虚拟仿真十篇

虚拟仿真篇1

自20世纪9O年代以来，以计算机仿真技术、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现，并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段，虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击，并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明，虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验，探讨在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和体会。

2．虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。

2．1虚拟现实技术

虚拟现实技术就是利用三维建模技术，构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景，并能响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真，也称为视景仿真，它主要用于产品设计与展示、商业广告、游戏设计等。

在航空电子装备教学中，大量用到对装备的外观、结构、组成、连接、机安装位置的展示，传统教学大都采用实物展示的方法。近年来随着大量航空电子装备的更新换代，因受经费、场地及使用寿命等因素的限制，传统教学方法已远远不能满足要求，而采用虚拟现实技术的展示方法则以其廉价、无场地限制和效果良好得以广泛应用。

目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿真的开发，主流平台CreatorVegaVegaPrimeVTreeOPENGVSQUEST3DVRTOLLSEON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虚拟现实数据库OPENFLIGHT已经成为了工业标准，在军事、航空航天等领域应用都比较成熟。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用rVegaPrime、GLStudio和EON作为视景仿真开发的技术平台，解决物理模型的创建、场景显示等问题。该平台可以达到照片级的视景仿真效果．同时采用嵌入OPENGL技术来解决物理模型的交互问题。

2．2系统仿真技术

系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科．它通过建立实际系统的数学模型，利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式的仿真，也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。

在航空电子装备教学中，对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述，配合一些静态的图形帮助学员理解．教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧。近年来．我们尝试将系统仿真技术应用到航空电子装备教学中，根据被仿真装备的工作原理，建立系统的数学模型，并根据装备的不同工作状态，对模型进行动态运行．结合虚拟现实技术实现的逼真场景．较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用．也可供学员自学，并达到了较好的教学效果。

目前，有许多成熟的系统仿真开发平台软件．如Simulink、SystemView等，这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎．但价格较为昂贵，且大多未提供对外的仿真数据接口．仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。

3．虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤

3．1建立仿真模型

这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型，也包括揭示其内在工作机理及行为的数学模型。对三维物理模型的建立，主要依据装备本身的物理状态，其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立，则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化，本着够用为度的原则，以尽量减小运算量。建立数学模型时，还应考虑到系统运行时的参数调整。

3．2创建仿真装备的虚拟场景并驱动

对于虚拟场景的驱动，根据使用方式的不同采用了不同的方式如果进行的仅是装备外观、结构的展示，可使用EON进行动作的编辑和驱动；如果需要对装备进行虚拟操作仿真，则使用GLStudio软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作，然后再利用VegaPrime驱动以实现更复杂的交互操作。

3.3系统集成

系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起，使之成为_个完整的、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如EON、GLStudio及VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用软件开发平台的运行插件，因此，系统集成变得十分方便。编写程序时，只需考虑软件功能的安排，注意程序间的兼容性即可。

系统集成时，还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来，即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台，与视景仿真处于不同的系统进程中．因此这种驱动是通过两进程间的实时通信来完成的。这里还需要考虑进程间的同步问题。

虚拟仿真篇2

系统将根据用户的操作给出相应的评价

后台功能通过数据库系统将前台和后台系统有机连接，后台系统可对前台系统中的信息进行管理。（1）信息管理：管理员对平台中的文章及资源进行修改及更新操作。（2）用户管理：对注册用户及内部用户信息进行管理。（3）题库管理：对现有题库进行管理，包括添加、修改、删除。（4）系统管理：对课程主体模块进行设置，添加或删除菜单选项。（5）虚拟实验管理：对实验模块进行管理，包括添加、删除。数据库的设计与实现对于一个系统来说，数据库的设计与实现非常重要。本系统主要涉及的表有用户表、文章目录表、文章表、题库表、虚拟实验表；在本系统中，比较有特色的设计是文章目录表和虚拟实验表。文章目录表对于一个好文章系统设计来说，需要实现的功能为：（1）实现无限级分类。（2）实现无限级链接导航。（3）实现逐级分类下各条信息的查询，包括最多浏览量、最多评论量、最新信息。（4）随意转移子分类到任何级别而不用修改分类下的信息表。（5）使用最少的参数得到所要的信息，URL参数最好只有一个。（6）不管多少级，只有一个ASPX文件实现类列表和各种方式的信息调用。在本课程平台系统中，采用树形的结构来构造目录系统，通过root、depth、parent、left、right字段来设定文章所在的层次和对应的父目录和子目录。虚拟实验表主要字段包括验名称、实验介绍、所对应的链接。通过链接的方式来完成实验的。

虚拟实验开发实现

系统建设流程大致分为三个阶段，即收集整理资料、建立三维实体模型、系统集成与功能开发。虚拟实验详细创建流程如图一所示。收集整理资料收集各种实验设备的照片及图纸，进行分类，并用Photoshop进行预处理，包括调节自动对比度、裁剪等来达到实验的需求。图片可以采用单张图片的方式，也可采用多通道的方式存储。三维实体建模本系统使用三维建模软件3DMAX进行建模、渲染、烘焙，然后使用VR-Platform(VR～Plat-form，三维互动仿真平台是由深圳中视典数字科技有限公司独立开发的三维虚拟现实平台软件)制作交互。课程实验中主要场景模型是实验设备、实验器材作为各种碰撞障碍物，具体模型参数的设置是在考虑物体物理属性，所以建模过程相对简单。一些模型可以通过AUTOCAD图纸导入后转为三维模型方式；高级三维建模通常方法是建立基础模型，如长方体、平面、圆柱体等，之后经过对其加线、改线、添加修改器等一系列操作后，方可得到所需模型。模型建立完成后再进行相应的材质贴图、添加灯光操作。进行较大型VR场景制作时，后期通常会对VR场景进行分批烘焙，分批导出操作，这时就需要对部分已烘焙的静态模型进行导出。系统集成与功能开发在Max里完成以上操作后，就可以将场景导入VRP中进行交互功能设计了。VRP中进行漫游交互的制作。VRP具有人性化、易操作、所见即所得；高真实感、实时画质；高教渲染引擎和良好的硬件兼容性；高精度碰撞检测算法；丰富的特效；功能强大的实时材质编辑器；强大的界面编辑、独立运行功能。系统优化影响基于VRP的虚拟现实系统最终运行速度的三个因素为：VR场景模型的总面数量、VR场景模型的总个数和VR场景模型的总贴图量。因此对系统的优化主要从这三个方面进行。（1）场景模型的总面数：通过做简模、删除无用的面的方法来减少总面数。（2）VR场景模型总个数：将相同材质的物体进行合并，加快场景的加载时间和运行速度。（3）VR场景模型的总贴图量：尽可能利用已有的贴图减少贴图量，将烘焙好的场景导入VRP编辑器之前将所有烘焙后的贴图进行贴图格式压缩。

结束语

虚拟仿真篇3

关键词：虚拟仿真；药物制剂综合实训；实践教学

药物制剂综合实训是高职药物制剂技术专业一门重要的专业核心实践课程，该课程涉及药物制剂生产与检验的多个岗位，学生通过查阅文献，自主设计制剂处方和生产工艺，分工协作完成制剂的岗位生产与检验的全过程，有助于学生熟练掌握制剂生产的岗位标准操作，提高学生的岗位意识和责任意识，提升学生的综合实践能力，培养学生的创新精神，为学生毕业后从事药物制剂的生产与检验等工作打下坚实的基础。目前，我校已建成的高职药物制剂生产型实训基地能够满足药物制剂综合实训课程的实践教学要求。然而，在实训教学过程中仍然存在一些问题：一方面，由于实训涉及的岗位多，设备复杂，设备体积较大，投料量大，实训成本较高，实训耗时长，学生只能分组完成实训，设备使用的次数受限，导致学生的参与度不高；另一方面，由于实训涉及的岗位复杂，学生不能进入药厂生产车间中实际体验制剂生产中不同岗位的操作过程，导致学生在实训过程中岗位认知不足，学习的积极性不高，部分学生岗位意识淡薄，岗位职责不明确，出现岗位生产前检查和生产后清场不彻底、岗位生产操作不标准、岗位生产中仪器设备的使用不规范等情况。针对实训中存在的问题，本文尝试将虚拟仿真技术引入综合实训的教学过程中，将虚拟仿真与生产实操有机结合，为综合实训类课程的教学改革提供一些科学化的建议。

1虚拟仿真技术在实训教学中的应用优势

虚拟仿真技术是指在教学过程中，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术手段，构建一个高度逼真可视化的虚拟实验环境，进而开展实验操作的新型教学方式[1]。虚拟仿真可以创建各种形式的实验教学场景，供学生完成多种类型的实验，达到优化实验教学环境、提高实验教学质量等目的[2]。目前，虚拟仿真技术被逐渐应用于药学、药剂学、药物制剂技术、中药制药以及生物制药等课程的实训教学中并展现出诸多优势。

