仿真系統(tǒng)范文10篇

摘要：分析數(shù)控加工仿真系統(tǒng)技術(shù)，介紹數(shù)控加工仿真技術(shù)的研究成果，提出目前數(shù)控加工和仿真方面存在的一些問題，以及仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工仿真系統(tǒng)；幾何仿真技術(shù)；物理仿真技術(shù)；數(shù)控加工數(shù)據(jù)庫

隨著科技的進(jìn)步，產(chǎn)品的研發(fā)周期越來越短，很多企業(yè)之間的競爭開始體現(xiàn)在產(chǎn)品的更新?lián)Q代上。因此新產(chǎn)品的研發(fā)時間決定著企業(yè)的競爭力。最近十幾年計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使與計算機配套的計算機圖形技術(shù)發(fā)展越來越快，帶動了計算機仿真技術(shù)的進(jìn)步。計算機仿真技術(shù)在產(chǎn)品的研發(fā)中發(fā)揮著非常重要的作用。在這種背景下又出現(xiàn)了虛擬制造技術(shù)。這種技術(shù)可以使一個產(chǎn)品從研發(fā)初期到產(chǎn)品裝配都具有模擬狀態(tài)，并且對各個環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)問題進(jìn)行有效預(yù)測。使設(shè)計人員能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并及時提出改進(jìn)措施。保證產(chǎn)品在設(shè)計和生產(chǎn)過程中不斷優(yōu)化，提高產(chǎn)品的設(shè)計成功率，同時縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，減小產(chǎn)品研發(fā)過程可能出現(xiàn)的風(fēng)險，極大提高了企業(yè)的競爭力。虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)能為人們提供更優(yōu)秀的產(chǎn)品，主要的應(yīng)用是在加工過程中進(jìn)行仿真，西方發(fā)達(dá)國家的一些科研機構(gòu)認(rèn)為，制造業(yè)的發(fā)展必須要解決的幾個問題，其中一個就是制造技術(shù)的建模和仿真技術(shù)。這種技術(shù)已經(jīng)成為虛擬制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，這種技術(shù)如果運用在機床上可以對機床刀具加工信息進(jìn)行分析和預(yù)測，然后通過優(yōu)化實現(xiàn)智能生產(chǎn)。這是一種非常先進(jìn)的技術(shù)，不但可以保證機床的有效運行還能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1數(shù)控加工仿真系統(tǒng)研究

1.1數(shù)控加工幾何仿真技術(shù)。數(shù)控加工的幾何仿真是數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的一個組成部分，最初數(shù)控加工的仿真主要是幾何仿真。其條件是在加工過程是一個幾何問題，沒有其他的因素。近幾年隨著幾何仿真技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的仿真軟件，其中最具有代表性的是Pro/ENGINEER，UG等。目前對幾何的仿真技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在場景建模方面也取得了一定成就，數(shù)控加工過程中碰撞干涉檢驗一直是一個非常難的問題，同時也是非常重要的問題。針對這個問題很多學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，得出了很多優(yōu)秀的、成熟的算法，這些算法基本上包括2種：一種是基于圖形的實時碰撞檢測，一種是基于圖像的實時碰撞檢測。基于圖形的實時碰撞算法主要是將物體作為包圍盒，對包圍盒進(jìn)行求交計算。當(dāng)包圍盒相交時其包圍的幾何體才可能相交，如果包圍盒不相交那么其包圍的幾何體就不一定相交，這樣就可以通過這種方法很快的找到相交的幾何部位。這種方法受到的場景影響較大，對于一些非常復(fù)雜的場景分析比較困難。因此除了要保證仿真的精度以外還要進(jìn)一步提高算法的實時性。另外一種算法是基于圖像的實時碰撞檢測，其主要是利用物體的2D投影的圖像和深度的信息進(jìn)行相交分析。這種算法具有很多的優(yōu)點，主要優(yōu)點有①能夠降低CPU（CentralProcessingUnit，中央處理單元）的計算負(fù)荷；②平穩(wěn)性很高；③這種算法適合一些復(fù)雜的碰撞檢驗；④這種算法的發(fā)展前景很大。但是這種算法也存在一些問題，其中最主要的問題是運算過程中需要占用很大的內(nèi)存，導(dǎo)致從硬件中讀取深度值時就比較困難，仿真效率大大降低。1.2數(shù)控加工物理仿真技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)開始運用一些先進(jìn)的仿真技術(shù)，其中物理仿真是仿真技術(shù)的研究重點。物理仿真主要是將切削過程中的一些過程映射到制造系統(tǒng)中，然后對實際加工進(jìn)行分析和預(yù)測，找出影響切削精度的一些因素，然后采取措施對工藝進(jìn)行優(yōu)化，這種技術(shù)也是目前比較先進(jìn)的技術(shù)，能及時發(fā)現(xiàn)加工過程中的問題，提高加工質(zhì)量。1.3人工智能預(yù)測模型。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人工智能的發(fā)展也加快了速度，目前在人工智能方面出現(xiàn)了大量的算法。比如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些算法都是非常優(yōu)秀的算法。在智能系統(tǒng)中可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化一些制造參數(shù)，其預(yù)測精度非常高。但不同類別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的精度有非常大的差別。人工智能預(yù)測模型的出現(xiàn)大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。1.4機械加工數(shù)據(jù)庫。機械加工數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)于20世紀(jì)末，世界上很多國家都加入了機械加工數(shù)據(jù)庫，每個國家都收集大量的數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)，傳到加工數(shù)據(jù)庫中。這種數(shù)據(jù)庫可以使不同國家的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從中找出一些數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢驗。雖然這種機械加工數(shù)據(jù)庫給各個國家?guī)砹朔奖悖撬€是存在一些缺點。比如在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時沒有考慮一致性問題，對各個國家的使用者都是比較麻煩的，同時這種數(shù)據(jù)庫沒有考慮機床的影響，很多信息不準(zhǔn)確。除了以上問題以外，還有一個非常重要的問題是由于加工過程中復(fù)雜和隨機性，很多測量技術(shù)需要借助實驗，前人得到的數(shù)據(jù)無法代替實際生產(chǎn)。

