数字化虚拟仿真技术篇1

1.1系统结构

计算机实验机房中硬件虚拟技术为学生仿真学习提供了虚拟的环境，整个系统包括三个方面：虚拟元器件库、设备库、实验单元和管理维护模块。虚拟实验平台主要作用是为用户提供网络访问的服务，因此，学生在进行硬件虚拟实践的时候就是通过这个平台进入程序，然后进行编辑、设计等等操作。

1.2虚拟实验平台设计其主要的类别有：

（1）虚拟器件类。想要对IC元件的主要功能进行有效的模拟，需要通过虚拟器件来完成。

（2）虚拟仪表类。仿真模拟的对象主要是虚拟实验中的仪器和仪表灯等，例如探测器等。

（3）虚拟面包板类。模拟面包板的各种功能，面包板上的数据连接和信号传播主要是通过虚拟引脚来实现的。

（4）虚拟实验台类。对虚拟的实验平台进行模拟，实验平台的作用主要是管理各种仪表和虚拟系统。

1.3系统功能计算机虚拟硬件实验的平台可以实现用户虚拟的网络操作，系统主要的功能有：

（1）将电路进行仿真性的设计。硬件虚拟技术在计算机实验机房中的应用文/周琳随着时代的不断发展，计算机越来越多的被运用到我们的生活当中来，在对于计算机的学习过程中，虚拟实验对教学有着非常重要的作用，可以让学院的理论与实践进行有效的结合。而教学中的仿真设计以及模拟设计实现了计算机的远程教学。摘要上的人际接口为计算机的模拟提供了实验教材，可以让计算机的硬件设计得以实现，同时虚拟实验中的数字示波器和探测棒等等可以接触一些错误操作，为进行实验的人员提供了良好的配备。

（2）自动捕获能力。系统中，为鼠标设计的捕获功能在编译的时候，能够让实验者的连线工作更加的便捷。比如在选择IC芯片时，将鼠标移动在所在的位置，然后在系统的自动操作下将IC芯片自动调到背景网格中，位置对准后，就能够获得正确的地址。

（3）复原与清除功能。复原功能是让错误的操作恢复到上面一部程序；而清除的主要功能是利用鼠标对错误的工作组建进行删除和销毁。

2硬件环境下实现虚拟计算机

2.1元器件之间的连接

在虚拟元器件中不同器件之间是需要进行连接的，而这个工作主要是通过引脚来完成的，连线工作的存在是独立的，而且是一个整体，形式主要是Active控件，在虚拟实验中，信号的传递也是依赖于连线工作，而它又受制于连线的点和线，这样才能实现连线工作的有效运行。对于一对一的连线形式，在Sender函数的作用下，能够控制信号的接收和发送，整个过程中不会产生信号的冲突。但是对接的连线有很多种类型，每一种类型所发出的信号也都不一样，而系统的抗干扰能力又非常的有限，因此，在传送信号的时候会产生冲突。虚拟实验可以对各种不同的信号以及信号源之间进行对应的逻辑处理，将多种对接类型的连线转化为一一对接的类型。

2.2虚拟实验过程中信号的控制

数字信号在计算机硬件虚拟实验电路中，被视为一般的数据处理对象，然后对虚拟元件和电路关系进行分析。在虚拟机实验系统中，虚拟连线是信号传递的介质，经常会出现电路触发，它的表现为虚拟元件内部的关系产生变化，导致引脚值随之改变，从而最终引起信号的连接值发生改变，这一过程主要是通过Sender的方式来完成。

3虚拟实验室的并行处理技术

3.1CHSVL仿真运行模块

虚拟机的实现平台是CHSBL，同时它由四个模块组成，有虚拟机仿真运行模块、编译模块、信号输出模块和引脚模块。虚拟机系统能够进行仿真运行，需要靠这四个模块的相互作用才能完成。而想要保证虚拟实验正常运行不受环境的影响，需要实现系统的数据监测、编译和输出的共同操作。

3.2多缓冲区、多线程技术

虚拟机可以利用数据缓冲对不同的模块进行同时控制，让每个不同的模块同步运行，系统中占用时间最长的是虚拟机仿真运行模块。但是虚拟机中运用了缓存机制，四个模块都进入到同一个缓存区进行缓存，从而实现了不同模块的同步运行，也实现了线程对四个模块的同步控制。

4结束语

数字化虚拟仿真技术篇2

关键词：：数字电路；实时连续仿真；时间片分割

引言：

电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，正在由以仪器仪表为测量工具的传统分析方法逐步向以计算机为工作平台的虚拟分析方法过渡，同时由于社会对网络教育的强烈需求和相关技术的快速发展，使得虚拟电路实验和远程教育日益结合，成为网络虚拟现实研究的新热点。通过对相关技术进行了可行性分析，结合多年的教学实践经验，开发了虚拟电路实验平台，系统分为客户端的用户界面层、服务器仿真引擎的数据处理层、仿真层以及客户端和仿真引擎之间的传输层。其中实时连续仿真则是在开发的过程中遇到的一个技术难点。由于实时性和多用户同时仿真的需求，系统在后台采用了分割时间片的技术，并根据电路状态的连续性，在时间片的结束点保存电路状态，在开始点重置电路状态，从而支持实时连续的远程电路实验。

