时间:2024-02-04 16:56:54
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篇虚拟仿真技术方案,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。
关键词:建筑施工;虚拟仿真;应用
中图分类号:TU7文献标识码: A 文章编号:
引言:建筑施工行业是传统行业之一,在当前高新技术高速发展的背景下,其行业应接受高新技术带来的优势。在进行复杂大量的建筑施工时,为了保障不间断地有节奏工作,应使各个施工环节协同运作、步调一致,而要想达到这个目的就必须事先制定准确无误的组织计划和施工方案。而运用以往的工具和计算技术,早已难以保障准确地、及时地处理大量繁琐的施工技术资料。于是本文着重对虚拟仿真技术在建筑施工的运用进行了研究和探讨。
一、虚拟仿真技术的概念
虚拟施工技术(VC)是对实际施工过程的模拟。它运用结构仿真和虚拟现实等技术,在计算机等相关设备的支持下,对施工过程中的物品、人员、财产、施工过程进行逼真演练,以便事先发现施工中可能出现的问题,并采取相应的预防措施,在优化与控制能力、缩短工期、增强施工过程中的决策、减少风险和降低成本等方面均有显著作用。[1]
二、虚拟施工所需的技术支持
虚拟施工需要众多学科领域来提供技术支持,主要包括为虚拟现实技术、优化与建模技术、计算机仿真技术以及相关的软硬件技术。具体情况如下:
2.1虚拟现实技术。它综合了传感器技术、计算机图形技术、显示技术、计算机仿真技术等众多学科,它为人机对话提供了更直观和逼真的三维画面,而且还可以在多维空间上创建一个虚拟环境,以达到身临其境的感觉。
2.2建模与优化技术。应用此原理进行工程的设计、规划、管理、施工时可以综合全面地考虑在时间、经济和技术上的最佳方案,实现利益的最大化。优化方法也是虚拟施工中的一个重要技术。建模方法实际上是虚拟施工的另一种支撑技术。虚拟施工的模型包括:设计模型、基础模型和施工模型三大方面。其中施工模型与工艺参数联系在一起,以反映设计模型与施工模型间的交互作用。因此,施工模型必须具有以下几大功能:施工数据表、计算机工艺仿真、施工规划、物理和数学模型、统计模型等。
2.3计算机仿真技术。在土木工程中仿真技术主要运用在施工技术与管理和结构计算。计算机仿真技术是虚拟施工的最重要部分。在结构工程施工方面,内力仿真分析将直接给工程施工安全提供保障。[2]
2.4软硬件基础。虚拟施工技术是数据库技术、CAD技术与计算机仿真技术、计算机网络技术、虚拟现实技术、人工智能技术等多种学科技术结合而成的。只有当软件和硬件同时发挥作用才能使仿真技术得到充分利用。
三、虚拟仿真技术在建筑施工中的应用与现实意义
在建筑施工中虚拟仿真技术的作用不言而喻:首先,它有助于相关管理制度的完善和建筑市场的管理。在招投标时,虚拟仿真技术可以直观地对投标各方的方法、成效和施工工艺进行比较,从而达到公开、透明、公正、公平的目的。这样就大幅度减少了不正当行为的出现,对规范建筑市场管理有不可估量的作用。同时,它还能帮助判断建筑设计的合理性,以便对不合理处进行及时修改,优化设计方案,这对一些重大工程极其重要。因为设计方案毕竟都有一定的局限性,它主要由设计者的知识水平和施工经验来决定,因此对于同一个施工项目不同的设计师有着不同的方案,这时就需要用到虚拟仿真技术来科学地、直观展现不同施工方法措施和施工组织的具体效果,以便定量地对各种方案进行对比,真正实现施工方案的优化。运用虚拟施工技术能对整个施工过程进行事先模拟,使技术人员能在施工前最大可能地了解到各个构件在实际工程中的相互关系和相对位置,对施工方案进行相应调整,计算其相应工况应力,对多种施工方法进行实验分析。这样对于下面几个方面将会产生重大的作用:(1)建筑工程施工方案的选择和优化,我们知道,现在的建筑物因为设计师的不同,所以,基本上每一个建筑都有它自身的风格,这就导致了我们不可能复制建筑工程的施工过程。但是,如果采用施工虚拟仿真技术,我们就可以解决因为在施工经验的基础上建立的对于施工组织的选择和优化以及施工的方法所产生的局限性的问题。同时还可以直接的看到每一种施工组织措施和施工方法相结合时产生的不同的效果。这样就可以让我们更直观的从不同的施工方案中选择出最适合的施工方法,从而更好的完成施工。(2)施工技术的革新和新技术的引入,对于施工技术人员来说,施工虚拟仿真技术不仅能让他们更好的发挥出他们的创造性而且还能在成本很低的情况下完成施工新工艺的试验。这样,我们不仅降低了其试验的风险,还能大大的缩短引入和推广的时间。(3)施工管理,施工管理过程中不可避免的会出现质量、安全等方面的隐患,而施工虚拟仿真技术在模拟施工的过程中就可以让我们很清楚的看到这些安全隐患,从而在施工过程中能有效的避免或者尽早提出解决方法。(4)安全、生产培训施工虚拟仿真技术具有实效性、全面性的技术优势,对操作人员了解操作流程起到了重要作用,保证了施工任务的安全性,同时有效提高施工质量。(5)考察建筑设计的合理性.则也需运用大型工程设计施工虚拟仿真技术,该项技术不仅方便了对需优化部位的修改,更对业主、施工单位、设计单位三方的沟通与设计交底提供了便捷准确的方法。 [3]
四、虚拟仿真技术在建筑施工中存在主要问题:
计算机硬件和仿真软件本身的发展是仿真技术能否在建筑工程施工领域得以推广和应用所遇到的主要瓶颈。目前应用虚拟仿真施工系统所面临的难题有:(1)由于虚拟仿真系统具有需要在较高的专用工作站或实验室上进行的特点,导致了开发和应用要求的硬件平台较高,从而导致了企业在自行开发系统的过程中必须投入大量的资金和人力在专用虚拟实验室的建造以及国外进口设备和软件的购买上,这势必影响着企业的资金和人力资源。另外,系统的演示受设备的限制,移动的不方便性都在企业的考虑范围内。(2)单项工程的开发需要一个方便的开发平台,这个平台的提供需要一套面向建筑工程施工的专用集成型软件系统。由于虚拟仿真系统在工程施工中几乎没有集成型软件,导致了在单项工程进行开发时,需要从国外进口相关软件平台作为支撑,再加上工程施工中影响因素较多,以上的种种因素成为了开发一个项目所需成本较高的客观因素。(3)目前,虽然我国一些大型建筑企业集团已成为开发和应用施工定额软件、施工管理软件的主力。他们通过建立自己的设计研究院,为施工企业的技术人才培养创造了条件,而且部分的工程技术人员已具有一定的软件研发能力和应用水平。但是,无论是施工企业要引进专业软件人才,还是培养自己的开发骨干,都会给施工企业的开支造成巨大的压力。[4]
五、总结:随着虚拟施工技术的进一步发展,虚拟技术在土木工程中的应用将更加深入、普遍,它能大大提高工程管理和施工的效率,保证进度的进展,节约成本,提高安全性,减少工程风险等。在虚拟现实系统的施工组织与管理下,通过建立虚拟模型和虚拟施工过程来实现工程事先模拟,这必定会成为传统的施工管理的新篇章。
参考文献
[1]杜晓刚.虚拟仿真技术在建筑施工中的应用分析[J] - 中华民居 - 2011(6)
[2]黄明.虚拟现实技术在建筑施工中的应用 [J] -硅谷2010(8)
【关键词】城市仿真;应用系统;城市规划
一、引言
Bill Gates认为:“在当今世界,一座城市如果不跟踪最新观念,将技术运用到极限,明天它就可能成为一座鬼城。” 近年来,伴随着计算机及网络技术的飞速发展,数字化潮流已是全球经济发展的必然趋势,建立在城市信息化平台上的虚拟银行、虚拟商务、虚拟政府、虚拟学校、虚拟影剧院、虚拟旅游、虚拟医院等已纷纷出现。由于城市的各个子系统都可以在计算机中直观地发映出来,从而可以很方便地对城市的物流、人流、信息流进行集中而有效的控制和管理。所以,如何利用先进的计算机技术实现现代城市本身的数字化,是城市管理者、规划部门、企业、城市居民所共同关心的问题,而城市仿真技术作为数字城市的支撑技术之一,也成为当前的研究热点。
二、城市仿真技术简介
2.1什么是城市仿真
城市仿真(Urban Simulation)对大多数人来说,还是一个比较陌生的概念。简单来说,“城市仿真”就是将“虚拟现实”技术应用在城市规划、建筑设计等领域。近几年,城市仿真在国内外已经得到了越来越多的应用,其前所未有的人机交互性、真实建筑空间感、大面积三维地形仿真等特性,都是传统方式所无法比拟的。
2.2与传统方法的比较
传统的规划、建筑设计表现方法基本包括以下4种:人工手绘、建筑微缩模型、建筑效果图和三维动画。其中,人工手绘(或非真实渲染-NPR)只是偶尔作为点缀用在早期的概念设计中。建筑效果图、三维动画、建筑微缩模型是目前广泛采用的三种方式。由于其市场的成熟,单做其中某一个或几个方面即可支撑一个中型公司(100人以下)的发展。
这三种方法虽然流行,但它们各自的不足还是很明显的。制作建筑微缩模型需要经过大比例尺缩小,因此只能获得建筑的鸟瞰形象,无法以正常人的视角来感受建筑空间,无法获得在未来建筑中人的真正感受;常用的效果图表现也只能提供静态局部的视觉体验;三维动画虽然有较强的动态三维表现力,但不具备实时的交互性,人是被动的,而且对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算,几天甚至几周后才能看到结果。
而在城市仿真应用中,人们能够在一个虚拟的三维环境中,用动态交互的方式对未来的建筑或城区进行身临其境的全方位的审视:可以从任意角度、距离和精细程度观察场景;可以选择并自由切换多种运动模式,如:行走、驾驶、飞翔等,并可以自由控制浏览的路线。而且,在漫游过程中,还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。这是传统的建筑效果图和预渲染回放的三维动画所无法达到的。
2.3城市仿真技术的重点
1、在一定软硬件的基础之上,创建尽可能真实的场景
在城市仿真中,场景的真实感是最为关键的一个因素。而如前面已提到过的,由于实时三维渲染的要求及硬件显示能力的限制,场景的复杂程度不能太高。同时,由于实时仿真技术的限制,一些比较费时的渲染选项,如动态阴影、Bump map等实现起来还有一定困难。这些都会直接影响场景的真实感。
在硬件渲染能力的限制下,为创建尽可能真实的场景,一方面需要发掘各种软件的功能,进行优化组合;另一方面,要发展更为高级的算法,如程序几何(Procedural Geometry)和分形算法(Fractal Mathematics)。
但“发展算法”不是一件简单的事,非个人所能为,只能是由某家公司开发出相应的软件,我们再来应用。所以,从一般的制作者而言,要创建真实场景还是在于充分利用各种已存在的软件工具。从实际的开发经验来看,主要有以下几种软件:
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实时三维模型创建软件:Multigen Creator;
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纹理处理软件:Photoshop
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实时场景管理/驱动软件:Vega