2數(shù)控加工仿真系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展方向

1引言

計算機仿真系統(tǒng)是仿真的依托，形象地說成是仿真的大舞臺也很貼切，最準(zhǔn)確的說法應(yīng)當(dāng)是，計算機仿真系統(tǒng)是基于仿真的系統(tǒng)研究不可或缺的實驗工具。每個仿真應(yīng)用領(lǐng)域，有了各自適用的計算機仿真系統(tǒng)，才能給出具有所需置信度的仿真結(jié)果。大量實例表明，仿真技術(shù)的有效應(yīng)用，必須依托于先進(jìn)的計算機仿真系統(tǒng);只有服務(wù)于應(yīng)用的計算機仿真系統(tǒng)的發(fā)展，才能帶動仿真技術(shù)的發(fā)展。但是，迄今為止，國內(nèi)外依然存在著建立仿真應(yīng)用的時間太長、費用太高問題。原因就在于缺乏正確的技術(shù)理論指導(dǎo)，或盲目追求大而全，或低水平地重復(fù)。顯然，在需求牽引、技術(shù)推動、經(jīng)濟支撐下，緊跟時代前進(jìn)步伐，要用信息化理念和方法建立計算機仿真系統(tǒng)。正如王恒霖等人(2003)在《仿真系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用》一書中所說，高新技術(shù)與先進(jìn)管理相結(jié)合才可能有高質(zhì)量仿真系統(tǒng)的誕生。

2現(xiàn)有計算機仿真系統(tǒng)

