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篇1

關(guān)鍵詞：數(shù)字化仿真；卓越計(jì)劃；機(jī)械原理；創(chuàng)新能力

作者簡介：李杰（1979-），男，河北石家莊人，石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，講師；范曉珂（1972-），女，河北石家莊人，石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，副教授。（河北 石家莊 050043）

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）05-0083-02

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡稱“卓越計(jì)劃”）是高等院校貫徹落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的一項(xiàng)重大改革項(xiàng)目，其目的在于培養(yǎng)造就一大批具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)。該項(xiàng)目的實(shí)施將促進(jìn)高等教育面向社會(huì)需求培養(yǎng)人才，對(duì)全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導(dǎo)作用。[1]2011年，石家莊鐵道大學(xué)被教育部批準(zhǔn)成為第二批133所“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”培養(yǎng)高校之一。“機(jī)械原理”課程作為機(jī)械工程類的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是石家莊鐵道大學(xué)（以下簡稱“我?！保C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、車輛工程專業(yè)、“茅以升”試驗(yàn)班和“卓越”班的必修課程，占有重要的地位。由于學(xué)生人數(shù)的增加和新課程的開設(shè)，“機(jī)械原理”計(jì)劃學(xué)時(shí)不斷被壓縮，而教學(xué)內(nèi)容卻不斷補(bǔ)充，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難滿足“卓越計(jì)劃”的要求，很難培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。[2]因此，利用數(shù)字化仿真技術(shù)改善“機(jī)械原理”以往傳統(tǒng)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)存在的問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生成為具有工程思維的實(shí)用型與創(chuàng)新型人才，適應(yīng)“卓越計(jì)劃”的發(fā)展具有重要的意義。

一、課程教學(xué)內(nèi)容與安排

“機(jī)械原理”的課程內(nèi)容主要有：機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和力分析、機(jī)械的效率、自鎖與平衡、各種常用機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容，共64學(xué)時(shí)，講授54課時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，“機(jī)械原理”課程設(shè)計(jì)1周。講授的內(nèi)容中，主要重點(diǎn)介紹機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和力分析、機(jī)械的效率、自鎖與平衡、常用機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)，其中包括連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、輪系和其他的常用機(jī)構(gòu)等；[3]機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)合課程設(shè)計(jì)時(shí)完成；實(shí)驗(yàn)安排主要針對(duì)一些機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證、設(shè)計(jì)與綜合，旨在提高學(xué)生的動(dòng)手能力和對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。但是，由于課時(shí)限制，該課程所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)只能完成4個(gè)，很難滿足“卓越計(jì)劃”的要求，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

二、教學(xué)方式的改革

數(shù)字化仿真技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，它是指將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，利用計(jì)算機(jī)分析軟件通過建?？蓪?duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，對(duì)機(jī)構(gòu)及整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。數(shù)字化仿真技術(shù)在“機(jī)械原理”教學(xué)中的應(yīng)用，不僅可以使得學(xué)生對(duì)機(jī)械原理中的各種機(jī)構(gòu)有感性的認(rèn)識(shí)，而且通過對(duì)各種機(jī)構(gòu)的仿真模擬可以使得學(xué)生對(duì)各種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性有直觀的了解，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。[4]筆者將數(shù)字化仿真技術(shù)引入到“機(jī)械原理”教學(xué)中，下面以連桿機(jī)構(gòu)為例，介紹在連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化仿真技術(shù)的一些體會(huì)。

1.理論教學(xué)的改革

在連桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)中，連桿機(jī)構(gòu)的基本形式為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，其三種基本形式分別為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)，通過機(jī)構(gòu)的倒置則可以得到雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。

在教學(xué)過程中，利用數(shù)字化仿真軟件建立曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的數(shù)字化模型，按照要求對(duì)各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中包括：各桿長度、質(zhì)量、電機(jī)轉(zhuǎn)速、力矩大小等。如圖1所示，在四桿機(jī)構(gòu)中各桿分別以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，分別為A、B、C、D；各桿桿長分別為280mm、520mm、500mm、720mm，然后對(duì)桿4固定，桿1為曲柄，在轉(zhuǎn)動(dòng)副A上加力矩，其數(shù)字化模型如圖1所示。通過運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分析。[5]曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析如圖2所示。

在教學(xué)過程中，圖1能夠清晰演示四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)畫面，其中曲柄以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿則在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)。從圖2的角速度圖中可以看出曲柄轉(zhuǎn)速為30°/S，而搖桿的擺角為0°～30°。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中其他參數(shù)保持不變的前提下，只改變曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架，取原來的桿件1為機(jī)架，桿件2為曲柄，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以看出，通過改變機(jī)架后，原來的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)變?yōu)榱穗p曲柄機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析如圖3所示。

在教學(xué)過程中，利用數(shù)字化仿真技術(shù)學(xué)生能夠直觀看出此時(shí)兩個(gè)曲柄都在做整周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從圖3中的角速度圖中可以看出主動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速為30°/S，而從動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)速為不等速連續(xù)回轉(zhuǎn)，范圍在15°/S～65°/S之間。

最后，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，取原來的搖桿3為機(jī)架，桿4為曲柄，在其他參數(shù)保持不變的前提下對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以看出，通過改變機(jī)架后，原來的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)變?yōu)榱穗p搖桿機(jī)構(gòu)。雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析如圖4所示。

圖4的動(dòng)畫演示中能夠看出，兩個(gè)搖桿都不能在整周范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，都在一定范圍內(nèi)做往復(fù)擺動(dòng)，從圖4中的角速度圖中可以看出主動(dòng)曲柄搖桿轉(zhuǎn)速為30°/S，而從動(dòng)搖桿的轉(zhuǎn)速為不等速擺動(dòng)，范圍在0°/S～35°/S之間。

在課堂教學(xué)過程中，通過四桿機(jī)構(gòu)的數(shù)字化仿真能夠使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)機(jī)構(gòu)的倒置有清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的興趣和創(chuàng)新能力。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

由于課時(shí)的限制，“機(jī)械原理”課程實(shí)驗(yàn)共有四次，具體安排如表1所示。

由表1看出：“卓越”班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較少，不能夠滿足學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)的需求。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以利用數(shù)字化仿真技術(shù)進(jìn)行有效的彌補(bǔ)，同時(shí)也可以對(duì)以上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以先讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建不同的機(jī)構(gòu)，分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，并繪制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖，課下讓學(xué)生通過計(jì)算機(jī)根據(jù)所繪制的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖建立所搭建的機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行數(shù)字化仿真模擬，直觀形象地模擬實(shí)際搭建機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程。而對(duì)于實(shí)驗(yàn)3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)，事先讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化仿真，測(cè)量出機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度曲線，然后再與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的曲線進(jìn)行相應(yīng)的比較。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中沒有的內(nèi)容，也可以通過對(duì)機(jī)構(gòu)的數(shù)字化仿真來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

三、教學(xué)效果

通過數(shù)字化仿真技術(shù)在“機(jī)械原理”課程中的應(yīng)用，在理論教學(xué)過程中對(duì)所講授知識(shí)可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行虛擬仿真，有效改變傳統(tǒng)理論教學(xué)加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，節(jié)省課時(shí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過數(shù)字化仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合大大提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)。

四、結(jié)束語

通過教學(xué)實(shí)踐表明，將數(shù)字化仿真技術(shù)引入到“機(jī)械原理”教學(xué)中具有較大的新穎性，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)“機(jī)械原理”課程基本理論的理解，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方法的創(chuàng)新。

新的教學(xué)方法能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在教學(xué)過程中學(xué)生能夠變被動(dòng)接受為主動(dòng)思考，通過對(duì)不同的方案進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高分析問題、解決問題的能力。

數(shù)字化仿真技術(shù)在本門課程中的應(yīng)用鍛煉了學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的能力，同時(shí)也提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。這種教學(xué)模式的探索為其他工程類專業(yè)基礎(chǔ)課程適應(yīng)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的教學(xué)改革提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]盧梅，李威，邱麗芳.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].儀器儀表用戶，2006，4（13）：25-26.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

篇2

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化模型；繼電保護(hù)；計(jì)算機(jī)仿真；系統(tǒng)性校驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）37-0039-01

0 引言

電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和一次系統(tǒng)接線方式的日益復(fù)雜對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。繼電保護(hù)設(shè)備作為維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第二道防線，已越來越受到人們的重視。

由于電力系統(tǒng)本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，電網(wǎng)故障的發(fā)生也具有突發(fā)性、瞬時(shí)性、不可預(yù)見性等特點(diǎn)，電網(wǎng)二次系統(tǒng)作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要控制手段，有必要在設(shè)備投運(yùn)前對(duì)二次系統(tǒng)全面的測(cè)試和校驗(yàn)。

目前的繼電保護(hù)校驗(yàn)只能對(duì)二次系統(tǒng)中的繼電器（保護(hù)裝置）的功能與動(dòng)作特性進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)于在系統(tǒng)故障時(shí)能否正確切除故障起決定作用的繼電保護(hù)定值及二次系統(tǒng)其它參數(shù)無法進(jìn)行驗(yàn)證。

因此本項(xiàng)目提出了在建立電網(wǎng)一次精確模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立二次系統(tǒng)的主要構(gòu)成元件――各種保護(hù)繼電器的數(shù)字化模型（即虛擬繼電器），從而搭建整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化模型，利用計(jì)算機(jī)仿真這一先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)電網(wǎng)的第二道防線進(jìn)行模擬，從根本上解決目前難以對(duì)電網(wǎng)中的二次系統(tǒng)配置的合理性、準(zhǔn)確性、以及各項(xiàng)控制功能的有效性進(jìn)行全面驗(yàn)證的問題。

1 國內(nèi)外研究水平綜述

目前，對(duì)電網(wǎng)中繼電保護(hù)系統(tǒng)的校驗(yàn)仍然處于裝置級(jí)水平，即僅僅對(duì)單臺(tái)（套）繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行硬件性能、邏輯功能、動(dòng)作特性等方面的檢驗(yàn)，而對(duì)于關(guān)系到繼電保護(hù)設(shè)備能否正確動(dòng)作的保護(hù)定值的合理性及準(zhǔn)確性無法進(jìn)行檢驗(yàn)。

電網(wǎng)本身是由眾多元件連接成的統(tǒng)一的系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)中繼電保護(hù)設(shè)備的要求不僅僅局限于邏輯功能正確、動(dòng)作可靠，更重要的是強(qiáng)調(diào)各級(jí)電網(wǎng)的繼電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作特性必須嚴(yán)格配合，在一次設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置必須做到該動(dòng)必動(dòng)，不能誤動(dòng)。繼電保護(hù)定值作為保護(hù)設(shè)備能否動(dòng)作的直接依據(jù)，各級(jí)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作特性的配合實(shí)際上就是保護(hù)定值的配合。如果對(duì)保護(hù)定值的正確性進(jìn)行校驗(yàn)就必須考慮到各級(jí)保護(hù)定值的逐級(jí)配合，聯(lián)系各級(jí)電網(wǎng)對(duì)定值進(jìn)行系統(tǒng)的校驗(yàn)。

由于電力系統(tǒng)故障的瞬時(shí)性、突發(fā)性、破壞性以及故障過程的不可逆轉(zhuǎn)性，現(xiàn)有的技術(shù)手段尚不能對(duì)電網(wǎng)各級(jí)保護(hù)定值進(jìn)行系統(tǒng)的檢驗(yàn)。本文在現(xiàn)已成熟的電網(wǎng)一次設(shè)備電磁暫態(tài)仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了建立電網(wǎng)中各種繼電保護(hù)設(shè)備的數(shù)字化模型――虛擬繼電器，將電網(wǎng)中各級(jí)保護(hù)定值置入虛擬繼電器，通過對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行各種電磁暫態(tài)仿真過程，觀察各虛擬繼電器的動(dòng)作情況，從而檢驗(yàn)電網(wǎng)中各級(jí)繼電保護(hù)定值的正確性。

2 理論和實(shí)踐依據(jù)

（1）虛擬繼電器模型的建立

實(shí)現(xiàn)本文的關(guān)鍵在于建立各種繼電保護(hù)裝置的數(shù)字化模型，即虛擬繼電器。利用先進(jìn)的數(shù)字建模技術(shù)，根據(jù)常見繼電保護(hù)裝置的基本原理及動(dòng)作邏輯，編制程序完成各種繼電保護(hù)裝置的基本功能，并進(jìn)行測(cè)試完善，使之具有與實(shí)際繼電器相同的動(dòng)作特性，并預(yù)留同外部程序的接口。

