導(dǎo)語：如何才能寫好一篇虛擬仿真技術(shù)論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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虛擬仿真(VR)即虛擬現(xiàn)實，是一種采用計算機(jī)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生如同真實環(huán)境的感受和體驗。盡管該環(huán)境并不真實存在，但它作為一個逼真的三維環(huán)境仿佛就在我們周圍。由于用戶對計算機(jī)環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實物體的存在意識或幻覺，用戶在計算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的感覺狀態(tài)。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2．1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

盡管國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)起步較晚，但是隨著信息技術(shù)在社會各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，信息化教學(xué)已成為信息技術(shù)和信息資源與教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)形態(tài)，以計算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為特征的虛擬仿真實驗室開始逐步滲透到教學(xué)領(lǐng)域。虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)及某些醫(yī)學(xué)手術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到不同程度的應(yīng)用和研究。在護(hù)理學(xué)教學(xué)中，作為實踐性很強(qiáng)的綜合性應(yīng)用學(xué)科－護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)，其護(hù)理專業(yè)實踐教學(xué)約占該課程總學(xué)時的一半，也是培養(yǎng)護(hù)生臨床實踐能力的主要途徑之一。然而傳統(tǒng)的由教師演示－學(xué)生練習(xí)－教師指導(dǎo)的護(hù)理實踐教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足學(xué)生的需要，非常有必要對護(hù)理實訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行改革和創(chuàng)新。隨著虛擬仿真技術(shù)在一些實踐性要求高的專業(yè)中的大量應(yīng)用及研究，國內(nèi)某些醫(yī)學(xué)院校的護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)也不同程度地開展了仿真技術(shù)在護(hù)理實踐教學(xué)中的應(yīng)用與研究，如高仿真模擬人技術(shù)早已投入護(hù)理專業(yè)實踐教學(xué)中，并被應(yīng)用在《內(nèi)科護(hù)理》教學(xué)中并收到良好的效果，還有以主要訓(xùn)練護(hù)生的單項護(hù)理操作技能為目的的專項護(hù)理技能訓(xùn)練，如手臂模型可以模擬人類真實的血管，穿刺過程中有落空感和模擬真實血液流出，高級電腦心肺復(fù)蘇模型可以進(jìn)行心肺復(fù)蘇的模擬訓(xùn)練，大小與真人相仿，在操作時可有語音提示和報警聲來顯示其操作的正確性。虛擬仿真技術(shù)還可以使用在一些不宜在真人身上實練(如鼻飼法、導(dǎo)尿術(shù)等)的護(hù)理實訓(xùn)課的應(yīng)用。2007年大連大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院以“探索出適合中等職業(yè)技術(shù)教育的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，提高中等職業(yè)教育運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)手段水平”為目的開展的“護(hù)理技術(shù)模擬教學(xué)系統(tǒng)”項目的研發(fā)卓有成效，該研發(fā)項目提出了包括13個模塊，每個模塊由教學(xué)演示、模擬操作、考核測評三大部分構(gòu)成的護(hù)理技術(shù)計算機(jī)虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)軟件系統(tǒng)，該教學(xué)軟件系統(tǒng)的研發(fā)為虛擬仿真技術(shù)在護(hù)理實訓(xùn)練習(xí)中的開展和推廣應(yīng)用提供了參考。2009年貴州遵義醫(yī)學(xué)院護(hù)理系進(jìn)行了護(hù)理學(xué)基礎(chǔ)虛擬實驗室的研發(fā)，是一次將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)護(hù)理實踐教學(xué)的一種有效嘗試，可推廣應(yīng)用于國內(nèi)各護(hù)理院校和各大醫(yī)院的實驗教學(xué)和繼續(xù)教育培訓(xùn)與考核，有著較廣闊的應(yīng)用前景。重慶市衛(wèi)生學(xué)校已經(jīng)開展并建成仿真急救護(hù)理實訓(xùn)室，為其他護(hù)理院校提供了可借鑒的急救實訓(xùn)基地模式和實訓(xùn)方法。同時，虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)技能培訓(xùn)中發(fā)揮的作用越來越大，也正被廣大的職業(yè)教育工作者所接受。目前高職院校招生人數(shù)逐年增加，學(xué)校實驗室及傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足師生的需要，尋找一種行之有效的技術(shù)手段來緩解傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式所帶來的壓力，是許多高職院校的當(dāng)務(wù)之急，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于護(hù)理實踐教學(xué)是解決以上問題的關(guān)鍵，更是培養(yǎng)最優(yōu)秀的護(hù)理畢業(yè)生的必由之路。

2．2國外研究現(xiàn)狀

美國在培養(yǎng)護(hù)生的過程中由于醫(yī)院及患者等方面的原因，護(hù)生在臨床實習(xí)中很少有機(jī)會在患者身上進(jìn)行練習(xí)操作技能，同時護(hù)理院校理論課程的增加及實踐教學(xué)課程的壓縮也大大減少了護(hù)生們開展實踐練習(xí)的機(jī)會。鑒于此，開展虛擬仿真技術(shù)在護(hù)理實踐教學(xué)中的應(yīng)用也是非常有必要的。美國的虛擬仿真技術(shù)在不同行業(yè)的運(yùn)用，包括在護(hù)理教學(xué)中的應(yīng)用開展的都比較早。美國紐約州立大學(xué)護(hù)理學(xué)院早在1996年就開展了虛擬仿真技術(shù)在靜脈輸液中的應(yīng)用研究，虛擬仿真技術(shù)在護(hù)理實踐中的作用是一些模型、錄像帶等所不能比擬的，后者不能給護(hù)生帶來真實的感覺，而虛擬仿真可以，并且大大減少了護(hù)生在真實的臨床護(hù)理操作中給患者帶來的不適。常用的虛擬仿真技術(shù)有兩種，身臨其境式和非身臨其境式，前者技術(shù)要求較高，需要利用一些傳感工具，如頭盔、手套、跟蹤器等，讓用戶置身于虛擬境界中，雖然設(shè)備昂貴，但因其具有很逼真的護(hù)理情境而對護(hù)理教學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，非身臨其境式，因其實用性和實惠性被廣泛運(yùn)用到護(hù)理教學(xué)中。隨著從事護(hù)理教育的工作人員數(shù)量的減少，虛擬仿真技術(shù)同樣運(yùn)用在一些護(hù)理學(xué)遠(yuǎn)程教學(xué)、成人繼續(xù)教育、護(hù)理技能培訓(xùn)等項目。虛擬災(zāi)害環(huán)境的護(hù)理措施的研究更是拓展了虛擬仿真技術(shù)在護(hù)理教學(xué)領(lǐng)域中的運(yùn)用。20世紀(jì)80年代，美國便應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)建立了用于考試和教學(xué)的臨床病例庫，即虛擬臨床瀏覽(VCE)。到目前為止，在護(hù)理教育領(lǐng)域，虛擬臨床瀏覽系列教學(xué)軟件和指導(dǎo)手冊已發(fā)展到覆蓋內(nèi)外科護(hù)理學(xué)、婦產(chǎn)科護(hù)理學(xué)、兒科護(hù)理學(xué)和護(hù)理學(xué)技術(shù)等課程，并且提供網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源。虛擬臨床瀏覽結(jié)合護(hù)理教科書，建立了虛擬醫(yī)院，進(jìn)入虛擬醫(yī)院，可以學(xué)習(xí)溝通、記錄、評估和安全給藥。虛擬醫(yī)院的建立可以幫助護(hù)生熟悉日常護(hù)理工作，從而提高臨床判斷和批判性思維能力。還有已經(jīng)在英美許多醫(yī)學(xué)院校使用的CathSim靜脈穿刺訓(xùn)練系統(tǒng)包括軟件和觸覺反饋裝置即靜脈穿刺用的胳膊和一臺電腦，可設(shè)置在實際工作中可能遇到的不同年齡、血管狀況以及疾病嚴(yán)重程度的各類患者。由日本NEC公司研制的“SimCoeur”軟件系統(tǒng)可以模擬急診患者每分鐘的臨床表現(xiàn)，還可以設(shè)置1000余種患者情境，可以使護(hù)生面對不同的患者，很好的鍛煉了護(hù)生的應(yīng)變能力，并且能夠快速地對護(hù)生所進(jìn)行的操作進(jìn)行反饋。同時該公司研制的“SimNursing”模擬急診患者軟件系統(tǒng)，已于1998年投入日本市場，該軟件系統(tǒng)可進(jìn)行護(hù)理程序的模擬訓(xùn)練，學(xué)生能按照完整的護(hù)理程序?qū)颊哌M(jìn)行全程護(hù)理。多款軟件的研發(fā)和應(yīng)用為虛擬實驗室的建設(shè)提供了技術(shù)支持，其中最有代表性的就是Mathworks公司推出的MAllAB語言，美國NI公司推出的LabVIEW圖形化編程語言及美國ELANIX公司推出的SystemView軟件。

3發(fā)展趨勢

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【論文摘要】將虛擬仿真技術(shù)引入教學(xué)領(lǐng)域后對傳統(tǒng)教學(xué)手段產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊。本文針對航空電子裝備教學(xué)中如何應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)給出了應(yīng)用方法和體會。

1．引言

自 20世紀(jì) 9O年代以來，以計算機(jī)仿真技術(shù) 、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現(xiàn)，并逐步滲透到教學(xué)領(lǐng)域。作為一種新型的實驗教學(xué)手段，虛擬仿真教學(xué)對傳統(tǒng)的教學(xué)手段產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊，并引發(fā)了教學(xué)領(lǐng)域一系列深刻的變化。種種跡象表明，虛擬仿真教學(xué)將是今后實驗教學(xué)改革的一個重要發(fā)展方向。本文結(jié)合多年來在航空電子裝備教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的經(jīng)驗，探討在航空電子裝備教學(xué)軟件中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的方法和體會。

2．虛擬仿真技術(shù)簡介

虛擬仿真技術(shù)是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的合稱。

2．1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用三維建模技術(shù)，構(gòu)建一個與現(xiàn)實世界的物體和環(huán)境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應(yīng)用戶的輸入，根據(jù)用戶的不同動作做出相應(yīng)的反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要有動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形 生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要側(cè)重于對真實物體物理特征的仿真，也稱為視景仿真，它主要用于產(chǎn)品設(shè)計與展示、商業(yè)廣告、游戲設(shè)計等。

在航空電子裝備教學(xué)中，大量用 到對裝備的外觀 、結(jié)構(gòu) 、組成 、連接 、機(jī)安裝位置的展示 ，傳統(tǒng)教學(xué)大都采用實物展示 的方法 。近年來隨著大量航空電子裝備 的更新?lián)Q代，因受經(jīng) 費(fèi)、場地及使用壽命等因素的限制 ，傳統(tǒng)教學(xué)方法 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求 ，而采 用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展示方法則 以其廉價 、無場地限制和效果 良好得以廣泛應(yīng)用。

目前有大量成熟的軟件平臺可以進(jìn)行視景仿 真的開發(fā)，主流平臺Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)庫 OPENFLIGHT已經(jīng)成為 了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ，在軍事 、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用都 比較成熟 。在航空 電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作為視景仿 真開發(fā)的技術(shù)平臺 ，解決物理模型的創(chuàng)建、場景顯示等問題。該平臺可以達(dá)到照片級 的視景仿真效果 ．同時采用嵌入 OPENGL技術(shù)來解決物理模型 的交互問題。

2．2系統(tǒng)仿真技術(shù)

系統(tǒng)仿真技術(shù)是伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科 ．它通過建立實際系統(tǒng) 的數(shù)學(xué)模 型 ，利用計算機(jī)運(yùn)算來達(dá)到對被仿真系統(tǒng)的分析、研究、設(shè)計等目的。系統(tǒng)仿真技術(shù)主要側(cè)重于對真實系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理、運(yùn)動方式 的仿真，也稱為行為仿真。系統(tǒng)仿真技術(shù)最初主要用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)等少數(shù)領(lǐng)域，后來逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機(jī)械等一些主要工業(yè)部門，并進(jìn)一步擴(kuò)大到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等一些非工程系統(tǒng)領(lǐng)域。

在航空電子裝備教學(xué)中，對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統(tǒng)教學(xué)方法主要通過教員的講述，配合一些靜態(tài)的圖形幫助學(xué)員理解 ．教學(xué)效果主要依賴于教員的授課水平和技巧 。近年來．我們嘗試將系統(tǒng)仿 真技術(shù)應(yīng)用到航空電子裝備教學(xué)中，根據(jù)被仿真裝備的工作原理，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)裝備的不同工作狀態(tài)，對模型進(jìn)行動態(tài)運(yùn)行．結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的逼真場景．較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術(shù)開發(fā)、研制的教學(xué)軟件不但可供教員教學(xué)使用．也可供學(xué)員自學(xué)，并達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

目前，有許多成熟的系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺軟件．如 Simulink、SystemView等，這些軟件以其功能強(qiáng)大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎．但價格較為昂貴，且大多未提供對外的仿真數(shù)據(jù)接口．仿真系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性、擴(kuò)展性和可變性受到很多限制。當(dāng)然也可自行開發(fā)適用 的仿真開發(fā)平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用的是自行開發(fā)的系統(tǒng)仿真平臺軟件。

3．虛擬仿真技術(shù)在航空電子裝備教學(xué)中的應(yīng)用方法和步驟

3．1建立仿真模型

這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結(jié)構(gòu)的三維物理模型 ，也包括揭示其內(nèi)在工作機(jī)理及行為的數(shù) 學(xué)模 型。對三維物理模型的建立，主要依據(jù)裝備本身的物理狀態(tài)，其原則就是在盡量減小面數(shù)的同時提高逼真度。對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，則需要視系統(tǒng)的復(fù)雜程度進(jìn)行取舍和優(yōu)化，本著夠用為度的原則 ，以盡量減小運(yùn)算量。建立數(shù)學(xué)模型時 ，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行時的參數(shù)調(diào)整。

3．2創(chuàng)建仿真裝備的虛擬場景并驅(qū)動

對于虛擬場景的驅(qū)動，根據(jù)使用方式的不同采用了不同的方式如果進(jìn)行的僅是裝備外觀、結(jié)構(gòu)的展示，可使用EON進(jìn)行動作的編輯和驅(qū)動；如果需要對裝備進(jìn)行虛擬操作仿真，則使用 GLStudio軟件先進(jìn)行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用 Vega Prime驅(qū)動以實現(xiàn)更復(fù)雜的交互操作。

3.3系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成就是將上述做好的模型、場景按照教學(xué)軟件所需的形式將其有機(jī)的整合在一起，使之成為_個完整的 、規(guī)范的教學(xué)軟件。系統(tǒng)集成可以使用目前常用的軟件開發(fā)平臺如 VB、vc++等。由于上述虛擬現(xiàn)實驅(qū)動軟件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 軟件開發(fā)平臺的運(yùn)行插件，因此，系統(tǒng)集成變得十分方便。編寫程序時，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。

系統(tǒng)集成時，還需要將系統(tǒng)行為仿真的結(jié)果通過視景仿真表現(xiàn)出來，即用行為仿真的數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維物理模型的動作。由于系統(tǒng)行為仿真采用了專門的運(yùn)行平臺，與視景仿真處于不同的系統(tǒng)進(jìn)程中．因此這種驅(qū)動是通過兩進(jìn)程間的實時通信來完成的。這里還需要考慮進(jìn)程間的同步問題。

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關(guān)鍵詞：虛擬仿真，3DMAX，GLStudio，Vega

 

1.概述

大學(xué)物理實驗是物理教學(xué)中的一個重要組成部分，由于有些物理實驗，特別是近代物理實驗其實驗儀器集成度高，操作步驟復(fù)雜，往往成為物理實驗中的難點，再加上條件的限制，除實驗課外，學(xué)員很難直接面對設(shè)備進(jìn)行預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)，同時在預(yù)習(xí)中由于操作不善而損壞儀器的現(xiàn)象也時有發(fā)生，因此利用虛擬仿真技術(shù)，在計算機(jī)上仿真物理實驗，來提高學(xué)員對物理實驗的學(xué)習(xí)是十分必要的。采用這種技術(shù)，具有方便性、無破壞性、經(jīng)濟(jì)性以及高仿真性等特點，對學(xué)員掌握物理實驗具有重要的意義。

對物理實驗的仿真我們首先是對各個獨(dú)立的物理實驗進(jìn)行仿真，然后再把他們集成到一個系統(tǒng)環(huán)境下。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。以下我們以夫蘭克—赫茲實驗為例來說明單個物理實驗的仿真過程。實驗儀器如下圖所示：

由于原子能級的存在，當(dāng)電子與原子發(fā)生碰撞并進(jìn)行能量交換時，每次交換的能量就會受到原子能級的制約，因此我們就可以通過測量碰撞后電子能量的變化來驗證原子能級的存在。由于本實驗的集成化高，屬于驗證性實驗，通過虛擬仿真幾乎可以真實再現(xiàn)實驗的整個過程。

虛擬仿真作為一種新型人機(jī)接口，不僅使參與者沉浸于計算機(jī)產(chǎn)生的虛擬世界，而且還還提供用戶和虛擬世界之間的直接通信手段。它具備3個基本特征

（1）沉浸：這是VR系統(tǒng)的核心，指使用戶投入到由計算機(jī)生成的虛擬場景中的能力。用戶在虛擬操作訓(xùn)練場景中有“身臨其境”之感。

（2）交互：指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力。它是人機(jī)和諧的關(guān)鍵因素。交互性包含對象的可操作程度及用戶從環(huán)境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據(jù)物理學(xué)定律運(yùn)動的程度等，以用戶的視點變化進(jìn)行虛擬交換。這個過程中最重要的因素是實時性。實時性是指計算機(jī)能夠響應(yīng)用戶的輸入并立即改變虛擬場景的狀態(tài)。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。

（3）構(gòu)想：虛擬現(xiàn)實不僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環(huán)境中獲取新知識，提高感性和理性認(rèn)識，從而產(chǎn)生新的構(gòu)思。把這種構(gòu)思結(jié)果輸入到系統(tǒng)中去，系統(tǒng)會將處理后的狀態(tài)實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。

虛擬仿真的核心是建模與仿真。就建模與仿真本質(zhì)而言，它是對真實物理系統(tǒng)在某一層次上的抽象。與實際的物理系統(tǒng)相比，用戶在這個抽象模型上可以更高效、更節(jié)省、更靈活、更安全地對物理系統(tǒng)進(jìn)行了解和設(shè)計。

2.系統(tǒng)分析與模型的建立

模型的建立分三維立體模型的建立和仿真面板的制作。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。對模型的建立本系統(tǒng)采用3D MAX建模工具對模型進(jìn)行幾何建模和行為建模。利用3D MAX軟件來進(jìn)行三維建模和紋理貼圖，生成一個高逼真度的所需模型。首先我們用3D MAX建立夫蘭克—赫茲實驗儀、示波器、微機(jī)以及實驗室模型，并在3D MAX中進(jìn)行貼圖，使所做儀器仿真度更高。

對于儀器面板，本系統(tǒng)采用的是GL Studio軟件進(jìn)行建模制作，比如夫蘭克—赫茲實驗儀的面板、示波器面板和微機(jī)顯示屏上的顯示畫面都是用GL Studio來制作完成的，制作流程如圖所示：

