时间：2023-06-02 09:57:06
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇数字虚拟仿真，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（b）-0082-02
数字电子技术是笔者学校精品课程，目前正在进行网络资源共享课的建设，同时它也是理工科电气工程及其自动化、电气自动化技术、机械设计制造及其制动化、物联网工程、应用物理学和计算机科学与技术等专业的专业基础课。该课程不仅具有自身的理论体系而且实践性非常强。该课程主要的内容是解决数字电子电路相关理论的入门，学生能够在掌握基本理论的同时进行简单的设计，掌握分析和设计的基本方法和基本技能，为后学专业课的学习打下良好的基础。
以往的数电实验教学基本上是硬件实验室内部操作。学生在学习完理论课后，在实验课上直接通过实验台进行验证性操作或者简单设计再通过实验箱搭建电路，这样的操作设计性比较差，很多知识的掌握达不到加强巩固的效果。如果有一个好的实验平台能够让学生对所学的内容进行及时的验证，教学效果会大幅度地提高。对一些兴趣比较高、学有余力的学生还可以针对实际问题设计一些电路，然后在平台上练习，从而发现问题解决问题。去年该校购置了虚拟仿真平台，但是由于网络不稳定、平台的操作不熟练等因素影响，目前数电实验目前还停留在实验箱的阶段，虽然经过一定的改革增加了面包板，学生的动手能力有一定的提高。但因有许多问题出现，如初学者对原理掌握不牢固、理论知识跟不上实验内容效果不佳、教学评价和实验考核手段比较单一、设备的故障频发、设备升级不方便等诸多因素严重影响教学，也限制了学生的创造力和学习的主观能动性。
1 数字电子实验教学改革的意义
数字电子技术工程性和实践性极强，相应实验课程的开设，不仅可以帮助学生理解和掌握该课程的基本内容，还可以提高学生的动手能力，培养学生的创新思维。利用网络技术、计算机技术与虚拟仿真技术在计算机上构建一个虚拟实验室环境，提供可操作虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验，同时还提供网络实验教学的一体化管理功能[1]。该校在电类专业中开展了部分仿真课程的公共选修课和专业选修课，已经购置了仿真平台，以及计算机机房等硬件设备，对于数电实验的仿真有一定的基础。但是实践教学内容和人才培养模式还有一定的差距，而且并不互相兼容，需要系统的虚拟仿真实验机制来提高实验教学和管理的有效性和可行性。
采用虚拟仿真的数字电子技术实验的开设不仅可以弥补传统硬件实验的不足，提高学生学习的兴趣、动手能力的培养及综合素质的提升，而且具有以下几点优势。
（1）解决了传统实验资金不足或不能及时到位的现象。虚拟仿真不像硬件实验室那样需要比较高额的维护费用，而且维护起来不受时间和地点的限制，利于实验教学的管理。
（2）通过综合实验群，实现综合利用资源。数电实验涉及到信号的产生，数字电路的实现，可将虚拟软件平台和EDA实验室及信号与系统实验室等多个实验平台构建，共同完成综合性和设计性实验的仿真及操作。
（3）互动性较强。网络化实验室虚拟操作可以实现生与生、生与师、师与师之间的远程互动与交流。老师可以有效地对学生进行实验指导、监督和考核，学生通过交流很快地掌握实验内容，有效地进行实验操作。
（4）提升学生自主学习的能力。学生可以根据自身条件，除了完成老师交代的内容之外，设计自己喜欢的实验环境和实验模式，自我设计与创造，提高自我学习的能力、锻炼动手能力和设计能力。
（5）与科技发展同步，保证实验的先进性与前瞻性。及时有效地对虚拟软件进行更新，与时俱进地采用新的方法授课，引入新的实验内容，提高学生开展探索性、研究性、创新创意性实验。
2 虚拟仿真数字电子技术实验改革与实践的举措
为了培养中国特色应用技术型人才，教学中必须加强学生的技术理论、注重技术应用、突出实践教学，而加强实践性教学环节建设正是整个教学过程的一个基础。
2.1 改革教学过程
通过学习其他院校实验教学模式，根据当前信息网络技术发展特点，参考其教学经验与做法，对该课程的教学过程加以调整。针对不同的专业选用不同的教材，精选教学内容、精炼讲课题材。
2.2 完善教学大纲，实现人才培养目标，适应人才培养模式
通过课题组成员授课经验及学习研究的结果，商讨完善教学大纲，制定比较合理的实验教学考核机制，实现人才培养目标。
2.3 改革实践教学内容和方法
通过引入现代化的教学手段，推进实验教学方法和手段的提高及改革。构建以网络为载体的教学平台，借助一些虚拟软件实现虚实结合的实践教学方法。通过已有的虚拟仿真实验平台结合原有的硬件设备进行数字电子技术实验教学，提高了设备的利用率，降低了实验成本，提高了实验授课效果。通过改革实验教学内容，优化验证性实验，加强综合性、设计性和创新性实验，注重学生创新精神和实践能力的培养。
教学内容采用虚实结合的授课方式，突出实验多元化、层次化和系统性。具体实验内容由数制和码制、基本门电路的测试、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲的产生与整形、ADC和DAC、半导体存储器和可编程逻辑器件等构成。[1]通过虚拟实验电路的搭建，使学生对实际电路具有比较直观的认识，培养学生解决实际问题的能力。
2.4 建O综合实验团队
通过教师或学生自发组织相关协会构建综合实验团队，定期进行数字电子技术实践理论知识的讲授和电子线路的设计。形式可以多样化、多元化，如讲座、授课、竞赛和观摩等。
2.5 构建虚拟实验室，实现开放式教学
利用虚拟仿真实验教学平台、计算机网络和数字电子技术硬件实验室共同构建虚拟数字电子技术实验室，实现一个互联网上的虚拟实验环境。虚拟仿真实验教学平台主要包括实验教学管理、实验教学务管理、实验前理论知识学习、实验过程智能指导、实验结果自动批改、互动交流通知、实验教学效果评估和实验教学资源管理等9个模块，实现开放式虚拟仿真实验教学管理和共享。该平台不仅可以实现数字电子技术的实验操作，还可以扩展到课程设计和课程实训环节的教学。
利用网络建立关于数字电子技术实验为主题的论坛，以促进不同用户间的信息交流，了解最前沿的数字电子技术实验，开拓视野[3]。
2.6 构建综合实验群
打破课程界限，实行多门实验交叉汇合，建立综合实验群。数字电子技术是一门逻辑性非常强的课程，逻辑变量的产生、传输和处理过程要求比较严谨，具有工程性和实践性两大特点。将已有的数电实验室、通信实验室、虚拟仿真平台和EDA、信号与系统等多个实验平台构建一个适用于工科专业的电类虚拟实验综合实验群，共同来完成综合性、设计性实验的操作，提高学生学习兴趣，促进教学效果的提高。
2.7 改革实验教材
针对该校转型发展的目标，该院在人才培养模式上也应有所变化，要促进电类学生知识、能力、素质的平衡协调发展，提高学生的工程实践能力和创新意识。结合实际情况改革实验教材。这样既能提高学生的创新意识，也能培养其解决实际工程问题的能力。
2.8 改革考评机制
过去的数字电子技术实验都是平时成绩加期末抽取实验操作一次性考核的方式进行。通过虚拟仿真后的试验考核方式采用考勤成绩、平时操作成绩、提交作业成绩、创新成绩综合考评。同时建立学评学、师评学、学评师的考核机制，共同进步，共同促进教学质量的提高。
3 结语
坚持“育人为本”“以生为本”的基本教育理念，培养应用技术型人才是我们的最终目标。通过实践证明，对已有的实验室及其设备进行合理整合，构建综合实验群，不仅可以实现数字电子技术综合实验和设计实验的有效进行，也可以实现其他实验的有效进行。
通过丰富的仿真实验、实训软件培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生设计和创新的能力；整合已有硬件资源和虚拟网络结合的方式使学生对实际电路有比较直观的认识，既提高了现有设备的利用率，降低了实验成本，又提高了实践教学的效果；最终促进学生“善学习、善实践、善应用”的专业素养和实践创新能力的培养。
参考文献
[1] 周伟英.基于虚拟实践平台的“数字电子技术”课程教学改革与实践[J].中国电力教育CEPE，2010（34）：148.
[2] 刘炳灿.国家重点实验室建设的回顾和展望[J].中国高校科技与产业化，2005（11）：28-31.
[3] 黄琳，丁宏刚.加强大型仪器设备资源共享平台建设 促进国家重点实验室对外开放[J].实验室研究与探索，2006，25（8）：1002-1004.
[4] 姜兆纯.浅谈高校实验室设备管理人员的素养[J].中国现代教育装备，2006（4）：29-30.