（2）虛擬電網(wǎng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)的建立

根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型（一次系統(tǒng)）的保護(hù)配置，主要實(shí)現(xiàn)虛擬繼電器對(duì)一次系統(tǒng)模型中相應(yīng)斷路器的控制功能。

（3）對(duì)電網(wǎng)一、二次系統(tǒng)模型的仿真研究

利用現(xiàn)已成熟的電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型，通過模擬一次系統(tǒng)的各種異常及事故運(yùn)行狀況，分析電網(wǎng)中各種繼電保護(hù)設(shè)備及斷路器的動(dòng)作行為，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析繼電保護(hù)設(shè)備的配置與參數(shù)整定是否合理。

（4）本文的創(chuàng)新點(diǎn)

本文提出建立電網(wǎng)二次系統(tǒng)的數(shù)字化模型，對(duì)電網(wǎng)的二次系統(tǒng)進(jìn)行全面的仿真研究，克服了以前的電網(wǎng)仿真只研究一次模型，忽略二次模型的弊端，只有對(duì)電網(wǎng)的一、二次設(shè)備進(jìn)行全面的仿真研究，才能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的全方位、全過程的動(dòng)態(tài)仿真。

繼電器作為構(gòu)成電網(wǎng)二次系統(tǒng)的基本元素，本文提出了虛擬繼電器的概念，建立虛擬繼電器是本文的關(guān)鍵部分，在國內(nèi)外尚未看到有關(guān)虛擬繼電器的有關(guān)報(bào)道。

3 研究內(nèi)容和實(shí)施方案

本文利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)建立虛擬繼電器，使之具有與實(shí)際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動(dòng)作出口等功能，并具有良好的人機(jī)界面，可方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬繼電器進(jìn)行各種參數(shù)及定值設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)與實(shí)際繼電器完全相同的功能。

設(shè)想電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化模型開發(fā)及仿真系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別為基于微機(jī)保護(hù)的電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真裝置，通訊和信號(hào)轉(zhuǎn)接口以通用自動(dòng)化二次設(shè)備，如圖1。

圖1 電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)構(gòu)成圖

電力系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，按照其內(nèi)在的物理規(guī)律、相互關(guān)系及實(shí)際功用，可將電力系統(tǒng)紛繁復(fù)雜、形態(tài)各異的設(shè)備歸納為若干種類。依其內(nèi)在機(jī)理確定算法，算法面向一類設(shè)備，代表其共性。

然后根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)，將通用性的算法應(yīng)用到特定的設(shè)備，對(duì)各輸入、輸出、系數(shù)進(jìn)行配置以反映其特性。并依據(jù)物質(zhì)流向、控制信息流向?qū)⑺鼈円灰贿B接起來，即構(gòu)成模型。建模工程師無須專門的計(jì)算機(jī)軟件知識(shí)，只要熟悉仿真對(duì)象的工藝流程，具備相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)，即可從事模型開發(fā)和維護(hù)工作。

具體到繼電保護(hù)設(shè)備，可根據(jù)每種保護(hù)的輸入、輸出量及工作原理建立數(shù)學(xué)模型，正確反映保護(hù)的啟動(dòng)、動(dòng)作、復(fù)歸、時(shí)間等特性。

所有設(shè)備算法均依據(jù)物理機(jī)理建立，算法涵蓋了仿真對(duì)象的全工況動(dòng)、靜態(tài)特性，既反映了正常運(yùn)行的規(guī)律，又模擬了異常、故障情況下的特性。

在原有電網(wǎng)一次系統(tǒng)仿真模型上，根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)保護(hù)配置情況，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)二次系統(tǒng)的配置，從而形成完整的電力系統(tǒng)。然后利用現(xiàn)已成熟的電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)，模擬電網(wǎng)的各種故障及異常運(yùn)行方式，觀察電網(wǎng)中一、二次設(shè)備的動(dòng)作情況，從而判斷電網(wǎng)中的各種繼電保護(hù)設(shè)備的配置情況及參數(shù)整定是否合理、正確。

4 預(yù)期目標(biāo)和成果形式

本文利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)建立虛擬繼電器，使之具有與實(shí)際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動(dòng)作出口等功能，并具有良好的人機(jī)界面，可方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬繼電器進(jìn)行各種參數(shù)及定值設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)與實(shí)際繼電器完全相同的功能。

在原有電網(wǎng)一次系統(tǒng)仿真模型上，根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)保護(hù)配置情況，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)二次系統(tǒng)的配置，從而形成完整的電力系統(tǒng)。然后利用現(xiàn)已成熟的電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)，模擬電網(wǎng)的各種故障及異常運(yùn)行方式，觀察電網(wǎng)中一、二次設(shè)備的動(dòng)作情況，從而判斷電網(wǎng)中的各種繼電保護(hù)設(shè)備的配置情況及參數(shù)整定是否合理、正確。圖2為系統(tǒng)進(jìn)行單相重合閘的仿真結(jié)果，圖1中給出了一次系統(tǒng)故障電壓、電流的曲線以及二次系統(tǒng)虛擬繼電器的動(dòng)作情況，為設(shè)計(jì)人員及繼電保護(hù)整定計(jì)算人員提供直觀的分析依據(jù)。

圖2 系統(tǒng)進(jìn)行單相重合閘的仿真

參考文獻(xiàn)

[1] 楊樂平，李海濤.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：電子工 業(yè)出版社，2005：1～32.

篇3

關(guān)鍵詞:射頻標(biāo)簽;防碰撞;編址策略;應(yīng)急;物資管理;計(jì)算機(jī)仿真

1研究背景和概述

射頻標(biāo)簽(RFIDtag)又稱電子標(biāo)簽，在跟蹤、物流、物資管理等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，例如:圖書館門禁系統(tǒng)，交通收費(fèi)，倉儲(chǔ)管理、貨架管理以、應(yīng)急物資管理及食品安全溯源等。其中，用于解決讀寫器作用范圍內(nèi)多標(biāo)簽識(shí)別情景下的射頻標(biāo)簽識(shí)別防碰撞方法已成為該領(lǐng)域的重要研究點(diǎn)。射頻標(biāo)簽的防碰撞方法主要是為了解決在射頻標(biāo)簽識(shí)別設(shè)備的有效通信區(qū)域內(nèi)，當(dāng)多個(gè)射頻標(biāo)簽同時(shí)與識(shí)別設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)產(chǎn)生的地址沖突問題。目前學(xué)術(shù)界對(duì)射頻標(biāo)簽防碰撞問題集中于對(duì)算法本身的研究，一般沒有考慮射頻標(biāo)簽編碼策略的因素。本文對(duì)采用經(jīng)典的QT射頻標(biāo)簽防碰撞算法情況下，分別使用“層次化編址”和“隨機(jī)編址”兩種編址策略的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率進(jìn)行比較研究。通過模擬仿真可以得出結(jié)論，利用“隨機(jī)編址”策略可以獲得比“層次化編址”策略更高的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率。而“層次化編址”策略也有其優(yōu)勢(shì)，一是現(xiàn)有的商用射頻標(biāo)簽產(chǎn)品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續(xù)增加的“層次化編址”策略；二是“層次化編址”本身可以直接提供商品廠家、類型等信息。因此，研究針對(duì)“層次化編址”策略的射頻標(biāo)簽防碰撞算法、以及研究“層次化編址”策略的應(yīng)用場(chǎng)景是下一步的研究方向。

2射頻標(biāo)簽編碼策略分析

2.1射頻標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用的射頻標(biāo)簽編碼協(xié)議

在較早版本的射頻標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如ISO18000-6TypeB）中，射頻標(biāo)簽的地址是固定的。而在較新的射頻標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO18000-6TypeC）集中，用戶可以根據(jù)需要優(yōu)化定制射頻標(biāo)簽編址策略。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，需要更加靈活的射頻標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)，因此本文研究采用經(jīng)典的QT射頻標(biāo)簽防碰撞算法情況下，分別對(duì)射頻標(biāo)簽使用“層次化編址”和“隨機(jī)編址”兩種編址策略時(shí)，對(duì)射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率的影響，為射頻識(shí)別系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新的射頻標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)制定提供參考。

2.2層次化編址策略與隨機(jī)編址策略

作為“層次化編址”策略的一個(gè)例子，EPC（ElectronicProductCode）即電子產(chǎn)品編碼，是一種編碼系統(tǒng)。它建立在EAN.UCC（即全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)）條型編碼的基礎(chǔ)之上，并對(duì)該條形編碼系統(tǒng)做了一些擴(kuò)充，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)單品進(jìn)行標(biāo)志。EPC編碼由版本號(hào)、產(chǎn)品域名管理、產(chǎn)品分類部分和序列號(hào)四個(gè)字段組成。EPC編碼根據(jù)地址長度的不同又分為EPC-64,EPC-96等多種編碼方法，如圖1所示。EPC-64是目前得到行業(yè)支持較廣泛的一種EPC編碼方法，又分為TYPE-I,TYPE-II,TYPE-III三種實(shí)現(xiàn)方案。較新的射頻標(biāo)簽國際標(biāo)準(zhǔn)ISO18000-6TypeC也在協(xié)議的層面上對(duì)EPC提供了支持?！半S機(jī)編址”策略，顧名思義，就是對(duì)每一個(gè)射頻標(biāo)簽隨機(jī)生成和分配一個(gè)地址。隨機(jī)生成的地址僅做標(biāo)簽識(shí)別，沒有具體的意義，可以在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中與產(chǎn)品類型、廠商品牌等其他信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3基于計(jì)算機(jī)仿真的射頻標(biāo)簽編碼策略比較研究

3.1射頻標(biāo)簽編碼策略計(jì)算機(jī)仿真

本文開發(fā)了射頻標(biāo)簽識(shí)別防碰撞算法計(jì)算機(jī)仿真軟件，分別對(duì)射頻標(biāo)簽使用“層次化編址”和“隨機(jī)編址”兩種編址策略的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。在仿真過程中，射頻標(biāo)簽防碰撞算法采用經(jīng)典的QT算法。射頻標(biāo)簽地址長度為64bit。對(duì)于“層次化編址”策略，采用EPC-64TYPY-I規(guī)范，對(duì)“隨機(jī)編址”策略，采用隨機(jī)生成的方式生成射頻標(biāo)簽地址。射頻標(biāo)簽識(shí)別防碰撞算法計(jì)算機(jī)仿真參數(shù)的選擇基于現(xiàn)實(shí)的射頻標(biāo)簽讀取場(chǎng)景，包括超市個(gè)人結(jié)算場(chǎng)景和大型倉儲(chǔ)區(qū)貨架管理場(chǎng)景。這兩種場(chǎng)景的共同點(diǎn)是每種場(chǎng)景下系統(tǒng)都需要考慮兩個(gè)數(shù)量Ntotal和Nlocal。Ntotal表示已經(jīng)入庫且分配了射頻標(biāo)簽的物品總數(shù)量，Nlocal表示射頻標(biāo)簽閱讀器某一次讀取操作中需要讀取的射頻標(biāo)簽數(shù)量。在超市個(gè)人結(jié)算場(chǎng)景下Nlocal大約在數(shù)十個(gè)的數(shù)量級(jí)，在大型倉儲(chǔ)區(qū)貨架管理場(chǎng)景場(chǎng)景下Nlocal大約在數(shù)百個(gè)的數(shù)量級(jí)。而Ntotal可能在幾萬至幾十萬的數(shù)量級(jí)。在本文的模擬過程中，Ntotal取值為10000至100000，每隔10000計(jì)算一個(gè)模擬數(shù)值。而Ntotal取20和200兩個(gè)數(shù)值，分別模擬超市個(gè)人結(jié)算場(chǎng)景和大型倉儲(chǔ)區(qū)貨架管理場(chǎng)景。