1.1虚拟仿真使实训内容更加生动形象

在传统的实训教学中，学生按照岗位标准操作规程、设备使用标准操作程序等文件完成岗位生产，文件中的内容相对比较抽象枯燥，将虚拟仿真技术引入实训教学中，将实训内容以虚拟仿真动画的形式生动、形象地呈现在学生面前，使学生产生身临其境的感觉，极大程度地激发了学生的学习兴趣[3]，加深了学生对知识的理解，提高了学生的学习效率。

1.2虚拟仿真使实训方式更灵活多样

虚拟仿真技术打破了实训时间、空间的限制，学生可在虚拟仿真实训平台上随时随地操作虚拟仪器设备，在虚拟场景中完成不同岗位的生产与检验工作，很大程度上缓解了由于实训设备数量有限、实训场地空间有限、实训学时有限等所造成的实训方式单一、不灵活的情况，虚实互补拓展了实训教学的方式方法[4]。

1.3虚拟仿真使学生学习的积极性和主动性得到了极大提高

虚拟仿真打破了地域的限制，学生可以身临其境地在虚拟车间内完成各岗位的虚拟生产操作，一人一机充分训练[5]，从而加深了对岗位生产的认识，教师适时地学习任务，开展虚拟仿真实训考核、组织互动交流以及在线答疑等学习活动，充分调动了学生学习的积极性和主动性，使每一名学生都高度参与到虚拟岗位生产的学习中来，调动了学生的学习积极性。

1.4虚拟仿真有助于深化岗位意识、提高岗位认知水平

在传统实训教学的基础上引入多岗位结合的虚拟仿真实训教学，让学生短时间内全面了解药厂环境[6]，有助于深化学生的岗位意识，明确岗位职责，提高岗位认知水平，使学生在虚拟仿真实训中自觉按照各岗位标准操作规程完成领料、生产前检查、岗位生产加工、物料周转、岗位清场以及文件撰写等工作，为学生下一步进入实训车间完成各岗位的实际生产工作打下了良好的基础。

1.5虚拟仿真有效降低了实训成本

虚拟仿真技术中所用的虚拟仿真设备可反复使用，各虚拟岗位不用真实投料就可反复生产，学生在熟练完成各虚拟岗位的生产操作后，再进入实训车间进行实际生产实训时，已经对各岗位的标准操作以及设备的使用有了充分的了解，可有效地提高学生的岗位生产效率，避免不合格产品的产生，有效降低了实训成本。

2虚拟仿真在药物制剂综合实训中的应用

根据目前综合实训教学模式的不足以及虚拟仿真在实训教学中的优势，本文将虚拟仿真技术与综合实训进行深度融合，提出了虚拟仿真与生产实操相结合的综合实训教学模式，并将该教学模式应用于药物制剂技术专业的综合实训教学中。该教学模式主要包括课前虚拟仿真实训、课中生产实训、考核评价3个阶段。

2.1课前虚拟仿真实训阶段

在课前，学生利用虚拟仿真实训平台，以第一视角进入虚拟固体制剂生产车间，按照各岗位标准操作规程身临其境地参与口服固体制剂生产过程中各个虚拟生产岗位的操作过程，包括领取文件、更衣、进入各虚拟生产岗位进行生产前检查并填写生产前记录、从中间站领取物料并填写出站记录、进行各岗位生产加工并填写生产记录、生产结束后进行物料转移、岗位清场并填写清场记录等。通过各生产岗位的虚拟仿真练习，学生对各生产岗位的认知更加深刻和全面。虚拟仿真实训教学除对岗位操作进行练习外，还将大型生产设备的结构、工作原理等以动画等形式最大限度地呈现在学生面前，拉近了理论与实践之间的距离。

2.2课中生产实训阶段

在课中生产实训阶段，学生在药物制剂GMP实训车间通过角色扮演的方式，最大限度地还原了虚拟仿真生产车间中各岗位的操作过程，学生自主进行岗位分配，不同学生扮演不同岗位的操作工，通过实际使用各岗位的生产设备完成各岗位的操作过程并填写相应记录，将实际生产过程中的中间产品如颗粒剂、片剂等送至中间站，由扮演中间站管理员的学生与扮演岗位操作工的学生完成中间产品的核对后，分别在进站记录上签字，授课教师扮演质量管理员，对生产及清场过程进行检查并发放清场合格证，负责中间品检验的学生扮演质量控制员，将中间品取样后进行检验。学生在整个实操过程中体验不同的岗位角色，极大地调动学生学习的积极性，拉近实践教学与实际生产之间的距离。2.3考核评价阶段在考核评价阶段，采取在线考试的方式考查学生对虚拟仿真生产岗位操作过程的了解程度，采取实操考核的方式考查学生对实际生产设备的使用、生产岗位的标准操作、生产记录的撰写等的熟练程度。合理分配虚拟仿真与生产实操考核在考核评价体系中所占分值的权重，充分体现以生产实操为主、虚拟仿真为辅的考核评价目标。

3教学效果评价与教学反思

对学生开展虚拟仿真与生产实操结合的药物制剂综合实训教学效果满意度调查，调查结果显示，学生对虚实结合的综合实训普遍表示认可，学生能够自主将虚拟仿真岗位生产与实际生产联系起来，提高了学生对不同制剂生产岗位的认知能力，不仅有助于学生对各岗位生产操作的熟练掌握，同时，也使学生对生产设备的结构及使用、药厂的综合布局等有了更加深刻的理解。然而，在虚实结合的实训教学中也存在着一些不足：（1）虚拟仿真实训与实际生产实训之间还存在着一定差距，如生产设备以及检验仪器的型号、所用的物料与文件、生产环境等的差异。（2）虚拟仿真技术对某些过程和某些真实问题难以模拟，例如处方筛选、工艺优化等过程以及压片岗位出现裂片或松片等质量问题时如何处理、制软材岗位黏合剂的加入量如何控制等。（3）现有虚拟仿真软件的开发技术有待进一步提高，以最大限度地满足药品生产企业岗位生产与设备更新的要求。此外，虚拟仿真技术的引入对教师信息化能力提出了更高的要求。

4结语

将虚拟仿真与综合实训实践教学进行了深度结合，围绕教学目标、教学重难点以及多岗位之间的联系开展虚实结合的综合实训教学研究，使学生全面了解制剂生产中各岗位操作过程，不仅有助于拓展实训教学内容，让学生在短时间内全面了解药厂环境，激发学生的学习兴趣，还能增强实训的交互性，培养学生的自主学习和团队协作能力，达到提高学生综合实践能力以及岗位认知能力、培养学生创新精神的目标。

参考文献：

[1]魏晓鹏，杨金荣，许煜静.虚拟仿真技术在药学专业实验教学改革中的应用[J].教育教学论坛，2020（23）：186-187.

[2]刘睿，焦新怡，刘岩，等.虚拟仿真技术在中药制药实验教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2020（27）：389-390.

[3]杨佃志，张含波.虚拟仿真技术在药物制剂技术课程教学中的应用[J].科技风，2020（20）：60.

[4]廖启元，经嘉，刘东平，等.虚拟仿真技术优化药物制剂实训教学：以安徽中医药高等专科学校为例[J].海峡药学，2020，32（11）：101-103.

[5]翟科峰，段红，曹稳根，等.基于虚拟仿真技术的生物制药实训课程的改革与实践[J].吉林医药学院学报，2020，41（3）：235-236.