在第二個過程中，圖片處理的結(jié)果是面板美觀形象的決定性階段；第三個階段則是本實驗仿真的決定性階段，因為實驗的操作響應(yīng)、交互實現(xiàn)、實驗現(xiàn)象的再現(xiàn)都是在這個過程完成的。這一過程又可分為三個部分來完成：（1）是夫蘭克—赫茲實驗的手動操作，這在GL Studio中一個面板內(nèi)既可完成；（2）是利用微機(jī)采集數(shù)據(jù)來自動完成實驗，得到實驗數(shù)據(jù)并在V—I圖中自動繪制數(shù)據(jù)曲線，在這個過程當(dāng)中，可以在GL Studio中分別生成夫蘭克—赫茲實驗儀的面板和微機(jī)顯示器面板的動態(tài)庫，把它們作為元件在導(dǎo)入到另一個GL Studio中進(jìn)行互聯(lián)；（3）是將數(shù)據(jù)輸出到示波器形成V—I曲線，這個過程的制作方式與第二部分相似。在第四個過程中主要是集成過程，Vega是MultiGen-Paradigm公司開發(fā)的一個面向?qū)ο蟮闹奶摂M現(xiàn)實平臺，它包括圖形環(huán)境Lynx，一套可以提供最充分的軟件控制和最大程度靈活性的完整的應(yīng)用編程接口，一系列相關(guān)的庫和Audio Work2實時多通道音響系統(tǒng)。Lynx是Vega提供的帶有圖形用戶界面工具集，并通過設(shè)定參數(shù)與相互間關(guān)系，可以實現(xiàn)簡單的仿真應(yīng)用程序，同時為虛擬系統(tǒng)的開發(fā)提供必要的支持，如模型、場景和交互設(shè)備等。

3.實驗的最終集成

在單個物理實驗完成之后，要把它們集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)當(dāng)中，我們的系統(tǒng)是用Visual C++作為軟件平臺進(jìn)行集成。在VC中完成操作界面和目錄，點擊各個目錄進(jìn)入各個獨(dú)立的物理仿真實驗當(dāng)中由于各個實驗是獨(dú)立的，因此過程的制作相對簡單。

結(jié)束語

本文提供了一種使用3DMAX、GL Studio和Vega進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的方案，這個方案是基于微機(jī)平臺設(shè)計的，具有較好的通用性，它不受實驗儀器的限制，給學(xué)員提供了一種較好的練習(xí)和復(fù)習(xí)的手段，其仿真度高，是其他預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)手段所不能代替的。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 曾芬芳. 虛擬現(xiàn)實技術(shù).上海交通大學(xué)出版社.1997

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論文摘要：運(yùn)用虛擬現(xiàn)實仿真 (VRS)進(jìn)行實驗教學(xué)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效途徑。針對大學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，分析了傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，探討了基于虛擬現(xiàn)實仿真的“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”實驗教學(xué)的特點、內(nèi)容和形式，有助于高校教師優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

縱觀我國工商管理本科專業(yè)人才的就業(yè)去向可以發(fā)現(xiàn)，畢業(yè)生就業(yè)去向大都是金融業(yè)、政府機(jī)關(guān)和高校，極少有人自愿去制造企業(yè)工作，即使到了制造企業(yè)，也只愿意去財務(wù)或營銷部門，而不愿去生產(chǎn)管理部門，原因是生產(chǎn)管理部門的崗位工作環(huán)境較差，待遇較低，付出多，導(dǎo)致集中了企業(yè)絕大部分財力、人力、設(shè)備及其他資源的生產(chǎn)系統(tǒng)受到冷落。在這樣的人才使用環(huán)境中，學(xué)生對于與生產(chǎn)管理相關(guān)的課程自然就不重視。然而，從工業(yè)發(fā)達(dá)國家看，近年來，紛紛將注意力轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)領(lǐng)域，企業(yè)界和學(xué)術(shù)界也都開始重新審視企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)系統(tǒng)及其管理理論，將生產(chǎn)戰(zhàn)略問題作為企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略的重要組成部分來研究。可見，創(chuàng)新教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí) “生產(chǎn)與運(yùn)作管理”課程的興趣，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 生產(chǎn)與運(yùn)作管理課程的教學(xué)調(diào)查和教學(xué)方式的分析

1．1 教學(xué)調(diào)查

在浙江省精品課程 “生產(chǎn)與運(yùn)作管理”的建設(shè)過程中，為了有針對性地開展課程教學(xué)方法改革，我們就本課程的學(xué)習(xí)，于2007年對我校 04級工商管理專業(yè)40名學(xué)生做了一次調(diào)查，得到如下結(jié)論：

(1)由于學(xué)生沒有實際工程背景，缺乏對企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理的感性認(rèn)識，對于生產(chǎn)與運(yùn)作管理的一些理論和方法理解有一定困難；

(2)學(xué)生對生產(chǎn)與運(yùn)作管理課程的認(rèn)識存在誤區(qū)，對相關(guān)理論知識掌握不熟練，對未來是否從事生產(chǎn)管理工作信心不足，導(dǎo)致學(xué)習(xí)該課程的動力不足：

(3)隨著非制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中地位的提升以及制造業(yè)和非制造業(yè)現(xiàn)實的工作性質(zhì)、工作環(huán)境和條件、工資待遇等方面的差異，決定了學(xué)生對以制造業(yè)為主體的生產(chǎn)與運(yùn)作管理課程熱情不高；

(4)學(xué)生對傳統(tǒng)的案例討論、觀看錄像、企業(yè)參觀、專家講座、計算機(jī)輔助教學(xué)等教學(xué)模式基本認(rèn)可，但是對創(chuàng)新教學(xué)方法和手段的需求更為強(qiáng)烈。

1．2 教學(xué)方式分析

生產(chǎn)與運(yùn)作管理是一門實踐性、操作性強(qiáng)的課程，教學(xué) 的關(guān)鍵是讓學(xué)生產(chǎn)生 “真實感”。教學(xué)方式除了課堂授課外 ，傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要有如下幾種 。

(1)觀看錄像。這種方式比較簡單，國外教材都配有相應(yīng)的錄像教學(xué)光盤，學(xué)生通過觀看錄像了解國外先進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)與運(yùn)作管理經(jīng)驗。比如針對質(zhì)量管理專題，播放美國著名酒店的全面質(zhì)量管理錄像；講授 5s現(xiàn)場管理，播放一盤有關(guān)現(xiàn)場改善的錄像；講到供應(yīng)鏈管理、庫存管理時，根據(jù)需要選擇相應(yīng)的錄像播放。

觀看錄像這種方式存在 2個問題，一是現(xiàn)有錄像大多是英文版，錄像的對話比較快，多數(shù)學(xué)生聽不清楚。另外，錄像內(nèi)容以綜合性為主，缺乏針對國內(nèi)生產(chǎn)管理的專題教學(xué)光盤。

(2)參觀企業(yè)。這是一種比較好的理論聯(lián)系實踐的學(xué)習(xí)方法，能夠讓學(xué)生真實感受到企業(yè)的實際生產(chǎn)隋景，并對照所學(xué)的專業(yè)理論知識加以思考。比如，針對紹興紡織特色，選擇了紡織印染企業(yè)作為參觀對象，讓學(xué)生到生產(chǎn)車間看設(shè)備布局、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、質(zhì)量控制、現(xiàn)場改善與員工的班組建設(shè)等基層運(yùn)作管理。

這種方法在實施中存在困難，主要是沒有建立固定的教學(xué)基地，與企業(yè)沒有穩(wěn)定的關(guān)系；而且，隨著學(xué)生人數(shù)的逐年增多，許多企業(yè)對學(xué)生參觀不感興趣。

(3)邀請企業(yè)專家講座。對于某些實務(wù)性、技巧性比較強(qiáng)的內(nèi)容，如生產(chǎn)調(diào)度、員工指派、班組建設(shè)、現(xiàn)場改善等，請企業(yè)專家結(jié)合自己的工作實際，現(xiàn)身傳授管理技巧和經(jīng)驗，比任課教師講效果好，印象深。

與參觀一樣，邀請專家也存在一定困難。由于企業(yè)的工作繁忙，很難保證企業(yè)專家能按照課程的教學(xué)時間來安排講座，這樣很有可能打亂教學(xué)計劃。

(4)案例討論。教學(xué)案例一方面可以增加學(xué)生的實踐知識，另一方面幫助學(xué)生深入理解相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力。生產(chǎn)與運(yùn)作管理課程案例不同于其他管理課程的案例，它的特點是需要生產(chǎn)與運(yùn)作管理理論知識作基礎(chǔ)解決實際問題。比如：生產(chǎn)能力規(guī)劃案例只有在學(xué)習(xí)完生產(chǎn)能力查定辦法相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行案例分析；庫存管理案例的中心是解決庫存問題，如果不了解庫存管理理論，是很難進(jìn)行案例討論的；又比如網(wǎng)絡(luò)計劃案例，在討論的時候，學(xué)生首先要對網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)有所了解，然后才能進(jìn)行案例分析。

目前好的生產(chǎn)與運(yùn)作管理案例不多，主要問題是：案例篇幅太長，描述性內(nèi)容多，真正反映生產(chǎn)與運(yùn)作管理的實際數(shù)據(jù)和實際場景模擬少，教學(xué)效果不佳。

(5)傳統(tǒng)的計算機(jī)輔助模擬實驗教學(xué)系統(tǒng)(實驗教學(xué)軟件)。采用計算機(jī)和多媒體輔助實驗教學(xué)，教師可以精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，使復(fù)雜問題簡單化，繁瑣問題條理化，抽象問題具體化，具體問題概括化，使教學(xué)過程以直觀的形式達(dá)到人機(jī)一體，便于圍繞某一學(xué)習(xí)主題進(jìn)行密集、快速的活動，同時增加了課堂教學(xué)的密度和廣度。目前本課程中常用的實驗軟件主要有物料需求計劃／制造資源計劃實驗 (MRP／MRP II)、項 目進(jìn)度計劃實驗 (PERT)、質(zhì)量管理實驗 (排列圖、因果圖、直方圖、控制圖)、工作分析與工作研究實驗等。

從近年來的實施情況看，學(xué)生對這種傳統(tǒng)的計算機(jī)輔助實驗教學(xué)開始產(chǎn)生視覺疲勞，興趣逐步減弱。原因在于某些實驗教學(xué)軟件只是教學(xué)形式的變化，更多的是將重點放在了生產(chǎn)與運(yùn)作管理活動教學(xué)模型的求解上，而對于更為重要的企業(yè)業(yè)務(wù)流程分析、經(jīng)濟(jì)模型構(gòu)建與咨詢診斷等功能沒有真正體現(xiàn)。實驗過程中，學(xué)生只要記住幾個參數(shù)，并輸入到軟件規(guī)定的相應(yīng)位置，就可以得出實驗結(jié)果，不能真正起到培養(yǎng)學(xué)生知識運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力的目的。另一個主要原因是該課程實踐性很強(qiáng)，而高校教師普遍缺乏企業(yè)生產(chǎn)管理的實際經(jīng)驗。某些教師一直從事教學(xué)工作，沒有企業(yè)的從業(yè)經(jīng)歷，或者即使有一定的生產(chǎn)管理的實際經(jīng)驗，也由于長期在高校從事教學(xué)和學(xué)術(shù)研究，對企業(yè)目前生產(chǎn)運(yùn)營中的某些實際問題的了解不夠深人。由于實際管理經(jīng)驗的缺乏，教師容易在教學(xué)中造成理論和實踐脫節(jié)、枯燥和不生動等問題。

2 虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)在“生產(chǎn)與運(yùn)作管理”教學(xué)中的應(yīng)用

隨著管理思想的發(fā)展和新技術(shù)、新方法、新成果的不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)與運(yùn)作管理學(xué)科的范圍和內(nèi)容在不斷拓展，僅僅依靠人的經(jīng)驗及傳統(tǒng)的計算機(jī)技術(shù)難于滿足越來越高的要求?；诂F(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、交通運(yùn)輸、通信、化工、核能等各個領(lǐng)域。借助虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)進(jìn)行本課程的實驗教學(xué)，對企業(yè)業(yè)務(wù)活動進(jìn)行多維仿真，給學(xué)生產(chǎn)生各種感官信號，使學(xué)生有身臨其境的感覺，并能使學(xué)生與虛擬現(xiàn)實環(huán)境之間進(jìn)行多維信息的交互，從定性和定量結(jié)合集成的虛擬環(huán)境中獲得企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作活動的感性和理性認(rèn)識，體驗、接受和認(rèn)識客觀事物，深化對概念、原理和方法的理解，進(jìn)而提出設(shè)計創(chuàng)意。在制造業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、運(yùn)行、分析及改造的整個生命周期，都可以使用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué)，具有代表性的主要有如下幾種。

(1)用于產(chǎn)品研發(fā)的仿真實驗。產(chǎn)品研發(fā)過程可分為概念設(shè)計、細(xì)節(jié)設(shè)計、評審和再設(shè)計階段。每一階段又可以細(xì)分，如詳細(xì)設(shè)計可分為總體CAD、零部件 CAD、計算機(jī)輔助工程、可制造技術(shù)、可裝配性設(shè)計等。產(chǎn)品研發(fā)過程的仿真實驗就是對上述活動進(jìn)行模擬，讓學(xué)生從進(jìn)度、資源和成本等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，選擇集成的最優(yōu)方案。

(2)用于車間設(shè)施規(guī)劃和布局的仿真實驗。根據(jù)車間之間和車間內(nèi)部空間的組織方式，采用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)模擬各種方案，判斷車間整體布局是否能滿足車間調(diào)度要求，車間設(shè)備是否得到充分利用，負(fù)荷是否比較平衡，物料處理系統(tǒng)是否能夠和車間的柔性程度相適應(yīng)，生產(chǎn)制造運(yùn)輸費(fèi)用是否合理等。例如在流水線生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真實驗中，運(yùn)用WITNESS仿真軟件模擬流水生產(chǎn)過程，加深學(xué)生對流水線組織設(shè)計與技術(shù)設(shè)計的理解和掌握，讓學(xué)生學(xué)會對流水線進(jìn)行控制。目前國內(nèi)外用于輔助車間生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的仿真軟件有 PURDUE大學(xué)開發(fā)的 GCMS，System Modeling公 司開 發(fā)的 SIMAN／CINEMA，Auto Simulation公司開發(fā)的 AUTOMOD／AUTOGRAM和清華大學(xué)開發(fā)的 IMMS等。

(3)用于車間生產(chǎn)調(diào)度的仿真實驗。車間內(nèi)部的生產(chǎn)調(diào)度問題包括：確定工件的加工路線，確定工件在機(jī)器上的加工工藝和加工時間，選擇運(yùn)輸路線和工具，指派加工工人等。生產(chǎn)調(diào)度仿真實驗就是對這些調(diào)度問題進(jìn)行分析和評價，目前已經(jīng)有一些成熟的軟件可用來仿真調(diào)度問題，如 Autosched、JobTimePlus、FACTOR、FACTOR／AIM和 SIMNETD等。我國也已研制開發(fā)了用于車間調(diào)度層面的仿真軟件，如南開大學(xué)研制的JobShop，清華大學(xué)與航天部204所等單位開發(fā)的工廠仿真調(diào)度環(huán)境FASE，以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的智能規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng)等。

(4)用于物流與供應(yīng)鏈管理的仿真實驗。從生產(chǎn)線到車問到整個工廠，再到供應(yīng)鏈系統(tǒng)的庫存、瓶頸、流程、協(xié)作和信息共享等方面，通過仿真可以快速改變和優(yōu)化系統(tǒng)的流程邏輯和決策數(shù)據(jù)的靈敏度分析。如：在物流系統(tǒng)中配送路線的優(yōu)化實驗中，運(yùn)用 WITNESS軟件的設(shè)計功能，根據(jù)規(guī)劃與物流分析的主要內(nèi)容，以物流系統(tǒng)中運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)，設(shè)計物流系統(tǒng)中的配送路線，使整個配送路線最優(yōu)，從而達(dá)到運(yùn)輸成本最低；在垃圾回收物流仿真系統(tǒng)設(shè)計實驗中，仿真程序研究如何設(shè)計物流系統(tǒng)，使收集系統(tǒng)在滿足時間約束、載重約束的條件下，使垃圾處理公司的物流總成本最低。系統(tǒng)涉及的指標(biāo)主要有車輛載重量、隨車工作人員數(shù)和客戶滿意度。

總之，虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)計劃制定、加工、裝配、測試和銷售的整個生命周期。

除了上述單一企業(yè)的生產(chǎn)管理的虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)外，用于虛擬企業(yè)業(yè)務(wù)流程集成的虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)正成為仿真技術(shù)研究的熱點。比較典型的仿真實驗軟件是 CIM—OSA，在應(yīng)用 CIM—OSA進(jìn)行供應(yīng)鏈分析與設(shè)計時，系統(tǒng)描述了2個仿真工具的開發(fā)和設(shè)計。其一是在 Arena仿真平臺上開發(fā)的單機(jī)后勤仿真器，其二是基于 Internet的虛擬企業(yè)內(nèi)供應(yīng)鏈集成仿真環(huán)境。在基于 Internet仿真器的功能設(shè)計上，每個供應(yīng)鏈模塊包括在線的Intemet應(yīng)用和離線的信息管理 2個模塊。Intemet系統(tǒng)在通用的www環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，以支持各類廣泛應(yīng)用的Web服務(wù)器和瀏覽器。根據(jù)不同供應(yīng)鏈伙伴的不同需求，如在線訂購和在線庫存量檢索等，它們的應(yīng)用系統(tǒng)將有所不同。

另外，虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的應(yīng)用也正在向服務(wù)業(yè)不斷滲透。目前許多高校在生產(chǎn)與運(yùn)作管理的實驗課程中，都安排了服務(wù)業(yè)的相關(guān)仿真實驗，代表性的是采用 Lanner公司提供的世界領(lǐng)先的仿真工具 WITNESS。通過 WITNESS對實際商業(yè)系統(tǒng) (工業(yè)工程、制造工程、運(yùn)作管理、供應(yīng)鏈與物流、戰(zhàn)略管理、業(yè)務(wù)流程)的建模和仿真，讓學(xué)生了解不同制造業(yè)、服務(wù)業(yè)的運(yùn)作流程。通過 WITNESS模型的交互菜單，學(xué)生可以作出不同的管理、運(yùn)作流程項目的設(shè)計，并能夠及時運(yùn)行和獲得系統(tǒng)的效果，給學(xué)生提供深刻的流程體驗，使學(xué)生能很好地完成生產(chǎn)與運(yùn)作管理課程的各項設(shè)計任務(wù)，達(dá)到真正提高教學(xué)效果的目的。

3 結(jié)束語

生產(chǎn)與運(yùn)作管理是一門實踐性很強(qiáng)的課程，從增加現(xiàn)實場景模擬、加強(qiáng)課堂師生互動、強(qiáng)化理論與實際結(jié)合等方面不斷創(chuàng)新多樣化的教學(xué)方法，對學(xué)生進(jìn)行實踐技能和科學(xué)研究方法的訓(xùn)練，不僅有助于學(xué)生鞏固課堂所學(xué)知識，加深對生產(chǎn)與運(yùn)作管理基本概念、基本原理和分析方法的理解，掌握從事企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)作管理活動的基本技能，而且，能夠拓寬學(xué)生的知識領(lǐng)域，鍛煉學(xué)生的實踐技能，培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、求真務(wù)實的工作作風(fēng)。

參考文獻(xiàn)（References)：

[1]王曉燕．案例教學(xué)法在管理類本科教學(xué)中的應(yīng)用研究 [J]．武漢科技大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2007，9(4)：412．414．

[2]陳志祥．MBA《生產(chǎn)與運(yùn)作管理》課程建設(shè)與教學(xué)方法研究[J]．教育與現(xiàn)代化，2006(3)：3．8．

[3]許志端．《生產(chǎn)與運(yùn)作管理》教學(xué)中企業(yè)參觀的課程設(shè)計[J]．廈門大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué) 版，2003，42 (10S)：144—147．

[4]王亞超，馬漢武．生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真 [M]．北京：科學(xué)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

