训练习。

针对这一现实问题，在新一轮的课程建设中，借助虚拟技术和三维建模技术，实现《液压与气动技术》实训教学资源立体化、动态化、可视化和网络化，建设虚拟实训环境，解决了项目教学过程中实训资源相对缺乏，促进了主动式、协作式、研究型、自主型学习，形成开放、高效的新型实训教学模式的重要途径。

二、 国内外研究现状分析

随着虚拟现实技术的不断发展和成熟，为其在各个领域的应用提供了技术支持，使人们的生活、工作和学习变得更加快捷和方便。虚拟实训是现代职业教育中必不可少的一种形式，在教育领域应用必将得到进一步的开发与应用。现就国内外研究现状叙述如下：

将虚拟实训运用于运动技能方面的研究由来已久。早在1985年，训练篮球的虚拟现实系统已被开发。训练者戴上特制的手套和眼镜，在虚拟的空间里练习投球。与在真实环境中相比，在虚拟的空间里练习投球有其显著的特点及优势。如模仿真实世界中球的运动轨迹，并控制其运行的速度以适应训练者的训练进程。开始时，球下落的速度非常缓慢，以便使训练者看清球运行的路线，找出偏差，调整自己的动作。随着训练者投篮准确率的提高，球速也开始加快，直到球速与现实中的完全相同。最终，训练者掌握了投篮技巧，并且这与在真实的世界里练习的效果没有多大区别。后来美国Michigan大学虚拟实验室的学生开发了一套运用于足球训练的系统--Virtual Football Trainer。这套系统为使用者提供了一个近乎真实的训练场景，非常适合训练足球队员的实战能力。

虚拟实训在国内的研究主要集中在高校和职业院校应用。例如，北京航空航天大学计算机系是最早进行虚拟现实研究、最具权威的单位之一，研发了用行员训练虚拟现实系统、虚拟现实演示系统，研究了虚拟环境中的物理特性的表示和处理并提出相关算法和实现方法。北京科技大学钟延教授研制的VR-4的汽车驾驶模拟器，模拟仿真各种路况上进行驾驶技能的学习和训练，产生逼真的效果。VR-4可以提供多项教练场的正常条件下无法提供的训练项目，如恶劣天气

下的训练，跟随前车的训练等。

三、虚拟实训资源的开发

实训资源相对缺乏，加上上课时间可训练的时间有限，限制了同学们课后实训练习。

因此，在立体化教学资源的建设，主要解决实训资源的相对缺乏及如何引导学生完成实践任务，并留有足够的时间完成各个环节的学生综合评价问题。

针对项目化的教学内容，通过虚拟技术Solidworks composer软件创建虚拟实训资源，借助于多媒体教学手段，引导学生完成教学过程。在立体化实训教学资源的建设中，为保证与工业现场的一致性，采用三维建模技术，按照实际元件的图纸尺寸建立立体元件库，结合实际的实验平台建立元件调用和系统构建平台。三维液压仿真设备与真实的YCS-A液压实验台的结构及工作原理完全一样的功能，可以仿真操作、任意拆装、任意设置故障、排除故障，所有的设备元器件及仪器仪表能够根据其相应的物理属性实时做出反应，就跟学生操作真实实验设备的效果一样，达到学生动手实验实训的目的。对比现有课程资源主要进行四项转化：

1、二维图片立体化，改变传统教学图片的展示，将液压实验台和气压实验台及液压与气压的所有元件通过实地测量，然后借助Solidworks软件进行建模，渲染，使更加形象、逼真。

2、静态过程动态化，改变液压和气压元件工作过程的静态分析，借助Composer软件对已建好的实验台及模型进行拆装动画及回路的拆装及工作原理的动画，通过机构仿真和动画技术实现静态过程的动态化，完成二维到三维再到动画的转换。如图1所示：

3、系统机构可视化，通过Solidworks软件剖视、透明等技术，将工作台及所有的液压元件的结构及工作过程完全展示，每一个液压元件都是透明可见，将一些简单的液压回路，在虚拟的实验台上进行搭建，可以交互操作。如图2所示：

4、教学实训资源网络化，所有的实训教学资源均为电子文件，借助于网络平台实现远程实训教学和自学环节的虚拟仿真实验平台。

四、虚拟实训资源的应用推广

1、运用现代教育技术，计算机虚拟现实技术等充分发挥各种媒体的优势，将各种相互作用、相互联系的媒体和资源有机地整合，形成了立体化、网络化、精品化教学实训资源库。立体化实训教学资源的实施，深化了校企合作的教学模式；克服了教材形式的单一性，提高了其实用性，满足了现代学习者个性、自主性和实践性的要求。既充分发挥了教师的主导作用，又充分体现了学生的主体地位，创建了有利于大学生素质教育和创新能力培养的教学模式；

