虚拟仿真技术论文范文
时间：2023-03-31 03:52:40
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虚拟仿真(VR)即虚拟现实，是一种采用计算机为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生如同真实环境的感受和体验。尽管该环境并不真实存在，但它作为一个逼真的三维环境仿佛就在我们周围。由于用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉，用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态。
2国内外研究现状
2．1国内研究现状
尽管国内虚拟仿真技术起步较晚，但是随着信息技术在社会各领域中的广泛应用，信息化教学已成为信息技术和信息资源与教学相结合的教学形态，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逐步渗透到教学领域。虚拟仿真技术在医学教学及某些医学手术应用领域得到不同程度的应用和研究。在护理学教学中，作为实践性很强的综合性应用学科－护理学基础，其护理专业实践教学约占该课程总学时的一半，也是培养护生临床实践能力的主要途径之一。然而传统的由教师演示－学生练习－教师指导的护理实践教学模式已经不能满足学生的需要，非常有必要对护理实训教学进行改革和创新。随着虚拟仿真技术在一些实践性要求高的专业中的大量应用及研究，国内某些医学院校的护理学基础实验教学也不同程度地开展了仿真技术在护理实践教学中的应用与研究，如高仿真模拟人技术早已投入护理专业实践教学中，并被应用在《内科护理》教学中并收到良好的效果，还有以主要训练护生的单项护理操作技能为目的的专项护理技能训练，如手臂模型可以模拟人类真实的血管，穿刺过程中有落空感和模拟真实血液流出，高级电脑心肺复苏模型可以进行心肺复苏的模拟训练，大小与真人相仿，在操作时可有语音提示和报警声来显示其操作的正确性。虚拟仿真技术还可以使用在一些不宜在真人身上实练(如鼻饲法、导尿术等)的护理实训课的应用。2007年大连大学职业技术学院以“探索出适合中等职业技术教育的网络教学模式，提高中等职业教育运用现代教育技术手段水平”为目的开展的“护理技术模拟教学系统”项目的研发卓有成效，该研发项目提出了包括13个模块，每个模块由教学演示、模拟操作、考核测评三大部分构成的护理技术计算机虚拟仿真实训教学软件系统，该教学软件系统的研发为虚拟仿真技术在护理实训练习中的开展和推广应用提供了参考。2009年贵州遵义医学院护理系进行了护理学基础虚拟实验室的研发，是一次将虚拟仿真技术应用于基础护理实践教学的一种有效尝试，可推广应用于国内各护理院校和各大医院的实验教学和继续教育培训与考核，有着较广阔的应用前景。重庆市卫生学校已经开展并建成仿真急救护理实训室，为其他护理院校提供了可借鉴的急救实训基地模式和实训方法。同时，虚拟仿真技术在职业技能培训中发挥的作用越来越大，也正被广大的职业教育工作者所接受。目前高职院校招生人数逐年增加，学校实验室及传统的教学模式已经远远不能满足师生的需要，寻找一种行之有效的技术手段来缓解传统实践教学模式所带来的压力，是许多高职院校的当务之急，将虚拟仿真技术应用于护理实践教学是解决以上问题的关键，更是培养最优秀的护理毕业生的必由之路。
2．2国外研究现状
美国在培养护生的过程中由于医院及患者等方面的原因，护生在临床实习中很少有机会在患者身上进行练习操作技能，同时护理院校理论课程的增加及实践教学课程的压缩也大大减少了护生们开展实践练习的机会。鉴于此，开展虚拟仿真技术在护理实践教学中的应用也是非常有必要的。美国的虚拟仿真技术在不同行业的运用，包括在护理教学中的应用开展的都比较早。美国纽约州立大学护理学院早在1996年就开展了虚拟仿真技术在静脉输液中的应用研究，虚拟仿真技术在护理实践中的作用是一些模型、录像带等所不能比拟的，后者不能给护生带来真实的感觉，而虚拟仿真可以，并且大大减少了护生在真实的临床护理操作中给患者带来的不适。常用的虚拟仿真技术有两种，身临其境式和非身临其境式，前者技术要求较高，需要利用一些传感工具，如头盔、手套、跟踪器等，让用户置身于虚拟境界中，虽然设备昂贵，但因其具有很逼真的护理情境而对护理教学产生深远的影响，非身临其境式，因其实用性和实惠性被广泛运用到护理教学中。随着从事护理教育的工作人员数量的减少，虚拟仿真技术同样运用在一些护理学远程教学、成人继续教育、护理技能培训等项目。虚拟灾害环境的护理措施的研究更是拓展了虚拟仿真技术在护理教学领域中的运用。20世纪80年代，美国便应用虚拟仿真技术建立了用于考试和教学的临床病例库，即虚拟临床浏览(VCE)。到目前为止，在护理教育领域，虚拟临床浏览系列教学软件和指导手册已发展到覆盖内外科护理学、妇产科护理学、儿科护理学和护理学技术等课程，并且提供网络学习资源。虚拟临床浏览结合护理教科书，建立了虚拟医院，进入虚拟医院，可以学习沟通、记录、评估和安全给药。虚拟医院的建立可以帮助护生熟悉日常护理工作，从而提高临床判断和批判性思维能力。还有已经在英美许多医学院校使用的CathSim静脉穿刺训练系统包括软件和触觉反馈装置即静脉穿刺用的胳膊和一台电脑，可设置在实际工作中可能遇到的不同年龄、血管状况以及疾病严重程度的各类患者。由日本NEC公司研制的“SimCoeur”软件系统可以模拟急诊患者每分钟的临床表现，还可以设置1000余种患者情境，可以使护生面对不同的患者，很好的锻炼了护生的应变能力，并且能够快速地对护生所进行的操作进行反馈。同时该公司研制的“SimNursing”模拟急诊患者软件系统，已于1998年投入日本市场，该软件系统可进行护理程序的模拟训练，学生能按照完整的护理程序对患者进行全程护理。多款软件的研发和应用为虚拟实验室的建设提供了技术支持，其中最有代表性的就是Mathworks公司推出的MAllAB语言，美国NI公司推出的LabVIEW图形化编程语言及美国ELANIX公司推出的SystemView软件。
3发展趋势
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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。
篇3
关键词：虚拟仿真，3DMAX，GLStudio，Vega
1.概述
大学物理实验是物理教学中的一个重要组成部分，由于有些物理实验，特别是近代物理实验其实验仪器集成度高，操作步骤复杂，往往成为物理实验中的难点，再加上条件的限制，除实验课外，学员很难直接面对设备进行预习或复习，同时在预习中由于操作不善而损坏仪器的现象也时有发生，因此利用虚拟仿真技术，在计算机上仿真物理实验，来提高学员对物理实验的学习是十分必要的。采用这种技术，具有方便性、无破坏性、经济性以及高仿真性等特点，对学员掌握物理实验具有重要的意义。
对物理实验的仿真我们首先是对各个独立的物理实验进行仿真，然后再把他们集成到一个系统环境下。免费论文参考网。以下我们以夫兰克—赫兹实验为例来说明单个物理实验的仿真过程。实验仪器如下图所示：
由于原子能级的存在，当电子与原子发生碰撞并进行能量交换时，每次交换的能量就会受到原子能级的制约，因此我们就可以通过测量碰撞后电子能量的变化来验证原子能级的存在。由于本实验的集成化高，属于验证性实验，通过虚拟仿真几乎可以真实再现实验的整个过程。
虚拟仿真作为一种新型人机接口，不仅使参与者沉浸于计算机产生的虚拟世界，而且还还提供用户和虚拟世界之间的直接通信手段。它具备3个基本特征
（1）沉浸：这是VR系统的核心，指使用户投入到由计算机生成的虚拟场景中的能力。用户在虚拟操作训练场景中有“身临其境”之感。
（2）交互：指用户与虚拟场景中各种对象相互作用的能力。它是人机和谐的关键因素。交互性包含对象的可操作程度及用户从环境中得到反馈的自然程度、虚拟场景中对象依据物理学定律运动的程度等，以用户的视点变化进行虚拟交换。这个过程中最重要的因素是实时性。实时性是指计算机能够响应用户的输入并立即改变虚拟场景的状态。免费论文参考网。
（3）构想：虚拟现实不仅是一个用户与终端的接口，而且可使用户沉浸于此环境中获取新知识，提高感性和理性认识，从而产生新的构思。把这种构思结果输入到系统中去，系统会将处理后的状态实时显示或由传感装置反馈给用户。
虚拟仿真的核心是建模与仿真。就建模与仿真本质而言，它是对真实物理系统在某一层次上的抽象。与实际的物理系统相比，用户在这个抽象模型上可以更高效、更节省、更灵活、更安全地对物理系统进行了解和设计。
2.系统分析与模型的建立
模型的建立分三维立体模型的建立和仿真面板的制作。免费论文参考网。对模型的建立本系统采用3D MAX建模工具对模型进行几何建模和行为建模。利用3D MAX软件来进行三维建模和纹理贴图，生成一个高逼真度的所需模型。首先我们用3D MAX建立夫兰克—赫兹实验仪、示波器、微机以及实验室模型，并在3D MAX中进行贴图，使所做仪器仿真度更高。
对于仪器面板，本系统采用的是GL Studio软件进行建模制作，比如夫兰克—赫兹实验仪的面板、示波器面板和微机显示屏上的显示画面都是用GL Studio来制作完成的，制作流程如图所示：
在第二个过程中，图片处理的结果是面板美观形象的决定性阶段；第三个阶段则是本实验仿真的决定性阶段，因为实验的操作响应、交互实现、实验现象的再现都是在这个过程完成的。这一过程又可分为三个部分来完成：（1）是夫兰克—赫兹实验的手动操作，这在GL Studio中一个面板内既可完成；（2）是利用微机采集数据来自动完成实验，得到实验数据并在V—I图中自动绘制数据曲线，在这个过程当中，可以在GL Studio中分别生成夫兰克—赫兹实验仪的面板和微机显示器面板的动态库，把它们作为元件在导入到另一个GL Studio中进行互联；（3）是将数据输出到示波器形成V—I曲线，这个过程的制作方式与第二部分相似。在第四个过程中主要是集成过程，Vega是MultiGen-Paradigm公司开发的一个面向对象的著名的虚拟现实平台，它包括图形环境Lynx，一套可以提供最充分的软件控制和最大程度灵活性的完整的应用编程接口，一系列相关的库和Audio Work2实时多通道音响系统。Lynx是Vega提供的带有图形用户界面工具集，并通过设定参数与相互间关系，可以实现简单的仿真应用程序，同时为虚拟系统的开发提供必要的支持，如模型、场景和交互设备等。
3.实验的最终集成
在单个物理实验完成之后，要把它们集成到统一的系统当中，我们的系统是用Visual C++作为软件平台进行集成。在VC中完成操作界面和目录，点击各个目录进入各个独立的物理仿真实验当中由于各个实验是独立的，因此过程的制作相对简单。
结束语
本文提供了一种使用3DMAX、GL Studio和Vega进行虚拟仿真系统开发的方案，这个方案是基于微机平台设计的，具有较好的通用性，它不受实验仪器的限制，给学员提供了一种较好的练习和复习的手段，其仿真度高，是其他预习和复习手段所不能代替的。
参考文献：
[1] 张秀山. 虚拟现实技术及编程技巧.国防科技大学出版社.1999
[2] 曾芬芳. 虚拟现实技术.上海交通大学出版社.1997
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论文摘要：运用虚拟现实仿真 (VRS)进行实验教学是激发学生学习兴趣的有效途径。针对大学生的学习特点，分析了传统教学方法的不足，探讨了基于虚拟现实仿真的“生产与运作管理”实验教学的特点、内容和形式，有助于高校教师优化教学过程，提高教学质量和教学效果。
纵观我国工商管理本科专业人才的就业去向可以发现，毕业生就业去向大都是金融业、政府机关和高校，极少有人自愿去制造企业工作，即使到了制造企业，也只愿意去财务或营销部门，而不愿去生产管理部门，原因是生产管理部门的岗位工作环境较差，待遇较低，付出多，导致集中了企业绝大部分财力、人力、设备及其他资源的生产系统受到冷落。在这样的人才使用环境中，学生对于与生产管理相关的课程自然就不重视。然而，从工业发达国家看，近年来，纷纷将注意力转移到生产领域，企业界和学术界也都开始重新审视企业内部的生产系统及其管理理论，将生产战略问题作为企业经营战略的重要组成部分来研究。可见，创新教学方法，增强学生学习 “生产与运作管理”课程的兴趣，具有非常重要的现实意义。
1 生产与运作管理课程的教学调查和教学方式的分析