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辅助软件:
建模方面可以用3DsMax/Maya辅助,Maya有免费的flt文件(Multigen Creator格式文件)输入/输出插件,3DsMax则要通过Okino Polytrans软件来进行格式转换;
在三维纹理贴图方面,可用DeepPaint 3D和Deep UV辅助;
在灯光效果贴图方面,可用Lightscape;
AutoCAD用于接收用户原始DWG文件,预览并输出DXF。
在项目之初,就要详细规划、分配任务,根据任务思考如何充分利用上述各种软件达到最终效果。除了从这几个方面着手以外,我们所能期待的就只能是计算机硬件显卡能力的迅速提高了。
2、在三维漫游的基础之上,开拓新功能
不满足于仅仅简单的三维场景漫游,在此基础之上进行人机互动效果的开发,并和用户应用紧密结合,如在Vega/VC下开发数据库点击查询、三维/二维结合、多媒体结合、3D GIS(地理信息系统)等。 三、城市仿真应用系统与城市规划
由于城市规划的关联性和前瞻性要求较高,城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一。从总体规划到城市设计,在规划的各个阶段,通过对现状和未来的描绘(身临其境的城市感受、实时景观分析、建筑高度控制、多方案城市空间比较等),为改善人居生活环境,以及形成各具特色的城市风格提供了强有力的支持。规划决策者、规划设计者、城市建设管理者以及公众,在城市规划中扮演不同的角色,有效的合作是保证城市规划最终成功的前提。城市仿真技术为这种合作提供了理想的桥梁,运用城市仿真技术建立的城市仿真应用系统能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众在一个统一的平台上,可从任意角度,实时互动真实地看到规划效果,更好地掌握城市的形态和理解规划师的设计意图,这样决策者的宏观决策将成为城市规划更有机的组成部分,公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。
3.1城市仿真应用系统的应用范围
城市仿真应用系统可被广泛应用于规划设计、方案评估、领导决策、规划审批、市民公示、宣传展示及招商等各方面。
3.2城市仿真应用系统的特点
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仿真的虚拟环境:
类似于时下流行的三维动画,同样是通过强大的三维建模技术建立逼真的三维场景,对规划项目进行真实的“再现”。但是城市仿真技术建立的虚拟环境是由基于真实数据建立的数字模型组合而成,严格遵循工程项目设计的标准和要求,属于科学仿真系统;而传统动画的三维场景则是由动画制作人员根据资料或想象绘制而成,与真实的环境和数据有较大的差距,严格意义上来说属于一种演示作品。
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多方式、运动中感受城市空间:
在城市仿真应用系统中,可以全方位,多种样式(步行、驱车、飞行、UFO等),完全由用户自由控制在场景中漫游。城市仿真技术与传统的三维动画最根本的区别就是:传统动画的观察路径都是预先设定好的,用户只能按照事先设定的路径浏览场景;而城市仿真技术可以由用户在三维场景中任意漫游,人机交互,甚至还可以使用专用的头盔把用户的视觉、听觉及其他感觉封闭起来,产生一种身临其境的错觉。这样一来,很多不易察觉的设计缺陷能够轻易地被发现,减少由于事先规划不周全而造成的无可挽回的损失与遗憾,大大提高了项目的评估质量。
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实时多方案比较:
运用城市仿真应用系统,我们可以很轻松随意的进行修改,改变建筑高度,改变建筑外立面的材质、颜色,改变绿化密度,……所看即所得,只要修改系统中的参数即可,而不需要象传统三维动画那样,每做一次修改都需要对场景进行一次渲染。这样不同的方案、不同的规划设计意图通过城市仿真技术实时的反映出来,用户可以做出很全面的对比,并且城市仿真应用系统可以很快捷、方便的随着方案的变化而作出调整,辅助用户作出决定。从而大大加快了方案设计的速度和质量,提高了方案设计和修正的效率,也节省了大量的资金。
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三维空间信息交流:
城市仿真应用系统的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击,获得身临其境的体验,还可以通过其数据接口与GIS信息相结合,从而可以在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料,方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理等需要。此外,城市仿真应用系统还可以与网络信息相结合,实现对三维空间数据的远程操作。
3.3城市仿真应用系统的功用
一套完善的城市仿真应用系统能够很好的展示城市规划、宣传城市建设、提升城市形象。系统根据城市的当前状况和对城市的未来规划,将城市的过去、现在和将来任意时间的情况展示在规划设计者、政府决策者、投资开发者和普通市民面前。系统首先根据城市的当前状况和对城市的规划资料完成城市的设计,然后该系统的交互控制软件可以帮助使用者从不同角度遍历城市的各个部分,帮助有关人员作出决策。
提高项目管理能力和效率
规划部门使用城市仿真应用系统,可以使方案评估更为准确、公正和快捷。另外,如果系统中需要增加新的项目,或其中的项目遇到方案修改,可以随时导入或更新系统的数据信息,并且可供日后存档,极大地方便了政府规划管理部门的管理工作,提高了效率,节省了成本。
提高公众参与度和部门协同作业
由于城市仿真技术打破了专业人士和非专业人士之间的沟通障碍,使得各部门能够在统一的城市仿真应用系统平台下进行交流,能更好的理解设计方的思路和各方的意见,能更快的找到问题、达成共识和解决一些设计中存在的缺陷。
提高方案设计和修正的效率
通过城市仿真应用系统,我们可以很轻松随意对设计方案进行修改,改变用地布局,改变建筑高度,改变绿化密度,改变外立面的颜色……所看即所得,只要修改系统中的参数就可以轻松实现,大大加快了方案设计的速度和质量。
提高展示和城市形象宣传的效果
城市仿真应用系统的沉浸感和交互性不但能够让用户获得身临其境的体验,同时还能随时获取项目的相关数据资料。对于公众关心的大型规划项目,在项目方案设计过程中,城市仿真应用系统可以将现有的方案导出为视频文件用来制作多媒体资料予以一定程度的公示,让公众真正的参与到项目中来。当项目方案最终确定后,也可以通过视频输出制作多媒体宣传片,进一步提高项目的宣传展示效果。
四、结语
1仿真技术对机械设计制造行业的作用
仿真技术指的是设计人员以计算机为载体,通过利用相关软件建立数据模型,对各性能参数进行分析从而选择最优的设计方案,与传统的设计方法相比安全可靠、使用灵活,大大节约了资金,也节约了反复制造实物的时间,因其不需要制造实物而又被称为虚拟样机技术。现代的机械设计制造行业中,因为很多系统设计非常复杂,数据量庞大,在实验中存在很多难题,因此需要在计算机中建立相对应的模型对其进行仿真,对其各项参数性能等进行分析。在机械设计制造的初期,设计人员只要根据不同的方案在仿真软件中建立虚拟样机,便可以完成对不同假设的虚拟实验,选择最优方案或者对方案进行改进都非常方便。在机械设计制造行业中使用仿真技术不仅可以使计算更加精确,提升研发质量,而且也在一定程度上提升了研发效率,节约了研发资金。
2仿真过程的实现
2.1模型的建立
在机械设计制作的过程中,若要使用仿真技术,首先就要设计编辑条件和约束条件,确定研究目标,进而建立一个可以满足系统要求的仿真运行系统。系统初步建立之后,便要求设计者根据相应的学科知识对该系统进行数字化表述,也就是对系统建立数学模型。通常状况下,数学模型由于时间不同可分为动态和静态两种,其中动态模型又可以分为离散、连续和混合时间三种。
2.2模型的变换
这一步骤指的是把初步建立的模型通过数学表达式的作用变换成计算机能够识别的样式,这一过程运用了部分合适的计算机算法及语言,是仿真的基础,也称之为仿真模型。若要实现模型的变换,设计者可以使用现有的仿真软件,也可以根据系统需求自行开发。
2.3模型的实验
模型的实验指的是通过在计算机中运行仿真模型能够得到相应的仿真结果。做好了模型的建立和变换这两大步骤,也就为模型的实验打下了基础,只要是按照预期设计目标来展开的前几个步骤,那么这一步骤的实现并不困难。在对仿真结果进行衡量时,要对其可靠性进行分析,通常使用的方法有以下两种:置信通道法以及仿真过程的反向验证法。
3仿真技术在机械设计制造中的应用
3.1在齿轮设计中的应用
在机械装备中,齿轮可谓是最重要的零部件之一,因此,在设计中对其性能进行仿真意义重大,并且不少设计者也针对此问题做了大量研究。其中包括:使用visuallisp语言对齿轮端面的建模和仿真,从任意几何角度对其性能进行评估;用计算机仿真技术展开对圆弧针齿行星传动的研究;对影响正交齿轮传动接触点的主要参数进行研究等等。此外,计算机仿真技术在齿轮泵的齿轮设计中应用也十分广泛。
3.2在机械结构件设计方面的应用
一个机械系统的完成需要各部分机械结构件的组合,共同发挥它们的综合作用。因此,在对一个新产品进行设计时,各零部件的性能能否正常发挥、它们之间的配合是否得当、如何选取组合方案等问题,都离不开事先用仿真技术进行模拟优化。现在市场主流的大型三维设计软件都对结构运动仿真功能进行了开发,根据在该软件中设计的装配体的性能,对演示结构的运动展开模拟,如果需要运动学仿真,只需要提前设置好主运动件,具有极大的便利性。此外,在这些大型三维设计软件的仿真运动过程中,设计者能够从任意角度观察运动结果,还能帮助设计者检查结构的运动干涉等问题,功能十分强大。
3.3在复杂机械加工研究方面的应用
作为机械设计制造行业的生产基础,用仿真技术对机械加工尤其是复杂机械加工能够帮助设计者研究深层次机理,在理论程度上提升了这一步骤的性能与质量。在数控加工的过程中,可以使用仿真技术编写CNC机床的零件加工程序,然后转换成为对应的图形信息,通过这些信息设计者很容易对加工参数进行设置。在磨削加工中,通过磨削时间的不同展开对这一步骤的建模,以此建立的仿真模型可以对磨削的性能和质量进行预测,促使磨削步骤的最优化。
4结语
随着经济规模的扩大,现代工业技术得以迅速发展,各生产步骤和工艺越来越复杂,因此,必须借助自动测试和仿真等计算机技术帮助设计者对设计方案进行优化。尤其是伴随着仿真技术在机械设计制造中的使用,实现了设计者从复杂庞大的信息中对机械部件或者加工过程的最优化控制,解决了传统机械设计制造过程中无法实现的问题。
作者:熊勇 单位:内江职业技术学院机械工程系
参考文献:
[1]张小亚.浅谈虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用[J].企业导报,2011(16):276-277.
