工业智能化虚拟仿真技术精选(九篇)

第1篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

【关键词】 网络虚拟实验室

1.网上虚拟实验室的基本概念

网上虚拟实验室,是以计算机仿真技术为核心、能在网上运行的、以虚拟实验仪器构成的虚拟实验室。所谓虚拟实验,就是按照教学、科研以及工程实验的基本要求,建立虚拟的实验环境,运用各种虚拟实验仪器仪表和设备,对建立起来的实验模型进行实时仿真,构成新型的产品开发、教学与科研实验。如一些基础性实验、力学物理实验、桥梁工程、和机械运动和电器线路等,都可以采用虚拟的方法进行实验。

1.1虚拟实验室的设备和功能,主要包括实验用的虚拟仪器仪表、虚拟实验环境、虚拟实验模型库、虚拟实验实时仿真软件等。具有在线式实验指导、仪器仪表使用帮助、实验结果记录与分析、实验结果或成绩的评定等辅助功能。虚拟实验结束后,系统能够自动产生实验报告,如实验过程与结果的合理性分析报告、实验效果评定报告等。

1.2虚拟实验室的特点:网上虚拟实验室以现代技术手段为支撑,以计算机实时仿真为核心,在教学、科研和新产品开发实践中表现出以下几个特点:

(1)交互性和自主性。虚拟实验与传统实验都是按照实验的计划或大纲进行的。但虚拟实验与传统实验相比,有一个明显的区别,那就是实验的模式是非固定的、动态的,具有良好的交互性和自主性。虚拟实验是计算机仿真技术、多媒体技术等高新技术的有机组合应用,特别是多媒体计算机具有的图文并茂、丰富多彩的人机交互方式,因而,交互性是计算机技术的显著特点,也是网上虚拟实验的显著特点。

虚拟实验项目的实验框架是不固定的。实验者可以依据实验大纲、根据社会需要、市场形势以及自己的兴趣,利用虚拟实验室的实验模型库自由搭接组合、拆装实验框架,自行设计实验步骤和实验方法,表现出实验者对实验的高度自主性。同时实验者可以利用虚拟实验室所具有的丰富的辅助功能。

(2)开放性。网上虚拟实验室通过网络系统向用户开放。实验者可自由地进入或退出实验系统,具有良好的开放性。开放性的具体体现为:

①资源开放。网上虚拟实验室储存了大量的实验模式,各种虚拟实验仪器、仪表、设备、器件和构件,各种虚拟实验环境,各种实时仿真软件包等,实验者可根据自己的实验需要自由地选择使用。

②网上虚拟实验室是一个开放平台,实验者也可根据自己的实验需要,自行构建实验环境、实验模块、实验仪器等,加入网上虚拟实验室,使得网上虚拟实验室是动态的,具有可持续发展性,从而使网上虚拟实验室具有良好的灵活性。

(3)高效率。网上虚拟实验拓宽了实验的时空观,传统的实验一般因实验室的空间、开放时间、仪器和技术指导人员的限制,不能及时的进行实验,实际使用实验室的时间很有限,接触实验设备的机会有限。但网上虚拟实验室是建立在网络上的,本身不受场地和时间的限制,同时虚拟实验室的虚拟仪器设备在网络上是共享的,因此在不同地域、不同终端上可同时进行相同科目的虚拟实验,拓宽了实验室的空间,增加了研究人员和学员的实验有效时数,提高了实验效率。

2.网上虚拟实验室建设的基本原则

2.1智能化原则。智能化就是用智能型的信息处理能力、启发式推理、专家系统、神经网络技术等来确定网上虚拟实验,从而代替人从事一些智能活动。智能化网上虚拟实验是按照人的思维规律引导人们解决问题,将某一领域的知识装入知识库,系统就像专家一样自动地工作。采用更接近用户的语言接口,可根据模拟结果自动地修改仿真模型的结构,模拟的方法及知识库,用试验和检验错误的办法来逐步逼近满意解,因而逼真地模拟决策思维过程。智能化网上虚拟实验具有自组织、自修复、自学习、自寻优、自规划、自搜索的功能,具有咨询、记忆、联想与推理的功能,也具有较强的免疫、容错能力和可扩充性。因而表现出很强的自适应能力。

2.2工程化原则。网上虚拟实验室是开展科研开发的一种新的手段,要强化实验环境的工程化、实验方法的工程化和实验步骤的工程化,使实验者有强烈的工程意识,要求虚拟实验所建立的虚拟仪器仪表、虚拟设备、虚拟器件和构件等高度逼近真实部件,对其操作使用方法也应高度逼近真实部件的操作使用方法。同时网上虚拟实验的仿真过程要高度实时,没有任何延迟,与使用真实实验设备进行实验完全一样,体现实验过程的工程化。

2.3综合化原则。网上虚拟实验室是以软件为基础,仿真技术为支撑的软实验室,没有空间的要求,因此网上虚拟实验室应该建成综合化实验室。网上虚拟实验室的综合化包含两个方面:

(1)实验内容的综合化。网上虚拟实验室将不同学科、不同等级的实验要求融为一体,构建成各种虚拟实验软件包,可以适应不同实验对象的需要。

(2)实验功能综合化。网上虚拟实验室要能够满足试验人员自主实验的需要,不仅能满足一般实验的需要,而且能对实验结果进行自动记录与评判,不仅能进行实验教学而且能进行新产品的开发,能对实验的数量、质量等进行自动记录与评估。

3.建设网上虚拟实验室要注意的几个问题

3.1网上虚拟实验室是以网络为载体的虚拟实验室。目前网络技术己相当成熟,所以网上虚拟实验室建设的关键是采用计算机仿真技术来构建实验模型,设计出用于测试的虚拟仪器设备、实验线路或回路、实验元器件或构件库、实验效果的判别标准等。

3.2选择合适的仿真开发工具。目前的仿真软件很多,为我们建设虚拟实验室创造了很多方便的条件。建立虚拟实验时,应根据具体需求,选用合适的仿真开发工具。比如,开发电子电路技术类虚拟实验时,可选用protel99、pspice、1abview、labwindows/CVI等仿真软件;开发汽车检测、内燃机测试、自动控制原理类虚拟实验时,可选用Matlab、Cadance、Mentor、Matri等仿真软件。总之,在选用仿真软件时要把握好仿真软件对虚拟实验开发的针对性和适应性。

第2篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

一、拟实制造技术简介

（一）拟实制造系统的构成。拟实制造是产品开发中不可或缺的内容，其具体是指借助计算机技术对产品从设计到制造再到装配等全过程进行全面仿真、模拟。拟实制造系统的流程涵盖了实际产品生产的全生命周期，具体来讲，其主要由五个阶段构成：（1）概念设计阶段。这一阶段主要完成对产品的运动学仿真分析，为下一阶段提供总体思路。（2）详细设计阶段。这一阶段需要对产品加工的全流程进行仿真模拟，包括分析与预测加工过程中的各项物理参数、物理仿真过程、工件几何参数，校验几何仿真过程、对产品的装配进行仿真等等。（3）加工制造阶段。这一阶段是前期设计阶段的理论验证阶段，是拟实制造系统的核心，包括作业计划与生产计划调度、工厂设计、制造车间设计以及控制器设计等。（4）测试阶段。运行仿真加工过程，监测其同实际生产的差距，发现其中存在的问题。（5）培训与维护阶段。对仿真器使用者进行培训，包括生产过程培训以及二级维护培训。由上述拟实制造系统的五个运行阶段我们可以看出，拟实制造按流程可划分为五个工作层级，即工厂级、车间级、调度级（含具体仿真加工过程）、各制造单元。

（二）拟实制造技术的国内外发展情况。现阶段，拟实制造技术的研究重点仍集中于技术理论研究以及对各级仿真环境的构造与实践尝试。具体来讲，技术理论研究的主要内容包括整个拟实系统的建模方法、模型构成与集成方式以及近年来流行的虚拟制造技术、虚拟制造系统的应用与衍伸等。对各级仿真环境的构造与实践则主要包括具体加工过程、加工单元的仿真以及实验室角度的虚拟工程与虚拟车间设计、对工厂级设备的调度、对车间级设备的管理、信息的集成处理等等。目前，在国内，虚拟制造技术得到了制造业的高度重视，许多科研机构、企业投入到了虚拟制造技术生产过程模拟、建模方法等方面的研究当中，与此同时，人工智能以及神经网络等高端新兴科技也被引入到了虚拟制造系统中，虚拟工厂级、车间级的设计与调度得到优化与提升。

二、机械加工过程仿真

（一）机械加工过程仿真的现状与问题。目前，机械加工过程仿真主要有以下两种情况：（1）以加工过程仿真为系统主要内

容，构造完整拟实制造系统。（2）采用金属切削方式，对机械加工过程中各内部因素的变化与作用情况进行仿真模拟，研究其切削原理，为实际生产提供理论基础。上述两种机械加工过程仿真所基于的原理是相同的，都是根据实际需求对机械加工工艺系统建立连续变化模型，而后采用数学离散法计算出其中的断续点，再通过对这些断续点的物理因素变化来仿真加工过程。

机械加工过程仿真存在的问题主要有：（1）物理仿真同实

际生产差距较大。现阶段的机械加工过程仿真是基于理想状态展开的，其中有大量人为的假设因素。这种理想状态不能将所有可能存在的情况考虑进来，因而不能真实反映实际生产的状况。（2）加工范围与形式仍不能满足需要。国内机械加工过程仿真仍主要以铣、磨为主，仿真技术对这两种工艺的应用范围仍然很窄。（3）仿真手段仍较为低端。由于计算机软硬件的限制，仿真技术的精确度不高，发展速度也较慢。

（二）机械加工过程仿真系统的结构。机械加工过程仿真系统属于拟实制造的第二阶段――详细设计阶段，这一阶段需要对机床―工件―刀具所构成的仿真系统中的参数与信息进行分析、预测。