現(xiàn)有許多計算機仿真系統(tǒng)、仿真試驗室、仿真中心可供參考。諸如美國亞那巴馬州紅石兵工廠的高級仿真中心(ASC)、以法爾肯空軍基地國家試驗中心為核心的美國國家試驗臺、德國航空航天試驗院的空間運行中心、中國航天部門遍布全國各地的仿真中心、國防科大三院的分布實時仿真系統(tǒng)(KD－DRTSS)和基于SOA的仿真服務(wù)系統(tǒng)(SOA－basedsimulationservicesystem)、基于SystemC的片上系統(tǒng)(Systemonchip，SoC)等。國內(nèi)外計算機仿真系統(tǒng)，真是琳瑯滿目。它們按空間分布不同可分為集中式、分布式和嵌入式三大類型。國內(nèi)外集中式計算機仿真系統(tǒng)經(jīng)過模擬仿真系統(tǒng)、混合仿真系統(tǒng)和數(shù)字仿真系統(tǒng)三大里程碑式地發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始，數(shù)字仿真在計算機仿真中獨占鰲頭，從此以后，集中式計算機仿真系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)都是數(shù)字式的，而且大都采用便于獨立集中管理的主機－終端的體系結(jié)構(gòu)，并能進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真和半實物仿真，而且隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，正在虛擬化、智能化。虛擬化使得計算機仿真系統(tǒng)用虛擬樣機取代物理樣機，從而能夠廣泛用于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計、軍事演習(xí)、復(fù)雜操作訓(xùn)練、過程排演等領(lǐng)域。智能化使得計算機仿真系統(tǒng)有機地融合人工智能技術(shù)，以適應(yīng)信息化的需要。同時，還應(yīng)該采用“結(jié)構(gòu)規(guī)模優(yōu)化”方法，構(gòu)造多級結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、多段結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與綜合，設(shè)計高性能價格比的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從主機—終端模式，向客戶機—服務(wù)器模式、集中—分布模式發(fā)展。20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)了分布交互式仿真(DIS)系統(tǒng)，而且發(fā)展迅速，很快由基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的DIS成為其主流。多年實踐表明，HLA尚有許多需要改進(jìn)的地方。現(xiàn)在，美國國防部已經(jīng)認(rèn)識到HLA是必要的，但僅有HLA卻是不夠的。目前經(jīng)濟有效的方案無非是通過網(wǎng)絡(luò)化、集成化、協(xié)同化把地理分布較廣的現(xiàn)有仿真設(shè)施組成一個新的計算機仿真系統(tǒng)。現(xiàn)在看來，性能價格比最高者當(dāng)是多微機DIS系統(tǒng)，它不僅具有HLA的優(yōu)點，而且彌補HLA不足，使邦員內(nèi)部也有重用性和互操作性，而且具有結(jié)構(gòu)仿真、實況仿真和虛擬仿真等功能。當(dāng)前，欲將傳統(tǒng)DIS許多成果用到HLA中，就得考慮HLA和DIS兩系統(tǒng)之間的互聯(lián)方式。一般來說有兩種方式，即網(wǎng)關(guān)方式和中間件方式。兩者的主要區(qū)別在于:網(wǎng)關(guān)方式以運行一個獨立的應(yīng)用程序來實現(xiàn)相關(guān)的轉(zhuǎn)換，在該方式中將外部HLA邦員和DIS實體作為輸入值，然后實現(xiàn)兩者之間的互操作，而中間件方式則將轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)做為應(yīng)用程序的一系列類嵌入在程序中，并通過執(zhí)行應(yīng)用程序?qū)IS和HLA中的相關(guān)信息輸出。基于這兩種基本方式，目前有四種相關(guān)的實現(xiàn)技術(shù):①打包技術(shù)將軟件直接嵌入到DIS底層接口，在數(shù)據(jù)傳送前將DIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HLA數(shù)據(jù)模式，并在接收數(shù)據(jù)后將HLA數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換成DIS數(shù)據(jù)格式，顯然無需特殊的硬件支持。②本地化技術(shù)產(chǎn)生一個本地的HLA仿真，這意味著所有網(wǎng)絡(luò)接口都要包括一個仿真軟件。這樣可以很好地實現(xiàn)所有HLA的特性，但初始化傳輸時大量的程序修改以及相關(guān)協(xié)議的改變。③轉(zhuǎn)換器技術(shù)提供單獨的應(yīng)用程序，一般來說，要使用單獨的計算機來完成轉(zhuǎn)換功能，雖然無需對仿真程序作任何修改，但仿真延時相應(yīng)有所增加。④協(xié)議接口單元(PIU)技術(shù)通過定義API函數(shù)來實現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，這是DIS/HLA轉(zhuǎn)換方式中較好的選擇方案。嵌入式計算機仿真系統(tǒng)(Embeddedcomputersimulationsystem)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。其基本特征是小型化、可隨身攜帶，一般通過軟件和硬件來實現(xiàn)其功能，但硬件成本較高，而軟件具有靈活和成本較低等優(yōu)點。軟硬件劃分的結(jié)果直接決定嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院郭金金等人(2010)提出一種新的嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分算法，先采用嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成有向無環(huán)圖，可將嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分問題轉(zhuǎn)換成一個多條件約束問題，用螞蟻放置于有向無環(huán)圖頂點上，對系統(tǒng)軟硬件劃分準(zhǔn)確率作為螞蟻算法優(yōu)化目標(biāo)，通過蟻群算法搜索最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，有效避免傳統(tǒng)劃分算法搜索陷入局部最小，大幅度降低搜索時間。當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域一個十分重要的研究課題是，如何讓嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時保持一定的性能并安全運行。國內(nèi)外廣泛探索，但往往缺乏支持動態(tài)安全策略的設(shè)計思想，對嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時如何保護(hù)系統(tǒng)安全、保持系統(tǒng)的性能，并將破壞降低等方面的研究較少。哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙國冬等人基于模式匹配方法研發(fā)了安全等級評估系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在不顯著增加系統(tǒng)開銷前提下，有效地阻止系統(tǒng)異常的產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的彈性應(yīng)對能力。無論那種類型，計算機仿真系統(tǒng)通常由數(shù)字計算機系統(tǒng)，系統(tǒng)實際設(shè)備(實物)和一些專用、通用設(shè)備組成，且具有現(xiàn)代化技術(shù)水平，兼有構(gòu)造仿真、實況仿真和虛擬仿真三種功能。計算機仿真系統(tǒng)的中心，當(dāng)然是數(shù)字計算機系統(tǒng)，諸如，單片機、單板機、仿真機系統(tǒng)、微機系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)、小巨型機系統(tǒng)、多機系統(tǒng)等等。它們各自都包括硬、軟件兩部分。數(shù)字計算機的機型往往直接決定著計算機仿真系統(tǒng)的類型，用戶可從中選擇經(jīng)濟適用的機型。通用設(shè)備就是商品化的觀測記錄設(shè)備，信號發(fā)生器，聲像通信設(shè)備等，而系統(tǒng)實際設(shè)備(實物)和一些專用設(shè)備，隨仿真應(yīng)用領(lǐng)域不同差別甚大。比如，航空航天領(lǐng)域的飛行仿真系統(tǒng)，除了需要控制系統(tǒng)實物以外，還需要轉(zhuǎn)臺、負(fù)載臺、離心機、必要的模擬器和實物操作臺等專用設(shè)備。

3計算機仿真系統(tǒng)發(fā)展的最新動態(tài)

1)多層次使能技術(shù)美國國防科學(xué)局(1997)認(rèn)為，建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，必須解決實現(xiàn)的技術(shù)，即下述五個層次使能技術(shù):①基礎(chǔ)技術(shù)(光纖通訊、集成電路、軟件工具、人的行為模型、環(huán)境模型等);②元、部件級技術(shù)(內(nèi)存、顯示、局域網(wǎng)、微處理器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，建模與仿真構(gòu)造工具，測試設(shè)備等);③系統(tǒng)級技術(shù)(微機系統(tǒng)，人一機界面，遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、計算機圖像生成等);④應(yīng)用級技術(shù)(制造過程仿真、工程設(shè)計建模與仿真，含人仿真系統(tǒng)，隨機作戰(zhàn)仿真等);⑤集成綜合仿真環(huán)境技術(shù)(樣機、規(guī)劃、設(shè)計與制造，訓(xùn)練與備戰(zhàn)，測試與評估等)。其中，大部份的硬件和網(wǎng)絡(luò)能力由商業(yè)市場作為成熟產(chǎn)品提供，如微機系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、人一機界面、計算機圖像生成、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、局域網(wǎng)、光纖通訊、軟件工程工具等，而有些如制造過程仿真，工程設(shè)計建模與仿真，隨機作戰(zhàn)仿真，環(huán)境模型等滿足軍用仿真需求者都由國防部組織解決。