2、教学实训资源既为教师备课提供了规范而有弹性的参考，又为教师实施教学提供了完善便于操作的技术支持。资源库的教学素材丰富且新颖，既增加了教学的容量，充实、拓宽了教学内容，增强了教学的时代感，又提供了比较完整的教学解决方案，最大限度满足了教学要求。同时改进了教学方法和教学手段，使教学中抽象、难以理解的内容变的生动直观，达到黑板授课不可比拟的效果，从而突破传统的教学模式。建构了有利于大学生素质教育和创新能力培养的教学模式。

3、为学生提供了良好的学习平台。为学生提供了一个具有科学性、先进性、易操作的网上学习环境。增加了学生学习的信息量，有利于学生课外学习的辅导，使教学活动实现了从信息的单向（教师对学生）传递向双向（师生之间）乃至更广的范围（生生之间、教师之间、教师与社会之间）交换传递的转变，实现了交互教学及人机结合、师生结合、课内外结合，大大提高了教学效率和效果。为学生的学习和发展提供多样的教育环境和有力的学习工具，有助于启迪学生的形象思维，提高学习效率。完善教学实训室的建设与管理。

五、结束语

根据高职教育的培养模式，全面提高学生素质和能力。以信息技术的有效应用为突破口，建设立体化实训教学虚拟实训资源，改造提升传统教学，加快信息技术应用。大力开发数字化专业教学资源库，应用现代教育技术，丰富教学形式、提高教学效果，促进优质教学资源的共享，拓展学生学习空间。拓展学习时空， 结成学习同盟， 化解学习难点，提高学习成效。从而推动《液压与气动技术》课程的改革与发展，为现代职业教育体系建设做出贡献。

参考文献

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篇7

[关键词] 输尿管癌；腔内超声；腹部高频；联合诊断

[中图分类号] R445.1；R737.13 [文献标识码] B [文章编号] 1673-9701（2017）16-0090-04

[Abstract] Objective To analyze the combined application of abdominal high frequency and intracavitary ultrasound and its effect on the diagnosis of ureteral carcinoma， so as to provide the references for clinical treatment. Methods 51 patients with ureteral carcinoma who were diagnosed by operation in our hospital from March 2015 to June 2016 were selected as the study subjects. The patients were examined by ultrasound， and the data of ultrasound examination were collected. The values of intracavitary ultrasound， abdominal high frequency and the combined diagnosis were compared. Results All the patients had varying degrees of ureteral dilatation， hydronephrosis and other symptoms. According to the ultrasound diagnosis of ureteral carcinoma， there were atrophy and thinning in renal parenchyma， and ureteral stenosis or interruption at obstruction site. The form of cauliflower was shown from the ureteral mouth at the lower part of the tumor. The majority of the tumor had low echo， and a few had moderate echo. There was no significant difference in the number of diagnosed cases between abdominal high frequency and intracavitary ultrasound（P>0.05）. The diagnosis ratio of combined diagnosis was significantly higher than that of single application of abdominal high frequency and intracavitary ultrasonography（P0.05）. The sensitivity and specificity of the combined diagnosis were significantly higher than those of the other two diagnostic methods（P

[Key words] Ureteral carcinoma； Intracavitary ultrasound； Abdominal high frequency； Combined diagnosis

泌尿系统原发性输尿管癌是临床较为少见的恶性肿瘤之一，多数在输尿管下段位置，解剖位置较深，由于输尿管解剖结构非常特殊，腹部超声诊断清晰度不高[1]。在临床诊断中，输尿管癌临床表现无特异性，以间歇性无痛性肉眼血尿、肾积水、腰部胀痛为主要表现，部分患者伴随腰腹部肿胀，隐秘性大[2]，多为单侧发病，早期诊断难度很大，多数患者在确诊时已经处于中晚期，预后极差。如何提高诊断准确性有重要价值。为分析腹部高频与腔内超声联合应用方法及其诊断输尿管癌的效果，以我院输尿管癌患者为研究对象开展研究报道。