3.2不同射頻標(biāo)簽編址策略仿真結(jié)果

可以看出在射頻標(biāo)簽閱讀器一次需要讀取20個(gè)射頻標(biāo)簽的情景下，采用隨機(jī)編址策略時(shí)，射頻標(biāo)簽閱讀器只需發(fā)起50次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發(fā)起400次左右前綴匹配。由圖3右側(cè)圖表可以看出在射頻標(biāo)簽閱讀器一次需要讀取200個(gè)射頻標(biāo)簽的情景下，采用隨機(jī)編址策略情況下，射頻標(biāo)簽閱讀器只需發(fā)起不到600次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發(fā)起800至1500次前綴匹配。

3.3仿真結(jié)果分析與進(jìn)一步的研究方向

通過上文的仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論：采用隨機(jī)編址策略，射頻標(biāo)簽閱讀器可以通過發(fā)起更少的射頻標(biāo)簽前綴匹配操作，完成射頻標(biāo)簽匹配讀取任務(wù)，射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率由于“層次化編址”策略。出現(xiàn)這種情況的原因是因?yàn)?，在使用隨機(jī)編碼編址情況下，射頻標(biāo)簽間的地址是低相關(guān)性的，標(biāo)簽地址沖突只會(huì)出現(xiàn)在射頻標(biāo)簽地址前幾位。而采用層次化編址策略情況下，射頻標(biāo)簽間的地址是高相關(guān)性的，在不同策標(biāo)簽地址層次分段上，都有可能產(chǎn)生射頻標(biāo)簽地址讀取沖突。雖然從射頻標(biāo)簽讀取效率的角度講，“隨機(jī)編址”策略，優(yōu)于“層次化編址”策略，然而簡單放棄“層次化編址”策略并非最終的解決方案。第一個(gè)原因是而現(xiàn)有的射頻標(biāo)簽產(chǎn)品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續(xù)增加的“層次化編址”策略；第二個(gè)原因是“層次化編址”策略本身比“隨機(jī)編址”策略直接提供了關(guān)于產(chǎn)品的更多信息。因此，下一步的研究方向包括下面幾個(gè)方面：一是對(duì)基本的QT算法進(jìn)行優(yōu)化，研究在采用層次化射頻標(biāo)簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標(biāo)簽讀取算法。二是從系統(tǒng)優(yōu)化的觀點(diǎn)選取適合的射頻標(biāo)簽編址策略。例如某應(yīng)用需要通過掃描射頻標(biāo)簽獲得產(chǎn)品信息，就需要從系統(tǒng)的角度考慮是直接采用包含產(chǎn)品信息的“層次化編址策略”更加優(yōu)化，還是采用“隨機(jī)編址”策略，然后從數(shù)據(jù)庫讀取產(chǎn)品信息更加優(yōu)化。

4結(jié)論

射頻標(biāo)簽又稱電子標(biāo)簽，是一種得到廣泛應(yīng)用的物品單元自動(dòng)識(shí)別通信技術(shù)。本文根據(jù)射頻標(biāo)識(shí)技術(shù)的最新發(fā)展，在射頻標(biāo)簽地址優(yōu)化編碼技術(shù)方向上開展研究與仿真。模擬結(jié)果表明采用經(jīng)典的QT射頻標(biāo)簽防碰撞算法，利用“隨機(jī)編址”策略可以獲得比“層次化編址”更高的射頻標(biāo)簽識(shí)別吞吐率。下一步的研究方向包括：一是對(duì)基本的QT算法進(jìn)行優(yōu)化，研究在采用層次化射頻標(biāo)簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標(biāo)簽讀取算法；二是面向應(yīng)用，綜合考慮射頻標(biāo)簽識(shí)別算法吞吐率、數(shù)據(jù)庫訪問瓶頸等多種關(guān)鍵影響因素，從系統(tǒng)優(yōu)化的觀點(diǎn)選取適合的射頻標(biāo)簽編址策略。本文的研究成果具有較高的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]F.Zhou,C.Chen,D.Jin,C.Huang,andH.Min,“Evaluatingandoptimizingpowerconsumptionofanti-collisionprotocolsforapplicationsinRFIDsystems,”inProc.2004internationalsymposiumonLowpowerelectronicsanddesign,pp.357-362,2004.

篇4

關(guān)鍵詞： Verilog HDL； FIR濾波器； 分布式算法； 數(shù)字集成電路

中圖分類號(hào)： TN713?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）07?0154?03

Optimization design and simulation of FIR digital filter based on Verilog HDL

LI Yu?xue1，2， BAI Zhong?chen1， QIN Shui?jie1

（1. Guizhou Key Laboratory of Photoelectron Technology and Application， Guiyang 550025， China；

2. School of Electronic Information， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： The realization of FIR digital filter based on Verilog HDL was studied and was improved on the basis of the distributed algorithm. A 32?order constant coefficient FIR filter was designed. Verilog hardware description language was used for digital logic Design. The design was simulated and verified by taking Synopsys VCS as a simulation tool. It was synthesized with Design Compiler of Synopsys Company. The results show that the design can noy only ensure the running speed， but also save the area of the chip. It can be widely used in the design of digital integrated circuit.

Keywords： Verilog HDL； FIR filter； distributed algorithm； digital integrated circuit

0 引 言

數(shù)字濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，是現(xiàn)代信號(hào)處理的重要內(nèi)容。有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器有著保證線性相位和系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，因此在現(xiàn)代信號(hào)處理中得到廣泛的應(yīng)用。 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字濾波器已可用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。在工程實(shí)踐中，對(duì)信號(hào)的靈活和實(shí)時(shí)性要求很高，而現(xiàn)有的一些軟件和硬件設(shè)計(jì)方式很難同時(shí)達(dá)到這兩方面的要求[1?2]。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種基于Verilog HDL的FIR數(shù)字濾波器，該濾波器處理速度較快，滿足信號(hào)實(shí)時(shí)處理的需求，且有效地減少了芯片的面積。

1 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 FIR濾波器的設(shè)計(jì)原理

FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)方法主要是基于乘加結(jié)構(gòu)（MAC結(jié)構(gòu)）和分布式算法（DA）結(jié)構(gòu)。乘累加結(jié)構(gòu)在很大程度上能夠節(jié)省硬件資源，但造成濾波器要在多時(shí)鐘周期后才有輸出，處理速度很慢，不能滿足對(duì)高速系統(tǒng)的要求。并行乘法器結(jié)構(gòu)盡管處理速度提高了，但是大量的耗費(fèi)硬件資源，造成設(shè)計(jì)成本高。DA算法是將所有可能的乘積和預(yù)先計(jì)算出并保存在查找表中，能高效地實(shí)現(xiàn)多個(gè)乘法運(yùn)算操作，在速度上和資源占用上比利用乘法器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)FIR濾波器有不可比擬的優(yōu)勢(shì)[3]。DA算法的原理簡介如下。

一個(gè)[K]階的FIR濾波器的表達(dá)式如下：

[y=k=0K-1hkxk] （1）

式中：[hk]是第[k]個(gè)抽頭上的濾波器系數(shù)；[xk]是對(duì)應(yīng)第[k]個(gè)抽頭上的輸入數(shù)據(jù)。對(duì)于位寬為[n]比特的有符號(hào)[xk]數(shù)用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示為[（b0b1…bn-2bn-1）2，][b0]是符號(hào)位，[bn-1]是最低位，則：

[xk=-bk0+i=1n-1bki2-i] （2）

將式（2）代入式（1），則有：

[y=k=0K-1hk-bk0+i=1n-1bki2-i] （3）

將式（3）展開，得到：

[y=-k=0K-1hkbk0+i=1n-1k=0K-1hkbki2-i] （4）

由式（4）可以看出，濾波器的輸出[y]由兩部分組成，式中[k=0K-1hkbki]表示[K]個(gè)固定系數(shù)與其對(duì)應(yīng)的[K]個(gè)二進(jìn)制補(bǔ)碼輸入的第[i]位的乘積和，它的結(jié)果共有[2k]種可能，將這[2k]種可能值計(jì)算出來放在查找表里，將乘累加轉(zhuǎn)換成查表的過程。采用DA算法的FIR濾波器，其處理速度僅與輸入的數(shù)據(jù)寬度有關(guān)，而與濾波器的階數(shù)無關(guān)。

由以上推導(dǎo)得出，當(dāng)濾波器的階數(shù)變大時(shí)，查找表的規(guī)模按指數(shù)增長。對(duì)于高階濾波器的實(shí)現(xiàn)，必須采用將高階濾波器拆分成多個(gè)低階濾波器的方式。例如實(shí)現(xiàn)一個(gè)32階的FIR濾波器，可以由8個(gè)4階的FIR濾波器的輸出結(jié)果相加來完成，但是它們有各自不同的查找表[4]。

DA算法有位串分布式（SDA）算法，并行分布式（PDA）算法和串并結(jié)合的分布式算法，實(shí)現(xiàn)一個(gè)4階的FIR濾波器，對(duì)于SDA算法，需要一個(gè)查找表，如果輸入數(shù)據(jù)位寬為[N]位時(shí)，至少要在[N]個(gè)時(shí)鐘周期后才有結(jié)果輸出，對(duì)于PDA算法，將每個(gè)輸入數(shù)據(jù)的相同位傳遞給查找表，不同的位有不同的查找表，實(shí)現(xiàn)很高的速度，常用在對(duì)濾波器速度要求相當(dāng)高的場(chǎng)合，不利的地方是使用多個(gè)數(shù)據(jù)相同的查找表內(nèi)，加大了資源的占用，目前還沒有一個(gè)有效的方法既能有效減少查找表的數(shù)量，又能不降低系統(tǒng)運(yùn)算速度[5]。串并結(jié)合的分布式算法，例如，輸入的16 b數(shù)據(jù)，從低到高分為4個(gè)4 b數(shù)據(jù)：[0：3]、[4：7]、[8：11]、[12：15]，每個(gè)4 b數(shù)據(jù)使用一個(gè)查找表，共4個(gè)查找表，由于既有并行結(jié)構(gòu)又有串行結(jié)構(gòu)，往往有一些控制電路和多個(gè)時(shí)鐘[6]。

1.2 FIR濾波器的Verilog HDL設(shè)計(jì)實(shí)例

1.2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本例主要設(shè)計(jì)一個(gè)32階的FIR濾波器，由8個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的4階的FIR濾波器連接構(gòu)成，32階FIR濾波器的輸出為每個(gè)4階FIR濾波器的輸出結(jié)果相加，如圖1所示。

基于PDA算法的4階FIR濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸入的4個(gè)數(shù)據(jù)的相同位構(gòu)成一個(gè)4位的查找表地址，查找從最低位開始，通過移位實(shí)現(xiàn)乘2運(yùn)算后累加，得到濾波器的輸出。

圖1 32階FIR濾波器結(jié)構(gòu)

圖2 基于PDA算法的4階FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)

對(duì)基于PDA算法的4階FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的濾波器結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。用數(shù)據(jù)選擇器代替查找表，數(shù)據(jù)選擇器中選擇的數(shù)據(jù)和查找表的數(shù)據(jù)相同，數(shù)據(jù)選擇器的個(gè)數(shù)和查找表的個(gè)數(shù)相等。

圖3 4階FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)

1.2.2 Verilog HDL代碼編寫

采用寄存器傳輸級(jí)描述（RTL）的方法和自頂向下的方式進(jìn)行代碼的編寫，同時(shí)應(yīng)該具有很好的易讀性和可重復(fù)性[7]。其中每個(gè)數(shù)據(jù)選擇器模塊和4階FIR濾波器模塊完全相同，可重復(fù)使用。32階FIR濾波器的端口列表見表1。

表1 32階FIR濾波器的端口列表

[端口名＼&類型＼&說明＼&data_in[15..0]＼&輸入＼&輸入為16位帶符號(hào)整數(shù)＼&rst_n＼&輸入＼&時(shí)鐘復(fù)位信號(hào)＼&clk＼&輸入＼&時(shí)鐘＼&data_out[15..0]＼&輸出＼&FIR濾波器的輸出為16位帶符號(hào)整數(shù)＼&]