摘要：分析了自動化運維安全管控現(xiàn)狀，介紹了堡壘機的基本功能，并按相關(guān)要求在電力監(jiān)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中部署了堡壘機，提出了堡壘機“一個目標(biāo)、三種角色”的培訓(xùn)方案，開發(fā)了堡壘機培訓(xùn)項目，以提高自動化運維安全管控水平。

關(guān)鍵詞：自動化運維；安全管控；堡壘機；培訓(xùn)

電力行業(yè)關(guān)系到國計民生，電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全問題至關(guān)重要，如果維護(hù)人員違規(guī)操作導(dǎo)致信息安全事件，會造成難以挽回的損失和影響。堡壘機在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過不同方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動分析處理，確保網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定。堡壘機的安全穩(wěn)定運行與企業(yè)數(shù)據(jù)安全有著直接聯(lián)系。堡壘機從最早的跳板機發(fā)展為目前的第三代堡壘機，可接管終端計算機對網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的訪問，并可融合多種用戶使用要求，其支持的協(xié)議也逐漸增加，例如FTP協(xié)議、數(shù)據(jù)庫協(xié)議、Web應(yīng)用協(xié)議、網(wǎng)管協(xié)議等。目前電力運維堡壘機的建設(shè)工作陸續(xù)開展，但現(xiàn)場工作人員對堡壘機功能和使用方法的了解有待加強。本文在調(diào)度自動化仿真系統(tǒng)中部署堡壘機，并對學(xué)員開展堡壘機相關(guān)培訓(xùn)。堡壘機可在不改變業(yè)務(wù)系統(tǒng)原有架構(gòu)的情況下實現(xiàn)對內(nèi)部違規(guī)操作風(fēng)險的有效控制，從而提升學(xué)員的職業(yè)素養(yǎng)，預(yù)防內(nèi)部信息安全事件的發(fā)生。

1自動化運維安全管控現(xiàn)狀

傳統(tǒng)運維模式下，運維人員主要通過KVM（Key?boardVideoMouse，簡稱KVM）或直連信息設(shè)備進(jìn)行變更、配置、備份與維護(hù)等操作，存在一定安全風(fēng)險［1］。

1.1賬號及授權(quán)管理混亂

毋庸置疑，殲、強擊機利用航炮攻擊是作戰(zhàn)中其配合地面進(jìn)行協(xié)同必須具有的基本戰(zhàn)術(shù)。如何提高射擊精度，則是利用航炮射擊時必須關(guān)注的問題。筆者基于航炮武器系統(tǒng)的射擊條件，分析了影響其射擊精度的外在因素，在此基礎(chǔ)之上，依托現(xiàn)有的計算機平臺，設(shè)計了一套綜合性仿真評估系統(tǒng)，并借助戰(zhàn)例及其仿真結(jié)果闡述了開發(fā)航炮射擊評估系統(tǒng)的實際意義。該綜合性仿真評估系統(tǒng)既可為進(jìn)一步研究航炮武器系統(tǒng)的效能提供技術(shù)支撐，又可從作戰(zhàn)使用的角度為航炮的使用提供重要參考。

1影響因素分析

航炮射擊的特點是：

1)攻擊時需考慮攻擊機進(jìn)入的方向、角度和時機等。

2)受飛機性能和安全高度的限制比較大。

3)作戰(zhàn)中需考慮氣象條件。綜合航炮武器使用的特點，并結(jié)合彈丸散布理論，將這一問題歸納為陣風(fēng)和人為因素對航炮射擊的影響。

1基于OpenGL的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

OpenGL是SGI研發(fā)的一種三維圖形接口，通過該接口獲得的三維圖形效果更為逼真，質(zhì)量更高，這也是目前交互式圖形處理的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)。Win32下OpenGL是一種與硬件、窗口系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)獨立的API具有過程性特點，其命令解釋模式的命令由客戶發(fā)出，被服務(wù)器解釋并處理，其中含有上百個庫函數(shù)，在運行時只需添加相應(yīng)的動態(tài)庫便能夠?qū)崿F(xiàn)對OpenGL的支持。OpenGL的功能可以概括為以下幾點：①幾何建模。除點、線、多邊形繪制函數(shù)外，OpenGL圖形庫還提供了椎體、多面體等復(fù)雜三維物體以及曲線、曲面繪制函數(shù)。②坐標(biāo)變換。通常坐標(biāo)變換主要有視圖變換、造型變換、視口變換和投影變換四種，OpenGL還能完成矩陣變換以及附加剪裁面變換。③光照與材質(zhì)。光照分為輻射光、鏡面光、環(huán)境光和漫反射光，可設(shè)置8個光源，用光反射率表示材質(zhì)。④設(shè)置顏色模式。包括顏色索引模式和RGBA顏色模式。此外還具有紋理映射、位圖顯示和圖像增強以及雙緩存實時動畫和人機交互技術(shù)功能。

2數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的功能模塊及仿真實現(xiàn)