【关键词】传统教学，虚拟仿真技术
科技发展带动着教育方式的更新。传统课堂教学方式已经远远不能满足现代教学发展的需求。多媒体虚拟仿真技术逐渐应用到现代课堂教学中。
一、传统教学的弊端
首先，传统课堂教学方式重理论讲授，实践操作没有提升到同等高度。但实际上，知识本身就是具有生动的、丰富的实际内容，而作为他的表述性的语言文字、符号图表等等则是抽象和简约的。学生在课堂上学习的教材只是由汉字和语法汇集成的书本知识，这就要求学生不论学习什么知识，都要透过语言文字、符号图表把它们所代表的实际内容想清楚，以至想"活"起来，按照教育心理学的观点，这样的学习才是有意义的学习，即理解性的学习。
其次，传统课堂教学方式重理性认识、轻感性认识。在传统课堂教学中，感性认识被认为是只能提供认识的具体材料，唯有理性认识才能把握事物的本质。这种感性认识与理性认识之间被人为地设置一道鸿沟。这种重理性、轻感性的理念会影响教学追求理论化、抽象化，不利于学生对知识的掌握。教育心理学研究表明，学生掌握知识的过程是一个感性认识和理性认识相结合的过程。如果学生的感性认识丰富，表象清晰，想象生动，形成理性认识及理解书本知识就比较容易。反之，要掌握书本上的概念、公式、原理等就比较困难。
从心理学的角度看，感性是指人的感知、想象、情感、灵感、直觉等心理机制与功能；理性是指人运用概念进行推理、判断的心理机制与功能。传统课堂教学缺乏对人的感性因素的刺激和满足，从而也使其自身丧失了应有的感染力和召唤力。再次，传统课堂教学方式重视结论，轻视过程。在很多学科的学习过程中结论与过程的关系是学生求知过程中的一个十分重要的关系。重结论、轻过程正是传统静态知识观的反映和体现。重结论、轻过程的教学只是一种形式上走捷径的教学，把形成结论的生动过程变成了单调刻板的条文背诵，它从源头上剥离了知识与智力的内在联系。就认识活动而言，它主要是学生自主阅读独立思考的过程。现代教育心理学研究指出，学生的学习过程和科学家的探索过程在本质上是一样的，都是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程。这个过程一方面是暴露学生各种疑问、思维、障碍和矛盾的过程，另一方面是展示学生聪明才智、独特个性、创新成果的过程。
重理论、轻实践，重理性、轻感性，重结论、轻过程，使以书本知识为本位的课堂教学丧失了素质教育的功能。改革课堂教学首先要进行价值本位的转移，即由以知识为本位，转向以发展为本位。以发展为本位并非不要传授书本知识，而是要把传授书本知识服从、服务于学生的发展。为此必须着眼于更新知识观和学习现。知识的直观化、形象化、情感化、个性化、活动化、智慧化是通往素质的必经之路，是教学通向发展的必经之路。
二、现代教学方式进步
现代教学方法有了很大的进步与发展，无论从形式还是内容都较传统教学有所提高。随着计算机技术，多媒体技术和网络技术的深入发展，虚拟技术逐渐由商业环境走向现代的教育教学领域。无论是幼儿园、小学、初中、高中、大学，还是各种各样的培训机构，都涉及到现代多媒体虚拟仿真技术的产物。大众对虚拟教学仪器环境和人类文明的认知不能仅仅局限于一般的浏览，在试验、教学仪器、管理、校园生活等因素基础上三维立体仿真教育系统应运而生。一个完整的虚拟校园教育体系真实、交互的特点正好是虚拟仿真技术的精髓和魅力所在，也将会对教育方式的变革起到极大推动作用，将会为教育事业增添强大的生命力。
当今社会已经步入数字科技信息时代。加快虚拟仿真技术在现代教育领域开发应用。如虚拟仿真实训平台、网络课程、虚拟仿真动画（工作过程模拟软件）、通用素材库等多种形式的教育数字化信息资源。
三、现代的教育数字化发展
虚拟仿真技术周期短、安全性高、真实感强等特点 ，已逐渐成为现代教育领域不可缺少的组成部分。原来老师黑板写，学生底下记的时代已近过去。各种层出不穷的虚拟仿真实训平台、虚拟仿真动画、网络课程，提升了现代教育的实力，改变了现代教育的理念，升华了现代教育的层次。一系列计算机虚拟仿真技术在现代教育的应用发挥着不可取代的作用。
现代教育数字化研究和开发是迎合科技发展，将仿真技术应用到教育教学中，提高现代教育数字化信息化进程，完善了现代教育的结构。虚拟仿真技术的发展影响着现代教育。一个具备高素质的教育平台，不单单是对硬件的需求，教育软实力的发展程度同样制约着该教育平台的高度。现代教育机构的竞争、学习、发展，在多方面体现在多媒体虚拟技术的发展程度。做好现在教育领域多媒体仿真技术的研究与应用，是对当代教育领域新的发展空间的拓展，具有划时代的意义。
多媒体仿真技术在现代高校教学过程中虚拟平台的搭建，如虚拟仿真动画的设计与制作。特别是针对“课堂上无法实际操作”高难度教学内容，例如：建筑外立面效果替换、某生产工艺的生产流程、某建筑的建造流程展示、某仪器设备的使用、维护、保养。提高教学质量，真正实现《教育部关于加快推进职业教育信息化发展的意见》中，加快开发现代课堂教育数字化优质信息资源。
通过多媒体虚拟仿真技术形象化模型信息的特点，针对实际课程有的放矢。依据课程特点设计合理有效的多媒体仿真平台，针对教育教学方法提出实际改革方法。（促进教育教学观念转变，引领教学内容和教学方法改革； 推动多媒体仿真技术在现代高校数字信息化进程。
虚拟仿真技术的交互性、逼真性、虚拟性、沉浸性在现代课堂教学中，充分发挥其特色，有效的辅助教师现代课堂教学。切实推进现代教育广泛、深入、有效地应用数字信息技术，不断提升现代高校虚拟仿真平台、虚拟仿真动画、网络课程、虚拟环境的建设，全面加强数字信息技术支撑现代课堂教学改革发展的能力，以先进的现代教育数字信息技术改造传统教育教学模式，以信息化促进现代该等教育现代化的进程。
参考文献：
[1]姜大源，关于职业教育课程体系的思考[J].中国职业技术教育，2003（5）.
通过虚拟现实技术，大家会不会进入这样一种场景呢？
清晨，你照例打开客户端了解时事，看到移民危机，瞬间进入了一个移民男孩儿的故事，你就站在他家的一片废墟之前，看着他无奈的离开，你听见窗外爆炸的声音、呼喊的声音和这男孩儿离开时候的脚步声.....
这种感觉可能是人们对于虚拟现实技术的普遍认识，就是能够将人们带入到一种近乎现实的虚拟环境当中。殊不知，虚拟现实技术也在另一个领域产生了巨大的影响，并引发了行业变革。
当前，随着计算机、传感、网络通信等技术的快速发展，虚拟现实逐渐向工业领域渗透应用，为制造业的研发、生产、管理和服务等各环节带来了深刻变革，进一步推动了智能工厂的发展。日前，西门子在英国一处工厂里安装了Virtalis虚拟现实（VR）软件和系统，用于实现装配工艺的模拟和优化、提高概念设计的效率、精简设计单位和更加有效地进行工厂规划，通过VR技术对产品进行制造前的虚拟评估，解决其在制造过程早期阶段出现的问题。
虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品设计、加工、装配、检验等全部流程的模拟和仿真。通过虚拟制造技术，企业能够在设计阶段就对产品制造的全过程进行虚拟集成，预测、检测、评价产品性能和制造可行性，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化以及生产效率的最大化。奔驰、宝马、大众等公司利用虚拟制造技术建立“数字汽车”模型，设计发动机、车体、电气线路等，并进行碰撞分析和运动分析、模拟数控加工和质量检验等，可将新车型的研发生产周期从一年以上缩短至2个月左右，开发成本最多可降到原先的1/10。
基于虚拟现实打造的数字化模拟工厂能够对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期，推动生产组织方式变革。虚拟现实是数字化模拟工厂的核心技术，数字化模拟工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，利用虚拟仿真技术对制造环节从工厂规划、建设到运行等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化，指导工厂的规划和现场改善。数字化模拟工厂的典型应用包括：加工仿真，如加工路径规划和验证、工艺规划分析等；装配仿真，如装配设计、装配过程运动学分析等；物流仿真，如物流效率分析、物流设施容量、生产区物流路径规划等；工厂布局仿真，如新建厂房规划、生产线规划等。
随着三维显示、图像处理、传感等技术的快速发展，虚拟现实在工业领域的应用逐渐从设计、生产环节向管理、服务等环节延伸，为用户提供更完善的产品及服务解决方案。
利用虚拟现实技术和设备，用户可获得身临其境的沉浸感，实现对工厂设备的远程监控，实时了解数字化车间的生产状况，在线获取工厂设备的运行数据，并通过交互技术实现远程操作维护、设备管理，或对现场人员进行远程维护指导和培训。博世力士乐推出的工业4.0远程服务解决方案搭载了自主研发的InSight Live虚拟现实技术，能够提供即时的远程诊断支持，提升现场服务效率并降低维护成本。
关键词：计算机技术；数字化设计；CAD；设计；应用
Abstract: design technology is a variety of ways and means that we in the design process to solve the specific design issues. Traditional design using the static, experience, passive, manual methods, the design efficiency and accuracy has been unable to meet the higher requirements of social development. Computer technology in the design of large-scale application is the integrated technology on the based of the traditional design technique interdisciplinary and multiple disciplines development. Along with the computer technology development, scientific, dynamic, active, modern design technology development and application, the design efficiency and accuracy are greatly improved.
Key words: computer technology; digital design; CAD; design; application
一、设计技术概述
设计技术是我们在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。传统设计我们采用的是静态、经验、被动、手工式的方法，其设计的效率和准确性已无法满足社会发展的更高要求。随着计算机技术的大发展，动态、科学、主动、现代化的设计技术不断发展和应用，使得设计的效率和精确性得到了最大程度的提高。计算机技术在设计中的大规模应用是在传统设计技术的基础上多专业和多学科交叉发展的综合性技术。现代设计技术由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术4个不同层次的技术所组成。基础技术主要指传统设计理论与方法。计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术。支撑技术则主要是可信式设计技术、试验设计技术和现代设计方法学。应用技术则是各产品领域的知识和技术。
二、数字化设计与数字化产品开发
数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域。数字化设计是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。 产品设计过程本质上是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程，其中包含了两种重要的活动：设计活动和仿真活动。因此产品设计也可以看作是一个设计活动和仿真活动彼此交织相互作用的过程。设计活动推动信息流程向前演进，而仿真则是验证设计结果的重要手段。2.1数字化设计的特点
1）实现并行设计一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。
2）设计过程中减少或避免实物模型的制造传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产―样机测试―修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除[1]某些设计不合理性。2.2数字化设计技术及应用
（1）参数化、变量化、模块化设计
参数化、变量化技术也是配置设计和按定单设计的基础。产品设计大多数是从已有产品进化而来的，据统计，典型定单产品中的标准件、外购件或变型件占90%，全新零件只占10%左右 利用参数化、变量化、模块化建模技术，可方便地修改设计，提高设计的效率，保证设计的质量和可靠性。CAD中的尺寸驱动法是利用参数化、变量化技术修改设计的有力工具利用广义相似理论，通过对功能单元、结构单元的重组可以获得不同结构形式的系列化产品（2）反求工程和快速原型技术复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线。数字化的核心是离散化，快速原型技术通过产品数据的分层和离散，将材料按需要添加到零件上，通过对材料配比的变化及烧结路径的变化，可有效地控制零件的性能和变形。反求工程和快速原型技术的巧妙结合为加快产品开发过程和在实物原型的基础上，深入探讨和选择设计方案奠定了基础。
（3）虚拟产品开发方法
虚拟产品即存储在计算机内部的产品数据模型，亦称数字化原型或数字化样机（Digital Mock-up）。虚拟产品开发不是简单的数字化建模和仿真，它更强调虚拟技术的应用，通过虚拟现实的交互性，沉浸性和想象性达到虚拟产品开发环境的高速逼真化，并可对虚拟原型直接进行操作，产生身临其境的感觉。数字化样机是描述产品功能和行为特性的产品数字化模型，它支持产品的多学科优化设计及产品运动学、动力学和使用性能仿真，通过对模型的评估、测试和优化，可以预先了解相应物理样机的特性。随着虚拟现实技术的发展，在数字化样机的基础上提出了虚拟样机的概念，它更强调仿真技术和VR技术的应用，通过VR环境中人对虚拟原型的操作，可有效地发挥人的创造性，提高了概念设计和总体设计中的分析、决策能力。虚拟产品开发技术（Virtual Product Development）是在信息技术、网络技术、仿真技术和虚拟现实技术基础上出现的最新数字化产品开发技术。虚拟产品开发是实际产品开发、制造、使用、维护在计算机上的本质表现，虚拟产品开发要求全面的产品数据描述和各种可视化的仿真工具及人机交互操作工具。数字化样机和虚拟样机技术不仅可以减少和替代部分实物实验，降低产品开发费用和缩短产品的研制周期，而且也是提高产品创新能力的有利工具。虚拟产品演示可以在一般计算机环境下进行，也可以在虚拟实境环境下进行，它不仅可显示产品的外观、内部结构以及工作原理，还可改变金属表面涂装的颜色和光泽，以及皮革的纹理等。虚拟产品既可用于设计交流，还可作为设计者与销售人员、销售人员与客户之间的交流。
三、CAD技术及应用
CAD技术的主要功能：零件造型、产品装配、产品渲染、动态显示、运动仿真；工程分析如有限元分析、优化设计、可靠性设计；绘制工程图样、编制物料清单等。
任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设计活动组成。这些活动既有串行的设计活动，也有并行的设计活动。目前，设计中的大多数活动都可以用CAD技术来实现，但也有一些活动尚难用CAD技术来实现，如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程。CAD的真髓不是绘图，而是建模和仿真[2]。数字原型（DMU）就是在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。数字原型可用于检验零部件之间的装配关系[3]，以防止相互干涉，从而可进行运动仿真。数字原型可用于透视复杂产品的内部结构，从而可进行装配、维修等人机工程的研究。它还可用于产品的外观艺术渲染，制作广告。在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。
计算机辅助工程是借助计算机强大的计算和图像处理能力解决工程技术中的各种问题，包括有限元分析、优化技术等。有限元分析FEA（Finite Element Analysis）是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程[4]。有限元法的基本思想是将问题的求解区域划分离散为一组有限个单元，单元之间按一定方式仅靠节点相互连接在一起的组合体。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组求解。节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。单元则是一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。信息通过单元之间的公共节点传递的。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。
集成化、网络化和智能化是现代CAD技术所追求的功能目标。集成化要能支持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换、CAX工具、DFX工具等[5]；网络化要能支持动态联盟中协同设计所需的环境与设计技术；智能化是指在实现集成化与网络化时所采用的智能技术，如人工智能、专家系统技术等。现代CAD技术的最终目的是要尽可能采用自动化设计技术使所设计的产品达到质量高、成本低、周期短，以便在先进制造模式下赢得市场竞争。随着现代CAD技术的发展，设计过程中越来越多的活动都能用CAD工具加以实现，因此 CAD技术的覆盖面将越来越宽，以至整个设计过程就是 CAD过程。
参考文献
[1]阎楚良,杨方飞.农业机械数字化设计技术研究与展望[C].//中国农业机械学会2006年学术年会论文集.2006:797-801.