1 资料与方法

1.1一般资料

选取我院2015年3月～2016年6月收治手术病例确诊为输尿管癌患者51例为研究对象，患者临床出现间歇性无痛性肉眼血尿，年龄46～79岁，平均（59.2±6.3）岁。纳入标准：手术病理确诊，临床症状以间歇性无痛性肉眼血尿为主，部分患者伴随腰痛、下腹痛等。排除标准：膀胱癌、输尿管结石。

1.2方法

1.2.1 仪器型号 诊断使用仪器包括超声诊断仪logic e9、logic vivid e9。

1.2.2 参数指标 高频探头频率6～15 MHz、9 MHz，腔内频率5～9 MHz，腹部探头频率3～5 MHz。

1.2.3 检查方法 患者开展超声检查，患者检查前，适量饮水，充盈膀胱，检查肾脏内是否有积水、输尿管扩张情况，重点检查生理狭窄处。所有患者均开展腹部超声、腔内超声、腹部高频超声检查。（1）腹部超声检查：采用超声诊断仪logic e9，探头频率3～5 MHz。（2）腔内超声检查：腔内探头频率：5～9 MHz。（3）高频超声检查，高频探头频率6～15 MHz、9 MHz。腹部超声常规方法扫查，多探头多频率联合检查，发现输尿管腔内存在异常团块状回声，从而判断肿瘤的大小、信号、性质等。

1.3观察指标

整理患者超声检查资料，比较腔内超声、腹部高频和联合诊断价值，记录腔内超声、腹部高频、联合诊断敏感性、特异性，均以手术治疗病理诊断为标准，敏感性=诊断准确例数/真实诊断例数，特异性=未诊断病例数/（误诊病例数+未诊断病例数）。

1.4 统计学方法

采用 Microsoft Excel建立数据库，用SPSS19.0统计学软件进行数据分析。计数资料采用[n（%）]表示，采用卡方检验，以α=0.05作为检验标准。

2 结果

2.1 诊断结果分析

输尿管癌超声诊断肾实质萎缩变薄，梗阻部位输尿管腔狭窄或者中断，下段肿瘤部分自输尿管口呈现菜花状，多数肿瘤低回声（封三图5），少数中等回声。腹部高频和腔内超声确诊病例数差异不明显（P>0.05），联合诊断确诊比例显著高于腹部高频和腔内超声单一使用（P

2.2 不同诊断方法敏感性、特异性分析

腹部高频和腔内超声两种诊断方法敏感性、特异性均无明显差异（P>0.05），联合诊断敏感性和特异性显著高于其他两种诊断方法（P

2.3联合诊断病变和误诊病例分析

联合诊断结果显示，5例无肾盂扩张，所有患者均存在不同程度输尿管扩张、肾积水等，最小肿瘤体积1.8×1.1×1.1 mm3，最大肿瘤体积4.3×3.1×2.1 mm3，肿瘤直径与扩张程度无明显相关性。6例肿瘤发生在上段，35例中下段，10例下段。腹部高频超声诊断中，患者误诊为输尿管结石，后经腔内超声联合诊断为输尿管癌，手术病理证实。

3讨论

输尿管结构包括盆部、腹部以及壁内部，位于腹腔后壁、胸椎两侧，沿着腰大肌向外行走，输尿管壁内部长约1.5 cm，是输尿管斜穿膀胱壁部分，和盆部相比而言，输尿管腹部位置较深[3，4]，在这种解剖结构和走行特点下，输尿管壁内部和盆部只能够采用高频探头显示，输尿管腹部病灶的位置采用腹部超声诊断效果更好。

根据病变侵润范围的不同，输尿管癌临床病理分期包括四期，A期病变侵犯黏膜下层，B期病变侵润黏膜下层，还没有出现输尿管周围侵润，肿瘤病变沿着输尿管内生长，在超声诊断中能够观察到输尿管结节病变，C期病变侵润到周围组织，D期病变已经侵润到周围组织，而且可能表现出远处转移和淋巴结转移，声像图出现肿块、周围期间侵润。有学者在研究分析中指出，B期、C期以及D期输尿管癌采用高频超声和腔内超声均具有很好的诊断效果，A期输尿管癌与输尿管炎性肉芽脓肿存在一定差异，超声诊断能够为临床分期检查提供一定参考价值[5]。输尿管癌影像学诊断中，不同影像学技术均有自身的局限性，X线检查无法显示正常输尿管，CT平扫无法显示输尿管盆段[6]，尿路造影无法诊断输尿管病变，而且患者一般不会接受。虽然不少研究指出MRI检查，能够多层面显示输尿管，但是价格昂贵，而且容易受到增厚腹壁脂肪组织的干扰[7，8]。输尿管癌采用超声诊断能够初步排除膀胱、肾占位性病变，能够早期发现输尿管肿瘤间接征象，而且超声诊断简便、快捷。