1．1 教学调查
在浙江省精品课程 “生产与运作管理”的建设过程中，为了有针对性地开展课程教学方法改革，我们就本课程的学习，于2007年对我校 04级工商管理专业40名学生做了一次调查，得到如下结论：
(1)由于学生没有实际工程背景，缺乏对企业生产与运作管理的感性认识，对于生产与运作管理的一些理论和方法理解有一定困难；
(2)学生对生产与运作管理课程的认识存在误区，对相关理论知识掌握不熟练，对未来是否从事生产管理工作信心不足，导致学习该课程的动力不足：
(3)随着非制造业在国民经济中地位的提升以及制造业和非制造业现实的工作性质、工作环境和条件、工资待遇等方面的差异，决定了学生对以制造业为主体的生产与运作管理课程热情不高；
(4)学生对传统的案例讨论、观看录像、企业参观、专家讲座、计算机辅助教学等教学模式基本认可，但是对创新教学方法和手段的需求更为强烈。
1．2 教学方式分析
生产与运作管理是一门实践性、操作性强的课程，教学 的关键是让学生产生 “真实感”。教学方式除了课堂授课外 ，传统的教学方式主要有如下几种 。
(1)观看录像。这种方式比较简单，国外教材都配有相应的录像教学光盘，学生通过观看录像了解国外先进企业的生产与运作管理经验。比如针对质量管理专题，播放美国著名酒店的全面质量管理录像；讲授 5s现场管理，播放一盘有关现场改善的录像；讲到供应链管理、库存管理时，根据需要选择相应的录像播放。
观看录像这种方式存在 2个问题，一是现有录像大多是英文版，录像的对话比较快，多数学生听不清楚。另外，录像内容以综合性为主，缺乏针对国内生产管理的专题教学光盘。
(2)参观企业。这是一种比较好的理论联系实践的学习方法，能够让学生真实感受到企业的实际生产隋景，并对照所学的专业理论知识加以思考。比如，针对绍兴纺织特色，选择了纺织印染企业作为参观对象，让学生到生产车间看设备布局、生产流程、生产计划与调度、质量控制、现场改善与员工的班组建设等基层运作管理。
这种方法在实施中存在困难，主要是没有建立固定的教学基地，与企业没有稳定的关系；而且，随着学生人数的逐年增多，许多企业对学生参观不感兴趣。
(3)邀请企业专家讲座。对于某些实务性、技巧性比较强的内容，如生产调度、员工指派、班组建设、现场改善等，请企业专家结合自己的工作实际，现身传授管理技巧和经验，比任课教师讲效果好，印象深。
与参观一样，邀请专家也存在一定困难。由于企业的工作繁忙，很难保证企业专家能按照课程的教学时间来安排讲座，这样很有可能打乱教学计划。
(4)案例讨论。教学案例一方面可以增加学生的实践知识，另一方面帮助学生深入理解相应的教学内容，提高学生分析问题、解决问题的综合能力。生产与运作管理课程案例不同于其他管理课程的案例，它的特点是需要生产与运作管理理论知识作基础解决实际问题。比如：生产能力规划案例只有在学习完生产能力查定办法相关理论的基础上，才能进行案例分析；库存管理案例的中心是解决库存问题，如果不了解库存管理理论，是很难进行案例讨论的；又比如网络计划案例，在讨论的时候，学生首先要对网络计划技术有所了解，然后才能进行案例分析。
目前好的生产与运作管理案例不多，主要问题是：案例篇幅太长，描述性内容多，真正反映生产与运作管理的实际数据和实际场景模拟少，教学效果不佳。
(5)传统的计算机辅助模拟实验教学系统(实验教学软件)。采用计算机和多媒体辅助实验教学，教师可以精心设计教学内容，使复杂问题简单化，繁琐问题条理化，抽象问题具体化，具体问题概括化，使教学过程以直观的形式达到人机一体，便于围绕某一学习主题进行密集、快速的活动，同时增加了课堂教学的密度和广度。目前本课程中常用的实验软件主要有物料需求计划／制造资源计划实验 (MRP／MRP II)、项 目进度计划实验 (PERT)、质量管理实验 (排列图、因果图、直方图、控制图)、工作分析与工作研究实验等。
从近年来的实施情况看，学生对这种传统的计算机辅助实验教学开始产生视觉疲劳，兴趣逐步减弱。原因在于某些实验教学软件只是教学形式的变化，更多的是将重点放在了生产与运作管理活动教学模型的求解上，而对于更为重要的企业业务流程分析、经济模型构建与咨询诊断等功能没有真正体现。实验过程中，学生只要记住几个参数，并输入到软件规定的相应位置，就可以得出实验结果，不能真正起到培养学生知识运用能力和创新能力的目的。另一个主要原因是该课程实践性很强，而高校教师普遍缺乏企业生产管理的实际经验。某些教师一直从事教学工作，没有企业的从业经历，或者即使有一定的生产管理的实际经验，也由于长期在高校从事教学和学术研究，对企业目前生产运营中的某些实际问题的了解不够深人。由于实际管理经验的缺乏，教师容易在教学中造成理论和实践脱节、枯燥和不生动等问题。
2 虚拟现实仿真技术在“生产与运作管理”教学中的应用
随着管理思想的发展和新技术、新方法、新成果的不断涌现，生产与运作管理学科的范围和内容在不断拓展，仅仅依靠人的经验及传统的计算机技术难于满足越来越高的要求。基于现代计算机技术及网络的虚拟现实仿真技术，已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。借助虚拟现实仿真技术进行本课程的实验教学，对企业业务活动进行多维仿真，给学生产生各种感官信号，使学生有身临其境的感觉，并能使学生与虚拟现实环境之间进行多维信息的交互，从定性和定量结合集成的虚拟环境中获得企业生产运作活动的感性和理性认识，体验、接受和认识客观事物，深化对概念、原理和方法的理解，进而提出设计创意。在制造业生产系统的规划、设计、运行、分析及改造的整个生命周期，都可以使用虚拟现实仿真技术进行实验教学，具有代表性的主要有如下几种。
(1)用于产品研发的仿真实验。产品研发过程可分为概念设计、细节设计、评审和再设计阶段。每一阶段又可以细分，如详细设计可分为总体CAD、零部件 CAD、计算机辅助工程、可制造技术、可装配性设计等。产品研发过程的仿真实验就是对上述活动进行模拟，让学生从进度、资源和成本等指标进行综合分析，选择集成的最优方案。
(2)用于车间设施规划和布局的仿真实验。根据车间之间和车间内部空间的组织方式，采用虚拟现实仿真技术模拟各种方案，判断车间整体布局是否能满足车间调度要求，车间设备是否得到充分利用，负荷是否比较平衡，物料处理系统是否能够和车间的柔性程度相适应，生产制造运输费用是否合理等。例如在流水线生产系统的仿真实验中，运用WITNESS仿真软件模拟流水生产过程，加深学生对流水线组织设计与技术设计的理解和掌握，让学生学会对流水线进行控制。目前国内外用于辅助车间生产系统设计的仿真软件有 PURDUE大学开发的 GCMS，System Modeling公 司开 发的 SIMAN／CINEMA，Auto Simulation公司开发的 AUTOMOD／AUTOGRAM和清华大学开发的 IMMS等。
(3)用于车间生产调度的仿真实验。车间内部的生产调度问题包括：确定工件的加工路线，确定工件在机器上的加工工艺和加工时间，选择运输路线和工具，指派加工工人等。生产调度仿真实验就是对这些调度问题进行分析和评价，目前已经有一些成熟的软件可用来仿真调度问题，如 Autosched、JobTimePlus、FACTOR、FACTOR／AIM和 SIMNETD等。我国也已研制开发了用于车间调度层面的仿真软件，如南开大学研制的JobShop，清华大学与航天部204所等单位开发的工厂仿真调度环境FASE，以及在此基础上开发的智能规划调度系统等。
(4)用于物流与供应链管理的仿真实验。从生产线到车问到整个工厂，再到供应链系统的库存、瓶颈、流程、协作和信息共享等方面，通过仿真可以快速改变和优化系统的流程逻辑和决策数据的灵敏度分析。如：在物流系统中配送路线的优化实验中，运用 WITNESS软件的设计功能，根据规划与物流分析的主要内容，以物流系统中运输成本最小为目标，设计物流系统中的配送路线，使整个配送路线最优，从而达到运输成本最低；在垃圾回收物流仿真系统设计实验中，仿真程序研究如何设计物流系统，使收集系统在满足时间约束、载重约束的条件下，使垃圾处理公司的物流总成本最低。系统涉及的指标主要有车辆载重量、随车工作人员数和客户满意度。
总之，虚拟现实仿真技术在制造业的应用已经贯穿于产品设计开发、生产计划制定、加工、装配、测试和销售的整个生命周期。
除了上述单一企业的生产管理的虚拟现实仿真技术外，用于虚拟企业业务流程集成的虚拟现实仿真技术正成为仿真技术研究的热点。比较典型的仿真实验软件是 CIM—OSA，在应用 CIM—OSA进行供应链分析与设计时，系统描述了2个仿真工具的开发和设计。其一是在 Arena仿真平台上开发的单机后勤仿真器，其二是基于 Internet的虚拟企业内供应链集成仿真环境。在基于 Internet仿真器的功能设计上，每个供应链模块包括在线的Intemet应用和离线的信息管理 2个模块。Intemet系统在通用的www环境下进行开发，以支持各类广泛应用的Web服务器和浏览器。根据不同供应链伙伴的不同需求，如在线订购和在线库存量检索等，它们的应用系统将有所不同。
另外，虚拟现实仿真技术的应用也正在向服务业不断渗透。目前许多高校在生产与运作管理的实验课程中，都安排了服务业的相关仿真实验，代表性的是采用 Lanner公司提供的世界领先的仿真工具 WITNESS。通过 WITNESS对实际商业系统 (工业工程、制造工程、运作管理、供应链与物流、战略管理、业务流程)的建模和仿真，让学生了解不同制造业、服务业的运作流程。通过 WITNESS模型的交互菜单，学生可以作出不同的管理、运作流程项目的设计，并能够及时运行和获得系统的效果，给学生提供深刻的流程体验，使学生能很好地完成生产与运作管理课程的各项设计任务，达到真正提高教学效果的目的。
3 结束语
生产与运作管理是一门实践性很强的课程，从增加现实场景模拟、加强课堂师生互动、强化理论与实际结合等方面不断创新多样化的教学方法，对学生进行实践技能和科学研究方法的训练，不仅有助于学生巩固课堂所学知识，加深对生产与运作管理基本概念、基本原理和分析方法的理解，掌握从事企业生产与运作管理活动的基本技能，而且，能够拓宽学生的知识领域，锻炼学生的实践技能，培养科学严谨、求真务实的工作作风。
参考文献（References)：
[1]王晓燕．案例教学法在管理类本科教学中的应用研究 [J]．武汉科技大学学报：社会科学版，2007，9(4)：412．414．
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[3]许志端．《生产与运作管理》教学中企业参观的课程设计[J]．厦门大学学报：自然科学 版，2003，42 (10S)：144—147．
[4]王亚超，马汉武．生产物流系统建模与仿真 [M]．北京：科学出版社，2006．
篇5
This paper studies on the subject of production line, as well as the optimization methods, and then uses the simulation software Flexsim to make a model and simulate on sofa production line of the Sheng'Ao company, at last, analyse the simulation result, then found the bottlenecks of this production line. On this basis, optimize upon this bottlenecks, not only the operating rate improved dramatically, but also the final output increased a lot. Through the application of the simulation technology, a lot of problems in the modern enterprise can be solved, it can also solve some problems that simple mathematical methods can't, and on this basis to optimize it so the problems can be adequately highlighted in order to be resolved.