1.2.3 驗(yàn)證仿真

使用Synopsys VCS作為仿真工具，通過編譯仿真得到波形文件，使用DVE打開波形文件，能夠看到各信號(hào)的傳輸情況，圖4為32階FIR濾波器的仿真波形圖。本文設(shè)計(jì)的濾波器為常系數(shù)FIR濾波器，由輸入數(shù)據(jù)和濾波器的系數(shù)可以利用Matlab計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的濾波器輸出數(shù)據(jù)[8?9]。把通過Verilog HDL實(shí)現(xiàn)濾波后得到的輸出數(shù)據(jù)和Matlab計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方式得到的數(shù)據(jù)相同，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的濾波器的輸出結(jié)果的正確性。由查找表實(shí)現(xiàn)的FIR濾波器會(huì)因?yàn)椴檎冶碚加么罅康拇鎯?chǔ)單元，而本文設(shè)計(jì)的FIR濾波器用數(shù)據(jù)選擇器代替了查找表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相同的功能和高速的處理速度，而且減少了資源的占用，這和綜合后的得到的結(jié)果相符合，有效地節(jié)約了芯片的面積。

圖4 32階FIR濾波器仿真波形

2 結(jié) 論

利用Verilog HDL 設(shè)計(jì)的FIR濾波器在設(shè)計(jì)上比較靈活，代碼容易修改，編譯和仿真效率較高[10]。本文設(shè)計(jì)的濾波器有效地節(jié)約了芯片的面積，降低設(shè)計(jì)的成本，可以廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成電路中。

參考文獻(xiàn)

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篇5

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；施工；信息資源

建設(shè)工程施工是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過程，施工不僅復(fù)雜而且施工時(shí)期較長，如何應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行安全而有序的管理，使施工體系達(dá)到現(xiàn)代化水平的目標(biāo)已成為施工管理人員的共識(shí)。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助于系統(tǒng)仿真技術(shù)以及數(shù)字化的概念，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的透明化、傳播化和智能化施工管理，已成為工程項(xiàng)目施工管理的一個(gè)重要研究課題與發(fā)展方向。

一、數(shù)字化施工的概念以及核心思想

數(shù)字化施工是在“數(shù)字地球”這一大課題背景下提出的。美國于 1998 年率先提出了“數(shù)字地球”（Digital Earth）的概念，數(shù)字地球的概念不是一成不變的，而是隨著社會(huì)的發(fā)展而不斷進(jìn)步的。 “數(shù)字化施工”就是將施工過程數(shù)字化，其核心思想是用數(shù)字化手段的整體性去解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源，使得在施工質(zhì)量得到保障的同時(shí)可以達(dá)到高效的施工。它不僅僅指由計(jì)算機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工制作報(bào)表，而且應(yīng)用在多項(xiàng)事件及職能上，可以對(duì)施工進(jìn)行全面性的控制。

空間信息是數(shù)字化施工管理的必須品，它包括施工場(chǎng)地的地形地貌的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與記錄、建筑物的區(qū)位信息以及施工項(xiàng)目的安排等一切空間的信息，是對(duì)特定空間內(nèi)的全面操控?？臻g信息技術(shù)是全面而宏觀的空間處理技術(shù)，它主要包括遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)，即 3S認(rèn)證技術(shù)。其中，地理信息系統(tǒng)在建設(shè)工程施工中具有重要作用，地理信息系統(tǒng)是一門新興學(xué)科，它介于地球信息與信息科學(xué)之間，以存儲(chǔ)，采集，分析，管理，描述和應(yīng)用相關(guān)資源為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。地理信息技術(shù)可以對(duì)施工區(qū)域持續(xù)的進(jìn)行監(jiān)控與管理，可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)施工的問題以及運(yùn)算相關(guān)的施工數(shù)據(jù)。

二、數(shù)字化系統(tǒng)的仿真運(yùn)算

系統(tǒng)仿真技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐步形成的一門新興技術(shù)，它以相似性原理、系統(tǒng)工程方法、信息技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)等設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)的、或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的一門多學(xué)科的綜合技術(shù)。例如在我國體育場(chǎng)（館）建設(shè)中，就是通過前期不斷的仿真運(yùn)算來推測(cè)體育場(chǎng)（館）建成之后的型貌，并在施工過程中隨時(shí)通過仿真運(yùn)算的結(jié)果顯示來更改施工措施及方案，使得工程進(jìn)度與仿真情況形成了對(duì)比，更有利于施工單位明確自己的施工體系，從而完善施工過程。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代仿真技術(shù)已經(jīng)成為工程單位的常規(guī)科技手段。仿真技術(shù)可以通過架設(shè)的方式讓施工單位看到施工完成后的大概情況，然后根據(jù)施工完成的情況優(yōu)劣而決定施工中的方案調(diào)整，簡單的說就是一種反推理的過程，為復(fù)雜的工程以及運(yùn)算提供了不可缺少的分析、研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策和訓(xùn)練的重要手段。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱 VR），就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高新科技生成逼真的模擬環(huán)境，該環(huán)境中包含了視覺、聽覺、觸覺與嗅覺為一體的特定環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備（如頭盔顯示器、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等）使用戶以自然的方式與模擬環(huán)境中的物體進(jìn)行相互交融，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)有重要的 3 I特性：

（1）Immersion（沉浸度）。VR 系統(tǒng)不再像傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口技術(shù)一樣，它強(qiáng)調(diào)用戶與計(jì)算機(jī)的自然接觸，就像現(xiàn)實(shí)中人與人之間的交流或者人與自然的融匯一樣。

（2）Interaction（交互性）。VR 系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)三維動(dòng)畫的特征是用戶不再被動(dòng)地接受計(jì)算機(jī)所給予的信息，或者是旁觀者，而是主動(dòng)的參與到三維動(dòng)畫之中，能夠使用交互輸入設(shè)備來操縱虛擬物體，以改變虛擬世界的。

（3）Imagination（想象性）。用戶利用 VR 系統(tǒng)可以從定性和定量綜合集成的環(huán)境中獲得感性和理性的認(rèn)識(shí)，從而更深刻的認(rèn)識(shí)環(huán)境、相應(yīng)區(qū)位的情況及變化，從而深化概念和萌發(fā)新意。

四、智能施工

智能體（Agent）是一種完全創(chuàng)新的非人工技術(shù)，是指為了實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)或任務(wù)而獨(dú)立自主的運(yùn)行，能適應(yīng)自身所處的環(huán)境，并能不斷地從環(huán)境中獲取知識(shí)以提高自身能力的具有學(xué)習(xí)和推理功能的智能實(shí)體。多智能體技術(shù)具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性，并具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力并完全不需要人工操作。目前多智能體的建模軟件主要有 JAVA、Visual C++、VisualBasic、SQL Server、Delphi、PowerBuilder 中的 CLIPS 等。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，工程項(xiàng)目規(guī)模不斷擴(kuò)大、形式日益復(fù)雜，工程建設(shè)過程涉及的單位和個(gè)人也越來越多，因而對(duì)建設(shè)工程管理的統(tǒng)籌性、協(xié)調(diào)性、時(shí)效性提出的要求就越來越高。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)用多智能體技術(shù)來保證工程建設(shè)任務(wù)的順利進(jìn)行是非常合適的。

五、結(jié)語

將來隨著數(shù)字化施工的普及，我國的場(chǎng)地施工質(zhì)量和效率必將有顯著性的提高，而通過更合理的改造及加工，我們的信息模塊也可以在短時(shí)期內(nèi)發(fā)展到較為完整的水平。只是我國如今的施工項(xiàng)目對(duì)于數(shù)字化施工的利用率還不高，有些施工項(xiàng)目的施工成本較低和對(duì)數(shù)字化施工的優(yōu)勢(shì)利用認(rèn)識(shí)不清導(dǎo)致數(shù)字化施工無用武之地。這就需要我們的管理者首先要明確數(shù)字化對(duì)施工效率的促進(jìn)作用及在施工管理過程中的優(yōu)勢(shì)，加大對(duì)數(shù)字化人員的培訓(xùn)力度，使數(shù)字化技術(shù)在縮短工程周期、強(qiáng)化工程質(zhì)量和節(jié)省資源方面發(fā)揮更大的作用，以促進(jìn)數(shù)字化技術(shù)在施工過程中的利用率達(dá)到更高的水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李景茹, 胡程順. 數(shù)字化施工淺議[J].建筑管理現(xiàn)代化,2004年,第五期.

篇6

關(guān)鍵字：虛擬仿真技術(shù)；建筑施工；應(yīng)用

中途分類號(hào)：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

系統(tǒng)仿真是以多種學(xué)科理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其軟件為工具進(jìn)行試驗(yàn)研究的理論和方法論體系。仿真技術(shù)顧名思義，是把自然界中的物理現(xiàn)象通過一定的物理和數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上模擬來得到實(shí)際場(chǎng)變量的分析，有助于預(yù)知關(guān)心的物理現(xiàn)象。簡單的說，仿真技術(shù)是對(duì)系統(tǒng)模型的一種試驗(yàn)技術(shù)(是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的一種實(shí)驗(yàn)手段)，在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面有較大的優(yōu)越性。

一、虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國際上是一個(gè)熱門研究課題，其應(yīng)用已取得引人注目的成效，在國內(nèi)也引起了廣泛的重視。當(dāng)人們需要構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境、人類不可能到達(dá)的環(huán)境或構(gòu)造虛擬環(huán)境以代替耗資巨大的現(xiàn)實(shí)環(huán)境時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是必不可少的。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展以及人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到它的重要作用，虛擬仿真技術(shù)在各行各業(yè)都得到了不同程度的發(fā)展，并且越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。虛擬現(xiàn)實(shí)的廣泛應(yīng)用前景使之成為目前最具影響力的技術(shù)之一。軍事領(lǐng)域、航天技術(shù)、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、石油化工等等，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、虛擬城市、甚至“數(shù)字地球”，無一不是虛擬技術(shù)的應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)將使眾多傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)生革命性的改變。虛擬仿真技術(shù)在建筑方面的應(yīng)用主要有：大型建筑先期演示和論證；建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域；結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域(工程結(jié)構(gòu)分析、巖土工程分析)；房地產(chǎn)展示領(lǐng)域(全方位的數(shù)字化沙盤、數(shù)字化投標(biāo)領(lǐng)域、房地產(chǎn)展示、施工流程的數(shù)字化模擬)。本文主要闡述虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用。

二、虛擬仿真技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用方式

（一）用當(dāng)前流行的三維動(dòng)畫軟件3DS MAX、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件3DVRI、多媒體編排軟件NeoBook、編程工具C#來實(shí)現(xiàn)模擬施工和虛擬建筑場(chǎng)景漫游。

3DVRI制作出來的虛擬仿真系統(tǒng)主要功能有：全方位互動(dòng)漫游功能；即時(shí)輸出功能；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢及修改功能；語音定位功能；導(dǎo)航圖功能。

事先用3DSMAX軟件做好建筑場(chǎng)景及主體的3D模型以及各施工模塊的3D模型，然后用3DVRI虛擬現(xiàn)實(shí)軟件對(duì)動(dòng)畫場(chǎng)景進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為3DVRI實(shí)時(shí)三維系統(tǒng)，最后用NeoBook軟件在3DVRI實(shí)時(shí)三維系統(tǒng)中按照需求寫入不同的指令，為實(shí)時(shí)三維系統(tǒng)添加交互功能，可以利用專業(yè)編程工具如C#等軟件對(duì)實(shí)時(shí)三維系統(tǒng)中的模型及動(dòng)畫進(jìn)行精確控制，并可編寫更復(fù)雜的交互功能程序，最終為可獨(dú)立運(yùn)行的3DVRI施工模擬虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。此方案對(duì)于多種施工方案的展示、施工工序的編排比較有用，但無法對(duì)于施工方案進(jìn)行預(yù)見性的模擬。

（二）用專業(yè)的建筑虛擬現(xiàn)實(shí)軟件(如奔特力Bentley、Multigen、Veger等)，結(jié)合部分編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)人機(jī)交互能力、模擬建筑施工過程，以選擇合理的設(shè)計(jì)方案以及合理的施工方案。

本方案更為專業(yè)和智能，能預(yù)見性地發(fā)現(xiàn)施工方案中的不足，便于指導(dǎo)施工，可以有效地提高施工水平、消除施工隱患、防止施工事故、減少施工成本與時(shí)間。此方案的軟件購置費(fèi)用比較高。