在本组研究中重点分析腹部高频和腔内超声诊断价值，腔内超声诊断优点在于能够缩短病灶与探头的距离感，清晰显示病灶表现[9]，同时能够避免患者腹壁脂肪的干扰，减少伪影的出现，比较适合身体虚弱、难以接受频繁检查的老年患者。另外腔内超声频率较大，分辨力较高，能够清晰显示病变范围[10，11]、病灶血流特点，能够满足临床需求。在诊断中针对存在不明原因单侧肾积水、血尿等，采用腹部低频超声能够诊断，尽早发现输尿管腔内占位病变[12]，但是声像图如果显示输尿管实质肿块，低频超声诊断就容易受到多种因素影响，难以发现肿块。高频超声能够克服以上缺点，清晰显示终端输尿管腔内肿块，而且能够判断肿瘤的性质。声像学表现为肾集合系统分离，最终肾盂，在声像学上能够看到条状无回声区域，肿瘤区域有低回声团块，边界不清晰，能够探测到高阻力勇鲅跹流频谱。其他研究中有学者采用腔内彩超诊断输尿管肿瘤[13，14]，可见同侧肾积水，输尿管梗阻，部分患者伴随其他泌尿系统肿瘤，同侧盆腔淋巴结肿大等。研究结果显示输尿管癌超声诊断肾实质萎缩变薄，梗阻部位输尿管腔狭窄或者中断，下段肿瘤部分自输尿管口呈现菜花状，多数肿瘤低回声，少数中等回声。腹部高频和腔内超声确诊病例数差异不明显（P>0.05），联合诊断确诊比例显著高于腹部高频和腔内超声单一使用（P0.05），联合诊断敏感性和特异性显著高于其他两种诊断方法（P

输尿管癌超声诊断中需要做好鉴别诊断工作。位于输尿管开口的膀胱癌与输尿管癌临床表现类似[18]，如果输尿管肿瘤合并输尿管积水扩张，可以考虑属于输尿管肿瘤，在其他研究中，也有研究报道指出宫颈癌切除术后，膀胱壁局部增厚，输尿管下段管腔可见实质样低回声，考虑是膀胱癌引起，侵犯到输尿管。输尿管肿瘤也有部分发生于中下段[19]，压迫输尿管导致管腔狭窄，容易与输尿管周围肿瘤相混淆，可以通过高频探头相鉴别诊断。在超声诊断中，输尿管上端容易受到肠道气体的影响， 图像质量不佳，回声不强[20，21]，很容易与输尿管结石相混淆，在临床超声诊断中，叮嘱患者口服甘露醇，减少误诊。输尿管结石容易引起炎性病变，表现为输尿管管壁增厚，声像学表现与A期病变相一致，在诊断中还需要结合患者病情诊断。

在研究中输尿管癌存在漏诊情况，考虑与以下因素有关：（1）部分超声医师对于输尿管癌认识不足，没有联合采用多种探头检查办法；（2）腹部超声技术不高，尤其是经引导超声检查，需要右手持探头，左手按压下腹部推开肠管干扰；（3）针对存在典型临床症状的输尿管扩张，没有及时开展追踪扫查。当前A期和B期输尿管癌与输尿管息肉还存在很大诊断难度，有待寻找更多鉴别诊断依据。

总之，腹部高频与腔内超声联合诊断输尿管癌准确性更高，比常规腹部探头检查更加具有应用价值。

[⒖嘉南]

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关键词：关键词：计算机技术 虚拟现实 计算机仿真技术

一、计算机仿真发展历史

仿真模拟方法可以追溯到1773年，法国科学家用仿真模拟的方法做物理实验，然而，第一个用这种方法做随机试验的人也许是美国统计学家E.L De forest，那是在1876年。比较早而且著名的蒙特卡罗方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”为笔名时，使用了蒙特卡罗方法来证明他的t分步法；尽管蒙特卡罗法起源于1876年，但是直到约75年后，它才命名为蒙特卡罗法。其原因是直到数字计算机出现以前，这种方法在许多重要问题上不能运用。从1946年到1952年数字计算机在一些科研机构得到发展。