KEYWORDS: simulation technology、production line、Flexsim、optimize
正文目录
第一章 引言 1
第一节 研究背景与现状 1
第二节 选题的意义 2
第二章 生产线概论 3
第一节 生产线的基本理念 3
一、生产线的概念 3
二、流水式生产线的概念 3
第二节 生产瓶颈 4
一、生产线上的约束 4
二、节拍和瓶颈 4
第三节 生产线评价指标 5
一、生产线最终产量 5
二、操作器的利用率 5
第四节 生产线物流系统仿真方法的优势 6
一、传统生产线物流分析方法 6
二、仿真方法的优势 6
第三章 仿真技术的发展和应用 7
第一节 仿真技术的发展历史及其特点 7
一、仿真技术的发展历史 7
二.仿真技术的特点 7
第二节 仿真技术在生产系统中的应用与分类 8
一.仿真技术的应用 8
二.仿真技术的分类 9
第三节 物流相关仿真软件介绍 10
一、AUTOMOD 10
二、ARENA 10
三、EXTEND 11
四、FLEXSIM 11
第四章 生产线仿真建模 13
第一节 生产线仿真的基本过程 13
一 明确仿真目的 13
二 收集数据 14
三 建立系统的物理模型 14
四 建立系统的逻辑模型 14
五 模型确认 14
六 仿真模型运行 14
七 模型运行结果分析 14
第二节 模型介绍 15
一、圣奥沙发流水线简介 15
二、沙发制造部工艺流程图 15
三、模型实体 16
第三节 模型运行及其结果 23
一、仿真模型 23
二、仿真结果 25
第四节 结果分析以及模型改造 31
一、结果分析 31
二、模型改造 32
三、模型改进后的分析 38
第五章 结论与展望 39
参考文献 40
致 谢 42
第一章 引言
第一节 研究背景与现状
近年来，随着国内外市场竞争的激烈，我国加入WTO，企业面临巨大的挑战。物流的现代化越来越受到人们的关注。传统物流是一个流通与制造过程的附属品，其基本任务仅仅是完成商品流通或制造过程中物料的物理位置的转移，以确保流通或生产过程的正常运行，因此，物流的各个功能环节长期以来是相互分散和孤立的。现代流通与生产过程则是更加注重整体的效益。物流作为一个多因素、多目标的复杂系统，追求其整体的优化是一个复杂的系统分析问题。现代物流越来越多的强调物流的系统化合综合化，现代物流和传统物流的本质区别逐渐显现出来。正式由于现代物流的这一特点，尤其需要运用系统分析的方法对其进行分析研究。
生产线即产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。生产线需要接收和处理大量的产品设计、加工、制造资源等信息，合理调度加工零件。传统的经验分析和人工调度不能适应复杂系统和现代管理的要求。过去，一个企业有十几辆、几十辆车负责产成品的运输。车辆的调度完全依靠管理人员、调度人员的已有经验。今后，企业物流逐步走向社会化。企业要降低成本，缩短供货期，对物流提出了更高的要求。不仅仅满足于车辆的调配，更需要合理选择运输路线、合理配载和返程货物搭载等。而且，由于生产的逐渐多样化，服务的客户化，不再有一成不变的计划生产，市场不断变化的生产和供货，需要管理人员动态调整计划。人工的、经验式的管理必须用科学的控制管理方式代替。系统仿真正是适应了物流系统的复杂化、物流目标的多样化的发展需要。 人们在研究一个较为复杂的系统时，通常可以采用两种办法:一种是直接在实际系统上进行研究;另一种就是在系统的模型上进行研究。在实际系统上研究固然有其真实可信的有点，但是很多情况下是不合适甚至不可行的。这主要有以下几方面的原因:
(1)、需要考虑安全性。在研究重要的，涉及人身安全或设备安全的系统时，不允许在实际系统上进行试验，例如宇航系统，核能系统，航空系统等。
(2)、系统具有不可逆性。有很多系统是不可逆的，例如已经发生的灾害，生态系统等。
(3)、投资风险过大。一些重大的工程项目，重大设备系统很复杂，投资巨大，不允许在实际系统上进行破坏性的实验。
(4)、研究时间过长。多数情况下，在实际系统上研究问题往往需要较长的时间。例如研究复杂的生态系统一般需要数十年;研究一个交通运输系统也至少需要数天甚至数月。
(5)、真实的系统尚未建成。如果希望在系统规划设计阶段评价方案的优劣，显然无法在真实系统上进行。
出于以上主要原因，利用模型来研究系统不仅是必要的甚至在某些情况下是唯一可行的方法。
第二节 选题的意义
生产物流系统是企业物流系统的子系统，同时也是制造系统的重要组成部分。生产物流系统的优化不但可以提高企业生产中物流的顺畅程度、提高生产效率，还可以降低物料搬运成本；进而提高企业的成本、质量、交货期等各项系统性能指标。由于生产系统的复杂性、动态性和随机性，数学解析方法无法对整个生产系统的诸多特征进行建模，也就无法准确地进行投产方案的计算和优化。而系统仿真以相似论、计算机科学、概率论、数理统计和时间序列分析等为理论基础，能够真实地仿真随即时间，实时模拟生产系统的动态特性[1]，再现或预测所需的生产系统特征。
而Flexsim是一套系统仿真模型设计、制作与分析工具软件。它集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体，专门面向制造、物流等领域。运用Flexsim系列仿真软件，可在计算机内建立研究对象的系统三位模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计或改造方案。
本文以圣奥有限公司沙发生产线为例，通过仿 真软件Flexsim建立生产线仿真模型，进行物流和调度仿真，瓶颈设备和故障分析与生产线能力评估，为生产线规划与布局及生产调度计划制定提供可靠的科学依据。而用仿真软件做生产线优化还可以可以减少成本，三维效果好，最重要的是仿真优化结果明显。第二章 生产线概论
第一节 生产线的基本理念
一、生产线的概念
产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。狭义的生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。
生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效益。
二、流水式生产线的概念
流水线是指劳动对象按照一定的工艺路线，顺序的通过各个工作地，并按照统一的生产速度(节拍)完成工艺作业连续的、重复的生产过程。
流水生产方式是把高度的对象专业化生产和劳动对象的平行移动方式有机结合起来的一种先进的生产组织方式。
单品种流水生产线又称不变流水线，指流水线上只固定生产一种制品。要求制品的数量足够大，以保证流水线上的设备有足够的复合。
多对象流水生产有两种基本形式。一种是可变流水线，其特点是在计划期内，按照一定的间隔期，成批轮番生产多种产品;在间隔期内，只生产一种产品;在完成规定的批量后，转生产另一种产品。另一种是混合流水线，其特点是:在同一时间内，流水线上混合生产多种产品。按固定的混合产品组组织生产，即将不同的产品按固定的比例和生产顺序编程产品组。一个组一个组地在流水线上进行生产。
第二节 生产瓶颈
一、生产线上的约束
生产线的生产过程是一个按照生产工艺安排的有序过程。因此，可完成生产作业要素受到一定程度上的限制。例如，在安装仪器或者设备外壳前需要装上电动机。进行生产线平衡时，除了考虑优先约束之外还应考虑非生产工艺的约束：
(1)区域约束。它时与生产工位布置有关的限制，分为正区域约束和负区域约束。正区域约束是指某些确定的作业要素应该彼此就近设置;负区域约束是指作业要素之间相互干涉，在位置上不应靠近的限制条件。
(2)位置约束。在大型的生产线上，如汽车的装配线上，由于产品比作业人员可完成的装配作业空间大，不能完成其周边的装配作业，产品装配作业受到空间的限制。
二、节拍和瓶颈
流程的“节拍 ”（Cycle time）是指连续完成相同的两个产品（或两次服务，或两批产品）之间的间隔时间。换句话说，即指完成一个产品所需的平均时间。节拍通常只是用于定义一个流程中某一具体工序或环节的单位产出时间。如果产品必须是成批制作的，则节拍指两批产品之间的间隔时间。在流程设计中，如果预先给定了一个流程每天（或其它单位时间段）必须的产出，首先需要考虑的是流程的节拍。
而通常把一个流程中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈”（Bottleneck）。流程中存在的瓶颈不仅限制了一个流程的产出速度，而且影响了其它环节生产能力的发挥。更广义地讲，所谓瓶颈是指整个流程中制约产出的各种因素。例如，在有些情况下，可能利用的人力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障、信息流阻滞等，都有可能成为瓶颈。正如“瓶颈”的字面含义，一个瓶子瓶口大小决定着液体从中流出的速度，生产运作流程中的瓶颈则制约着整个流程的产出速度。瓶颈还有可能“漂移”，取决于在特定时间段内生产的产品或使用的人力和设备。因此在流程设计中和日后的日常生产运作中都需要引起足够的重视， 注意生产线平衡的持续改善。
与节拍和瓶颈相关联的另一个概念是流程中的“空闲时间”（idle time）。空闲时间是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间，可以指设备或人的时间。当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以外的其它工序就会产生空闲时间。这就需要对生产工艺进行平衡。制造业的生产线多半是在进行了细分之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工作业，简化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。然而经过了这样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，现实上都不能完全相同，这就势必存在工序间节拍不一致出现瓶颈的现象。除了造成的无谓的工时损失外，还造成大量的工序堆积即存滞品发生，严重的还会造成生产的中止。
为了解决以上问题就必须对各工序的作业时间平均化，同时对作业进行标准化，以使生产线能顺畅活动。“生产线工艺平衡”即是对生产的全部工序进行平均化，调整各作业负荷，以使各作业时间尽可能相近。是生产流程设计与作业标准化必须考虑的最重要的问题。生产线工艺平衡的目的是通过平衡生产线使用现场更加容易理解“一个流”的必要性及“小单元生产”（Cell production）的编制方法，它是一切新理论新方法的基础。
第三节 生产线评价指标
在生产线平衡中，通常可以使用生产线最终产量、工作时间、利用率、空闲率、阻塞率等几个指标来比较和评价生产线平衡的结果，而本文中主要用到生产线最终产量和操作器利用率这两个指标。
一、生产线最终产量
生产线的评价指标之一为该条生产线最终的产量。一般而言，最终产量越多越好，本文中模型改进前后对比的评价指标之一就是生产线的最终产量。不过，现实生活中，企业还是要考虑到生产成本问题。如果生产成本投入很大，相对而言，最终产量增加不多，那么就不一定值得投入更多的生产成本的。
二、操作器的利用率
生产线中机器的利用率也是一个很重要的生产线评价指标，一般利用率较高的生产线比较好。试想，如果一条生产线上的机器大多时间都处于空闲或等待之类的 非处理状态，那就说明这条生产线的利用率不高，存在很大的浪费。本文中模型的第二个评价指标就是机器的利用率，通过模型改造，使得生产线上的各个机器的利用率有大大的提高，充分的使用了其生产能力，没有造成浪费。
第四节 生产线物流系统仿真方法的优势
一、传统生产线物流分析方法
传统对企业的生产流程的优化，主要集中在生产流程、生产节拍和工艺流程方面的优化，且主要由工艺员根据企业现有的规模，建立实体模型，通过改变其中几个瓶颈设备来达到优化的目的。这种优化在很大程度上来说，没有相关理论为指导，多是从生产实际中总结出的一些经验中得出的，常常是局部的优化，可以说只是些修修补补，并不能从根本上解决企业整体存在的问题。针对企业优化问题，目前用的较多的传统生产线物流分析方法是对所研究系统建立起相关数学模型，通过数学工具对系统进行优化。
而对生产线进行分析的数学方法包括有运筹学、系统工程等学科。其内容包含有排队论、目标规划法、模糊综合评判法、层次分析法、关系矩阵法等等。不过类似于这些方法，计算量过大，而且有些时候不一定能得出结果，所以存在一定的弊端。随着生产系统越来越复杂，越来越多采用仿真方法。
二、仿真方法的优势
对于比较复杂的工艺流程，仅用数学方法往往不能发现工艺流程中的瓶颈，因而也无法为系统优化提供依据。因此，需要通过仿真技术的应用，对工艺流程建立仿真模型、设置参数，来实现工艺流程的仿真，从而找到瓶颈，再通过优化方法消除流程中的瓶颈。因为对物流系统的仿真能将制造厂内生产的实际情况逼真的再现出来，并结合虚拟制造、虚拟物流的思想，通过对各种模型设备的工作时间、利用率、空闲率、阻塞率等的分析，找出制约整个系统物流的瓶颈因素，再通过改变相关制约因素来达到系统整体的最优，这不仅有效的解决了传统的数学模型优化不能真实、具体、全面地反映系统运作情况的缺陷，又巧妙的回避了大量不必要的计算，操作起来十分经济方便。
仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制的多个高新科技领域的知识，是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业为基础，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实验研究的一门综合性技术。可有效的解决这种多因素、多目标、多层次的系统优化问题。
第三章 仿真技术的发展和应用
第一节 真技术的发展历史及其特点
一、仿真技术的发展历史
系统仿真是建立在系统理论、控制理论、相似理论、数理统计、信息技术和计算机技术等理论基础之上，以计算机和其他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、统计数据和系统资料对实验结果进行分析研究，做出决策的一门综合性和实验性的学科。
早在几千年前，我们的先人就懂得了系统仿真的基本原理。中国象棋就是用于仿真古代战争的游戏;军事沙盘用来仿真两军对战的战略;建筑中用木模研究实际建筑物的结构与承载性能等。知道20世纪40年代，冯。诺依曼正式提出了系统仿真的概念，随后1952年美国成立了仿真学会，1963年出版了仿真领域最具权威性的学术刊物《SIMULATION》后，系统仿真之间变成了一门独立的学科。
二、仿真技术的特点
系统仿真技术是模型(物理的、数学的或非数学的)的建立、验证和实验运行技术。现代仿真技术的特点可以归纳为以下几点:
(1)、系统仿真技术是一门通用的支撑性的技术。在决策者们面对一些重大的，棘手的问题时， 能以其他方法无法代替的特殊功能， 为其提供关键性的见解和创新的观点
(2)、系统仿真技术学科的发展具有相对的独立性， 同时又与光、机、电、声， 特别是信息等众多专业技术领域的发展互为促进。因此系统仿真技术具有学科面广、综合性强、应用领域宽、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、不受气候条件和场地空间的限制等独特优点， 这是其他技术无法比拟的。