正文目錄

第一章 引言 1

第一節(jié) 研究背景與現(xiàn)狀 1

第二節(jié) 選題的意義 2

第二章 生產(chǎn)線概論 3

第一節(jié) 生產(chǎn)線的基本理念 3

一、生產(chǎn)線的概念 3

二、流水式生產(chǎn)線的概念 3

第二節(jié) 生產(chǎn)瓶頸 4

一、生產(chǎn)線上的約束 4

二、節(jié)拍和瓶頸 4

第三節(jié) 生產(chǎn)線評價指標(biāo) 5

一、生產(chǎn)線最終產(chǎn)量 5

二、操作器的利用率 5

第四節(jié) 生產(chǎn)線物流系統(tǒng)仿真方法的優(yōu)勢 6

一、傳統(tǒng)生產(chǎn)線物流分析方法 6

二、仿真方法的優(yōu)勢 6

第三章 仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 7

第一節(jié) 仿真技術(shù)的發(fā)展歷史及其特點 7

一、仿真技術(shù)的發(fā)展歷史 7

二.仿真技術(shù)的特點 7

第二節(jié) 仿真技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用與分類 8

一.仿真技術(shù)的應(yīng)用 8

二.仿真技術(shù)的分類 9

第三節(jié) 物流相關(guān)仿真軟件介紹 10

一、AUTOMOD 10

二、ARENA 10

三、EXTEND 11

四、FLEXSIM 11

第四章 生產(chǎn)線仿真建模 13

第一節(jié) 生產(chǎn)線仿真的基本過程 13

一  明確仿真目的 13

二  收集數(shù)據(jù) 14

三  建立系統(tǒng)的物理模型 14

四  建立系統(tǒng)的邏輯模型 14

五  模型確認(rèn) 14

六  仿真模型運(yùn)行 14

七  模型運(yùn)行結(jié)果分析 14

第二節(jié) 模型介紹 15

一、圣奧沙發(fā)流水線簡介 15

二、沙發(fā)制造部工藝流程圖 15

三、模型實體 16

第三節(jié) 模型運(yùn)行及其結(jié)果 23

一、仿真模型 23

二、仿真結(jié)果 25

第四節(jié) 結(jié)果分析以及模型改造 31

一、結(jié)果分析 31

二、模型改造 32

三、模型改進(jìn)后的分析 38

第五章 結(jié)論與展望 39

參考文獻(xiàn) 40

致 　謝 42

 

第一章 引言

第一節(jié) 研究背景與現(xiàn)狀

近年來，隨著國內(nèi)外市場競爭的激烈，我國加入WTO，企業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。物流的現(xiàn)代化越來越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)物流是一個流通與制造過程的附屬品，其基本任務(wù)僅僅是完成商品流通或制造過程中物料的物理位置的轉(zhuǎn)移，以確保流通或生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，因此，物流的各個功能環(huán)節(jié)長期以來是相互分散和孤立的?，F(xiàn)代流通與生產(chǎn)過程則是更加注重整體的效益。物流作為一個多因素、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，追求其整體的優(yōu)化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)分析問題?，F(xiàn)代物流越來越多的強(qiáng)調(diào)物流的系統(tǒng)化合綜合化，現(xiàn)代物流和傳統(tǒng)物流的本質(zhì)區(qū)別逐漸顯現(xiàn)出來。正式由于現(xiàn)代物流的這一特點，尤其需要運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法對其進(jìn)行分析研究。

生產(chǎn)線即產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，即從原料進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場開始，經(jīng)過加工、運(yùn)送、裝配、檢驗等一系列生產(chǎn)活動所構(gòu)成的路線。生產(chǎn)線需要接收和處理大量的產(chǎn)品設(shè)計、加工、制造資源等信息，合理調(diào)度加工零件。傳統(tǒng)的經(jīng)驗分析和人工調(diào)度不能適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)和現(xiàn)代管理的要求。過去，一個企業(yè)有十幾輛、幾十輛車負(fù)責(zé)產(chǎn)成品的運(yùn)輸。車輛的調(diào)度完全依靠管理人員、調(diào)度人員的已有經(jīng)驗。今后，企業(yè)物流逐步走向社會化。企業(yè)要降低成本，縮短供貨期，對物流提出了更高的要求。不僅僅滿足于車輛的調(diào)配，更需要合理選擇運(yùn)輸路線、合理配載和返程貨物搭載等。而且，由于生產(chǎn)的逐漸多樣化，服務(wù)的客戶化，不再有一成不變的計劃生產(chǎn)，市場不斷變化的生產(chǎn)和供貨，需要管理人員動態(tài)調(diào)整計劃。人工的、經(jīng)驗式的管理必須用科學(xué)的控制管理方式代替。系統(tǒng)仿真正是適應(yīng)了物流系統(tǒng)的復(fù)雜化、物流目標(biāo)的多樣化的發(fā)展需要。 人們在研究一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)時，通常可以采用兩種辦法:一種是直接在實際系統(tǒng)上進(jìn)行研究;另一種就是在系統(tǒng)的模型上進(jìn)行研究。在實際系統(tǒng)上研究固然有其真實可信的有點，但是很多情況下是不合適甚至不可行的。這主要有以下幾方面的原因:

(1)、需要考慮安全性。在研究重要的，涉及人身安全或設(shè)備安全的系統(tǒng)時，不允許在實際系統(tǒng)上進(jìn)行試驗，例如宇航系統(tǒng)，核能系統(tǒng)，航空系統(tǒng)等。

(2)、系統(tǒng)具有不可逆性。有很多系統(tǒng)是不可逆的，例如已經(jīng)發(fā)生的災(zāi)害，生態(tài)系統(tǒng)等。

(3)、投資風(fēng)險過大。一些重大的工程項目，重大設(shè)備系統(tǒng)很復(fù)雜，投資巨大，不允許在實際系統(tǒng)上進(jìn)行破壞性的實驗。

(4)、研究時間過長。多數(shù)情況下，在實際系統(tǒng)上研究問題往往需要較長的時間。例如研究復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)一般需要數(shù)十年;研究一個交通運(yùn)輸系統(tǒng)也至少需要數(shù)天甚至數(shù)月。

(5)、真實的系統(tǒng)尚未建成。如果希望在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段評價方案的優(yōu)劣，顯然無法在真實系統(tǒng)上進(jìn)行。

出于以上主要原因，利用模型來研究系統(tǒng)不僅是必要的甚至在某些情況下是唯一可行的方法。

第二節(jié) 選題的意義

生產(chǎn)物流系統(tǒng)是企業(yè)物流系統(tǒng)的子系統(tǒng)，同時也是制造系統(tǒng)的重要組成部分。生產(chǎn)物流系統(tǒng)的優(yōu)化不但可以提高企業(yè)生產(chǎn)中物流的順暢程度、提高生產(chǎn)效率，還可以降低物料搬運(yùn)成本；進(jìn)而提高企業(yè)的成本、質(zhì)量、交貨期等各項系統(tǒng)性能指標(biāo)。由于生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性、動態(tài)性和隨機(jī)性，數(shù)學(xué)解析方法無法對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的諸多特征進(jìn)行建模，也就無法準(zhǔn)確地進(jìn)行投產(chǎn)方案的計算和優(yōu)化。而系統(tǒng)仿真以相似論、計算機(jī)科學(xué)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計和時間序列分析等為理論基礎(chǔ)，能夠真實地仿真隨即時間，實時模擬生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)特性[1]，再現(xiàn)或預(yù)測所需的生產(chǎn)系統(tǒng)特征。

而Flexsim是一套系統(tǒng)仿真模型設(shè)計、制作與分析工具軟件。它集計算機(jī)三維圖像處理技術(shù)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)為一體，專門面向制造、物流等領(lǐng)域。運(yùn)用Flexsim系列仿真軟件，可在計算機(jī)內(nèi)建立研究對象的系統(tǒng)三位模型，然后對模型進(jìn)行各種系統(tǒng)分析和工程驗證，最終獲得優(yōu)化設(shè)計或改造方案。

本文以圣奧有限公司沙發(fā)生產(chǎn)線為例，通過仿 真軟件Flexsim建立生產(chǎn)線仿真模型，進(jìn)行物流和調(diào)度仿真，瓶頸設(shè)備和故障分析與生產(chǎn)線能力評估，為生產(chǎn)線規(guī)劃與布局及生產(chǎn)調(diào)度計劃制定提供可靠的科學(xué)依據(jù)。而用仿真軟件做生產(chǎn)線優(yōu)化還可以可以減少成本，三維效果好，最重要的是仿真優(yōu)化結(jié)果明顯。第二章 生產(chǎn)線概論

第一節(jié) 生產(chǎn)線的基本理念

一、生產(chǎn)線的概念

產(chǎn)品生產(chǎn)過程所經(jīng)過的路線，即從原料進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場開始，經(jīng)過加工、運(yùn)送、裝配、檢驗等一系列生產(chǎn)活動所構(gòu)成的路線。狹義的生產(chǎn)線是按對象原則組織起來的，完成產(chǎn)品工藝過程的一種生產(chǎn)組織形式，即按產(chǎn)品專業(yè)化原則，配備生產(chǎn)某種產(chǎn)品（零、部件）所需要的各種設(shè)備和各工種的工人，負(fù)責(zé)完成某種產(chǎn)品（零、部件）的全部制造工作，對相同的勞動對象進(jìn)行不同工藝的加工。

生產(chǎn)線的主要產(chǎn)品或多數(shù)產(chǎn)品的工藝路線和工序勞動量比例，決定了一條生產(chǎn)線上擁有為完成某幾種產(chǎn)品的加工任務(wù)所必需的機(jī)器設(shè)備，機(jī)器設(shè)備的排列和工作地的布置等。生產(chǎn)線具有較大的靈活性，能適應(yīng)多品種生產(chǎn)的需要；在不能采用流水生產(chǎn)的條件下，組織生產(chǎn)線是一種比較先進(jìn)的生產(chǎn)組織形式；在產(chǎn)品品種規(guī)格較為復(fù)雜，零部件數(shù)目較多，每種產(chǎn)品產(chǎn)量不多，機(jī)器設(shè)備不足的企業(yè)里，采用生產(chǎn)線能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

二、流水式生產(chǎn)線的概念

流水線是指勞動對象按照一定的工藝路線，順序的通過各個工作地，并按照統(tǒng)一的生產(chǎn)速度(節(jié)拍)完成工藝作業(yè)連續(xù)的、重復(fù)的生產(chǎn)過程。

流水生產(chǎn)方式是把高度的對象專業(yè)化生產(chǎn)和勞動對象的平行移動方式有機(jī)結(jié)合起來的一種先進(jìn)的生產(chǎn)組織方式。

單品種流水生產(chǎn)線又稱不變流水線，指流水線上只固定生產(chǎn)一種制品。要求制品的數(shù)量足夠大，以保證流水線上的設(shè)備有足夠的復(fù)合。

多對象流水生產(chǎn)有兩種基本形式。一種是可變流水線，其特點是在計劃期內(nèi)，按照一定的間隔期，成批輪番生產(chǎn)多種產(chǎn)品;在間隔期內(nèi)，只生產(chǎn)一種產(chǎn)品;在完成規(guī)定的批量后，轉(zhuǎn)生產(chǎn)另一種產(chǎn)品。另一種是混合流水線，其特點是:在同一時間內(nèi)，流水線上混合生產(chǎn)多種產(chǎn)品。按固定的混合產(chǎn)品組組織生產(chǎn)，即將不同的產(chǎn)品按固定的比例和生產(chǎn)順序編程產(chǎn)品組。一個組一個組地在流水線上進(jìn)行生產(chǎn)。

第二節(jié) 生產(chǎn)瓶頸

一、生產(chǎn)線上的約束

生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程是一個按照生產(chǎn)工藝安排的有序過程。因此，可完成生產(chǎn)作業(yè)要素受到一定程度上的限制。例如，在安裝儀器或者設(shè)備外殼前需要裝上電動機(jī)。進(jìn)行生產(chǎn)線平衡時，除了考慮優(yōu)先約束之外還應(yīng)考慮非生產(chǎn)工藝的約束：      

(1)區(qū)域約束。它時與生產(chǎn)工位布置有關(guān)的限制，分為正區(qū)域約束和負(fù)區(qū)域約束。正區(qū)域約束是指某些確定的作業(yè)要素應(yīng)該彼此就近設(shè)置;負(fù)區(qū)域約束是指作業(yè)要素之間相互干涉，在位置上不應(yīng)靠近的限制條件。

(2)位置約束。在大型的生產(chǎn)線上，如汽車的裝配線上，由于產(chǎn)品比作業(yè)人員可完成的裝配作業(yè)空間大，不能完成其周邊的裝配作業(yè)，產(chǎn)品裝配作業(yè)受到空間的限制。

二、節(jié)拍和瓶頸

流程的“節(jié)拍 ”（Cycle time）是指連續(xù)完成相同的兩個產(chǎn)品（或兩次服務(wù)，或兩批產(chǎn)品）之間的間隔時間。換句話說，即指完成一個產(chǎn)品所需的平均時間。節(jié)拍通常只是用于定義一個流程中某一具體工序或環(huán)節(jié)的單位產(chǎn)出時間。如果產(chǎn)品必須是成批制作的，則節(jié)拍指兩批產(chǎn)品之間的間隔時間。在流程設(shè)計中，如果預(yù)先給定了一個流程每天（或其它單位時間段）必須的產(chǎn)出，首先需要考慮的是流程的節(jié)拍。

而通常把一個流程中生產(chǎn)節(jié)拍最慢的環(huán)節(jié)叫做“瓶頸”（Bottleneck）。流程中存在的瓶頸不僅限制了一個流程的產(chǎn)出速度，而且影響了其它環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力的發(fā)揮。更廣義地講，所謂瓶頸是指整個流程中制約產(chǎn)出的各種因素。例如，在有些情況下，可能利用的人力不足、原材料不能及時到位、某環(huán)節(jié)設(shè)備發(fā)生故障、信息流阻滯等，都有可能成為瓶頸。正如“瓶頸”的字面含義，一個瓶子瓶口大小決定著液體從中流出的速度，生產(chǎn)運(yùn)作流程中的瓶頸則制約著整個流程的產(chǎn)出速度。瓶頸還有可能“漂移”，取決于在特定時間段內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品或使用的人力和設(shè)備。因此在流程設(shè)計中和日后的日常生產(chǎn)運(yùn)作中都需要引起足夠的重視， 注意生產(chǎn)線平衡的持續(xù)改善。

與節(jié)拍和瓶頸相關(guān)聯(lián)的另一個概念是流程中的“空閑時間”（idle time）?？臻e時間是指工作時間內(nèi)沒有執(zhí)行有效工作任務(wù)的那段時間，可以指設(shè)備或人的時間。當(dāng)一個流程中各個工序的節(jié)拍不一致時，瓶頸工序以外的其它工序就會產(chǎn)生空閑時間。這就需要對生產(chǎn)工藝進(jìn)行平衡。制造業(yè)的生產(chǎn)線多半是在進(jìn)行了細(xì)分之后的多工序流水化連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)線，此時由于分工作業(yè)，簡化了作業(yè)難度，使作業(yè)熟練度容易提高，從而提高了作業(yè)效率。然而經(jīng)過了這樣的作業(yè)細(xì)分化之后，各工序的作業(yè)時間在理論上，現(xiàn)實上都不能完全相同，這就勢必存在工序間節(jié)拍不一致出現(xiàn)瓶頸的現(xiàn)象。除了造成的無謂的工時損失外，還造成大量的工序堆積即存滯品發(fā)生，嚴(yán)重的還會造成生產(chǎn)的中止。

為了解決以上問題就必須對各工序的作業(yè)時間平均化，同時對作業(yè)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以使生產(chǎn)線能順暢活動。“生產(chǎn)線工藝平衡”即是對生產(chǎn)的全部工序進(jìn)行平均化，調(diào)整各作業(yè)負(fù)荷，以使各作業(yè)時間盡可能相近。是生產(chǎn)流程設(shè)計與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化必須考慮的最重要的問題。生產(chǎn)線工藝平衡的目的是通過平衡生產(chǎn)線使用現(xiàn)場更加容易理解“一個流”的必要性及“小單元生產(chǎn)”（Cell production）的編制方法，它是一切新理論新方法的基礎(chǔ)。

第三節(jié) 生產(chǎn)線評價指標(biāo)

在生產(chǎn)線平衡中，通?？梢允褂蒙a(chǎn)線最終產(chǎn)量、工作時間、利用率、空閑率、阻塞率等幾個指標(biāo)來比較和評價生產(chǎn)線平衡的結(jié)果，而本文中主要用到生產(chǎn)線最終產(chǎn)量和操作器利用率這兩個指標(biāo)。

一、生產(chǎn)線最終產(chǎn)量

生產(chǎn)線的評價指標(biāo)之一為該條生產(chǎn)線最終的產(chǎn)量。一般而言，最終產(chǎn)量越多越好，本文中模型改進(jìn)前后對比的評價指標(biāo)之一就是生產(chǎn)線的最終產(chǎn)量。不過，現(xiàn)實生活中，企業(yè)還是要考慮到生產(chǎn)成本問題。如果生產(chǎn)成本投入很大，相對而言，最終產(chǎn)量增加不多，那么就不一定值得投入更多的生產(chǎn)成本的。

二、操作器的利用率

生產(chǎn)線中機(jī)器的利用率也是一個很重要的生產(chǎn)線評價指標(biāo)，一般利用率較高的生產(chǎn)線比較好。試想，如果一條生產(chǎn)線上的機(jī)器大多時間都處于空閑或等待之類的 非處理狀態(tài)，那就說明這條生產(chǎn)線的利用率不高，存在很大的浪費(fèi)。本文中模型的第二個評價指標(biāo)就是機(jī)器的利用率，通過模型改造，使得生產(chǎn)線上的各個機(jī)器的利用率有大大的提高，充分的使用了其生產(chǎn)能力，沒有造成浪費(fèi)。

第四節(jié) 生產(chǎn)線物流系統(tǒng)仿真方法的優(yōu)勢

一、傳統(tǒng)生產(chǎn)線物流分析方法

傳統(tǒng)對企業(yè)的生產(chǎn)流程的優(yōu)化，主要集中在生產(chǎn)流程、生產(chǎn)節(jié)拍和工藝流程方面的優(yōu)化，且主要由工藝員根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的規(guī)模，建立實體模型，通過改變其中幾個瓶頸設(shè)備來達(dá)到優(yōu)化的目的。這種優(yōu)化在很大程度上來說，沒有相關(guān)理論為指導(dǎo)，多是從生產(chǎn)實際中總結(jié)出的一些經(jīng)驗中得出的，常常是局部的優(yōu)化，可以說只是些修修補(bǔ)補(bǔ)，并不能從根本上解決企業(yè)整體存在的問題。針對企業(yè)優(yōu)化問題，目前用的較多的傳統(tǒng)生產(chǎn)線物流分析方法是對所研究系統(tǒng)建立起相關(guān)數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)工具對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

而對生產(chǎn)線進(jìn)行分析的數(shù)學(xué)方法包括有運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)工程等學(xué)科。其內(nèi)容包含有排隊論、目標(biāo)規(guī)劃法、模糊綜合評判法、層次分析法、關(guān)系矩陣法等等。不過類似于這些方法，計算量過大，而且有些時候不一定能得出結(jié)果，所以存在一定的弊端。隨著生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，越來越多采用仿真方法。