比較著名的是英國Bentley建筑工程系列軟件公司提供的系列建筑仿真軟件，目前已經(jīng)在中國建筑、工程以及建造領(lǐng)域得到一些應(yīng)用，主要在各建筑設(shè)計(jì)院使用，在施工中企業(yè)的應(yīng)用還屬于起步階段。Bentley工程軟件系統(tǒng)公司首席執(zhí)行官Greg Bentley宣布了兩項(xiàng)新的中國計(jì)劃，以支持中國的大規(guī)?；ㄍ顿Y。首先，Bentley亞洲總部將進(jìn)駐北京，為中國的基建領(lǐng)域提供全面配套的軟件產(chǎn)品；其次，即將啟動(dòng)的Bentley Power計(jì)劃，使中國用戶可在初期免費(fèi)注冊(cè)專業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助制圖／設(shè)計(jì)(CADD)軟件服務(wù)。

三、建筑施工中應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)的意義

（一）建筑工程施工方案的選擇和優(yōu)化。

建筑工程施工的施工方法及施工組織的選擇和優(yōu)化主要是建立在施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，存在一定局限性。同時(shí)，現(xiàn)代建筑基本都具有鮮明的個(gè)性，建筑工程施工成為不可完全重復(fù)的過程。使用施工虛擬仿真技術(shù)將可以直觀、科學(xué)地展示不同施工方法和施工組織措施的效果，可以定量地完成方案的對(duì)比，有助于施工方案的選擇和優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)最優(yōu)施工。

（二）施工技術(shù)革新和新技術(shù)引入。

施工虛擬仿真技術(shù)一方面能使廣大施工技術(shù)人員低成本地試驗(yàn)施工新工藝和革新思路，有助于創(chuàng)造性的充分發(fā)揮，同時(shí)能真切展示新技術(shù)的成效，縮短建筑業(yè)新技術(shù)的引入期和推廣期，降低新技術(shù)、新工藝的實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

（三）施工管理

施工虛擬仿真技術(shù)能事先模擬施工全過程，能提前發(fā)現(xiàn)施工管理中質(zhì)量、安全等方面存在的隱患，因而可以采取有效的預(yù)防和強(qiáng)化措施，提高工程施工質(zhì)量和施工現(xiàn)場(chǎng)管理效果。

（四）安全、生產(chǎn)培訓(xùn)

施工虛擬仿真技術(shù)能實(shí)時(shí)、直觀地顯示施工過程的實(shí)際情況，有助于操作人員全面了解操作流程，優(yōu)質(zhì)安全地完成施工任務(wù)。

（五）大型工程設(shè)計(jì)

施工虛擬仿真技術(shù)可以考察建筑設(shè)計(jì)是否合理，可以方便地對(duì)擬改進(jìn)部位進(jìn)行修改，從而得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)計(jì)的仿真也有利于設(shè)計(jì)單位與業(yè)主、施工單位進(jìn)行設(shè)計(jì)交底。

（六）建筑市場(chǎng)管理

施工虛擬技術(shù)在招投標(biāo)過程中能直觀對(duì)比各方的施工方法和成效，增加評(píng)標(biāo)的透明度和公正性，有利于建筑市場(chǎng)的規(guī)范管理。

（七）其它方面

開發(fā)施工虛擬仿真技術(shù)必然帶動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于建筑業(yè)其它方面，帶動(dòng)以下幾方面的進(jìn)步：城市和市政規(guī)劃的優(yōu)化；投資者的投資意圖及市場(chǎng)推銷；建筑機(jī)械設(shè)計(jì)；仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

四、總結(jié)：

總而言之，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，各種新型技術(shù)都已經(jīng)開始投入實(shí)踐。建筑業(yè)也必須敢于創(chuàng)新，勇于嘗試，這是建筑行業(yè)發(fā)展自身、壯大自身并適應(yīng)時(shí)展的唯一途徑。

參考文獻(xiàn)：

篇7

中圖分類號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-9416（2012）04-0000-00

1、論文研究背景及意義

近多年來，由于計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)就是數(shù)字化，數(shù)字城市也逐漸引起了人們的注意。那么怎樣應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來構(gòu)建數(shù)字城市，近而實(shí)現(xiàn)城市的數(shù)字化已經(jīng)引起城市規(guī)劃及管理人員和城市居民的共同關(guān)注。城市仿真技術(shù)在構(gòu)造數(shù)字城市過程中發(fā)揮著非常重要的作用，因此成為當(dāng)前一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。仿真(Simulation)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，以模擬的方式為使用者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維圖形界面，使之在感知行為的逼真體驗(yàn)中獲得直接參與和探索仿真技術(shù)對(duì)象在所處環(huán)境中的作用和變化。城市仿真(Urban Simulation)技術(shù)就是仿真技術(shù)在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中的應(yīng)用，表現(xiàn)為人機(jī)交互、真實(shí)建筑空間感與大面積三維地形仿真，即交互式實(shí)時(shí)三維(Interactive Realtime 3D)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造出來的城市視景仿真系統(tǒng)是數(shù)字地球的重要組成部分和支撐手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在城市的規(guī)劃、建設(shè)以及管理當(dāng)中，對(duì)于城市發(fā)展規(guī)劃的各個(gè)方面都具有相當(dāng)重要的意義。

2、國內(nèi)、外的視景仿真工具

MultiGen-Paradigm公司的MultiGen Creator的各版本三維建模軟件是世界上流行的實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)的軟件環(huán)境，在仿真系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的世界領(lǐng)先的軟件環(huán)境。Urbansim是基于城市交通需求模擬分析和城市土地綜合分析的新型城市發(fā)展仿真軟件。MagicCity屬于WinTel架構(gòu)基礎(chǔ)上的虛擬現(xiàn)實(shí)和視景仿真系統(tǒng)。我國在視景仿真系統(tǒng)開發(fā)的同時(shí)，也在進(jìn)行仿真系統(tǒng)軟件平臺(tái)的開發(fā)。TrueSim v2.0 三維實(shí)時(shí)仿真軟件平臺(tái)是深圳市創(chuàng)想科技發(fā)展有限公司在綜合了國內(nèi)外多項(xiàng)最新三維仿真技術(shù)的研究成果以及多年來從事三維仿真研究所積累的多種經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上推出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的仿真平臺(tái)。神州視景信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)了“基于普通PC和Internet的大規(guī)模場(chǎng)景實(shí)時(shí)漫游引擎系統(tǒng)――SCVR”。 Virtools是一個(gè)實(shí)時(shí)三維虛擬現(xiàn)實(shí)編輯軟件，可將多種常用文件格式（三維模型、二維圖表、聲音等）整合到一起，并具備交互功能，能夠開發(fā)出電腦游戲、建筑仿真、交互娛樂等多種3D產(chǎn)品。

3、本文的研究目的及重要內(nèi)容

本文通過研究虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)以我們學(xué)院校園為虛擬環(huán)境的視景漫游系統(tǒng)。通過對(duì)虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)視景漫游中的自動(dòng)漫游和交互漫游等效果。本系統(tǒng)應(yīng)用建筑草圖大師Sketchup和MultiGen Creator軟件工具來構(gòu)建虛擬場(chǎng)景中地形及建筑物的三維模型，并建立道路、樹木、路燈等虛擬景物，借助Vega Prime軟件平臺(tái)和工具集對(duì)校園虛擬場(chǎng)景進(jìn)行仿真，在VC++開發(fā)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)三維景觀及模型的交互式（以鼠標(biāo)、鍵盤等交互方式）控制，實(shí)現(xiàn)了虛擬校園景觀的視景仿真漫游系統(tǒng)。

本文主要研究內(nèi)容和所做工作總結(jié)如下：

(1)了解視景漫游技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展，對(duì)國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研。

(2)對(duì)黑龍江農(nóng)墾科技職業(yè)學(xué)院的視景環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集和整理，包括地形數(shù)據(jù)的獲取、建筑物數(shù)據(jù)的獲取、紋理數(shù)據(jù)的獲取等等。

(3)研究用虛擬現(xiàn)實(shí)建模軟件Sketchup、Creator以及三維建模技術(shù)、模型真實(shí)感技術(shù)以及模型優(yōu)化技術(shù)等對(duì)地形、道路、教學(xué)樓和圖書館等建筑以及校園之中的花草樹木等進(jìn)行建模，構(gòu)建出虛擬場(chǎng)景模型庫，然后用視景漫游軟件Vega Prime和VC++對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行漫游和交互控制。

(4)研究模型數(shù)據(jù)庫建模和優(yōu)化技術(shù)問題，模型數(shù)據(jù)庫的建構(gòu)、調(diào)整和優(yōu)化對(duì)提高實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中運(yùn)行的速度和流暢性起著至關(guān)重要的作用，成為目前重要的研究課題。

(5)碰撞檢測(cè)技術(shù)。開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)有一個(gè)主要目標(biāo)就是能夠讓用戶以盡可能接近自然的方式與構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景中的物體直接進(jìn)行交互。要實(shí)現(xiàn)自然的、精確的人機(jī)交互功能首先要解決的是碰撞檢測(cè)的問題。碰撞檢測(cè)是虛擬場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)物體與靜態(tài)物體之間或動(dòng)態(tài)物體與動(dòng)態(tài)物體之間進(jìn)行交互的基礎(chǔ)。在碰撞檢測(cè)中有兩個(gè)問題需要解決，一是檢測(cè)到碰撞的發(fā)生和碰撞的位置，二是計(jì)算碰撞后的反應(yīng)。而碰撞檢測(cè)是計(jì)算碰撞反應(yīng)的先決條件，因此，碰撞檢測(cè)是虛擬環(huán)境中一個(gè)必不可少的部分。

(6)為保證虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性、生動(dòng)性及其對(duì)用戶的感染力，對(duì)基于粒子系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景環(huán)境特效技術(shù)進(jìn)行研究。

校園視景仿真就是在計(jì)算機(jī)環(huán)境中對(duì)真實(shí)校園的景觀進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)，生成一個(gè)實(shí)時(shí)的、能給用戶各種真實(shí)感受的三維虛擬環(huán)境。利用計(jì)算機(jī)軟硬件及其相關(guān)輸入輸出設(shè)備，使用戶可以在虛擬的校園場(chǎng)景中進(jìn)行瀏覽和交互漫游，感受校園中的風(fēng)景。利用這種方法可以讓更多的人來了解我們的學(xué)校，對(duì)本校園的環(huán)境及交通現(xiàn)狀等方面有更深刻的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)

篇8

關(guān)鍵詞 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)仿真；仿真建模

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）17-0036-01

1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)即利用計(jì)算機(jī)制作真實(shí)系統(tǒng)模型，用來進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估的技術(shù)手段。具體說就是將真實(shí)系統(tǒng)作為仿真模型的根據(jù)，通過運(yùn)行具體仿真模型和對(duì)計(jì)算機(jī)輸出信息的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和變化規(guī)律的綜合評(píng)估與預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的改善或優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)主要是用來進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，應(yīng)用于多項(xiàng)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為一種可以客觀分析現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和評(píng)價(jià)現(xiàn)有設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能的技術(shù)手段，在很多領(lǐng)域（例如航空航天、經(jīng)濟(jì)管理、通信網(wǎng)絡(luò)等）的發(fā)展中起到極為重要的促進(jìn)作用?？梢赃@樣說，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代和高科技產(chǎn)業(yè)中不可或缺的進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)手段。

由于在實(shí)際的操作過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的計(jì)算機(jī)類型，因此根據(jù)在仿真過程中采用的計(jì)算機(jī)類型以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展過程，可以將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的類別劃分為模擬機(jī)仿真、數(shù)字機(jī)仿真和模擬―數(shù)字混合機(jī)仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在20世紀(jì)50年代興起，模擬計(jì)算機(jī)是當(dāng)時(shí)采用的主要計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，其工作原理是：在仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型明確的前提下，通過一系列運(yùn)算器和無源器件建立一個(gè)仿真的電路，通過這個(gè)仿真電路進(jìn)行后期的實(shí)驗(yàn)研究。但是，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字化的快速發(fā)展，在20世紀(jì)60年代后期，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開始由模擬形式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字機(jī)仿真。但是，航空航天等大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)提出更高的要求，傳統(tǒng)的數(shù)字機(jī)對(duì)信息的處理能力等方面已不能滿足仿真系統(tǒng)的需求。為了盡快解決這一問題，使計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠?yàn)楦嗟念I(lǐng)域提供最佳的服務(wù)，以數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)混合而成的數(shù)字混合機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字混合機(jī)不僅能夠滿足航空航天等復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用，而且也極大程度的促進(jìn)了這些領(lǐng)域的快速發(fā)展。而后仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展。