2.1加工仿真系統(tǒng)各功能模塊

在數(shù)控切削加工過程中，實時三維仿真可根據(jù)輸入的NC代碼要求進(jìn)行動態(tài)過程仿真，這一過程可分為數(shù)據(jù)收集和輸入、幾何實體模型構(gòu)造、圖形仿真結(jié)果交互等階段，各階段都賦予了相應(yīng)的定義，為使動態(tài)過程仿真達(dá)到交互性、準(zhǔn)確性和有效性的要求，應(yīng)對各功能模塊進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)以軟件用戶界面和內(nèi)部計算檢查過程為主體，軟件用戶界面由公共模塊、NC代碼編輯模塊、仿真顯示模塊和加工控制模塊構(gòu)成，其中，公共模塊對CFild類的成員函數(shù)有所繼承，其功能顯示在File下拉菜單；NC代碼編輯模塊具有強大的文本編輯功能，對于一些較為簡單的加工零件無需預(yù)先編程，除一般記事本基本功能外，還設(shè)有互鎖功能，可對編輯后的代碼進(jìn)行讀寫切換，更好地保護(hù)代碼，保證加工順利進(jìn)行；仿真顯示模塊將圖像和數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)在計算機屏幕上，實現(xiàn)動態(tài)顯示，通過調(diào)節(jié)窗口便能夠觀察到加工工件，圖像和數(shù)據(jù)信息由OpenGL收集，其處理過程為：圖像操作/逐個頂點操作→光柵化→各片段操作→幀緩沖區(qū)→仿真圖像顯示；加工控制模塊根據(jù)代碼檢查解釋加工進(jìn)給信息，整個路線為：回參考點→對刀→開始加工→暫停加工→退出加工[2]。內(nèi)部計算檢查過程包括內(nèi)部模塊和外部數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)部模塊由NC代碼檢查和解釋模塊、代碼過濾以及內(nèi)部仿真計算構(gòu)成。

2.2三維模型在OpenGL中的實現(xiàn)

摘要：自20世紀(jì)80年代末至今，我國的仿真技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)有電廠仿真、電網(wǎng)運行工況仿真和變電所仿真。一般說來，凡是需要有一個或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制、管理與決策的實際系統(tǒng)，都需要對這些人員進(jìn)行培訓(xùn)、教育與培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)電力系統(tǒng)

自20世紀(jì)80年代末至今，我國的仿真技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)有電廠仿真、電網(wǎng)運行工況仿真和變電所仿真。一般說來，凡是需要有一個或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制、管理與決策的實際系統(tǒng)，都需要對這些人員進(jìn)行培訓(xùn)、教育與培養(yǎng)。早期的培訓(xùn)大都是經(jīng)過理論講解和現(xiàn)場實習(xí)，通過實際操作經(jīng)驗的積累來完成的，這種培訓(xùn)方式因是在實際運行的系統(tǒng)上進(jìn)行操作，不僅培訓(xùn)成本高、培訓(xùn)時間長，而且有些故障只能在實際發(fā)生時才能得到實際操作的機會，致使一部分知識只有感性認(rèn)識，得不到實際操作的鍛煉。隨著系統(tǒng)規(guī)模的加大、復(fù)雜程度的提高，特別是造價日益昂貴，訓(xùn)練時因操作不當(dāng)引起的破壞而帶來的損失大大增加，因此，提高系統(tǒng)運行安全性、可靠性事關(guān)重大。為解決這些問題，出現(xiàn)了培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，模擬實際系統(tǒng)的工作狀況和運行環(huán)境，以避免運用實際系統(tǒng)時可能帶來的危險性及高昂的代價。

變電所培訓(xùn)仿真系統(tǒng)集仿真技術(shù)、圖形圖象技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)于一體，依據(jù)變電所電力設(shè)備實物、一次設(shè)備和二次設(shè)備接線圖進(jìn)行設(shè)計，如主控室、控制屏、保護(hù)屏及設(shè)備連接狀況，可在模擬設(shè)備和二次接線圖上進(jìn)行相應(yīng)操作，采用鼠標(biāo)點擊的操作方式，簡單、直觀、易學(xué)(見圖1)。這種方式使變電運行人員的培訓(xùn)手段大大更新，提高了培訓(xùn)效率，縮短了培訓(xùn)周期。也進(jìn)一步提高了運行人員的正確判斷和處理事故的能力，防止事故擴大化和縮短事故處理時間，從而確保電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行。

圖1

1變電所仿真的現(xiàn)狀

摘要：基于MATLABGUI的《信號與系統(tǒng)》課程仿真平臺實驗設(shè)計，主要是利用MATLAB的強大功能，繪制出《信號與系統(tǒng)》中不同沖激函數(shù)的響應(yīng)，方便對比學(xué)習(xí)不同的波形。在該仿真平臺中，分別設(shè)計一個主界面和八個子界面：主界面是設(shè)計平臺的總?cè)肟冢ㄟ^GUIDE工具箱中的各個控件，實現(xiàn)對子界面的跳轉(zhuǎn)，使得子界面與主界面相互聯(lián)系，方便用戶使用；子界面中包括《信號與系統(tǒng)》一書中八個章節(jié)的內(nèi)容。在該平臺中，用戶可以反復(fù)多次地輸入不同信號的不同參數(shù)，使得平臺產(chǎn)生不同的波形，這對于研究信號的響應(yīng)十分便利。

關(guān)鍵詞：MATLAB；信號與系統(tǒng)；仿真平臺；可視化；交互式；實驗系統(tǒng)