二、仿真方法的優(yōu)勢

對于比較復(fù)雜的工藝流程，僅用數(shù)學(xué)方法往往不能發(fā)現(xiàn)工藝流程中的瓶頸，因而也無法為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。因此，需要通過仿真技術(shù)的應(yīng)用，對工藝流程建立仿真模型、設(shè)置參數(shù)，來實現(xiàn)工藝流程的仿真，從而找到瓶頸，再通過優(yōu)化方法消除流程中的瓶頸。因為對物流系統(tǒng)的仿真能將制造廠內(nèi)生產(chǎn)的實際情況逼真的再現(xiàn)出來，并結(jié)合虛擬制造、虛擬物流的思想，通過對各種模型設(shè)備的工作時間、利用率、空閑率、阻塞率等的分析，找出制約整個系統(tǒng)物流的瓶頸因素，再通過改變相關(guān)制約因素來達(dá)到系統(tǒng)整體的最優(yōu)，這不僅有效的解決了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化不能真實、具體、全面地反映系統(tǒng)運(yùn)作情況的缺陷，又巧妙的回避了大量不必要的計算，操作起來十分經(jīng)濟(jì)方便。

仿真技術(shù)綜合集成了計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制的多個高新科技領(lǐng)域的知識，是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的一門綜合性技術(shù)。可有效的解決這種多因素、多目標(biāo)、多層次的系統(tǒng)優(yōu)化問題。

第三章 仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

第一節(jié) 真技術(shù)的發(fā)展歷史及其特點

一、仿真技術(shù)的發(fā)展歷史

系統(tǒng)仿真是建立在系統(tǒng)理論、控制理論、相似理論、數(shù)理統(tǒng)計、信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上，以計算機(jī)和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗，并借助于專家經(jīng)驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資料對實驗結(jié)果進(jìn)行分析研究，做出決策的一門綜合性和實驗性的學(xué)科。

早在幾千年前，我們的先人就懂得了系統(tǒng)仿真的基本原理。中國象棋就是用于仿真古代戰(zhàn)爭的游戲;軍事沙盤用來仿真兩軍對戰(zhàn)的戰(zhàn)略;建筑中用木模研究實際建筑物的結(jié)構(gòu)與承載性能等。知道20世紀(jì)40年代，馮。諾依曼正式提出了系統(tǒng)仿真的概念，隨后1952年美國成立了仿真學(xué)會，1963年出版了仿真領(lǐng)域最具權(quán)威性的學(xué)術(shù)刊物《SIMULATION》后，系統(tǒng)仿真之間變成了一門獨(dú)立的學(xué)科。

二、仿真技術(shù)的特點

系統(tǒng)仿真技術(shù)是模型(物理的、數(shù)學(xué)的或非數(shù)學(xué)的)的建立、驗證和實驗運(yùn)行技術(shù)?，F(xiàn)代仿真技術(shù)的特點可以歸納為以下幾點:

(1)、系統(tǒng)仿真技術(shù)是一門通用的支撐性的技術(shù)。在決策者們面對一些重大的，棘手的問題時， 能以其他方法無法代替的特殊功能， 為其提供關(guān)鍵性的見解和創(chuàng)新的觀點

(2)、系統(tǒng)仿真技術(shù)學(xué)科的發(fā)展具有相對的獨(dú)立性， 同時又與光、機(jī)、電、聲， 特別是信息等眾多專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展互為促進(jìn)。因此系統(tǒng)仿真技術(shù)具有學(xué)科面廣、綜合性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?、無破壞性、可多次重復(fù)、安全、經(jīng)濟(jì)、可控、不受氣候條件和場地空間的限制等獨(dú)特優(yōu)點， 這是其他技術(shù)無法比擬的。

(3)、系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用緊密相關(guān)。應(yīng)用需求倩影、系統(tǒng)帶技術(shù)、技術(shù)促系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)于應(yīng)用，這是一個辯證的關(guān)系。應(yīng)用需求是推動系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的原動力， 系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用效益不但與其技術(shù)水平的高低有關(guān)， 還與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展密切相關(guān)。大量實例證明， 系統(tǒng)仿真技術(shù)的有效應(yīng)用必須依托于先進(jìn)的仿真系統(tǒng)， 只有服務(wù)于應(yīng)用的仿真系統(tǒng)向前發(fā)展了， 才能帶動系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展。

(4)、系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用正向全系統(tǒng)、系統(tǒng)全生命周期、系統(tǒng)全方位管理發(fā)展， 這些都給予仿真技術(shù)的發(fā)展。

第二節(jié) 仿真技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用與分類

一、仿真技術(shù)的應(yīng)用

仿真在生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要依賴于生產(chǎn)力發(fā)展水平的提高。對簡單的生產(chǎn)過程和系統(tǒng)， 以人工操作為主的生產(chǎn)，仿真顯示不出其突出的優(yōu)點。然而，隨著生產(chǎn)自動化水平不斷提高， 生產(chǎn)系統(tǒng)越來越復(fù)雜。生產(chǎn)節(jié)奏越來越快，生產(chǎn)管理者對生產(chǎn)改進(jìn)的每一決策，都需謹(jǐn)慎考慮。措施不當(dāng)，往往需付出高昂的代價。而正是由于系統(tǒng)的復(fù)雜性、快節(jié)奏和柔性，要想預(yù)測每一種決策給系統(tǒng)帶來的后果。已是人的大腦無法勝任的了。仿真技術(shù)正是彌補(bǔ)了這一不足，成為現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的有用工具，成為生產(chǎn)管理人員的得力助手。仿真在制造業(yè)中的應(yīng)用，主要有以下幾方面：

1．生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計

在一個新的生產(chǎn)系統(tǒng)建立時，往往要對該生產(chǎn)系統(tǒng)的方案設(shè)計進(jìn)行評價。除了其它的系統(tǒng)設(shè)計與評價方法外，仿真是最常用的一種方法。對新系統(tǒng)建立模型，動態(tài)運(yùn)行此模型，從而找到系統(tǒng)方案存在的問題。多次修改參數(shù)與運(yùn)行，可以尋求一個較優(yōu)的設(shè)計方案。

2．物料的管理

復(fù)雜、快節(jié)奏的生產(chǎn)系統(tǒng)。物料的管理往往是十分復(fù)雜的。不同的物料管理策略，會產(chǎn)生不同的效果。策略得當(dāng)，可以保證生產(chǎn)系統(tǒng)均衡的生產(chǎn)，保證物料適時、適量的供應(yīng)。反之，會造成生產(chǎn)物流的失調(diào)，或出現(xiàn)積壓浪費(fèi)，或出現(xiàn)供料不足。通過物料管理策略仿真， 可以確定出最恰當(dāng)?shù)奈锪瞎芾矸桨浮?/p>

3．生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)

多工序、多設(shè)備的復(fù)雜生產(chǎn)線。各加工工序生產(chǎn)節(jié)奏一般是不協(xié)調(diào)的。這種不協(xié)調(diào)會嚴(yán)重影響生產(chǎn)系統(tǒng)整體效率。協(xié)調(diào)各工序的生產(chǎn)節(jié)拍，充分發(fā)揮所有生產(chǎn)設(shè)備和人力資源的潛力， 力求系統(tǒng)生產(chǎn)的總體高效率，是生產(chǎn)中最常見的難題。仿真可以幫助人們迅速 找到生產(chǎn)的瓶頸，通過采取相應(yīng)措旖，消除瓶頸，協(xié)調(diào)生產(chǎn)。

4．生產(chǎn)計劃摸擬

企業(yè)、公司在制訂計劃時，為了預(yù)測計劃下達(dá)后的效果，一般都采用定量分析的方法，通過分析來評價計劃的合理性。仿真是定量分析方法中應(yīng)用最廣泛的。

5．生產(chǎn)成本分析

仿真可以模擬生產(chǎn)的動態(tài)過程。如果將成本作為一個基本變量，生產(chǎn)過程的模擬可以得到生產(chǎn)成本的統(tǒng)計性能。改變參數(shù)，多次仿真可以尋求降低成本提高生產(chǎn)率的較優(yōu)方案。

生產(chǎn)線作為生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，仿真技術(shù)在其中的應(yīng)用同樣十分廣闊，從原料管理，工具管理，生產(chǎn)設(shè)備規(guī)劃，控制生產(chǎn)吞吐等。

二、仿真技術(shù)的分類

系統(tǒng)仿真可以有很多種分類方法。

①．按模型的類型可以分為連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真、連續(xù)/離散混合系統(tǒng)仿真和定性系統(tǒng)仿真;

②．按仿真的實現(xiàn)方法和手段及模型的種類，可以分為物理仿真和數(shù)學(xué)仿真;

③．根據(jù)人和設(shè)備的真實程度，可以分為實況仿真、虛擬仿真和構(gòu)造仿真等;

連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散時間系統(tǒng)仿真是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變化的不同而進(jìn)行分類的。連續(xù)系統(tǒng)仿真是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)的方針;離散事件系統(tǒng)仿真則是指系統(tǒng)狀態(tài)值在一些時間點上發(fā)生變化的系統(tǒng)的方針。在系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷史中，連續(xù)系統(tǒng)仿真較早得到發(fā)展和成熟的應(yīng)用。最為成熟的領(lǐng)域包括自動控制，電力系統(tǒng)，宇航，航空等。離散事件系統(tǒng)仿真是隨著管理科學(xué)的不斷發(fā)展和先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展而逐漸被重視和發(fā)展起來的。目前，在交通運(yùn)輸管理，誠實規(guī)劃設(shè)計，庫存控制，制造物流等領(lǐng)域都開展了離散事件系統(tǒng)仿真的理論和應(yīng)用研究。

物理仿真是建立系統(tǒng)的物理模型。最早的仿真起源于物理仿真，例如航空飛行用空洞實驗研究氣流對飛機(jī)飛行的影響。數(shù)字仿真則是通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。數(shù)學(xué)仿真又分為模擬仿真和數(shù)字仿真。數(shù)字仿真就是建立系統(tǒng)的數(shù)字模型。由于數(shù)字仿真依賴于計算機(jī)，并需要處理大量數(shù)據(jù)，要求能快速計算，因此數(shù)字仿真是隨著計算機(jī)的發(fā)展而形成和不斷成熟起來的。隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)字仿真的研究和應(yīng)用在系統(tǒng)仿真中占有越來越大的比重。

國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用非常普遍。20世紀(jì)90年代初，美國提出了22項國家關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)仿真技術(shù)被列為16項;美國國防部提出了21項國防關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)仿真技術(shù)被列為第6項。美國已經(jīng)嚴(yán)格規(guī)定所有重要的武器研究，必須進(jìn)行仿真實驗后才可投入正式生產(chǎn)和使用。

根據(jù)20世紀(jì)80年代末的統(tǒng)計，比人企業(yè)運(yùn)用系統(tǒng)工程解決管理和決策問題時，采用系統(tǒng)仿真方法的已經(jīng)超過80%。英國制造業(yè)也普遍采用系統(tǒng)仿真方法解決無聊控制、人力配置、調(diào)度評估、投資策略以及均衡生產(chǎn)等問題。根據(jù)國外應(yīng)用統(tǒng)計，運(yùn)用系統(tǒng)仿真油畫系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃可減少投資約30%，在庫存控制方面科減少庫存約15%。

第三節(jié) 物流相關(guān)仿真軟件介紹

一、AutoMod

AutoMod仿真軟件是由美國Brooks Automation公司出品，目前最新版本是11.2。 其研發(fā)基地位于猶他州的鹽湖城，于上世紀(jì)80年代開始研發(fā)，目前已成為國際上產(chǎn)品較成熟、應(yīng)用較廣泛的仿真軟件之一。 AutoMod的應(yīng)用覆及汽車、家電、造船、化工、煙草、圖書等制造業(yè)領(lǐng)域，軍事、核工業(yè)等國防領(lǐng)域，以及郵政通信、港口、航空、倉儲、配送、物料操作等物流及其他服務(wù)行業(yè)和領(lǐng)域。AutoMod是一款比較成熟的離散事件系統(tǒng)仿真軟件，可完成對制造系統(tǒng)、倉儲系統(tǒng)、物料處理、企業(yè)內(nèi)部物流、港口、車站、空港、配送中心，以及控制系統(tǒng)等的仿真分析、評價和優(yōu)化設(shè)計等。

二、Arena

Arena是美國System Modeling公司于1993年開始就基于仿真語言SIMAN

及可視化環(huán)境CINEMA研制開發(fā)的可視化交互級城市商業(yè)化仿真軟件，為不同需求的用戶開發(fā)有多種產(chǎn)品類型。

作為通用的可視化仿真環(huán)境，Arena的應(yīng)用范圍十分廣泛，集合覆蓋了可視化仿真的所有領(lǐng)域。在物流領(lǐng)域，Arena的應(yīng)用涉及從供應(yīng)商到客戶的整個供應(yīng)鏈，包括供應(yīng)商管理、庫存管理、制造過程、分銷物流、商務(wù)過程以及客戶服務(wù)等。在制造過程仿真應(yīng)用中，Arena常用來進(jìn)行四個方面的仿真分析:①生產(chǎn)過程中的工藝過程計劃、設(shè)備布置等;②生產(chǎn)管理中的生產(chǎn)計劃、庫存管理(如庫存規(guī)劃、庫存控制機(jī)制)等;③制造過程的經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)險性分析，降低成本或輔助企業(yè)投資決策等;④各種先進(jìn)制造模式如虛擬組織與敏捷供應(yīng)鏈管理的可視化仿真等。

三、Extend

Extend系統(tǒng)仿真軟件是由美國Imagine That公司開發(fā)的通用仿真平臺。Extend目前有連續(xù)、離散、工業(yè)和套裝四個版本的商業(yè)產(chǎn)品。Extend提供了自成一體的集成環(huán)境，為不同層次的用戶提供了多種工具，并且Extend的模塊可以很容易地搭建并組合在一起，大大方便了建模。Extend在眾多行業(yè)得到企業(yè)、學(xué)校和政府的廣泛認(rèn)可。其應(yīng)用領(lǐng)域包括通訊、制造、服務(wù)、衛(wèi)生、物流和軍事等行業(yè)。

Extend提供了輸入建模、運(yùn)行仿真模型、數(shù)據(jù)分析等基本功能。Extend提供了模塊化的建模功能，用戶可以采用軟件提供的基本模塊，或者自己建立的模塊搭建模型。此外，Extend包含了以個基于消息傳遞的仿真引擎，提供迅速的模型運(yùn)行機(jī)制和靈活建模機(jī)制。Extend采用2D的建模與仿真顯示功能，建立的模型和方針運(yùn)行都顯示二維的畫面。Extend的方針運(yùn)行支持及時的參數(shù)修改，能夠及時看到修改參數(shù)后的運(yùn)行情況。Extend也停工了專門的StatFit數(shù)據(jù)你和功能，輔助用戶進(jìn)行各種類型的輸入數(shù)據(jù)的處理和分析。

四、Flexsim

Flexsim是一款通用離散仿真軟件，被用來對若干不同行業(yè)不同系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。據(jù)粗略估計，大約500個Fortune企業(yè)中的一般為Flexsim的客戶，包括General Mills， Daimler Chrysler， FedEx等一些著名企業(yè)。

Flexsim是一套系統(tǒng)仿真模型設(shè)計、制作與分析工具軟件。它集計算機(jī)三維圖像處理技術(shù)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)為一體，專門面向制造、物流等領(lǐng)域。運(yùn)用Flexsim系列仿真軟件，可在計算機(jī)內(nèi)建立研究對象的系統(tǒng)三位模型，然后對模型進(jìn)行各種系統(tǒng)分析和工程驗證，最終獲得優(yōu)化設(shè)計或改造方案。

Flexsim是新一代離散時間系統(tǒng)仿真的有效工具。面向?qū)ο蟮慕７绞绞沟媒＿^程更為快捷，只需通過圖形的拖動和必要的附加程序就可以快速的建立起系統(tǒng)的模型。軟件提供了豐富的物理單元，如處理器、操作員、堆垛機(jī)、貨架等，大大方便了用戶的建模。所建立的物理仿真模 型可以用三維動畫方式表現(xiàn)出來。

目前，F(xiàn)lexsim軟件已經(jīng)在物流及生產(chǎn)制造領(lǐng)域里成功的進(jìn)行了多種系統(tǒng)的建模與仿真分析，如配送中心的揀選仿真、倉儲出入庫仿真、產(chǎn)品庫分揀仿真、生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真、高速公路交通仿真、集裝箱碼頭仿真、機(jī)場仿真、城市應(yīng)急系統(tǒng)仿真等。

以下是運(yùn)用Flexsim成功解決的一些問題：

• 提高設(shè)備的利用率

• 減小等待時間和排隊長度

• 有效分配資源

• 消除缺貨問題

• 把故障的負(fù)面影響減至最低

• 把廢棄物的負(fù)面影響減至最低

• 研究可替換的投資概念

• 決定零件經(jīng)過的時間

• 研究降低成本計劃

• 建立最優(yōu)批量和工件排序

• 解決物料發(fā)送問題

• 研究設(shè)備預(yù)置時間和改換工具的影響

• 優(yōu)化貨物和服務(wù)的優(yōu)先次序與分派邏輯

• 在系統(tǒng)全部行為和相關(guān)作業(yè)中訓(xùn)練操作人員

• 展示新的工具設(shè)計和性能

• 管理日常運(yùn)作決策

Flexsim采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，并具有3D顯示功能。建?？旖莘奖愫惋@示能力強(qiáng)是Flexsim仿真軟件的重要特點。該軟件提供了原始數(shù)據(jù)擬合、輸入建模、圖形化的模型構(gòu)建、虛擬現(xiàn)實顯示、運(yùn)行模型進(jìn)行仿真實驗、對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化、生成3D動畫影像文件等的功能，也提供了與其他工具軟件的方便接口。第四章 生產(chǎn)線仿真建模

第一節(jié) 生產(chǎn)線仿真的基本過程

        生產(chǎn)線仿真的基本流程如圖4-1:

 

圖4-1 生產(chǎn)線仿真基本流程

一、明確仿真目的

建立生產(chǎn)線仿真首先要明確仿真的目的，這樣才能避免對仿真過程中不必要細(xì)節(jié)的糾纏，突出問題的重點。

二、收集數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)收集包括收集與系統(tǒng)輸入輸出有關(guān)的數(shù)據(jù)以及反應(yīng)系統(tǒng)各部分之間關(guān)系的數(shù)據(jù):包括各個生產(chǎn)線的相互關(guān)系、生產(chǎn)時間、準(zhǔn)備時間、加工零件路徑關(guān)系等。這是保證以后Flexsim生產(chǎn)線模型能真正反映真實生產(chǎn)線模型的必要條件。

三、建立系統(tǒng)的物理模型

由Flexsim 中提供的各類資源來模擬生產(chǎn)線設(shè)備及產(chǎn)品。

四、建立系統(tǒng)的邏輯模型

通過connect 屬性連接各實體， 以及對各實體參數(shù)的設(shè)置及編程， 實現(xiàn)一定產(chǎn)品加工順序及不同品種的生產(chǎn)順序。

五、模型確認(rèn)

確認(rèn)是確定模型是否正確代表實際系統(tǒng)，把模型及其特性與現(xiàn)實的系統(tǒng)及其特性比較的全過程。對模型的確認(rèn)工作往往是通過對模型的矯正來完成，比較模型和實際系統(tǒng)的特性是一個迭代的過程。這個過程重復(fù)進(jìn)行直到認(rèn)為模型準(zhǔn)確為止。

六、仿真模型運(yùn)行

仿真運(yùn)行就是將系統(tǒng)的仿真模型放在計算機(jī)上運(yùn)行。在運(yùn)行過程中了解模型對各種不同的輸入數(shù)據(jù)以及不同的仿真機(jī)制輸出響應(yīng)的情況。

七、模型運(yùn)行結(jié)果分析

對仿真結(jié)果分析是確定仿真實驗中所獲得的數(shù)據(jù)是否合理和充分，是否滿足系統(tǒng)的目標(biāo)要求，同時將仿真結(jié)果整理成報告，確定比較系統(tǒng)不同方案的準(zhǔn)則、實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)的評價標(biāo)準(zhǔn)和問題可能的解，為系統(tǒng)方案的最終決策提供輔助支持。