虚拟仿真篇4

【关键词】虚拟仿真实验系统 管理系统 多样性

近几年，教育部一直在提出并让高校贯彻执行教学资源的先进性和创新性理念，这是适应当前社会的高速发展对人才提出的综合要求。如今，高等院校在教育理念上一直在摸索和发展中前进，但光有深刻的理论基础尚且不够，创新性需要在实践中才能得到体现和应用。尤其工科是一门实践性非常强的专业，要求毕业生在工作岗位上有很强的动手实践能力。在以往的实践中，学生的实践大部分是局限于在实验室展开。这种传统的实践模式存在以下几个弊端，一是高校资金短缺，实验室无法满足日益扩招的学生数量，这样从教学资源配置上无法很好的满足学生的需求；二是对理论知识学习不深刻的同学直接进入实验室进行操作实验，很容易因为误操作而损坏仪器仪表，直接造成了资源的浪费；三是一些高危险和能源型的会造成污染的实验也无法在实际的实验室中操作完成。近年来，高等学校逐渐的大规模引入了虚拟仿真实验系统，并且也形成了学科体系。

1 传统仿真软件的特点

在使用虚拟仿真实验系统之前，高校工科专业近些年也在一直使用一些仿真软件作为对课堂和实践教学的补充，以电子专业为例，常用到的一些电路软件有EWB、Multisim，主要用于电子电路的功能仿真；还有由欧洲DesignSoft Kft.公司研发的Tina Pro软件，主要用于模拟及数字电路的仿真分析；美国Wake Forest大学基于SPICE开发的CircuitMaker软件，主要用于电子电路仿真实验；英国Labcenter electronics公司出版的Proteus软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。这些软件在很长一段时间里对教师和学生起到了很好的辅助作用，但在使用的过程中，也发现了一些弊端。一是这些国外的软件都是针对企业，工程使用开发，而不是针对学校的学生实验开发，很多软件的功能在基础学习中无法使用，没有针对性。二是国外的这些仿真软件更新换代太快，各门课程需不断的购买正版软件这对于学校和学生都不太现实，但是用下载的盗版软件又存在使用过程中有时软件不稳定的情况，对于一些电路的仿真和参数的分析会造成波动及误差。三是这些仿真软件的界面都是英文，对于英语基础较差或者是学生没有学习专业英语之前，是存在一定困难，从而造成了学生对软件的畏惧情绪。四是人机界面比较单一，没有配套的知识辅助资料和实验过程指导，教师要在很多学生中进行巡回指导，工作量大，效率低。

2 虚拟仿真实验系统的应用

2.1 虚拟仿真实验系统的特点

虚拟仿真实验系统是以计算机作为控制中心，采用多媒体技术手段在计算机上虚拟实验环境，软件构建逻辑结构模型，再和硬件相结合，构成虚拟系统。并利用互联网形成网络化虚拟系统在计算机人机界面上完成实验。该系统由课程实验仿真平台和实验管理系统构成，这也是和传统使用的仿真软件的最大区别之处。该系统引入了实验管理系统，也就是说，该系统搭建的平台可以针对学生，教师和实验管理员分别使用，每个学生，教师，实验管理员都有属于自己的管理账号。学生登录账号可以选课，可以提前预习实验要求，获取实验信息，并进行虚拟实验，最后提交实验报告和查询成绩接收实验结果反馈。而教师登录账号可以布置新实验，并提供一些实验案例和提出实验要求，还可以在线指导学生实验，对学生实验作出批改，实时与学生进行交流。实验管理人员登录账号可以添加和查看实验室，对学生和老师的考勤进行管理，对整个系统进行维护，做好后勤保障工作。这种基于网络的流程化管理完成了对实验过程的全面控制，大大的提高了效率。

2.2 虚拟仿真实验系统的发展

虚拟仿真实验系统充分的降低了实验实践成本，搭建了一座从理论到实践的桥梁，使得实验过程安全可靠。通过网络化的实验管理系统，突破了空间和时间的限制，打造了生动直观的教学环境，提高了师生的互动性。虚拟仿真实验系统是在课堂，实验室，传统仿真软件，企业实践四种环节的基础上汲取经验弥补不足发展而来的。该系统连同以上四个学习环节可以优化组合，发挥最大优势。比如原理性概念性的理论知识可以结合课件或动画的形式在课堂完成，基本操作型的实验可以通过传统仿真软件验证后在实验室操作来锻炼学生的动手能力。创新性的，开发性的实验可通过虚拟仿真实验系统完成，学生可以反复设置参数，反复调试验证，反复的进行修正直到最后满意的结果，这个过程极大的减少了资源的消耗，降低了实验的成本。

3 虚拟仿真实验系统在电子学科的应用

3.1 虚拟仿真实验系统的建设

全国信息技术标准化技术委员会教育技术分技术委员会在虚拟仿真实验教学系统的开发方面制定了一系列的规范和标准草案，为各高校学科资源的共享应用奠定了基础。一个虚拟仿真实验系统的建设是集成了多门学科资源的，在这个方面，我们国家像北京邮电大学等高校潜心研究开发出了结合高校学科专业特点的虚拟仿真系统，建立了信息电子类课程的虚拟仿真实验平台。通过该平台提供的仪器设备可进行几百个电路、电子、信息的典型实验项目，充分的满足了高校学生的基础需求。另外，把一些前言的科研项目渗入到虚拟仿真实验范围，丰富了实验内容，开拓了学生视野，充分的满足了高校学生的深层次拓展要求，有利于培养创新性的人才。

3.2 虚拟仿真实验系统在电路中的应用举例

以北京邮电大学开发的虚拟仿真实验系统为例分析，仿真平台模拟真实实验中用到的器材和设备，而且该仿真平台是中文界面，学生用起来直观方便。该实验平台提供了二十二种典型电路实验，在实际中，可以根据学科专业特点需要选取其中的典型性实验。下面以戴维南定理的验证与认识电路为例进行说明。该定理比较抽象，对其中的电路分析结果学生课堂难于掌握，通过虚拟仿真实验系统的流程化学习系统，学生可以轻松的对定理作出深刻理解。如图1所示，在界面的主器材库选取相应的器材设备，在右面的实验台搭建电路，完全模拟真实化的实验环境。如图2所示，是教师登录后的界面，教师可以在这个系统里对所有学生的实验进行批改，设置，操作。如图3所示，是学生登录后的界面，学生可以对老师提前选好的一些实验进行操作。

4 小结

虚拟仿真实验系统为电子类专业的学生提供了多样的可选择实验项目，利用虚拟技术实现了理论与实践的密切结合，拓展了理论的深度和广度，在综合设计和创新方面，为学生提供了一个良好的平台。

参考文献

[1]孙燕莲，韩巍，文福安.构建仿真实验系统关键技术的研究[J].实验技术与管理，2005.

[2]路而红.虚拟电子实验室[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[3]文琪琪，文福安.虚拟实验指导系统的交互式设计研究[J].软件，2013.

虚拟仿真篇5

【关键词】虚拟现实 仿真实验教学 应用

实验教学工作在理工科教学活动中扮演了重要的角色，有利于巩固学生的理论知识学习成果、深化学生掌握及理解知识的能力，培养并强化学生分析及解决问题的能力。现阶段，受实验室条件的限制，在实际的理工科实验教学活动中，学生们往往借助虚拟现实技术在相关模型上开展实验研究工作。目前，虚拟现实技术在仿真实验教学中广泛应用，收到了显著的成效，极大地推动了仿真实验教学的进步。

1 虚拟现实技术的内涵及主要语言

虚拟现实技术简称VR，其是一类可以体验及创建虚拟世界的计算机仿真系统，借助计算机生成相应的模拟环境并使用户沉浸至该环境之中。虚拟现实技术是仿真技术研究与发展的一个重要方向，其是计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人机接口技术及网络技术的高度融合，是一门复杂程度极高、应用空间广阔的新型技术。

就目前状况而言，VBML语言是虚拟环境构建工作所使用的主要语言，其能够有效灵活地将二维图形、三维图形、视频及音频等效果调和于一起，从而创造出一个综合性极强的虚拟场景，并为虚拟场景赋予较强的实时感及空间感。用户可以在虚拟场景中随意巡行，而且能够对场景中的相关对象进行交互式的操作。

2 虚拟倒立摆三维场景的构造

VRML是重要的虚拟现实建模语言，人们利用VBML语言能够快捷、有效地建立虚拟三维场景。作为虚拟空间的文本性描述，VBML文件可以由任意一个记事本生成，而“.wrl”是VBML文件的扩展名。经验表明，在建模工作中运用VBML较为困难，需要经历大量的必要程序，不仅无法实现所见即所得，还要编写大量的程序代码，工作量极大。

MATLAB中自带了一个三维物体构造软件包，软件包的名称为V-Realm Builder，该软件包的功能十分强大，其能够提供一个优质的集成开发环境，支持VBML的浏览器能够看到该软件包所生成的虚拟世界及三维物体。V-Realm Builder既能够简化三维物体的创造工作，同时还可以提供极为强大的三维物体编辑功能。使用者能够直接对界面中的每一个域及节点进行开展编辑工作，而且相应的场景立刻得到显示与修改。使用者能够轻松、便捷地进行节点修改、编辑与增加操作，绝大部分编辑功借助鼠标即可完成。V-Realm Builder的VBML的构造能力极其强大，基于此，可以在仿真实验教学中构建虚拟的三维倒立式摆模型。