[2]倪桂功.CAD/CAM技术在球头立铣刀设计制造中的应用[D].天津理工大学,2006.
[3]张春森,波.基于CAD技术实现工业零部件图像直线特征提取[J].光学精密工程,2011,19(9):2214-2221.DOI:10.3788/OPE.20111909.2214.
作者：魏高峰 高万玉 孙秋明 倪爱娟 谢新武 秦晓丽 邢楠 田丰 单位：军事医学科学院卫生装备研究所
数字医学研究现状
近年来，数字化技术的快速发展使得人类社会进入了数字化时代，同时也引起了许多学科领域的数字化变革，生命科学也不例外。通过与数字化技术的交叉融合，不仅大大加快了生命科学自身的发展，同时也产生了一些新兴的前沿交叉研究领域，数字医学就是其中的典型代表[13]。数字医学技术的发展首先是由数字化虚拟人体三维重建开始的[14-18]。数字化虚拟人体三维重建是指运用计算机图像处理技术和三维重建技术，对医学二维图像进行处理，建立人体组织结构的计算机三维虚拟模型。通过数字化虚拟人体建模技术，可将人体解剖组织结构数字化，可以在计算机上进行三维渲染、旋转、缩放等操作，也可以实现虚拟手术规划、假体设计、场景仿真等功能。进一步也可将人体功能性信息赋加到数字化三维模型上，结合运动捕捉系统及虚拟现实系统，可以仿真真实模拟人体的各种运动。通过力反馈装置，可以提供视、听、触等高沉浸感操作，这就形成了数字化虚拟现实增强的模拟人。目前国外已经出现了个性化虚拟器官模型[19]，通过改变模型的参数可以得到不同的病理分析结果。此外，欧盟启动的IUPS/EMBS生理人体计划目标是建立一个能够在计算机上模拟人体各种生理过程的虚拟人体模型，目前该项目在人体的生理系统建模方面已经进行了许多颇有成效的研究[20]。近些年来，随着分子生物学、细胞生物学、医学影像技术的不断发展，超级计算机运算速度的飞速提高，以及一些新的医工交叉领域研究方法的出现，促进了数字化虚拟人体技术的快速发展。我国虽然在这方面起步较晚，但发展很快。自2002年以来，南方医科大学和第三军医大学分别完成了中国数字人的原始切片数据采集工作，2006年由上海交通大学牵头启动了中国力学虚拟人研究计划，目前该计划已经建立了中国力学虚拟人计算服务平台，该平台可通过互联网为全球的用户提供建模计算服务。同时与欧盟等国际同行进行了合作，将逐步建立国际力学虚拟人研究计划，目前已经开展了亚洲人种虚拟建模研究项目。与此同时，数字医学技术在临床实际中取得了广泛应用，获得了较好的应用效果，大幅提高了临床诊断和治疗水平。以影像诊断为例，由X线、CT、MRI的二维图像到三维、四维图像，使影像诊断的准确性和精细度大为提高。近年来，随着虚拟手术规划、手术导航、个性化CAD/CAM等技术的数字医学技术的出现，使得临床手术的准确性和个体匹配性大为提高。随着数字医学技术研究的深入和应用的推广，传统医学将会发生更大变化。
数字医学技术在战伤救治训练中的应用
1数字医学建模技术数字医学建模是数字医学及相关学科的研究基础，没有一个能够精确地反映真实医学过程的数字化模型，就无从进行任何数字医学方面的研究。数字医学建模主要分为3个部分，分别是数字医学图像处理与分析、人体组织器官的三维重建以及人体病理生理变化过程的数字建模。数字医学图像处理与分析是整个建模的基础，医学影像数据可以为医务工作者提供多角度、多层次的信息，辅助医生进行正确诊断、治疗计划、术间导航、术后跟踪监测等。同时，准确丰富的医学影像数据也是人工器官、医用内植物、人工关节等医学工程领域的重要参考依据。自从20世纪70年代MRI技术诞生以来，针对各种医学影像的分割算法研究迅速发展起来。目前应用较多的医学图像分割方法主要有2种，分别是基于图像区域的分割方法和基于边缘检测的分割方法。基于图像区域的分割方法是通过检测同一区域内的均匀性是否一致，来识别分割图像中的不同组织，如阈值分割法、区域生长和分裂合并法、分类器和聚类以及基于随机场的方法等。而基于边缘检测的分割方法则是通过边缘检测技术把不同区域组织提取出来进行图像分割，如并行微分算子法等。
2战伤救治场景的数字化三维重建技术战伤救治场景的数字化三维重建技术是战伤救治虚拟仿真训练系统的主要内容，随着计算机图形技术的飞速发展，近年来出现了许多新的建模技术和设备，如数字化三坐标仪、人体运动捕捉系统、三维跟踪器、数据手套、头盔显示器、Vega虚拟现实建模技术等，这些新技术和新设备的出现，使得沉浸式虚拟现实系统的应用更加广泛。在采集和统计战伤救治各种场景数据的基础上，利用高效快速的数字化三维建模技术，可对战伤救治场景进行数字化虚拟现实三维重建。目前常用的数字化三维重建方法主要有面绘制法和体绘制法两类。面绘制法是指从医学影像设备输出的切片数据集构造出三维数据，然后在三维数据中抽取出等值面进行三角剖分，再用图元绘制技术实现表面绘制。该方法可有效绘制三维数据中具有某个特定值的表面，但无法表达三维体数据的内部信息。而体绘制法则是将三维体数据中的“体素”作为基本的绘制单位，该方法充分利用了三维体数据中的每一个体素，能够根据需要显示三维对象的内部信息。其缺点是由于体素数据计算量大，从而导致重建速度变慢，可通过提高计算机计算渲染速度加以解决。
3战伤救治训练虚拟仿真技术由于各种技术条件的限制，传统的战伤救治训练是采用书本授课的方式进行的，受训人员缺乏实际操作经验，训练效果不够理想，很难在真正需要时及时提供有效的救护。近年来，随着先进制造技术和计算机技术的迅速发展，以美军为代表的西方发达国家军队开始使用计算机仿真技术来进行战伤救治训练研究，取得了较好的效果[21-22]。美军近年来在该领域投入了大量的经费，研发出了一系列用于战伤救治训练的数字化仿真模拟装备。自1999年至2007年大约资助了超过150个该领域的研究项目，累计投入超过6000万美元，使得该领域研究成为美国防部投入最多的科学研究领域之一。美军建有医疗模拟培训中心（medicalsimulationtrainingcenter），美国防部每年培训10万名部队医护人员。其研究内容涵盖战伤急救、护理及外科手术的模拟培训等方面。取得一系列研究成果与实物装备，如先进医疗训练技术（advancedmedictrainingtechnologies，AMTT）系统、高级创伤救护仿真技术（simulationechnologiesforadvancedtraumacare，STATCare）系统及一系列虚拟现实培训系统（如图1~3所示）。目前我军还没有针对战伤救治的模拟人。自2005年起，我所开展了虚拟现实、数字人体、操作感知等关键技术研究，研制成战伤止血、心肺复苏（CPR）、搬运等模拟训练系统，取得了很好的训练效果。#p#分页标题#e#
展望
战伤救治是伤员或战友在战场上利用简单的材料进行通气、止血、包扎、固定、搬运等初步急救处理的过程，作为指战员在伤后第一时间开展的救治活动，其不仅对以后的各级卫勤机构开展医疗救护打下重要的基础，而且对提高整个战伤救治成功率、降低伤死率、伤残率起着重要的作用。战伤救治能力建设直接关系到各种战现场情况下广大官兵的生命健康，为了改变目前战伤救治训练教学的不足，必须研制先进高效的训练模拟装备。数字医学技术是当今医学科技及装备发展的前沿方向，给传统医学带来了深刻的影响，同时也为战伤救治训练装备的研究提供了新的方法和手段。美、英等西方发达国家对此给予了高度重视，美军已经研制出一系列的基于数字医学技术的战伤救治训练模拟装备和虚拟软件系统，取得了很好的训练效果。近年来，我所在我军战伤救治训练模拟装备的研究方面做了许多工作，成功研制了一系列模拟训练装备，取得了很好的训练效应。下一步应重视数字医学虚拟建模和仿真技术的应用，加强虚拟训练系统的研究，进一步提高训练效果和效率。
[关键词]数字制造；离散化；数字化；建模
中图分类号：P231.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0359-02
1 数字制造的概念
1.1 数字制造的内涵与定义
数字制造被认为是一种可以减少生产时间、成本，而且可以照顾用户的个性化需求、提高产品质量、加快对市场的反应速度的技术。大的汽车和飞机生产商在探索利用先进的三维虚拟软件、虚拟现实技术以及产品生命周期管理系统（PLM）的数字制造，它不仅帮助制造过程的实施，也有利于在产品开发阶段了解产品是否能在可承受的成本内制造。数字制造是在计算机和网络技术与制造技术的不断融合、发展和广泛应用的基础上诞生的，其内涵是：（1）以CAD/CAM/CAE为主体的技术；（2）以MRP Ⅱ（Manufacturing Resources Planning，制造资源计划）、MIS（Management Information System，管理信息系统）、PDM（Product Data Management，产品数据管理）为主体的制造信息支持系统；（3）数字控制制造技术。数字制造技术是数字化技术和制造技术融合形成的，且以制造工程科学为理论基础的制造技术的重大革新，是先进制造技术的核心。数字制造的定义，指的是在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品的整个制造过程。也就是说，数字制造实际上就是在对制造过程进行数字化的描述而建立起的数字空间中完成产品的制造过程。
1.2 几种数字制造观
1.2.1 以控制为中心的数字制造观
数字制造的概念，首先来源于数字控制技术（NC或CNC）与数控机床，这是数字制造的重要的基础。随着数控技术的发展，先后出现了对多台机床用一台（或几台）计算机数控装置进行集中控制的直接数字控制（DNC） ，可以加工一组或几组结构形状和工艺特征相似的零件的柔性制造单元（FMC），以及将若干柔性制造单元或工作站连接起来实现更大规模的加工自动化就构成了柔性制造系统。以数字量实现加工过程的物料流、加工流和控制流的表征、存储与控制，这就形成了以控制为中心的数字制造观。