(3)、系统仿真技术的发展与应用紧密相关。应用需求倩影、系统带技术、技术促系统、系统服务于应用，这是一个辩证的关系。应用需求是推动系统仿真技术发展的原动力， 系统仿真技术应用效益不但与其技术水平的高低有关， 还与应用领域的发展密切相关。大量实例证明， 系统仿真技术的有效应用必须依托于先进的仿真系统， 只有服务于应用的仿真系统向前发展了， 才能带动系统仿真技术的发展。
(4)、系统仿真技术应用正向全系统、系统全生命周期、系统全方位管理发展， 这些都给予仿真技术的发展。
第二节 仿真技术在生产系统中的应用与分类
一、仿真技术的应用
仿真在生产中的应用，主要依赖于生产力发展水平的提高。对简单的生产过程和系统， 以人工操作为主的生产，仿真显示不出其突出的优点。然而，随着生产自动化水平不断提高， 生产系统越来越复杂。生产节奏越来越快，生产管理者对生产改进的每一决策，都需谨慎考虑。措施不当，往往需付出高昂的代价。而正是由于系统的复杂性、快节奏和柔性，要想预测每一种决策给系统带来的后果。已是人的大脑无法胜任的了。仿真技术正是弥补了这一不足，成为现代生产系统的有用工具，成为生产管理人员的得力助手。仿真在制造业中的应用，主要有以下几方面：
1．生产系统的规划设计
在一个新的生产系统建立时，往往要对该生产系统的方案设计进行评价。除了其它的系统设计与评价方法外，仿真是最常用的一种方法。对新系统建立模型，动态运行此模型，从而找到系统方案存在的问题。多次修改参数与运行，可以寻求一个较优的设计方案。
2．物料的管理
复杂、快节奏的生产系统。物料的管理往往是十分复杂的。不同的物料管理策略，会产生不同的效果。策略得当，可以保证生产系统均衡的生产，保证物料适时、适量的供应。反之，会造成生产物流的失调，或出现积压浪费，或出现供料不足。通过物料管理策略仿真， 可以确定出最恰当的物料管理方案。
3．生产系统的协调
多工序、多设备的复杂生产线。各加工工序生产节奏一般是不协调的。这种不协调会严重影响生产系统整体效率。协调各工序的生产节拍，充分发挥所有生产设备和人力资源的潜力， 力求系统生产的总体高效率，是生产中最常见的难题。仿真可以帮助人们迅速 找到生产的瓶颈，通过采取相应措旖，消除瓶颈，协调生产。
4．生产计划摸拟
企业、公司在制订计划时，为了预测计划下达后的效果，一般都采用定量分析的方法，通过分析来评价计划的合理性。仿真是定量分析方法中应用最广泛的。
5．生产成本分析
仿真可以模拟生产的动态过程。如果将成本作为一个基本变量，生产过程的模拟可以得到生产成本的统计性能。改变参数，多次仿真可以寻求降低成本提高生产率的较优方案。
生产线作为生产系统的重要组成部分，仿真技术在其中的应用同样十分广阔，从原料管理，工具管理，生产设备规划，控制生产吞吐等。
二、仿真技术的分类
系统仿真可以有很多种分类方法。
①．按模型的类型可以分为连续系统仿真、离散事件系统仿真、连续/离散混合系统仿真和定性系统仿真;
②．按仿真的实现方法和手段及模型的种类，可以分为物理仿真和数学仿真;
③．根据人和设备的真实程度，可以分为实况仿真、虚拟仿真和构造仿真等;
连续系统仿真和离散时间系统仿真是根据系统状态变化的不同而进行分类的。连续系统仿真是指系统状态随时间连续变化的系统的方针;离散事件系统仿真则是指系统状态值在一些时间点上发生变化的系统的方针。在系统仿真技术的发展历史中，连续系统仿真较早得到发展和成熟的应用。最为成熟的领域包括自动控制，电力系统，宇航，航空等。离散事件系统仿真是随着管理科学的不断发展和先进制造系统的发展而逐渐被重视和发展起来的。目前，在交通运输管理，诚实规划设计，库存控制，制造物流等领域都开展了离散事件系统仿真的理论和应用研究。
物理仿真是建立系统的物理模型。最早的仿真起源于物理仿真，例如航空飞行用空洞实验研究气流对飞机飞行的影响。数字仿真则是通过建立系统的数学模型进行研究。数学仿真又分为模拟仿真和数字仿真。数字仿真就是建立系统的数字模型。由于数字仿真依赖于计算机，并需要处理大量数据，要求能快速计算，因此数字仿真是随着计算机的发展而形成和不断成熟起来的。随着计算机的发展，数字仿真的研究和应用在系统仿真中占有越来越大的比重。
国外工业发达国家系统仿真技术的应用非常普遍。20世纪90年代初，美国提出了22项国家关键技术，系统仿真技术被列为16项;美国国防部提出了21项国防关键技术，系统仿真技术被列为第6项。美国已经严格规定所有重要的武器研究，必须进行仿真实验后才可投入正式生产和使用。
根据20世纪80年代末的统计，比人企业运用系统工程解决管理和决策问题时，采用系统仿真方法的已经超过80%。英国制造业也普遍采用系统仿真方法解决无聊控制、人力配置、调度评估、投资策略以及均衡生产等问题。根据国外应用统计，运用系统仿真油画系统设计规划可减少投资约30%，在库存控制方面科减少库存约15%。
第三节 物流相关仿真软件介绍
一、AutoMod
AutoMod仿真软件是由美国Brooks Automation公司出品，目前最新版本是11.2。 其研发基地位于犹他州的盐湖城，于上世纪80年代开始研发，目前已成为国际上产品较成熟、应用较广泛的仿真软件之一。 AutoMod的应用覆及汽车、家电、造船、化工、烟草、图书等制造业领域，军事、核工业等国防领域，以及邮政通信、港口、航空、仓储、配送、物料操作等物流及其他服务行业和领域。AutoMod是一款比较成熟的离散事件系统仿真软件，可完成对制造系统、仓储系统、物料处理、企业内部物流、港口、车站、空港、配送中心，以及控制系统等的仿真分析、评价和优化设计等。
二、Arena
Arena是美国System Modeling公司于1993年开始就基于仿真语言SIMAN
及可视化环境CINEMA研制开发的可视化交互级城市商业化仿真软件，为不同需求的用户开发有多种产品类型。
作为通用的可视化仿真环境，Arena的应用范围十分广泛，集合覆盖了可视化仿真的所有领域。在物流领域，Arena的应用涉及从供应商到客户的整个供应链，包括供应商管理、库存管理、制造过程、分销物流、商务过程以及客户服务等。在制造过程仿真应用中，Arena常用来进行四个方面的仿真分析:①生产过程中的工艺过程计划、设备布置等;②生产管理中的生产计划、库存管理(如库存规划、库存控制机制)等;③制造过程的经济性、风险性分析，降低成本或辅助企业投资决策等;④各种先进制造模式如虚拟组织与敏捷供应链管理的可视化仿真等。
三、Extend
Extend系统仿真软件是由美国Imagine That公司开发的通用仿真平台。Extend目前有连续、离散、工业和套装四个版本的商业产品。Extend提供了自成一体的集成环境，为不同层次的用户提供了多种工具，并且Extend的模块可以很容易地搭建并组合在一起，大大方便了建模。Extend在众多行业得到企业、学校和政府的广泛认可。其应用领域包括通讯、制造、服务、卫生、物流和军事等行业。
Extend提供了输入建模、运行仿真模型、数据分析等基本功能。Extend提供了模块化的建模功能，用户可以采用软件提供的基本模块，或者自己建立的模块搭建模型。此外，Extend包含了以个基于消息传递的仿真引擎，提供迅速的模型运行机制和灵活建模机制。Extend采用2D的建模与仿真显示功能，建立的模型和方针运行都显示二维的画面。Extend的方针运行支持及时的参数修改，能够及时看到修改参数后的运行情况。Extend也停工了专门的StatFit数据你和功能，辅助用户进行各种类型的输入数据的处理和分析。
四、Flexsim
Flexsim是一款通用离散仿真软件，被用来对若干不同行业不同系统进行建模和仿真。据粗略估计，大约500个Fortune企业中的一般为Flexsim的客户，包括General Mills， Daimler Chrysler， FedEx等一些著名企业。
Flexsim是一套系统仿真模型设计、制作与分析工具软件。它集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体，专门面向制造、物流等领域。运用Flexsim系列仿真软件，可在计算机内建立研究对象的系统三位模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计或改造方案。
Flexsim是新一代离散时间系统仿真的有效工具。面向对象的建模方式使得建模过程更为快捷，只需通过图形的拖动和必要的附加程序就可以快速的建立起系统的模型。软件提供了丰富的物理单元，如处理器、操作员、堆垛机、货架等，大大方便了用户的建模。所建立的物理仿真模 型可以用三维动画方式表现出来。
目前，Flexsim软件已经在物流及生产制造领域里成功的进行了多种系统的建模与仿真分析，如配送中心的拣选仿真、仓储出入库仿真、产品库分拣仿真、生产物流系统仿真、高速公路交通仿真、集装箱码头仿真、机场仿真、城市应急系统仿真等。
以下是运用Flexsim成功解决的一些问题：
• 提高设备的利用率
• 减小等待时间和排队长度
• 有效分配资源
• 消除缺货问题
• 把故障的负面影响减至最低
• 把废弃物的负面影响减至最低
• 研究可替换的投资概念
• 决定零件经过的时间
• 研究降低成本计划
• 建立最优批量和工件排序
• 解决物料发送问题
• 研究设备预置时间和改换工具的影响
• 优化货物和服务的优先次序与分派逻辑
• 在系统全部行为和相关作业中训练操作人员
• 展示新的工具设计和性能
• 管理日常运作决策
Flexsim采用面向对象技术，并具有3D显示功能。建模快捷方便和显示能力强是Flexsim仿真软件的重要特点。该软件提供了原始数据拟合、输入建模、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真实验、对结果进行优化、生成3D动画影像文件等的功能，也提供了与其他工具软件的方便接口。第四章 生产线仿真建模
第一节 生产线仿真的基本过程
生产线仿真的基本流程如图4-1:
图4-1 生产线仿真基本流程
一、明确仿真目的
建立生产线仿真首先要明确仿真的目的，这样才能避免对仿真过程中不必要细节的纠缠，突出问题的重点。
二、收集数据
数据收集包括收集与系统输入输出有关的数据以及反应系统各部分之间关系的数据:包括各个生产线的相互关系、生产时间、准备时间、加工零件路径关系等。这是保证以后Flexsim生产线模型能真正反映真实生产线模型的必要条件。
三、建立系统的物理模型
由Flexsim 中提供的各类资源来模拟生产线设备及产品。
四、建立系统的逻辑模型
通过connect 属性连接各实体， 以及对各实体参数的设置及编程， 实现一定产品加工顺序及不同品种的生产顺序。
五、模型确认
确认是确定模型是否正确代表实际系统，把模型及其特性与现实的系统及其特性比较的全过程。对模型的确认工作往往是通过对模型的矫正来完成，比较模型和实际系统的特性是一个迭代的过程。这个过程重复进行直到认为模型准确为止。
六、仿真模型运行
仿真运行就是将系统的仿真模型放在计算机上运行。在运行过程中了解模型对各种不同的输入数据以及不同的仿真机制输出响应的情况。
七、模型运行结果分析
对仿真结果分析是确定仿真实验中所获得的数据是否合理和充分，是否满足系统的目标要求，同时将仿真结果整理成报告，确定比较系统不同方案的准则、实验结果、数据的评价标准和问题可能的解，为系统方案的最终决策提供辅助支持。
第二节 模型介绍
一、圣奥沙发流水线简介
本模型以圣奥集团有限公司旗下的沙发流水线为实体模型。圣奥现有各类沙发共33款，其中6款为外购产品，25款为自行研发生产，淘汰2款。主要产品类别有: 厚重、气派沙发系列；高层主管(皮质) 稳重、时尚、简约沙发系列；各阶层(皮质及仿皮)贵宾、休闲沙发系列:访客、会客(布艺及皮质)。
二、沙发制造部工艺流程图
图4-2 沙发制造工艺流程图
该生产线的流程为图4-2所示。主要步骤有来料检验、材料入库、开料、钉架、打带、裁绵、裁剪、车缝、喷胶贴绵、成型安装、包装。而开料、钉架和打带是对板材进行处理的。裁绵和车缝是对皮料进行处理的。而各流程的先后顺序以及组合方式就如图4-2所示。
三、模型实体
表4-1 模型实体介绍
模型元素 系统元素 备注
Flowitem 原料 默认生成原料
Processor
机器 进行不同的参数定义以表征不同机器组中的机器
Queue 暂存区 暂时存放货物的区域
Conveyor 传送带 用来传送被加工对象
Source 原材料库 原材料的始发处
Sink 成品库 原料加工后的最终去向
(一)加工工艺及设备:
开料------根据产品、设计、工艺技术要求画板、用开料锯、带锯将板材锯成所需求规格形状(数量、品质)，机械设备及工具:带锯机、推台锯、横截锯、压刨机。
开绵------根据设计技术、样板要求，用电剪将海绵简称所需求规格的产品部件，机械设备及工具:电剪
裁剪------根据技术设计要求，用裁剪工具将皮料和面料裁成所需规格的产品部件，机械设备及工具:电剪，剪刀
车缝------根据设计技术要求，对各型号的产品进行缝合，机械设备及工具:缝纫机、锁边机、双针机
钉架------根据工艺技术要求，对已开好的料进行拼接，机械设备及工具:马钉枪、直钉枪
贴绵------根据设计技术要求，对已钉好的沙发架加贴海绵、造型
成型------对已贴好绵的沙发进行们皮和组装，对沙发进行初步的成型
安装------根据工艺要求对需要组装的产品进行安装固定以达到工艺要求
包装------根据工艺要求对检验合格的产品进行包装以达到工艺需求。
(二)模型假定:
由于工序较多，所以我将生产线中对板材的操作步骤(开料-钉架-打带)合并为一个过程，简称为板材操作，假定存在一板材处理器，能完成此三个程序。同理，将对皮料进行操作的步骤(剪裁-车缝)合并为一个过程，简称为皮料处理器。由于贴绵过程只有一道，所以就不需要合并。此外，圣奥沙发生产流水线上是一个流程一个人负责的。所以因为我把对板材的处理合并为一个流程，所以设定有1个操作员操作该流程。同理可得，裁绵区1人操作，皮料处理区1人操作。综上，整条沙发生产线所需的操作员共有6人。
表4-2 车间生产线机器与操作人员明细表
机器名称 数量 操作人员数
板材处理器 1 1
裁绵器 1 1
皮料处理器 1 1
喷胶器 1 1
成型安装器 1 1
包装器 1 1
沙发生产线首先从原料仓库取材料。由于生产线流程中有来料检验这一步骤，我假设原材料的产品合格率为99%，即只有1%的产品，由发生器随机发送。而与发生器连接的第一个暂存区是存放合格品的，第二个暂存区是存放不合格品的，进入生产线的原材料是由第一个暂存区发出的，因此就不存在有出现有次品进入生产线的问题。板材处理的总时间为各步骤的总和(即开料时间+钉架时间+打带时间)为702s。裁绵时间为78s，皮料处理时间(即裁剪时间+车缝时间)为367s。当板材和绵料都处理完毕后，以1:1的比例进 行喷胶贴绵操作，该过程处理时间为345s。完成后，与处理完毕的皮料进行成型安装，需要时间380s。最后进行成品包装，需时256s。当上述步骤都完成后，将成品入库。
模型的布局如图4-3:
图4-3 模型布局图
图4-4 模型透视图
(三)运行时间:
假定沙发生产线是一周7天都工作，每天工作时间为24个小时，采用班组轮换制度进行运作。总计一次仿真时间为168小时(7*24=168)，即604800s(168*60*60=604800s)。
(四)参数设置:
1.发生器source的参数设置为服从正态分布，均值为50，方差为2。
2.操作器处理时间服从常数分布。
3.除了装载废品的暂存区最大容量为1000，其他暂存区最大容量均为100。
4.由于有来料检验环节，我假定来自原料仓库的材料合格率为99%，所以在发生器的临时实体流分页中的送往端进行设定。如图4-5:
图4-5 发生器参数设置图
5.设定第一台合成器操作之后实体颜色改为黄色，自定义颜色为(R=255，G=255，B=0)。
6.第一台合成器设置:
图4-6 合成器一设置图
图4-7合成器一参数设置图
7.第二台合成器处理过后颜色设置为白色，即(R=255，G=255，B=255)。
图4-8 合成器二参数设置图
第三节 模型运行及其结果
一、仿真模型
由于本文的模型是以一周为一个模型周期的，因此我们用到Flexsim实验控制器的这个功能，实验控制器的参数设定如图4-9:
图4-9 实验控制器设置图
运行中的模型截图4-10。
图4-10 运行中的模型立体图
仿真结束时间为604813.30s。
图4-11 运行中的模型俯视图
该模型场景运行五次之后，观察的最终产量为860。如图4-12:
图4-12 最终产量图
二、仿真结果
(一)板材处理器:
由于在该生产线仿真模型中，我们假设的原料供应是得到充分保证的。如图4-13所示，板材处理器基本上处于满负荷状态，即一直在进行操作。
图4-13 板材处理器状态图
(二)裁绵器:
从图4-14可以看出裁绵器有大量空闲，空闲率超过50%。
图4-14 裁绵器状态图
(三)皮料处理器:
皮料处理器利用率也不高，大部分时间还是处于空闲状态。
图4-15 皮料处理器状态图
(四)喷胶贴绵器:
喷胶贴绵器的工作效率也不高，处理率只有近50%，大部分时间都是在收集。有前面几个操作器的状态可知，由于板材操作器的工作时间过长，导致裁绵器已经工作完成而它还没有操作完成。此外，喷胶贴绵器又是要由板材操作器和裁绵器都工作完后才能将处理过后的材料进行合成，所以它大部分时间都在等待经板材操作器处理过后的材料。
图4-16 喷胶贴绵器状态图
(五)成型安装器:
成型安装器的状态和上一个喷胶贴绵器状态相差不多，原因也相似。由于皮料处理器工作时间相对不是特别长，且工序只有一道，而喷胶贴绵器以及之前的操作不仅操作时间久，而且工序也有两道，所以成型安装器这里大部分时间都在等待喷胶处理过后的材料。皮料处理过后的材料也得闲置着，等待着进行合并。
图4-17 成型安装器状态图
(六)包装器:
由于成型安装器那里大部分时间都在等待，所以会造成包装器大部分时间都是空闲的，只有等待成型安装器安装完成之后才能进行操作，所以利用率不高，空闲率过高。
图4-18包装器状态图
第四节 结果分析以及模型改造
一、结果分析
由上述状态图可以看出，由于板材操作器的处理时间相对于裁绵器和皮料处理器的时间过长，所以导致同一层次的裁绵器和皮料处理器的空闲时间太大，操作率不高。而且，由于板材操作器的处理时间过长，导致喷胶贴绵器的大部分时间都在等待它操作完成。连锁反应，最后的成型安装器大部分时间久在等喷胶贴绵器操作结束。这样以来，最后的包装器大多时间都是空闲的。只有前一步骤的成型包装器完成了之后它才运作。
因此，这条生产线的生产瓶颈就在板材操作器那里。由于生产时间过长，导致整条生产线的利用率不高。其他操作器空闲率过大，利用率很低，而且合成器的大部分时间都是在等待。因此，本文的模型改造主要对板材操作器进行改造的。
下图就可以看出裁绵器后的暂存区十分拥堵。
图4-19运行中的模型图
二、模型改造
针对上述的结果分析，本文对模型进行以下改造:
(一)由于板材操作器是生产瓶颈，所以在模型中增加一台同类型操作器。此外进行技术革新，使其操作时间简短，改造后每台机器的操作时间为300s。
(二)在皮料处理器之后使用一跳传送带，并设定速度为1m/s。这样就使得皮料处理完成之后不会马上拥堵到暂存区。
模型改造后的立体图如下:
图4-20改造后的模型立体图
改造后的模型运行中的图:
图4-21改造后的模型运行图
模型运行结果中各操作器的状态:
板材操作器1:
图4-22改造后的板材操作器一的状态图
板材操作器2:
图4-23改造后的板材操作器二的状态图
裁棉器:
图4-24改造后的裁绵作器的状态图
皮料处理器:
图4-25改造后的皮料器的状态图
喷胶贴绵器器:
图4-26改造后的合成器一的状态图
成型安装器:
图4-27改造后的合成器二的状态图
包装器:
图4-28改造后的包装器的状态图
最终产量:
图4-29改造后的最终产量图
三、 模型改进后的分析
从上面的状态图中可以发现，各操作器的操作率有明显提高，并且最终产量提高了将近一倍。原先一次仿真结果产量为860。增加一台板材处理器之后仿真后的产量为1586，产量增加了84.4%。这个结果十分理想。因此，在设备和人员方面增加投入，换来产量的飞速增长是很值得的。
改造前后的产量比较:
图4-30改造前的最终产量图
图4-31改造后的最终产量图
第五章 结论与展望
通过对中国圣奥有限公司的沙发制造车间的生产线调查，运用Flexsim软件进行该生产线的模拟仿真，并设置参数，从最终的仿真结果中发现该生产线的不足。如板材处理器的生产瓶颈，经过仔细分析，最终在板材处理该环节上提高其生产能力，即增加一台板材处理器，分担部分原材料，并且进行技术革新，使得单板材处理环节的处理时间有所剪断。改造后的模型运行结果十分理想，不仅各个操作器的忙闲率有所提高，处理率增加了，空闲率降低了，最明显的改进结果就是其最终产量，由原先的860增加到1586，将近增加了一倍，表明使用仿真软件能够用方便的找出瓶颈，并且可以明显的对比改造前后的结果。
实体制造企业的生产线是一个十分复杂的系统，其决 策变量十分多，并且一般不是单一目标的系统，而是个多目标的系统。此外，会有很多不定性因素，所以单纯的数学方法很难对其进行准确分析并且找出不足。因而对生产线的建模和仿真是必不可少的。Flexsim的特点就是三位可视化效果好，操作也比较简便，实体类型丰富，数据选择也比较齐全，对于生产线仿真十分适合。
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．北京：清华大学出版社，2005．
致 谢
本学位论文是在我的导师曹玉华老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。无论是从课题的选择到论文的完成，都包含了曹老师的细心的指导和不懈的支持。完成论文所需的Flexsim软件正是通过曹老师的帮助才得以使用，对于完成论文中实证部分起到了至关重要的作用。在论文的完成过程中，曹老师给予了我很多的指导，并指正了我在论文写作过程的错误；在论文完成后，曹老师又帮助我查找了论文中出现的错误。在这里谨向曹老师致以最真诚的谢意和崇高的敬意。
篇6
关键词：仿真计算机；实施网络技术；应用
中图分类号：TP391.9
计算机技术自诞生之日距今已经有六十多年来，经过六十多年的快速发展，已经以其实用性和便利性成为了生产生活中不可缺少的重要工具。三维视景仿真技术作为计算机技术中的重要类别，由于其具有较高的经济性、实用性等显著特点而受到人们的普遍青睐。计算机仿真技术是运用计算机科学，建立被仿真对象的系统模型，在一定的条件下对被仿真对象进行动态实验的一项高端、综合性技术。人们可以利用这种实验获得尽量逼真的信息。根据最新的统计数据，仿真计算机技术已经在各个领域得到了最为普遍的运用，并且创造了虚拟现实这样的流行词汇。三维视景仿真技术在计算机仿真技术的全部技术应用中占有很大的比例，其融合了图片处理、多媒体、信息合成、显示等最新的高端技术，具有非常强大的功能和广泛的应用前景。
1 专用数字仿真计算机的特征
由于不同的反震计算机具有不同的内存容量、接口、运算速度等特点，因此，在半实物反正计算机系统中曾先后采用了模拟计算机、数模混合计算机、专用数字仿真计算机等不同特性的仿真计算机。我国的YE―2和AD100等仿真计算机代表了当前仿真计算机在国内的最高水平，目前，已经在精确制导武器等高、精、尖领域得到了十分普遍的应用。
1.1 专用数字仿真计算机的特征。YE―2和AD100等两类专用数字仿真计算机具有如下特征：一是在专用数字仿真计算机中运用了异构同步并行多处理机和广播型数据总线的方式，从而提高了专用数字仿真计算机的存储容量，从而提高了其运行速度。二是专门为专用数字仿真计算机设计了仿真语言，此种仿真语言简单、实用，编程简便，并且在其中还增加了数值积分算法模板，提高了使用效率，三是接口形式的多样化以及接口提取速度的稳定性，都保证仿真系统可以实现无仿真计算机的无缝对接，使得技术的硬件系统的得到有效的保障。除此之外，其还存在着能够为精确仿真计算帧时进行定时的优势。
1.2 专用数字仿真计算机的缺陷。YE―2和AD100等两类专用数字仿真计算机具有如下缺陷：一是数字接口技术还存在不足。专用数字仿真计算机能够提供十分全面的接口，但这些接口基本还是使用了模拟量接口，数字接口仪可以适用的总线形式不多，同时，接口在传输速度和距离等多种方面存在不足的情形，不能很好地满足专用数字仿真计算机的使用需求。二是维护起来不方便。由于该类型的专用数字计算机运用了专门的设计构造，因此，该类型的专用数字仿真计算机和一般的计算机存在比较大的区别，在进行维护时，需要专门的熟悉该中计算机的人员进行维护，一旦该计算机出现故障，需要维修，其所需要耗费的时间较长，耗费的费用较大。因此，可能会对实验的进度造成不利的影响，需要予以注意。
1.3 仿真计算机的未来发展方向。专用数字仿真计算机在经历过一段发展后，由于其存在的缺陷较多，已经无法完全满足实际的需要。仿真控制设备以及管理中使用的计算机都具有形式多样的应用软件和各种类型的接口。提高专用数字仿真计算机系统应用的关键是寻找到一种新型的模式，使其既具有专用数字仿真计算机的优势，而且还能满足高速实时数字接口的使用需要。当然，这样的需要也是航空精确制导武器中对仿真计算的需求，也是仿真计算机未来发展的方向。
2 仿真技术及实时网络技术的发展
2.1 实时网络技术应用。虽然高速接口形式比较多，可是仿真计算机系统在应用中还需要考虑信息共享，也就是多台设备可以共享信息。比如，对于某个目标信息而言，需要使用到特征信号生成设备、目标移动仿真设备以及数据链传输仿真设备等。由于仿真计算机系统十分复杂，系统内信息的交换很多，因此，使得系统设备的规模比较大。由于仿真计算机信息处理上的上述特点，因此，传统的点对点的接口形式不应当采用。但广播式、网络式等交互式接口形式可以满足仿真计算机的上述特点和要求。对于精确制导武器中所运用的半实物仿真系统而言，还要求各个信息节点能够实现信息的同步更新，也就意味着，信息传输的要具有很高的时效性，传输过程中尽量减少延迟。光纤反射内存映射式实时网络技术，也就是RT―net，通过研究分析，基本可以达到半实物仿真系统的要求。这种技术的特点是通过映射式的信息传达技术，将信息节点中某一个节点的信息能够自动映射到全部信息节点。因为映射的过程由硬件主导，系统信息传输的延迟较小。延迟较小也就意味着信息传输的高速性，也就能满足信息同步跟新的需求。这种RT―net网络通常具有两种拓扑网络结构。第一种是环行拓扑，第二种是星型网络结构，也就是通过由HUB实时连接的网络。RT―net网络技术将信息数据传输到任何一个信息节点的迟延较小，能够满足信息同步更新的要求。并且，假如其中一个信息节点出现故障，不会影响到其他节点的正常运行。因此，这点使得运用该种技术不需要让所有的设备都开机。RT―net的运行模式比较简单，在分布式的仿真计算机系统内，接插一个RT―net卡在每一台节点机上，再安装相应的驱动软件，就可以读写数据了。当数据被读写之后，RT―net卡将数据自动地传输到其他安装有RT―net的节点上。因此，有权限的访问者，只需要访问一个RT―net卡插接的节点即可。
2.2 仿真技术及和实时网络技术综合应用。专用数字仿真计算机被仿真工作站替换的可行性比较高，因为二者的软件内置大致相同，通过进行软件移植。实时网络在仿真计算机信息系统的二次应用和开发是仿真系统集成的关键所在，需要做如下的工作。一是做好仿真工作站与实时网络接口形式的检查；二是对仿真设备进行适应性修改以适应控制计算机的配置和特性，保证运行的稳定性，如果有必要的，还应当对驱动卡、程序进行相应的更改，以简化应用开发的工作。三是建立共享存储容量内存分配表。因为需要对信息进行实时共享，所以统一分配数据存储地址，对于注册信息、节点信息与状态标志、时钟信息等进行相关的规定。
3 新时期仿真计算机和实时网络技术的发展
在进行计算机的选型上不仅要考虑上仿真计算机的读取速度和内存容量，还要考虑到数字接口能力这一重要的选型要素。即要求所选的仿真计算机必须保证仿真系统对大量实时数据交换的稳定性，另外，仿真计算机还应该充分利用计算机实体本有的资源。在现如今，随着网络技术高速发展，我们必须时刻保证仿真技术信息的实时性，并且能够及时的实现多设备信息的高度共享。新时期仿真计算机和实时网络技术的发展，必将是沿着更加贴近实际，更加迅捷和实时的实现信息的处理和共享方向前行。
4 结束语
本论文主要通过首先分析研究目前的仿真技术中，专用数字仿真计算机的主要特征以及在实际的应用过程中存在的缺陷和不足，并根据存在的漏洞，科学合理的指出了仿真计算机未来发展的方向，其次对当前我国的实时网络技术应用的技术特点和现状做了一定的分析和总结；最后简要的介绍了如何实现仿真技术和实时网络技术在计算机中的综合应用。不难发现，随着我国仿真技术和实时网络技术在仿真计算机中的综合应用的不断加强，仿真计算机的性能和效率将会进一步得到提高，也将会具有更加广泛的应用前景。
参考文献：
篇7
关键词 虚拟样机 建模 仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A
On the Virtual Prototype Technology and its Modeling and Simulation
HUANG Di
（Huazhong University of Science and Technology Wenhua College， Wuhan， Hubei 430074）
Abstract Virtual prototyping technology to computer technology as the basis， a comprehensive multi-disciplinary technology to provide technical support for the design and evaluation of the product life cycle. Designers can achieve product design and product characterization in a virtual environment， so that it can respond quickly to market requirements， thus breaking the traditional design approach， shorten design time， saving design capital. This paper describes the machinery involved in modeling and simulation， control， and co-simulation areas， collaborative modeling and simulation methods needed for the final collaborative modeling from single to multiple disciplines and areas of the implementation process.