【关键词】虚拟仿真技术;电子技术课程;技术应用
伴随着科学技术不断发展从而形成的虚拟仿真技术是一种作用于实验研究的新的科学技术,在20世纪40年底被发现。在几十年的革新、改进、发展中慢慢走向成熟,被应用于现代生产生活的各个方面。同时教育部门发掘到虚拟仿真技术在教学中的优势,作为一种新的教学方法用用于教学中。这一技术在教育领域的应用满足学生对教学的需要,对学生逻辑思维和动手能力有很大的帮助,提高教学效率和质量。
1.虚拟仿真技术概念
虚拟仿真技术又被称为虚拟现实技术和模拟技术,其技术核心就是利用一个虚拟系统去模仿一个相应的真实系统。它是一种实验研究的新技术,而它也是一直存在于自然客观规律中一直被使用,在计算机技术发展过程中被发现提炼出的新技术。在科学技术飞速发展的现代社会,虚拟仿真技术也在不断地进行技术改革和发展,并不断地成为必不可少的技术。
2.虚拟仿真技术在电子技术课程中的应用
科学技术突飞猛进的发展,使得电子课程原有的教学模式不适应社会的发展进程,学生对电子技术知识的需求量也在不断增加。虚拟仿真技术在电子技术课程的应用给教学带来了新的教学手段,满足学生对电子技术知识的强烈需求,适应社会对技术人才的高要求。
2.1 虚拟仿真技术融入课堂
电子技术课程在之前的教学模式是重理论轻实践,大部分的课堂时间放在理论知识的讲授中,课堂氛围死板显得枯燥无味,使学生学习积极性被打消,产生排斥心理。而且理论知识没有实践进行补充和认证,增加学生学习难度,对电子技术停留在一知半解的阶段。传统的电子技术仪器比较笨重,每次上课搬来搬去很麻烦有浪费课堂时间,课堂效率也不高。虚拟仿真技术英语与课堂解决了电子技术课堂实验难的窘境,教师在讲解理论知识的同时利用多媒体进行实验演示,把抽象的理论概念通过演示变得很容易理解,调动学生的学习兴趣,愿意主动去思考问题以及动手实验巩固知识点。虚拟仿真技术融入课堂提高课堂效率和教学质量,更能提供学生学习积极性。
2.2 革新实验教学方法
电子技术顾名思义是技术性很强的课程,技术能力是需要持续不断的实践进行积累。所以电子技术课程是一门对实践要求很高的学科,理论只是对技术实践的知识补充。两者要充分结合向应用。传统的教学手段就是对理论知识的死记硬背,只要能通过考试就可以,在实践方面的经验是少之又少。所以在电子技术的教学中要让学生了解虚拟仿真软件并学会在实验中使用,学生在进行电子技术实验中可以对理论知识进行强化,而且虚拟仿真技术在实验中应用然学生对实验的兴趣提高,在实验的过程中学生与学生之间可以进行跟好的交流,主动地寻找知识支撑,制定更好的实验方案,锻炼了学生主动寻找问题和解决问题的能力。
2.3 增多课程设计实践环节
原有的电子技术课程的实践课程设计都比较单一,学生的实践结果达不到预期好的效果。所以在虚拟仿真技术进入电子技术教学中要逐渐增多实践环节,对模拟电子技术内容进行多个单元的划分,最初由老师带领进行模拟电子技术的实验,然后在接下来的额试验中把主动权教给学生,让学生学会独立思考,然后对自己的实验结论进行陈述,在陈述过程中会让学生再次进行思考,这样对知识的记忆更牢固。
2.4 虚拟仿真技术运用注意问题
电子技术课程教学中引用虚拟仿真技术虽然在很大程度上改善了传统的教学弊端,对教学内容有了丰富的补充,让学生对抽象的理论知识得到更好的理解,激发学生的创新意识和学习积极性。但是不能让模拟仿真技术完全取代实际的技术机器进行试验,这样会让学生依赖于计算机中的仿真技术应用,在实际操作仪器过程中操作能力下降,不能满足岗位的技术需求,不仅不能达到人才培养的目的,反而会起到教育的反作用。因此,在应用虚拟仿真技术教学的过程中也要加入传统教育中积极的方面,做到虚拟技术的优质学习也能保证实物应用 的操作能力,培养学生的综合能力和高技术素养。
3.虚拟仿真技术应用于电子技术课程的意义
虚拟仿真技术在电子技术课程中的应用,打破了传统应试教育弊端,让死板的电子技术课堂教学变得更加活跃,真正实现电子技术课程教育理论联系实际;该技术的应用对教师的教学素质也是一种考验,虚拟仿真技术是不断发展更新的最新技术,教师要走在技术的最前沿,这样才能在教学中更好的教授给学生,提高自身的教学能力;培养学生的学习积极性和兴趣,让学生学会独立思考,主动提出问题并主动寻找解决方案,在实践中锻炼自己的动手能力和思考能力,让自己的综合能力得到提高;适应社会技术人才的高标准要求,学校跟注重学生在技术方面的实践动手能力,才能保证在激烈的竞争中保持较高的竞争率,为企业培养专业技术型人才。
4.结束语
虚拟仿真技术被广泛应用于生产生活中,成为必不可少的技术。作为实验研究的一门新技术,近年来被不断应用于教学领域,帮助学校培养专业综合性技术人才。电子技术课程是理论与实践综合运用的一门学科,在计算机上利用仿真软件在课堂上进行教学,把抽象的理论知识在演示的过程中简单化、直白化,让学生对很难理解的知识点得到直观的理解和学习。在实践中使用虚拟技术软件让学生会更好把理论知识转化为实践能力,同时对理论教学中漏掉的知识点通过技术实验进行补充,减少不必要的时间浪费。这样的新的教学方法让学生更积极主动的去学习,提高了对电子技术课程的学兴趣,对学生的思维训练和动手能力提高有很大的促进作用;课堂氛围得到改善,提高教学效率和质量。适应社会对人才需求,让学生在强大的竞争中也能凭借自身的技术能力和综合素养脱颖而出,实现自己的价值。但是教学中运用虚拟仿真技术时也要注意他可能带来的教学局限性,不能因为是好的技术就无限制的偏重使用,这也会导致教学质量的下降,对学生综合能力的培养带来弊端,所以要做到虚拟仿真技术在电子技术课程中的合理应用。
参考文献
[1]李松湘.虚拟仿真技术在电子技术课程教学中的应用研究[D].湖南师范大学,2012.