与今天的计算机相比，早期的计算机预算速度慢且不能存储任何东西。现在可并行计算机已成主流。自计算机诞生以来，性能的提高，几乎是每四五年提高100倍，每十年提高1万倍的速度持续发展着。

二、仿真的定义和分类

1.仿真定义

计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件和经济系统，在若干周期内的特征。

系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科。

三、需求牵引 技术推动

相互推动

计算机技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学技术的飞速发展，除了本身日趋成熟，并且或得了广泛运用外，目前正面临挑战。

“需求牵引、技术推动“是促使计算机仿真技术在近年内去得飞速发展的重要。计算机仿真的形成是当代科学技术飞速发展的结果。

计算机仿真技术首先可以以高效地处理科学数据和解释科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息交流手段。

计算机仿真技术的形成推动工业发展、提高工业竞争能力的需要。

四、仿真软件

仿真软件的应用和定义

仿真建模软件系统，是为科研人员进行仿真实验提供支持的系统。如果在计算机上进行仿真实验必做一场军事演习，那么科研人员就是这场军事演习的指挥官，仿真建模系统则为这场演习提供场地和手段。他能为指挥官加工信息、预计结果和进行辅助决策。其用途非常广泛，经济价值极高。仿真软件是一项面向仿真用途的专用软件，他的特点是面向用户、面向问题。仿真软件一般是由模型和描述语言、翻译程序、使用程序、算法库、函数库、模型库、运行控制程序等组成。应具有建模、运行控制、结果处理以及相关的数据库等组成。

五、计算机仿真的基本理论

计算机仿真是由系统工程、现代数学方法和计算机技术相结合的新型学科。

计算机仿真是一种科学方法，科学研究通常有三种途径：理论推导、科学实验和仿真模拟。

计算机与数学学科的相互作用促进了进算计技术的发展。在本质上数学是计算机的灵魂。

在计算机仿真技术中引入人工智能技术，能够优化系统，做到有优化机制自动修改系统参数，并启动仿真模块，最终获得最优解，但在离散事件系统仿真重这种机制还处于研究阶段。

新技术的研究开发、利用，大大提高计算机的仿真软件的功能与性能，解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。随着以智能化、集成化、自动化、并行化、开放化以及自然化、为标志的计算机仿真软件新技术的深入研究、开发、利用，不仅是仿真软件的功能与性能迅速提高，而且有可能从根本上解决仿真软件生产率低下的问题。结合软件工程实践，探讨软件理论，有可能从理论弄清楚软件开发的复杂度，进而采取有效的测试进行控制，从理论与实践两方面解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。

六、计算机仿真技术的支撑技术

计算机仿真技术的支撑技术主要有分布式计算机仿真技术、协同式计算机仿真技术、沉浸式计算机仿真技术、基于网络的环境计算机仿真技术。

计算机仿真技术分布式，既是由于数据分布的需要，也是应用分布式计算环境进行并行计算，以达到实时显示目的的重要手段，分布式计算平台有互联网的异构机组成，包括高性能的SMP和DSM多处理器、工作站/PC机机群系统。

来自不同地区、不同学科的学者过去式通过出差或开会等方式进行交流的，现在，随着高速网络投入使用，采用多媒体技术支持下是、的CSCW技术可以达到快捷、高效协同工作的目的。

计算机仿真技术采用传统上为虚拟环境所装用的投影式显示设备，标志着这两个研究方向融合的发展趋势。由于沉浸式显示设备能使用户获得临场感，更有利于用户获得对数据的直观感受，有助于结果的分析。

七、仿真系统的作用和意义

随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成各种复杂系统研制工作的一种比不可少的手段。尤其是在航空航天领域，仿真即使已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段。在研制、坚定、和定形全过程必须全面的应用先进的仿真技术。否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。

计算机仿真技术在军事的应用是很广泛的，如运用交战模型进行的计算机仿真，新型武器装备发展过程中的仿真、部队作战训练方面的仿真、高层论证和规划计划中的仿真、军事作战理论和学术研究中的仿真、作战指挥和战争计划中的仿真，以及战后后勤保障的仿真等。