Key words virtual prototype； modeling； simulation
0 引言
由于现代科学技术的发展，机电一体化产品的开发经历了串、并行开发，到基于虚拟样机的开发过程。而开发过程中解决多领域协同设计的有效途径就涉及到了虚拟样机技术。它的设计开发涉及机械、可视化、协同仿真、数据库等多个学科领域，它提供一种加快机电一体化产品设计进程新的技术方法和支持环境。
1 虚拟样机技术的概述
1.1 虚拟样机技术的定义
虚拟样机是在CAD/CAM/CAE和物理样机基础上发展起来的，它包含有所有产品的关键特征。
它是以一定关系模拟一个动态系统，在一个或多个领域模型上，依赖不同子系统的集成，采用计算机辅助的方法，以达到认识现实或辅助设计的目的。
1.2 虚拟样机技术的优势和局限性
在机电一体化产品的设计中，若采用实物验证的方法的传统机电产品设计。首先是对产品进行局部设计，加工出物理样机，再进行调试，再对其各种行为进行评估。若不满足使用要求则选择返回修改设计，然后再加工出新的样机，如此反复评估直至满足所需要求为止。
虚拟样机技术应用在机电产品的开发设计过程与传统设计步骤相差不大，主要差别是虚拟样机技术集合各个领域的理论和技术在计算机上直接进行建模与仿真，它在产品设计阶段，能够对产品使用、制造、维护等行为进行评估分析，优化产品性能指标，保证设计出来的产品能够达到制造、使用和维护的要求，并且它的修改直接改变建模的数据即可。因此，虚拟样机技术的优势在于：缩短了研发周期、节约研发资本、实现资源共享。
但是，虚拟样机技术涉及的学科领域太广，技术复杂，给设计者提出了很高的要求，而且，对于一些复杂的问题的计算上无法得到精确的解，只能是尽量的将误差控制在允许的范围内，所以技术本身的不成熟和不完善也在一定程度上制约了它的发展。而且在对产品进行建模时，很难建立理想的、完整的模型，因此虚拟样机始终无法取代物理样机。①
1.3 虚拟样机技术的支撑环境及关键技术
图1 虚拟样机支撑环境框架
虚拟样机的开发和设计当中，在每一个阶段都涉及到多个领域的相关技术，比如在产品设计阶段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技术和DFX技术，在产品特性分析阶段涉及到机械系统运动学等相关技术，而在分析结果的时候又涉及到可视化技术和动画技术。因此，虚拟样机技术需要强大的支撑环境来保证这些相关技术的操作和相互之间的数据交流平台，其所需要的支持环境框图如图1②所示
在这些支撑环境中，存在一些关键技术，这些关键技术的发展情况直接影响着整个支撑环境的发展。比如多领域的协同仿真――“建模-仿真-评估/优化”一体化平台、高层建模技术、仿真模型库构建与管理技术以及分布式协同仿真技术等。
1.4 虚拟样机技术的应用与发展现状
虚拟仿真技术在美国、德国等一些发达国家早已被广泛地应用于汽车制造、机械工程、医学等各个领域，产品的涉及由简单的照相机快门技术到庞大的工程机械技术，如John Deere 公司通过虚拟样机技术找到了在重载下工程机械的自激振动问题的原因，并提出了改进方案，这同样在虚拟样机上得到了验证。
国外的虚拟样机技术已走向商业化，美国机械动力学公司的机械系统自动动力学分析软件ADAMS是目前比较有影响力的软件。其中ADAMS占据了市场的50 % 以上，其它软件的还有Folw3D、ANSYS 等等。
国内的企业虚拟样机技术主要是集成现成的国外软件应用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，国内企业对国外软件的依赖性强。有些单位会为了满足设计分析的需要而采用对市场上现有软件进行二次开发。
2 虚拟样机的模型建立
2.1 虚拟样机的设计原理
作为研究动态系统行为的有效方法，虚拟样机涉及几何信息，同时虚拟样机系统具有运动模拟、操作模拟和动力学模拟等物理边界条件，提供人机交互虚拟现实三维场景的工具。其一般设计原理可归结为如图2所示。
图2 虚拟样机设计原理图
2.2 机电产品的功能模型分析
影响此类机电产品系统的设计过程和设计方法是在功能逻辑上的构成方式和在物理上的组成方式。在物理组成上，机电一体化产品包含机械结构，机电接口、运动系统、计算机等多种电子、机械零部件。③
将机电一体化产品划分为控制子系统、广义执行机构子系统、检测子系统、传感及信息处理的是上海交通大学的邹慧君教授，④这就是所谓的三子系统论。如图3所示：
图3 机电系统的三子系统的组成及其关联
图4 广义执行机构建模步骤框图
2.3 广义执行机构的建模与求解
广义执行机构子系统主要包括驱动元件和执行机构两大部分，它们的建模与求解主要分为几何建模、物理建模、数学建模、数值求解和结果分析，其步骤如图4所示。
几何建模，主要是建立所设计虚拟样机的执行机构的几何模型，它可以用几何造型软件Pro/E、UG等导入，也可以由ADAMS几何造型模块构造，但有些软件之间的相互导入需要接口模块，例如Pro/E与ADAMS之间需要MECHANISM/Pro借口模块来实现无缝连接。⑤
物理建模，形成表达系统力学特性的物理模型，对几何模型施加外力或外力矩、运动学约束、力元（内力）、驱动约束等物理模型要素。
数学建模，由物理模型组装成系统运动方程中的拉格朗日坐标或笛卡尔坐标建模方法创建各系数矩阵，得到系统数学模型。
2.4 控制子系统的建模与求解
可以利用MATLAB建立控制模型。驱动执行机构的运动通常有开环方式和闭环方式两种，开环方式是在驱动器与执行末端之间建立约束关联，执行末端为反向运动学驱动；而闭环方式是以期望参考信号与传感器探测的数据进行比较从而得到控制信号。连续――离散混合信号处理的运动控制模型就是采用闭环控制方式。
2.5 协同建模
控制实现的多学科协同与多体动力学的建模可以在ADAMS/ Controls 模块中的与控制仿真软件的接口上。它首先导出ADAMS动力学模型，然后导出动力学模型到控制仿真环境最后构建动力学一控制集成模型。
3 虚拟样机的仿真实现
在建立共享的集成模型基础上进行仿真运行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 两种解算方式：⑥
3.1 基于ADAMS的方式
求解线性或非线性的结果在在ADAMS 环境中虚拟样机控制子模型的共享模型进行仿真运行。
3.2 基于MATLAB的方式
机械动力学解算通过在MATLAB 环境中植入的ADAMS 模块控制运用解算控制仿真软件求解器，它们通过S函数（S-function）或状态空间（state -space）进行接口变量的联系，在MATLAB/ Simulink 中观察并输出仿真曲线，同时，可以观察到虚拟样机的三维仿真运行动画和生成仿真结果数据文件。
4 小结
虚拟样机技术为机电一体化产品的设计提供了一个支持环境和新的方法，它与传统的技术相比，缩短了研发周期、节约研发资本，实现资源共享、提高产品质量，因此它目前广泛用于汽车制造、航空航天、机械工程、医学等各个领域。
整个虚拟样机技术的关键是虚拟样机的仿真和实现，从单个领域的建模仿真到多个领域的协同仿真，从几何建模到物理建模到数学建模到数值求解再到结果分析，这一系列的过程涉及到多个领域的关键技术。因此，要做好虚拟样机技术，一方面要依赖于其本身技术的发展，另一方面则要求设计者本身具备过硬的专业技术知识以及配置完备的团队。
参考文献
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④ 邹慧君等.机电一体化产品概念设计的基本原理.机械设计与研究，1999.15（3）：14-17.