一、工程施工实习实训教学的现状
工程施工实习实训主要包括施工技术的模板工程、钢筋工程、混凝土工程、砌体工程的操作性实训和现场管理的单位工程施工组织设计两大部分,它是土木工程专业培养方案中的专业关键必修课,是实践性、综合性都很强的课程,有别于其他选修类别的课程。然而,目前我国土木工程施工类课程教学普遍存在着较大的困难和问题,主要表现为如下几方面。
1.教学内容滞后于现行规范、工程实践。土木工程施工教材内容陈旧,技术落后,没有与时俱进,紧跟现行法律和规范,贴近工程实践,没有形成较好的课内课外相结合的有层次的互动式的施工类课程教学体系。例如,2009年国家出台了《建筑施工组织设计规范》(GB/T50502-2009),尽管是推荐性规范,但是在《土木工程施工》教材中讲述的仍然是50年代施工组织设计内容。
2.在课堂教学方法和教学手段方面。由于土木工程施工课程的实践性、综合性和理论跨度大等特点。施工课基本是采用课堂教学方式,以教师讲授为主,这样传统的教学模式非常陈旧,没有调动起学生的学习积极性,教学效果一般较差。尽管有的教师运用多媒体教学手段,收集大量的图片、动画资料,然而,由于时间与空间的限制,学生也很难观察到施工的全过程。
3.施工生产管理实训方法和手段方面。土木工程专业是一个实践性很强的工科类专业,实践教学环节效果的好坏对毕业后学生适应社会工作及动手操作能力尤为重要。现在全国高校土木类院校的培养方案实习分为施工生产实习3周,毕业实习3周,条件好的学校有3周的实训,以老师根据教学安排事先联系好实习单位,在规定时间内集中组织学生到工地去参观、见习,由现场技术人员和老师对工程概况及施工技术进行讲解,然后由学生自己去寻找实习单位,这种放羊式的教学方法,使得实践环节流于形式,效果极差。
4.在实习实训教学环境方面。实习实训教学资源的不足是长期困绕《土木工程施工》实践教学质量提高的难题。时代的发展和科技的进步对实验教学提出越来越高的要求,对学生创新思维和实践能力的培养需要一种趋于个性化的教学,需要占用更多的实验、实习实训教学资源。而这种矛盾可通过仿真技术的应用得以缓解,运用计算机仿真技术软件,可模拟环境情境,学生通过仿真实习实训后,对实训的整体到局部建立起直观感性认识,学生可不受实际实训条件和时间限制进行实验、实习实训方案设计。虚拟仿真技术和实际情境实验结合的模式可合理有效配置教学资源,解决实践课时少的问题,改善教学条件,形成多元化的教学环境[4]。
二、土木工程施工实习实训教学内容和方法
针对以上土木工程施工教学的现状,对土木类学生进行市场调研,采取一系列教学措施,利用仿真技术在施工实习实训中的3D技术和教学调研取得的成果带到课堂上,采取“理论实践一体化”教学方法,以实践技能教学为主线,重视理论联系实际的教学原则,是提高学生综合执业能力和技能的有效的教学方法。
1.加快虚拟仿真实训教学的规范化和标准化建设。2003年我系申报了我校教学科研项目《以软手段模拟硬设备开展多媒体辅助混凝土结构实验教学的研究》,现已获批。该项目研究的主要目的就是要研制一个适合土木工程专业实训教学的实验教学软件,越来越注重虚拟仿真技术实训教学的应用研究。基于虚拟仿真技术具有人机交互,寓教于乐,直观形象,便于记忆,实现互联网,场景逼真体验等优点,规范化、标准化的实训教学引入虚拟现实将大大激发学生的学习兴趣,增强求知的渴望和好奇心,避免传统教学模式课程教学机械、沉闷的现象[5]。
2.利用虚拟仿真技术进行施工安全控制。由于土木工程施工过程的复杂性和危险性,建筑企业从业人员流动性大、安全意识差等情况已经成为建筑企业保证工程质量、安全施工、安全管理的一个十分棘手的问题。土木类施工实训实习多数高等院校都是把实习生安排到与建筑施工企业校企结合的工程项目。而工程项目现场安全隐患较多,一般建筑企业都不愿意学生在现场实训过程中的亲自动手操作,加上目前法律法规不够完善,最害怕实习生在建筑施工现场出现安全事故。目前虚拟现实技术主要应用在课堂讲解演示与试验实践教学环节中,而利用它进行施工过程安全控制,规范施工企业安全生产管理,提高建筑施工企业安全生产管理水平,预防和减少减少安全事故的发生,实现标准化安全管理,这也是将虚拟现实技术用于安全管理的基础[6]。
3.注重VR系统设计和实训师资培养。虚拟仿真技术(Virtualreality,简称VR)又称灵境技术,是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。VR系统的建设和发展,师资队伍建设是关键,讲授土木工程施工这门实践性极强的专业课,除了需要系统的专业理论外,还要有一定的施工实践经验。而培养出既熟悉工程施工专业知识,又有较好的计算机应用能力的实训指导教师是开展虚拟仿真技术的必要条件。开展虚拟仿真实训实验,在实训之前要做好充分的准备工作,进行实训教学科学周密的策划设计过程,更需要实训指导教师在教学理念和教学能力上具备创新能力。利用学校青年教师工程实践培训机会,首先安排拟讲授施工课的青年教师到施工企业信息管理中心兼职锻炼,时间不少于一年,弥补实践经验的不足。与此同时,可考虑与企业合作进行虚拟仿真实训教学软件开发和设计,力争构建具有工程特色的土木工程施工课程教师队伍,即双师型的施工课教师队伍,以满足施工授课的需要。
4.实习实训前做好充分准备。施工生产实习实训前由教研室充分论证做好实施方案,采用集中和散点方式,时间安排从大三第六学期末的倒数第三周开始,至第七学期第二周结束,其问包含一个暑假,共计十周左右时间,学生可在此期间灵活安排完成生产实习任务。在实习之前,除了实习指导教师会安排学生按照实纲的要求完成实习各项任务外,土木工程施工任课教师还会专门为学生布置部分工作,即要求每个实习实训小组(3~5人),根据自己的实习内容制作一份多媒体课件,内容主要是在施工实习过程中,学生认为比较新的施工材料、工艺以及施工管理方法和措施。开课前提交给任课教师,并随时准备在土木工程施工理论授课时讲授。通过此种形式锻炼了学生总结工程实践经验的能力,培养了学生的团队意识,同时学生提交的多媒体课件还丰富了任课教师的教学素材和内容,及时更新的案例会更加吸引学生的注意力,有利于改善教学效果。
5.改革后的实训实习成绩评定方法。考核也是激发学生学习潜能的重要方式,考核既是学生学习的压力也是动力,为了保证日常教学效果,激发学生参与课堂教学的积极性,对土木工程施工理论教学的考核进行了局部调整,将实习实训成果的课堂展示作为评判课程平时成绩的重要依据。为了取得较好的成绩,学生在施工生产实习实训中,非常注重对施工细节的观察,对施工中的某些做法会有更深入的思考,使实习实训不再流于形式,施工实习实训的质量也有所改善[7]。因此,应用虚拟仿真技术实训实习后的成绩评定方法划分为优良、合格、不合格三个等级。实训实纲中要求的保证项目应全数检查,动手操作评分值达到80分及以上者评定为优良;评分值应在80分以下,70分及以上者评定为合格;当考核汇总表得分值不足70分时,当有一分项检查评分表为零时,评定为不合格。当实训实习考核评定的等级为不合格时,必须限期整改达到合格。
关键词:虚拟数控;加工过程;仿真技术
虚拟数控的加工可以仿真出不同的加工方法与加工过程中应用的材料,而且还可以显示并评价出加工的具体结果,但是与此同时还存在着加工的形式较少及研究的范围有一定的局限性。由于切削的系统是一个较复杂的加工系统,因此,在加工的过程仿真技术还具有一定的不成熟性,也就是在虚拟的数控加工过程中还存在着诸多的问题需要解决。
1.在虚拟数控的加工过程中对仿真技术的主要分类
随着科技的进步,虚拟数控加工技术在制造业加工领域得到了广泛的应用,而仿真过程是虚拟的制造技术最关键的技术和最主要的核心内容。物理的仿真技术与几何的仿真技术是对虚拟数控的研究与探索的最主要的两个方面。
1.1.对物理的仿真技术的解析
物理的仿真技术就是在对制造零部件进行切削加工的过程中,把引起制造零部件物理变化的因素反映到虚拟的制造系统中,在实际的加工过程中,要先预测切削因素的种类,并分析出切削过程中产生的各种参数,且各参数数据间相互耦合。所以,在建模的过程中怎样综合看待数据参数及影响的原因,是在切削的过程中建模的最关键所在。
1.2.几何的仿真技术的解析
在几何的仿真加工过程中,并不考虑切削力与数据参数及别的原因对切削的加工过程的具体影响,只是仿真刀具及机床还有几何体工件的相对的运动,可以检验出出现的碰撞及所有干涉,能够准确的避免费力及耗时的试切的全过程。
图1 虚拟现实系统的构成
2.数控的加工过程中存在的具体问题
切削的加工过程是一个复杂的系统过程,在切削的加工过程中出现的机理研究及探索还没有得到相应的解决措施,致使了在加工仿真技术的过程中依然存在一定的不成熟技术,主要是由于在数控的加工过程中,所使用的不同的加工材料及应用不同的加工手段,而且可以显示出对评价的加工结果,这就直接导致了在虚拟的数控加工过程中出现的相应的局限性。
2.1.仿真的模型具有较差的实用性
现在存在的仿真模型都是在一定的假象下做出的理想型模型,由于在加工的过程中存在着诸多的影响因素,并且对不同的影响因素之间又存在着强耦合的关系,所以,这就要求必须建立健全科学合理的模型加工的过程,以增加实际的系统及仿真的系统之间的饱和程度,这是在仿真模型的加工过程中必须要解决的重要问题所在。
2.2.仿真的模型具有较差的通用性
现在存在的仿真模型一般都是根据具体的工况,根据工件的材料及加工的不同手段、不同的刀具种类及不同的机床种类,在一定的条件下加工完成的模型,因此,这种方式下加工过程的模型就具有较差的通用性,如果这时其中有数据参数需要进行相应的变化,加工的过程中模型就需要在一定程度上做出较大程度的修改。
2.3.模型并没有与几何的仿真技术进行结合