参考文献

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【关键词】城市仿真；应用系统；城市规划

一、引言

Bill Gates认为：“在当今世界，一座城市如果不跟踪最新观念，将技术运用到极限，明天它就可能成为一座鬼城。” 近年来，伴随着计算机及网络技术的飞速发展，数字化潮流已是全球经济发展的必然趋势，建立在城市信息化平台上的虚拟银行、虚拟商务、虚拟政府、虚拟学校、虚拟影剧院、虚拟旅游、虚拟医院等已纷纷出现。由于城市的各个子系统都可以在计算机中直观地发映出来，从而可以很方便地对城市的物流、人流、信息流进行集中而有效的控制和管理。所以，如何利用先进的计算机技术实现现代城市本身的数字化，是城市管理者、规划部门、企业、城市居民所共同关心的问题，而城市仿真技术作为数字城市的支撑技术之一，也成为当前的研究热点。

二、城市仿真技术简介

2.1什么是城市仿真

城市仿真(Urban Simulation)对大多数人来说，还是一个比较陌生的概念。简单来说，“城市仿真”就是将“虚拟现实”技术应用在城市规划、建筑设计等领域。近几年，城市仿真在国内外已经得到了越来越多的应用，其前所未有的人机交互性、真实建筑空间感、大面积三维地形仿真等特性，都是传统方式所无法比拟的。

2.2与传统方法的比较

传统的规划、建筑设计表现方法基本包括以下4种：人工手绘、建筑微缩模型、建筑效果图和三维动画。其中，人工手绘（或非真实渲染-NPR）只是偶尔作为点缀用在早期的概念设计中。建筑效果图、三维动画、建筑微缩模型是目前广泛采用的三种方式。由于其市场的成熟，单做其中某一个或几个方面即可支撑一个中型公司(100人以下)的发展。

这三种方法虽然流行，但它们各自的不足还是很明显的。制作建筑微缩模型需要经过大比例尺缩小，因此只能获得建筑的鸟瞰形象，无法以正常人的视角来感受建筑空间，无法获得在未来建筑中人的真正感受；常用的效果图表现也只能提供静态局部的视觉体验；三维动画虽然有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，人是被动的，而且对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算，几天甚至几周后才能看到结果。

而在城市仿真应用中，人们能够在一个虚拟的三维环境中，用动态交互的方式对未来的建筑或城区进行身临其境的全方位的审视：可以从任意角度、距离和精细程度观察场景；可以选择并自由切换多种运动模式，如：行走、驾驶、飞翔等，并可以自由控制浏览的路线。而且，在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。这是传统的建筑效果图和预渲染回放的三维动画所无法达到的。

2.3城市仿真技术的重点

1、在一定软硬件的基础之上，创建尽可能真实的场景

在城市仿真中，场景的真实感是最为关键的一个因素。而如前面已提到过的，由于实时三维渲染的要求及硬件显示能力的限制，场景的复杂程度不能太高。同时，由于实时仿真技术的限制，一些比较费时的渲染选项，如动态阴影、Bump map等实现起来还有一定困难。这些都会直接影响场景的真实感。

在硬件渲染能力的限制下，为创建尽可能真实的场景，一方面需要发掘各种软件的功能，进行优化组合；另一方面，要发展更为高级的算法，如程序几何（Procedural Geometry）和分形算法（Fractal Mathematics）。

但“发展算法”不是一件简单的事，非个人所能为，只能是由某家公司开发出相应的软件，我们再来应用。所以，从一般的制作者而言，要创建真实场景还是在于充分利用各种已存在的软件工具。从实际的开发经验来看，主要有以下几种软件：

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实时三维模型创建软件：Multigen Creator；

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纹理处理软件：Photoshop

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实时场景管理/驱动软件：Vega

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辅助软件：

建模方面可以用3DsMax/Maya辅助，Maya有免费的flt文件(Multigen Creator格式文件)输入/输出插件，3DsMax则要通过Okino Polytrans软件来进行格式转换；

在三维纹理贴图方面，可用DeepPaint 3D和Deep UV辅助；

在灯光效果贴图方面，可用Lightscape；

AutoCAD用于接收用户原始DWG文件，预览并输出DXF。

在项目之初，就要详细规划、分配任务，根据任务思考如何充分利用上述各种软件达到最终效果。除了从这几个方面着手以外，我们所能期待的就只能是计算机硬件显卡能力的迅速提高了。

2、在三维漫游的基础之上，开拓新功能

不满足于仅仅简单的三维场景漫游，在此基础之上进行人机互动效果的开发，并和用户应用紧密结合，如在Vega/VC下开发数据库点击查询、三维/二维结合、多媒体结合、3D GIS(地理信息系统)等。 三、城市仿真应用系统与城市规划