（三）数控车削过程仿真的方法。车削加工是目前应用最广泛的机械加工方式，数控车削加工仿真能够实现多种情况的模拟，具有十分重要的应用价值。具体来讲，数控车削过程仿真能够完成外圆、端面、倒角、螺纹、曲线等各种加工形式的模拟与预测，其实现过程包含三个环节：（1）建立完善的数控车床车削仿真系统，优化NC代码，实现车削智能加工。（2）综合考虑实际加工中可能存在的问题，尽可能还原实际生产过程。（3）对仿真过程中检测出的问题进行收集与分析，从而为实际生产提供依据。

第3篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

（北京理工大学软件学院，北京100081）

摘要：在信息时代，网络交流无论在深度还是在广度上都颠覆了传统意义上的交流，成为人们生活的重要组成部分，它不但满足了人们的内在需要，扩大了人们的社交范围，而且改变了人们的生活方式。计算机仿真技术作为一门专门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，为促进网络社会的交流提供了较好的技术基础。本文通过对计算机仿真技术和网络虚拟交流平台的研究，对仿真技术在促进网络交流方面的技术突破点进行了详细的介绍。

关键词 ：仿真技术；网络交流；虚拟；关键突破

DOI：10.16083/j.cnki.-1296/G4.2015.02.066

中图分类号：O245文献标识码：A文章编号：1671—1580（2015）02—0151—02

本文受国家科技支撑计划项目（2012BAH38F01-05）资助。

收稿日期：2014—09—12

作者简介：张福泉（1975— ），男，福建福州人。北京理工大学软件学院在读博士，闽江学院计算机科学系，副教授，研究方向：流媒体智能存取技术，智能化数字表演与仿真技术。

一、虚拟网络交流的重要平台及其发展趋势

随着网络技术的发展，人们的交流方式发生了巨大的变化，低效率的传统交流方式逐渐被网络交流方式所取代。网络交流以网络作为信息的载体，将互联网作为交流分享的平台，极大地提升了交流的即时性和效率。

当前，网络交流平台主要包括即时通信交流平台、信息互动平台、网络商品交易平台和在线交流平台。无论人们在哪一个平台进行网络交流，对交流过程的快速、真实、便利的追求都永无止境，这极大地推动了仿真技术等计算机网络技术的进一步发展，也为仿真技术的发展指明了方向。首先，虽然网络交流平台的种类越来越多，网络交流的方式越来越繁杂，但是，单一的网络交流平台无法满足人们的需要，未来网络交流平台不仅能实现“现实人”与“虚拟人”的交流，还将实现“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”之间的交流。其次，网络交流平台毕竟都是虚拟环境下的交流，无法满足人们相互之间真实的精神情感交流的需要。随着计算机网络技术的发展，网络交流的可视化、智慧化以及无障碍交流必将成为新的发展趋势，追求虚拟现实世界成为计算机仿真技术的发展方向。

二、可视化仿真技术在虚拟网络交流中的技术突破

可视化仿真技术指的是将仿真中的数字信息变为直观的、以图形图像形式表示的、随时间和空间变化的仿真过程呈现的技术手段。可视化仿真技术是仿真领域的重要研究分支，包括了可视化算法、实时绘制、图像生成、多通道及多视点显示、人机交互、分布式与并行计算、软件工程学、效果评估等理论技术以及各行业相关的建模技术，等等。

（一）可视化仿真软件的智能化、自动化。随着网络交流的不断深化和发展，实体动态、智能视点选取成为可视化软件的发展潮流。1.实体动态生成。在仿真开始前先在想定仿真节点编制好态势变化的想定文件，在仿真过程中通过节点的仿真软件对想定文件进行动态解析，从而实现对不同仿真节点的动态匹配。实体动态生成技术的优点在于将网络交流的不同需求进行分散化建模，简化了仿真建模的复杂性。2.视点智能选取。Vega是可视化视点选取使用较为广泛的工具，带有静止、运动模式等多种视点方式，但是，Vega等工具的固定观看模式无法充分体现复杂系统仿真过程中各个实体、事件、环境、场景、系统的实时运动变化情况，要实现对虚拟环境的实时、动态的视点管理，就需要全局漫游、俯视以及智能眼视点等模式。

（二）可视化仿真建模的三维实体柔性技术。智能视点实现了对具有固定实体的动态实时仿真，对于没有固定形状，并且随着时间和过程不断变化的实体，例如云、风、烟雾弹等柔性体，则需要采用柔性仿真技术，通过对物体的运动特性、机理以及作用建立起这些柔性体特殊的动力学和运动学模型，进行可视化绘制，实现对柔性体的三维仿真。

（三）可视化仿真实时性和逼真度的技术实现。实时和逼真是虚拟网络交流追求的两个重点，在技术进步的基础上实现两者的最大突破成为可视化仿真技术不断进步的动力。在硬件方面，通过提升计算机运行芯片的计算性能和处理模式来实现快速绘制；在软件方面，借助网络技术以及网格技术的并行计算、分布式计算，可以逐步优化软件结构和代码，减少计算量，从而提升绘制速度。