計(jì)算機(jī)仿真主要三個(gè)方面的內(nèi)容組成：一是系統(tǒng)；二是模型；三是計(jì)算機(jī)。而這三方面的內(nèi)容主要是通過仿真實(shí)驗(yàn)、仿

圖1 仿真三方面內(nèi)容之間的關(guān)系圖

真模型的建立以及系統(tǒng)模型的建立相互聯(lián)系在一起的。圖1描述了這三者之間的關(guān)系。

在模型活動(dòng)的基礎(chǔ)上，可以將計(jì)算機(jī)仿真的全過程劃分為下面三個(gè)階段。

1）計(jì)算機(jī)模型的建立，通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以確定系統(tǒng)的原始狀態(tài)，計(jì)算機(jī)模型的準(zhǔn)確建立是計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)有效性的基礎(chǔ)技術(shù)。2）計(jì)算機(jī)模型的轉(zhuǎn)變，此過程通過將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的模擬電路等可以用計(jì)算機(jī)語言表達(dá)出來的仿真模型，并通過編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，變成可以直接應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仿真工具。3）計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)階段，利用仿真輸出信息與實(shí)際存在的系統(tǒng)信息進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)已有的系統(tǒng)進(jìn)行改善和完善。

2 仿真模型的建立

模型分析之所以得到廣泛的應(yīng)用成為現(xiàn)代科學(xué)研究最常用的方法之一，是因?yàn)樗梢愿鶕?jù)實(shí)際系統(tǒng)抽象或是對(duì)事物本質(zhì)的描述來建立簡化的數(shù)學(xué)模型或物理模型，這種模型與實(shí)際系統(tǒng)之間存在同構(gòu)或同態(tài)關(guān)系的，我們就可以通過此模型來分析實(shí)際系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行合理的控制和優(yōu)化。下面主要詳細(xì)討論兩種形式的仿真建模。

首先針對(duì)連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真建模是由時(shí)間驅(qū)動(dòng)，狀態(tài)連續(xù)變化等一類物理系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)中時(shí)間和取值方式，可以將連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)劃分為連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、離散時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（工程采樣系統(tǒng)是最為常見的系統(tǒng)）和連續(xù)-離散時(shí)間混合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)等多種類型。同時(shí)，對(duì)連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型有多種，最常見的是常/偏微分方程模型，另外還有滑動(dòng)平均（MA）模型和受控自回歸滑動(dòng)平均（CARMA）模型等。

其次，離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（DEDS）的仿真建模。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)多是人造系統(tǒng)，相對(duì)于其他系統(tǒng)離散事件的變化關(guān)系較為復(fù)雜，常規(guī)的方程模型難以較準(zhǔn)確的對(duì)其進(jìn)行描述。人們針對(duì)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了多方改進(jìn)，自20世紀(jì)80年代初以來出現(xiàn)了多種形式。例如，常見的依據(jù)事件發(fā)生時(shí)間對(duì)所考察對(duì)象變化過程的分析而言是否有必要這一條件作為研究范圍，將離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)劃分為：帶時(shí)標(biāo)的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（TIM/RTIL模型、雙子代數(shù)模型等）和不帶時(shí)標(biāo)的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（Petri網(wǎng)絡(luò)模型、過程代數(shù)模型等），同時(shí)也可以依據(jù)系統(tǒng)輸入信息以及狀態(tài)演變的確定性與否，將其劃分為確定性離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和不確定性離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。

從現(xiàn)有的很多文獻(xiàn)以及不同種類的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（DEDS）描述來看，離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的建立和分析研究仍不完善，有很大的發(fā)展空間。此系統(tǒng)模型種類多，那么在模型種類之間就需要必要的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對(duì)每一種模型的描述方式通常僅適用于一種或是幾種問題。

分析目前已有的系統(tǒng)建模方法，離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)最常用的方法主要包括網(wǎng)絡(luò)圖或事件圖法和形式語言與自動(dòng)機(jī)方法等。雖然離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的建立為離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真創(chuàng)造了條件，但是并不是所有的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型都能直接用于計(jì)算。例如，常用的GSMP模型，可以用于描述多種模型方式不具備的或是很難描述的復(fù)雜過程，但GSMP模型在計(jì)算機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用卻很復(fù)雜，需要專業(yè)的相關(guān)知識(shí)。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的核心問題是仿真模型的有效性，保障與真實(shí)系統(tǒng)行為具有某種同構(gòu)或同態(tài)關(guān)系。在CVDS中的方法是使用以物理規(guī)則為根據(jù)，通過方程式的方法來描述模型設(shè)計(jì)，這樣并不完全適用于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型的建立。另外一方面的問題是由于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)多是人造系統(tǒng)，變化形式表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性。隨著需求的不斷變化計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)需要不斷的改進(jìn)，針對(duì)不同時(shí)間要選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀?/p>

參考文獻(xiàn)

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篇9

關(guān)鍵詞：變電站；數(shù)字物理混合；仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；電網(wǎng)運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）07-0015-04

變電站作為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，其運(yùn)行狀況好壞直接影響到整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的安全，變電站事故中有相當(dāng)一部分是由人為操作不當(dāng)造成的。這其中既有由于電網(wǎng)調(diào)度員誤發(fā)調(diào)度令、對(duì)異常處理措施不當(dāng)造成的事故，也有由于變電運(yùn)行人員走錯(cuò)間隔導(dǎo)致的誤操作事故、安全措施不到位誤入帶電間隔的人身傷亡事故、帶電誤合接地刀閘、帶接地刀閘誤合開關(guān)、帶負(fù)荷拉合刀閘、設(shè)備缺陷和異常未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)造成的事故。對(duì)事故判斷不準(zhǔn)和向調(diào)度匯報(bào)不清楚而延誤故障處理時(shí)間、事故發(fā)生后處理不當(dāng)使事故范圍擴(kuò)大化、對(duì)二次設(shè)備誤操作而引發(fā)的事故等情況較多，造成了人身傷亡、設(shè)備損壞，甚至發(fā)生電網(wǎng)解列、電網(wǎng)崩潰等大面積停電事故。

因此，為保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，就必須提高電網(wǎng)調(diào)度員、變電站運(yùn)行人員的技術(shù)素質(zhì)和技能水平，加強(qiáng)變電站運(yùn)行人員和電網(wǎng)調(diào)度員的培訓(xùn)。近年來，隨著電力行業(yè)培訓(xùn)仿真技術(shù)的發(fā)展，各類培訓(xùn)仿真系統(tǒng)在電力行業(yè)應(yīng)用越來越廣，在提高生產(chǎn)運(yùn)行人員的生產(chǎn)技能方面發(fā)揮了重要的作用。

一、變電站培訓(xùn)系統(tǒng)仿真的發(fā)展現(xiàn)狀

近十幾年來，我國變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)獲得了很大的發(fā)展。仿真范圍逐步擴(kuò)大、仿真的逼真度逐步提高?，F(xiàn)存的變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，根據(jù)變電站一次部分控制操作以及保護(hù)屏柜實(shí)現(xiàn)方式，主要可分為三類：有硬件屏盤模式、軟仿真模式、混合仿真模式。

（一）帶盤臺(tái)模式

帶盤臺(tái)模式是指用外觀與實(shí)際變電站1：1的開關(guān)控制屏和保護(hù)屏硬件組成變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的主控室和保護(hù)室，主要由后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持這些硬件的操作和顯示。該系統(tǒng)的硬件配置主要有模擬控制盤、模擬繼電器保護(hù)盤、變電站配電裝置、變電站主接線操作模擬盤、計(jì)算機(jī)控制仿真系統(tǒng)。其中計(jì)算機(jī)控制仿真系統(tǒng)是變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)的核心，它擔(dān)負(fù)模擬變電站的仿真，復(fù)現(xiàn)變電站主控室現(xiàn)象的任務(wù)。接收模擬盤的信息，控制模擬盤的動(dòng)作和信號(hào)。這種帶有硬件盤臺(tái)的變電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是最早應(yīng)用的培訓(xùn)系統(tǒng)模式。帶硬件盤臺(tái)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)需要配備大量的硬件裝置、設(shè)備，擴(kuò)展性差，升級(jí)改造困難，同時(shí)硬件盤臺(tái)并沒有包括變電站中保護(hù)、測(cè)控柜等實(shí)際裝置，與現(xiàn)場(chǎng)相比逼真度存在差距，培訓(xùn)效果不夠理想。

（二）純軟件仿真培訓(xùn)模式

純軟件仿真培訓(xùn)模式是指變電站內(nèi)的開關(guān)控制屏、保護(hù)屏、模擬屏、室外和室內(nèi)的主設(shè)備及主接線等所有設(shè)備全都用軟件仿真，除計(jì)算機(jī)外沒有任何硬件，該系統(tǒng)采用多媒體仿真模式，仿真變電站的有關(guān)電氣設(shè)備，包括一次設(shè)備、控制系統(tǒng)、中央信號(hào)系統(tǒng)以及繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的面板均可在計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)顯示。軟件模式的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)很快便以其便捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)受到電力部門的青睞，目前應(yīng)用較廣。在這種模式中傳統(tǒng)控制室中的保護(hù)屏、控制屏、中央信號(hào)屏等物理設(shè)備均被計(jì)算機(jī)監(jiān)控平臺(tái)所代替，所有監(jiān)控功能都通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)與培訓(xùn)人員的互動(dòng)。省去了大量硬件設(shè)備，大大提高了可靠性，并且有利于系統(tǒng)更新升級(jí)。但是軟仿真模式的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)由于所有的操作和顯示都是在微機(jī)屏幕上進(jìn)行，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差距大，真實(shí)感較差，培訓(xùn)效果也不太理想。

（三）混合仿真培訓(xùn)模式

混合仿真培訓(xùn)模式將數(shù)字化的電網(wǎng)仿真與變電站中全部真實(shí)的二次設(shè)備（包括監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)柜、測(cè)控柜、音響、燈光等）有機(jī)結(jié)合成為的混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。目前，該類系統(tǒng)主要采用將數(shù)字化電網(wǎng)仿真與部分真實(shí)設(shè)備相結(jié)合的仿真模式，將數(shù)字化電網(wǎng)仿真結(jié)果通過數(shù)字模擬量轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為-3.53~3.53V的弱電交流量，再輸出到經(jīng)過改造的保護(hù)裝置的內(nèi)部采樣插件上，并通過開關(guān)量輸入卡采集模擬斷路器的位置，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的動(dòng)作的仿真，這種仿真方式只采用部分真實(shí)設(shè)備，并且需要對(duì)實(shí)際的保護(hù)柜進(jìn)行改造才能以適應(yīng)該仿真系統(tǒng)，并且可擴(kuò)展性較差，新增加的保護(hù)設(shè)備無法直接接入（必須經(jīng)過改造）培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的仿真效果與現(xiàn)場(chǎng)的一致性仍存在差距。

二、變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)概述

變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是將數(shù)字化的電網(wǎng)一次設(shè)備仿真與實(shí)際變電站二次設(shè)備相結(jié)合的數(shù)字物理混合仿真技術(shù)。即監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)及測(cè)控裝置、五防系統(tǒng)、燈光、音響等采用現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)物理設(shè)備，而該變電站一次設(shè)備、鄰近電網(wǎng)及其一次設(shè)備、二次設(shè)備等采用數(shù)字仿真。其中數(shù)字仿真部分采用變電站實(shí)時(shí)仿真與全動(dòng)態(tài)電網(wǎng)混合仿真技術(shù)，即詳細(xì)仿真的變電站采用實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，變電站所在電網(wǎng)采用暫態(tài)、中期、長過程一體化仿真計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的全動(dòng)態(tài)仿真，從而既能詳細(xì)而真實(shí)再現(xiàn)變電站一次設(shè)備的行為，也能逼真地再現(xiàn)大電網(wǎng)的各類動(dòng)態(tài)過程對(duì)變電站的影響。數(shù)字仿真電網(wǎng)再通過高速的通信系統(tǒng)，高速的開關(guān)量采集、輸出系統(tǒng)，高速、高精度的數(shù)字模擬量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和仿真功率放大器與真實(shí)的變電站二次設(shè)備有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了變電站軟仿真子系統(tǒng)、數(shù)字電網(wǎng)仿真的一次、真實(shí)的二次設(shè)備仿真放置于同一個(gè)仿真系統(tǒng)中，有機(jī)連接、靈活配置，營造了十分逼真的變電站運(yùn)行環(huán)境。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類運(yùn)行人員的培訓(xùn)需求：如變電站運(yùn)行人員、繼電保護(hù)人員、檢修人員及相關(guān)的管理人員等，同時(shí)能完成人員培訓(xùn)、技能鑒定、崗位考核等各項(xiàng)工作。