由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高，城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计，在规划的各个阶段，通过对现状和未来的描绘（身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等），为改善人居生活环境，以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众，在城市规划中扮演不同的角色，有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。城市仿真技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用城市仿真技术建立的城市仿真应用系统能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众在一个统一的平台上，可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。

3.1城市仿真应用系统的应用范围

城市仿真应用系统可被广泛应用于规划设计、方案评估、领导决策、规划审批、市民公示、宣传展示及招商等各方面。

3.2城市仿真应用系统的特点

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仿真的虚拟环境:

类似于时下流行的三维动画，同样是通过强大的三维建模技术建立逼真的三维场景，对规划项目进行真实的“再现”。但是城市仿真技术建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成，严格遵循工程项目设计的标准和要求，属于科学仿真系统；而传统动画的三维场景则是由动画制作人员根据资料或想象绘制而成，与真实的环境和数据有较大的差距，严格意义上来说属于一种演示作品。

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多方式、运动中感受城市空间：

在城市仿真应用系统中，可以全方位，多种样式（步行、驱车、飞行、UFO等），完全由用户自由控制在场景中漫游。城市仿真技术与传统的三维动画最根本的区别就是：传统动画的观察路径都是预先设定好的，用户只能按照事先设定的路径浏览场景；而城市仿真技术可以由用户在三维场景中任意漫游，人机交互，甚至还可以使用专用的头盔把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来，产生一种身临其境的错觉。这样一来，很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现，减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾，大大提高了项目的评估质量。

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实时多方案比较：

运用城市仿真应用系统，我们可以很轻松随意的进行修改，改变建筑高度，改变建筑外立面的材质、颜色，改变绿化密度，……所看即所得，只要修改系统中的参数即可，而不需要象传统三维动画那样，每做一次修改都需要对场景进行一次渲染。这样不同的方案、不同的规划设计意图通过城市仿真技术实时的反映出来，用户可以做出很全面的对比，并且城市仿真应用系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整，辅助用户作出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修正的效率，也节省了大量的资金。

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三维空间信息交流：

城市仿真应用系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击，获得身临其境的体验，还可以通过其数据接口与GIS信息相结合，从而可以在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料，方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要。此外，城市仿真应用系统还可以与网络信息相结合，实现对三维空间数据的远程操作。

3.3城市仿真应用系统的功用

一套完善的城市仿真应用系统能够很好的展示城市规划、宣传城市建设、提升城市形象。系统根据城市的当前状况和对城市的未来规划，将城市的过去、现在和将来任意时间的情况展示在规划设计者、政府决策者、投资开发者和普通市民面前。系统首先根据城市的当前状况和对城市的规划资料完成城市的设计，然后该系统的交互控制软件可以帮助使用者从不同角度遍历城市的各个部分，帮助有关人员作出决策。

提高项目管理能力和效率

规划部门使用城市仿真应用系统，可以使方案评估更为准确、公正和快捷。另外，如果系统中需要增加新的项目，或其中的项目遇到方案修改，可以随时导入或更新系统的数据信息，并且可供日后存档，极大地方便了政府规划管理部门的管理工作，提高了效率，节省了成本。

提高公众参与度和部门协同作业

由于城市仿真技术打破了专业人士和非专业人士之间的沟通障碍，使得各部门能够在统一的城市仿真应用系统平台下进行交流，能更好的理解设计方的思路和各方的意见，能更快的找到问题、达成共识和解决一些设计中存在的缺陷。

提高方案设计和修正的效率

通过城市仿真应用系统，我们可以很轻松随意对设计方案进行修改，改变用地布局，改变建筑高度，改变绿化密度，改变外立面的颜色……所看即所得，只要修改系统中的参数就可以轻松实现，大大加快了方案设计的速度和质量。

提高展示和城市形象宣传的效果

城市仿真应用系统的沉浸感和交互性不但能够让用户获得身临其境的体验，同时还能随时获取项目的相关数据资料。对于公众关心的大型规划项目，在项目方案设计过程中，城市仿真应用系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示，让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后，也可以通过视频输出制作多媒体宣传片，进一步提高项目的宣传展示效果。

四、结语

篇10

关键词: OpenGL，三维模型，系统仿真

Abstract: this paper introduces the concept of system simulation and OGL in establishing the function characteristic of the simulation model, and the simulation system, and the application of the simulation system based on subject development, very good that the established with OpenGL simulation model is convenient, easy to control the modeling, etc.