篇8
【关键词】信息化建设；任职教育；教学质量
军队院校实现由学历教育为主向任职教育为主的转变，是军队院校教育进入新的发展阶段的必然选择[1]。如何做好任职教育，培养出适应部队信息化建设的高素质新型军事人才，打好未来信息化战争，在任职教育中实施网络教学和构建适合于任职教育的信息化教育体系结构对于培养岗位任职需要的应用型、复合型军事指挥人才具有重要的现实意义。
一、任职教育对院校信息化建设的影响
我军任职教育的突出特点是：教育模式突出岗位需要，内容侧重任职能力，方法多以研究探讨，师资复合构成，评价设置不同尺度，保障形式多样[2]。任职教育则广泛采用研究探讨式教学方法，包括专题教学、案例教学、模拟教学、体验教学、讨论教学、课题研究等等。而信息技术在军事教育领域的广泛应用，使网上模拟对抗演练、远程教学、虚拟实验和信息资源共享进入到实战阶段。任职教育作为针对岗位的职业教育，其教学对象种类层次多，普遍具有起点高，针对性强，目的性更明确等特点，任职教育过程中，教员和学员对信息资源的需求呈现出多样性、综合性和时效性，因此，必须依赖网络、信息资源和辅以多种媒体进行各类模拟训练才能更好的促进学员的学习。院校信息化建设和信息技术的运用水平直接影响到任职教育质量。
（一）任职教育加强校园网络应用
网络为任职教育搭起了现代化平台。网络具有信息容量大、传播速度快、良好的交互性、较好的经济性和多媒体方式等特点，网络在军事领域得到了广泛应用，网络战作为一种新的作战样式已经登上了战争舞台。因此，最大限度地利用网络资源，面向全体学员构建互通的学习交流平台，使各类教育信息资源得到最大限度的应用。任职教育学员来自部队各个不同岗位，一方面他们经历不同的工作环境和工作经历，很多人有着丰富的工作实践经验；另一方面，作为在职接受继续教育，他们是抱着更新知识、扩大视野的目的前来学习的，任职教育网络化对学员知识化、专业化的要求更加突出，尤其是熟练掌握计算机等设备的操作技能。因此，学员紧迫感增强，努力提高自身的综合素质，以适应运用网络开展教学的需要。
（二）任职教育推进信息资源建设。
在信息时代，我军建设的信息化程度越来越高，对专业素质的要求越来越强。任职教育针对岗位任职需要，要求信息资源具有指向性。任职教育的鲜明特点是要紧贴部队实际，紧贴作战任务，紧贴岗位任职需要，突出教学内容的前瞻性、针对性和实用性。这种变化对教育信息资源建设提出了更高的要求，即教育信息资源要着眼于训练实际和军事领域的最新发展成果，强调信息资源在选题上的特色和内容上的连贯，结合任职教育学科建设、科研课题、学员拓宽知识面等多方面功能，开发体现特色且具有实用价值的有特色的本院专家、教员和学员教学科研成果数据库、特色专题数据库、文摘或全文数据库，实时更新信息内容，以增强任职教育的现实性和针对性。
（三）任职教育依赖虚拟现实技术
信息技术与军事加快对接、新型武器装备建设与运用和新型作战力量建设对战争形态、作战方式的影响，构建和创新信息化军队建设理论和信息化联合作战理论，为培养新型军事人才提供理论支持[3]。任职教育的实践教学中，实装实习是培养和提高学员装备实践基本技能的重要教学环节，是由基于装备理论向装备实践转变的首要过程，对学员岗位综合能力素质形成发挥着关键作用。由于新装备数量少，难以满足新装备实践教学的需要，对于难以进行实装训练的实践教学可利用虚拟现实技术进行模拟训练，形象、逼真的操作环境，使学员能快速掌握新装备的使用和维修。因此，院校虚拟实验室建设的成败影响着任职教育的教学质量。
（四）任职教育促进远程网络服务
现阶段军队院校对于部队的培训模式还处于电话支持、办班培训、提供配套多媒体教材、文字教材等这些传统的服务形式上面，实效性、精确性和透明度都无法得到保证。利用全军军事训练信息网建立一套远程网络综合服务系统，为部队提供在线学习和训练，增加了为基层部队提供服务的渠道，将院校任职教育范围延伸到基层部队。一是对基层部队提供在线培训。由于院校、科研院所具有大量的专家型人才和资源，他们的知识和经验只能依靠传统的教育培训模式，逐级进行，无法快速有效的指导基层部队实践，利用全军军事训练信息网络建立一套远程网络综合服务体系，为全军部队提供虚拟仿真模拟训练以及多媒体资料库为基础的在线学习和培训。二是指导基层部队解决应急和突发问题。基层部队在训练中遇到突发问题、新装备使用问题、亟待专家经验解决的问题而无法解决时，可用远程网络综合服务体系为部队提供装备的故障诊断服务，高清远程支援和专家会诊，及时为部队解决应急和突发问题，保障部队顺利地完成训练任务，为提升部队的战斗力提供智力支持。
二、构建适合于任职教育的信息化教育体系结构
在任职教育中主要采用重点讲授、专题研究、案例分析、模拟训练、实操实爆及部队实践等教学方法[4]。应不断完善信息服务职能，实现以提升任职教育需求为宗旨的网络资源共享化、信息资源管理标准化和服务个性化，进而提高任职教育教学质量，提升战斗力形成的效率。
（一）拓展网络功能为任职教育服务
网络具有很强的交互性和信息传播空间的无限性，基于网络的任职教育，没有符合需要的硬件基础设施，应用网络开展任职教育就无从谈起。加速校园网建设，拓展网络功能有以下几个方面的举措：
1.提高网络性能。提高网络主干速度，畅通信息资源共享渠道；增设园区网信息点，为任职教育学员提供便利访问；应用虚拟存储技术应用，实现数据镜像、数据实时复制、数据及时恢复和数据备份功能，保证网络的可靠运行；防火墙、杀毒软件、认证技术、数据加密及防入侵等防御措施，保障网络的安全不被侵犯。
2.网络通讯工具广泛应用。进入网络时代，使用论坛、Email、远程登录、文件传输、讨论组、博客及微博等等一系列双向信息交流工具，就课程内容与教师和其他同学进行实时或异时在线交流。进行网上教学与学习，学员在网络上接授培训的过程中，既能根据自己的个别需要进行个别化学习，还可以与其他学员进行不受时空限制的交流和讨论。集多方的智慧，可以拓展学习者自身的认知能力，提出自己的问题，发表自己的看法，互相学习，共同提高，而且这种交流可以多次、随时、随地进行，为协同自主学习创造了更大的可操作性。
3.无线网络的建设。无线网络的发展前景良好，可以为广大网络用户提供传播速率更快、信息更全面的网络服务。无线网络不受地理位置的限制，具有无缝覆盖、易扩展性、灵活性、和低维护费用的特点，其在网络覆盖的区域，无线终端在网络覆盖的任何角落都可以接入网络，实现随时随地接入网络，任职教育将成为无线网络新的应用领域。
4.构建云。教育云，可以被理解为“云计算在教育中的应用”，教育云服务是以智能开放架构和云计算平台为基础，通过深度集成整合各种资源、平台和应用，按需向用户提供各类服务，满足教育用户的需求。伴随着智慧学习环境的发展，能够有效支撑下一代数字化教育环境的“智慧教育云服务”也将得到进一步的发展。教育云服务正逐步走向我们，任职教育必将进入一个全新的“云”阶段。
（二）建设适合于任职教育的信息资源
1.积极开发特色信息资源。军队院校任职教育教学有其自身的特点和规律，结合任职教育学科建设、科研课题、学员拓宽知识面等多方面功能，开发体现特色且具有实用价值的有特色的信息资源。开发建设学科专业网站群、网络教学应用系统、专业数据库及多媒体网络课件，院校专家、教员和学员教学科研成果数据库、特色专题数据库、文摘或全文数据库等，并注重信息资源的连续性和系统性。尤其是任职教育教学改革中涌现出的优秀教学成果，包括对优质课比赛等活动进行全程录像并制成数字化教材，使其成为再生教学信息资源。对于任职教育教学中的难点、热点课题，应组织专职人员设计与开发、制作适应教学需要的课件、多媒体教材、电视片、网络课程等，利用授课系统，同步或异步进行视频广播或录播教学。
2.加强数字图书馆建设。在开发教育信息资源的过程中，根据所承担的任职教育任务，根据任职培训的信息需求，有针对性地采集订购各种正规的电子出版物，对馆藏图书、教材、期刊、报纸、学位论文、会议论文、科技报告、战例案例和特定领域内的信息资源进行分类、分系统挖掘，并进行有序加工和整理，编制成相应的电子图书、述评、综述等。互联网和军网上有众多的教育网站及部队院校专业教学网站，资源十分丰富，收（下转第178页）（上接第169页）集和整理这些资源，将其导入教育信息资源库，还要关注各类媒体的相关信息，对互联网资源、广播电台和电视上的有价值信息进行剪贴扫描、录音录像，加以数字化处理后输入教育信息资源库。
3.加强信息素质培养。未来的战争是信息化战争，军事斗争准备的紧迫性要求我军急需充实打赢未来信息化战争的专门人才，我军任职教育必然要在满足信息素质教育、加快信息人才培养上下功夫。这种信息素质主要包括信息意识、信息知识和信息能力。任职教育中，学员希望能快速、方便、准确地获得所关心领域内的知识信息，尤其是最新动态，因此开设专题讲座、进行计算机技术培训和数据库检索系统原理使用介绍，采取启发式、讨论式、研究式教学，坚持讲课与实践并重的原则，提高学员独立思考问题和解决问题的能力；开设文献检索课，使学员受到信息意识、信息获取和信息利用技能的教育，掌握分类检索、题名检索和著者检索等文献检索的途径，掌握各类馆藏文献的利用方法及最基本的信息获取技能，能够快速判断信息需求、正确评价检索策略、考察信息的有效性和价值，使他们成为信息获取的主动者，提高运用信息、利用信息的技能。
（三）构建模拟系统，加强虚拟仿真训练
通过虚拟仿真这种可视化的人机交互式界面，把枯燥的知识美观、形象、逼真的表现出来，大大激发了学员学习的兴趣，把原来老师的满堂灌输转化成以学生为主体的模式，耳听为“虚”，眼见为“实”。虚拟仿真技术不依赖于设备实物，依靠计算机所模拟的在功能、性能、界面上等效的虚拟装备实现，还可以解决教学过程中采用实物仿真、半实物仿真所无法或很难实现的大量设备、协调关系等问题，可以逼真地模拟设备的操作、工作及周围环境，通过可视化的虚拟场景完全模拟实机、实景操作。虚拟仿真技术应用到了数据库、网络及建模等多方面的信息技术，教学过程中信息技术的全面应用，能够培养学生的创新精神和实践能力。虚拟仿真技术的发展，必将带来任职教育教学方式的改革，同时也给每一位教师带来了挑战。教师要不断地学习，正确选择、熟练掌握虚拟仿真技术，推动教学改革的不断向前发展。
借助飞速发展的网络技术，结合专业的教学方式，建立“模拟演练系统”。加大模拟器材研制力度，加强系列模拟训练软件开发，设计制作更多的网络虚拟任职岗位、工作训练环境，展现平日教学活动的模拟状态，可以实现实际工作岗位的预任训练，达到真人实战的效果。学员通过网络操作，能够更好的掌握任职技能，在理论教学和实践训练配套进行下不断提升教学训练效益，提高任职水平，扩大教育覆盖面。另一方面也大大降低了任职教育院校提供教学活动场地、设备的经费，节省了教育时间。
（四）构建网络综合服务系统，实现网上训练和远程服务
网上教学是以网络为桥梁，跨越时间和空间上的距离，突破传统面对面课堂教学方式的限制，将授课课堂由教室延伸到网络所覆盖的任何一个场所的一种新的教学模式。以全军军事训练信息网络系统为平台，建立智能故障诊断系统、远程支援系统、自主学习系统三个子系统，用户可以随时通过网络选择使用相应的系统。在网络环境下，虽然教育者和被教育者都在异地，但如同在现场一样，充分拓展了教育空间。应用多媒体网络教室和虚拟仿真实验室，使得不同地域用户均能使用快速故障诊断、实时动态模拟故障仿真、远程视频支援、远程专家会诊、虚拟仿真训练、自主学习等各项服务，从而扩大实践教学的范围，提高实践教学能力。
三、结语
在现代打赢信息化战争和教育高度信息化的时代背景下，如何适应任职教育需要，全面提高教学保障水平，院校信息化建设情况及信息技术的应用水平对任职教育实践教学将产生越来越重要的影响，搞好网络及及信息资源建设，完善网络化教学，提高虚拟现实技术应用水平，必将对任职教育的发展起到强有力的推动作用。
参考文献
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[2]赵晓峰.我军任职教育的突出特点及未来走势[J].西安政治学院学报，2008（2）.
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作者简介：
刘保成（1961—），男，河南信阳人，大学本科，学士，副教授，现供职于军械工程学院远程与继续教育处。
篇9
关键词：虚拟制造；表面组装技术SMT；可视化仿真
中图分类号：TP311 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.03.025
The SMT Virtual Manufacturing Training System
PENG Zhi-cong1, LoNG Xu-ming2 Huang Ho2 Dan Mington2 Cui Xiaolu2
(1.Guangdong Electronic Academy, Guangzhou 510055, China; Southwest Jiatong University, Chengdu 610031, China)
【Abstract】 This paper discusses the advance SMT Virtual Manufacturing Training System. The SMT Manufacturing is visual simulated in a computer. the PCB design, the SMT technology, the editting of equipment soft and the visual simulation of SMT equipment are integrated by the system.