第二節(jié) 模型介紹

一、圣奧沙發(fā)流水線簡介

本模型以圣奧集團(tuán)有限公司旗下的沙發(fā)流水線為實體模型。圣奧現(xiàn)有各類沙發(fā)共33款，其中6款為外購產(chǎn)品，25款為自行研發(fā)生產(chǎn)，淘汰2款。主要產(chǎn)品類別有: 厚重、氣派沙發(fā)系列；高層主管(皮質(zhì)) 穩(wěn)重、時尚、簡約沙發(fā)系列；各階層(皮質(zhì)及仿皮)貴賓、休閑沙發(fā)系列:訪客、會客(布藝及皮質(zhì))。

二、沙發(fā)制造部工藝流程圖

  

圖4-2  沙發(fā)制造工藝流程圖

    該生產(chǎn)線的流程為圖4-2所示。主要步驟有來料檢驗、材料入庫、開料、釘架、打帶、裁綿、裁剪、車縫、噴膠貼綿、成型安裝、包裝。而開料、釘架和打帶是對板材進(jìn)行處理的。裁綿和車縫是對皮料進(jìn)行處理的。而各流程的先后順序以及組合方式就如圖4-2所示。

三、模型實體

表4-1 模型實體介紹

模型元素 系統(tǒng)元素 備注

Flowitem 原料 默認(rèn)生成原料

Processor 

機(jī)器 進(jìn)行不同的參數(shù)定義以表征不同機(jī)器組中的機(jī)器

Queue 暫存區(qū) 暫時存放貨物的區(qū)域

Conveyor 傳送帶 用來傳送被加工對象

Source 原材料庫 原材料的始發(fā)處

Sink 成品庫 原料加工后的最終去向

(一)加工工藝及設(shè)備:

開料------根據(jù)產(chǎn)品、設(shè)計、工藝技術(shù)要求畫板、用開料鋸、帶鋸將板材鋸成所需求規(guī)格形狀(數(shù)量、品質(zhì))，機(jī)械設(shè)備及工具:帶鋸機(jī)、推臺鋸、橫截鋸、壓刨機(jī)。

開綿------根據(jù)設(shè)計技術(shù)、樣板要求，用電剪將海綿簡稱所需求規(guī)格的產(chǎn)品部件，機(jī)械設(shè)備及工具:電剪

裁剪------根據(jù)技術(shù)設(shè)計要求，用裁剪工具將皮料和面料裁成所需規(guī)格的產(chǎn)品部件，機(jī)械設(shè)備及工具:電剪，剪刀

車縫------根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求，對各型號的產(chǎn)品進(jìn)行縫合，機(jī)械設(shè)備及工具:縫紉機(jī)、鎖邊機(jī)、雙針機(jī)

釘架------根據(jù)工藝技術(shù)要求，對已開好的料進(jìn)行拼接，機(jī)械設(shè)備及工具:馬釘槍、直釘槍

貼綿------根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求，對已釘好的沙發(fā)架加貼海綿、造型

成型------對已貼好綿的沙發(fā)進(jìn)行們皮和組裝，對沙發(fā)進(jìn)行初步的成型

安裝------根據(jù)工藝要求對需要組裝的產(chǎn)品進(jìn)行安裝固定以達(dá)到工藝要求

包裝------根據(jù)工藝要求對檢驗合格的產(chǎn)品進(jìn)行包裝以達(dá)到工藝需求。

(二)模型假定:

由于工序較多，所以我將生產(chǎn)線中對板材的操作步驟(開料-釘架-打帶)合并為一個過程，簡稱為板材操作，假定存在一板材處理器，能完成此三個程序。同理，將對皮料進(jìn)行操作的步驟(剪裁-車縫)合并為一個過程，簡稱為皮料處理器。由于貼綿過程只有一道，所以就不需要合并。此外，圣奧沙發(fā)生產(chǎn)流水線上是一個流程一個人負(fù)責(zé)的。所以因為我把對板材的處理合并為一個流程，所以設(shè)定有1個操作員操作該流程。同理可得，裁綿區(qū)1人操作，皮料處理區(qū)1人操作。綜上，整條沙發(fā)生產(chǎn)線所需的操作員共有6人。

表4-2  車間生產(chǎn)線機(jī)器與操作人員明細(xì)表

機(jī)器名稱 數(shù)量 操作人員數(shù)

板材處理器 1 1

裁綿器 1 1

皮料處理器 1 1

噴膠器 1 1

成型安裝器 1 1

包裝器 1 1

沙發(fā)生產(chǎn)線首先從原料倉庫取材料。由于生產(chǎn)線流程中有來料檢驗這一步驟，我假設(shè)原材料的產(chǎn)品合格率為99%，即只有1%的產(chǎn)品，由發(fā)生器隨機(jī)發(fā)送。而與發(fā)生器連接的第一個暫存區(qū)是存放合格品的，第二個暫存區(qū)是存放不合格品的，進(jìn)入生產(chǎn)線的原材料是由第一個暫存區(qū)發(fā)出的，因此就不存在有出現(xiàn)有次品進(jìn)入生產(chǎn)線的問題。板材處理的總時間為各步驟的總和(即開料時間+釘架時間+打帶時間)為702s。裁綿時間為78s，皮料處理時間(即裁剪時間+車縫時間)為367s。當(dāng)板材和綿料都處理完畢后，以1:1的比例進(jìn) 行噴膠貼綿操作，該過程處理時間為345s。完成后，與處理完畢的皮料進(jìn)行成型安裝，需要時間380s。最后進(jìn)行成品包裝，需時256s。當(dāng)上述步驟都完成后，將成品入庫。

模型的布局如圖4-3:

 

圖4-3 模型布局圖

 

圖4-4  模型透視圖

(三)運(yùn)行時間:

假定沙發(fā)生產(chǎn)線是一周7天都工作，每天工作時間為24個小時，采用班組輪換制度進(jìn)行運(yùn)作。總計一次仿真時間為168小時(7*24=168)，即604800s(168*60*60=604800s)。

(四)參數(shù)設(shè)置:

1.發(fā)生器source的參數(shù)設(shè)置為服從正態(tài)分布，均值為50，方差為2。

2.操作器處理時間服從常數(shù)分布。

3.除了裝載廢品的暫存區(qū)最大容量為1000，其他暫存區(qū)最大容量均為100。

4.由于有來料檢驗環(huán)節(jié)，我假定來自原料倉庫的材料合格率為99%，所以在發(fā)生器的臨時實體流分頁中的送往端進(jìn)行設(shè)定。如圖4-5:

 

圖4-5  發(fā)生器參數(shù)設(shè)置圖

5.設(shè)定第一臺合成器操作之后實體顏色改為黃色，自定義顏色為(R=255，G=255，B=0)。

6.第一臺合成器設(shè)置:

 

圖4-6  合成器一設(shè)置圖

 

圖4-7合成器一參數(shù)設(shè)置圖

7.第二臺合成器處理過后顏色設(shè)置為白色，即(R=255，G=255，B=255)。

 

圖4-8 合成器二參數(shù)設(shè)置圖

第三節(jié) 模型運(yùn)行及其結(jié)果

一、仿真模型

由于本文的模型是以一周為一個模型周期的，因此我們用到Flexsim實驗控制器的這個功能，實驗控制器的參數(shù)設(shè)定如圖4-9:

 

圖4-9  實驗控制器設(shè)置圖

運(yùn)行中的模型截圖4-10。

 

圖4-10  運(yùn)行中的模型立體圖

仿真結(jié)束時間為604813.30s。

 

圖4-11  運(yùn)行中的模型俯視圖

該模型場景運(yùn)行五次之后，觀察的最終產(chǎn)量為860。如圖4-12:

 

圖4-12  最終產(chǎn)量圖

二、仿真結(jié)果

(一)板材處理器:

由于在該生產(chǎn)線仿真模型中，我們假設(shè)的原料供應(yīng)是得到充分保證的。如圖4-13所示，板材處理器基本上處于滿負(fù)荷狀態(tài)，即一直在進(jìn)行操作。

 

圖4-13 板材處理器狀態(tài)圖

(二)裁綿器:

從圖4-14可以看出裁綿器有大量空閑，空閑率超過50%。

 

圖4-14 裁綿器狀態(tài)圖

(三)皮料處理器:

皮料處理器利用率也不高，大部分時間還是處于空閑狀態(tài)。

 

圖4-15 皮料處理器狀態(tài)圖

(四)噴膠貼綿器:

噴膠貼綿器的工作效率也不高，處理率只有近50%，大部分時間都是在收集。有前面幾個操作器的狀態(tài)可知，由于板材操作器的工作時間過長，導(dǎo)致裁綿器已經(jīng)工作完成而它還沒有操作完成。此外，噴膠貼綿器又是要由板材操作器和裁綿器都工作完后才能將處理過后的材料進(jìn)行合成，所以它大部分時間都在等待經(jīng)板材操作器處理過后的材料。

   

圖4-16 噴膠貼綿器狀態(tài)圖

 

(五)成型安裝器:

成型安裝器的狀態(tài)和上一個噴膠貼綿器狀態(tài)相差不多，原因也相似。由于皮料處理器工作時間相對不是特別長，且工序只有一道，而噴膠貼綿器以及之前的操作不僅操作時間久，而且工序也有兩道，所以成型安裝器這里大部分時間都在等待噴膠處理過后的材料。皮料處理過后的材料也得閑置著，等待著進(jìn)行合并。

 

圖4-17 成型安裝器狀態(tài)圖

(六)包裝器:

由于成型安裝器那里大部分時間都在等待，所以會造成包裝器大部分時間都是空閑的，只有等待成型安裝器安裝完成之后才能進(jìn)行操作，所以利用率不高，空閑率過高。

 

圖4-18包裝器狀態(tài)圖

第四節(jié) 結(jié)果分析以及模型改造

一、結(jié)果分析

由上述狀態(tài)圖可以看出，由于板材操作器的處理時間相對于裁綿器和皮料處理器的時間過長，所以導(dǎo)致同一層次的裁綿器和皮料處理器的空閑時間太大，操作率不高。而且，由于板材操作器的處理時間過長，導(dǎo)致噴膠貼綿器的大部分時間都在等待它操作完成。連鎖反應(yīng)，最后的成型安裝器大部分時間久在等噴膠貼綿器操作結(jié)束。這樣以來，最后的包裝器大多時間都是空閑的。只有前一步驟的成型包裝器完成了之后它才運(yùn)作。

    因此，這條生產(chǎn)線的生產(chǎn)瓶頸就在板材操作器那里。由于生產(chǎn)時間過長，導(dǎo)致整條生產(chǎn)線的利用率不高。其他操作器空閑率過大，利用率很低，而且合成器的大部分時間都是在等待。因此，本文的模型改造主要對板材操作器進(jìn)行改造的。

下圖就可以看出裁綿器后的暫存區(qū)十分擁堵。 

圖4-19運(yùn)行中的模型圖

二、模型改造

針對上述的結(jié)果分析，本文對模型進(jìn)行以下改造:

(一)由于板材操作器是生產(chǎn)瓶頸，所以在模型中增加一臺同類型操作器。此外進(jìn)行技術(shù)革新，使其操作時間簡短，改造后每臺機(jī)器的操作時間為300s。

(二)在皮料處理器之后使用一跳傳送帶，并設(shè)定速度為1m/s。這樣就使得皮料處理完成之后不會馬上擁堵到暫存區(qū)。

模型改造后的立體圖如下:

 

圖4-20改造后的模型立體圖

改造后的模型運(yùn)行中的圖:

 

圖4-21改造后的模型運(yùn)行圖

模型運(yùn)行結(jié)果中各操作器的狀態(tài):

板材操作器1:

 

圖4-22改造后的板材操作器一的狀態(tài)圖

板材操作器2:

 

圖4-23改造后的板材操作器二的狀態(tài)圖

裁棉器:

 

圖4-24改造后的裁綿作器的狀態(tài)圖

皮料處理器:

 

圖4-25改造后的皮料器的狀態(tài)圖

噴膠貼綿器器:

 

圖4-26改造后的合成器一的狀態(tài)圖

成型安裝器:

 

圖4-27改造后的合成器二的狀態(tài)圖

包裝器:

 

圖4-28改造后的包裝器的狀態(tài)圖

最終產(chǎn)量:

 

圖4-29改造后的最終產(chǎn)量圖

三、 模型改進(jìn)后的分析

    從上面的狀態(tài)圖中可以發(fā)現(xiàn)，各操作器的操作率有明顯提高，并且最終產(chǎn)量提高了將近一倍。原先一次仿真結(jié)果產(chǎn)量為860。增加一臺板材處理器之后仿真后的產(chǎn)量為1586，產(chǎn)量增加了84.4%。這個結(jié)果十分理想。因此，在設(shè)備和人員方面增加投入，換來產(chǎn)量的飛速增長是很值得的。

改造前后的產(chǎn)量比較:

 

圖4-30改造前的最終產(chǎn)量圖

 

圖4-31改造后的最終產(chǎn)量圖

第五章 結(jié)論與展望

通過對中國圣奧有限公司的沙發(fā)制造車間的生產(chǎn)線調(diào)查，運(yùn)用Flexsim軟件進(jìn)行該生產(chǎn)線的模擬仿真，并設(shè)置參數(shù)，從最終的仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)線的不足。如板材處理器的生產(chǎn)瓶頸，經(jīng)過仔細(xì)分析，最終在板材處理該環(huán)節(jié)上提高其生產(chǎn)能力，即增加一臺板材處理器，分擔(dān)部分原材料，并且進(jìn)行技術(shù)革新，使得單板材處理環(huán)節(jié)的處理時間有所剪斷。改造后的模型運(yùn)行結(jié)果十分理想，不僅各個操作器的忙閑率有所提高，處理率增加了，空閑率降低了，最明顯的改進(jìn)結(jié)果就是其最終產(chǎn)量，由原先的860增加到1586，將近增加了一倍，表明使用仿真軟件能夠用方便的找出瓶頸，并且可以明顯的對比改造前后的結(jié)果。

實體制造企業(yè)的生產(chǎn)線是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)，其決 策變量十分多，并且一般不是單一目標(biāo)的系統(tǒng)，而是個多目標(biāo)的系統(tǒng)。此外，會有很多不定性因素，所以單純的數(shù)學(xué)方法很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確分析并且找出不足。因而對生產(chǎn)線的建模和仿真是必不可少的。Flexsim的特點就是三位可視化效果好，操作也比較簡便，實體類型豐富，數(shù)據(jù)選擇也比較齊全，對于生產(chǎn)線仿真十分適合。

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致 　謝

本學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師曹玉華老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。無論是從課題的選擇到論文的完成，都包含了曹老師的細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。完成論文所需的Flexsim軟件正是通過曹老師的幫助才得以使用，對于完成論文中實證部分起到了至關(guān)重要的作用。在論文的完成過程中，曹老師給予了我很多的指導(dǎo)，并指正了我在論文寫作過程的錯誤；在論文完成后，曹老師又幫助我查找了論文中出現(xiàn)的錯誤。在這里謹(jǐn)向曹老師致以最真誠的謝意和崇高的敬意。

篇6

關(guān)鍵詞：仿真計算機(jī)；實施網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：TP391.9

計算機(jī)技術(shù)自誕生之日距今已經(jīng)有六十多年來，經(jīng)過六十多年的快速發(fā)展，已經(jīng)以其實用性和便利性成為了生產(chǎn)生活中不可缺少的重要工具。三維視景仿真技術(shù)作為計算機(jī)技術(shù)中的重要類別，由于其具有較高的經(jīng)濟(jì)性、實用性等顯著特點而受到人們的普遍青睞。計算機(jī)仿真技術(shù)是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)，建立被仿真對象的系統(tǒng)模型，在一定的條件下對被仿真對象進(jìn)行動態(tài)實驗的一項高端、綜合性技術(shù)。人們可以利用這種實驗獲得盡量逼真的信息。根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，仿真計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了最為普遍的運(yùn)用，并且創(chuàng)造了虛擬現(xiàn)實這樣的流行詞匯。三維視景仿真技術(shù)在計算機(jī)仿真技術(shù)的全部技術(shù)應(yīng)用中占有很大的比例，其融合了圖片處理、多媒體、信息合成、顯示等最新的高端技術(shù)，具有非常強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用前景。

1 專用數(shù)字仿真計算機(jī)的特征

由于不同的反震計算機(jī)具有不同的內(nèi)存容量、接口、運(yùn)算速度等特點，因此，在半實物反正計算機(jī)系統(tǒng)中曾先后采用了模擬計算機(jī)、數(shù)?；旌嫌嬎銠C(jī)、專用數(shù)字仿真計算機(jī)等不同特性的仿真計算機(jī)。我國的YE―2和AD100等仿真計算機(jī)代表了當(dāng)前仿真計算機(jī)在國內(nèi)的最高水平，目前，已經(jīng)在精確制導(dǎo)武器等高、精、尖領(lǐng)域得到了十分普遍的應(yīng)用。

1.1 專用數(shù)字仿真計算機(jī)的特征。YE―2和AD100等兩類專用數(shù)字仿真計算機(jī)具有如下特征：一是在專用數(shù)字仿真計算機(jī)中運(yùn)用了異構(gòu)同步并行多處理機(jī)和廣播型數(shù)據(jù)總線的方式，從而提高了專用數(shù)字仿真計算機(jī)的存儲容量，從而提高了其運(yùn)行速度。二是專門為專用數(shù)字仿真計算機(jī)設(shè)計了仿真語言，此種仿真語言簡單、實用，編程簡便，并且在其中還增加了數(shù)值積分算法模板，提高了使用效率，三是接口形式的多樣化以及接口提取速度的穩(wěn)定性，都保證仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)無仿真計算機(jī)的無縫對接，使得技術(shù)的硬件系統(tǒng)的得到有效的保障。除此之外，其還存在著能夠為精確仿真計算幀時進(jìn)行定時的優(yōu)勢。

1.2 專用數(shù)字仿真計算機(jī)的缺陷。YE―2和AD100等兩類專用數(shù)字仿真計算機(jī)具有如下缺陷：一是數(shù)字接口技術(shù)還存在不足。專用數(shù)字仿真計算機(jī)能夠提供十分全面的接口，但這些接口基本還是使用了模擬量接口，數(shù)字接口儀可以適用的總線形式不多，同時，接口在傳輸速度和距離等多種方面存在不足的情形，不能很好地滿足專用數(shù)字仿真計算機(jī)的使用需求。二是維護(hù)起來不方便。由于該類型的專用數(shù)字計算機(jī)運(yùn)用了專門的設(shè)計構(gòu)造，因此，該類型的專用數(shù)字仿真計算機(jī)和一般的計算機(jī)存在比較大的區(qū)別，在進(jìn)行維護(hù)時，需要專門的熟悉該中計算機(jī)的人員進(jìn)行維護(hù)，一旦該計算機(jī)出現(xiàn)故障，需要維修，其所需要耗費(fèi)的時間較長，耗費(fèi)的費(fèi)用較大。因此，可能會對實驗的進(jìn)度造成不利的影響，需要予以注意。

1.3 仿真計算機(jī)的未來發(fā)展方向。專用數(shù)字仿真計算機(jī)在經(jīng)歷過一段發(fā)展后，由于其存在的缺陷較多，已經(jīng)無法完全滿足實際的需要。仿真控制設(shè)備以及管理中使用的計算機(jī)都具有形式多樣的應(yīng)用軟件和各種類型的接口。提高專用數(shù)字仿真計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找到一種新型的模式，使其既具有專用數(shù)字仿真計算機(jī)的優(yōu)勢，而且還能滿足高速實時數(shù)字接口的使用需要。當(dāng)然，這樣的需要也是航空精確制導(dǎo)武器中對仿真計算的需求，也是仿真計算機(jī)未來發(fā)展的方向。