隨著計算機技術(shù)的不斷更新發(fā)展，開發(fā)和設(shè)計可視化和交互式的《信號與系統(tǒng)》課程的虛擬實驗平臺成為必然[1-2]。通過設(shè)計仿真平臺，可以讓學(xué)生和老師以及其他用戶直接地觀看到仿真波形，使得大家對于較為晦澀難懂的原理有更好的理解和掌握，為教學(xué)和研究提供了諸多便利[3-6]。為此，具有強大的數(shù)學(xué)功能以及波形顯示功能的MATLABGUI工具便成了最好的選擇。利用MATLAB設(shè)計和開發(fā)的虛擬仿真實驗平臺可以為用戶提供形象的仿真波形，顯示不同信號在不同激勵下的響應(yīng)。與此同時，GUIDE工具中還含有各種控件，方便人們依據(jù)自己的需要創(chuàng)建具有不同功能的虛擬操作平臺[7-10]。

1系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

1.1系統(tǒng)設(shè)計原理

［摘要］目的探討基于醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真平臺的考核系統(tǒng)（以下簡稱虛擬仿真考核系統(tǒng)）在影像斷層解剖學(xué)考核中的應(yīng)用效果。方法選取錦州醫(yī)科大學(xué)2015、2016級五年制醫(yī)學(xué)影像專業(yè)學(xué)生177人作為研究對象，其中2016級作為觀察組，2015級作為對照組。觀察組采用虛擬仿真考核系統(tǒng)進(jìn)行考核，對照組采用傳統(tǒng)考核方法，比較2組考核成績，并采用調(diào)查問卷調(diào)查學(xué)生對考核方式的滿意度。結(jié)果觀察組考核成績?yōu)椋?4．75±5．48）分，明顯高于對照組的（71．03±7．03）分，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）。2組考核方式滿意度比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）。結(jié)論虛擬仿真考核系統(tǒng)可以顯著提高課程考核效率和學(xué)生滿意度，能更好地促進(jìn)課程教與學(xué)，讓考核服務(wù)于教學(xué)，實現(xiàn)以能力為導(dǎo)向的考核目標(biāo)。

［關(guān)鍵詞］醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真系統(tǒng)；影像斷層解剖學(xué)；虛擬教學(xué)；考核

影像斷層解剖學(xué)與影像診斷學(xué)、核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)療醫(yī)學(xué)等學(xué)科有著密切聯(lián)系，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)重要的基礎(chǔ)學(xué)科［1］，起著溝通基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的橋梁作用，在醫(yī)學(xué)教育中具有十分重要的作用和地位［2］。該課程的學(xué)習(xí)效果直接影響著未來專業(yè)課的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的考核方式主要偏向理論，容易導(dǎo)致學(xué)生不能將所學(xué)知識很好地與臨床相結(jié)合。近年來，本校推進(jìn)實施了醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真平臺，在醫(yī)學(xué)影像理論和實踐教學(xué)研究方面提供了新的研究思路和解決方案［3］。本研究采用基于醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真平臺的考核系統(tǒng)（以下簡稱虛擬仿真考核系統(tǒng)），建立影像斷層解剖學(xué)題庫，全面覆蓋考點，以理論內(nèi)容與實際影像圖片檢查相結(jié)合的方式，幫助學(xué)生構(gòu)建良好的影像空間感及建立“整體－斷層－整體”的影像思維方式［4］，實現(xiàn)了以臨床實踐能力為導(dǎo)向的考核目標(biāo)。

1資料與方法

1．1一般資料選取錦州醫(yī)科大學(xué)2015、2016級五年制醫(yī)學(xué)影像專業(yè)學(xué)生177人作為研究對象，其中2016級作為觀察組，2015級作為對照組。2組一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05）。1．2方法2組由同一教師授課，對照組采用傳統(tǒng)考核方法，利用紙質(zhì)試卷進(jìn)行答題。觀察組采用虛擬仿真考核系統(tǒng)進(jìn)行考核。按照影像斷層解剖學(xué)不同章節(jié)建立題庫，每個章節(jié)根據(jù)教學(xué)大綱重點、難點比例選取影像圖片，要求考點題目圖片清晰、結(jié)構(gòu)明確。每個章節(jié)編輯題目數(shù)不低于200個，選取的影像圖片數(shù)不低于400個，上傳到虛擬仿真考核系統(tǒng)后，根據(jù)考點編輯題目。試題難度按照比例分配，中等難度占50％，低難度占25％，高難度占25％。考試題型主要包括單選題、填空題、名詞解釋題、簡答題。將編輯后的題目進(jìn)行分類匯總，建立抽題系統(tǒng)，并結(jié)合雨課堂等手機軟件建立線上、線下考核系統(tǒng)。2組考核題型一致，試題難度經(jīng)教研室專家組評測一致，均為100道題，答題時間為2h，分值均為100分。2組試卷主觀題部分由相同教師閱卷，統(tǒng)計2組考核成績。在考核結(jié)束后，采用調(diào)查問卷調(diào)查學(xué)生對考核方式的滿意度，包括教學(xué)匹配度較好、有利于實踐應(yīng)用、能減輕復(fù)習(xí)難度、有效反應(yīng)所學(xué)知識，其中非常滿意為10分，比較滿意為7．5分，一般為5分，比較不滿意為2．5分，非常不滿意為0分。本次調(diào)查共發(fā)放問卷177份，回收有效問卷177份，有效回收率為100％。1．3統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS22．0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料以x±s表示，組間比較采用t檢驗。P＜0．05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2結(jié)果