一虚拟实验的研究现状

虚拟实验分为有实验室支撑的实验模式和没有实验室支撑的实验模式。前者是一种"虚拟仪器版面一硬件设备"操作的模式。后者没有真实的实验室作为支撑，全部使用仿真技术、虚拟现实技术以及网络技术等高科技手段创造虚拟实验环境，实验者像在真实的环境中完成实验的各个环节，比前者更经济，更容易建立实验系统，也更方便实验者，是目前乃至今后的主要发展方向。电子电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，也得到了快速的发展。而针对远程教学的仿真软件，或者着重于多媒体演示，功能简单，交互性差，或者没有强大的后台支持。远程教学仿真软件不能利用单机版的仿真软件，建立功能强大，交互性强，能够实时连续仿真的远程虚拟实验平台，使得远程实验教育难以得到有效发展。

二虚拟电路实验平台的系统构架设计

要设计的"虚拟电路实验平台"系统，硬件构架采用b/s结构，用户通过装有flash插件的浏览器与实验平台交互，搭建电路，并观察输出结果。用户信息和实验信息保存在mysql数据库中，后台的核心xspice仿真软件，进行仿真计算。系统的软件构架设计如下：1）界面层采用多媒体技术构造实验板及各种元器件，用来与用户交互并显示仿真结果。2）传输层通过socket传输xml格式的实验数据，实现客户端与仿真引擎的数据交换。3）数据处理层解析xml格式的用户实验操作的数据，并转换为.cir文件所需的语法格式；构造xspice所需的仿真输入文件（.cir）；分析xspice仿真后的输出文件（.out），提取实验所需数据；以xml格式封装仿真数据，准备发送。4）仿真层调用xspice进行仿真计算。xspice是一个优秀的电路仿真软件，它把cir文件作为仿真参数文件输入，由仿真程序运算后得到仿真结果，输出到out文件。

三实时连续仿真技术的实现

在基于仿真的远程电路虚拟实验系统中，往往需要使用电路仿真软件，如spice、xspice等，通过它们的瞬态仿真功能获得电路输出数据，先仿真电路状态变化的全过程，再输出全部仿真结果。在电路实验中，模拟电路虚拟实验往往瞬间就可以达到稳定状态的，之后电路状态就不再变化。像这样的电路，在进行仿真的时候可以只显示电路达到稳定之后的状态，也就是只显示一次。正好符合spice、xspice等仿真软件的要求。类似的还有自动脉冲输入的数字电路。下面以接有自动脉冲输入的时序逻辑电路为例，讨论实时连续仿真技术。

1.分段仿真原理。真实情况下的实时连续仿真，实验者只要按下仿真开关，电路就会源源不断地把数据显示在界面上。但是仿真引擎使用的xspice并不是一个实时连续仿真软件，在使用xspice进行电路瞬态仿真计算的时候，必须等到xspice仿真结束才能得到仿真结果，进而分析显示。而xspice的这种功能特性与虚拟实验中所要求的连续不断地计算并显示电路输出数据，并能根据用户的交互实时作出响应是有矛盾的。为此，可以采用分段仿真的方法，即设定一仿真时间段tb，仿真引擎让xspice每次瞬态仿真只计算tb时间长度的电路输出数据，然后将数

据发送到客户端，客户端则按照结果数据中的时间戳在相应的时间点上改变显示输出。等到tb时间之后，客户端得到的数据显示完毕.仿真引擎再计算下一个tb时长度的电路数据并发送给客户端。

在电路实验教学中，多数电路并不复杂，输入时钟信号的频率也不太高，因此基本可以满足这一要求。仿真引擎每次仿真一个时间片的数据，并把它传送给客户端，客户端以仿真结果中的时间戳为序，把数据保存在一个fifo队列中，然后根据时间戳依次从队列中取出数据进行显示。当客户端发现队列中的仿真数据即将被显示完时，就发送一个队列空的请求到仿真引擎。考虑到网络传输时间和仿真程序的运行时间的消耗，客户端发送继续仿真的请求需要有一个时间上的提前量，尽量避免出现冒泡fifo队列已空，而客户端还未收到仿真引擎的下个时间片的仿真结果，导致显示出现停顿的情况。

2.电路状态重置。由于时序电路的输出是由电路的输入和当前状态决定的，因此在进行分段仿真时，必须保存每个时间片结束时的电路状态，并在下一个时间片的仿真开始时用它来设置电路的初始状态，从而可以保持在整个仿真过程中电路状态的连续。可以把第i个时间片的t时刻的电路状态表示为：

sit=[αφ]，i∈[i，+∞]，t=[0，tb]其中α=[α1，α2，…，αn]t为各触发器状态，n为电路中的触发器数，φ=[φ1，φ2，…，φm]为各输入时钟脉冲源的相位，m为电路中的输入源数。那么时间片i中，t时刻的电路状态与0时刻电路状态的关系是：sit=f（si0，t），其中f是由实验电路决定的状态变换函数。

3.用户交互。上述仿真算法中，整个仿真过程被分割成一个个时间片来分段仿真，每一个时间片的仿真结果是在认为这个时间片内没有用户交互，实验电路的结构和参数没有发生变化的情况下得到的。然而，用户有可能在一个时间片的任何时刻对实验电路进行操作，例如调整了信号发生器的信号输出频率或者幅度、按下了电路板上的按钮等。在发生了用户交互的情况下，由于电路已经发生了变化，有可能导致电路的输出也发生变化，因此这个时间片中剩余的还没有显示的数据就将成为无效数据。所以当发生用户交互时，客户端需要清空未显示的数据队列，向仿真引擎发送交互请求，并传送交互时间t1，仿真引擎根据发生交互的时间点，可以根据当前时间片的输出数据计算出t1时刻的电路状态st1i，其中i是发生交互的时间片编号。