3 虚拟现实技术在仿真实验教学中的应用

3.1 分布式开发

在仿真实验教学中应用相应的虚拟现实技术而得到分布式虚拟环境系统，该系统不仅可以最大化地满足分布式仿真对共享虚拟环境的各类要求，同时还能够适应复杂虚拟实验环境对计算工作的需要。互联网技术是分布式虚拟现实系统的重要核心，随着互联网技术的不断进步，分布式虚拟现实系统的先进性与完善性逐渐增强，该系统能够促使不同的实验者在不同区域，同一时间内进入分布式虚拟环境中，为异地实验者提供了共同学习理论知识、分享实验经验的机会。

3.2 虚拟现实实验教学中的集成技术

软件系统集成是虚拟现实技术集成的前提条件及重要基础，而系统的集成被视作虚拟现实系统集成的关键表现。由虚拟现实技术建立的实验系统中软件的高度集成能够确保系统集成的灵活性，这种灵活性往往表现在不同层面之上，能够促进仿真实验教学的进步。虚拟现实实验环境中囊括了大量易被系统感知的信息，也含纳了三维立体模型，因此，虚拟实验系统的集成技术能够在缩减实验成本的基础上提升实验教学的质量。数据识别、实验对象的同步、实验模型的标识及数据形态转换技术是虚拟现实系统集成技术的主要组成成分。

3.3 生成实时三维图形

F阶段，虚拟现实技术中的三维立体图形生成技术已较为成熟，对实验效果的同步技术是三维图形生成技术的核心技术之一。通常情况下，若要实现实时生成实验效果的目标，则需要保证三维立体图形的刷新速率不低于16帧每秒。在一定的范围内，三维立体图形刷新速率越快越好，一般认为最佳的三维立体图形刷新速率应不低30帧每秒。虚拟现实技术在仿真实验教学的应用过程中，应当在不降低三维立体图形的质量及数量的基础上适当地提升图形的刷新速率。

3.4 动态环境建模

在应用虚拟现实技术的过程中应当做好动态建模工作。应用动态建模技术的主要目的是构建与仿真实验教学相对应的环境模拟模型，借助来源于现实实验环境中的建模数据，紧密结合实际仿真实验教学的具体需要来建立合适的模型。在三维数据信息采集过程中，需要用到计算机辅助设计技术等技术。在实际的动态环境建模工作中，应当考虑到相关实验设备及实验流程的复杂程度，遴选最合适的建模软件来开展实物三维造型的构造工作。

4 结语

得益于科学技术的高速发展，虚拟现实技术逐渐成熟并在诸多行业中成功应用。新的发展形势下做好虚拟现实技术在仿真实验教学中的应用工作具有重要的现实意义，有利于缩减实验成本、提升实验质量。在实际的虚拟环境构建过程中要注意相关技术要点、遴选最恰当、先进的建模软件开展建模工作，广大教师要不断地提升自身的综合素质，善于总结借鉴优秀的建模经验，从而最大程度地强化虚拟现实技术在仿真实验教学中的应用质量。

参考文献

[1]王宣淋.在建筑领域中虚拟现实技术的应用分析[J].电脑迷，2016（07）.

[2]林凤屏，陈必链，张彦定.虚拟现实技术在医学教学中的应用探析[J].实验室科学，2016（06）.

[3]孙超.浅谈虚拟现实技术在智慧城市领域的应用[J].中国公共安全，2017（01）.

作者简介

董艳雯（1970-），女，河南省郑州市人。硕士学位。现为郑州市技师学院讲师。主要研究方向为电子、教育。

虚拟仿真篇6

医学物理学是把物理学的原理和方法应用于人类疾病预防、诊断、治疗和保健的交叉学科。因学科的交叉性强，医学物理实验在普通物理实验实难于完成，而建设专门医学物理实验室存在诸多方面的困难。现代虚拟仿真技术的出现，为医学物理实验的开展提供了较好的条件。

一 虚拟仿真技术在实验中的优势与特点

虚拟仿真实验是利用计算机仿真技术应用于物理实验教学的一种实验模式。物理实验中所呈现的实验环境和实验仪器都是通过计算机程序软件完全虚拟运行产生的，虽然完全虚拟，但却能通过虚拟的仿真操作， ，获得物理实验的结果，、分析物理实验的结果。帮助学生更快速、有效、准确地揭示自然界的本质和规律。对一些复杂的、危险的、设备购置费用昂贵的实验，在课堂和普通实验室中无法实现实验，如医学物理中的核磁共振实验等一些实验。虚拟仿真实验模式更具有不可替代的独特的实验教学优势。虚拟仿真实验模式的主要特点与优势如下：

1、将改变以教师为中心的传授式教学模式

该模式通过教师指导性的虚拟实验设计和学生自主学习活动的设计，可充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用。虚拟仿真技术可增强学生在学习活动中的思考和创新。虚拟现实技术作为一种认知技术，它不仅使学生能够有效地通过观察提出假想，而且，虚拟仿真技术提供的优良的交互性使实验教学系统能够为学生提供必要的反馈，学生成才可自主地、个性化地实现。学生可以通过屏幕提示逐步思考、选择，探索物理现象的本质，大大增强学生的理解力和掌握能力。

2、可更加构成开放性的教学环境。

它可以实现教材、方法、时间和空间等方面的开放性，使学生可以自行设计和选择实验方式，可提供给学生充分发挥想象力的空间；它可以设计以学生探索为主的模式，允许学生探索和建构虚拟环境，充分发挥学生的直觉思维能力、创造思维能力和实际的创造力。虚拟仿真实验可以通过验证型、测试型、设计型、纠错型和创新型等不同形式的训练，培养学生的分析、应用能力和创新能力。

3、可使教学内容更加丰富

虚拟仿真实验可突破时空限制，恰如其分地演示一些复杂、抽象、远离人们日常生活经验、不便直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示科学内涵。这将有利于学生进行扩散思维，有利于学生将已有知识向新知识学习迁移。利用虚拟仿真技术可让学生学习一些实际中具有时间性、可变性、距离性、抽象性且用别的方法很难观察和验证的各种物理现象，使那些抽象、枯燥、难懂的学习内容以生动形象的形式表现出来，可大大增强学生的理解力和掌握能力。虚拟仿真物理实验教学可提高实验过程的可重复性、实验结果的可鉴别性，以及减小技术水平差异带来的影响，能让更多的同学完成高水准的物理实验，对提升实验教学质量将起到促进作用。

4、有利于改进教学方式和手段

教师可通过身临其境的和自主控制的人机交互，由视觉、听觉、触觉获取“外界”的反应，开展启发式教学；学生可通过自我组织、制定并执行实验计划，进行自我评价，开展适应式学习。运用虚拟现实技术，通过刺激学生的视觉、听觉神经，调动学生的学习积极性和主动性，提高教学效果。

5、能克服新技术更新对实验仪器的淘汰

虚拟仿真实验模式可以克服实验室器件品种、规格和数量不足和仪器损坏的困难，又可以在节约大量昂贵的实验仪器费用的前提下，重复使用并时常更新实验“仪器”。运用虚拟仿真技术，可以将现代科学研究与发展的最新技术所产生的大量教学信息，直接地表现出来，展示于学生眼前，便于学生了解和掌握。现代物理理论的发展使得通常的实验仪器、实验方法远远无法满足现代物理理论的要求，随着现代物理理论日益抽象的内容和形式的多样化，这种变化趋势无疑会越来越大，而虚拟仪器将能弥补其不足。

6、有利于提高实验效率与效果

传统实验模式是在实际的操作中完成物理实验，但在探索性实验中由于需要较长时间的试做过程，学生必须通过在不同的实验条件下，采集与处理足量的数据资料，才有可能在比较与分析的基础上归纳出适当的规律形式。其实际效果是制约了实验教学在时空环境和选题内容上的开放性。而学生凭借现代虚拟仿真技术，在计算机上就能快速地完成该种物理实验，减少了大量枯燥的需要反复进行的步骤雷同的操作，不仅可以提高教学实验测量与显示的精度，而且还将大大节省在此环节上所消耗的时间，学生得以有更多机会去关注与实验任务密切相关的探索性设计问题。同时，它又能解决实验室开放的整体安排发生冲突的问题。

7、可实现实验的远程教学

虚拟仿真物理实验教学，可安装在远程服务器上的网络版本，学生可以利用自己适合的时间在本地计算机上完成实验过程。虚拟仿真实验更易实现基于网络的远程实验模式 ，教师可实现远程教学与答疑。这种实验教学，一方面可以通过B/ S 模式架构因特网上仿真物理实验的动态网页，实现多名异地学生同时在线实验，其新颖的实验方式也极易唤起学生的合作学习兴趣；另一方面可以搭建诸如BBS、在线答疑等形式的师生之间或学生之间互动的平台，这个网络平台将便于彼此之间交流实验中的问题与体会，增强合作学习的时空开放性，有利于团队合作精神的培养和实验教学目标的实现。通过局域网实现交互式远程教学， 高水平的名师由一校“独占”资源变为多校“共享”，促进了物理实验教学水平的普遍提高。