2 仿真技術(shù)及實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

2.1 實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用。雖然高速接口形式比較多，可是仿真計算機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)用中還需要考慮信息共享，也就是多臺設(shè)備可以共享信息。比如，對于某個目標(biāo)信息而言，需要使用到特征信號生成設(shè)備、目標(biāo)移動仿真設(shè)備以及數(shù)據(jù)鏈傳輸仿真設(shè)備等。由于仿真計算機(jī)系統(tǒng)十分復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)信息的交換很多，因此，使得系統(tǒng)設(shè)備的規(guī)模比較大。由于仿真計算機(jī)信息處理上的上述特點，因此，傳統(tǒng)的點對點的接口形式不應(yīng)當(dāng)采用。但廣播式、網(wǎng)絡(luò)式等交互式接口形式可以滿足仿真計算機(jī)的上述特點和要求。對于精確制導(dǎo)武器中所運(yùn)用的半實物仿真系統(tǒng)而言，還要求各個信息節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)信息的同步更新，也就意味著，信息傳輸?shù)囊哂泻芨叩臅r效性，傳輸過程中盡量減少延遲。光纖反射內(nèi)存映射式實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也就是RT―net，通過研究分析，基本可以達(dá)到半實物仿真系統(tǒng)的要求。這種技術(shù)的特點是通過映射式的信息傳達(dá)技術(shù)，將信息節(jié)點中某一個節(jié)點的信息能夠自動映射到全部信息節(jié)點。因為映射的過程由硬件主導(dǎo)，系統(tǒng)信息傳輸?shù)难舆t較小。延遲較小也就意味著信息傳輸?shù)母咚傩裕簿湍軡M足信息同步跟新的需求。這種RT―net網(wǎng)絡(luò)通常具有兩種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第一種是環(huán)行拓?fù)?，第二種是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也就是通過由HUB實時連接的網(wǎng)絡(luò)。RT―net網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏我粋€信息節(jié)點的遲延較小，能夠滿足信息同步更新的要求。并且，假如其中一個信息節(jié)點出現(xiàn)故障，不會影響到其他節(jié)點的正常運(yùn)行。因此，這點使得運(yùn)用該種技術(shù)不需要讓所有的設(shè)備都開機(jī)。RT―net的運(yùn)行模式比較簡單，在分布式的仿真計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，接插一個RT―net卡在每一臺節(jié)點機(jī)上，再安裝相應(yīng)的驅(qū)動軟件，就可以讀寫數(shù)據(jù)了。當(dāng)數(shù)據(jù)被讀寫之后，RT―net卡將數(shù)據(jù)自動地傳輸?shù)狡渌惭b有RT―net的節(jié)點上。因此，有權(quán)限的訪問者，只需要訪問一個RT―net卡插接的節(jié)點即可。

2.2 仿真技術(shù)及和實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合應(yīng)用。專用數(shù)字仿真計算機(jī)被仿真工作站替換的可行性比較高，因為二者的軟件內(nèi)置大致相同，通過進(jìn)行軟件移植。實時網(wǎng)絡(luò)在仿真計算機(jī)信息系統(tǒng)的二次應(yīng)用和開發(fā)是仿真系統(tǒng)集成的關(guān)鍵所在，需要做如下的工作。一是做好仿真工作站與實時網(wǎng)絡(luò)接口形式的檢查；二是對仿真設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性修改以適應(yīng)控制計算機(jī)的配置和特性，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，如果有必要的，還應(yīng)當(dāng)對驅(qū)動卡、程序進(jìn)行相應(yīng)的更改，以簡化應(yīng)用開發(fā)的工作。三是建立共享存儲容量內(nèi)存分配表。因為需要對信息進(jìn)行實時共享，所以統(tǒng)一分配數(shù)據(jù)存儲地址，對于注冊信息、節(jié)點信息與狀態(tài)標(biāo)志、時鐘信息等進(jìn)行相關(guān)的規(guī)定。

3 新時期仿真計算機(jī)和實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

在進(jìn)行計算機(jī)的選型上不僅要考慮上仿真計算機(jī)的讀取速度和內(nèi)存容量，還要考慮到數(shù)字接口能力這一重要的選型要素。即要求所選的仿真計算機(jī)必須保證仿真系統(tǒng)對大量實時數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定性，另外，仿真計算機(jī)還應(yīng)該充分利用計算機(jī)實體本有的資源。在現(xiàn)如今，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展，我們必須時刻保證仿真技術(shù)信息的實時性，并且能夠及時的實現(xiàn)多設(shè)備信息的高度共享。新時期仿真計算機(jī)和實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，必將是沿著更加貼近實際，更加迅捷和實時的實現(xiàn)信息的處理和共享方向前行。

4 結(jié)束語

本論文主要通過首先分析研究目前的仿真技術(shù)中，專用數(shù)字仿真計算機(jī)的主要特征以及在實際的應(yīng)用過程中存在的缺陷和不足，并根據(jù)存在的漏洞，科學(xué)合理的指出了仿真計算機(jī)未來發(fā)展的方向，其次對當(dāng)前我國的實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)特點和現(xiàn)狀做了一定的分析和總結(jié)；最后簡要的介紹了如何實現(xiàn)仿真技術(shù)和實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在計算機(jī)中的綜合應(yīng)用。不難發(fā)現(xiàn)，隨著我國仿真技術(shù)和實時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在仿真計算機(jī)中的綜合應(yīng)用的不斷加強(qiáng)，仿真計算機(jī)的性能和效率將會進(jìn)一步得到提高，也將會具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

篇7

關(guān)鍵詞 虛擬樣機(jī) 建模 仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)歷了串、并行開發(fā)，到基于虛擬樣機(jī)的開發(fā)過程。而開發(fā)過程中解決多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機(jī)技術(shù)。它的設(shè)計開發(fā)涉及機(jī)械、可視化、協(xié)同仿真、數(shù)據(jù)庫等多個學(xué)科領(lǐng)域，它提供一種加快機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)程新的技術(shù)方法和支持環(huán)境。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概述

1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義

虛擬樣機(jī)是在CAD/CAM/CAE和物理樣機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它包含有所有產(chǎn)品的關(guān)鍵特征。

它是以一定關(guān)系模擬一個動態(tài)系統(tǒng)，在一個或多個領(lǐng)域模型上，依賴不同子系統(tǒng)的集成，采用計算機(jī)輔助的方法，以達(dá)到認(rèn)識現(xiàn)實或輔助設(shè)計的目的。

1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢和局限性

在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計中，若采用實物驗證的方法的傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計。首先是對產(chǎn)品進(jìn)行局部設(shè)計，加工出物理樣機(jī)，再進(jìn)行調(diào)試，再對其各種行為進(jìn)行評估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設(shè)計，然后再加工出新的樣機(jī)，如此反復(fù)評估直至滿足所需要求為止。

虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程與傳統(tǒng)設(shè)計步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機(jī)技術(shù)集合各個領(lǐng)域的理論和技術(shù)在計算機(jī)上直接進(jìn)行建模與仿真，它在產(chǎn)品設(shè)計階段，能夠?qū)Ξa(chǎn)品使用、制造、維護(hù)等行為進(jìn)行評估分析，優(yōu)化產(chǎn)品性能指標(biāo)，保證設(shè)計出來的產(chǎn)品能夠達(dá)到制造、使用和維護(hù)的要求，并且它的修改直接改變建模的數(shù)據(jù)即可。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢在于：縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本、實現(xiàn)資源共享。

但是，虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域太廣，技術(shù)復(fù)雜，給設(shè)計者提出了很高的要求，而且，對于一些復(fù)雜的問題的計算上無法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內(nèi)，所以技術(shù)本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發(fā)展。而且在對產(chǎn)品進(jìn)行建模時，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機(jī)始終無法取代物理樣機(jī)。①

1.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的支撐環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)

圖1 虛擬樣機(jī)支撐環(huán)境框架

虛擬樣機(jī)的開發(fā)和設(shè)計當(dāng)中，在每一個階段都涉及到多個領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，比如在產(chǎn)品設(shè)計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術(shù)和DFX技術(shù)，在產(chǎn)品特性分析階段涉及到機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)等相關(guān)技術(shù)，而在分析結(jié)果的時候又涉及到可視化技術(shù)和動畫技術(shù)。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)需要強(qiáng)大的支撐環(huán)境來保證這些相關(guān)技術(shù)的操作和相互之間的數(shù)據(jù)交流平臺，其所需要的支持環(huán)境框圖如圖1②所示

在這些支撐環(huán)境中，存在一些關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況直接影響著整個支撐環(huán)境的發(fā)展。比如多領(lǐng)域的協(xié)同仿真――“建模-仿真-評估/優(yōu)化”一體化平臺、高層建模技術(shù)、仿真模型庫構(gòu)建與管理技術(shù)以及分布式協(xié)同仿真技術(shù)等。

1.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)在美國、德國等一些發(fā)達(dá)國家早已被廣泛地應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，產(chǎn)品的涉及由簡單的照相機(jī)快門技術(shù)到龐大的工程機(jī)械技術(shù)，如John Deere 公司通過虛擬樣機(jī)技術(shù)找到了在重載下工程機(jī)械的自激振動問題的原因，并提出了改進(jìn)方案，這同樣在虛擬樣機(jī)上得到了驗證。

國外的虛擬樣機(jī)技術(shù)已走向商業(yè)化，美國機(jī)械動力學(xué)公司的機(jī)械系統(tǒng)自動動力學(xué)分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據(jù)了市場的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。

國內(nèi)的企業(yè)虛擬樣機(jī)技術(shù)主要是集成現(xiàn)成的國外軟件應(yīng)用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內(nèi)企業(yè)對國外軟件的依賴性強(qiáng)。有些單位會為了滿足設(shè)計分析的需要而采用對市場上現(xiàn)有軟件進(jìn)行二次開發(fā)。

2 虛擬樣機(jī)的模型建立

2.1 虛擬樣機(jī)的設(shè)計原理

作為研究動態(tài)系統(tǒng)行為的有效方法，虛擬樣機(jī)涉及幾何信息，同時虛擬樣機(jī)系統(tǒng)具有運(yùn)動模擬、操作模擬和動力學(xué)模擬等物理邊界條件，提供人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實三維場景的工具。其一般設(shè)計原理可歸結(jié)為如圖2所示。

圖2 虛擬樣機(jī)設(shè)計原理圖

2.2 機(jī)電產(chǎn)品的功能模型分析

影響此類機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計過程和設(shè)計方法是在功能邏輯上的構(gòu)成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機(jī)電一體化產(chǎn)品包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)電接口、運(yùn)動系統(tǒng)、計算機(jī)等多種電子、機(jī)械零部件。③

將機(jī)電一體化產(chǎn)品劃分為控制子系統(tǒng)、廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)、傳感及信息處理的是上海交通大學(xué)的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統(tǒng)論。如圖3所示：

圖3 機(jī)電系統(tǒng)的三子系統(tǒng)的組成及其關(guān)聯(lián)

圖4 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模步驟框圖

2.3 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模與求解

廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解和結(jié)果分析，其步驟如圖4所示。

幾何建模，主要是建立所設(shè)計虛擬樣機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導(dǎo)入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構(gòu)造，但有些軟件之間的相互導(dǎo)入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來實現(xiàn)無縫連接。⑤

物理建模，形成表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型，對幾何模型施加外力或外力矩、運(yùn)動學(xué)約束、力元（內(nèi)力）、驅(qū)動約束等物理模型要素。

數(shù)學(xué)建模，由物理模型組裝成系統(tǒng)運(yùn)動方程中的拉格朗日坐標(biāo)或笛卡爾坐標(biāo)建模方法創(chuàng)建各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

2.4 控制子系統(tǒng)的建模與求解

可以利用MATLAB建立控制模型。驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動通常有開環(huán)方式和閉環(huán)方式兩種，開環(huán)方式是在驅(qū)動器與執(zhí)行末端之間建立約束關(guān)聯(lián)，執(zhí)行末端為反向運(yùn)動學(xué)驅(qū)動；而閉環(huán)方式是以期望參考信號與傳感器探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較從而得到控制信號。連續(xù)――離散混合信號處理的運(yùn)動控制模型就是采用閉環(huán)控制方式。

2.5 協(xié)同建模

控制實現(xiàn)的多學(xué)科協(xié)同與多體動力學(xué)的建?？梢栽贏DAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導(dǎo)出ADAMS動力學(xué)模型，然后導(dǎo)出動力學(xué)模型到控制仿真環(huán)境最后構(gòu)建動力學(xué)一控制集成模型。

3 虛擬樣機(jī)的仿真實現(xiàn)

在建立共享的集成模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真運(yùn)行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥

3.1 基于ADAMS的方式

求解線性或非線性的結(jié)果在在ADAMS 環(huán)境中虛擬樣機(jī)控制子模型的共享模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。

3.2 基于MATLAB的方式

機(jī)械動力學(xué)解算通過在MATLAB 環(huán)境中植入的ADAMS 模塊控制運(yùn)用解算控制仿真軟件求解器，它們通過S函數(shù)（S-function）或狀態(tài)空間（state -space）進(jìn)行接口變量的聯(lián)系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時，可以觀察到虛擬樣機(jī)的三維仿真運(yùn)行動畫和生成仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件。

4 小結(jié)

虛擬樣機(jī)技術(shù)為機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計提供了一個支持環(huán)境和新的方法，它與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本，實現(xiàn)資源共享、提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。

整個虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵是虛擬樣機(jī)的仿真和實現(xiàn)，從單個領(lǐng)域的建模仿真到多個領(lǐng)域的協(xié)同仿真，從幾何建模到物理建模到數(shù)學(xué)建模到數(shù)值求解再到結(jié)果分析，這一系列的過程涉及到多個領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。因此，要做好虛擬樣機(jī)技術(shù)，一方面要依賴于其本身技術(shù)的發(fā)展，另一方面則要求設(shè)計者本身具備過硬的專業(yè)技術(shù)知識以及配置完備的團(tuán)隊。

參考文獻(xiàn)

① 李丹，李印川.虛擬樣機(jī)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀.機(jī)械，2008（6）總第35卷：2-3.

② 寧芊.機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究.四川大學(xué)博士畢業(yè)論文，2006：21-22.

③ B.Jung，M.Latoschik， I. Wachsmuth： Knowledge- Based Assembly Simulation for Virtual Prototype Modeling. IECON'98- Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， Vol. 4， IEEE，1998：2152-2157.

④ 鄒慧君等.機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的基本原理.機(jī)械設(shè)計與研究，1999.15（3）：14-17.

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【關(guān)鍵詞】信息化建設(shè)；任職教育；教學(xué)質(zhì)量

軍隊院校實現(xiàn)由學(xué)歷教育為主向任職教育為主的轉(zhuǎn)變，是軍隊院校教育進(jìn)入新的發(fā)展階段的必然選擇[1]。如何做好任職教育，培養(yǎng)出適應(yīng)部隊信息化建設(shè)的高素質(zhì)新型軍事人才，打好未來信息化戰(zhàn)爭，在任職教育中實施網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和構(gòu)建適合于任職教育的信息化教育體系結(jié)構(gòu)對于培養(yǎng)崗位任職需要的應(yīng)用型、復(fù)合型軍事指揮人才具有重要的現(xiàn)實意義。

一、任職教育對院校信息化建設(shè)的影響

我軍任職教育的突出特點是：教育模式突出崗位需要，內(nèi)容側(cè)重任職能力，方法多以研究探討，師資復(fù)合構(gòu)成，評價設(shè)置不同尺度，保障形式多樣[2]。任職教育則廣泛采用研究探討式教學(xué)方法，包括專題教學(xué)、案例教學(xué)、模擬教學(xué)、體驗教學(xué)、討論教學(xué)、課題研究等等。而信息技術(shù)在軍事教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使網(wǎng)上模擬對抗演練、遠(yuǎn)程教學(xué)、虛擬實驗和信息資源共享進(jìn)入到實戰(zhàn)階段。任職教育作為針對崗位的職業(yè)教育，其教學(xué)對象種類層次多，普遍具有起點高，針對性強(qiáng)，目的性更明確等特點，任職教育過程中，教員和學(xué)員對信息資源的需求呈現(xiàn)出多樣性、綜合性和時效性，因此，必須依賴網(wǎng)絡(luò)、信息資源和輔以多種媒體進(jìn)行各類模擬訓(xùn)練才能更好的促進(jìn)學(xué)員的學(xué)習(xí)。院校信息化建設(shè)和信息技術(shù)的運(yùn)用水平直接影響到任職教育質(zhì)量。

（一）任職教育加強(qiáng)校園網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)為任職教育搭起了現(xiàn)代化平臺。網(wǎng)絡(luò)具有信息容量大、傳播速度快、良好的交互性、較好的經(jīng)濟(jì)性和多媒體方式等特點，網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)作為一種新的作戰(zhàn)樣式已經(jīng)登上了戰(zhàn)爭舞臺。因此，最大限度地利用網(wǎng)絡(luò)資源，面向全體學(xué)員構(gòu)建互通的學(xué)習(xí)交流平臺，使各類教育信息資源得到最大限度的應(yīng)用。任職教育學(xué)員來自部隊各個不同崗位，一方面他們經(jīng)歷不同的工作環(huán)境和工作經(jīng)歷，很多人有著豐富的工作實踐經(jīng)驗；另一方面，作為在職接受繼續(xù)教育，他們是抱著更新知識、擴(kuò)大視野的目的前來學(xué)習(xí)的，任職教育網(wǎng)絡(luò)化對學(xué)員知識化、專業(yè)化的要求更加突出，尤其是熟練掌握計算機(jī)等設(shè)備的操作技能。因此，學(xué)員緊迫感增強(qiáng)，努力提高自身的綜合素質(zhì)，以適應(yīng)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)開展教學(xué)的需要。

（二）任職教育推進(jìn)信息資源建設(shè)。

在信息時代，我軍建設(shè)的信息化程度越來越高，對專業(yè)素質(zhì)的要求越來越強(qiáng)。任職教育針對崗位任職需要，要求信息資源具有指向性。任職教育的鮮明特點是要緊貼部隊實際，緊貼作戰(zhàn)任務(wù)，緊貼崗位任職需要，突出教學(xué)內(nèi)容的前瞻性、針對性和實用性。這種變化對教育信息資源建設(shè)提出了更高的要求，即教育信息資源要著眼于訓(xùn)練實際和軍事領(lǐng)域的最新發(fā)展成果，強(qiáng)調(diào)信息資源在選題上的特色和內(nèi)容上的連貫，結(jié)合任職教育學(xué)科建設(shè)、科研課題、學(xué)員拓寬知識面等多方面功能，開發(fā)體現(xiàn)特色且具有實用價值的有特色的本院專家、教員和學(xué)員教學(xué)科研成果數(shù)據(jù)庫、特色專題數(shù)據(jù)庫、文摘或全文數(shù)據(jù)庫，實時更新信息內(nèi)容，以增強(qiáng)任職教育的現(xiàn)實性和針對性。

（三）任職教育依賴虛擬現(xiàn)實技術(shù)