四结束语

数字化虚拟仿真技术篇3

VR技术潜力巨大

模拟现实世界的方法有实物仿真、机电仿真、计算机仿真等。实物仿真事例很多，草船借箭就是用稻草人对人进行模拟；军事训练中用木头棍模拟枪械进行拼刺刀训练。计算机诞生后，计算机仿真成为模拟仿真的一个主流技术和方向，早期是模拟机仿真，后来是数字计算机仿真。随着计算机处理能力，特别是计算机图形处理和人机交互能力的大幅度提升，上世纪60年代出现了VR概念。

VR有三个典型特征：一是沉浸感，参与者可以全身心沉浸于计算机生成的三S虚拟环境中；二是交互性，参与者可以通过一些VR交互设备与虚拟环境中的对象进行交互，产生与对应真实环境中的对象进行交互的体验。现在自然交互、体感交互是非常热的研究方向。三是构想性，参与者在虚拟环境中可以激发想象，或者可以构想未来世界和历史世界。

VR技术由于其特点，适合以下几方面应用：一是各行业领域的规划决策，如城市规划，手术规划等；二是设计评价，如在装备制造领域，可以先设计构造虚拟样机，通过对虚拟样机各种性能的评价测试，对设计进行修改；三是训练体验，比如军事训练，以及对航天设备、核设备的维护，可在虚拟装备上进行维护和操作训练；四是文化娱乐等领域的应用。

VR可以从两方面改变我们的世界：一是让我们的发展变得更加科学，先在数字空间进行充分论证，然后再实际实施；二是可以使广大人民群众的生活更加精彩。举一个VR应用的实例。2015年10月，在拉斯维加斯举行的美国总统候选人答辩会上，采用VR进行实时直播，拥有VR观看设备的观众可以现场前排座位观众角度进行观看，获得身临其境的体验。这将是新闻传播发展的趋势。

VR和应用领域的关系，类似于数学和物理。先通过数学理论方法给出一个假说，然后再用物理实验方法对其进行验证。比如爱因斯坦100年前就通过理论和数学预言了引力波的存在，但到100年以后的今天，我们才真正从物理上观测到了引力波。VR应用于各领域可实现先在虚拟环境或虚拟对象上进行研究论证，然后再构造实物或进行实物操作。

目前，VR已进入“+”的发展期。一是VR进入各个行业领域，二是VR进入大众生活，特别是进入互联网应用和移动终端应用。2006年的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2022年）》中就把VR列为信息领域优先支持的三个方面之一。《“十三五”国家科技创新规划》中，VR也是一个考虑重点，和大数据、云计算一样，国家会给予继续支持。

VR应用成果瞩目

VR已在许多领域取得引人瞩目的应用成果。面向制造领域，在装备设计、研发过程中，可以采用虚拟样机技术。例如波音公司上世纪90年代初期对波音777飞机中的各种管线布局设计采用VR技术，一次成功。

现在运用VR技术较多的是汽车制造业。近年来，梅赛德斯-奔驰、宝马、丰田等著名汽车公司在新车设计中采用VR技术，首先研发虚拟样车，设计人员在虚拟样车中沉浸式地体验新车性能和舒适感，进而对设计进行改进，大幅度缩短了研发周期，降低了研发成本。

航空航天也是应用VR比较早的领域。我们与中国商用飞机有限责任公司合作研发了大飞机驾驶舱的虚实结合的仪表布局和环境设计系统。驾驶员戴着头盔进行操作，测试飞机仪表布局、色度，起落时的光照是否合适，依此对设计进行调整。

VR在医疗健康领域也极具发展潜力。首先是对人体及人体器官的三维可交互展示。在国家自然科学基金的支持下，北航VR技术与系统国家重点实验室陆续研发了牙科手术模拟器、心血管介入手术模拟器以及腹腔镜手术模拟器，目前正在向产业化方向推进。民政部康复中心已经制定了建设基于VR的康复基地的规划。医疗健康领域将因VR应用而产生重大变革。

基于模拟器的腹腔镜手术与传统开放式手术不同，医生手术不是看着人体器官做，而是通过内窥镜看着屏幕来做手术。这就给虚拟手术、研发手术模拟器带来了机遇。虚拟手术中的人体器官都是通过几何、物理和生理建模得到的高度逼真的数字化器官，医生在这样的器官上进行手术操作，感觉与在真实器官上做手术一样。这样就可以通过虚拟手术模拟器对大夫进行手术培训。还可以采集个性化的病体器官数据，构建个性化病体器官模型，进行具体的手术规划和预演，从而大幅度提升手术效果，对医疗手术带来颠覆性影响。

VR与电子商务的结合，使得消费者不仅能看到商品逼真的三维图像，还可以进行首饰、服装等的试穿、试看。

数字化文化保护与利用是VR的传统应用领域。例如，通过VR技术可以再现历史文化遗产，特别是非物质文化遗产，使得参与者可以穿越时空，体验历史文化。目前，基于VR技术构建的虚拟博物馆和虚拟科技馆已经出现，如虚拟故宫、虚拟圆明园，以及中国科技馆的许多VR科普展品等。

教育领域对VR也有着巨大应用需求。目前的网络教学课件都是文字和图片，无法做实验，通过VR技术可以实现交互式物理、化学等的仿真实验，还有医学教学等各种实验。教育部现已批准建设了200多个虚拟仿真教学中心，支持这方面的发展，相信会对教学方式带来深刻影响。

VR将爆发式增长

近几年，Facebook、微软、谷歌等公司对VR产业的介入，导致VR在产业界和投资界迅速升温。

一些巨头公司通过收购或领投VR创新公司，或自身部署VR研发团队，开始抢占VR产业的制高点，特别是头戴式设备，头盔和眼镜。因为它们是VR的基础设备，是硬件平台，如果在这方面领先的话，就会像苹果手机、高端芯片一样，占领VR产业制高点。