二 虚拟仿真技术在医学物理实验中应探讨的几个问题

虚拟仿真技术是近些年才应用于教育教学，与传统的教学方法和理念相比，在观念和理念都需改变。在目前虚拟仿真技术在医学物理实验的应用过程中，还有以下一些问题亟待解决。

1、虚拟仿真医学物理实验软件的开发

虚拟仿真实验要应用于医学物理实验教学，首先必须要开发一套实验的虚拟仿真的应用软件，该应用软件应能体现某个物理理论与物理现象，反映实验与理论的内在联系。虚拟仿真实验教学可以借助于计算机虚拟仿真软件呈现实验仪器与实验场景，交互式地向学生展示实验设备的外观与内部工作过程，使物理实验现象呈现在学生面前，从而得到更好的效果。

2、教师要转变教学观念

虚拟仿真实验教学将会极大地促使教学观念发生变化，从以教师为中心的授课形式改变为以学生为中心的个性化教学、合作化教学；学生由“要我学”转变为“我要学”，变“被动听讲”为“主动学习”， 由传统“教材控制”转变为“学习者控制”，在虚拟现实环境中主动参与、自我探究来构建知识结构。

3、对教师业务水平要求较高

虚拟仿真实验教学要很好实施，必须提高教师的业务水平与能力。教师必需要掌握虚拟仿真技术与现代化教学手段；设计性好虚拟仿真形式的物理实验，探索对学生的虚拟仿真实验监控、引导和及时掌握完成情况的方法；研究对学生进行虚拟仿真形式的物理实验的水平和能力的评价和考核方式，尤其是对实验中的创新性能力如何评定成绩等。因此，新型的虚拟仿真实验教学的考核方法与指标也是一个需要研究的课题。

三 发何在医学物理实验教学中制作虚拟仿真实验

我校是一所卫生类职业学校，学校没有设置普通物理实验室，在医学物理实验教学中，只能通过虚拟仿真技术来实现实验。如在讲授透镜成像的实验时我通过FLASH制做了透镜成像小实验，如图1，学生虽然没有通过实际镜片成像，但以很直观地了解了透镜的成像特性。除了自已制作简单的物理小实验的同时，我也利用《仿真物理实验室》来设置物理实验。通过《仿真物理实验室》让物理实验教学变的轻松简单。

虚拟仿真篇7

关键词:环境工程;虚拟仿真;平台建设

为加快提高本科教育质量，2019年底教育部办公厅公布了2019年度部级和省级一流本科专业建设点名单，认定首批4054个部级一流本科专业建设点和6210个省级一流本科专业建设点［1］。作为进入榜单的省级一流环境工程专业建设点，需要进一步加强专业建设，持续提升本专业内涵和建设水平，发挥一流专业的示范领跑作用，培养本专业一流人才，为学校“双一流”建设奠定坚实基础。

1虚拟仿真实验平台建设意义

国家《教育信息化十年发展规划(2011—2020)年》提出深入推进信息技术与高等教育实验的深度融合，将实验信息化作为高等教育系统性变革的内生变量［2］，以高质量实验助推高等教育质量变轨超车，对培养高素质人才，建设高等教育强国，具有十分重要的意义［3］。虚拟仿真实验平台依托虚拟现实和人机交互等技术，使学生在虚拟场景中开展实验和实践［4］。虚拟仿真实验中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的功能，在涉及高危或极端的环境、不可逆的操作，高消耗、高成本、大型训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目［5］。虚拟仿真实验中心建设应充分体现虚实结合、能实不虚的原则［6］。

2建设思路

以环境工程省一流专业建设为契机，武汉工商学院环境与生物工程虚拟仿真实验中心以开源共享、在线学习的信息化方式推进我校化学和污水处理类改革，以实验、开放的思想推动化学和污水处理类教育更新;充分利用新媒体技术和互联网平台，创建开放共享平台，回应全媒体大数据时代对于“终身学习”的需求［8］。虚拟仿真实验平台建设以学生为中心，平台全天候开放，以线上线下交互学习的模式，将化学和污水处理类相关理论课、实验课、课程设计和污水处理厂生产实习等环节，与仿真实验互通交叉进行。在传统课堂中，学生学习的知识理论性强，理解扁平化，通过在直观、可视的虚拟仿真实验项目中实施设计实践、构思实现、运行操作、问题解决过程，增加学习的趣味性，学生对理论知识的感性认识不断增强，对设计理念的掌握运用逐步熟练，对知识结构的建立形成持续完善，实现对专业知识体系理解的“理性—感性—理性”螺旋提升，强化学生的问题分析解决能力、综合设计能力、实践创新能力。

3建设措施

3．1开发与利用实验资源

依托虚拟仿真技术研发公司提供的虚拟仿真产品及相关技术支持，项目用于学校虚拟仿真实验，并持续开发拓展项目内容及功能;充分发挥工程技术企业和信息技术企业在虚拟仿真实验项目中的积极作用，创新才人培养模式，强化大学生综合能力训练，培养适合创新性国家建设的应用型创新人才。湖北君集水处理公司是学校合作企业，为实验项目提供了大量的专业实验设备、技术支持和经费支持。持续开发独立自主知识产权《污水处理工艺虚拟仿真实验》软件作为课程推进的新动力。虚拟仿真实验平台建设涵盖四个模块:化学水质检测仿真实验室(含COD、BOD、总磷、总氮和污泥的仿真实验，包含演示，可用于预习，见图1)，污水处理厂3D仿真培训(可用于学生认知仿真实习或企业入职培训，见图2)，污水处理工艺设计(见图3)和仿真污水处理厂运行(见图4)。每个模块化单元有其参数设置和设计计算等。

3．2建设化学和污水处理虚拟仿真实验网络共享平台

3．2．1建设门户网站实现网络共享门户网站作为虚拟仿真实验网络平台数据库系统的网络入口，各模块包括首页，项目描述，项目团队，网络相关要求等，首页涵盖通知公告、相关视频、虚拟仿真平台和仿真软件展示等。通知公告便于师生及时掌握本行业相关赛事和讲座信息;相关视频有实验室安全知识讲座、科技治污、各种宣传片等;网络平台支持学生开展专业讨论、在线共享学习资料等，承担随时学习等功能［7］。污水处理仿真实验是在线开放共享的，进入实验时可以选择不同的角色，实现对用户的分级管理，主要包括专家、教师和学生，不同级别用户享有不同的使用权限，用以提高网络的安全性［8］。3．2．2实现虚拟仿真实验管理平台功能虚拟仿真实验项目构架及研发技术:通过3D仿真技术实现虚拟仿真。3D引擎在Windows平台下通过DirectX技术实现3D渲染。通过骨骼动画、关键帧和序列帧动画制作3D动画。通过计算机图形学(实时阴影，光照贴图，凹凸贴图等)和计算几何学(碰撞检测、射线检测、刚体、流体模拟等)等实现现象仿真。通过后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真。开发工具采用Unity3d作为3D引擎，采用C#语言并通过VisualStudio工具进行程序开发。通过SVN，MicrosoftProject等工具进行程序版本控制和项目管理。虚拟仿真管理平台的开发语言是JAVA，开发工具是Eclipse跨平台的自由集成开发环境(IDE)。服务器硬件设有专人专管，部署在实验室核心机房;制定了虚拟仿真平台维护流程要求及维护记录，安排专人与欧倍尔公司对接并将软件持续改进。虚拟仿真实验平台涵盖对实验平台的后台维护人员和各类基础信息进行初始化、数据维护和功能设置，具体包括仿真程序教师端和仿真程序管理平台，仿真程序教师端包括学员管理和考试管理，仿真程序管理平台包括运维管理和部署管理。学员管理包括设置教师和学生的基本信息，包括实验安排、实验结果存储上传与数据分析、实验操作评价、实验报告成绩、实验课程成绩管理等功能;部署管理包括资料库、实验交流、实验过程管理、和在线答疑等部分［7］。

3．3建立和完善实验与科研队伍的培养制度

着力规范和加强教职工培训管理工作，明确按照学校建设发展的需要，“统筹规划、合理安排”的基本原则，采用校内与校外、国内与国外培训相结合，形式多样、有针对性、注重实效的方式来加强培训工作，确保建立起一支高水平的实验与科研队伍。大力支持从事实验与科研队伍人员相互学习、相互促进、共同提高，研究成果和发表的相关论文及编写的实验教材与同类科研成果一样享受各种奖励。担任有实验教学课程的新教师和实验技术人员上岗前必须经过培训，过好实践教学关，熟悉实验室环境，了解掌握仪器设备性能和操作使用方法，掌握实验教学软件的运用，认真备课，撰写指导实验的教案。同时，在指导实验前必须完成预备实验，进行试讲、试做，提供讲稿、试做记录，经系、实验中心负责人组织审查确认后可进行实验教学和指导实验。