在研究与探索的具体过程中,还存在着较为孤立的研究进程,几何的仿真技术与物理的仿真技术在具体的加工过程中并没有充分的做好结合的工作。同时,还存在着在具体的加工过程中,并没有应用工件的材料,而是纯几何式的加工虚拟环境,现在应用的仿真加工的形式较少,对研究及探索的范围也就比较窄。
3.对总体结构的仿真系统进行解析
数控机床的具体加工系统是由几部分组成,数控机床的加工过程是在代码的带动下对工件实施切削的加工过程,要想完成数控的加工仿真的技术过程,就必须建立健全一套数控机床的几何模型,并在此基础上完善数控机床往运动模型发展的进度,进而完成数控机床加工的过程中仿真技术的应用。
3.1.基本形式在装配模型中的应用
基本形式在装配模型中的具体体现就是层次树的和图,这种基本形式能够清晰表达出装配体具体的组成关联,同时在一定程度上也有利于在进行装配的序列规划过程中的正确求解,但是却存在着不能够较容易的表达出各零件之间的相互配合关系,相反的,图的结构能够更加容易的表达出各个零件之间的相互关系,而且可以提供出装配体的其中一个零件到另一个零件存在的关系及相关的路径,尤其适用于运动链与公差的实施解析,但是却较难表达出各层次间的相互组成关系,而且结构也较复杂,不容易进行维护,在实施操作上也较困难;几何的模型具有与其他系统不同的装配模型需要的要求,可以总体的分为:第一,对装配的几何关系进行的具体描述;第二,装配的拓扑关系的具体描述;第三,对零件的层次性进行结构的解析;几何的模型具有一定程度的层次性,在没有公差配合的情况下,能够采取层次的结构手段。
3.2.完善仿真模型技术的应用
在系统的应用过程中,装配体的表达方式是一棵树的形式,树的相关根节点所表示的就是用户所需要的相应的装配体,零件在树桩的结构中使用的是较低层中的叶结点来进行表达,其中非叶结点的具置不会发生变化,也只有处在一个层次的装置单元会产生约束位置的变化,处在不同层次的装置单元会产生相应的从属关系的变化,这种仿真的模型在一定程度上具有操作简单、方便维护及存储较小的具体特征。
结语:
现代虚拟的仿真技术,在发展的过程中要逐渐的将技术应用到数控的加工过程中,对仿真技术进行不断研究与探索,主要提升数控的加工仿真系统的相关质量,建立健全仿真技术的整体结构,逐渐实现仿真技术手段及方法的多样性应用,以加强模型仿真技术的适应性与可靠性。
参考文献:
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近年来,我国铁路行业发展迅猛,截至2016年底,全国铁路运营里程达12.4万千米,其中高速铁路2.2万千米以上,占世界高速铁路总里程的60%以上。同时,铁路技术也快速发展,铁路信号设备不断地更新换代。为适应高速铁路大面积投入实际运营的需要,铁路企业对铁路信号工提出了全新的要求,需要大量掌握高新技术的高技能人才。
虚拟仿真技术(Virtual Reality)是近年来出现的高新技术之一,该技术能够产生一个与真实环境高度近似的虚拟数字化环境,用户可以对虚拟环境中的对象进行交互操作,并能从中得到必要的反馈,从而让用户获得如同在对应真实环境中一样的体验。随着虚拟仿真技术在国内外的发展日趋成熟,该技术已经被广泛运用到各个领域,并且取得了良好的效果。
二、目前教学遇到的困难
铁道信号专业的毕业生主要从事铁路信号设备的检修、维护等工作,在教学中需要讲授专业设备的组成结构、作用和工作原理,以及设备在实际应用过程中的检修、故障处理等内容。铁路信号设备种类多、体积大、原理复杂,所以有的授课内容难以理解。一般采用文字加图片的方式进行课堂讲授,学生的学习兴趣不高,缺乏主动性,教学效果一般。铁道信号专业的实训设备种类多、造价高,在现有的条件下将现场实际设备完整地搬进学校是不可能的。校内实训基地场地有限,有的信号设备体积庞大,普通的实训场地无法容纳。因此,铁道信号专业的校内实训设备一般来自铁路现场退役或报废的设备。这些设备数量有限、技术落后,导致学校实训内容难以系统化,学生无法整体认知铁路信号系统。铁道信号专业的校外实践一般要到铁路电务段、铁路车站等单位进行,这些单位是铁路运输的关键部门,出于安全生产和交通正常运行的考虑,通常能为职业院校提供的实践教学机会较少。
三、 虚拟仿真的特点
目前,越来越多的高校认识到单纯依靠实训设备无法解决日益增长的实训需求,虚拟仿真技术在实训教学中的优势越来越明显,在实训教学中虚拟仿真技术具有以下特点:①基于虚拟仿真技术构建的实训环境方便、易用,而且占用的教学场地很少,可构建在校园内无法建设的实训室,大大地降低了实训教学的成本;②虚拟仿真系统可实现情境式教学、互动式教学等多种教学方式,能够激发学生的兴趣,让学生主动学习,教学效果显著;③虚拟仿真系统能够根据现场发展动态随时更新,最大限度地降低了购置铁路信号实训设备、设施的投入资金。同时,教学内容也可以不断更新,使实践训练能够及时跟上现场技术的发展,让学生学习的内容与铁路现场结合更为紧密;④虚拟仿真系统可以使学生沉浸在“真实的”虚拟环境中,与虚拟环境进行各种交互,让学生针对某个知识点反复练习,从而可以深化概念,巩固基础知识,强化实践技能。
四、 虚拟仿真系统设计
针对专业教学内容,本课题提出了铁路信号计算机联锁虚拟仿真系统的设计方案。运用Unity3D技术,有效整合DS6-K5B计算机联锁系统的结构和工作原理,运用二维、三维结合的形式和较强的虚拟仿真技术进行互动仿真表达。该虚拟仿真系统为铁道通信信号相关专业学生提供了直观、逼真的铁路信号现场工作场景和完整的虚拟操作过程,按照铁路信号专业人才培养方案的要求,将学生所学专业知识与实际操作相结合,运用学习的专业基础知识指导实践。该系统为专业教学提供了较好的虚拟互动平台,增强了学生的学习兴趣,提高了学生的实际动手能力,降低了R到萄С杀尽P槟夥抡嫦低车淖芴骞δ苋缟贤妓示。
计算机联锁虚拟仿真系统主要包括设备认知、虚拟操作、故障检修以及人机交互四个功能。设备认知部分主要包括DS6-K5B型计算机联锁系统的相关基础知识,属于学习者应知应会的内容,主要包括控制台、控显机、监测机、联锁机、电子终端、继电器接口电路和电源等设备的认知。通过控制鼠标键盘,可从不同角度观看设备模型,展示其组成部件之间的连接关系,并介绍其相应的作用和工作原理,能够让学习者对设备有整体的认知与了解。虚拟操作部分主要包括对主要计算机联锁系统的拆解、组装以及特性测试等操作,通过对鼠标键盘的控制,按照设备拆装维护的步骤对设备及其部件进行操作,既能让学习者掌握并深入理解设备的原理及组成,还能提高其实际动手操作能力。故障检修部分主要包括计算机联锁系统的日常检修、联锁试验和故障处理等内容,学习者可以根据已掌握的联锁知识,在虚拟仿真系统中进行联锁试验,进一步巩固联锁的概念。并且,虚拟仿真系统模拟现场一些常见故障,学习者可以完全按照现场的作业流程进行故障处理练习。同时,学习者还有机会在仿真的工作场景中,完成计算机联锁系统的日常检修工作。虚拟培训系统必须有完善的人机交互功能,通过设置鼠标、键盘的交互控制功能,实现系统场景的场景切换功能和漫游巡视功能,学习者可以在学习过程中身临其境地观察设备的工作状态及虚拟动作。
五、 结束语
在虚拟仿真技术基础上设计的计算机联锁虚拟仿真系统能够系统、完整、真实地模拟现场实际设备,大大降低了教学成本,改善了教学效果。在未来的专业教学中,根据现实条件将虚拟教学与传统教学有机地融合在一起,可使虚拟教学不断克服专业教学中的难题,最大限度地利用教学资源,达到与传统教学的良好兼容。
参考文献:
关键词 电子仿真技术;电工维修
中图分类号 TM 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)122-0171-01
随着电子电工技术以及计算机软件技术的迅猛发展,电子仿真技术不断渗透到电子电工技术的各个领域。电工维修作为电子电工技术中重要的一部分,十分需要电子仿真技术应用推广到该领域。我们可以利用电子仿真软件进行电路的相关设计,有效地锻炼电工的电子设计能力和开发能力。也就是通过实际的设计电路,电工维修工作者才会更加熟悉电路,更有利于进行维护工作。另外,作为电子仿真技术的特色之处就是其能够充分调动使用者的主动性,让使用者自己动手去搭建,能够提高使用者实际动手能力。它能够多方面地调动使用者的积极性,激发使用者学习兴趣和欲望,提高使用者掌握的效率。例如在电子仿真软件焊接操作的五个步骤,就是提供给你视频教学和实用的场景,教你一步一步去实现焊接的过程。下面我们重点讨论如下两个电子仿真技术在电工维修中的应用。
1 电子仿真软件ELECTRONICS WORKBENCH在电工维修中的应用
在电工维修中,利用ELECTRONICS WORKBENCH软件作为电路设计,能够有效地锻炼了电工维修工作者的电子设计能力和开发能力,不仅使使用者的能力得到提升,另一方面还节约了成本代价。在实际使用电子仿真软件进行电路设计时,首先是搭建电路,寻找电路中的各个元件,然后将各个元件进行连接,设定相应的参数,最后运用示波器观察各个点的输出波形的结果。如果不采用这种电子仿真软件,则对于接触示波器比较少的使用者在使用真实的示波器时,可能由于陌生或紧张造成示波器的损坏,这样就会大大增加电工维修工作者的成本,浪费了大量时间。而使用电子仿真软件中的示波器,就不会出现这种问题,可以很清晰地得到波形结果。由于电子仿真软件中的示波器外观和真实示波器类似,因此,熟悉了电子仿真软件中的示波器,上手真实的示波器是很容易的。这样就会避免对实际设备的损坏,即节省时间,又节省了成本,更有利于电工维修工作者的自我成长和创新精神的培养。