2014年，Facebook以20亿美元收购了Oculus公司，该公司是VR头盔创业公司。头盔有两大类，一类是VR头盔，一类是增强现实AR头盔，两者技术路线不同。2015年，微软宣布推出MicrosoftHoloLens全息眼镜；谷歌、阿里巴巴领投数亿美元支持MagicLeap创业公司。2015年，一项颠覆性显示技术得以突破，即光场全息显示，能使虚拟物体看起来完全与现实生活中一样。这一技术将给影视、游戏、商务、旅游和电信等行业带来全新的机会和颠覆性影响。此外，HTC也宣布与Valve联手，推出重量级头盔显示设备Vive，并于2016年4月开始发售。

目前，学术界、企业界、投资界都在对VR发展前景进行预测。2016年年初，美国高盛一份报告，详细讨论了VR/AR产业的未来发展状况。高盛认为VR/AR拥有巨大潜力，到2025年VR与AR软硬件营收将达到800亿美元，乐观估计，年营收可达1820亿美元（硬件1100亿美元，软件720亿美元），保守预测，到2025年也会有230亿美元。在标准预期下（800亿美元），2025年VR/AR产业将超过全球平板电脑（630亿美元）和游戏机（140亿美元）。在乐观预期下，到2025年，头盔显示设备等将从小众产品发展成为一种大众通用计算平台，移动性和电池续航问题均会得到解决。1100亿美元的硬件规模与当前笔记本电脑市场规模（1110亿美元）和电视机市场规模（990亿美元）相当。

数字化虚拟仿真技术篇4

南水北调西线工程规划从长江上游大渡河、雅砻江、通天河上筑坝建水库，采用隧洞穿过巴颜喀拉山，向黄河上游补水，以补充黄河水资源不足，是解决我国西北地区干旱缺水问题的重大战略措施。同时，南水北调西线工程和东、中线工程共同组成一个有机整体，在一定条件和时间内，三条线可相互补充，尤其可通过适当调整黄河水量分配，使南水北调工程与北方东、中、西部水资源相互补偿，共同实现我国的水资源优化配置,保证本世纪中叶我国人口高峰时国民经济和人民生活用水安全。

南水北调西线工程大规模的跨流域调水改变了原有水资源的时间、空间分布状况，相应地引起了调水区、受水区的自然环境、生态环境和社会经济发展的变化，并产生诸多有利的和不利的影响；同时，在施工和运行调度管理等方面，西线又是一个复杂、庞大、艰巨的系统工程，存在着许多世界性的难题。如：如何正确评价南水北调西线工程调水后对促进受水区社会经济发展以及生态环境改善的作用、对调水区可能引起的自然环境和生态环境变化？如何评价西线调水对黄河水资源的补偿作用？如何分析不同调水量的供水目标和供水范围？如何优化确定合适的坝高与洞线长度？如何研究远景规划中的后续水源的战略性问题？等等，对工程的规划决策及工程建成后的运行管理都有着重要意义。未雨绸缪，必须认真研究这些问题。

为解决南水北调西线工程实施中的一些世界性难题，通过全数字化数据平台的构建和数字仿真技术的应用，建立全新的数字化研究环境和虚拟调水工程环境，依靠大尺度、高精度情景数字模拟研究和实际验证，构建复杂系统优化决策模型，为回答西线调水中涉及国民经济建设和生态环境建设的重大战略问题以及工程的可行性和科学性问题提供工作平台。

2目的

南水北调西线工程虚拟仿真及应用研究的目的：为解决南水北调西线工程实施中的一些世界性难题，集成全数字摄影测量、遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机辅助设计、数字三维仿真和多源空间数据无缝集成(SeamlessIntegrationofMulti-sourceSpatialData)等高新技术，建设南水北调西线工程勘测设计一体化数字集成平台和虚拟环境，完成多比例尺、多数据类型资料的数字集成，以功能强大的系统软件与模型为支撑，为相关科学家、工程规划设计人员高效的工作提供详实灵活便捷的数字流域研究环境，通过对南水北调西线工程调水区、输水沿线、受水区和后备水源区的数字仿真手段，对调水工程的可行性、有效性及存在的可能方案进一步予以综合分析与论证。可在调水线路沿线依据其地形、地震、工程地质等条件，对不同调水实施方案的投资规模、工程实施条件进行比选，并初步估计其生态环境影响；依据调水前提对受水区社会、经济与生态环境效益做出分析，提出客水分配与利用的优化模式；通过对后备水源区的相关研究，探讨后续扩大调水的可行性及其影响。为水资源跨流域配置方案的优化选择提供全新的高技术支撑工具，加快南水北调西线工程的准备，为规划决策及工程实施提供科学依据。

3南水北调西线工程虚拟仿真及应用研究主要内容

研究内容主要包括两个方面，第一个方面，针对南水北调西线工程研究多信息源集成的数字平台和虚拟仿真的关键技术，构建一个涵盖调水区、输水沿线、受水区的数字平台和虚拟仿真系统；第二方面，在数字平台和虚拟仿真系统的支持下，对西线调水工程中的不同调水量、供水目标、外调水和内地水分配利用、输水路线以及对生态环境影响等问题进行系统分析和优化研究。

3.1南水北调西线数字集成系统研究

研究如何以南水北调西线（含后备水源区）跨流域调水工程规划勘测设计准备工作为需求背景，在调水线路区、受水区、水源区构建一体化的数字集成平台，提供数字仿真研究数据基础。主要内容包括：