Keywords: OpenGL, 3 d model, the system simulation

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1、引言

系统仿真是近30 年在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术和控制工程等多种技术发展基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术。计算机系统仿真就是，以计算机为工具，以相似原理、仿真技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。从计算机系统仿真的定义可以看出，计算机系统仿真包含了三个方面的信息（三要素）：系统、模型、计算机，而联系着它们三者之间的基本活动是：系统模型建立、仿真模型建立、仿真试验。

“系统”是指被研究的对象，任何事物都不是孤立地存在着的。因此，仿真研究的对象也不可避免地与其周围的环境之间存在着相互联系。建立系统模型就是要把待研究的系统从周围的环境中界定出来，并把它描述成数学模型。建立被研究系统的数学模型， 就是为了能用计算机语言实现。从数学模型到仿真模型的转换过程，就是仿真模型建立。只有经过转换后的仿真模型才能为计算机识别并运行。综上所述，建立仿真模型是系统仿真的关键一环，选择什么工具来建模也显的由为重要。在这里就我们的课题，工业机器人动态仿真选用的工具OpenGL来探讨。

2、 OpenGL 的功能特点

OpenGL 是SGI 公司推出的三维图形库（GL），它表现突出，易于使用而且功能强大。利用GL开发出来的三维应用软件颇受许多专业技术人员的喜爱，随着计算机技术的继续发展，GL 已经进一步发展成为OpenGL，OpenGL 已被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准。OpenGL最大的特点首先是与硬件无关，可以在不同的平台上得于实现，用OpenGL编制的程序，可以随心所欲的控制三维模型，由于OpenGL同时提供了颜色缓存、模板缓存、深度缓存、累积缓存等基于双缓存技术的动画操作函数，因而可以实现实时的虚拟仿真。其次是建模方便，OpenGL不仅提供基本的三维几何像素生成函数，而且提供了大量的点、线、面以及曲线曲面等基本图元操作函数，可以构建相当复杂的几何造型。第三个特点是高度的真实感显示，由于OpenGL 提供了大量的着色、光照、景深、阴影、混合、消隐、反走样、明暗处理、图像处理、纹理映像、深度检测等功能函数，保证了三维仿真图形显示具有高度的真实感。第四OpenGL 具有出色的编程特性，OpenGL 体系结构评审委员会独立地负责OpenGL规范，使之具有通分的独立性。程序的通用性和可移植性。由于OpenGL可以集成到各种标准视窗和操作系统中，因此基于OpenGL的三维仿真程序有良好的通用性和可移植性。最后是应用广泛，Microsoft 、SGI、IBM、SUN、HP 等都采用OpenGL作为三维图形标准，许多其它软件商也纷纷以OpenGL作为基础来开发自己的产品，目前已成为高质量三维图形的工业标准 。

3、OpenGL 在仿真中的应用

以上的优点决定了OpenGL在建立仿真模型时的优越性，我们在建立多自由度工业机器人模型时选用了OpenGL。

3.1 工作过程

OpenGL的指令的解释模型是客户/服务器模式，既客户(试图用 OpenGL进行绘制工作的应用程序)向服务器(OpenGL的内核)命令，这些OpenGL命令由服务器来解释。基于客户/服务器模式，在网络环境下很容易使用OpenGL，且在不同计算机上的多个客户可以得到在其它计算机上服务器的服务。这样OpenGL就具有网络透明性。

OpenGL的库函数被封装在Openg132.dll动态链接库中，从客户应用程序的对OpenGL函数的调用首先被Opengl32处理，在传给服务器后，被Winsrv.dll进一步进行处理，然后传递给DDI(Divice Driver Interface)，最后传递给视屏驱动程序。

3.2建立的仿真模型

由于机器人是一个复杂的物体，为了建模的方便，有必要把它分解为一个个图形模块。然后把模块集成起来，组成整个机器人模型，同时我们知道工业机器人大体上是由机座，关节和杆件联接组成，据于此我们设置了如下三个图形

模块函数：

（1）基座模块函数

（2）杆件模块函数

（3）关节模块函数

各个模块按不同的顺序进行组合,经过大量的平移和旋转，然后渲染就能得到效果图。

我们可以进行多自由度工业机器人的运动分析和动力分析，相对简化了工业机器人的开发过程，降低开发费用，缩短开发周期。

参考文献

[1]吴重光主编.仿真技术[M].北京: 化学工业出版社,2000,5.

[2]Richard S.Wright ,Jr.Michael.OpenGL超级宝典[M].北京: 人民邮电出版社, 2001,6.