1.2.2 基于产品设计的数字制造观
正如数控技术与数控机床一样，CAD的产生和发展，为制造业产品的设计过程数字化和自动化打下了基础。将CAD的产品设计信息转换为产品的制造、工艺规则等信息，使加工机械按照预定的工序和工步的组合和排序，选择刀具、夹具、量具，确定切削用量，并计算每个工序的机动时间和辅助时间，这就是计算机辅助工艺规划（CAPP）。指出数字制造近年来还融入了CAPE（Computer Aided Production Engineering），这是一种新的计算机辅助工程环境，制造过程的环境信息可以被工程师应用到今后的制造系统及其子系统的设计和实施。
1.2.3 基于管理的数字制造观
从数字制造的概念出发，可以清楚地看到，数字制造是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。在数字制造环境下，用户和企业在广域内形成了一个由数字织成的网，个人、企业、车间、设备、经销商和市场成为网上的一个个结点，由产品在设计、制造、销售过程中所赋予的数字信息成为主宰制造业的最活跃的驱动因素。
另一方面，数字制造包含了以控制为中心的数字制造、以设计为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。当前，网络制造是数字制造的全球化实现，虚拟制造是数字工厂和数字产品的一种具体体现，而电子商务制造是数字制造的一种动态联盟。
2 数字制造的本质和核心问题
数字制造的本质是制造信息的数字化，而数字化的核心则是离散化。其本质是如何将制造的连续物理现象、模糊的不确定现象、制造过程的物理量和伴随制造过程而出现和产生的几何量、企业环境、个人的知识、经验和能力离散化，进而实现数字化，即是将它们表示为计算机可以识别的模式。
离散化和数字化的过程，将涉及一系列理论基础问题，计算制造学是最核心的理论基础。这里，计算制造学就是建立各种制造计算模型，对产品进行数字化表征与传递、建模与仿真，这是计算制造学的关键技术，也是数字制造的基础和核心科学问题。
3 数字制造的建模方法
数字制造系统的建模对象涉及到广义的制造过程，包括制造环境、制造行为和制造信息。数字制造系统的目标，就是要在数字化的环境中完成产品的设计、仿真和加工。即接到定单后，首先进行概念设计和总体设计，然后是计算机模拟或快速原型过程，直至工艺规划过程、CAM（computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）和CAQ（Computer Aided Quality，计算机辅助质量管理）过程，最终形成产品。
下面重点介绍这一过程中的基于物理的建模与仿真这一环节。
建模与仿真可广泛用于产品开发过程，包括方案论证、设计、分析等各个阶段[9]。在这个过程中，常常需要把现有的对象融入虚拟环境中。例如，机器人是一种综合了机、电、液的复杂动态系统，通过计算机仿真可以模拟系统的整体状态、性能和行为。揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而避免或减少机器人设计划造以及运行过程中的问题。目前新产品的设计和制造规划越来越多地借助于计算机仿真来实现。
近年来，数字样机（Digital Mock-up）技术成为产品开发中的一个研究热点。数字样机就是把CAD基于物理的建模、仿真和产品全生命周期管理系统综合起来，形成一个虚拟产品开发环境，使产品开发人员能够在这种环境下策划产品、设计产品、预测产品的运行性能特征以及真实工况下可能具有的响应，从而减少设计迭代的次数，减少甚至取消制作物理原型样机，以改善设计，有效地缩短产品的开发周期。支持产品开发的建模与仿真是一个十分复杂的系统，需要许多单项技术的支持。但同时也存在许多共性问题如三维建模、约束运动学相动力学分析、计算算法相求解等。在建模仿真系统研究与开发中，可以采用基于商品化软件平台二次开发的策略，把研究集中在可制造性分析和产品物理性能建模等方面。在产品的设计过程中，数字样机可根据需要随时改变，以满足测试与评估的需要。数字样机为面向技术要求、制造性能、可维护性的设计提供了集成可视化、虚拟环境和虚拟原型技术的计算平台。
4 数字制造应用实例
4.1 需求分析
平面二次包络环面蜗杆副（简称平面二包蜗杆副）有着优良的传动性能，但这些优良性能必须以较高的制造精度、安装精度来保证。长期以来，平面二包蜗杆副都采用对偶范成法加工，这种加工方法由于工艺复杂，难以解决精度差的痼疾，且制造成本高、使用寿命短，这限制了平面二包蜗杆副的推广普及。在数字化时代，必须应用全新的数字制造模式来解决平面二包蜗杆副制造的瓶颈。在此模式下，只有在保证最优设计指标的基础上，采用先进的制造技术才有可能完成最优的实体型面加工。
4.2 数字制造方案
制造信息是贯穿制造全过程的精髓，制造信息的产生、处理、传递和应用是决定产品制造敏捷性、精确性、经济性的关键因素。在信息驱动型制造业中，制造信息的数字化是数字制造的前提条件。平面二包蜗杆副的制造信息数字化应包括两方面内容：①蜗杆副实体的三维数字化建模；②数字化制造工艺规划。数控加工是数字制造的最终目标。在传统生产模式下，平面二包蜗杆副必须使用专用机床加工，这是制造成本高的根本原因。在数字制造模式下，只要获得蜗杆副型面的精确数学模型，就可使用通用数控机床对不同模数、不同中心距的蜗杆副进行统一加工。具体的实施方案如下。
4.2.1 平面二包蜗杆副的数字化造型
平面二包蜗杆副蜗轮齿面形状复杂，用虚拟加工的造型方法虽然可以获得蜗轮齿面，但往往精度不高。NURBS方法具有表示与设计自由型曲线曲面的强大功能，是形状数学描述的主流方法之一。由于蜗杆副啮合型面理论接触线方程已获得严格数学推导，因而啮合型面的造型可以认为是已知数学模型的自由曲面造型。在进行蜗轮真实齿面的造型时，可基于经典的齿面啮合理论，针对真实齿面啮合分析的特点，由NURBS齿面上的拓扑离散数据点构造齿面曲线，再由齿面曲线构造插值曲面，实现参数化NURBS自由曲线曲面理论与经典啮合理论的有机结合，在此基础上建立面向几何又有严格数学支持的蜗轮齿面数学模型。
在完成啮合型面造型之后，整个型面可以用统一的参数方程加以描述。利用这个参数方程可以计算齿面上任意点处的型值，并以此构成啮合型面关系数据库，这就为数控加工提供了数据基础。
4.2.2 平面二包蜗杆副数字化工艺规划
平面二包蜗杆副在数控加工环境下的工艺过程包括毛坯的选择、各表面最终加工方法的确定、制订工艺路线、工序设计等步骤。针对平面二包蜗杆副这种目标明确的产品，使用基于成组技术（GT）的派生式工艺生成系统。
接下来是对平面二包蜗杆副的数控加工，采用数控车床、磨床加工蜗杆，蜗轮齿面直接采用多坐标联动数控机床直接控制球头铣刀加工出近似蜗轮齿面。在平面二包蜗杆副的误差检测阶段可采用全数字检测：用三坐标测量仪扫描蜗杆副实际齿面，将测量数据输入计算机；然后，基于测量数据进行蜗杆副实体的计算机重构；最后，将重构型面与计算机仿真理论型面进行比较，可获得实际加工误差。
5 结语
制造信息的数字化是数字制造的本质和前提。本文以在传统模式下设计、加工复杂，难以适应市场快速多变要求的平面二包蜗杆副为例，将平面二包蜗杆副的制造信息数字化――包括建立其实体啮合型面关系数据库和基于成组技术（GT）派生数字化工艺规划。采用数字制造技术可以提高对市场反应的速度，满足个性化的需求。
参考文献
关键词:虚拟现实;装备维修训练;系统模型结构
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6810-02
Model Design of Maintenance Training System for Military Logistic Equipment Based on Virtual Reality
XU Yang
(Dept. of Petroleum Supply Engineering, LEU, Chongqing 400016, China)
Abstract: By analyzed the theory and characteristic of virtual reality, considered the system factors and actual needs of logistic equipment maintenance training work, a numeric maintenance training system is designed to adapt for military information-based progress, that is virtual maintenance training system for logistic equipment based on virtual reality. By designed the model framework of training system, analyzed the connotation of all system levels, the theoretical foundation design of every actual logistic equipment maintenance training system is provided.