（四）非视觉物理量的可视化技术。在现实社会中不仅存在看得见、摸得到的实体，还存在不可见的非视觉物理量

（例如磁场、温度场、水声场、电场等）

。要实现虚拟社会交流的真实性，非视觉物理量的可视化技术也是非常重要的突破。非视觉物理量可视化仿真的关键技术是三维数据场仿真，一般通过两个途径来实现：1.对三维数据生成的等值面进行绘制，这是基于面的可视化，主要方法有切片技术、几何变形曲面法以及网格划分法等。2.将三维数据投影到计算机，再通过体绘制技术进行绘制，这是基于投影的可视化。

三、虚拟现实技术在促进虚拟网络交流中的关键突破

虚拟现实（VR）技术通过虚拟的“现实人”体验来表达、获取信息，集合了多种计算机技术，例如人工智能、控制论、数据库、计算机图形学、实时计算技术、人机接口技术、电子传感技术、机器人、多媒体以及遥现技术，等等，是一种最有效模拟“现实人”在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。通过VR技术，创造出一个“现实人”可以与虚拟世界进行对话、虚拟世界对“现实人”的行为作出反应的人机交互环境，同时，表现出虚拟世界的自律、临场感，使得“现实人”具有身临其境的感觉，这也正是人们在进行虚拟网络社会交流时所极力追求的体验。

（一）VR的视觉表现技术。真实感以及图形图像实时绘制是实现VR视觉感知的重要手段之一，也是构造虚拟环境的核心，更高、更强的真实感和实时性不但保证了VR系统的沉浸感和交互性，而且也是VR视觉表现技术所追逐的重要目标。图形图像绘制是VR视觉表现的基础，一般可以分为：1.图形绘制技术，主要研究真实感光照计算、自然景物绘制以及纹理映射等；2.场景绘制技术，包括全光函数、光场计算、同心拼图、全景拼图等研究内容；3.图像与图像相结合的绘制技术，包括几何一致性以及光照一致性等方面的内容。

（二）VR的听觉表现技术。听觉是人类感知世界的重要信息来源，虚拟社会中的每一个发声体都是“现实人”感知虚拟社会信息的一个重要来源。事实上，我们在网络上感知的声音素材大部分都是数字化音频，由于不具有空间信息，无法体现虚拟社会听觉空间的真实感和立体感，而通过描述人的听觉系统对不同方位声音的不同频谱特性（头部相关传输函数：HRTF），例如双耳时间差、声级差等，可以建立起虚拟听觉空间（VAS），其中的声音定位技术是实现三维逼真音效的关键技术。

（三）VR的力/触觉表现技术。VR通过力/触觉设备对力/触觉信息（主要包括碰撞检测和碰撞响应）进行高效处理，在客户操作力/触觉设备时，碰撞检测算法对“现实人”与虚拟对象的碰撞情况进行检测，并在发生碰撞后运行碰撞响应策略。

（四）VR的嗅/味觉表现技术。在现实社会，人的嗅觉是由化学刺激产生的，而且气味间细微的差别都会引发不同人的不同反应，显然，要对虚拟社会的嗅/味觉进行高仿真，现在还存在一定的困难，这也将成为未来VR技术研究的重要方向，现阶段有许多科学家进行了有益的探索。例如：Amoore J.E就曾想用基本的七种气味来进行合成，但真实度不高。

虽然仿真技术为促进虚拟网络交流进行了各种关键技术的突破，实现了虚拟社会的可视化和可交流，但离现实社会中人与人的真实交往还存在一定的差距，而且虚拟社会中“现实人”、“虚拟人”以及“虚拟物”的相互交流还存在一定的障碍，需要进行进一步的仿真技术研究才能更好地实现。

［

参考文献］

［1］穆雪.可视化交互性虚拟电梯的设计与实现［J］.黑龙江科技信息，2013（18）.

［2］王平，陈智刚，郭光全，孙玉振，李益强.基于Vega的爆炸毁伤视景仿真技术研究［J］.爆破器材，2013（4）.

［3］王涛.基于UDK的数字校园虚拟现实引擎关键技术的研究［J］.软件工程师，2014（4）.