4应用情况

4．1学科竞赛

2020年第46届世界技能大赛水处理技术项目交流赛(武汉)由武汉工商学院承办［9］，结合疫情防控相关要求，虚拟仿真平台模块是其中5个考试模块之一，占总成绩的10%，每个模块的设置充分考验选手设备安装能力、操作熟练程度、实验进程把握能力，以及界定、探索、解决不确定性问题的能力;2020年第46届世界技能大赛水处理技术项目湖北省线上集训也采用了虚拟仿真平台，并且向参加的14所院校52名学生和10余名教练介绍和推荐了本校自主开发的虚拟仿真软件;2020年第46届世界技能大赛湖北省选拔赛水处理技术项目正式比赛中［10］，武汉工商学院学子分别取得了第一名和第二名的好成绩。

4．2实验和实践教学

虚拟仿真篇8

四、虚拟实验室建设的构想

据教育部“十二五”发展规划，工程实验室将在信息集成技术、虚拟仿真技术和敏捷制造技术等方面寻求重大突破，大力推广和应用虚拟仿真技术。为此，学校机械工程实验中心在现有的软硬件基础上，依托工学院计算机科学和教育技术等专业技术，积极筹划机械工程虚拟实验室的建设。建设虚拟实验、开展网络实验教学，既可丰富学习资源、缓解仪器设备的不足，又能体现个性化的学习环境，改进教学模式，提高教学效果。根据现有实验室的发展和实验项目情况，初步设想虚拟实验室结构如图1所示。主要为机构展示、虚拟仿真和性能测试三个方面，随着实验教学改革的不断深入，实验类型和数量都会逐步增加，最终形成完善的虚拟实验教学体系。

五、结语

从红河学院工学院对虚拟实验的应用情况看，部分虚拟仿真实验在实验教学中应用效果较好，显示了虚拟仿真实验的应用，弥补了仪器设备老化和不足的问题。通过使用该类虚拟实验，可增强学生实验兴趣，降低实验成本，在实验条件不足时，可部分代替实际实验过程。结合计算机技术、网络技术、数据库技术和教育技术等，相信虚拟仿真实验将具有更为广阔的应用前景。

【注 释】

［1］ 蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用［J］.实验技术与管理,2011.28(8)76-78.

［2］ 郭桂苹,南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析［J］.实验室科学，2010.13(5)175-178.

［3］ 魏芸.虚拟实验的分析与研究［J］.科技信息，2010(35)5-6.

［4］ 郭德伟,柯建宏.基于Flash ActionScript的机构运动简图测绘实验设计与开发［J］.计算机与数字工程,2012.40(2)105-107.

虚拟仿真篇9

关键词 虚拟样机 建模 仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：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

由于现代科学技术的发展，机电一体化产品的开发经历了串、并行开发，到基于虚拟样机的开发过程。而开发过程中解决多领域协同设计的有效途径就涉及到了虚拟样机技术。它的设计开发涉及机械、可视化、协同仿真、数据库等多个学科领域，它提供一种加快机电一体化产品设计进程新的技术方法和支持环境。

1 虚拟样机技术的概述

1.1 虚拟样机技术的定义

虚拟样机是在CAD/CAM/CAE和物理样机基础上发展起来的，它包含有所有产品的关键特征。

它是以一定关系模拟一个动态系统，在一个或多个领域模型上，依赖不同子系统的集成，采用计算机辅助的方法，以达到认识现实或辅助设计的目的。

1.2 虚拟样机技术的优势和局限性

在机电一体化产品的设计中，若采用实物验证的方法的传统机电产品设计。首先是对产品进行局部设计，加工出物理样机，再进行调试，再对其各种行为进行评估。若不满足使用要求则选择返回修改设计，然后再加工出新的样机，如此反复评估直至满足所需要求为止。

虚拟样机技术应用在机电产品的开发设计过程与传统设计步骤相差不大，主要差别是虚拟样机技术集合各个领域的理论和技术在计算机上直接进行建模与仿真，它在产品设计阶段，能够对产品使用、制造、维护等行为进行评估分析，优化产品性能指标，保证设计出来的产品能够达到制造、使用和维护的要求，并且它的修改直接改变建模的数据即可。因此，虚拟样机技术的优势在于：缩短了研发周期、节约研发资本、实现资源共享。

但是，虚拟样机技术涉及的学科领域太广，技术复杂，给设计者提出了很高的要求，而且，对于一些复杂的问题的计算上无法得到精确的解，只能是尽量的将误差控制在允许的范围内，所以技术本身的不成熟和不完善也在一定程度上制约了它的发展。而且在对产品进行建模时，很难建立理想的、完整的模型，因此虚拟样机始终无法取代物理样机。①

1.3 虚拟样机技术的支撑环境及关键技术

图1 虚拟样机支撑环境框架

虚拟样机的开发和设计当中，在每一个阶段都涉及到多个领域的相关技术，比如在产品设计阶段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技术和DFX技术，在产品特性分析阶段涉及到机械系统运动学等相关技术，而在分析结果的时候又涉及到可视化技术和动画技术。因此，虚拟样机技术需要强大的支撑环境来保证这些相关技术的操作和相互之间的数据交流平台，其所需要的支持环境框图如图1②所示

在这些支撑环境中，存在一些关键技术，这些关键技术的发展情况直接影响着整个支撑环境的发展。比如多领域的协同仿真――“建模-仿真-评估/优化”一体化平台、高层建模技术、仿真模型库构建与管理技术以及分布式协同仿真技术等。

1.4 虚拟样机技术的应用与发展现状

虚拟仿真技术在美国、德国等一些发达国家早已被广泛地应用于汽车制造、机械工程、医学等各个领域，产品的涉及由简单的照相机快门技术到庞大的工程机械技术，如John Deere 公司通过虚拟样机技术找到了在重载下工程机械的自激振动问题的原因，并提出了改进方案，这同样在虚拟样机上得到了验证。

国外的虚拟样机技术已走向商业化，美国机械动力学公司的机械系统自动动力学分析软件ADAMS是目前比较有影响力的软件。其中ADAMS占据了市场的50 % 以上，其它软件的还有Folw3D、ANSYS 等等。

国内的企业虚拟样机技术主要是集成现成的国外软件应用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，国内企业对国外软件的依赖性强。有些单位会为了满足设计分析的需要而采用对市场上现有软件进行二次开发。

2 虚拟样机的模型建立

2.1 虚拟样机的设计原理

作为研究动态系统行为的有效方法，虚拟样机涉及几何信息，同时虚拟样机系统具有运动模拟、操作模拟和动力学模拟等物理边界条件，提供人机交互虚拟现实三维场景的工具。其一般设计原理可归结为如图2所示。

图2 虚拟样机设计原理图

2.2 机电产品的功能模型分析

影响此类机电产品系统的设计过程和设计方法是在功能逻辑上的构成方式和在物理上的组成方式。在物理组成上，机电一体化产品包含机械结构，机电接口、运动系统、计算机等多种电子、机械零部件。③

将机电一体化产品划分为控制子系统、广义执行机构子系统、检测子系统、传感及信息处理的是上海交通大学的邹慧君教授，④这就是所谓的三子系统论。如图3所示：

图3 机电系统的三子系统的组成及其关联

图4 广义执行机构建模步骤框图

2.3 广义执行机构的建模与求解

广义执行机构子系统主要包括驱动元件和执行机构两大部分，它们的建模与求解主要分为几何建模、物理建模、数学建模、数值求解和结果分析，其步骤如图4所示。

几何建模，主要是建立所设计虚拟样机的执行机构的几何模型，它可以用几何造型软件Pro/E、UG等导入，也可以由ADAMS几何造型模块构造，但有些软件之间的相互导入需要接口模块，例如Pro/E与ADAMS之间需要MECHANISM/Pro借口模块来实现无缝连接。⑤

物理建模，形成表达系统力学特性的物理模型，对几何模型施加外力或外力矩、运动学约束、力元（内力）、驱动约束等物理模型要素。

数学建模，由物理模型组装成系统运动方程中的拉格朗日坐标或笛卡尔坐标建模方法创建各系数矩阵，得到系统数学模型。

2.4 控制子系统的建模与求解

可以利用MATLAB建立控制模型。驱动执行机构的运动通常有开环方式和闭环方式两种，开环方式是在驱动器与执行末端之间建立约束关联，执行末端为反向运动学驱动；而闭环方式是以期望参考信号与传感器探测的数据进行比较从而得到控制信号。连续――离散混合信号处理的运动控制模型就是采用闭环控制方式。