摘要：為解決嵌入式系統(tǒng)在線仿真實驗教學(xué)平臺系統(tǒng)操作復(fù)雜性和實驗板狀態(tài)可視化問題，提出優(yōu)化編譯功能，設(shè)計“一鍵式”遠(yuǎn)程在線編譯的方法。該方法屏蔽了嵌入式交叉編譯細(xì)節(jié)，支持學(xué)生通過瀏覽器操作完成代碼編譯。融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)基于Unity3D的可視化模塊，通過實時監(jiān)控部署在遠(yuǎn)程服務(wù)器端的實驗板的輸出端口，采用3D渲染的實驗板模型進(jìn)行可視化顯示輸出。教學(xué)實踐表明，89.72%的學(xué)生認(rèn)為實驗平臺操作便捷、實驗顯示效果好。該方法有效降低了實驗入門難度，提高了學(xué)生的實驗效率和體驗度。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；在線仿真實驗；3D可視化；在線編譯

嵌入式系統(tǒng)作為計算機、電子信息及自動化等信息類工科專業(yè)的核心課程，具有理論學(xué)習(xí)難度大、實踐操作性強等特點[1]。實驗教學(xué)作為該課程的重要環(huán)節(jié)，重點培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。傳統(tǒng)的教學(xué)模式需要在固定時間和地點統(tǒng)一組織學(xué)生“一人一板”開展實驗，在時間和空間上都有很大的局限性。部分院校因為學(xué)生較多，需要分批進(jìn)行實驗，甚至為了節(jié)省實驗時間，實驗內(nèi)容以演示或驗證性為主[2]。此外，這種模式下的教學(xué)，如果遇到突發(fā)性疫情，將無法繼續(xù)開展教學(xué)工作。針對上述教學(xué)模式中的不足，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)在線仿真實驗教學(xué)平臺應(yīng)運而生[3-4]。嵌入式在線仿真實驗平臺為學(xué)生提供了開放的嵌入式系統(tǒng)實驗環(huán)境[5-6]，學(xué)生可自行選擇合適的時間、地點通過在線方式開展實驗。新的實驗形式解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足，但為了達(dá)到良好的實驗效果，在技術(shù)上需要解決的問題主要包括：（1）編譯環(huán)境配置復(fù)雜。目前學(xué)生比較熟悉Windows系統(tǒng)作為開發(fā)和編譯環(huán)境，而嵌入式系統(tǒng)實驗編譯環(huán)境一般采用基于Linux的交叉編譯的方式，對于不熟悉Linux系統(tǒng)操作的學(xué)生需要投入大量的時間學(xué)習(xí)常用操作命令，在一定程度上增加了實驗的入門難度，容易降低學(xué)生實驗興趣。（2）遠(yuǎn)程在線實驗無法觀察實驗板數(shù)碼管和LED燈的狀態(tài)，導(dǎo)致部分實驗內(nèi)容受限。遠(yuǎn)程在線仿真實驗平臺往往只能通過命令行的方式與實驗板進(jìn)行交互，并通過命令行輸出的信息查看實驗結(jié)果。學(xué)生無法觀察到實驗板的顯示狀態(tài)，所以只能部署僅僅通過命令行操作就能完成的實驗內(nèi)容，限制了實驗內(nèi)容的多樣性和創(chuàng)新性[7]。鑒于上述問題，需要系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新來突破這些局限，從而使基于在線仿真實驗平臺的教學(xué)質(zhì)量有質(zhì)的提升[8-9]。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于3D可視的嵌入式系統(tǒng)Web在線仿真實驗平臺，該平臺的主要優(yōu)勢包括：（1）設(shè)計了一種“一鍵式”遠(yuǎn)程在線編譯方法，該方法屏蔽了編譯細(xì)節(jié)，學(xué)生只需在瀏覽器中編輯代碼，選擇編譯類型，即可編譯生成可執(zhí)行文件。不需學(xué)生花時間配置編譯環(huán)境，熟悉Linux系統(tǒng)和操作命令，只需重點關(guān)注課程實驗內(nèi)容，降低了實驗門檻。（2）融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Unity3D的可視化模塊[10]。該模塊實時監(jiān)控部署在遠(yuǎn)程服務(wù)器端的實驗板的輸入輸出端口，獲取數(shù)碼管、LED燈等顯示組件的狀態(tài)，并基于HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳遞到前端瀏覽器[11]，通過3D渲染的實驗板模型進(jìn)行可視化顯示輸出。