Key words: virtual reality; equipment maintenance training; system model framework
由于科学技术的迅猛发展,军用后勤装备功能逐渐完善,效能不断增强,其复杂程度和科技含量亦越来越高,随之带来了装备维修训练等一系列相关问题。比如,传统的维修训练主要依靠装备使用手册,或者是维修工作中积累的历史经验,但后勤装备因其战场定位和配备情况不同于武器装备,平时操作使用程序复杂,影响因素较多,导致其维修工作效率较低,装备故障形式可遇而不可求。尤其对新装备来说,由于其价格昂贵且数量有限,结合实装的传统维修训练成本就更高了。在这种情况下,后勤部队亟需一种适应信息化建设发展的高效便捷的数字化训练方式,而虚拟现实及其技术因其高模拟化、高集成性等多种特点,在后勤装备维修训练上的应用也就应运而生。
1 虚拟现实
虚拟现实,又称为灵境,是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟世界是由计算机生成的,通过视、听、触觉等多感知方式作用于用户,使之产生身临其境的沉浸感、交互感[1]。虚拟现实系统具有3个最基本特征:沉浸感(Immersion)、交互感(Interaction)和想象感(Imagination),即3I特征[2]。它是对虚拟现实概念的定性阐述,也是判断虚拟现实系统的首要标准。目前,根据虚拟现实发展进程,基于不同层次的仿真计算和实现方法,虚拟现实大致可分为以下三种类型,即利用个人计算机、低档工作站进行仿真,通过各种外部输入设备、感知设备进行操控的个人桌面平台式虚拟现实;对真实场景利用虚拟技术进行模拟仿真,通过数据手套等各种沉浸式感知设备进行操控的增强型虚拟现实;利用多用户、分布式计算机,通过网络连接,同时参与同一个虚拟空间中虚拟物体的操控的分布式虚拟现实。
2 虚拟维修训练系统模型结构设计
虚拟维修是虚拟现实技术在维修性工程上的一个发展,即实际维修过程在计算机及相关设备上的本质仿真实现。它是采用计算机仿真与虚拟现实技术,通过协同工作的模式,实现装备维修性的设计分析、维修过程的规划与验证、维修操作训练与维修支持、各级维修机构的管理与控制等装备维修的本质过程,进而增强装备全寿命周期各阶段、全系统各层次的决策与控制能力。虚拟维修在装备全寿命周期阶段的应用主要集中在两个方面:产品开发和维修训练[3]。
虚拟维修训练系统,即维修活动与训练工作的数字化实现方式,它是利用CAD技术、VR技术、PDM系统等计算机仿真方式创建训练平台,用于对装备使用维修人员的培养和训练[3]。
虽然后勤装备类型繁杂,数量众多,不同的装备结构决定了不同的功能,其虚拟维修训练系统具体形式也不尽相同,但通过分析研究虚拟现实技术原理和装备维修性工程理论知识,后勤装备虚拟维修训练系统应当具有统一的系统结构框架,即符合虚拟现实特征,适用于装备信息化建设发展,满足部队实际需求的一种系统性、集成化训练模型。据此,虚拟维修训练系统模型结构主要分为系统界面、训练核心、数字模型和技术支持等四个层次,如图1所示。
2.1 系统界面
系统界面层是装备维修训练人员与虚拟系统的交互方式和接口。它主要包括输入界面和输出界面。输入界面是系统接受使用人员的输入命令、响应鼠标与键盘事件,采集装备CAD系统和维修性工程的数据,以及其他外设硬件的应用,如数据手套、头盔显示器、语音输入、行为输入等。输出界面主要是将虚拟系统应用层的过程现象和处理结果以交互式的静、动态图像和各种音频形式反馈给使用人员。输入界面为虚拟系统应用层提供建模与仿真数据的来源和更新,以匹配维修训练所需的各种装备模型和过程参数,并通过输出界面以多感知、多媒体形式实现系统的虚拟现实特征,即沉浸感、交互感和想象感。可以说,系统界面层就是训练系统体现虚拟现实优越性的感知窗口。
2.2 训练核心
训练核心层是装备虚拟维修训练系统应用功能实现的核心。它是基于系统界面层的各种输入命令,通过预先编制的程序,调出或运行系统模型层里的相应模型数据或参数,再经过程序计算,最后利用输出界面把处理结果和信息反馈给训练人员。训练核心将系统界面与系统数字模型一一对应起来,是整个虚拟训练系统的控制大脑,保证了系统功能的实现。
装备虚拟维修训练系统是以训练为手段,以装备结构和故障模式为基础,以使用操作和维修操作为目标。因此,系统训练核心主要分为装备结构与操作训练和装备故障诊断与维修训练两大模块。模块体系由建模、过程和考核评价等内容组成。建模包括装备结构建模、故障建模、过程建模等。过程既包括装备平时使用操作过程、故障诊断过程、维修操作过程,也包括装备维修保障的组织、管理、运作等过程。考核评价是对每个模块的训练目标进行分析、评价、优化,以期达到提高装备操作人员和维修人员的操作技能。
2.3 数字模型
数字模型层是用于储存、生成、维护和管理虚拟训练系统运行过程中所需的各种模型数据和虚拟参数。它包括装备CAD模型、装备故障与诊断模型、装备维修性过程模型、训练系统组织模型、训练系统信息模型、虚拟人模型、虚拟设备模型、虚拟环境模型等,并为系统训练核心层提供数据支持接口,完成模型对象对应系统界面层的数据组织、储存和调取。数字模型就如同每个人的知识积累和经验阅历,只有不断丰富完善的模型内涵,才能满足训练人员不断增长的学习需求。
任何模型都应包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能约束条件、模型的空间和模型的多种形态等特征说明。而基于VR技术的建模与仿真,其理想追求是一种可实现人、机、环境自然交互的“世界”,虚拟模型的视觉、听觉、触觉感知如同真实装备一样。但因成本和技术等客观因素,桌面式虚拟现实系统仍然得到了广泛应用。基于桌面式虚拟现实系统的模型又可分为数字式和半实物两类,而在虚拟训练系统中,一种采用视景仿真技术模拟装备外观,实现部分装备实物的模型正在不断发展完善。模型细节程度可根据训练需求进行裁减,使用及维修操作过程的训练亦可更直观、更快捷的表现出来。这些功能和要求的实现则是建立在系统技术层的相关技术基础之上。
2.4 技术支持
技术支持层是支撑虚拟维修训练系统运行、功能实现的软硬件及其技术。它包括装备CAD建模与仿真技术、多媒体培训系统软件、系统数据管理(PDM)系统、管理信息系统、虚拟现实技术与设备、操作系统与网络环境、虚拟样机与环境系统建模与仿真技术等。其中,虚拟现实外设包括数据手套、三维显示头盔、立体眼镜、三维跟踪捕捉仪、数据衣等,用以获取人体行为动作参数、计算姿位参数、传递控制指令、反馈多感知信息等,它充分体现了虚拟现实技术的沉浸性和交互性特点。
3 结束语
军用后勤装备维修训练是后勤部队训练工作中的一个重要组成部分。如何推进后勤装备维修训练行之高效,不断适应部队信息化建设发展的需要,提高装备操作人员的技能水平,这是一个需要长期深入研究的重要课题。由于后勤装备类型繁杂,功能结构不一,如何建立虚拟维修训练系统类别还需要进一步分析、研究;构建虚拟维修训练系统的各种装备模型,装备技术手册内容数字化实现,装备故障及修复数据的采集等大量工作还需要进一步研究、规划。
参考文献:
[1] 郝建平.虚拟维修仿真理论与技术[M].北京:国防工业出版社,2008:1-5.
[关键词] EWB仿真软件；数字电子技术；设计型实验
Abstract：This article introduced functions and chracteristics of the simulation software EWB. It expounded the application of this software in numerical electronic technology design experiments with examples of electronic circuit，and the strong and weak points of EWB simulation experiment and real field experiment，and put forward the teaching of electronic circuit experiment with integration of simulation-real field is the best model in modern experiment teaching in numerical electronic technology.
Key words：EWB simulation software；digital electronic technology；design-oriented experiment
1 引言
数字电子技术设计型实验是数字电子技术课程重要的实践性教学环节，是对学生学习数字电子技术的综合性训练，其重点是要求学生综合所学的理论知识和专业技能，设计制作功能较为复杂的电路，研究解决具有一定深度和工作量的小课题。其目的是巩固和拓展学生所学的基本理论和专业知识，培养学生综合应用、独立分析和解决实际问题的能力，培养学生设计能力和创新型思维能力。
在传统设计型实验中，一方面受实验室元器件及实验设备的品种、规格和数量上不足的限制，不能满足各种新电路的设计和调试的要求，使得实验项目开设数量有限，且内容更新缓慢，学生只能在规定的时间和空间完成老师指定的设计项目，而且受元器件品种和数量的限制，学生的设计方案只能“量体裁衣”，有些独特的想法和设计思路难以实现。另一方面设计过程中电路的安装、调试、测量过程是在实验箱和面包板上进行，往往需要反复进行多次，这就难免出现错误连线和器件损坏的现象，不仅使电路调试费时费力，还可能造成错误的性能评价，易导致学生产生厌烦情绪和对设计型实验的畏惧心理，致使设计型实验不能达到预期效果。由此可见，传统设计型实验教学方式在某种程度上制约了学生创新意识的培养，阻碍了学生主动探索的积极性，对高职教育培养技能型人才极为不利。
如果把Electronics Workbench(EWB )电子设计自动化软件应用到数字电子技术设计型实验教学中去，应用计算机进行辅助分析与设计，不仅有助于解决上述传统数字电子技术设计型实验教学中存在的问题，使学生学到新的电子设计技术，提高设计水平和实验效率，而且还会拓展学生所学知识的应用范围，进一步提高学生的职业综合素质。
2 EWB软件的特点与应用
EWB软件是专门用于电子电路设计与仿真的“虚拟电子工作台”软件，其功能强大，能够提供电阻、电容、三极管、集成电路等十几个大类几千种元件；能够提供示波器、万用表等十几种常用的电子仪器；具有强大的电路图绘制功能及波形显示功能。用该软件对电路进行设计、分析非常方便。将EWB软件引入到数字电子技术设计型教学中，为学生提供了一个大胆思维、充分发挥创造性的实验环境。EWB软件的设计试验区好像一块“面包板”，在上面可以建立各种电路进行仿真实验。与其他电路仿真软件相比，具有界面直观、操作方便等优点。它改变了一般电路仿真软件输入电路必须采用文本方式的不便，创建电路的元器件和测试仪器等均可直接从屏幕上器件库和仪器库中直接选取。EWB 中的元器件库不仅提供了数千种电路元器件供选用，而且还提供了各种元器件的理想值。 因此，仿真的结果就是该电路的理论值，这对于验证电路原理，开发、设计新电路极为方便[1]，同时具有很大的灵活性。数字电路的分析、设计与仿真工作实现于轻点鼠标之中，由于使用了虚拟仪器技术，仿真电路就像在实验室实际操作一样，元器件可随便调用，参数可随意修改，一个方案不成功可抹掉重来，不怕元件损坏，不怕仪器出现故障，而且不受时间、地点、人数的限制，实验器件品种、型号齐全。学生不受规定实验项目的限制，能充分发挥其主观能动性和创造性，实验过程不仅充满无尽的乐趣，而且大大提高了电子设计工作的质量和效率。