3.1.l空间数据库设计及关键技术研究——1)数字化集成平台设计、数据标准规范制定、数据字典和表结构设计。研究数据库应包含的内容、数据项、涵盖范围、组织策略等；2)海量多数据源、多类型、多要素、多尺度、多时相空间数据库管理系统的研究。在以往工作积累的基础上根据本项目的要求，完善大型空间数据库管理系统，使之能够管理图形数据、影像数据、三维高程数据和属性数据等多类型数据，探讨数据库多源数据逻辑一致性协调与管理方法。完善系统安全管理设计，最大限度地实现空间数据库系统与虚拟现实系统、计算机辅助设计系统的互操作。

3.1.2南水北调西线数据库集成——开展西线调水环境与工程数据库建设。分别在调水工程线路、受水区和调出区建设多比例尺系列的多要素地理环境空间数据库，作为宏观和典型区域环境虚拟仿真研究的数据本底。在各方面数据条件允许的情况下具体内容为：1)区域背景影像数据库,覆盖全部区域，配合1/5万、1/25万尺度分析需要，拟采用2000年ETM影像图为基础，对图像时相不佳的图像以2000年以后的夏季影像更替后制作成相应比例尺影像图；在需用1/1万数据的工程线路典型区段，如地图条件不能满足需要的情况下，不排斥使用高分辨率卫星立体对影像数据。2)区域电子地形图、数字高程模型（DEM）数据库：1/25万数据覆盖全部工作区，1/5万数据覆盖调水区线路两侧、受水区黄河干流两侧300m高程区间，1/1万数据覆盖工程线路典型区段。3)区域土地覆盖、土地资源数据库：1/25万土地覆盖数据库覆盖全部工作区域，1/5万土地覆盖数据库覆盖调水区线路两侧、受水区黄河干流两侧200M高程区间，1/1万土地覆盖数据库覆盖工程线路典型区段。依据影像数据参照2000年1/10万土地利用现状图解译编绘制作。1/100万土地资源数据库覆盖全部工作区域，由已有成果移植修编完成。4)区域构造地质、水文地质、地勘数据库：1/20万普通地质空间数据库覆盖全部调水水源区;1/20万或更大比例尺普通地质电子地图、水文地质电子地图覆盖调水工程典型地段。5)区域气象、水文数据库：兼顾受水区、重点在调水区和后备水源区，尽可能长地搜集时间序列基本气象(如气温、地温、降水、风速、蒸发、辐射等参数)、水文（流量、水位、悬移质含量、水质等参数）数据，在展布观测站空间位置的基础上，内插构成各要素的空间等值线分布或沿程分布数据库。6)区域社会经济、人文综合基础数据库：在全部工作区以县为基本单位的人口、耕地面积、产值等社会经济状况统计数据，工程沿线展布到图斑。将重要文物、重点宗教设施等标定在电子地形图数据基底上构综合数据库层面。7)区域水资源数据库：以受水区水资源利用三级分区数据库为基础，补充调水区相应分区构成覆盖全部工作区的水资源及利用分区数据库；以地形数据为基底将全部工作区水利工程现状和规划资料展布在二维空间上。8)生态环境数据库：生物多样性、林草地表覆盖度、土壤类型和质量、土壤侵蚀、人口承载力、荒漠化、盐碱地、主要野生动植物分布等。

3.2南水北调西线虚拟仿真系统研究

虚拟仿真系统是在数据集成平台软硬件环境的支持下，研制模拟仿真、综合分析的工具。内容包括：

3.2.1空间分析与仿真基本算法研究及开发扩展GIS的空间分析功能，研究三维叠置分析、三维缓冲分析、三维最优路径与工程优化分析，为虚拟仿真研究提供基本三维空间分析函数库。

3.2.2工程沿线可视化的三维虚拟地理环境构建构建南水北调西线工程沿线可视化的三维虚拟地理环境，模拟地表质地、地表覆盖、道路交通、高程、坡度、气候等地理环境因素为不同调水方案工程实施研究提供三维地理环境。

3.2.3工程沿线可视化的三维工程施工虚拟环境构建构建南水北调西线工程沿线可视化的三维工程施工虚拟环境，模拟不同调水方案的各种工程参数，提供进行线路投资空间三维分布的计算手段；以三维工程施工虚拟环境提供解决坝高与洞线长度优化、多库联调输水方式优化等技术问题的工具。

3.2.4工程沿线可视化的三维地质虚拟环境构建在三维虚拟地理环境的基础上，结合南水北调西线工程沿线的活动断裂带、地震烈度区划、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害资料，对不同选线方案主要地质灾害危害和风险性进行虚拟研究和评估提供可视化平台和手段。

3.2.5虚拟系统集成应用在虚拟系统工具组件开发的基础上，根据调水区、受水区、水源区不同的应用目标，在数据集成平台的支持下，结合各专业模型，使虚拟系统平台将水资源优化配置、调水方案优化、调水线路及联合调度、生态环境影响等仿真模型能够完整地集成在一起，形成一个面向具体应用的虚拟仿真系统。

3.3南水北调西线水资源合理配置研究

西北地区作为21世纪我国新的经济增长点，在国家粮食安全、能源、原材料工业等方面拥有无可替代的作用，突出的区位优势和相对薄弱的水资源条件，形成了该区域可持续发展的主要矛盾。在西部大开发和西部地区严重缺水的背景下，依据受水区对水资源的内在需求，就水资源开发、利用、配置、保护、管理等问题，进行受水区不同水平年的需水预测和缺水识别；论证南水北调西线外调水与当地水结合利用方式；对不同调水量的供水目标及供水范围进行分析，为确定西线各期调水工程合理的供水范围、供水线路提供决策手段和方法。主要内容包括：