第4篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

【关键词】计算机；仿真技术；发展；应用

1计算机仿真技术简介

随着计算机技术的发展，计算机仿真成为可能，使用专门的软件，借助多媒体技术可以给人身临其境的感觉。仿真技术的发展，很大程度上得益于控制工程技术的发展，在控制工程中需要使用计算机进行仿真实验。计算机仿真技术的应用能够加快产品开发周期，提高产品质量，提高工作效率，减少经费开支。

2计算机仿真技术原理

通常情况下，计算机不能够对外界信息进行认知，因此需要建立相应的数学模型来反映事物的本质特点。通过数学模型能够清楚地反映出研究对象的特点，通过模型转换，使用计算机算法等将数学模型转化成计算机能够处理的形式，也即建立仿真模型。仿真模型是计算机仿真的关键，再进行仿真实验，通过仿真实验对之前设置好的模型进行模拟，获得仿真结果。对仿真实验的结果进行评价通常采用反向验证和置信通道法。

3计算机仿真技术应用

随着信息技术的发展，计算机仿真技术得到了广泛的应用，改变着传统的生产生活方式。计算机仿真在交通工程、制造领域、教育领域等都得到了较好的应用。

3.1交通领域

人和车辆是交通的主要组成部分，要考虑安全的前提下，提高交通效果。交通安全仿真通过虚拟技术，增加各种诱发因素，进而对某一路段的交通安全情况进行评价。计算机仿真可以有效地对交通安全进性评价。仿真过程能够实现可视化操作，能够更加直观地进行分析，不同于传统的数值仿真。比如，对某路段进行交通安全评价时，传统的绝对数和事故率方法可以进行评价，还可以在虚拟环境中设置不同的交通工具，考虑人的行为感知的情况下，进行评价。

3.2制造领域

制造业是国家的第二产业，对各行各业影响深远，汽车制造是制造业的重要组成部分。实验课题难度大，成本高。计算机仿真可以很好地解决这个问题，比如对碰撞试验来说，通过建立相应的数学模型，可以对实验过程进行模拟。

3.3教育领域

使用计算机进行模拟仿真分析已经成为当前重要的研究方法，在教学模拟实验中，采用多媒体可以很好地提高教学水平。计算机模拟实验能够在相关实验设计思想和方法的指导下，改变传统教与学、理论与实践的关系，发挥研究人员的主动性。计算机仿真模拟可以加深对相关理论的理解，提高实验水平。

3.4计算机仿真技术在其他领域的应用

计算机不仅仅在交通、制造、教育领域得到大量应用，在军事领域、消防、音乐等领域均有较广泛的应用。通过计算机仿真，可以使用模拟驾驶器进行模拟，从而降低战机、战车、燃油的损耗，在进行军事武器研发时，可以缩短研发周期，降低研发成本。计算机仿真在消防中的应用，可以对现场的温度、空气流动速度、火荷载、逃生路线等进行模拟，从而提高应对突发事件的能力，提高设计科学性。

4计算机仿真技术的发展方向和趋势

4.1计算机仿真技术发展方向

网络化仿真。仿真系统开发兼容性不强、开始周期长，费用昂贵，难以实现信息共享，随着计算机技术和网络技术的发展，计算机仿真技术取得了较大水平的提高。利用网络技术的优势，可以实现仿真系统共享。系统的网络共享能够提高资源的利用效率，避免不必要的重复开发，减少科研经费。虚拟制造技术。虚拟制造技术发挥计算机仿真技术的虚拟现实技术的优势，使用计算机完成对产品的管理和控制，虚拟制造技术已经成为计算机仿真技术发展的重要方向。

4.2计算机仿真技术发展趋势

随着计算机技术和仿真技术的发展，仿真技术很好地解决了各学科发展中的问题，很大程度上提高了工作效率，更加形象直观地进行仿真实验，节约了产品开发周期，降低了开发成本，提高了产品质量。计算机软硬件性能得到了较大水平的提高，进一步促进了仿真技术的发展。仿真技术主要朝着面向对象的仿真建模、分布式仿真、智能仿真等方向发展。

4.2.1面向对象仿真建模发挥计算机的符号处理能力，可以提高人们对仿真对象的认知速度，与传统的人工建模有着较大的进步。面向对象的仿真建模，可以最大程度提高系统的建模能力。此外，面向对象的仿真建模操作难度小，更容易使用，可以发挥仿真技术的优势。

4.2.2分布式仿真分布式仿真将不同分布位置的计算机通过网络进行连接，形成时间空间相互祸合虚拟仿真环境。分布式仿真系统由几个子模型组成。部分是仿真系统中，主要有动态、静态数据分割技术、功能分割技术等。

4.2.3智能仿真在仿真的不同阶段引入知识表达和处理技术，可以缩短仿真建模时间，提高模型效率，帮助用户做出最优决策，及时修正模型，界面更加智能化，增加仿真系统的寻优能力。

4.2.4其他仿真一些仿真可以实现高度的可视化，对仿真过程进行形象展示，便于研究人员真实地对仿真过程进行分析，易于理解。动画仿真能够将声音、视图等元素加入其中，交互性更强。

5结语

计算机仿真伴随着其他学科的发展而快速发展，随着计算机技术的快速发展，计算机仿真技术很好滴解决了其他学科的问题。计算机仿真经历了从简单的原型到物理模型，再到今天的动态显示仿真过程，并可实现可视化操作。多媒体技术、人工智能、可视化等技术同仿真技术的结合，仿真技术的发展和应用将更加广泛。在不远的将来，计算机仿真技术在生产生活中会发挥更大的作用，促进社会经济的发展。

参考文献

[1]王莉.计算机仿真技术在自动化物流系统中的应用[J].自动化与仪器仪表,2015(04):51-52+55.