1系統(tǒng)設(shè)計

在線仿真實驗平臺主要實現(xiàn)學(xué)生通過Web瀏覽器訪問實驗環(huán)境，開展嵌入式系統(tǒng)實驗，并通過3D虛擬硬件仿真運行效果。圖1是嵌入式系統(tǒng)在線仿真實驗平臺的總體架構(gòu)圖，該系統(tǒng)由實驗服務(wù)和Web服務(wù)構(gòu)成，左側(cè)部分連接實驗板的調(diào)試系統(tǒng)，與實驗板進(jìn)行實際交互，為實驗服務(wù)。右側(cè)部分為Web服務(wù)，負(fù)責(zé)實驗服務(wù)部分與用戶之間的交互，將用戶指令傳遞給實驗服務(wù)并將實驗服務(wù)返回的結(jié)果通過瀏覽器展示給用戶。實驗服務(wù)部分主要實現(xiàn)兩個功能。（1）代碼編譯。該模塊通過接口服務(wù)接收用戶發(fā)送過來的代碼文本，然后調(diào)用本地編譯環(huán)境的編譯指令，得到編譯返回結(jié)果并返還給用戶。（2）運行程序。該模塊通過接口服務(wù)接收用戶發(fā)送過來的指令（Linux指令），然后通過SSH協(xié)議發(fā)送給連接的實驗板，并將返回的運行指令結(jié)果以及實驗板上的LED和數(shù)碼管狀態(tài)返回給Web服務(wù)。Web服務(wù)部分主要包含三個功能。（1）用戶管理服務(wù)。Web服務(wù)負(fù)責(zé)管理用戶的信息，判斷用戶的身份，防止用戶直接調(diào)用實驗服務(wù)提供的接口，防止實驗服務(wù)直接暴露在網(wǎng)絡(luò)中，增加了實驗服務(wù)的安全性。（2）實驗數(shù)據(jù)管理。該模塊記錄并保存用戶實驗時的數(shù)據(jù)，教師可以為學(xué)生實驗打分，學(xué)生可以查看之前實驗的數(shù)據(jù)，對實驗進(jìn)行復(fù)習(xí)。（3）仿真頁面模塊。該模塊將Unity引擎嵌入到Web頁面中[12]，通過調(diào)用實驗服務(wù)接口獲取實驗板的實時狀態(tài)，然后將返回的結(jié)果以LED燈和數(shù)碼管的形式顯示到前端頁面上，模擬了真實實驗板的實時狀態(tài)。實驗服務(wù)和Web服務(wù)之間采用HTTP協(xié)議，通過JSON數(shù)據(jù)包封裝進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。圖2是系統(tǒng)的功能邏輯結(jié)構(gòu)圖，左側(cè)部分為實驗服務(wù)結(jié)構(gòu)（也稱虛擬機開發(fā)服務(wù)），右側(cè)部分為Web服務(wù)結(jié)構(gòu)。

2核心模塊設(shè)計

摘要：運用仿真軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控課程教學(xué)，解決教育資源不足、教學(xué)短缺、學(xué)生操作機會少等問題。將理論知識與實際操作進(jìn)行有機結(jié)合的新型教學(xué)方法，可以幫助學(xué)生更加便捷地理解數(shù)控方面的理論，加強學(xué)生對數(shù)控技術(shù)與知識的掌握能力，獲得更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)控；仿真軟件系統(tǒng)；教學(xué)效果

在數(shù)控實習(xí)教學(xué)工作中，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇應(yīng)用數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)。選擇與實際需要相符合的軟件，能在很大程度上加強數(shù)控學(xué)科教學(xué)效果。在實際操作過程中，有效掌握數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)所適合的應(yīng)用對象及整體范圍，能幫助數(shù)控學(xué)科教師更好地對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化與完善，提升教學(xué)效果。通過多年積累的實際教學(xué)經(jīng)驗得出，宇龍數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)應(yīng)用在數(shù)控學(xué)科的教學(xué)工作中，既能改善教學(xué)實踐環(huán)節(jié)資金不足的問題，又能使理論知識與實際操作完美結(jié)合，激發(fā)學(xué)生在數(shù)控操作方面的主觀能動性，提高學(xué)生的實際操作能力，并且在不斷訓(xùn)練的過程中加強操作熟練度。數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)在教學(xué)工作中的運用，對于教學(xué)方法來講是一次重要的改革，通過這種方式展開教學(xué)工作，在很大程度上減少了數(shù)控教學(xué)工作所需要花費的經(jīng)濟成本，并且對過去所應(yīng)用的傳統(tǒng)教學(xué)方法做出了進(jìn)一步的優(yōu)化，使原本抽象的問題變得更加形象。

1當(dāng)前數(shù)控教學(xué)分析

從目前的實際情況來看，數(shù)控這一學(xué)科已成為各職業(yè)院校普遍重視的專業(yè)。從根本上講，數(shù)控學(xué)科的學(xué)習(xí)是重視實踐作用的，只有通過不斷的實際操作，才能將數(shù)控的相關(guān)理論知識確實有效地轉(zhuǎn)變成能實際應(yīng)用在操作中的數(shù)控技術(shù)。數(shù)控技術(shù)在實際運用時一定要通過機床，因此，具備實踐活動能力的課堂教學(xué)一定要保證有足夠的硬件設(shè)備供學(xué)生進(jìn)行實際操作。雖說目前職業(yè)院校在國家政策支持的背景之下引進(jìn)了一些數(shù)控硬件設(shè)備，但從根本上講，學(xué)校是進(jìn)行新型人才培養(yǎng)的平臺，并不能只注重數(shù)控教學(xué)的相關(guān)服務(wù)，因此在硬件設(shè)備的購買方面、以及學(xué)校內(nèi)部教學(xué)場地不足方面都對數(shù)控技術(shù)的實際操作教學(xué)造成了一定的阻礙。同時，數(shù)控硬件設(shè)備需要操作人員自身能力較高，學(xué)生屬于數(shù)控技術(shù)的初學(xué)者，暫時還沒有全方位掌握數(shù)控技術(shù)的操作方法，在此基礎(chǔ)上，直接在機床進(jìn)行操作很容易造成硬件設(shè)備損壞。對此，為了保證學(xué)生實際操作的安全性以及學(xué)校方面的經(jīng)濟投入，越來越多的職業(yè)院校運用數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)與實際機床操作相結(jié)合的方法進(jìn)行數(shù)控學(xué)科的教學(xué)。

2仿真軟件系統(tǒng)在數(shù)控教學(xué)中的重要性