在设计型实验教学中，首先要求学生对自己所设计的电路通过EWB 软件平台进行仿真模拟(虚拟仿真实验) ，其次要求学生用硬件来实现该电路(实物实验) ，并将虚拟仿真实验的结果与硬件实验的结果进行对照分析。这样不仅培养了学生对数字电路进行仿真实验的能力和在软件平台上进行电路设计的能力，而且便于学生随时改变电路结构、元器件参数来调整(修改) 电路，使之更好地满足设计所提出的性能指标的具体要求，得到较为理想的设计电路。
3 数字电子技术设计型实验举例
3.1 设计任务和要求
设计一个汽车尾灯控制电路。其设计要求为：假设汽车尾部左右两侧各有三个指示灯(用发光二极管模拟)。(1) 汽车正常运行时指示灯全灭；(2)右转弯时，右侧三个指示灯按右循环顺序点亮；(3)左转弯时，左侧三个指示灯按左循环顺序点亮；(4) 临时刹车时，所有指示灯同时闪烁[2]。用三个开关控制指示灯的点亮状态。其中两个是转向控制开关：[1]用于左转；[2]用于右转；还有一个是模拟脚踏制动(刹车)开关[3]。
3.2 设计方案
根据设计要求，画出汽车尾灯控制电路原理框图，如图1所示。
3.3 基本原理及单元电路设计
3.3.1 工作原理
汽车尾灯控制电路是由振荡电路、三进制计数器、译码电路、显示驱动电路和开关控制电路等电路组成。由于汽车左右转弯时，三个指示灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路顺序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。
3.3.2 三进制计数器电路的仿真设计
三进制计数器电路可由双JK触发器7476构成。如图2所示。使用EWB 软件平台中的元器件创建电路，其中输出1Q、2Q均连接到显示器件探测器(指示灯)上，可以通过探测器发光与否来直接观察电路的输出状态(该探测器若发光则表示为高电平“1”；若不发光则表示为低电平“0”)。时钟脉冲控制信号CP(为了突出设计电路的简捷，省略了该部分电路的设计)直接采用EWB软件平台中的脉冲信号源(其频率7 Hz、幅值5 V、占空比50% )来替代。创建电路图完毕，进行仿真分析实验，即按下“启动/停止”开关，运行EWB模拟程序对所设计的实验电路进行模拟分析，从探测器指示灯上的状态可以直接观察出实验结果。还可以用虚拟逻辑分析仪来观CP、1Q、2Q的输出时序波形图。如图3所示：
3.3.3 汽车尾灯电路的仿真设计
汽车尾灯电路由译码电路和显示驱动电路组成。其显示驱动电路由6个发光二极管和6个反相器(7404)构成；译码电路由3—8线译码器74138和6个与非门(7400)构成。74138的三个输入端A、B、C分别接三进制计数器的输出端1Q、2Q和转向控制开关[2]。当[2]=0，使能端信号G=0(译码器工作)、S=1，计数器的状态为00、01、10时，74138对应的输出端Y0、Y1、Y2依次为“0”有效，即反相器G1～G3的输出端也依次为0，故指示灯按D3D2 D1顺序点亮。若上述条件不变，而[2]=1时，则74138对应的输出端Y4、Y5、Y6依次为0有效，即反相器G4～G6的输出依次为0，故指示灯按D4 D5 D6顺序点亮。当G=1(译码器禁止译码)、S=1时，74138的输出全为1，G1～G6的输出也全为1，指示灯全灭；G =1、S=CP时，指示灯随CP的频率闪烁。(“1”表示高电平，“0”表示低电平)，电路中限流电阻取值为0.2 kΩ。电路如图4所示。
3.3.4 开关控制电路仿真设计
开关控制电路用异或门(7486)和与非门构成。设74138和显示驱动电路的使能端信号分别为G和S。当[3]=0时：[1]=1、[2]=0表示汽车左转；[1]=0、[2]=1表示汽车右转；[1]、[2]全为1或全为0表示汽车正常行驶，[3]=1表示汽车临时刹车。汽车正常运行时G=S=1；汽车转向时G=0、S=1；汽车临时刹车时G=1、S=CP。可以通过探测器发光与否来直接观察G、S的输出状态。其电路如图5所示：
3.4 汽车尾灯控制电路的仿真分析
将各模块电路连接成完整的仿真电路，时钟脉冲控制信号CP直接采用EWB软件平台中的脉冲信号源。如图6所示：
接通仿真开关，进行电路仿真分析实验。按数字键3，使刹车控制开关[3] 接低电平，接着按数字键1和2，使转向控制开关[1]=1、[2]=0，此时发光二极管按D3D2D1顺序循环点亮，示意汽车左转；使[1]=0、[2]=1，此时发光二极管按D4D5D6顺序循环点亮，示意汽车右转；使[1]=[2]=0或[1]=[2]=1，发光二极管全灭，示意汽车正常行驶。
再按数字键3，使刹车控制开关[3]=1，此时无论转向控制开关[1]和[2]取何值，都将看到发光二极管D1～D6均随时钟脉冲控制信号CP频率闪烁，示意汽车临时刹车。由仿真分析可知，通过EWB软件平台仿真设计的汽车尾灯控制电路满足课题的设计要求，而且仿真过程方便、直观，效果生动、形象。
4 EWB仿真实验与实际硬件实验的有机结合
从实例分析可见，EWB软件平台本身含有强大的元器件库，从而不受经费和数量的限制，可以随时改变电路元器件参数来调整电路，使之更好地接近设计要求。但仿真实验也有它自身的局限性，利用EWB软件设计的电路仅仅是一个虚拟的电路，与实际电路有着本质的区别，由于EWB是通过计算机仿真来实现的，在对培养学生实际操作能力与元器件、仪器设备的使用能力方面存在着不可避免的缺点，如果学生只在EWB技术软件平台上进行仿真分析与设计实验，而不经过实际实验的验证，那么电路设计也只是“纸上谈兵”。因此在数字电子技术设计型教学中要注意“虚”与“实”的有机结合，充分发挥仿真实验——“虚”与硬件实验——“实”的各自优势，通过仿真实验加深对理论的理解，建立动态、形象、直观的感性认识；而通过实际硬件实验增强实际动手能力，积累设计、调试、革新等方面的实践经验。电路的仿真实验和电路的硬件实验之间的关系是相辅相成的，二者缺一不可[3]。所以，对于设计型实验应要求学生在设计好电路之后，必须使用EWB软件平台进行电路仿真、调试，优化电路结构和参数，以得出最佳、最优的电路设计方案。最后，再用硬件电路来实现，这才是现代数字电路设计型实验最佳的实验教学模式。将EWB软件平台的仿真实验和实际动手操作的硬件实验两者有机地结合起来，可使综合设计性实验的实验教学方法更加充实、更加完善，而且通过“虚”——“实”结合、相互补充的实践教学方式强化了学生工程实践能力，增强了实验教学的效果。
[参考文献]
[1] 路而红.虚拟电子实验室 [M].北京：人民邮电出版社，2001：1-3.
[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 (Virtual Manufacturing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（Virtual Reality Technology）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
关键词：城市规划；虚拟现实技术；应用
中图分类号：G710 文献标识码：A 文章编号：1003-2851（2012）04-0236-03
一、虚拟现实技术的介绍
1.什么是虚拟现实技术
随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术成为近年来计算机软件技术的一项新兴技术。由于虚拟现实技术的直观性很强，能在电脑上进行模拟仿真，比平面图像更能说明问题，并且更具有经济性，即省时间由省人力，能够广泛的为各个领域所运用。可以说虚拟现实技术给社会发展带来的便捷将使其能够大显其道，虚拟现实技术的运用也是近年来的发展方向。
虚拟现实技术按照维度虚拟程度的不同分为三维虚拟技术和全维度虚拟技术。全维度虚拟技术是目前国外在虚拟仿真领域的研究，其研究内容是使虚拟技术完全脱离三位维度而向一个全立体虚拟环境发展。中国目前运用最为广泛的是三维虚拟技术。而三维虚拟技术的运用正是本文重点论述的内容。
三维虚拟技术属于三维图形技术行列。三维图形技术分为两大类，一是三维虚拟技术；二是三维动画技术，两者都用于模拟真实世界和想象世界。由于两者的应用原理不同，其应用领域也大不相同。
三维动画技术采用的是传统的计算机动画，采用关键帧的方式制作，先进行三维预渲染，得到了完整的三维动画视频之后利用播放器将动画播放出来，所以三维动画技术被广泛运用于电影、广告等预先设计好的演示。
在此我将重点论述三维虚拟技术在城市规划领域的应用和研究，之所以以此作为论题是由于三维虚拟技术在城市规划上的应用最为广泛，随着时代的不断进步，社会对城市建设、城市规划的要求越来越高。网络社会的概念不断加强，三维虚拟技术能够更好更便捷的为我们城市规划建设服务。这种技术适应了社会现代化的要求，使虚拟仿真技术很好地运用在城市规划设计上，为我们的城市建设工作更加省时省力并且能更加全方位思考。在计算机平台上进行虚拟操作可以从各个方位多个角度思考规划方案，能从早期发现问题解决问题。
由于三维虚拟技术的虚拟仿真性，使其更多运用在城市规划建设的工作中。这一技术的扩充性和延展性很强，通过我们的不断研究能使其在城市建设领域以及城市建设的其他领域起到的作用不断加大，为城市建设事业带来更多收获。
2.三维虚拟技术的发展历程
三维虚拟技术属三维行业领域。三维行业在中国的起步时间是上世纪九十年代。自98年看是到现今其经历了一个扩张时期，这是三维行业在中国市场大放异彩。目前在中国的三维行业可以分为以下几个分支：1、电影、广告；2、游戏；3、电视包装；4、城市建筑，其中以城市建筑领域的运用最早也最为广泛。
最早的三维技术实现平台是由美国的Autodesk公司开发的3d Studio Max软件。此软件是一款基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。早期的三维技术在中国建筑领域的运用由于技术原因有很大的局限性，三维技术只能实现建筑效果图的绘制以及部分简单的跑相机似的建筑动画。随着3D技术的不断完善以及日益多元化的创作手段的出现，三维技术在建筑业所起的作用也日益增强。目前实现三维技术的主流软件主要有：3ds Max、Maya、Softimage/XSI、Lightwave3D、Cinema4D、PRO-E、Rhino（Rhinoceros犀牛）等。由于三维技术的日益完善以及它所带来的强大的经济效应，三维虚拟技术的概念也日渐成熟。
三维虚拟技术是三维动画技术的一种，与三维动画技术的区别在于三维虚拟技术还具备三维动画技术所没有的实时性和交互性。三维虚拟技术是虚拟仿真技术的一种，是局限在三维空间之下的一种虚拟仿真，而虚拟仿真技术的另一种全维度虚拟仿真也被称之为虚拟现实技术。这种技术出现在20世纪末期，它的出现引起了人们的广泛关注。目前国外正在对此领域进行深入研究，我将在国外研究部分做出论述。
3.国内在虚拟仿真领域的研究以及存在问题
三维虚拟技术目前在建筑领域的运用有城市漫游动画、建筑漫游动画、房地产漫游动画、小区浏览动画、楼盘漫游动画、三维虚拟样板房、楼盘3D动画宣传片、地产工程投标动画、建筑概念动画、房地产电子楼书、房地产虚拟现实等动画制作。
三维虚拟技术在我国城市规划、城市建设的发展前景是不可估量的。由于三维虚拟技术的不断发展，它既能带给观赏者身临其境的感觉；又能模拟尚未实现或准备实施的项目的完成效果。从单一的几何模型到复杂的动态形象，不论是道路、桥梁、隧道、立交桥、街景、夜景、景点、市政规划、乡村规划、乡村形象展示、数字化乡村、虚拟乡村、乡村数字化工程、园区规划、场馆建设、机场、车站、公园、广场、报亭、邮局、银行、医院、数字校园建设等都可以通过三维虚拟技术得以实现。