【Key words】Virtual Manufacturing; Surface Mounting Technology; Visualization Simulation
1 SMT虚拟制造
1.1 虚拟制造
虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画或虚拟现实，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造是对已有或未来的制造活动进行仿真，它基本上不消耗现实物质资源，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。
VM技术是一个庞大、复杂的新兴学科领域，其中涉及到计算机软件技术、动态数据库技术、虚拟现实技术、工厂的建模与仿真技术、并行工程等领域，如图1所示。从提出到现在的几十年间，VM技术的研究取得了很多成果。在国外，VM单一目标技术和系统已经开始应用于几十家顶级的汽车制造、航空、重工业和消费电子产品生产公司的某些部门，而且已经发挥了巨大的作用，表明了VM技术的潜力。
在国内，虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统地研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和国内环境的结合上。清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室是国内最早开展虚拟制造研究的机构之一，主要进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、VR工作台、虚拟产品装配等研究；西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究；西北工业大学进行了虚拟样机的研究。国内在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术方面的研究都很活跃，但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距。我国的研究多集中于高等院校和少量的研究所，企业和公司介入的较少。
图1 虚拟制造
Fig.1 Virtual Manufacturing
1.2 SMT虚拟制造系统
在微电子组装和制造业，元器件不断的向微型化和密集化方向发展。表面贴装技术（Surface Mounting Technology，SMT）是应用最为广泛的新一代的电子组装技术，它直接将元件无导线的贴装在PCB基板上，取代了传统的插孔元件安装、导线连接。表面贴装技术可以使元器件体积更小、安装密度更大、提高可靠性和生产自动化程度。贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%～60%，重量减轻60%～80%。
在电子产品组装生产的传统模式中，设计一般是由设计工程师在计算机上利用多种计算机辅助设计工具来完成，生产制造则在各种数控设备(如贴装机等)上完成。每一种产品在加工之前，制造工程师首先必须对数控设备编程并反复试验，以确保操作规程的可行性和正确性，然后进行试生产，反复修改直到最后定型，再投入实际的批量生产。生产准备时间很长，投入资金很大。事实上，SMT生产线中数控设备编程所需的大多数数据完全可以从CAD系统的相关数据文件中获取，例如元件在PCB上的坐标位置、角度、物理特征参数等。这些数据量很大，也比较零乱，有些特征数据是不同数控设备都需要的，如贴装机、点胶机、在线测试设备均需要元件在PCB上的坐标位置，而实际中设计部门和制造部门却很少相互了解需求，许多信息不能共享，在企业间往往形成了两个“自动化孤岛”。随着市场竞争的加剧，产品交货周期必须缩短，生产成本必须控制，因此迫切需要在这两个“孤岛”间建立联系，虚拟制造被认为是其最好的解决方案。
2000年之后一部分高校开始在电子实践教学中增加SMT教学内容，大部分专职院校设立SMT电子制造工程专业，但无实验设备和条件，即使己购买SMT生产线的，也无资金或产品开动生产线。SMT虚拟制造系统中关健设备的虚拟样机，便于教学，同时便于企业员工职业培训。
SMT虚拟制造系统就是在计算机支持下，以仿真技术为前提，建立功能强大的虚拟制造环境，对PCB设计、组装等生产过程进行统一建模。在PCB设计阶段或组装之前，就能实时、并行地模拟出其未来组装全过程及对设计的影响，预测PCB组装的性能、成本和可制造性，从而有助于更有效、更经济灵活地组织生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，使生产布局更合理、更有效，以达到开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化之目的。
2 SMT虚拟制造系统设计
采用虚拟制造技术，开发出“先进电子SMT虚拟制造系统SMT-VM2011”，在电子SMT设计和制造“孤岛”间建立联系，将PCB设计、SMT生产线工艺设计、关健SMT设备编程、加工过程可视化仿真和可制造性评价系统集成，在计算机上以直观、生动、精确的方式模拟出先进电子SMT制造技术。
2.1 系统设计
根据组装对象不同，SMT有多种工艺流程，一般单面组装的典型工艺流程为：上料涂布(上焊膏或点胶)贴片再流焊清洗测试下料。SMT生产线如图2所示，主要由自动上板机、自动丝网印刷机或自动点胶机、自动贴片(装)机、自动焊接炉、自动清洗机、在线测试机和AOI测试机、自动下板机等自动化组装和测试设备组成。
图2 SMT生产线
Fig.2 SMT Production Line
2.1.1系统组成
SMT虚拟制造系统组成如图3所示，主界面如图4所示，将两个“孤岛” ――SMT设计和制造集成, 主要包括:
图3 SMT虚拟制造系统组成
Fig.3 SMT VM System
图4 主界面
Fig.4 Main window
1）PCB设计虚拟制造系统
2）SMT生产线工艺流程设计
3）关健SMT设备虚拟编程，主要包括：丝网印刷机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊、AOI测试机。
4）关健SMT设备加工过程可视化仿真，主要包括：丝网印刷机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊、AOI测试机。
5）可制造性评价
（1）电子产品PCB设计与制造
根椐用户设计的EDA（Protel、Mentor、OrCAD…）电路PCB文件，自动检测出用户设计的EDA电路的错误；
能3D可视化直观显示EDA设计的PCB板组装后的情况（基板、器件、焊膏、焊点、胶点），如图5所示；
图5 PCB设计静态仿真Fig.5 PCB Static simulation
模拟PCB标号Mark点示教和PCB贴片过程，并进行贴片程序顺序优化；
根据所设计的PCB板的结构，设计SMT生产线工艺流程和参数，3D动画显示SMT生产线工艺流程；
在PCB设计和制造“孤岛”间建立联系，在最短时间内为EDA最优设计提供直观依据，效率高， 成本低。
（2）电子SMT设计与制造
SMT关键设备包括：丝印机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰
2.1.2 系统主要技术功能
SMT-VM2011系统主要技术指标如表1所示，非常适合高校高职教学和企业培训，不仅使用户进一步掌握EDA电路设计技术，更使用户掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。SMT-VM2011性能优，功能强，交互性强，操作性好，兴趣性高，彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。焊，件机，AOI测试机，API测试机；
读入EDA设计的PCB文件，进行国际市场上主流SMT机型的摸拟编程（Yamaha、Fuji、Seimens、Panasonic、MPM、DEK、GKG、Heller、EASA、ANDA、Aleader、VATA……）；
SMT关键设备静态仿真，可缩放、旋转、平移；
按照摸拟编程CAM程序，自动进行SMT关键设备工作过程3D模拟仿真；
可进行制造性分析，在3D仿真过程中对模拟编程的错误进行检测；
在SMT关键设备编程设计和制造之间建立联系，将SMT关键设备的贴片过程在计算机上以直观、生动、精确的方式呈现出来，取代传统的试机过程，缩短开发周期、降低成本、提高生产效率。
2.2 贴片机虚拟制造系统
贴片机虚拟制造编程系统的主界面如图6所示，自动进行贴片机工作过程3D模拟仿真如图7所示。贴片机软件体系结构如图8所示，包括：模拟编程模块、贴片机3D仿真模块、贴片程序优化模块和贴装数据库模块，系统先对贴片机机型进行模拟编程，读入EDA设计文件，自动生成贴装顺序程序文件，并将数据输入到贴装数据库中；再在VC++6.0环境下采用面向对象技术和OpenGL技术，按贴片机类型自动进行3D机构组装3D仿真；最后设计生成最优化程序。
3 SMT教学培训课程和实验室建设
SMT教学培训课程教学培训大纲如表2所示。
（1）电子产品EDA设计的PCB虚拟制造实验，学时20 h。
图6 贴片机虚拟制造编程系统Fig.6 The placing VM system
图7 贴片机工作过程3D模拟仿真Fig.7 The placing 3D simulation
目的：该实验在电子设计和制造“孤岛”间建立联系，在最短时间内为EDA最优设计的数据修改提供直观依据，以达到开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化之目的。不仅使学生进一步掌握EDA电路设计技术，更使学生了解电子产品PCB电路板是如何制造出来的。
图8 贴片机软件体系结构
Fig.6 The frame of placing softwere
内容：根椐学生设计的EDA电路PCB板图，能自动检测出学生设计的EDA电路的错误，包括电路设计错误和可制造性错误，能3D可视化直观显示EDA设计的PCB板的布局和SMT组装生产后的PCB情况；并且，模拟PCB板的SMT制造过程，设计SMT生产线工艺流程和参数，3D动画显示SMT生产线工艺流程。
（2）电子SMT制造生产线虚拟制造实验，学时30小时。
目的：让学生根据自己设计的EDA电路PCB板，设计SMT关键设备的CAM程序，并且自动3D动画模拟所设计的CAM程序驱动的设备工作过程，能实时、并行地模拟出其未来组装全过程及对设计的影响，预测PCB组装的性能、成本和可制造性。使学生掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。使学生了解和掌握现代先进电子大制造技术，彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。
内容：首先读入EDA设计的PCB文件，进行国际市场上主流机型的SMT关键设备的摸拟编程，SMT关键设备包括：丝印机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊和AOI测试机；最后按照摸拟编程CAM程序，自动进行SMT关键设备机构工作过程3D模拟仿真，并可进行制造性分析。
（3）先进电子制造创新开发实验，学时30小时。
目的：在“电子SMT虚拟制造系统SMT-VM2011” 平台上，进行针对个性化实验、SRTP（科研创新实验）、国家创新实验、电子竞赛、本科生毕业设计、研究生毕业论文等的开发实验。使学生了解和掌握国际现代电子制造的软件、控制和电子等最先进技术。
内容：开发世界著名公司SMT关键设备CAM编程软件和3D仿真软件、世界著名公司IC关键设备CAM编程软件和3D仿真软件、轨道交通电气自动化虚拟制造系统等。
4 结论
SMT-VM2011非常适合高校高职教学和企业培训，不仅使用户进一步掌握EDA电路设计技术，更使用户掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。SMTVM2012性能优，功能强，交互性强，操作性好，兴趣性高，彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。
参考文献
[1] 龙绪明主编. 电子表面组装技术-SMT[M]. 北京：电子工业出版社，2008.11.
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[3] 龙绪明主编. 先进电子制造技术[M]. 机械工业出版社，2010.10.
篇10
关键词：仿真模拟；自然环境建模；金字塔模型研究
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 11-0000-02
军事仿真在不同的角度上有不同的定位，主要包括作战仿真和装备仿真两部分。作战仿真可以分为战略仿真、战役仿真、战术仿真和技术仿真四个层次，作战仿真主要用于测试仿真、分析仿真和训练仿真三方面。训练仿真指的是用于士兵对作战装备操作能力的训练和对各个指挥员对逼真的战场情况的分析、决策以指挥作战的训练；测试仿真指的是验证装备的作战功能，对武器装备的发展情况进行评估及对对新型武器先进功能的演示。军事作战具有突发性、多变性和不确定性等特点，属于一项复杂的综合性的系统。如果单一的进行理论上的研究和学习可能出现作战人员理论和实践相脱节的情况，影响实际作战中的发挥；反之，频繁地进行军事演习又受到耗资巨大，受时、地条件限制等，只能少量的进行。军事仿真演习就是在此基础上产生和发展起来的。本文主要就军事仿真的几项技术进行简单的阐述，包括综合自然环境建模、多分辨率虚拟地形环境的金字塔模型、多分辨率模型等方面进行分析。
一、综合自然环境建模
（一）综合自然环境建模的发展现状
综合自然环境的建模指的是包括海、陆、空在内的整个自然大环境中的数据、模型等的较为完整和权威的数据描述，进行综合自然环境建模的主要目的就是为军事仿真提供可靠、权威、完整的自然环境数据和模型，满足雷达、红外以及CGF等的仿真需求。综合自然环境的建模经历了两个阶段，第一个阶段是从上世纪八十年代初期到就是年代中期的原始技术积累阶段，第二个阶段是从九十年代中期至今先进技术形成阶段，原始技术积累阶段的研究成果主要集中在可视化仿真、地形数据库和动态地形仿真等方面，先进技术形成阶段的主要研究成果主要包括动态自然环境的仿真以及综合自然环境的表示、交换、自动生成和重用等方面的技术、工具和方法。发展到现在，综合自然环境建模研究的重点和难点在于综合自然环境建模和仿真的统一性和合理性。随着仿真技术的不断发展和成熟及其广泛的推广和使用，综合自然环境建模逐渐成为国防军事化发展的必然要求，成为获得和提高建模和仿真的可行性的关键点。具体表现为北约和美国国防部已经将获得权威的综合自然环境描述和表示列为国防、军事建模的主要目标之一。
（二）综合自然环境建模和仿真的关键技术
模型、数据和仿真是综合自然环境建模和仿真的主要内容，进行综合自然环境建模的基本原理是将数据和模型分离、综合自然环境和军事系统模型分离，并通过数据流的联结来驱动军事仿真。为了实现高仿真性的目标，需要做好综合自然环境的多分辨率及多表示技术、动态自然环境的仿真等。
1.环境数据模型的建立。环境数据模型是用来在C4ISR系统或者建模与仿真系统中搜集、刻画和定义综合自然环境的。做好此方面的工作首先要有公共的数据语义、规范的数据模式和以任务为核心的工具集，以便通过公共数据模型的框架来建立和维护不同的环境数据模型。
2.综合自然环境的表示和交换。综合自然环境的仿真往往要将复杂多样的数据整合在一起，在整理的过程中不可避免的会产生时间耗费、成本投入等基本问题，这些问题的可能后果就是数据紊乱，缺乏可信度。解决这一问题的关键就在于制定科学有效地数据表示方法和无损的数据交换技术。
3.动态自然环境仿真。动态性是综合自然环境最本质、最显著的特性之一，为满足高仿真的需求，必须做好动态性的相关技术。随着SEDRIS技术和HLA技术的成熟，动态仿真逐渐成为军事仿真的主要研究方向。
（三）综合自然环境的建模和发展方向
随着动态性技术、数据交换技术及数据模型建立技术的发展，综合自然环境的建模取得了较高的成就，今后综合自然环境建模和仿真技术的工作重点仍然是数据、模型和仿真的可行性、权威性和动态性。根据目前的发展情况在以后的几年里综合自然环境的发展方向将会集中在以下几点：（1）综合自然环境数据表示和交换方法的可行性和数据语法语义的统一性；（2）综合自然环境的多分辨率模型的建立；（3）数据的自动生成和分布；（4）动态自然环境的仿真。
二、多分辨率虚拟地形环境的金字塔模型研究
（一）金字塔模型的涵义
金字塔是一种连续分辨率模型，在进行金字塔模型的构建时可以采用倍率的方法来表示金字塔的分辨率，即从底层到顶层，分辨率逐渐降低，具体可以用一个公式来表示：
通过构建金字塔模型，可以为地形可视化系统提供不同分辨率的数据。也就是说，当应用系统绘制一帧地形场景时，不同位置需要不同分辨率的图像子块和地形子块，为了实现绘制的立体性，可以建立图像数据金字塔和地形数据金字塔。
（二）金字塔模型的分层分块方案
随着计算机技术的发展，内存的价格相对降低，CPU的频率越来越高，同时图形的硬件加速器也在不断的发展，但是仍然存在硬件所显示的数据量少于十几所需要的数据量的问题，而且应用模型较为复杂，远超过当前工作站的实际处理能力。解决这一问题的最佳途径就是对金字塔模型的每一层进行分层、分块，目前较为常见的分层方案是根据国家的系统比例进行分层，然后再对每一层进行分块处理。较为常用的分块方案是12×8.这种分层分块方式存在索引速度慢、可扩展性差的弱点。针对这两项弱点，我们在金字塔设计中设计了一套全新的设计方案从面积划分的角度来讲，可以称之为“等面积划分”，这种互粉方法的基本思想就是使用等面积的面片在全球的模型上进行空间划分，相邻面积片的面积倍率为两倍。
（三）分层分块后的结构组织
经过分层分块后，全球的金字塔模型可以表示为表一
从上表的数据可以得出，当LOD=17时，地形数据的分辨率已经达到了0.3〞，并且LOD还能够继续升高。该分层分块方式和一般的数据存储结构存在着一些不同之处，表现为将纹理模型的数据的地形模型的数据存储在一个单元中，这样做的原因是（1）将地形模型的数据和纹理模型的数据存储在一起有利于快速进行索引；（2）从渲染地形的角度来看，纹理数据和地形数据是一一对应的，缺一不可。
三、结束语
军事学离不开仿真技术，本文主要针对本文主要就军事仿真的几项技术进行简单的阐述，目前在军事防震方面的研究参差不齐，相关技术的推广和使用还不一致。我们需要进一步加大仿真技术的研究和推广力度，积极开发相应的技术产品，以达到搞笑的军事仿真的目的。
参考文献：
[1] Liu Bao-hong and Huang Ke-di. The Design and Implement of Multi-Resolution Federation with an Air-Ground Combat Federation As Example[C]. Orlando, FL, USA Proceedings of the 2002 Spring Simulation Interoperability Workshop,2002