2.5 协同建模

控制实现的多学科协同与多体动力学的建模可以在ADAMS/ Controls 模块中的与控制仿真软件的接口上。它首先导出ADAMS动力学模型，然后导出动力学模型到控制仿真环境最后构建动力学一控制集成模型。

3 虚拟样机的仿真实现

在建立共享的集成模型基础上进行仿真运行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 两种解算方式：⑥

3.1 基于ADAMS的方式

求解线性或非线性的结果在在ADAMS 环境中虚拟样机控制子模型的共享模型进行仿真运行。

3.2 基于MATLAB的方式

机械动力学解算通过在MATLAB 环境中植入的ADAMS 模块控制运用解算控制仿真软件求解器，它们通过S函数（S-function）或状态空间（state -space）进行接口变量的联系，在MATLAB/ Simulink 中观察并输出仿真曲线，同时，可以观察到虚拟样机的三维仿真运行动画和生成仿真结果数据文件。

4 小结

虚拟样机技术为机电一体化产品的设计提供了一个支持环境和新的方法，它与传统的技术相比，缩短了研发周期、节约研发资本，实现资源共享、提高产品质量，因此它目前广泛用于汽车制造、航空航天、机械工程、医学等各个领域。

整个虚拟样机技术的关键是虚拟样机的仿真和实现，从单个领域的建模仿真到多个领域的协同仿真，从几何建模到物理建模到数学建模到数值求解再到结果分析，这一系列的过程涉及到多个领域的关键技术。因此，要做好虚拟样机技术，一方面要依赖于其本身技术的发展，另一方面则要求设计者本身具备过硬的专业技术知识以及配置完备的团队。

参考文献

① 李丹，李印川.虚拟样机技术在制造业中的应用及研究现状.机械，2008（6）总第35卷：2-3.

② 宁芊.机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术研究.四川大学博士毕业论文，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 邹慧君等.机电一体化产品概念设计的基本原理.机械设计与研究，1999.15（3）：14-17.

虚拟仿真篇10

影视动画中大型水场景的制作影视特效中大型水场景，如洪水、海啸等，如果要达到某种逼真的效果，在实际拍摄取景的过程中，往往需要经过多次拍摄才能完成。对于一些危险性、破坏性场面不仅拍摄起来困难，而且还可能会对演员造成一定的人身安全。另外有些虚构的场景也很难在现实世界中找到。如果能借助于计算机来生成具有高度真实感的虚拟场景，则可以为制作者节省大量的钱财，还可以保证人员的安全。在国内外的电影拍摄与制作过程中，如《海神号》、《水世界》、《水啸雾都》、《泰坦尼克号》等，均采用了虚拟仿真技术实现水场景特效的建模与仿真。

虚拟现实场景中水体的制作为了增强虚拟环境的真实感，往往需要在虚拟环境中添加各种自然景象。而自然景象中一个重要的组成部分便是水体的制作，包括了江河湖海、瀑布、喷泉等，如军事仿真训练海战场景中海洋仿真，河流整治效果虚拟展示、港口海岸工程与水利工程建设虚拟仿真、城市建设规划中河流的设计等。这些水场景要求尽可能真实，同时满互性、实时性要求。

3D游戏中水场景的制作电脑游戏要能吸引更多的玩家，一个趋于真实的自然景物场景制作非常关键，如逼真的江河湖海、溪流、水池、瀑布、喷泉等，可以让玩家有种身临其境的感觉。目前流行的一些游戏软件中，都有一些逼真的水场景仿真，比较典型的有《勇闯水世界》中海天相接、波光粼粼的大海场景，逼真的水池仿真，《航海世纪》中壮观的海洋、瀑布场景等。《极品飞车》中赛道两边流淌的小溪、一望无际的大海、交错的河流、鳞次栉比的城市以及飞奔而下的瀑布等。

数字流域的三维可视化仿真随着各领域数字化进程的发展，水利行业正在逐步开展数字化流域三维可视化研究，推动数字流域建设的发展。流域三维可视化仿真研究是构建数字流域可视化信息平台的基础，其中三维可视化仿真系统的关键环节是流域中水虚拟场景的仿真，包括了洪水演进实时动态仿真、海浪风暴潮预报仿真、涌潮实时仿真、溃坝波仿真等。三维可视化仿真的主要目的在于利用计算机图形学和图像处理技术将科学计算得到的数据和仿真结果转换为三维模型，并能实现动态仿真和交互控制，以弥补原先数值仿真中所采用的二维表现形式直观性不强、表现力不足、交互性差的缺点。

各种水现象的虚拟仿真

1海浪仿真海浪作为生活中最常见的自然现象之一，其仿真结果可广泛应用于电脑游戏、电影电视、虚拟海战环境、海港与堤岸工程建设等领域中，成为了水体虚拟仿真的主要研究热点。海浪作为一个时刻变化的复杂环境，它的产生、传播、消失与风场、气候、潮汐、水下地形等因素息息相关。海浪从外观上看是杂乱无章的，总体上表现为海面连续变化的紊乱的波峰和波谷，波形极不规则，其波高、波长、周期等物理量均为随机量，传播方向也变化不定，而且海浪的范围非常广阔，因此海浪的仿真十分困难。随着计算机软硬件技术的发展，其研究的重点从最初研究静态海浪高度场的生成，动态海浪网格的构建，到现如今研究海浪特效的生成技术等，总体上可分为三类:一类是深海区域海浪的仿真，侧重于大面积海域的构建，以及海浪在风作用下无规则涌动、以及波浪翻滚的效果。这方面研究代表性的有DamienHinsinger等人［3］仿真的逼真的深海区海浪，ViorelMihalef［4］仿真的风暴潮作用下的波浪翻滚效果;第二类是近岸海浪的虚拟仿真，侧重于仿真海浪与潮滩或堤岸交互后产生的浪花及波浪破碎效果，以及海面与堤岸建筑物相互映射的视觉效果等，代表性的有Peachey［5］等人仿真的近岸海浪沿海滩地形变化所产生的反射、折射现象以及浪花、泡沫等效果;QiangWang等人［6］仿真出海浪冲击码头和冲上海滩形成破碎波的效果。第三类主要研究海水在船的作用下形成的海浪效果，如曾芬芳等人［7］仿真出随机海浪，以及舰船航行中的浪花，如艏浪、艉浪等，从而为海战场视景图生成创建了一个较为逼真的海洋虚拟场景。从波浪的构造技术来看，对于深海区相对比较平静的海浪大多采用基于波浪谱或基于Perlin噪声函数的方法，通过构建海面高度场来实现。而对于波涛翻滚的海浪和近岸海浪，一般通过构造特殊的波浪函数，如基于Gerstner波的方法或通过匹配适当的二维破碎波浪库来实现。对于波浪的破碎部分和浪花的仿真，则采用基于粒子系统的方法，通过改变浪尖处粒子的位置、速度、颜色来实现。对于船形波，一般先利用开尔文波理论构建出船行波模型，然后采用粒子系统技术构造出船行波的浪花。

2河流湖泊的仿真河流湖泊是数字流域的主要研究内容，同时也是虚拟现实、计算机游戏场景的重要组成部分，因此其研究受到了较大的关注。相对于海洋来讲，河流湖泊属于中等尺度的流体，其研究重点主要关注的是两个方面的内容:一是仿真河水的动态流动效果;二是仿真水流与障碍物的交互碰撞效果等。这方面研究比较典型的有PeterKipfer等人［8］仿真的河流中水绕过岩石障碍物流入水池的仿真效果。QizhiYu［9］则实现了大范围流域内河流的三维可视化仿真技术，从近处观察可见河面的波纹与涟漪，并仿真了河水分叉及绕开障碍物进行流动的效果。另外程甜甜［10］针对太湖水域进行了研究，仿真出太湖湖面连续动荡变化的效果，以及小面积水域内(如水塘)雨滴落入水面后，水面波动的效果。FabriceNeyret［11］仿真了小溪在流动过程中产生的振荡波和涟漪效果等。流动的河水仿真一般采用网格高度场的方法或基于物理的方法来实现。网格高度场的方法把河水看作是一个由大量水粒子构成的网格，每个水粒子沿一定的速度和方向平稳推进，便可仿真出水流的动态效果。基于物理的方法则通过求解二维浅水波方程，得到水流的速度场，在进而得到水域各处的压强，把压强大小伸缩后当作第三维的数据，即当作水表面高度后，逼真地仿真物体在水域里移动时产生的波纹或漩涡。湖泊的仿真类似于较为平静的海面波浪的仿真，大多采用波浪谱方法或构造Perlin噪声函数来实现。