三、變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)

圖1給出了變電站數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)。其中電網(wǎng)及變電站的數(shù)字仿真部分通過接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站電磁暫態(tài)仿真與電網(wǎng)全動(dòng)態(tài)仿真的有機(jī)結(jié)合，其他變電站軟仿真也是基于同一個(gè)的電網(wǎng)仿真，從而可以實(shí)現(xiàn)變電站軟仿真、混合仿真的一體化。數(shù)字電網(wǎng)仿真結(jié)果的瞬時(shí)值通過高速通信系統(tǒng)傳送到高速、高精度同步數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器形成0～10V的模擬交流量，該模擬量通過電流或電壓功率放大器得到放大的電流或電壓電氣量驅(qū)動(dòng)變電站的實(shí)際二次設(shè)備。數(shù)字仿真系統(tǒng)通過高速開關(guān)量采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)到變電站開關(guān)和刀閘的狀態(tài)，從而將數(shù)字仿真和實(shí)際二次設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字仿真與變電站實(shí)際二次設(shè)備的無縫閉環(huán)連接。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)通過開關(guān)量輸出系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)非電氣量保護(hù)動(dòng)作模擬硬接點(diǎn)、變壓器有載調(diào)壓模擬硬接點(diǎn)、風(fēng)冷控制模擬硬接點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)變壓器的非電氣量保護(hù)動(dòng)作的模擬。

四、變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)功能

變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是將電網(wǎng)仿真、變電站實(shí)時(shí)仿真、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)仿真和教員與學(xué)員系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合為一體化的系統(tǒng)，不但實(shí)現(xiàn)了地區(qū)電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行過程的全仿真，也可以正確反映變電站、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和電網(wǎng)的相互作用、相互影響，可以對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行全方位的仿真培訓(xùn)。系統(tǒng)的主要應(yīng)用功能如下：

（一）培訓(xùn)運(yùn)行人員和相關(guān)管理人員

培訓(xùn)基本的運(yùn)行技能。對(duì)新員工進(jìn)行上崗培訓(xùn)，對(duì)老員工的基本運(yùn)行能力進(jìn)行培訓(xùn)及考核，使其熟悉變電站一二次設(shè)備、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、集控站監(jiān)控系統(tǒng)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、電網(wǎng)潮流，掌握基本運(yùn)行操作及運(yùn)行規(guī)程，熟練使用實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)（變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)）及其他應(yīng)用軟件。

事故分析及處理?？蛇M(jìn)行開關(guān)、刀閘、變壓器、母線、線路、發(fā)電機(jī)組、電容器等各種設(shè)備及其相關(guān)的故障處理培訓(xùn)，訓(xùn)練變電站運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)事故、異常，依據(jù)仿真的電網(wǎng)環(huán)境判斷故障和處理故障，并在訓(xùn)練結(jié)束后對(duì)事故進(jìn)行分析，重放事故發(fā)生和處理的全過程。通過仿真訓(xùn)練可以使運(yùn)行人員了解各種事故發(fā)生的現(xiàn)象、原因及變化過程，總結(jié)積累處理經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)他們事故處理時(shí)的自信心。

變電站一次設(shè)備正常和特殊巡視訓(xùn)練。通過變電站一次設(shè)備三維交互式漫游巡視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站一次設(shè)備的三維重現(xiàn)和虛擬操作，受訓(xùn)人員感到富有直觀性、形象性，有助于其熟悉了解現(xiàn)場(chǎng)情況，更好地將理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。

對(duì)于管理人員進(jìn)行電網(wǎng)及變電站運(yùn)行的概念性培訓(xùn)。管理人員通過仿真培訓(xùn)可以了解電網(wǎng)及變電站的現(xiàn)狀、運(yùn)行方式、操作規(guī)程及電網(wǎng)和變電站運(yùn)行的特性。

（二）聯(lián)合反事故演習(xí)

本系統(tǒng)可用于研究電網(wǎng)、變電站特點(diǎn)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)做好事故預(yù)想工作，完善各種事故應(yīng)對(duì)方案，從而提高事故情況下的應(yīng)對(duì)能力，克服以往反事故演習(xí)紙上談兵的局限性。仿真電網(wǎng)設(shè)置的常見事故及復(fù)雜事故發(fā)生后，將引起繼電保護(hù)的連鎖動(dòng)作和電網(wǎng)潮流的變化，并顯示越限設(shè)備的報(bào)警提示，對(duì)此研究后可以總結(jié)事故處理經(jīng)驗(yàn)，制訂出合理的事故處理預(yù)案。做到事前有分析，事后有反饋，切實(shí)提高電網(wǎng)安全運(yùn)行能力。

五、硬件系統(tǒng)

變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由以下幾部分組成：教員臺(tái)，學(xué)員臺(tái)，仿真主機(jī)，變電站實(shí)際二次設(shè)備，電流、電壓功率放大器，高速、高精度同步輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，高速通信及開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)，混合仿真集成支撐平臺(tái)。

（一）教員臺(tái)

可以用仿真主機(jī)，運(yùn)行教員子系統(tǒng)為教員管理和控制培訓(xùn)過程提供支撐平臺(tái)。

（二）學(xué)員臺(tái)

使用與現(xiàn)場(chǎng)完全一致的監(jiān)控系統(tǒng)工程畫面，保留所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)功能，并與仿真模型建立通信連接。使學(xué)員在監(jiān)控系統(tǒng)仿真界面上獲得在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)上相同的操作。

（三）仿真主機(jī)

運(yùn)行全動(dòng)態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)，是仿真系統(tǒng)的核心和中樞。仿真系統(tǒng)模型包括：鄰近電網(wǎng)的全動(dòng)態(tài)電網(wǎng)計(jì)算模型、包括一次、二次設(shè)備模型、故障模型和異常模型。

（四）變電站實(shí)際二次設(shè)備

保護(hù)、測(cè)控、音響、燈光等裝置采用與現(xiàn)場(chǎng)完全相同的硬件設(shè)備，可以為受訓(xùn)者提供真實(shí)的操作、監(jiān)視手段，使得仿真機(jī)不僅可以培訓(xùn)變電站運(yùn)行人員的常規(guī)操作和監(jiān)視，同時(shí)還能使他們熟悉和了解變電站重要二次保護(hù)裝置和屏面設(shè)備。

（五）電壓、電流功率放大器

功率放大器接收DA輸出的弱電模擬信號(hào)，進(jìn)行功率放大使電流信號(hào)放大至0～20A、使電壓信號(hào)放大至0～100V，以驅(qū)動(dòng)實(shí)際二次設(shè)備。放大器在與仿真信號(hào)連接是采用高阻差分方式，無公共連接點(diǎn)，這樣可保證仿真系統(tǒng)的安全工作，又可長線連接抗干擾，提高系統(tǒng)的小信號(hào)精度。仿真培訓(xùn)專用的功率放大器多路的電流或電壓輸出，從而能保證更好的同步輸出精度，同時(shí)降低電流功率放大器的最大輸出電流。

（六）高速、高精度同步輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器

將變電站實(shí)時(shí)仿真計(jì)算出的電壓和電流的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，是決定仿真精度的重要環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各路數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化（DA）的同步輸出，同時(shí)為了保證輸出波形的質(zhì)量，每工頻周波的輸出點(diǎn)數(shù)大于60點(diǎn)，DA向功率放大器輸入模擬弱電信號(hào)。為了保證混合仿真系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，更好地適應(yīng)變電站規(guī)模的變化，采用分布式同步實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，即根據(jù)變電站電氣量需要嚴(yán)格同步的程度對(duì)各電氣量進(jìn)行分組，每組電氣量在同一塊DA轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出保持嚴(yán)格的同步，多組DA轉(zhuǎn)換器通過高速PCI總線分布式工作，因此降低了以前依賴專用的DA轉(zhuǎn)換器的程度，這樣既可以保證仿真培訓(xùn)的效果，又可以保證系統(tǒng)的高可擴(kuò)展性和系統(tǒng)造價(jià)。

（七）高速通信及開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)

通過開關(guān)量輸入系統(tǒng)采集開關(guān)、刀閘動(dòng)作情況、有載調(diào)壓接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)、刀閘狀態(tài)及變壓器抽頭位置的高速采集，將實(shí)際設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送給變電站實(shí)時(shí)仿真計(jì)算。通過開關(guān)量輸出和繼電器模擬非電量保護(hù)動(dòng)作、變壓器風(fēng)冷控制硬接點(diǎn)等。

（八）混合仿真集成支撐平臺(tái)

混合仿真集成支撐平臺(tái)采用PCI總線技術(shù)將高速、高精度同步輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、高速通信系統(tǒng)和開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)緊密集成。變電站實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)均運(yùn)行在混合仿真集成支撐平臺(tái)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通過硬件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件驅(qū)動(dòng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、高速通信系統(tǒng)和開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)（即用于對(duì)DA轉(zhuǎn)換器、開關(guān)量輸出和開關(guān)量輸入板卡的控制）是實(shí)現(xiàn)數(shù)字一次設(shè)備與二次物理設(shè)備有機(jī)聯(lián)系的接口系統(tǒng)，將變電站實(shí)時(shí)仿真計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)刷新DA卡、將接口系統(tǒng)的自身狀態(tài)定時(shí)刷新DA轉(zhuǎn)換器的某個(gè)通道、通過開關(guān)量輸入系統(tǒng)采集開關(guān)、刀閘

的狀態(tài)、通過開關(guān)量輸出系統(tǒng)向?qū)嶋H設(shè)備發(fā)送指令。

六、軟件系統(tǒng)

混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：交互式、分布式仿真軟件支撐平臺(tái)，全動(dòng)態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)，教員與學(xué)員子系統(tǒng)，變電站實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。

全動(dòng)態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)、變電站軟仿真子系統(tǒng)、變電站實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)、教員與學(xué)員系統(tǒng)軟件通過交互式、分布式仿真軟件支撐平臺(tái)的運(yùn)行管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起組成整個(gè)數(shù)字仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，變電站實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核級(jí)調(diào)用與硬件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件集成，與物理設(shè)備完成無縫連接。

交互式、分布式仿真軟件支撐平臺(tái)是混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)基礎(chǔ)，包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、仿真運(yùn)行管理系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、變電站一二次設(shè)備人機(jī)界面系統(tǒng)和仿真建模系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用商用數(shù)據(jù)庫與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是常駐內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，用來支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速訪問、處理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與商用數(shù)據(jù)庫有機(jī)結(jié)合的方式保證了數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)性和高效性，商用數(shù)據(jù)庫作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的持久存儲(chǔ)，較好地解決了分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開放性、實(shí)時(shí)性和一致性問題，從而充分發(fā)揮了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和商用數(shù)據(jù)庫各自的優(yōu)勢(shì)。仿真運(yùn)行管理系統(tǒng)，作為分布式仿真的運(yùn)行支撐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)仿真應(yīng)用之間的交互操作，是聯(lián)系各仿真子系統(tǒng)（軟仿真、電網(wǎng)仿真、混合仿真）各部分的紐帶，是分布式仿真系統(tǒng)的核心，為各個(gè)仿真應(yīng)用軟件提供了位置透明、高效的虛擬運(yùn)行環(huán)境，向子系統(tǒng)提供交互對(duì)象管理服務(wù)、時(shí)間管理服務(wù)、數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)和應(yīng)用程序接口。人機(jī)界面系統(tǒng)是全圖形人機(jī)接口，為教員和學(xué)員提供交互式操作媒介。變電站一二次設(shè)備人機(jī)界面系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術(shù)、組件技術(shù)、3D建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以構(gòu)建各種電壓等級(jí)的虛擬變電站，包括變電站主控制室、控制屏、保護(hù)屏、中央信號(hào)屏、交直流屏等二次設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備，分為變電站一二次設(shè)備人機(jī)界面編輯系統(tǒng)、在線系統(tǒng)及變電站一次設(shè)備三維交互式虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)。仿真建模系統(tǒng)通過圖形、模型和數(shù)據(jù)庫一體化建模技術(shù)，在畫面編輯時(shí)能夠提供特定電氣元件的計(jì)算模型，在生成畫面同時(shí)，能夠自動(dòng)地生成或人為輸入電氣元件計(jì)算模型的參數(shù)，并插入到數(shù)據(jù)庫相關(guān)表格中，為電網(wǎng)仿真、變電站實(shí)時(shí)仿真等子系統(tǒng)提供拓?fù)鋽?shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。