在实际的电路设计过程中,电路维修工作者主要面临的问题是电源故障,主要包括:直流电和交流电错位、直流电源的正负极反接等;对于由于元器件短路带来的故障,例如在实际的操作过程中,电工维修工作者很不小心可能会把三极管的两个管脚短路,导致三极管烧坏的现象。这些问题可以利用电子仿真软件先事先操作一遍,在进一步提高正确率的情况下,再进行实际操作,进一步减少设备损坏,有效节约设备
成本。
2 电子仿真软件网络虚拟实验室在电工维修中的应用
作为当前的一项热门技术,虚拟技术拥有广阔的应用前景,现在已经在军事与航空技术、机器人领域、通信行业、医疗等相关领域应用广泛。当然,虚拟技术在电工维修领域也有应用的地方,即虚拟实验室。所谓虚拟实验室,就是可以借助一些新兴技术,例如:多媒体技术、电子仿真技术以及现实虚拟技术等,来实现电工维修工作者实际的软硬件的工作环境。这样对于一些高危环境的工作,具有很大的意义。因为这种虚拟的环境和实际的环境相近,这样就可以提前熟悉工作内容和预知环境所产生的状况等。目前,国外的网络虚拟技术应用已渐渐成熟,成立许多网络虚拟实验室,而国内在网络虚拟技术的研究正处于起步发展的阶段,需要进一步研究分析。从国内外地对网络虚拟实验室的相关研究来看,我们可以把它主要分成如下两类。
1)软件仿真形式的网络虚拟实验室。这种实验室是完全依托于软件的,以仿真软件为基础,为电工维修工作者提供虚拟的工作环境,让其通过网络的途径进入实验室进行学习和共享资源,在其中可以利用上述讲的电子仿真软件ELECTRONICS WORKBENCH进行电子电路设
计等。
2)直接操作远程试验的网络虚拟实验室。这种实验室并不是完全依托于软件的,它控制的对象是实实在在的实验设备。也就说电工维修工作者可以利用该电子仿真软件接收来自客户端的故障问题和参数设置,然后利用相关的电子仿真软件进行仿真分析,最后将分析得到的故障解决方案和新的参数设置通过实验室传送给客户端,甚至电工维修工作者可以对实际的实验设备的参数进行一边调整,一边看真实的运行过程以及输出结果。这种仿真技术,利用了有限的资源,提高了电工维修工作者的工作效率,是目前虚拟网络实验室研究的一个重要方向。
3 总结
由于电子仿真软件具有强大的电路设计、电路绘图、设备虚拟、对故障设备分析处理等功能,其可操作性强,作为电工维修的训练和学习的有效手段,其在电工维修领域起到越来越重要的作用。电子仿真技术不但能够提高电工维修工作者的业务知识水平,更能开阔电工维修工作者的视野和工作的积极性,促进电工维修行业的发展和进步。
参考文献
关键词:机械设计;仿真技术;应用
仿真技术的应用,主要就是对计算机技术下加以实现的,通过多种学科理论作为基础,在计算机的软件工具支持下,发挥着重要作用。在早期的计算机仿真技术的应用,是随机数通过实验求解随机问题方法的应用,在近些年的科学技术迅速发展下,和工业领域的发展有着紧密的结合,这样就对工业发展起到了很大促进作用。通过从理论上对仿真技术的应用研究,就能为实际机械设计制造发展提供理论支持。
1机械设计制造中仿真技术的应用重要性和应用流程
1.1机械设计制造中仿真技术的应用重要性分析
机械设计制造产业在我国的经济发展中起着重要促进作用,从上世纪七十年代以来,在全球化的竞争发展方面愈来愈激烈,产品消费结构也在向着个性化以及多元化的方向发展。仿真技术的出现,对机械设计制造产业就有着很大推动,而在收到经济水平的因素影响,在实际操作系统的应用上费用相对比较高。仿真技术的应用,在设计人员将计算机技术作为载体下,通过运用相应的软件以及构建数据模型等,这样就能对参数详细准确的分析,在机械设计制造当中应用,就能有效提高设计的效率[1]。机械设计制造中仿真技术的应用,只需要设计人员结合不用方案在仿真软件当中进行构建虚拟机,从而就能有效完成不同假设性虚拟实验,对最优化的方案进行选择。仿真技术的应用对计算的精度可有效保证,对研发的质量也能有效提高,节约了大量的研发资金,这对机械设计制造行业的可持续发展就有着积极促进作用。
1.2机械设计制造中仿真技术的应用流程分析
机械设计制造领域的发展,需要从多方面加强重视,在机械设计制造过程中仿真技术的应用,主要是在电脑数学模型以及仿真模式的建立基础上应用的。仿真技术的应用涉及到图形学以及几何造型学等,在对系统实质抽象数学模型的处理过程中,要按照相应的程序进行实施。首先就是对模型进行建立,仿真技术应用中先要能抽象出能达到仿真目的的可靠系统,然后加上边界以及约束条件[2]。接着就要对相应学科知识的应用,把这一系统在数学表达的方式下进行阐述。主要的内容就是数学模型,模型的构建过程中,就要结合时间关系进行划分。在模型的构建类型上有动静两种模型类型,在动态模型方面又分为连续时间以及离散时间和混合时间几种。机械设计制造过程中的仿真技术应用流程中,在模型的变换层面就比较关键。这一环节主要是将抽象的数学表达进行转换成计算机处理形式。然后通过适当的算法以及计算机语言,就能对仿真模型进行分析,这就需要对计算机研发新的系统,或者是通过仿真软件加以应用,都能够达到模型变换的目的[3]。接着就是模型的实验环节。也就是把创建仿真模型输入到计算机当中,通过仿真模型的运行就能获得仿真结果。在进行仿真实验中是通过先期设计实验方案进行运行的,这样就比较的简单。对于仿真实验的结果的衡量标准问题,就要先对仿真实验的结果进行辨析,对其结果的可靠性进行检验可通过反正过程反向验证法以及置信通道方法加以应用。通过这一系列的程序实施,就能有助于仿真技术的积极作用发挥。
2机械设计制造中仿真技术的应用特征及实际应用
2.1仿真技术应用的特征体现分析
第一,应用范围大特征。仿真技术在机械设计制造当中的应用,有着鲜明的特征体现,从产品设计到制造和测试维护的整个过程中,仿真技术都能贯穿始终。在机械产品的概念设计以及详细设计和加工制造等环节,仿真技术都能发挥积极的作用。在仿真技术的实际应用中,在范围上得到了迅速扩大化,仿真对象和目的上从研究制造对象动力学以及运动学特性,已经向着研究制造系统设计运行方向发展,在库存管理以及产品开发过程组织等层面都有着涉及。第二,集成化特征。机械设计制造过程中的仿真技术应用,在集成化的特征层面表现的比较突出,也就是对仿真技术的综合性应用,从而就能有效形成可运行的产品开发以及制造环境。在仿真的类型上是多样化的,有着面向产品以及制造工艺和生产管理等部分的仿真[4]。这些部分对仿真技术的应用都得到了综合性体现。第三,分布性特征。仿真技术的应用在和网络技术的结合下,对仿真的分布性特征上就比较显著。这是通过制造分布所决定,其中就有着敏捷制造以及虚拟网络的支持实现的。仿真技术的应用和传感器以及图形技术的结合应用特征也比较突出,这就对仿真技术的交互性得到了加强。
2.2机械设计制造中仿真技术应用
仿真技术在机械设计制造中多个环节都能进行应用,其中在复杂的数值计算分析中的应用作用比较突出。仿真技术应用对机械设计制造中的大量复杂化数据分析计算能力比较强,能将数据分析简单化以及层次性的实现,这样就大大的提高了工作效率,对低水平重复劳动的问题也能避免。机械产品的研发设计中,运用仿真技术就能在计算分析上准确快速的实现,直到满足实际的要求标准,对机械产品材料的浪费以及耗时的问题也得到了解决。机械产品的动力学模型的分析下,对机械产品的结构强度等都能得到有效保障,对机械设备的刚度应变以及动态特性的参数分析能力也比较强。仿真技术在机械结构的设计中应用,也能优化设计的质量。机械产品是通过大量结构组装的工艺动作。对新机械产品的研发过程中,结构的正确设定,和结构间的运动得当与否等,都和产品的实际应用效果有着直接的应用。这就需要在仿真技术的应用下,通过三维机械设计软件的应用进行仿真设计,从而有效的检查机械结构设计的质量。将仿真技术在机械设计制造当中的齿轮设计中加以应用,能有效提高齿轮设计的质量。机械装备当中的齿轮是比较关键的零件,对其设计的精度有着高要求,实际设计过程中就要充分注重对仿真技术的应用。具体应用中对visuallisp语言的应用,就能在齿轮端面实施模型的构建以及仿真,能从多个角度实施评估[5]。仿真技术的运用下能对圆弧针齿轮星传动研究分析,以及对影响正交齿轮齿轮传动接触点的参数实施研究,这样就大大的提高了对齿轮设计的精确度。
3结束语
综上所述,机械设计制造产业的发展过程中,随着新技术的广泛应用,对整体的机械设计制造产业的发展也有着促进作用。仿真技术和机械设计制造的结合,为我国的机械制造产业带来了生机,为促进机械制造产业的可持续发展以及科学性发展打下了基础,希望此次研究有助于实际机械设计制造产业的发展。
作者:杨磊 单位:郑州飞机装备有限责任公司
参考文献:
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关键词:Vega Prime;虚拟现实;数字城市;交通仿真
中图分类号:P231.5 文献标识码: A
引言
随着我国经济的飞速发展,人民生活水平的不断提高,车辆急速增涨,虽然国家先后出台了多种控制举措,但仍然没有减轻车辆对城市交通造成的巨大压力。如何利用高新技术手段改善城市交通环境,提高通行能力,寻找最佳的交通控制和管理措施,是城市交通管理部门急需解决的问题。
虚拟现实(Virtual Reality)技术是近年来随着多媒体技术的成熟开始发展的一种新兴技术,它具有沉浸感强、人机互动良好等特点,这些特点决定了虚拟现实技术尤其适合于城市交通模拟研究和应用【1】。将虚拟现实技术应用在城市交通仿真中,以现实的城市道路为基本,三维虚拟城市的每个街区,用户将真实感受周围的各种建筑,路边的花草、树木,交通流运行情况。还可以通过相应的感官设备置身于虚拟城市交通之中,驾驶虚拟车辆穿行于城市交通干道,亲自体验虚拟城市交通的通行能力及各个交通路口的管理和控制情况【2】。除了提供用户感官体验外,城市规划者可以直接在三维虚拟城市中进行道路规划与设计。通过直观了解道路周边环境,可以更全面的考虑道路与周边环境的协调性关系以及对交通安全的影响,从而更好的优化道路设计。