[2]周杰.档案高仿真复制技术——档案馆应用传统手工复制和计算机高仿真技术的研究[J].档案学研究,2013(05):54-57.

[3]胡媛,吴正一,胡小峰,戴星.计算机仿真技术在优化就医序列中的应用研究[J].中国医院管理,2013(06):33-35.

[4]李剑虹,涂赣峰,戚喜全,毛继红,吕定雄,冯乃祥.我国铝电解槽计算机仿真技术的研究发展及现状[J].材料与冶金学报,2010(03):173-179.

第5篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

关键词： 虚拟现实；交互技术； 虚拟环境

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)18-20ppp-0c

The Application of Virtual Reality Technology Status and Future Prospects

SHU Jian-hua

(School of Software Engineering Tongji University, Master, Shanghai,China,200000)

Abstract:The Virtual reality technology as a comprehensive variety of computer science and technology in the field of new technologies, It is the application of domestic and international hot spots, many involving the development and application areas, greatly enrich our lives. In this paper, the history of virtual reality, development and application of a need for an overview at the same time the author on the recent work done on virtual reality and the future direction of giving us some ideas about the future development of virtual reality technology.

Key words: Virtual reality; Interactive technology; virtual environment

1 引言

虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术，又称“灵境技术”、“虚拟环境”、“赛伯空间”、“模拟实境”、“虚拟实境”、“仿真技术”等，是在现代科学技术（如计算机图形学、图像处理与识别、计算机仿真技术、人机接口技术、实时分布处理技术、数据库技术、多媒体技术、多传感器技术和人的行为学研究等）的基础上发展起来的一门交叉科学技术。其特点以计算机技术为主，利用计算机等设备创造一个视听感受逼真的三维虚拟环境，该环境是人工虚构的，在这个虚构的环境中能实现与现实相同的感受，可以利用它观察周围世界，可以与虚拟世界进行人机互动等，大大加速了人机互动技术的发展。VR技术的出现，为人机交互界面的发展开创了新的研究平台，为智能工程提供了新的界面工具，为装置艺术可视化发展提供了新的展示空间。

2 虚拟现实技术的发展概述

VR的发展概括起来大致为三个阶段：20世纪50年代到70年代，是虚拟现实技术的探索阶段；80年代前中期，是虚拟现实技术从实验室走向实用的阶段；80年代末到21世纪初，是虚拟现实技术快速发展时期。

1965年“虚拟现实技术之父” Lvan Sutherland博士在《终极的显示》的论文中首次提出了具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，随后几年又展开了头盔式显示器(HMD)的研制工作，取得了显著的成绩，因此这一理论影响至今。在第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。

基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的JaronLanier在上世纪80年代正式提出了“VirtualReality”一词。美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。随后开发出用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。到了90年代，计算机硬件技术与软件系统极大的推动虚拟现实技术的发展，加速了大型数据集合的声音和图象的实时动画制作的发展。1993年11月，宇航员利用虚拟现实系统成功地完成了从航天飞机的运输舱内取出新的望远镜面板的工作，用VR技术设计出由300万个零件组成的波音777飞机；1996年10月31日，世界第一个虚拟现实技术博览会在伦敦举行；同年12月，世界第一个虚拟现实环球网在英国投入运行；进入21世纪后，虚拟技术得到进一步发展，世界最大的虚拟现实技术软件公司之一的英国“超景”公司总裁深刻地认识到虚拟现实技术的产生，是因特网继文字时代后的又一次飞跃，有着巨大潜力和发展空间，应用前景不可估量；因此组织开发出在电脑屏幕可以游览的“超级城市”立体图像，真实模拟人们生活场景等等。随着因特网传输速度的加快，VR技术也趋于成熟，这种网络将广泛应用于工程设计、教育、医疗、军事、娱乐等领域。

3 虚拟现实技术的应用现状

3.1 军事与航空航天

虚拟现实的技术根源可以追随到军事领域，军事应用是推动虚拟现实技术发展的主要力量，是虚拟现实系统最为重要的应用领域。模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。海湾战争的美国士兵对周边的环境不觉得陌生，是由于虚拟现实已把他们带入那漫无边际的风尘黄沙，让他们“身临其境”感受到大漠的荒凉。美国国防部先进研究课题局(DARPA)自80年代初起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，这个课题结果产生了仿真网络，连到美国和德国200多个坦克仿真器。在航空航天方面，宇航员利用虚拟现实系统进行各种训练，美国航空航天局计划将虚拟现实系统用于国际空间站组装、训练等工作。