信息技術(shù)與軍事加快對接、新型武器裝備建設(shè)與運(yùn)用和新型作戰(zhàn)力量建設(shè)對戰(zhàn)爭形態(tài)、作戰(zhàn)方式的影響，構(gòu)建和創(chuàng)新信息化軍隊建設(shè)理論和信息化聯(lián)合作戰(zhàn)理論，為培養(yǎng)新型軍事人才提供理論支持[3]。任職教育的實踐教學(xué)中，實裝實習(xí)是培養(yǎng)和提高學(xué)員裝備實踐基本技能的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是由基于裝備理論向裝備實踐轉(zhuǎn)變的首要過程，對學(xué)員崗位綜合能力素質(zhì)形成發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于新裝備數(shù)量少，難以滿足新裝備實踐教學(xué)的需要，對于難以進(jìn)行實裝訓(xùn)練的實踐教學(xué)可利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行模擬訓(xùn)練，形象、逼真的操作環(huán)境，使學(xué)員能快速掌握新裝備的使用和維修。因此，院校虛擬實驗室建設(shè)的成敗影響著任職教育的教學(xué)質(zhì)量。

（四）任職教育促進(jìn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

現(xiàn)階段軍隊院校對于部隊的培訓(xùn)模式還處于電話支持、辦班培訓(xùn)、提供配套多媒體教材、文字教材等這些傳統(tǒng)的服務(wù)形式上面，實效性、精確性和透明度都無法得到保證。利用全軍軍事訓(xùn)練信息網(wǎng)建立一套遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)系統(tǒng)，為部隊提供在線學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，增加了為基層部隊提供服務(wù)的渠道，將院校任職教育范圍延伸到基層部隊。一是對基層部隊提供在線培訓(xùn)。由于院校、科研院所具有大量的專家型人才和資源，他們的知識和經(jīng)驗只能依靠傳統(tǒng)的教育培訓(xùn)模式，逐級進(jìn)行，無法快速有效的指導(dǎo)基層部隊實踐，利用全軍軍事訓(xùn)練信息網(wǎng)絡(luò)建立一套遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)體系，為全軍部隊提供虛擬仿真模擬訓(xùn)練以及多媒體資料庫為基礎(chǔ)的在線學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。二是指導(dǎo)基層部隊解決應(yīng)急和突發(fā)問題。基層部隊在訓(xùn)練中遇到突發(fā)問題、新裝備使用問題、亟待專家經(jīng)驗解決的問題而無法解決時，可用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)體系為部隊提供裝備的故障診斷服務(wù)，高清遠(yuǎn)程支援和專家會診，及時為部隊解決應(yīng)急和突發(fā)問題，保障部隊順利地完成訓(xùn)練任務(wù)，為提升部隊的戰(zhàn)斗力提供智力支持。

二、構(gòu)建適合于任職教育的信息化教育體系結(jié)構(gòu)

在任職教育中主要采用重點講授、專題研究、案例分析、模擬訓(xùn)練、實操實爆及部隊實踐等教學(xué)方法[4]。應(yīng)不斷完善信息服務(wù)職能，實現(xiàn)以提升任職教育需求為宗旨的網(wǎng)絡(luò)資源共享化、信息資源管理標(biāo)準(zhǔn)化和服務(wù)個性化，進(jìn)而提高任職教育教學(xué)質(zhì)量，提升戰(zhàn)斗力形成的效率。

（一）拓展網(wǎng)絡(luò)功能為任職教育服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的交互性和信息傳播空間的無限性，基于網(wǎng)絡(luò)的任職教育，沒有符合需要的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)開展任職教育就無從談起。加速校園網(wǎng)建設(shè)，拓展網(wǎng)絡(luò)功能有以下幾個方面的舉措：

1.提高網(wǎng)絡(luò)性能。提高網(wǎng)絡(luò)主干速度，暢通信息資源共享渠道；增設(shè)園區(qū)網(wǎng)信息點，為任職教育學(xué)員提供便利訪問；應(yīng)用虛擬存儲技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏡像、數(shù)據(jù)實時復(fù)制、數(shù)據(jù)及時恢復(fù)和數(shù)據(jù)備份功能，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行；防火墻、殺毒軟件、認(rèn)證技術(shù)、數(shù)據(jù)加密及防入侵等防御措施，保障網(wǎng)絡(luò)的安全不被侵犯。

2.網(wǎng)絡(luò)通訊工具廣泛應(yīng)用。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時代，使用論壇、Email、遠(yuǎn)程登錄、文件傳輸、討論組、博客及微博等等一系列雙向信息交流工具，就課程內(nèi)容與教師和其他同學(xué)進(jìn)行實時或異時在線交流。進(jìn)行網(wǎng)上教學(xué)與學(xué)習(xí)，學(xué)員在網(wǎng)絡(luò)上接授培訓(xùn)的過程中，既能根據(jù)自己的個別需要進(jìn)行個別化學(xué)習(xí)，還可以與其他學(xué)員進(jìn)行不受時空限制的交流和討論。集多方的智慧，可以拓展學(xué)習(xí)者自身的認(rèn)知能力，提出自己的問題，發(fā)表自己的看法，互相學(xué)習(xí)，共同提高，而且這種交流可以多次、隨時、隨地進(jìn)行，為協(xié)同自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造了更大的可操作性。

3.無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景良好，可以為廣大網(wǎng)絡(luò)用戶提供傳播速率更快、信息更全面的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。無線網(wǎng)絡(luò)不受地理位置的限制，具有無縫覆蓋、易擴(kuò)展性、靈活性、和低維護(hù)費(fèi)用的特點，其在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，無線終端在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何角落都可以接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)，任職教育將成為無線網(wǎng)絡(luò)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.構(gòu)建云。教育云，可以被理解為“云計算在教育中的應(yīng)用”，教育云服務(wù)是以智能開放架構(gòu)和云計算平臺為基礎(chǔ)，通過深度集成整合各種資源、平臺和應(yīng)用，按需向用戶提供各類服務(wù)，滿足教育用戶的需求。伴隨著智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的發(fā)展，能夠有效支撐下一代數(shù)字化教育環(huán)境的“智慧教育云服務(wù)”也將得到進(jìn)一步的發(fā)展。教育云服務(wù)正逐步走向我們，任職教育必將進(jìn)入一個全新的“云”階段。

（二）建設(shè)適合于任職教育的信息資源

1.積極開發(fā)特色信息資源。軍隊院校任職教育教學(xué)有其自身的特點和規(guī)律，結(jié)合任職教育學(xué)科建設(shè)、科研課題、學(xué)員拓寬知識面等多方面功能，開發(fā)體現(xiàn)特色且具有實用價值的有特色的信息資源。開發(fā)建設(shè)學(xué)科專業(yè)網(wǎng)站群、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)、專業(yè)數(shù)據(jù)庫及多媒體網(wǎng)絡(luò)課件，院校專家、教員和學(xué)員教學(xué)科研成果數(shù)據(jù)庫、特色專題數(shù)據(jù)庫、文摘或全文數(shù)據(jù)庫等，并注重信息資源的連續(xù)性和系統(tǒng)性。尤其是任職教育教學(xué)改革中涌現(xiàn)出的優(yōu)秀教學(xué)成果，包括對優(yōu)質(zhì)課比賽等活動進(jìn)行全程錄像并制成數(shù)字化教材，使其成為再生教學(xué)信息資源。對于任職教育教學(xué)中的難點、熱點課題，應(yīng)組織專職人員設(shè)計與開發(fā)、制作適應(yīng)教學(xué)需要的課件、多媒體教材、電視片、網(wǎng)絡(luò)課程等，利用授課系統(tǒng)，同步或異步進(jìn)行視頻廣播或錄播教學(xué)。

2.加強(qiáng)數(shù)字圖書館建設(shè)。在開發(fā)教育信息資源的過程中，根據(jù)所承擔(dān)的任職教育任務(wù)，根據(jù)任職培訓(xùn)的信息需求，有針對性地采集訂購各種正規(guī)的電子出版物，對館藏圖書、教材、期刊、報紙、學(xué)位論文、會議論文、科技報告、戰(zhàn)例案例和特定領(lǐng)域內(nèi)的信息資源進(jìn)行分類、分系統(tǒng)挖掘，并進(jìn)行有序加工和整理，編制成相應(yīng)的電子圖書、述評、綜述等?；ヂ?lián)網(wǎng)和軍網(wǎng)上有眾多的教育網(wǎng)站及部隊院校專業(yè)教學(xué)網(wǎng)站，資源十分豐富，收（下轉(zhuǎn)第178頁）（上接第169頁）集和整理這些資源，將其導(dǎo)入教育信息資源庫，還要關(guān)注各類媒體的相關(guān)信息，對互聯(lián)網(wǎng)資源、廣播電臺和電視上的有價值信息進(jìn)行剪貼掃描、錄音錄像，加以數(shù)字化處理后輸入教育信息資源庫。

3.加強(qiáng)信息素質(zhì)培養(yǎng)。未來的戰(zhàn)爭是信息化戰(zhàn)爭，軍事斗爭準(zhǔn)備的緊迫性要求我軍急需充實打贏未來信息化戰(zhàn)爭的專門人才，我軍任職教育必然要在滿足信息素質(zhì)教育、加快信息人才培養(yǎng)上下功夫。這種信息素質(zhì)主要包括信息意識、信息知識和信息能力。任職教育中，學(xué)員希望能快速、方便、準(zhǔn)確地獲得所關(guān)心領(lǐng)域內(nèi)的知識信息，尤其是最新動態(tài)，因此開設(shè)專題講座、進(jìn)行計算機(jī)技術(shù)培訓(xùn)和數(shù)據(jù)庫檢索系統(tǒng)原理使用介紹，采取啟發(fā)式、討論式、研究式教學(xué)，堅持講課與實踐并重的原則，提高學(xué)員獨(dú)立思考問題和解決問題的能力；開設(shè)文獻(xiàn)檢索課，使學(xué)員受到信息意識、信息獲取和信息利用技能的教育，掌握分類檢索、題名檢索和著者檢索等文獻(xiàn)檢索的途徑，掌握各類館藏文獻(xiàn)的利用方法及最基本的信息獲取技能，能夠快速判斷信息需求、正確評價檢索策略、考察信息的有效性和價值，使他們成為信息獲取的主動者，提高運(yùn)用信息、利用信息的技能。

（三）構(gòu)建模擬系統(tǒng)，加強(qiáng)虛擬仿真訓(xùn)練

通過虛擬仿真這種可視化的人機(jī)交互式界面，把枯燥的知識美觀、形象、逼真的表現(xiàn)出來，大大激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣，把原來老師的滿堂灌輸轉(zhuǎn)化成以學(xué)生為主體的模式，耳聽為“虛”，眼見為“實”。虛擬仿真技術(shù)不依賴于設(shè)備實物，依靠計算機(jī)所模擬的在功能、性能、界面上等效的虛擬裝備實現(xiàn)，還可以解決教學(xué)過程中采用實物仿真、半實物仿真所無法或很難實現(xiàn)的大量設(shè)備、協(xié)調(diào)關(guān)系等問題，可以逼真地模擬設(shè)備的操作、工作及周圍環(huán)境，通過可視化的虛擬場景完全模擬實機(jī)、實景操作。虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到了數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)及建模等多方面的信息技術(shù)，教學(xué)過程中信息技術(shù)的全面應(yīng)用，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，必將帶來任職教育教學(xué)方式的改革，同時也給每一位教師帶來了挑戰(zhàn)。教師要不斷地學(xué)習(xí)，正確選擇、熟練掌握虛擬仿真技術(shù)，推動教學(xué)改革的不斷向前發(fā)展。

借助飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合專業(yè)的教學(xué)方式，建立“模擬演練系統(tǒng)”。加大模擬器材研制力度，加強(qiáng)系列模擬訓(xùn)練軟件開發(fā)，設(shè)計制作更多的網(wǎng)絡(luò)虛擬任職崗位、工作訓(xùn)練環(huán)境，展現(xiàn)平日教學(xué)活動的模擬狀態(tài)，可以實現(xiàn)實際工作崗位的預(yù)任訓(xùn)練，達(dá)到真人實戰(zhàn)的效果。學(xué)員通過網(wǎng)絡(luò)操作，能夠更好的掌握任職技能，在理論教學(xué)和實踐訓(xùn)練配套進(jìn)行下不斷提升教學(xué)訓(xùn)練效益，提高任職水平，擴(kuò)大教育覆蓋面。另一方面也大大降低了任職教育院校提供教學(xué)活動場地、設(shè)備的經(jīng)費(fèi)，節(jié)省了教育時間。

（四）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)綜合服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)上訓(xùn)練和遠(yuǎn)程服務(wù)

網(wǎng)上教學(xué)是以網(wǎng)絡(luò)為橋梁，跨越時間和空間上的距離，突破傳統(tǒng)面對面課堂教學(xué)方式的限制，將授課課堂由教室延伸到網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的任何一個場所的一種新的教學(xué)模式。以全軍軍事訓(xùn)練信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為平臺，建立智能故障診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程支援系統(tǒng)、自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)三個子系統(tǒng)，用戶可以隨時通過網(wǎng)絡(luò)選擇使用相應(yīng)的系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，雖然教育者和被教育者都在異地，但如同在現(xiàn)場一樣，充分拓展了教育空間。應(yīng)用多媒體網(wǎng)絡(luò)教室和虛擬仿真實驗室，使得不同地域用戶均能使用快速故障診斷、實時動態(tài)模擬故障仿真、遠(yuǎn)程視頻支援、遠(yuǎn)程專家會診、虛擬仿真訓(xùn)練、自主學(xué)習(xí)等各項服務(wù)，從而擴(kuò)大實踐教學(xué)的范圍，提高實踐教學(xué)能力。

三、結(jié)語

在現(xiàn)代打贏信息化戰(zhàn)爭和教育高度信息化的時代背景下，如何適應(yīng)任職教育需要，全面提高教學(xué)保障水平，院校信息化建設(shè)情況及信息技術(shù)的應(yīng)用水平對任職教育實踐教學(xué)將產(chǎn)生越來越重要的影響，搞好網(wǎng)絡(luò)及及信息資源建設(shè)，完善網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)，提高虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用水平，必將對任職教育的發(fā)展起到強(qiáng)有力的推動作用。

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作者簡介：

劉保成（1961—），男，河南信陽人，大學(xué)本科，學(xué)士，副教授，現(xiàn)供職于軍械工程學(xué)院遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育處。

篇9

關(guān)鍵詞：虛擬制造；表面組裝技術(shù)SMT；可視化仿真

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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虛擬制造

1.1 虛擬制造

虛擬制造（Virtual Manufacturing，VM）是實際制造在計算機(jī)上的本質(zhì)實現(xiàn)，即采用計算機(jī)建模與仿真技術(shù)，在高性能計算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計算機(jī)上群組協(xié)同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現(xiàn)實，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強(qiáng)制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造是對已有或未來的制造活動進(jìn)行仿真，它基本上不消耗現(xiàn)實物質(zhì)資源，所進(jìn)行的過程是虛擬過程，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的。

VM技術(shù)是一個龐大、復(fù)雜的新興學(xué)科領(lǐng)域，其中涉及到計算機(jī)軟件技術(shù)、動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、工廠的建模與仿真技術(shù)、并行工程等領(lǐng)域，如圖1所示。從提出到現(xiàn)在的幾十年間，VM技術(shù)的研究取得了很多成果。在國外，VM單一目標(biāo)技術(shù)和系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于幾十家頂級的汽車制造、航空、重工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)公司的某些部門，而且已經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用，表明了VM技術(shù)的潛力。

在國內(nèi)，虛擬制造技術(shù)方面的研究只是剛剛起步，其研究也多數(shù)是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真等基礎(chǔ)上進(jìn)行的，目前主要集中在虛擬制造技術(shù)的理論研究和實施技術(shù)準(zhǔn)備階段，系統(tǒng)地研究尚處于國外虛擬制造技術(shù)的消化和國內(nèi)環(huán)境的結(jié)合上。清華大學(xué)CIMS工程研究中心虛擬制造研究室是國內(nèi)最早開展虛擬制造研究的機(jī)構(gòu)之一，主要進(jìn)行了虛擬設(shè)計環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實、虛擬機(jī)床、虛擬汽車訓(xùn)練系統(tǒng)等方面的研究；浙江大學(xué)進(jìn)行了分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)、VR工作臺、虛擬產(chǎn)品裝配等研究；西安交大和北航進(jìn)行了遠(yuǎn)程智能協(xié)同設(shè)計研究；西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的研究。國內(nèi)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建模技術(shù)、仿真技術(shù)、信息技術(shù)、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等單元技術(shù)方面的研究都很活躍，但研究的進(jìn)展和研究的深度還屬于初期階段，與國際的研究水平尚有很大的差距。我國的研究多集中于高等院校和少量的研究所，企業(yè)和公司介入的較少。

圖1 虛擬制造

Fig.1 Virtual Manufacturing

1.2 SMT虛擬制造系統(tǒng)

在微電子組裝和制造業(yè)，元器件不斷的向微型化和密集化方向發(fā)展。表面貼裝技術(shù)（Surface Mounting Technology，SMT）是應(yīng)用最為廣泛的新一代的電子組裝技術(shù)，它直接將元件無導(dǎo)線的貼裝在PCB基板上，取代了傳統(tǒng)的插孔元件安裝、導(dǎo)線連接。表面貼裝技術(shù)可以使元器件體積更小、安裝密度更大、提高可靠性和生產(chǎn)自動化程度。貼片元件的體積和重量只有傳統(tǒng)插裝元件的1/10左右，一般采用SMT之后，電子產(chǎn)品體積縮小40%～60%，重量減輕60%～80%。

在電子產(chǎn)品組裝生產(chǎn)的傳統(tǒng)模式中，設(shè)計一般是由設(shè)計工程師在計算機(jī)上利用多種計算機(jī)輔助設(shè)計工具來完成，生產(chǎn)制造則在各種數(shù)控設(shè)備(如貼裝機(jī)等)上完成。每一種產(chǎn)品在加工之前，制造工程師首先必須對數(shù)控設(shè)備編程并反復(fù)試驗，以確保操作規(guī)程的可行性和正確性，然后進(jìn)行試生產(chǎn)，反復(fù)修改直到最后定型，再投入實際的批量生產(chǎn)。生產(chǎn)準(zhǔn)備時間很長，投入資金很大。事實上，SMT生產(chǎn)線中數(shù)控設(shè)備編程所需的大多數(shù)數(shù)據(jù)完全可以從CAD系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)文件中獲取，例如元件在PCB上的坐標(biāo)位置、角度、物理特征參數(shù)等。這些數(shù)據(jù)量很大，也比較零亂，有些特征數(shù)據(jù)是不同數(shù)控設(shè)備都需要的，如貼裝機(jī)、點膠機(jī)、在線測試設(shè)備均需要元件在PCB上的坐標(biāo)位置，而實際中設(shè)計部門和制造部門卻很少相互了解需求，許多信息不能共享，在企業(yè)間往往形成了兩個“自動化孤島”。隨著市場競爭的加劇，產(chǎn)品交貨周期必須縮短，生產(chǎn)成本必須控制，因此迫切需要在這兩個“孤島”間建立聯(lián)系，虛擬制造被認(rèn)為是其最好的解決方案。

2000年之后一部分高校開始在電子實踐教學(xué)中增加SMT教學(xué)內(nèi)容，大部分專職院校設(shè)立SMT電子制造工程專業(yè)，但無實驗設(shè)備和條件，即使己購買SMT生產(chǎn)線的，也無資金或產(chǎn)品開動生產(chǎn)線。SMT虛擬制造系統(tǒng)中關(guān)健設(shè)備的虛擬樣機(jī)，便于教學(xué)，同時便于企業(yè)員工職業(yè)培訓(xùn)。

SMT虛擬制造系統(tǒng)就是在計算機(jī)支持下，以仿真技術(shù)為前提，建立功能強(qiáng)大的虛擬制造環(huán)境，對PCB設(shè)計、組裝等生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一建模。在PCB設(shè)計階段或組裝之前，就能實時、并行地模擬出其未來組裝全過程及對設(shè)計的影響，預(yù)測PCB組裝的性能、成本和可制造性，從而有助于更有效、更經(jīng)濟(jì)靈活地組織生產(chǎn)，使工廠和車間的資源得到合理配置，使生產(chǎn)布局更合理、更有效，以達(dá)到開發(fā)周期和成本的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化之目的。