本文在前期研究成果的基础上,利用平台、视景仿真工具Multigen Creator/Vega Prime及其提供的应用程序接口OpenFlight API与Vega Prime API实现城市道路模型的自动生成、路网拓扑结构的自动构建,交通流模拟以及信号灯对车辆行为的管控,并通过对信号灯周期时常的优化,为路网设计选择最佳方案。同时还实现了三维虚拟环境中的场景编辑、空间分析、空间查询、基础GIS等功能。以进一步探索虚拟现实技术应用于交通领域的适用性以及发展前景。
交通仿真技术的研究现状
国外研究现状
国外的交通仿真研究发展阶段基本上经历了20世纪50-60年代、70-80年代以及90年代初以来这三个比较明显的发展阶段。
国外交通仿真研究始于20世纪60年代,这一时期的交通仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为应用目的,模型多采用宏观模型,模型的灵活性和描述能力较为有限,仿真结果的表达也不够理想,这也是由当时的计算机性能所决定的。20世纪70年代至80年代,交通仿真模型的精度迅速提高,功能更加多样,这一阶段大部分常见的交通现象如跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行人冲突、短车道溢出等,以及常见的交通管控措施如固定信号、控制感应、控制主次、优先控制、车道关闭等均可进行模拟。20世纪90年代以来 交通仿真技术更加注重软件的易操作性和可扩展性,用户界面更友好,软件的开放性更高,系统集成性能更佳,并且通过引入虚拟现实建模技术增强软件的表现力和感染力。另一方面 交通仿真软件的功能不断得以完善,对公交优先、复杂交通控制、停车仿真、智能交通系统(ITS)功能实现、地理信息系统GIS技术、宏微观交互、动态交通分配等领域都进行了深入和拓展【3】【4】。
国内研究现状
与国外相比国内在交通仿真方面的研究起步较晚,直至20世纪90年代以后,国内交通工程界逐渐注意到交通仿真研究的重要性。同济大学、东南大学、交通运输部公路科学研究院等一批科研机构开始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成果,但都为针对一些局部或特定问题的研究【3】。21世纪以来,通过对国外成果的消化吸收并加入技术创新,出现了一些面向网络交通分析较为系统化的研究成果,如同济大学先后开发的TJTS模型【5】和TESS
模型【6】,山东省科学院开发的用于实时交通预测的仿真模型DynaCHINA【7】。此外在较大规模的系统集成应用方面有深圳市城市交通仿真系统和北京奥运交通仿真系统等【3】。另外在集成运用GIS、多智能体(MAS)和元胞自动机(CA)等新技术开展交通仿真领域的交叉研究方面已经取得了业内专家的普遍关注,并取得一定进展。交通仿真技术经历了从单点交叉口到网络交通仿真,从传统的面向常规交通管理、交通规划与设计等领域的应用到面向智能交通系统应用的发展过程,当前交通仿真技术的主要应用背景就是智能交通领域【4】。但总的来说目前国内道路交通系统仿真产品开发尚处于集成应用进口软件系统阶段,距离形成普遍应用的商品化仿真软件产品的水平还有一定差距【3】。
基于Vega Prime的城市交通仿真系统总体设计
本文以道路与环境之间的协调性这一设计理念为切入点,研究并开发完善了城市交通仿真系统。系统采用OpenFlight数据库的Vega Prime软件系统,集成开发环境,以多线程方式调用Vega Prime API,从而更好的实现视景仿真控制。
系统总体设计
系统采用软件工程开发中的结构化和原型化相结合的方法,自顶而下进行功能解析与模块划分,图1为系统功能架构图。
图 1系统功能架构图
系统开发流程
用户在虚拟城市三维场景中绘制道路中心线,输入道路相关参数,利用OpenFlight API自动生产道路三维模型;通过SQL Server建立路网信息数据库,自动创建路网拓扑结构;应用实时仿真软件Vega Prime集成并驱动三维模型,实现虚拟场景的实时漫游、信息查询、空间分析、虚拟仿真等交互控制;应用Vega Prime API对场景模型进行实时编辑,结合路网拓扑结构实现车辆按需分布,并通过对信号灯的设置实现对交通流的仿真模拟。
图 2系统开发流程图
功能设计
系统主要功能模块有:
该模块主要实现对三维虚拟场景的编辑功能。主要功能有:在三维场景中添加DEM、DOM、添加单体三维模型、添加多个三维模型、模型编辑以及自然环境设置等功能。在三维场景中科实时添加、删除、移动模型,修改模型的属性信息以及特征信息;可隐藏/显示拾取的单体模型,也可通过范围区域选择,隐藏/显示范围内多个物体模型;可根据场景需要设置雨、雪等自然环境。
该模块主要实现道路三维模型的自动生成以及路网拓扑创建等。主要功能有:根据用户绘制的道路中心线自动生成道路三维模型、道路模型的纹理编辑、道路模型属性信息编辑以及路网拓扑结构生成。在场景的俯视通道中,为用户提供了场景的地形正投影的二维平面图。用户可以在平面图中绘制道路中心线,通过设置道路形态属性信息,自动生成道路几何模型;根据道路类型的不同选择合适的纹理及纹理映射,最终生成道路的三维模型,同时完成路网拓扑结构的创建。
3、交通流设置模块
该模块主要实现城市交通流的模拟仿真。道路模型生成后,路网拓扑结构被自动创建,通过路径选择以及车辆数量的设置,在设定车辆行驶速度后,实现城市交通流仿真。主要功能有:添加车辆模型、设置车辆模型数量、车速编辑以及交通流模拟等。通过对车辆数量以及车辆运行速度模拟城市交通仿真。
4、信号灯设置模块
该模块主要实现对信号灯的设置。可在指定交叉路口处添加信号灯,也可对整个路网批量添加信号灯,实现对车辆行为的管制;通过调控信号灯周期时常,寻找最佳信号灯控制方案。主要功能有:添加单个信号灯、批量添加信号灯、信号灯周期调整等。
5、空间分析模块
该模块主要实现空间分析功能。主要功能有:空间信息查询定位、最优路径查询、属性信息编辑、空间测量等。
6、基础GIS模块
该模块主要实现基础GIS功能。主要功能有:空间漫游、第一人称漫游/第三人称漫游、鹰眼、图层控制等。
结语
本文通过对虚拟现实技术以及三维可视化技术在城市交通仿真中的应用的优势及应用前景的分析,着重研究了虚拟现实技术在城市交通仿真系统中的应用。在三维场景中自动生成道路三维模型并创建路网拓扑结构;通过设置车辆模型的数量以及车辆运行速度,实现城市交通流的仿真;利用碰撞检测技术实现车辆与车辆之间以及车辆与景观物体之间的碰撞检测,并通过交通信号灯的控制与优化,实现对路网中车辆行为能力的约束,为城市道路规划提供依据。通过本系统的研究为虚拟现实技术在城市交通仿真的应用奠定基础。
参考文献
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[5]邹智军,杨东援.TJTS仿真系统的应用[J].中国公路学报,2001,14(21):92-96.
【关键词】当代科技;建筑设计方法论;特征探析
现在,科学技术实现了日新月异的发展,以计算机为主的当代科技已经广泛应用到人们的生活和生产领域,已经成为生产进步的主要动力,科学技术在改善人们生活质量方面起到了重要的作用。与此同时,科学技术的进步也在一定程度上影响着人们思维方式的更新和转变,使很多产业领域受到了影响,特别是那些以脑力劳动为主的产业,更是受到科学技术的洗礼。我国的建筑在设计方面还没有建立起科学的数据库,制约了建设设计思维的发展,因此,我们要运用科学技术,从根本上改变建筑设计中存在的问题,在最大程度上革新设计者的思想观念,从而更好地服务于大众。
一.运用科学的设计观念进行当代建筑设计的方法论概要
在人类古老的历史中,对建筑的设计已经有很多年的历史了,对于不同的建筑方法和建筑手段,在技术手段的革新上也经历了长时间的演变。近代的工业革命极大地推动了社会生产力的发展,从而在一定程度上推动了当代建筑的设计狂潮,与之相对应的当代建筑设计理念与设计哲学也应运而生,在建筑理念和哲学方法形成的过程中是有一定的阶段性和历史必然性的。随着科学技术的日新月异的发展,信息技术已经运用到生活和生产的各个方面,现在,资源的短缺和环境的恶化已经制约了很多行业的发展,能够准确地反映出建筑活动和与之相匹配的建筑设计哲学已经成为社会向前发展的必然。
建筑的设计哲学以Fuller设计的《整体的预见性的科学设计》为代表,这种建筑哲学设计能够体现出运用最少的资源实现最大利益化的思想,以资源的优化配置来实现人与自然以及人与人的和谐发展。这种建筑设计哲学主要体现了以人为本的思想,人是设计的中心,可持续发展观被引入到其建筑涉及哲学中去。这种建筑设计哲学在一定程度上反映出对资源的有效配置和优化,在方法论上则体现出寻求最有效的资源实现优化配置,实现建筑的可持续性。这些建筑设计哲学体现出普遍的适应性、低能耗和长使用年限的特点。
二.当代科技影响下的建筑设计方法论之特征探析
当代科技影响下的可持续性的建筑设计理念取代了传统的设计理念,实现了柔性设计、虚拟设计和仿真功能。
(一)柔性设计建筑设计方法论之特征探析
柔性设计理念是现在建筑设计与生产活动中的主要特点,柔性指的是使建筑的设计具有灵活性和普适性特点,通过对建筑进行设计后,使建筑的设计能够符合周围的环境,方便人们的居住和生活。因为当代人们对建筑的要求比较高,而且需求具有多元化的特点,技术的革新速度也是非常迅速的,瞬息万变的建筑市场对建筑的灵活性和普适性提出了更高的要求,这种要求会在很大程度上影响到建筑设计的理念,使得建筑设计由刚性设计向柔性设计的转变。