3水波的仿真当物体落入水池中，会产生水波。水波以扰动点为中心，并向四周传播;由于水存在的一定的阻尼作用，水波在传播过程中能量会逐渐的衰减，直至最后消失。水波的仿真为平静的水面赋予了生机，增加了虚拟现实的真实感。当传播中的水波碰到池壁反弹后会产生干涉与叠加效果，另外如果碰到小的障碍物后会产生绕射效果，增加了仿真的难度。从水波的传播效果来看，水波仿真包括了深水波和浅水波两个部分。在深水区域，水波可以自由地进行传播，而不用考虑地形和海岸线对波形的影响。在浅水区域，则需要考虑波的反射、折射、干涉、叠加等各种现象。从引起水波的介质来看，则主要有雨点波、船行波和落物波等。雨点波产生的波纹小，但密集、波与波之间会产生干涉等现象，如杨怀平等人［12］在水池中仿真雨点波、反射波、紊乱波以及水花效果等。陈前华等人［13］仿真了近距离观察雨点或水龙头的水滴掉入水池后产生涟漪的场景。在水波仿真过程中同时考虑了水波的叠加、反射、绕射，以及坝缺口处的穿越效果。落物波是当物体落入水中所产生的波形，同时伴随着水花的产生，如NilsThuerey等人［14］仿真出物体落入水面后溅起的水花产生到消亡及引起的水波传播效果。船形波是船在水上航行时产生的一种特殊水面波动效果，随船的运行轨迹变化而变化。如CemYuksel等人［15］仿真出船行驶过程中产生的破碎波效果。相对于海浪来说，水波的波纹一般较小，属于小振幅波，而且其影响范围也相对较小，因此其构建一般采用小振幅波理论，通过邻域传播思想来构建。还有一种方法是通过求解二维浅水方程来实现，通过水流方程控制水波的传播效果。#p#分页标题#e#

4喷泉的仿真逼真的喷泉效果可以大大增强虚拟现实系统的沉浸感。喷泉的形式多种多样，如一柱擎天式、宝塔式等，同时当喷泉喷水口的压力值比较高时，高速的水流与空气碰撞会产生很多水雾，使喷泉产生雾蒙蒙的效果。逼真的喷泉仿真同样是虚拟现实场景中不可或缺的景象，成为许多虚拟现实爱好者的重要研究对象。如万华根等人［16］实现了音乐喷泉的实时仿真。他采用流体动力学和粒子系统方法，通过求解纳维—斯托克斯方程的特例———均匀圆管中的平稳流体Hagen－Poisuelle流来仿真喷泉的动作，结合音乐的强度来控制喷泉喷射的高度。肖何等人［17］提出了一种基于等加速运动和色彩融合的喷泉仿真方法。其基本思想是在运用物理学原理仿真实现喷泉粒子的运动轨迹时，结合等加速运动来简化粒子运动状态，并采用纹理色彩融合绘制粒子。蒋恒恒等人［18］仿真出喷泉在不同喷射层数、不同喷射角度、不同喷射力作用下形成的视觉效果，同时仿真了喷泉从高处向下落入水面时产生的水花效果。

5瀑布的仿真当流动的河水流经具有一定落差的岩石或大坝时，便成了瀑布。瀑布的仿真可用于网上虚拟漫游系统、3D实时游戏、动画及影视广告的制作过程中，也可以重现消失的瀑布景观。由于受地形和风力风向的影响，瀑布的形状千姿百态，特别是瀑布流下时与障碍物的碰撞形成的水花飞溅现象更是难以仿真。瀑布仿真相对比较逼真的有管宇等人［19］仿真出水流下大坝时形成的瀑布效果，同时考虑了瀑布与物体间碰撞时形成的水花效果。张亚旭［20］不仅实现了水流从高处流下时形成的瀑布效果，而且仿真出与岩石碰撞后的水花飞溅效果，此外还加入了天空、光照和雾化等效果来增加场景的真实感。瀑布的仿真常采用基于粒子的方法，通过改变粒子群的位置、速度、加速度等参数来实现逼真的瀑布效果。

6洪水的仿真洪水作为一种自然现象，给人类造成极大的灾难。随着计算机三维图形技术和流体仿真技术的发展，使得在计算机上仿真洪水的行为特性成为可能。对洪水淹没过程进行动态仿真和三维可视化展示，可以再现和预测洪水淹没的变化，为防洪减灾提供决策支持。因此其研究也受到了很大的关注。比较典型的有Jasrul等人［21］采用基于光滑粒子动力学的方法，针对2007年6月10日发生在吉隆坡的洪水淹没过程进行了仿真;康玲等人［22］采用基于数字高程模型的流域变动等流时线方法开发出洪水演进仿真系统，能够实时仿真流域洪水的淹没演进过程，较为逼真地仿真了洪水在流域内的形态变化，为防洪减灾提供了较好的决策支持。

7其它水现象的仿真除了针对海洋、江河、湖水、小溪、喷泉、瀑布等中大尺度范围的水体进行虚拟仿真外，国内外许多科研人员还针对一些小尺度的水现象进行了仿真研究。如HilkoCords［23］仿真出水管中的水快速流入水池，并产生水波，以及物体在水面漂浮的视觉效果。DouglasEnright等人［24］仿真出水倒入杯子时水的晃动效果。Jeong－MoHong等人［25］仿真出水倒入容器时气泡流的形成过程。PaulW．Cleary等人［26］仿真出啤酒倒入杯中产生泡沫的过程。对于小尺度的水体，大多采用基于物理的方法，通过求解光滑粒子动力学方法和欧拉法求解三维Navier－Stokes方程来实现。

研究趋势

纵观三十年来水体研究的发展变化过程，从最初主要研究海浪的虚拟仿真，到现如今研究各种水现象与水景观的虚拟仿真;从最初的静态仿真到现如今逼真的动态仿真;从单纯依赖CPU到现如今CPU与GPU相结合实现水体的仿真与渲染，无论是在研究方法上，还是在研究内容上，都有了长足的发展和进步。随着近年来计算机软硬件技术的飞速发展，特别是GPU技术的广泛应用，必将迎来水体研究新的热潮。今后一段时期水体的主要研究方向可归结为两点:多方法融合、多物体融合。

1多方法融合在研究方法上，从单一建模方法向多方法融合转变。因为对于一个复杂水场景的仿真，很难用一种方法表示出各种视觉效果。如虚拟海战场景中，对于海浪的仿真，不仅需要仿真出风平浪静时海面的视觉效果，还需要仿真出波涛汹涌的海浪所产生的浪花、泡沫等，同时需要仿真船在海面航行时所产生的轨迹浪等。因此结合每种建模方法各自的特点进行综合处理，从而可以达到性能和效果的平衡。比如黄玲等人［27］采用了基于3DGerstner海浪模型、Perlin噪声、NURBS几何曲面、粒子系统等多种方法实现海洋卷浪的建模与绘制。她首先基于三维Gerstner海浪模型，加入Perlin噪音扰动来构建海浪的基本造型;然后采用基于物理的NURBS卷浪曲面生成算法，构建3D卷浪曲面库;随后动态搜索波面波峰，用卷浪曲面取代海面波峰，将卷浪曲面与初始波面无缝拼接，最后采用基于粒子系统的方法构造出海浪的泡沫。NathanHolmberg等人［28］采用流体静力学理论产生二维高度场，然后构造一个非均匀有理B样条曲面来实现高度场的拟合，以此来构建主要水体;水与物体碰撞产生的浪花则用粒子方法来构建。

2多物体融合在研究对象上，从研究单个水体到研究水体与其它物体的交互方向转变。在这方面，近些年重点研究的对象主要有风暴对海面的影响，船与水的交互、海水与潮滩的交互，河水与堤坝的交互，瀑布与岩石的交互、洪水与地形及建筑物的交互、物体落入水中的交互、水倒入容器产生的交互等。如ToonLenaerts等人［29］仿真了水与多孔材料的交互过程。当拧一条湿的毛巾或捏一块带水的海绵时，水会逼真地从中流出。WitawatRungjiratananon［30］仿真了沙堆在水的冲击下塌陷、流动、变湿的过程。ToonLenaerts等人［31］仿真了水与沙及土壤之间的交互现象。当水流入沙堆时，沙受水力的冲击而流动，同时水融入沙堆中使沙变湿，达到了沙与水的相互融合。NuttapongChentanez等人［32］仿真了水倒入容器、溃坝后的水体冲击墙体，以及近岸海浪冲击灯塔和海滩时产生的破碎波、浪花、泡沫和薄雾的效果。H．Cords等人［33］逼真地仿真出船在水面上行驶产生的水波和绕过障碍物的效果等。