3.3.1受水区水资源演变内在规律研究区域产水量变化的趋势，将直接影响水资源危机发生的频次和程度。伴随着工业化和城镇化进程以及不当用水方式，受水区生态环境有继续恶化的趋势。事实上，所研究的受水区的生态退化是水危机即将发生的重大征兆。根据流域水循环演变趋势，利用区域水资源二元演化模型，模拟受水区水资源在一定演变速率情景下流域供水和缺水变化趋势，揭示未来水资源演变对受水区供水和缺水形势的影响。

3.3.2不同水平年需水与缺水预测随着人口增加和经济发展，西北地区水资源需求不断上升，而脆弱的生态环境和资源型缺水的自然条件，加剧了城市与农村、工业与农业、经济与生态之间的用水竞争。以经济社会发展的长期态势和生态环境建设的需要为基础，在西部大开发的宏观战略指导下，结合受水区土地功能分区的分析，研究受水区不同水平年的需水预测，进行水资源供需形势和对经济发展影响展望，分析缺水性质以及缺水分布等态势。

3.3.3供水工程方案研究利用数字动态模拟系统，对受水区的不同供水线路、供水工程进行虚拟仿真，为确定供水工程的规模指标，分析供水工程的可能性、可行性，提供技术方案和建议。

3.3.4水资源合理配置研究根据受水区缺水分布和调水区的不同输出水量方案，利用虚拟研究环境平台，针对不同供水范围和供水目标，进行技术和经济合理性分析，提出不同来水条件下的水资源合理配置方案。

3.3.5外调水与当地水置换方式研究基于虚拟仿真环境，对南水北调西线外调水与当地水结合利用方式进行研究，主要内容包括：对黄河流域各支流进行流域水量的综合平衡，合理确定从各支流的引水量，合理确定受水区的用水规模，进一步确定支流向黄河干流的入流减少量，并通过水资源供需分析，合理确定南水北调西线工程需要对黄河干流增加的补水量。

3.3.6沿线输水方式优化布置及调度研究西线调水区的蓄水水库分处不同的河流，在同一年份其水量丰枯不同，为满足调水需要，对多库联合调度进行研究。输水方式若采用无压流，则输水隧洞断面大，但衬砌要求相对简单；若采用有压输水则断面可缩小，但衬砌要求高，不同方式的输水能力也不同，通过对输水方式进行优化研究，对合理确定西线工程的输水方式提供技术方案和建议。

3.4南水北调西线后备水源战略研究

在建立的南水北调西线远景调水区虚拟仿真平台的基础上，重点研究西线调出区自然变化和人类活动影响下的水资源状况，远景调水区调水线路评价以及可调水量分析，主要内容有：

3.4.1水源区水资源评价。调出区人迹罕至，水文、气象资料极度缺乏通过对时空变异规律的分析，提出不同类型地区水文、水资源仿真模拟模型，从而在过去工作的基础上，进一步摸清调出区不同地区、不同海拔、不同时间水资源的数量与质量，较好地填补这一地区水资源时空分布和垂直变化的空白，为西线调水奠定可靠的物质基础。

3.4.2远景调水区工程线路与规模研究根据我国地势西高东低的特点，在大量空间数据支持下，采用地理信息技术，在可预见的时间尺度内，进一步探讨和评价西线调水可能实施的路线和调水路线上各种参数以及配套的工程型式和规模。在综合分析的前提下，客观反映各种调水线路的优缺点和存在的主要问题，为西线南水北调远期决策服务。

3.4.3远景调水区可调水量研究可调水量在一定程度上取决于水源区的各种限制条件,通过中长期社会经济发展需水分析、丰平枯不同频率下的影响模拟、流域生态系统用水预测、调水工程系统水量损失仿真以及调水区可能外援的水量，然后结合受水区的实际需要，拟定不同调水线路的调出水量。

3.5南水北调西线调水对生态环境影响研究

3.5.1调水对受水区土地利用/覆盖影响研究在对受水区土地利用和生态环境评价基础上，研究不同调水量对土地利用/覆盖变化和生态环境的影响。进一步分析西线调水对生态建设的影响；研究西线调水对风沙带的影响。

3.5.2调水对调出区生态环境影响研究在不同调水方案基础上，研究不同调水量对调出区土地利用和生态环境的影响。分析调水对水源调出区在不同的水量调出方案(包括不同年调水总量和季节分配方案)，对土地利用和生态环境变化的影响。模拟供水量的时空变化对旱涝灾害调节与防灾减灾的影响，并提出综合应对策略。

3.5.3调水对调水沿线生态环境影响研究研究不同调水方案对调水沿线土地利用和生态环境的影响，评价沿线淹没损失，提出相应的对策。

数字化虚拟仿真技术篇5

[关键词]虚拟制造仿真应用

一、引言

随着经济的全球化和社会的信息化，市场竞争日益激烈，制造企业为了在竞争中求得生存与发展，就应该以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务满足不同顾客的需求。随着信息技术的迅速发展和企业市场竞争的需求，美国20世纪80年代后期提出了虚拟制造技术，并在20世纪90年代得到极大重视并得到迅速发展。

二、虚拟制造技术定义

虚拟制造(VirtualManufacturing简称VM）是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制产品制造的本质过程，以增强制造过程中各级的决策和控制能力。它为工程师们提供了从产品概论的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术发展到了全方位预报的新阶段。