柔性设计的建筑理念因为具有高度的灵活性,因此,建筑经过柔性设计后可以满足不同人的要求,同时,建筑可以设计出具有高度开放性的升级端口,通过一系列技术的改造可以保障建筑系统随时保持更新,使建筑系统延长使用年限,从而实现了对资源的有效配置。建筑是人们要长期使用的产品,为了能够与现代科技的发展相协调,其设计理念也要遵循柔性设计。
例如在建筑的服务区和被服务区的设计中,在服务区实现对设备和交通系统的集约化设计,在被服务区则可以进行灵活性的分割,使被服务区具有较大的空间。这样既能够实现建筑柔性特征,保证主体具有较为宽阔的使用场地,同时也为设备的升级和交通承载力的扩大奠定了一定的基础,这种设计理念已经被很多注重生态环境的建筑设计师广泛地采用。
(二)虚拟构建建筑设计方法论之特征探析
长时间来建筑设计师主要是通过实物的设计图纸和模型来进行设计方案的研究,直到可以形成较为系统和完善的设计理念,设计理念的形成主要是以具体的图纸来实现的。在这一过程中,建筑师的设计理念基本上已经在头脑中形成了,由于实物草图不具有三维特征,于是二维的构造模式已经在设计师的头脑中形成了,然后建筑设计师不得不运用比较低速的手动方法来对模型进行补充和分割,以获得三维模型的表述方法。
传统的手动工作不能使建筑设计师头脑中迅速形成建筑的三维剖面图,其精度不高,而且在速度上比较慢,影响建筑设计师的工作效率,而且设计师瞬间的灵感也会被慢速度的设计方法给磨灭,对于某些比较复杂的三维空间的设计师不同通过人脑进行直接想象的,因此,传统的建筑设计方案受到了极大地挑战。
随着计算机技术的普及,人们可以运用计算机技术设计虚拟的建筑构造,科学技术的运用极大地提高了人脑对三维模型的掌控效果,交互式的页面可以让建筑设计师准确而灵活地对设计中产生的灵感进行快速地实践。
CAD技术是建筑设计中构建虚拟模型的最常用的方法,其主要的优势在于可以绘制三维的图像,取代了二维平面图,使设计能够更加立体而生动地展现在建筑设计师面前,实现了电子自动化图版的功能和效果。CAD技术不仅仅能实现将复杂的投影和漏画的图线进行补充,而且可以分析出复杂的构建之间的关系,能够有效地帮助建筑设计师在头脑中迅速呈现三维的设计方案。
(三)仿真设计功能方法论之特征探析
在建筑的设计中,仿真功能的实现可以构建建筑的计算机模型,在这一设计理念中,不仅仅能够实现建筑空间的设计,呈现出真实的模型,同时也能够让建筑设计师看到建筑设计效果,仿真技术的应用是在有形实体的视觉艺术上实现的,例如对比例和尺寸等实现的实物仿真等。
在现代科技的冲击下,建筑设计理念已经实现了多种技术相互应用的局面,现在,主要应用于建筑设计的仿真技术主要有对日照环境的仿真、太阳能辐射环境的仿真、自然采光的仿真技术等,通过采取人工照明的模拟和热环境的模拟来实现基本建筑综合设计的仿真。在实际的操作过程中,可以采用不同的设计方案对建筑的功能和规模进行仿真和模拟,现在,建筑设计师对于建筑仿真技术的应用还是把其当作一种设计检验的工具,这就导致了建筑设计师不能够将自己的思想融入到仿真技术中,因此,在运用仿真技术时一定要注意先进行设计,再运用仿真技术进行设计的提升。
三.结语
现在,随着人们生活水平的不断提高,人们对于建筑的设计要求也越来越高,建筑不仅仅要满足人们的居住条件,而且要在一定基础上实现以人为本的理念,要实现可持续发展的观念,建筑的设计要节省能源和资源,向绿色建筑过度。柔性设计的建筑理念因为具有高度的灵活性,因此,建筑经过柔性设计后可以满足不同人的要求,同时,建筑可以设计出具有高度开放性的升级端口,CAD技术是建筑设计中构建虚拟模型的最常用的方法,其主要的优势在于可以绘制三维的图像,取代了二维平面图,主要应用于建筑设计的仿真技术主要有对日照环境的仿真、太阳能辐射环境的仿真、自然采光的仿真技术等。
参考文献
[1]刘向峰,沈天行. 当代科技影响下的建筑设计理念的特征分析[J]. 建筑学报,2009,11:74-76.
1生物建模技术的数据源
计算机仿真技术平台系统从各个角度,不同路径设置,形象地展示集声音、粒子动画方案的设计效果展示。使客户可以身临其境的在三维虚拟空间感受到方案完成后的动态效果,有利于更加清晰的规划方案,确定方案的合理性与可行性。
针对几何对象的设置方案和无缝编辑的生物建模技术的分类研究。
创建对象的几何模型分为 stand primitie与 extended primitie两种创建方式为几何模型对象内部所固有的有着几何性质的可编辑的抽象模型,它们也可以作为基础模型辅助高级模型的创建,其精度线段细分都可以通过修改面板进行调节。几何模型所表现的属性性质可分为子层级,子层级内部可以分层编辑修改,最终完成基础模型的创建工作,修改包括三维几何体对象的基本点、线、面、多边形形态的子层级,反映几何体对象的面层级的特点;在三维仿真平台系统应用中体现要求的说明信息等。
2 三维建模的技术分类
我们通过不同的设计方案完成初步草图的设定,以及建筑模型的平面、立面设计,或是应用图形图像资源库中的标准几何体来完成初始模型的创建工作。细致模型的创建需要通过无缝编辑的生物模型来完成,或是根据不同的造型结构,通过物体合成命令来完成建筑模型的最终创建工作。建筑的不同环境效果和不同材质的划分以模型的不同面的表现来区分,并根据不同的分隔面来设置不同的ID号码,通过不同的ID号码由系统来区分不同的材质连接属性。
目前,根据模型的分类差异,三维建模在计算机仿真领域中技术上分为几何建模类型和动态建模类型。
3 静态三维模型库数据的获取
模型库建立的难度主要在三维模型建模的精模与低模的转化过程,在三维模型创建之前,首先需要数字资源的收集整理,主要包括 DWG地图和地形的测量数据、航拍、设计图纸、以及常用模型的数据资源等数据资料。三维仿真系统中建立模型资源库,针对静态三维模型而创建的,为了方便静态模型资源的重复利用,以及方便静态模型的资源管理和模型信息升级,因此设置模型信息分类存储。
静态模型资源库大致分为以下几类:建筑三维模型以及公共设施附属模型:地标性建筑模型;交通设施模型;公共模型设施;绿化植被模型;水体模型;景观及游乐设施;模型库资源的建立主要是由AutoCAD和3DSMAX来完成的。
在 AutoCAD中完成三维场景的平面图创建后,将其导入3 DSMAX中,进行地面模型的创建,并且分割地形、地势,以便之后三维模型的面数与贴图的赋予不产生面的轴向 UV问题。应用3DSMAX进行初使模型的创建,由于造型能力强,并且可以很好的与仿真软件进行模型的应用导入,因此常用于虚拟仿真的三维建模部分,模型有很强的仿真立体效果。植物模型的创建,一般植物建模通常面数很高,也就产生了数据量的问题,因此现今植物建模的各种效果展示中真正的植物模型应用比较少,通常是应用大量的以面为单位的植物贴图以达到场景中需要的视觉效果,尤其是应用通道透明贴图。三维模型创建完成后,通过三维仿真资源数据库进行管理和操作的。
三维模型资源库将模型分为:高精度模型、中精度模型、低精度模型,方便三维仿真场景中对于近景、中景、远景的不同需求,当摄影机跟随路径约束到视图远景时,所显示的模型为低精度模型,如此可以大量的节省场景中模型的计算量,以达到实时交互的刷新频率要求; 当摄影机跟随路径约束到视图近景时,所显示的模型为高精度模型, 保证了实时交互,对三维场景中的近景模型的高精度的视觉要求。三维场景数据库的模型资源表现了真实环境中的建筑模型合并到虚拟三维场景中的细节效果反应,包括三维场景中的天空作为一个球天模型的环境贴图对建筑模型群体的色彩影响。
4 粒子动态现象的建模
计算机仿真技术在虚拟环境中,创建静态的三维几何体模型的交互效果显示,对于实时仿真来说是无法满足用户的视觉显示效果要求的,三维物体的性质还涉及动态模型的应用,从三维物体运动的位置改变、以及物体之间的相互碰撞、三维模型的角度捕获、物体的缩放变形、以及三维模型的子层集表面变形等等。我们以视图坐标为中心,以运动的物体自身坐标进行轴向的运动变化。三维场景中的每个对象都有一个自身坐标,物体可以以自身为轴向进行运动,这样的坐标称为自身坐标系统。这个坐标系统的位置随物体的移动、旋转、缩放而改变。通过关键帧的设置,完成需要的动态模型创建。
针对三维场景还有一个世界坐标,场景中的所有建筑模型都遵从于这个世界坐标。通常动态现象建模应用粒子系统,以及动力学系统,表现水景、云雾、风、火焰等,水体模型建造在地形变化中起着重要的作用,同时是建筑表现效果的重要内容,场景实时渲染的要求,通常应用粒子系统完成水景动态特效后输出动态文件,再将其以贴图纹理的方式附予场景中的建立好的面片中。虚拟对象 reactor的空间绑定,这是配合粒子系统的动力学系统,属于物理建模方式,通过对于虚拟物体的空间绑定,确定 reactor的质量、重量、摩擦力、惯性,以及物体的反弹参数值等等,这些特性与三维建模及其虚拟仿真平台结合起来,形成一个虚拟模型空间。
5 结论
三维场景中的物理建模涉及到动力学系统,是虚拟现实系统中比较高层次的模型创建,因为它需要物理学中动力学和重力系统与计算机图形学相结合,涉及到动力学系统中力的作用问题,主要是三维模型的重力、摩擦力、反弹值。
除了人机交互中相互作用的系统程序应用外,还有在计算机模拟三维仿真系统平台中所呈现的粒子系统和动力学系统,创建粒子系统的动画运动行为模型。使得虚拟仿真系统平台可以自主性控制,也就是设定场景的动态信息后,用户不与之交互,指三维物体的活动变化以及周围环境和其它运动实体模型之间的动态关系,比如风效、雨景特效等,它们不受用户的输入控制(也就是说用户不与之交互)。
参考文献
[1]曾金发.虚拟现实复杂场景生成简化和优化技术研究[D]. 南京理工大学,2004.
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