由三维虚拟技术和现代信息科学技术带给中国经济的发展空间正在不断壮大；由它们所带来的科技化、信息化、智能化的城市虚拟空间将成为21世纪的信息主流源。
二、虚拟现实技术在城市规划领域的应用
1.城市规划简述
城市规划指的是一个城市在一段时期内的发展计划的设定，它研究的是一个城市在未来的一个发展动向，这其中包含了对城市地区的合理布局、城市的各项工程建设的合理部署。它是城市建设和城市管理的重要组成部分，也是城市建设和城市管理的重要依据。一个城市的三个重要管理阶段是:城市规划、城市建设和城市运行，而城市规划则是三个管理阶段中的龙头。
2.城市规划领域使用三维虚拟技术的必要性
在这个以知识经济为核心的信息时代，计算机科学技术已成为全世界公认的本世纪最主要和最核心的科学技术，它已渗透到社会生活的各个方面，影响和改变着人类的思维模式和行为模式。它在城市规划和城市建筑领域的作用更是不容小觑，随着网络技术的不断发展与成熟，计算机辅助设计技术在建筑行业中的应用得到了进一步普及。
在城市规划领域使用三维虚拟技术的必要性将从两个方面进行：①是从城市规划建设方面来看对三维虚拟术应用的必要；②是从城市规划管理方面来看对三维虚拟技术应用的必要。
①是从城市规划建设方面来看对三维虚拟技术应用的必要首先，我们必须要了解城市规划建设在设计上的设计内容。城市建设设计内容主要有：城市宏观设计、城市中观设计、城市微观设计三个层次。
城市的宏观设计指的是对城市的格局和形态的设计，具体为城市的整体分布、城市的功能组团、环境保护、土地利用等。在设计上更加注重城市的关键性特征和自然景观构成。在进行城市宏观设计时，评估的重点是看能否创造高素质城市环境和优美的城市视野，以此来鉴定城市宏观设计的成功与否。
城市中观设计是指设计城市空间与城市建筑之间的关系；具体内容有：用地布局、建筑设计、地标物建设、街道分等等，也就是城市的连接度与整体性、城市的体量与高度的设计。城市中观设计的内容与宏观设计的内容相辅相成，是中观设计更加注重城市的视觉质量、人工建造物的城市角度和适宜度、城市整体轮廓与体量的协调、具体环境的设计与美化等。
在计算机运用上要解决城市建设视景的要求就必须要能再计算机上感官看见以上所说的宏观、中观、微观三个层次的内容，具体而言就是：一是三维地形的显现；二是城市密度、容积率的显现；三是大面积三维建筑的显现。四是能速重绘画面进行实时仿真。而针对以上的要求，三维虚拟仿真技术都能够一一实现，文章在前面具体分析了三维虚拟技术的技术性能。并且可以看出，目前来看运用三维虚拟技术进行城市规划设计适应了时代性和科技性的趋势。
下面我们看看三维虚拟技术在城市规划建设上的具体应用。
三维虚拟技术在城市规划建设上的具体应用按地形而分可以归为三类：一是局部地区城市设计研究；二是大范围城市问题研究；三是区域规划研究。
一是局部地区城市设计研究
城市设计的核心是研究建筑形体和空间要素之间的关系协调，从对城市的环境表现、具体建筑形体刻画、整体模型处理和后续功能研发等方面来看运用三维虚拟仿真技术在制作时再合适不过了。
我们针对城市商务中心区的设计研究来具体说明问题，城市商务中心区设计是属于典型的城市局部地区设计，由于范围不大，我们在选择计算机种类时可以选择中高档PC机进行制作。
然后，我们再根据现有照片、地形原有的平面、立面等图纸资料进行交通设施、环境小品的建模，在三维虚拟技术环境下能够高仿真建模，并且设置VEGA的漫游环境、添加动态模型等工作，最后将制作出的模型文件调入VEGA完成漫游。
二是大范围城市问题研究
以新城区建设为例，新城区的建设规划范围更加广泛，在建立三维仿真时重点应在规划功能的设计开发上。
针对新城区三维仿真的主要功能应该有：方案替换、模型修改（ 高度修改、位置调整等）、矢量规划数据叠加分析、日照阴影分析。其中还包括目前的仿真软件无法实现在漫游过程中的动态阴影的实现。
值得庆幸的是目前国内的以遥感为基础的仿真软件弥补了技术上的不足，运用此软件不仅可以实现在固定观测点上表现建筑在不同时间阴影变化的功能，而且也能够实现地理属性查询。
三是区域规划研究
在进行区域规划的仿真时我们将遥感应用和三维仿真技术结合运用，这样我们就可以实现建立以卫星影像为数据的城区漫游，在数字高程模型的基础上进行区域地区漫游的制作，这样既不影响对区域原有面貌的观看，又能再此基础上进行区域建设和改造，并且能实时对比，运作时即高效又准确，这样的技术结合给我们的城市规划提供了直观而又客观的分析手段。
②是从城市规划管理方面来看对三维虚拟技术应用的必要
三维虚拟技术已经运用到城市建设的方方面面，城市规划作为可视化技术需求最为迫切的领域之一,虚拟现实技术在其诸多方面有着广泛的应用和发展前景，三维虚拟技术提供了非常直观、准确、现时性强的城市规划资料，这为城市建设发展、提高城市管理水平、提升城市规划设计提供了强而有力的依据。
可以说，在城市规划领域对三维虚拟技术的应用是时代的召唤、是技术的支持，三维虚拟技术是城市建设所必不可少的关键性技术。
三、从上海世博会对虚拟现实技术的运用来看未来虚拟现实技术在城市规划领域的发展
1.上海世博会网上世博简介
2010年的上海世博会区别于往届世博会的最大不同就是此次上海世博会运用了虚拟现实技术实现了网络同步的网上世博会。通过2008年中国北京奥运会场馆的建设，中国的建筑漫游动画创作的发展速度越来越快，并且在国内得到了广泛的传播。2010年上海世博会再次使中国的建筑漫游动画得到发展和创新的机会。世博会的主题是：“城市，让生活更美好”，伴着世博会的推广，中国的建筑漫游动画引起了社会各界的广泛重视，使其得到飞速发展。更由于此次世博会的一大亮点是首次举办网上世博会，通过网上媒介，全面引入互联网的传播方式，采用交互设计和多媒体技术等手段，这更加体现出当下互联网的强大以及建筑动画漫游的进步神速。
2.网上世博会的缘起与构架
网上世博会，全称网上中国2010年上海世博会，它是指通过互联网技术、三维技术、多媒体技术，通过虚拟和现实相结合的方式把上海世博会上展示的内容呈现于互联网上，搭建出一个能够进行网络体验和实时互动的世博会网络平台。网上世博会是上海世博会的重要组成部分，是实体世博会的导引、补充与延伸，是上海世博会的两大亮点之一。
能够实现网上世博会这样的创举是由于网络科技时代的蓬勃发展以及三维数字技术的不断进步。网络和三位数字技术的完美结合给予上海世博会全新的展现舞台，使全球公众突破了时空界限，使他们能够全面参与世博，使我们中国的上海世博会实现了真正意义上的全球化。
首届网络世博会的三大主要特色是：三维展示、互动体验以及全球共建。通过网上平台吸引全球公众参与世博会，使无法亲临食博会现场的观众借由网上平台体验世博会的精彩以及希望将上海世博会的盛举作为非物质文化遗产长期保留，是举办此界网上世博会的三大原因。
网上世博会的架构由基础平台和网上展馆两部分构成。基础平台由组织者搭建，内容包括门户网站、网上园区、基本功能等，网上展馆则分为浏览型和体验型两类展馆。浏览馆具备基本浏览和展示的功能，它是以实体展馆为原型，通过文字、图片、音频、视频、动画等方式进行三维展示，浏览型展馆由组织者为需要援助的参展方免费开发。体验馆是浏览馆的增强版，浏览型展馆在以浏览和展示为基本功能的基础上，可实现其它更加丰富的功能和特效，网上参观者可以得到更生动的互动和体验。参展者还可以建设实体世博会中不具有的虚拟拓展空间和展项，利用更丰富的虚拟技术及手段延伸和拓展参展方网上展馆所希望表达的意境和理念。二者相辅相成，完美呈现网上的世博会。
与普通网站相比，网上世博会的区别在于它能够提供给观众全面的三维视觉体验，网页游客能够主动操控三维图像的角度。网上世博会的整个展示内容其中包括，世博园区、世博园片区、展馆外观、展馆内景以及主要展项等都将进行三维数字化的制作。
与普通网站的最大区别在于网上世博会可以将组织者的建设内容和参展者的建设内容二者共存于一个平台之上。也就是说网上世博会具有“全球共建”的特点。
3.三维数字化技术实现了网上世博
由于虚拟现实技术的先进性，使实体世博园区中的建筑、道路、绿化、设施等通过三维虚拟技术在网络上实现了虚拟再现。在网上模拟的天空、云彩、太阳、灯光、装饰、材质等效果通过CG技术在制作，使模拟效果很好地接近真实场馆的场景。展现在网上游客眼中的每一个场景都是一个三维的空间，参观者只需要通过鼠标和键盘操作就能够轻松实现旋转、升高降低的操作，在进行鸟瞰时也也可以通过放大、缩小来调整的场景范围，获得全方位的空间体验。展项展示是网上世博会的有一大亮点，通过网络，游客能够进入场馆和展项发生近距离的互动，游客可以多角度观察或“触摸”展项，特别是一些实体世博会现场不能触碰的展项，在网络上可以实现参观者的触碰愿望。参观者还可以自由的旋转缩放感兴趣的物品，同时还可以通过图片文字、动画、FLASH等多种数字媒体形式了解到对展项的知识性介绍。不仅如此，游客可以在C/S上通过系统提供的部件，组装个性化的展项，让其它游客看到自己的作品，并且发表点评。
网上世博会的虚拟拓展空间可以由参展者根据自己的意念记性无限制的设计开发，由于不受现实空间的限制，参观者可以延伸和拓展实体展馆所希望表达的理念和意境，虚拟展项为参展者的主题演绎提供了进一步发挥的空间。
网上世博会由于运用了数字化技术作为包装，它展示了数字化技术神奇的魅力，也使我们的实体世博会区别以往世博会的不同，使其大放异彩，网上世博会成为上海世博会乃至世博会历史上的一个至高点。
四、结论和展望
从2000年的悉尼奥运会场馆设计到2008年北京奥运会的成功举办再到2010年上海世博会的网上世博会亮点的产生，三维仿真虚拟现实技术正在朝向越来越先进的领域发展，特别是它在城市建设及城市规划上的运用可以说是越来越广泛，所起作用也是越来越突出。以2000年悉尼举办奥运会为例，悉尼在2000年时为了奥运会的顺利召开以及加强对城市的推广，悉尼市建立了全市三维仿真平台，目的用于城市的信息服务、交通分析指挥、城市建设管理等方面，由此取得了巨大的成功。为了能够顺利申办2008年的奥运会，加拿大的多伦多城市也使用了虚拟现实技术对城市进行管理和规划。
在我国，北京、上海、深圳等大型城市在利用三维虚拟仿真技术运用于城市建设方面也已经取得了一定的研究成果，而利用三维虚拟仿真技术的方面是辅助城市重要地段的建设以及大范围的城市设计研究。例如在北京商务中心区、上海浦东开发区、深圳福田中心区的规划中均进行了城市三维仿真技术的初步尝试，并取得了较好的效果。
三维虚拟仿真技术的主要作用在于以城市现貌为基点，融合规划方案后模拟项目实现后的城市景观，并且能够进行多角度动态审视，全面评估城市设计的规划方案，这为城市规划建设和领导决策提供了更为直观、可靠、科学的技术手段。
将三维虚拟仿真技术运用于城市规划建设的优点与好处在于：
①提高了城市设计规划方案的设计和修正效率；
②丰富了城市问题的研究角度；
③提高了城市建设项目的评估质量；
④提高了城市建设项目的管理能力及效率；
⑤提高了为市民公开展示宣传城市形象的效果。
目前，国外虚拟仿真技术显出其极大的优势，国内正在迎头赶上。从目前我国对三维虚拟仿真技术的运用而言，可以看出我国的三维仿真技术发展水平已经有相当不错的程度。从三维仿真技术在我国城市规划上的运用的效果来看，三维仿真技术在我国城市规划中的应用前景是非常广阔的，而且我们相信，三维仿真技术会使城市规划产生技术性的革新，会极大地拓展和丰富城市规划的工作思路。
参考文献
[1]张建伟，陆亨立.虚拟现实技术及其应用[J].电子科技导报，1999.