3.2 医学方面

虚拟人体在医学方面的应用十分重要。借助于跟踪球、HMD、感觉手套探索工具，可以很容易了解人体内部器官结构，经过3D可视化，可以更好的展示人体各器官和组织且还可以进行功能性的演艺。Pieper和Satara等研究者在90年代基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。这个虚拟的环境包括虚拟的手术台与手术灯，虚拟的外科工具，虚拟的人体模型和器官等。借助于HMD及感觉手套，使用者可以对虚拟的人体模型进行手术。另外，对于危急病人，还可以实施远程手术。在远程遥控外科手术、复杂手术的计划安排、手术过程的信息指导、手术后果预测及改善残疾人生恬状况，新型药物的研制等，VR技术都有十分重要的意义。

3.3 工程管理

VR在工程管理方面也显示出无与伦比的优越性。设计新型建筑物时，可以在动工之前用VR技术显示建筑物，为安全生产和管理工程奠定基础；当财政发生危机时，可以帮助其分析股票、债券等方面的数据分析以找到最佳的处理对策等等。

3.4 建筑设计与城市规划设计

德国是运用VR技术在建筑设计最早的行业。自1991年起，德国多家研究所和公司探索和研究交互效果的“虚拟设计”。当时城市规划、工程建筑设计的辅助开发工具就在全力使用虚拟现实技术，把虚拟现实技术作为其规划的视觉依据。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑实时漫游系统，实现了立体视觉，还提供了方便的交互工具，整个系统的实时性和画面的真实感处于全国领先水平。

3.5 娱乐、艺术与教育领域

丰富的感觉能力与3D显示环境使得VR成为理想的视频游戏娱乐工具。英国开发了一款游戏系统――“Virtuality”，配有HMD，大大提高了真实感；Chicago（芝加哥）开放了世界上第一台大型可供多人使用的VR娱乐系统，其相关主题为3025年的一场未来战争； 1992年开发的称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了学习功能，大大增强了趣味性及难度，因此该系统获得了当年的VR产品奖。

随着数字媒体的发展，虚拟现实技术在艺术方面发挥的作用不可估量。丰富了艺术的表现形式，强化了艺术表现力；手足不便的人可以在居室中去虚拟音乐厅欣赏音乐会，可以足不出户在家观看电子博物馆；另外，数字化的文化遗产也是虚拟现实技术的应用方向之一，对文化遗产的保护与复原发挥很大的意义，可以利用VR技术漫游世界古迹，感受古代战场，还原古迹原貌。

随着虚拟现实技术的普及，在教育方面出现了虚拟校园、虚拟课堂、远程教育等。中国浙江大学研制开发了基于人物的电子学习环境(ELVIS)，用来辅助9-12岁小学生进行故事创作。中国科技大学运用VR技术开发了第一套基于虚拟现实的教学软件，丰富了教学环境。

4 我们的工作

在传统的人与计算机系统中，用户是一个外部的观察者，只是通过显示屏有限的小窗口，观察计算机内的合成环境。传统的人机交互最常用的设备是键盘和鼠标，人们通过它们与合成环境中的物体进行交互，这与我们现实世界中的通讯方式相差甚远。互动装置技术主要是通过计算机硬件及软件程序平台、自动化等技术结合计算机输入、输出设备和一些表现性的综合材料来表现艺术，其最大特点就是参与者能与虚拟环境进行自然的交互，能用人类自然的技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行交互作用。针对目前整个业界的发展状况，结合我国VR技术发展的现实以及应用需求的实际情况，作者认为我们尚有很大的可研发空间，然而就目前虚拟现实技术的理论及文字性的材料有限，在一些大型展览中，其作品却越来越多，鉴于它的发展及技术研究，作者从互动装置艺术的虚拟性方法入手，结合实践对它进行了规类、划分和技术应用，打破传统的单一的静态装置，为业界对它的研究作一些理论性和实践铺垫。针对大型场合控制系统，其可控性和可观性都存在许多困难，最重要的问题就是虚拟现实计算空间与人的认知空间中的多维信息映射算法的构造和实现，在这方面的研究主要应该在新型材料微型传感器开发设计，新型装置的设计，建立一套科学的触觉力觉设备实验环境和评估标准，包括各项该类装置设计和实用评估指标。互动装置未来市场空间很大，有待于我们继续开发和应用更广阔的领域。

5 展望

VR 技术的实质是构建一种人为的能与之进行自由交互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。沉浸式虚拟现实是最理想的追求目标， 实现的方式主要是戴上特制的头盔显示器、数据手套以及身体部位跟踪器， 通过听觉、触觉和视觉在虚拟场景中进行体验。可以预测短期内游戏玩家可以戴上头盔身着游戏专用衣服及手套真正体验身临其境的“虚拟现实”游戏空间，它的出现将淘汰现有的各种大型游戏，推动科技的发展。纵观VR的发展历程， 未来VR技术的研究仍将延续“低成本、高性能”原则， 从软件、硬件两方面展开，发展方向主要归纳如下：

（1）动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR 技术的核心内容，动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据需要建立相应的虚拟环境模型。

（2）实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟， 而关键是怎样“实时生成”，在不降低图形的质量和复杂程度的基础上， 如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外，VR还依赖于立体显示和传感器技术的发展， 现有的虚拟设备还不能满足系统的需要， 有必要开发新的三维图形生成和显示技术。