2 SMT虛擬制造系統(tǒng)設(shè)計

采用虛擬制造技術(shù)，開發(fā)出“先進(jìn)電子SMT虛擬制造系統(tǒng)SMT-VM2011”，在電子SMT設(shè)計和制造“孤島”間建立聯(lián)系，將PCB設(shè)計、SMT生產(chǎn)線工藝設(shè)計、關(guān)健SMT設(shè)備編程、加工過程可視化仿真和可制造性評價系統(tǒng)集成，在計算機(jī)上以直觀、生動、精確的方式模擬出先進(jìn)電子SMT制造技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)組裝對象不同，SMT有多種工藝流程，一般單面組裝的典型工藝流程為：上料涂布(上焊膏或點膠)貼片再流焊清洗測試下料。SMT生產(chǎn)線如圖2所示，主要由自動上板機(jī)、自動絲網(wǎng)印刷機(jī)或自動點膠機(jī)、自動貼片(裝)機(jī)、自動焊接爐、自動清洗機(jī)、在線測試機(jī)和AOI測試機(jī)、自動下板機(jī)等自動化組裝和測試設(shè)備組成。

圖2 SMT生產(chǎn)線

Fig.2 SMT Production Line

2.1.1系統(tǒng)組成

SMT虛擬制造系統(tǒng)組成如圖3所示，主界面如圖4所示，將兩個“孤島” ――SMT設(shè)計和制造集成, 主要包括:

圖3 SMT虛擬制造系統(tǒng)組成

Fig.3 SMT VM System

圖4 主界面

Fig.4 Main window

1）PCB設(shè)計虛擬制造系統(tǒng)

2）SMT生產(chǎn)線工藝流程設(shè)計

3）關(guān)健SMT設(shè)備虛擬編程，主要包括：絲網(wǎng)印刷機(jī)、點膠機(jī)、貼片機(jī)、回流爐、波峰焊、AOI測試機(jī)。

4）關(guān)健SMT設(shè)備加工過程可視化仿真，主要包括：絲網(wǎng)印刷機(jī)、點膠機(jī)、貼片機(jī)、回流爐、波峰焊、AOI測試機(jī)。

5）可制造性評價

（1）電子產(chǎn)品PCB設(shè)計與制造

根椐用戶設(shè)計的EDA（Protel、Mentor、OrCAD…）電路PCB文件，自動檢測出用戶設(shè)計的EDA電路的錯誤；

能3D可視化直觀顯示EDA設(shè)計的PCB板組裝后的情況（基板、器件、焊膏、焊點、膠點），如圖5所示；

圖5 PCB設(shè)計靜態(tài)仿真Fig.5 PCB Static simulation

模擬PCB標(biāo)號Mark點示教和PCB貼片過程，并進(jìn)行貼片程序順序優(yōu)化；

根據(jù)所設(shè)計的PCB板的結(jié)構(gòu)，設(shè)計SMT生產(chǎn)線工藝流程和參數(shù)，3D動畫顯示SMT生產(chǎn)線工藝流程；

在PCB設(shè)計和制造“孤島”間建立聯(lián)系，在最短時間內(nèi)為EDA最優(yōu)設(shè)計提供直觀依據(jù)，效率高， 成本低。

（2）電子SMT設(shè)計與制造

SMT關(guān)鍵設(shè)備包括：絲印機(jī)、點膠機(jī)、貼片機(jī)、回流爐、波峰

2.1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)功能

SMT-VM2011系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，非常適合高校高職教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)，不僅使用戶進(jìn)一步掌握EDA電路設(shè)計技術(shù)，更使用戶掌握SMT組裝技術(shù)和各種世界著名公司SMT關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)。SMT-VM2011性能優(yōu)，功能強(qiáng)，交互性強(qiáng)，操作性好，興趣性高，徹底改變了傳統(tǒng)的一把烙鐵學(xué)電子的局面。焊，件機(jī)，AOI測試機(jī)，API測試機(jī)；

讀入EDA設(shè)計的PCB文件，進(jìn)行國際市場上主流SMT機(jī)型的摸擬編程（Yamaha、Fuji、Seimens、Panasonic、MPM、DEK、GKG、Heller、EASA、ANDA、Aleader、VATA……）；

SMT關(guān)鍵設(shè)備靜態(tài)仿真，可縮放、旋轉(zhuǎn)、平移；

按照摸擬編程CAM程序，自動進(jìn)行SMT關(guān)鍵設(shè)備工作過程3D模擬仿真；

可進(jìn)行制造性分析，在3D仿真過程中對模擬編程的錯誤進(jìn)行檢測；

在SMT關(guān)鍵設(shè)備編程設(shè)計和制造之間建立聯(lián)系，將SMT關(guān)鍵設(shè)備的貼片過程在計算機(jī)上以直觀、生動、精確的方式呈現(xiàn)出來，取代傳統(tǒng)的試機(jī)過程，縮短開發(fā)周期、降低成本、提高生產(chǎn)效率。

2.2 貼片機(jī)虛擬制造系統(tǒng)

貼片機(jī)虛擬制造編程系統(tǒng)的主界面如圖6所示，自動進(jìn)行貼片機(jī)工作過程3D模擬仿真如圖7所示。貼片機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括：模擬編程模塊、貼片機(jī)3D仿真模塊、貼片程序優(yōu)化模塊和貼裝數(shù)據(jù)庫模塊，系統(tǒng)先對貼片機(jī)機(jī)型進(jìn)行模擬編程，讀入EDA設(shè)計文件，自動生成貼裝順序程序文件，并將數(shù)據(jù)輸入到貼裝數(shù)據(jù)庫中；再在VC++6.0環(huán)境下采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和OpenGL技術(shù)，按貼片機(jī)類型自動進(jìn)行3D機(jī)構(gòu)組裝3D仿真；最后設(shè)計生成最優(yōu)化程序。

3 SMT教學(xué)培訓(xùn)課程和實驗室建設(shè)

SMT教學(xué)培訓(xùn)課程教學(xué)培訓(xùn)大綱如表2所示。

（1）電子產(chǎn)品EDA設(shè)計的PCB虛擬制造實驗，學(xué)時20 h。

圖6 貼片機(jī)虛擬制造編程系統(tǒng)Fig.6 The placing VM system

圖7 貼片機(jī)工作過程3D模擬仿真Fig.7 The placing 3D simulation

目的：該實驗在電子設(shè)計和制造“孤島”間建立聯(lián)系，在最短時間內(nèi)為EDA最優(yōu)設(shè)計的數(shù)據(jù)修改提供直觀依據(jù)，以達(dá)到開發(fā)周期和成本的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化之目的。不僅使學(xué)生進(jìn)一步掌握EDA電路設(shè)計技術(shù)，更使學(xué)生了解電子產(chǎn)品PCB電路板是如何制造出來的。

圖8 貼片機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)

Fig.6 The frame of placing softwere

內(nèi)容：根椐學(xué)生設(shè)計的EDA電路PCB板圖，能自動檢測出學(xué)生設(shè)計的EDA電路的錯誤，包括電路設(shè)計錯誤和可制造性錯誤，能3D可視化直觀顯示EDA設(shè)計的PCB板的布局和SMT組裝生產(chǎn)后的PCB情況；并且，模擬PCB板的SMT制造過程，設(shè)計SMT生產(chǎn)線工藝流程和參數(shù)，3D動畫顯示SMT生產(chǎn)線工藝流程。

（2）電子SMT制造生產(chǎn)線虛擬制造實驗，學(xué)時30小時。

目的：讓學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的EDA電路PCB板，設(shè)計SMT關(guān)鍵設(shè)備的CAM程序，并且自動3D動畫模擬所設(shè)計的CAM程序驅(qū)動的設(shè)備工作過程，能實時、并行地模擬出其未來組裝全過程及對設(shè)計的影響，預(yù)測PCB組裝的性能、成本和可制造性。使學(xué)生掌握SMT組裝技術(shù)和各種世界著名公司SMT關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)。使學(xué)生了解和掌握現(xiàn)代先進(jìn)電子大制造技術(shù)，徹底改變了傳統(tǒng)的一把烙鐵學(xué)電子的局面。

內(nèi)容：首先讀入EDA設(shè)計的PCB文件，進(jìn)行國際市場上主流機(jī)型的SMT關(guān)鍵設(shè)備的摸擬編程，SMT關(guān)鍵設(shè)備包括：絲印機(jī)、點膠機(jī)、貼片機(jī)、回流爐、波峰焊和AOI測試機(jī)；最后按照摸擬編程CAM程序，自動進(jìn)行SMT關(guān)鍵設(shè)備機(jī)構(gòu)工作過程3D模擬仿真，并可進(jìn)行制造性分析。

（3）先進(jìn)電子制造創(chuàng)新開發(fā)實驗，學(xué)時30小時。

目的：在“電子SMT虛擬制造系統(tǒng)SMT-VM2011” 平臺上，進(jìn)行針對個性化實驗、SRTP（科研創(chuàng)新實驗）、國家創(chuàng)新實驗、電子競賽、本科生畢業(yè)設(shè)計、研究生畢業(yè)論文等的開發(fā)實驗。使學(xué)生了解和掌握國際現(xiàn)代電子制造的軟件、控制和電子等最先進(jìn)技術(shù)。

內(nèi)容：開發(fā)世界著名公司SMT關(guān)鍵設(shè)備CAM編程軟件和3D仿真軟件、世界著名公司IC關(guān)鍵設(shè)備CAM編程軟件和3D仿真軟件、軌道交通電氣自動化虛擬制造系統(tǒng)等。

4 結(jié)論

SMT-VM2011非常適合高校高職教學(xué)和企業(yè)培訓(xùn)，不僅使用戶進(jìn)一步掌握EDA電路設(shè)計技術(shù)，更使用戶掌握SMT組裝技術(shù)和各種世界著名公司SMT關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)。SMTVM2012性能優(yōu)，功能強(qiáng)，交互性強(qiáng)，操作性好，興趣性高，徹底改變了傳統(tǒng)的一把烙鐵學(xué)電子的局面。

參考文獻(xiàn)

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[3] 龍緒明主編. 先進(jìn)電子制造技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2010.10.

篇10

關(guān)鍵詞：仿真模擬；自然環(huán)境建模；金字塔模型研究

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 11-0000-02

軍事仿真在不同的角度上有不同的定位，主要包括作戰(zhàn)仿真和裝備仿真兩部分。作戰(zhàn)仿真可以分為戰(zhàn)略仿真、戰(zhàn)役仿真、戰(zhàn)術(shù)仿真和技術(shù)仿真四個層次，作戰(zhàn)仿真主要用于測試仿真、分析仿真和訓(xùn)練仿真三方面。訓(xùn)練仿真指的是用于士兵對作戰(zhàn)裝備操作能力的訓(xùn)練和對各個指揮員對逼真的戰(zhàn)場情況的分析、決策以指揮作戰(zhàn)的訓(xùn)練；測試仿真指的是驗證裝備的作戰(zhàn)功能，對武器裝備的發(fā)展情況進(jìn)行評估及對對新型武器先進(jìn)功能的演示。軍事作戰(zhàn)具有突發(fā)性、多變性和不確定性等特點，屬于一項復(fù)雜的綜合性的系統(tǒng)。如果單一的進(jìn)行理論上的研究和學(xué)習(xí)可能出現(xiàn)作戰(zhàn)人員理論和實踐相脫節(jié)的情況，影響實際作戰(zhàn)中的發(fā)揮；反之，頻繁地進(jìn)行軍事演習(xí)又受到耗資巨大，受時、地條件限制等，只能少量的進(jìn)行。軍事仿真演習(xí)就是在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的。本文主要就軍事仿真的幾項技術(shù)進(jìn)行簡單的闡述，包括綜合自然環(huán)境建模、多分辨率虛擬地形環(huán)境的金字塔模型、多分辨率模型等方面進(jìn)行分析。

一、綜合自然環(huán)境建模

（一）綜合自然環(huán)境建模的發(fā)展現(xiàn)狀

綜合自然環(huán)境的建模指的是包括海、陸、空在內(nèi)的整個自然大環(huán)境中的數(shù)據(jù)、模型等的較為完整和權(quán)威的數(shù)據(jù)描述，進(jìn)行綜合自然環(huán)境建模的主要目的就是為軍事仿真提供可靠、權(quán)威、完整的自然環(huán)境數(shù)據(jù)和模型，滿足雷達(dá)、紅外以及CGF等的仿真需求。綜合自然環(huán)境的建模經(jīng)歷了兩個階段，第一個階段是從上世紀(jì)八十年代初期到就是年代中期的原始技術(shù)積累階段，第二個階段是從九十年代中期至今先進(jìn)技術(shù)形成階段，原始技術(shù)積累階段的研究成果主要集中在可視化仿真、地形數(shù)據(jù)庫和動態(tài)地形仿真等方面，先進(jìn)技術(shù)形成階段的主要研究成果主要包括動態(tài)自然環(huán)境的仿真以及綜合自然環(huán)境的表示、交換、自動生成和重用等方面的技術(shù)、工具和方法。發(fā)展到現(xiàn)在，綜合自然環(huán)境建模研究的重點和難點在于綜合自然環(huán)境建模和仿真的統(tǒng)一性和合理性。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟及其廣泛的推廣和使用，綜合自然環(huán)境建模逐漸成為國防軍事化發(fā)展的必然要求，成為獲得和提高建模和仿真的可行性的關(guān)鍵點。具體表現(xiàn)為北約和美國國防部已經(jīng)將獲得權(quán)威的綜合自然環(huán)境描述和表示列為國防、軍事建模的主要目標(biāo)之一。

（二）綜合自然環(huán)境建模和仿真的關(guān)鍵技術(shù)

模型、數(shù)據(jù)和仿真是綜合自然環(huán)境建模和仿真的主要內(nèi)容，進(jìn)行綜合自然環(huán)境建模的基本原理是將數(shù)據(jù)和模型分離、綜合自然環(huán)境和軍事系統(tǒng)模型分離，并通過數(shù)據(jù)流的聯(lián)結(jié)來驅(qū)動軍事仿真。為了實現(xiàn)高仿真性的目標(biāo)，需要做好綜合自然環(huán)境的多分辨率及多表示技術(shù)、動態(tài)自然環(huán)境的仿真等。

1.環(huán)境數(shù)據(jù)模型的建立。環(huán)境數(shù)據(jù)模型是用來在C4ISR系統(tǒng)或者建模與仿真系統(tǒng)中搜集、刻畫和定義綜合自然環(huán)境的。做好此方面的工作首先要有公共的數(shù)據(jù)語義、規(guī)范的數(shù)據(jù)模式和以任務(wù)為核心的工具集，以便通過公共數(shù)據(jù)模型的框架來建立和維護(hù)不同的環(huán)境數(shù)據(jù)模型。

2.綜合自然環(huán)境的表示和交換。綜合自然環(huán)境的仿真往往要將復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)整合在一起，在整理的過程中不可避免的會產(chǎn)生時間耗費(fèi)、成本投入等基本問題，這些問題的可能后果就是數(shù)據(jù)紊亂，缺乏可信度。解決這一問題的關(guān)鍵就在于制定科學(xué)有效地數(shù)據(jù)表示方法和無損的數(shù)據(jù)交換技術(shù)。

3.動態(tài)自然環(huán)境仿真。動態(tài)性是綜合自然環(huán)境最本質(zhì)、最顯著的特性之一，為滿足高仿真的需求，必須做好動態(tài)性的相關(guān)技術(shù)。隨著SEDRIS技術(shù)和HLA技術(shù)的成熟，動態(tài)仿真逐漸成為軍事仿真的主要研究方向。

（三）綜合自然環(huán)境的建模和發(fā)展方向

隨著動態(tài)性技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)及數(shù)據(jù)模型建立技術(shù)的發(fā)展，綜合自然環(huán)境的建模取得了較高的成就，今后綜合自然環(huán)境建模和仿真技術(shù)的工作重點仍然是數(shù)據(jù)、模型和仿真的可行性、權(quán)威性和動態(tài)性。根據(jù)目前的發(fā)展情況在以后的幾年里綜合自然環(huán)境的發(fā)展方向?qū)性谝韵聨c：（1）綜合自然環(huán)境數(shù)據(jù)表示和交換方法的可行性和數(shù)據(jù)語法語義的統(tǒng)一性；（2）綜合自然環(huán)境的多分辨率模型的建立；（3）數(shù)據(jù)的自動生成和分布；（4）動態(tài)自然環(huán)境的仿真。

二、多分辨率虛擬地形環(huán)境的金字塔模型研究

（一）金字塔模型的涵義

金字塔是一種連續(xù)分辨率模型，在進(jìn)行金字塔模型的構(gòu)建時可以采用倍率的方法來表示金字塔的分辨率，即從底層到頂層，分辨率逐漸降低，具體可以用一個公式來表示：

通過構(gòu)建金字塔模型，可以為地形可視化系統(tǒng)提供不同分辨率的數(shù)據(jù)。也就是說，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)繪制一幀地形場景時，不同位置需要不同分辨率的圖像子塊和地形子塊，為了實現(xiàn)繪制的立體性，可以建立圖像數(shù)據(jù)金字塔和地形數(shù)據(jù)金字塔。

（二）金字塔模型的分層分塊方案

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)存的價格相對降低，CPU的頻率越來越高，同時圖形的硬件加速器也在不斷的發(fā)展，但是仍然存在硬件所顯示的數(shù)據(jù)量少于十幾所需要的數(shù)據(jù)量的問題，而且應(yīng)用模型較為復(fù)雜，遠(yuǎn)超過當(dāng)前工作站的實際處理能力。解決這一問題的最佳途徑就是對金字塔模型的每一層進(jìn)行分層、分塊，目前較為常見的分層方案是根據(jù)國家的系統(tǒng)比例進(jìn)行分層，然后再對每一層進(jìn)行分塊處理。較為常用的分塊方案是12×8.這種分層分塊方式存在索引速度慢、可擴(kuò)展性差的弱點。針對這兩項弱點，我們在金字塔設(shè)計中設(shè)計了一套全新的設(shè)計方案從面積劃分的角度來講，可以稱之為“等面積劃分”，這種互粉方法的基本思想就是使用等面積的面片在全球的模型上進(jìn)行空間劃分，相鄰面積片的面積倍率為兩倍。

（三）分層分塊后的結(jié)構(gòu)組織

經(jīng)過分層分塊后，全球的金字塔模型可以表示為表一

從上表的數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)LOD=17時，地形數(shù)據(jù)的分辨率已經(jīng)達(dá)到了0.3〞，并且LOD還能夠繼續(xù)升高。該分層分塊方式和一般的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)存在著一些不同之處，表現(xiàn)為將紋理模型的數(shù)據(jù)的地形模型的數(shù)據(jù)存儲在一個單元中，這樣做的原因是（1）將地形模型的數(shù)據(jù)和紋理模型的數(shù)據(jù)存儲在一起有利于快速進(jìn)行索引；（2）從渲染地形的角度來看，紋理數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)是一一對應(yīng)的，缺一不可。

三、結(jié)束語

軍事學(xué)離不開仿真技術(shù)，本文主要針對本文主要就軍事仿真的幾項技術(shù)進(jìn)行簡單的闡述，目前在軍事防震方面的研究參差不齊，相關(guān)技術(shù)的推廣和使用還不一致。我們需要進(jìn)一步加大仿真技術(shù)的研究和推廣力度，積極開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)產(chǎn)品，以達(dá)到搞笑的軍事仿真的目的。

參考文獻(xiàn)：

[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