[2]陈友华，城市规划概论[M].上海：科学技术文献出版社，2000
[3]杨保民，分布式虚拟现实技术与应用[M].北京：科学出版社，2000.
[4]申蔚，虚拟现实技术的理论、实现及应用[J].首都经济贸易大学学报,2001.
关键词:视景仿真; 三维航迹; 数字地图; 航迹规划; 虚拟现实; Creator; Vega
中图分类号:TP391.9; V249.122
文献标志码: A
3D trajectory planning and visualization simulation for helicopter
LIANG Wei,LI Xinguo
(School of Astronautics,Northwestern Polytechnical Univ.,Xi’an 710072,China)
Abstract:With the issue that the intuitiveness of results is not good in the majority of present research on trajectory planning,the optimal 3D trajectory is planned forhelicopter based on the pretreatment of digital map. The models of terrain and feature of scene and a whole visualization simulation system are completed by modeling tool Creator and development tool Vega. The demonstration which meets the real-time requirement is implemented for planning 3D trajectory’s visualization simulation by Vega API and Microsoft VC++. The system provides useful means and step for trajectory planning and demonstration of whole visualization simulation.
Key words:visualization simulation; 3D trajectory; digital map; trajectory planning; virtual reality; Creator; Vega
0 引 言
低空突防航迹规划是目前的研究热点之一,对它的研究已有许多方法[1-3],但这些研究工作在规划结果的处理上只给出各种曲线,并没有利用虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术建立相应视景模型将规划航迹进行可视化仿真演示,不能直观地呈现结果.本文主要对低空突防直升机进行航迹规划与视景仿真.首先对DEM格式数字地图进行预处理,建立有约束下的目标函数,并在VC++环境下规划出最优三维航迹;然后利用Creator将DEM格式地图建成Vega可识别的三维地形模型,通过VC++编程和Vega API函数驱动,实现规划航迹的可视化仿真演示并给出各种仿真结果.
1 直升机三维航迹规划
航迹规划的策略采用文献[4]所述的最小威胁曲面方法,通过分析威胁杀伤特性､飞行器撞地概率和通透性可以确定1个最佳离地高度(hc).这样,当飞行器以hc离地飞行时,可以将危险性降到最小.飞行器的最小危险飞行轨迹一定位于该曲面上,从而使三维最优航迹寻优只需在二维曲面上进行,减小计算量和存储量,提高航迹规划的速度.
1.1 数字地图的预处理
数字地图采用美国国家地质勘探局的数字高程模型(USGS-DEM)格式,从中得到网格间距30 m高度的离散量,敌方的威胁信息以威胁的位置和作用区域近似作出威胁圆敷设到地图上.为使最小威胁曲面满足直升机的可飞性,需要根据直升机的最大爬升角和过载对地图进行平滑处理,本文结合文献[5]和[6]所述的方法对地图进行平滑处理,主要满足以下2个约束.
2 规划航迹的可视化仿真
可视化仿真首先需要构建可视模型,然后进行视景驱动.可视模型作为构成视景系统的基础,其构建效率将直接影响到实时系统的性能.建模工具Creator以其构建模型数据库的高效性､低多边形性减少对实时系统的性能要求.实时视景驱动软件Vega是用于虚拟现实､实时视景仿真､声音仿真以及其他可视化仿真领域的世界领先级应用软件.它包括友好的图形环境接口(Lynx),完整的C语言应用程序接口API,丰富的相关实用库函数和一批可选的功能模块.由于采用Creator自带的直升机模型,故重点建立真实地形的虚拟三维模型.
2.1 地形数据库生成和地面特征处理
2.1.1 采样与地形生成
采用德洛内(Delaunay)三角形算法对DEM数字地图进行采样,完成地形的转化.Delaunay算法将不规则多边形经最优化组合生成地形数据库,当地形起伏比较大时可以产生更多的面进行模拟,地形比较平坦时则用较少的面模拟,主要适用于使用 Z-buffer 进行遮挡计算的实时系统.
2.1.2 层次细节度(Level of Detail,LOD)层次模型及平滑过渡
LOD就是对同一物体建立几个不同细节程度的模型,细节度越高,模型显示得越详细.在实时运行时,当视点离物体比较远时,调用细节度较低的模型,减少模型多边形的数量,加快模型的绘制速度,进而提高系统处理和渲染的性能.根据直升机低空飞行的特点,飞行高度一般在10~100 m内,使用3个层次的LOD模型,并设定2个LOD开关距离分别为50 m和100 m.但在不同的LOD模型转换之间可能出现画面不连贯(popping现象).通过在前后2层之间插入过渡顶点方法(morphing过渡)解决该问题.Morphing过渡由LOD的中心､转入距离和过渡范围3个属性控制,适当设置这些属性将会解决popping现象.
2.1.3 地面特征纹理的映像
将包含真实地形表面细节的纹理应用到生成的地形模型多边形上,可以使地形模型数据库在实时系统中呈现出更加逼真的视觉效果.[7]使用信息容量丰富的纹理图案描绘本应由大量多边形所反映的地形信息更能在保证精度的前提下减少多边形总数,提高系统的实时性.以高分辨率的航拍照片作为地形三维模型的纹理,纹理映像包括以下几个主要步骤:(1)准备纹理图像;(2)将纹理的u,v坐标映像为屏幕空间坐标;(3)将纹理颜色与多边形颜色和材质颜色融合;(4)进行适当的纹理过滤处理,优化纹理映像效果.
“虚拟人体”是如何打造出来的
这种仿真数字化虚拟人体的建造，一般以活体或尸体为原型，并通过各种技术获得数据。如利用CT或磁共振等先进影像技术，将活体摄制成间隔约1毫米的薄层断面;也可以作尸体冷冻切片，切成间隔为0.2毫米的断面。这些断面图像可以全部转变为数据加以存储，然后通过三维立体重构技术重塑为三维的立体图像。这就是第一代几何型虚拟人体的打造过程。
当前，美国数字化虚拟人体的研究走在世界的前列。1989年，美国国立医学图书馆开展了“可视人计划”（Visible Human Project，简称VHP），并于1994年、1998年先后公布了一男一女两具尸体的CT、磁共振断层扫描图像(MRI)，在断层组织切片的精度、分辨率上达到了很高的水平。其中，男性断层的间隔厚度为1毫米，全身共切成1878个断面;女性的间隔厚度为0.33毫米，全身共切成5189个断面。根据这些数据重新建成的数字化解剖人，为医学和其他学科的相关演示提供了技术支持。为了进一步完善和更加接近真正的人体实况，按数字化虚拟人体的研究规划，将建成有物理性能的第二代虚拟人体，然后再建立有生理功能的第三代虚拟人体。虚拟人的数据库将拥有人体物理学数据和生理学数据，通过计算机数学建模和相应的软件，虚拟人体更具有类似活人的性能，例如:物理型虚拟人体能反映骨骼受力后将“折断”、肌肉牵拉后会“伸长”、血管切断后能“回缩”等物理性能;生理型虚拟人体能反映生长发育、新陈代谢、智能分析等性能。
目前美国的可视人计划可视为第一阶段工作，但在血管、神经等结构的显示上还有不少薄弱环节，有待进一步完善。我国学者也正在开展类似的工作，在血管显示技术和切片标本保存方面有自己的特长，正在努力打造具有中国人特色的“中国数字化虚拟人体”。至于物理型和功能型虚拟人体的研究，国际上均已开始探索，并已取得了初步成绩，但任重道远，还有很多艰巨的工作有待进行。
医学“虚拟人”将扮演什么角色
我们知道，要想成为一个技艺高超的外科医生或一个手法精湛的针灸医生，非得跟着师傅学习反复实践，有时还得在病人身上练习操作技术。今后这种在病人身上“练手艺”的方法，可以在电脑操纵的“虚拟人体”模型上进行。在“数字人体”上训练中医的针灸手法时，术者可以逼真地感触到银针穿透不同组织和捻转时的针感，虚拟人“老教授”还可当场为你作精彩的操作示范,这样就更有助于年轻医生们迅速成长。
按照规定，在一种新的药物问世前，专家必须通过很多动物实验和临床试验。如果在数字人体的数据库中拥有仿真系统、器官对于药物代谢的详尽信息，如药物作用、吸收、分布、代谢、排泄、高峰时间、高峰浓度、有效浓度、升降曲线、清除率等，就可以在虚拟人身上模拟药物浓度随时间和空间的动态变化等实验，缩短传统的动物实验和临床试验的研究过程，节省传统研究花费的大量经费、劳动力和时间。因此，在试验新药时，可以让“虚拟人”先试“吃”一下，看看效果如何，副作用有多大，与其他药物有无交互作用，风险均可由虚拟人承担。
在结构错综复杂的颅脑部手术或重要的心、肝、肺切除肿瘤手术前，虚拟人这位“临床患者”也可仿真肿瘤或病灶，供外科医生观察其变化过程，在真正手术之前“操刀尝试”。 外科实习医生先在与病人身体(数据)一模一样的“虚拟替身”上“打一遍草稿”， 并观察仿真手术是否伤及其他重要器官、肿瘤切除后伤口邻近组织形态变化和治愈过程，并可在这种虚拟场景中决定最佳的手术方案和手术途径。若进一步与越来越强大的网络技术和机器人技术相结合，就可能实现远程手术或远程外科会诊。美国耶鲁大学的儿童外科教授，为远在多米尼加共和国的儿童实施了复杂的食管反流远程外科手术就是其中一例。把“虚拟人”安置在航天太空站，就可能测量宇宙辐射对宇航员染色体的影响和失重后人体各种功能的改变，为保证宇航员的健康提供数据，研究相应的对策和措施。
造就具有中国特色的“虚拟人”
我们已揭开了“虚拟人”的神秘面纱，认识到“虚拟人”将在未来医学世界中扮演更加重要的角色。摆在我们面前的任务是赶快打造有中国人特色的“数字化虚拟人体”，要让有中国特色的“虚拟人”早日登台亮相。