三、虚拟制造方法具有以下特点：

1.全新的研发模式：虚拟制造技术中，设计者采用三维方式，建立全关联的的数字模型。当需要绘图数据时，可以方便地从三维模型中抽取，实现三维数字无图纸设计，同时还要求进行产品总体的模型设计，而不仅限于设计单个部件或零件，设计者需要了解零件如何制造、装配，并应用于设计过程，各专业人员不再分开独立地工作，而是按照项目进行组织并同时开展工作，能够很好地解决设计过程中的同步问题。

2.降低研发成本、缩短研发周期、提高产品质量：通过计算机技术建立产品的数字化模型，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，减少了物理样机的数量，缩短了研发周期、提高了产品质量。

3.实现动态联盟的重要手段：通过网络实现并行设计和制造，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。

四、虚拟制造的关键技术

虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等，其中后三项是虚拟制造的核心技术。

1.建模技术：虚拟制造系统的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。生产模型可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产过程。虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。工艺模型是将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。

2.仿真技术。仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到一系列的统计性能。目前广泛使用CAD、Solidworks、UG、PRO/E等三维软件能较方便的构建三维模型，虚拟样机是基于三维模型的产物，能完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程。

3.虚拟现实技术。虚拟现实技术VRT（VirtualRealityTechnology）是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术。由图形系统及各种接口设备组成。在计算机上建立起的虚拟制造环境是一种接近人们自然活动的一种“自然”环境，可以充分发挥技术人员的想象力和创造能力，相互协作发挥集体智慧，提高产品开发的质量和缩短开发周期。

4.虚拟制造的分类。按照与生产各个阶段的关系,虚拟制造可分成三类:(1)以设计为中心的VM，这类VM是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造来优化产品设计和工艺设计，以便作出正确决策。(2)以生产为中心的VM，这类VM是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷化评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。(3)以控制为中心的VM，这类VM是将仿真能力加到控制模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，即将机器控制模型用于仿真，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。

5.虚拟制造技术在制造业中的应用。虚拟制造技术首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。例如波音飞机公司777飞机的设计，就是采用虚拟制造技术的典型范例，设计、装机、测试均在计算机中完成模拟，实时采集和处理数据并及时解决设计问题，使得最终制造出来的波音777飞机与设计方案误差小于0.001英寸，保证一次试制成功。

目前虚拟制造技术应用得比较成熟的有：产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、企业生产过程的仿真与优化、产品的广告与漫游等。

五、结语

采用虚拟制造技术，在三维可视化虚拟环境中，能充分发挥设计人员的想象力和创造力，使设计人员的经验和科学的计算分析完美地相结合，推进了产品设计的创新与发展，提高了机械产品的创新开发能力。随着制造技术和网络技术的发展，虚拟制造技术方面的研究将会进入一个更加崭新的阶段。

参考文献：

[1]严隽琪等:虚拟制造的理论.技术基础与实践.上海交通大学出版社,2003：1～24

[2]王志新:虚拟技术及其应用.上海理工大学学报第20卷,第1期：49～55

数字化虚拟仿真技术篇6

1教学体系构建

实验教学示范中心坚持课程建设与人才培养相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合、虚拟仿真与真实实验相结合的原则，构建了“123456”虚拟仿真实验教学体系，如图1所示。“123456”虚拟仿真实验教学体系包括：1个目标——以创新创业能力培养为目标；2个融合——通过第一课堂和第二课堂之间知识互补、机制互动的融合，优化整合优质教育资源；3个集成——着力打造数字逻辑理论课程、实验课程和特色拓展实践课程之间系统集成，从单元学习和设计、再到系统学习和综合设计的全过程教学；4个导向——引导学生通过研发或设计成果展现其成功自信、专业能力、为学情操和绩效责任等能力和素质；5个模式——通过探究式演示、观察和验证、反设计推论、网络学习和创新创业项目训练5种自主学习模式，完成知识学习、运用和能力训练；6个能力——培养学生的工程知识运用、方案设计开发、现代工具使用、工程社会分析（工程中的社会因素及工程对社会的影响分析）、团队沟通表达、项目工程管理6个方面工程实践和创新能力。依托省部级实验教学示范中心打造高起点教学平台，在教材建设、设备研发、项目开发、考核评价方面，开发高水平、高质量的优质共享教学资源，保证虚拟仿真实验教学体系高质量、高效率的运行，从而在专业技能、研究潜能、合作交流、项目管理方面能够实现全方位培养创新人才。