全動(dòng)態(tài)電網(wǎng)仿真子系統(tǒng)采用暫態(tài)、中期、長過程一體化計(jì)算再現(xiàn)真實(shí)的電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，采用了固定結(jié)構(gòu)的稀疏矩陣、微分方程隱式梯形差分方程與網(wǎng)絡(luò)代數(shù)方程的聯(lián)立求解、強(qiáng)魯棒性牛頓―拉夫遜法非線性方程求解、自動(dòng)變步長等技術(shù)保證電網(wǎng)仿真計(jì)算的快速性和穩(wěn)定性。

教員與學(xué)員子系統(tǒng)為教員管理和控制培訓(xùn)過程提供支撐平臺(tái)，功能由四部分組成，即：系統(tǒng)管理功能、培訓(xùn)前運(yùn)行方式和教案準(zhǔn)備、培訓(xùn)中的操作和進(jìn)度控制、培訓(xùn)后分析和評(píng)估。系統(tǒng)管理功能包括時(shí)間管理、用戶管理、運(yùn)行方式管理等；培訓(xùn)前運(yùn)行方式和教案準(zhǔn)備包括選擇運(yùn)行方式數(shù)據(jù)、整定初始方式、預(yù)設(shè)故障和事件；培訓(xùn)中的操作和進(jìn)度控制是指教員對(duì)培訓(xùn)進(jìn)程的控制、對(duì)電力系統(tǒng)模型的操作、設(shè)置故障和事件、管理和監(jiān)視學(xué)員的操作；培訓(xùn)后分析和評(píng)估包括使用事件記錄、曲線、報(bào)表等工具分析學(xué)員操作的效果，利用事故追憶再現(xiàn)學(xué)員的處理過程和系統(tǒng)的變化過程，利用評(píng)價(jià)工具對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行評(píng)價(jià)。

變電站實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)在變電站中一次設(shè)備的三相暫態(tài)模型及外網(wǎng)動(dòng)態(tài)等值模型基礎(chǔ)上，采用電磁暫態(tài)計(jì)算理論實(shí)現(xiàn)變電站的詳細(xì)仿真計(jì)算。通過接口算法實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)時(shí)仿真與全動(dòng)態(tài)仿真的在線交互，保證變電站的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確性。變電站實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)運(yùn)行在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可配置成單任務(wù)模型，保證實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)的最高優(yōu)先級(jí)的運(yùn)行級(jí)別，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)運(yùn)行于混合仿真集成支撐平臺(tái)，并通過硬件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)。

七、結(jié)論

本文研究開發(fā)的變電站數(shù)字物理混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是在軟仿真模式的變電站仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，將數(shù)字化的電網(wǎng)仿真與變電站中全部真實(shí)的二次設(shè)備有機(jī)結(jié)合成為的物理與數(shù)字混合仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，使受訓(xùn)的變電站運(yùn)行人員、繼電保護(hù)人員、檢修人員及相關(guān)的管理人員在完全真實(shí)的變電站環(huán)境內(nèi)接受訓(xùn)練，同時(shí)能夠完成人員培訓(xùn)、技能鑒定、崗位考核等各項(xiàng)工作，能有效地提高現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員素質(zhì)水平。該系統(tǒng)已在石家莊電力培訓(xùn)學(xué)校220kV教學(xué)變電站培訓(xùn)仿真系統(tǒng)中，取得了很好的培訓(xùn)效果。

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篇10

1虛擬仿真技術(shù)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育中的教學(xué)方式一般分為理論授課和實(shí)驗(yàn)操作兩部分。其中理論教學(xué)的方式是課堂講授加傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)插圖，學(xué)生大多感覺學(xué)習(xí)過程枯燥、不好理解、不好記憶。而利用虛擬仿真技術(shù)可以在虛擬的環(huán)境下，將人體各器官的解剖、生理學(xué)、病理學(xué)的數(shù)學(xué)模型存在數(shù)據(jù)庫中，利用計(jì)算機(jī)顯示屏上有意識(shí)地顯示某些細(xì)節(jié)，學(xué)生可以將病人的各種病變部位分開或合在一起觀察病變情況，同時(shí)可以利用此技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生的人體解剖理論的認(rèn)知能力。舉例來說，目前解剖教學(xué)上應(yīng)用的虛擬仿真人體解剖圖的數(shù)字化的解剖圖譜，利用這一圖譜，學(xué)習(xí)者在虛擬的環(huán)境中可以自由地選擇、觀察、移動(dòng)虛擬對(duì)象，并且虛擬的組織器官還能及時(shí)給予學(xué)習(xí)者感官上的反饋，這樣就更容易理解和掌握解剖結(jié)構(gòu)。比較典型的應(yīng)用實(shí)例就是利用“虛擬人”數(shù)字化數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維重建，即“人體數(shù)字化解剖學(xué)”研究，創(chuàng)立虛擬仿真解剖學(xué)，同時(shí)提供CT、MRI及PET等方面的斷層圖像，進(jìn)行一系列醫(yī)學(xué)臨床、教學(xué)及研究的虛擬模擬。具體步驟就是利用一臺(tái)人體虛擬解剖電腦，教師可以講授人體各部分結(jié)構(gòu)的解剖知識(shí)，學(xué)生也可以在虛擬的組織和器官間的模擬操作感受觸覺反饋，使學(xué)生更快地掌握手術(shù)要領(lǐng)和技術(shù)。學(xué)生在課堂上能以三維的形式看到人體數(shù)千個(gè)解剖結(jié)構(gòu)的形狀、位置及器官間的相互空間關(guān)系等，學(xué)習(xí)興趣和效果顯著提高。

2虛擬仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

在臨床醫(yī)學(xué)教育中，臨床實(shí)踐是重要的教學(xué)方式，臨床實(shí)踐是對(duì)醫(yī)學(xué)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，加強(qiáng)實(shí)踐技能訓(xùn)練已成為醫(yī)學(xué)教育改革的重點(diǎn)。虛擬仿真技術(shù)引入醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐教學(xué)是非常行之有效的教學(xué)方式。虛擬仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育中最顯著的應(yīng)用是虛擬手術(shù)教學(xué)，即通過虛擬臨床手術(shù)技術(shù)讓學(xué)生在手術(shù)之前學(xué)習(xí)新的手術(shù)方法和流程，練習(xí)所制定的手術(shù)計(jì)劃，在虛擬仿真手術(shù)之后，也能讓學(xué)生溫習(xí)或重復(fù)全部手術(shù)過程，并且能夠?qū)W(xué)生的臨床技能進(jìn)行一個(gè)客觀的評(píng)定?，F(xiàn)今醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生和教師都不能只是局限于書本的知識(shí)，必須不斷地學(xué)習(xí)和提高自己的臨床技能，而在實(shí)踐中常會(huì)遇到教育資源有限的問題，解決這一問題行之有效的手段就是利用虛擬仿真技術(shù)模擬復(fù)制手術(shù)場(chǎng)景，讓學(xué)生不斷在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。這種應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的臨床實(shí)踐教育方式不僅可以讓教師在教學(xué)中演示不同策略的手術(shù)流程，教授學(xué)生應(yīng)對(duì)各種突況、避免手術(shù)失誤、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、減少病人損傷、提高手術(shù)成功率，而且同時(shí)還節(jié)約了教育資源，具有零風(fēng)險(xiǎn)、可反復(fù)操作等優(yōu)勢(shì)，學(xué)生可利用它完成手術(shù)的各個(gè)操作步驟，并對(duì)操作的過程和結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，達(dá)到更多地積累臨床實(shí)踐技巧和經(jīng)驗(yàn)的目的。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐教學(xué)能使學(xué)生有更多接觸臨床的經(jīng)驗(yàn)，可以提高學(xué)生臨床技能操作的能力、臨床綜合診斷思維能力，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和潛力，使他們能夠運(yùn)用課堂上所學(xué)的臨床理論知識(shí)較快地掌握臨床診療實(shí)踐規(guī)律，還有利于學(xué)生職業(yè)道德和行為規(guī)范的養(yǎng)成。

3虛擬仿真技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

在遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教學(xué)中，經(jīng)常會(huì)由于教學(xué)設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地或教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因，使得一些應(yīng)該開設(shè)的教學(xué)內(nèi)容無法進(jìn)行。利用虛擬仿真技術(shù)可以彌補(bǔ)這些方面的不足，學(xué)生足不出戶便可以學(xué)習(xí)各種各樣的知識(shí)，獲得與現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)一樣的效果，從而加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。以往對(duì)于一些醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，在遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教學(xué)過程中一般采用電視錄像的方式來取代實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生無法直接參與實(shí)驗(yàn)，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，則可以增加學(xué)生動(dòng)手學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育的基礎(chǔ)是基于遠(yuǎn)程醫(yī)療的分支網(wǎng)真醫(yī)學(xué)，即遠(yuǎn)程呈現(xiàn)醫(yī)學(xué)，它把專家的知識(shí)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫枰倪h(yuǎn)程位置，在遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)真醫(yī)學(xué)是虛擬仿真技術(shù)的一個(gè)全新領(lǐng)域，它結(jié)合了高清視頻、音頻和交互式組件（計(jì)算機(jī)軟件和硬件），在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建獨(dú)特的“面對(duì)面”體驗(yàn)的新型技術(shù)。使用者可以進(jìn)入某個(gè)共享網(wǎng)絡(luò)空間的圖形環(huán)境，以遠(yuǎn)程控制操作或觀察為目的的進(jìn)行人機(jī)通信和交互，用這個(gè)方法幫助醫(yī)生有效地進(jìn)行手術(shù)和診療。網(wǎng)真醫(yī)學(xué)應(yīng)用與遠(yuǎn)程教育可以確保醫(yī)學(xué)生以更有效的方式進(jìn)行培訓(xùn)，例如記錄操作過程、讓學(xué)生探討操作細(xì)節(jié)并擁有沉浸于運(yùn)作房間的感覺。醫(yī)學(xué)學(xué)生可以進(jìn)入虛擬的手術(shù)是或?qū)嶒?yàn)室，在虛擬環(huán)境下激勵(lì)一個(gè)完整的操作過程，教師也可以將操作中常見問題反饋給學(xué)生，從而提高每個(gè)人對(duì)某個(gè)問題的訓(xùn)練。利用虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)建大量的三維人體組織結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，把創(chuàng)建的三維醫(yī)學(xué)教學(xué)資源應(yīng)用與遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育，可以使學(xué)習(xí)者隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)，是資源得到充分利用。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育可以將生動(dòng)的動(dòng)態(tài)三維場(chǎng)景展現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，提高了教學(xué)的質(zhì)量和效果。

4虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中應(yīng)用的意義

醫(yī)學(xué)教育注重的是直觀、形象、生動(dòng)，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教學(xué)往往不夠生動(dòng)，難以具體化，難以直接展示人體的結(jié)構(gòu)，疾病發(fā)生及發(fā)展過程等教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)又存在著醫(yī)學(xué)教學(xué)成本大，不可重復(fù)執(zhí)行的問題，這些弊端對(duì)學(xué)生更好的掌握醫(yī)學(xué)知識(shí)極為不利。為了改善原有醫(yī)學(xué)教學(xué)模式中存在的這些問題，使虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)中的教學(xué)模式意義重大，該教學(xué)模式不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且將抽象的內(nèi)容具體化、形象化，給學(xué)生留下深刻的記憶，也給教師在教學(xué)中提供方便，從而達(dá)到提高教學(xué)水平和科研水平的目的。

作者:姜燕 李亢 單位:湖北醫(yī)藥學(xué)院

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