2教学资源平台设计

2.1设计原则。坚持以学生为中心、以实践为中心、以能力培养为中心的设计原则，以解决复杂工程问题为主线，引导科学思维为目的，把理论知识、实验技能以及创新意识融入到“计算机逻辑设计综合实验”课程的理论学习与工程创新实践教学当中，既要体现知识的综合性与工程创新性，又要体现能力与素质培养，遵循认识理解消化实践提升创新的循序渐进认知流程。学生可根据已有的知识、技能、爱好以及工程创新意识进行理论知识学习与工程创新实践。通过以做带学、以学促做，激励自主科技创新学习，充分发挥自身探究能力特长，创造性地解决教师提出的复杂工程问题。2.2技术架构。计算机逻辑设计虚拟仿真实验网络平台（以下简称“平台”）包括理论学习、虚拟仿真实验、辅助功能和系统管理4个部分，如图2所示。平台基于Web技术构建，采用B/S架构.Net框架开发，插件为Multisim，选择SQLServer作为服务器后台数据库，托管校园网数据中心。客户端既可以在校内通过校园网直接访问仿真平台，也可以在校外通过Internet访问，支持500个并发用户。平台基于全局的实践教学观设计。在设计中，注重学生设计的规范性，如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，注重电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，注重分析系统的误差来源并加以验证；在学习中，注重对学生引导，加强学生对知识的理解、吸收、拓展和提升。2.3虚拟仿真实验项目。以急需的实验教学信息化教学内容为指向，将复杂工程问题和教研成果转化成示范性虚拟仿真实验项目。深入融合教研成果，依托信息技术，研发数量众多、内容丰富、类型齐全的虚拟仿真实验项目，与企业的真实案例和实用技术相当，提供工程氛围的实验教学条件，具有模块化、层次化、多元化、系列化特色，引导学生探索工程创新项目研发过程，掌握科学研究基本方法，强调人人都能成功，激发学生内在的学习动力，使学生由被动式学习变成主动式学习，以便加快工程创新人才培养。（1）逻辑测试实验。让学生熟练掌握逻辑门、编码器、加法器、寄存器、计数器等常用数字集成电路使用和测试，相比实物操作，可达到事半功倍的效果。（2）数字单元实验。让学生熟练使用逻辑门、编码器、译码器、触发器、寄存器、计数器、RAM、ROM、DAC、ADC等，进行简单应用电路的设计、理论计算、电路图绘制、仿真分析以及调试等全过程，具备分析和解决一般性工程问题的能力，养成实事求是的科学作风和认真严谨的科学态度。（3）数字系统实验。让学生熟练掌握常用数字系统、数字式控制器、数字式电子仪器、接口与数据通信等系列工程项目所涉及的学习研究、方案论证、系统设计、仿真分析、设计修改、实验样机制作、设计总结等全过程，具备利用数字逻辑技术知识构成数字逻辑系统的意识，能够应用数字逻辑技术的基本原理对工程复杂问题进行分析和设计，熟悉和掌握科学研究的基本过程及方法。2.4教材编写。为了拓展教学内容的广度与深度，编写与课程相关的工程教育系列教材，如《数字逻辑与仿真设计》《数字系统实验设计与指导》《数字电路实验与实践教程》等。新教材具有可读性、实用性和技术性，让学生感到学有所值、学有所用，无论是在课堂上学习，还是在课外自学，都能在一定程度上帮助学生学习掌握工程基本要素、工程技术设计方法和分析方法。2.5服务方式。（1）在实验的时间、空间、内容和仪器设备方面为学生全面开放。互动可视化操作贯穿于全过程中，实现自主学习、自主实践、自主创新。（2）为课堂教学、远程教学、学术交流提供有力支持。（3）让其他高校学生和社会上的学习者分享学习机会。（4）为各种竞赛培训、个性化培养提供便利，打下坚实基础。

3运行机制

平台提供的虚拟实验环境近乎真实情境，与实际工作相似，能够激发学生实验兴趣和学习动力。学生能够亲自动手接触电路，边学习、边设计、边实践，完全沉浸在现实的学习、工作情境中。虚拟仿真实验教学整体实施过程包括实验准备、实验仿真、实验总结和自我评价4个阶段，经过21个具体环节和步骤。3.1实验准备阶段。（1）实验需求分析：通过在线教材或者互联网自学，查阅与实验题目相关的背景资料，进行理论知识、实践技能等方面准备。（2）方案设计与论证：学习教材的相关内容，还可以查阅其他设计方案资料。（3）技术性能参数设计：选用教材中给出的数据，还可以自行调整数据。（4）电路结构设计及理由：按照教材中指定的去做，还可发挥自身创造力。（5）理论推导：按照教材指定步骤，进行公式推导及理论计算。（6）实验设计报告编写：归纳整理步骤（1）—（5）所形成技术资料，完成实验设计报告编写工作。3.2实验仿真阶段。（7）电路下载：在线浏览、下载虚拟仿真电路，进入虚拟仿真实验环境。（8）电路检查：按照设计报告或教材，严格仔细检查电路及线路连接。（9）仪器仿真数据测量：参照教材，选择合适的测试点，接入相应的仪器仪表，仪器参数设置，运行电路，观察测试点波形和状态变化，记录测量数据。（10）实验分析：对实验数据、波形、曲线进行认真仔细分析、研究，判断设计的合理性、正确性以及存在的问题等。（11）设计修改：以达到电路性能指标要求为目的，或适当提高技术性能参数。（12）电路布局调整与子模块电路生成：规范或完善电路设计，并为进一步设计提供便利。3.3实验总结阶段。（13）实验过程描述：主要包括设计方面、操作方面、分析方面等环节。（14）实验数据整理：整理实验数据，输出波形，绘制曲线，要求实验数据表格规范，波形、曲线图清晰、全面，且大小适中。（15）实验结论：利用数据、波形、曲线，阐述设计的技术性、改进性、创新性等。（16）技术讨论：围绕实验过程、改进性、建议等展开讨论。（17）实验收获：阐述宏观知识、技能等方面的收获、水平和提高。（18）实验情况报告编写：归纳整理步骤（7）—（17）所形成技术资料，完成实验情况报告编写工作。实验报告=实验设计报告+实验情况报告。3.4自我评价阶段。（19）实验报告成绩：参照实验报告评分指标体系，自行估算得分情况。（20）实验操作成绩：参照实际操作评分指标体系，自行估算得分情况。（21）实验成绩：实验报告分值100分，实验操作分值100分。实验总分=报告分数×40%+操作分数×60%。成绩等级：90~100分为优秀，80~89分为良好，70~79分为中等，70~69分为及格。

4结语