（3）新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互， 犹如身临其境，借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此， 新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。

（4）智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程，需要大量的时间和精力。如果将VR 技术与智能技术、语音识别技术结合起来， 可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价， 将模型用对象表示出来， 并且将各种基本模型静态或动态地连接起来， 最终形成系统模型。人工智能一直是业界的难题，人工智能在各个领域十分有用，在虚拟世界也大有用武之地，良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。

（5）分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE开发工具及其系统的出现，DVE本身的应用也渗透到各行各业，包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE的又一个重要的应用领域，包括虚拟战场、辅助教学等。另外，研究人员还用DVE系统来支持协同设计工作。近年来，随着Internet应用的普及，一些面向Internet的DVE应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来， 采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境， 参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显，因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域，分布式VR训练环境不需要在各国重建仿真系统， 这样不仅减少了研制费和设备费用，减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。

近几十年来，通信技术、计算机的同步发展和相互促进成为世界上信息技术与产业飞速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起与普及，使得信息应用系统在深度和广度上发生了质的变化。虚拟现实主要依靠人机交互的发展，目前技术上已初步解决人脑数据的读取，在不久的将来，开发者将完全解决通过神经系统自动进入虚拟现实环境的“人脑――计算机接口”问题，通过对人脑提取和反馈神经信号使人完全融入“虚拟现实”世界。当然从技术角度，我们应该对基于多用户虚拟环境进行必要的技术研究。因为将来的VR技术将越来越重视人在其中的交互。虚拟现实充满活力、具有无限的应用前景的高新技术领域，但仍然存在许多有待解决与突破的问题。为了提高系统的交互性、逼真性和沉侵性，在新型传感和感知肌理、几何与建模新方法、高性能计算，特别是高速图形图像处理，以及人工智能、心理学、社会学等方面都有许多具有挑战性的问题有待我们进一步解决。

参考文献：

[1] 薛大维.虚拟现实技术的研究与分析[J].交通科技与经济,2006,8(4).

[2] 韩晓玲.虚拟现实技术发展趋向浅析[J].电脑知识与技术,2007(2).

[3] 胡小强虚拟现实技术[M].北京邮电大学出版社,2005.

[4] 张占龙,罗辞勇,何为.虚拟现实技术概述[J].计算机仿真,2005,22(3):1-3.

[5] 姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报,2004,23(2):238-240.

[7] 蒋庆全. 国外VR技术发展综述[J].飞航导弹,2002,(1):27-34.

[8] 周前祥,姜世忠,姜国华.虚拟现实技术的研究现状与进展[J].计算机仿真,2003,20(7):1-4.

[9] 何毅兵.21世纪初的虚拟现实[J].湖北工学院学报_2000.15(2):35-38

[10] 王红兵.虚拟现实技术――回顾与展望[J].计算机工程与应用,2001(01):48-51.

[11] 王志新,张华,黎永明.虚拟技术及其应用[J].上海理工大学学报,1998,20(1).

[13] How Virtual Reality Works[M].Joshua Eddings,1994.

[14] Web3D,Virtual Reality Modeling Language[S].International Standard ISO/IEC14772-1:1997.

第6篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

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

[1]罗元,谢波,彭卫兵等.基于Vega Prime的虚拟现实车辆智能运动模拟[J].浙江工业大学学报,2013,41(4):458-472.

[2]费娜.虚拟仿真技术在城市交通仿真系统中的应用研究[D].天津城建学院,2009.

[3]耿彦斌,张雪莲.关于我国交通仿真技术发展战略的思考[J].现代交通技术,2010,7(4):71-85.

[4]邹智军,新一代交通仿真技术综述[J].系统仿真学报,2010,22(9):2037-2042.

[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.

第7篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：

1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。

2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。

3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。

3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。

4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。

二、虚拟现实系统的构成

虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：

1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。

2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。

控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。

3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。

4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。

三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析

使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。

首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。

其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。

在力学仿真方面，可以通过降低系统的粒度即降低系统复杂度来达到适度仿真的目的，也就是说可以只仿真最主要的力场相互作用，而使用模仿动力学如预设动画来处理非关键相互作用，就可以大大降低仿真设计的复杂度，从而控制成本，当然，粒度的选择要依据实际问题进行精确的优化和选择。

最后，使用成熟的系统集成来台可以避免重复开发带来的巨大成本和时间消耗，增加系统的复用率及通用性，此类系统通常都可以提供相当理想的实时渲染引擎及灵活开放的设计架构，对系统开发的管理和接口控制也能提供低成本的支持，因此是实现低成本的可靠保障。

【摘要】虚拟现实与仿真技术在工业产品设计生产方面的应用有十分广阔的前景。仿真难度大、成本高昂是此类系统应用的主要障碍，适度仿真及高效的解决方案是实现低成本化的关键。

第8篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

【关键词】3D；虚拟；智慧旅游；线上线下

目前虚拟现实技术发展很快,已经在许多领域得到了广泛的应用，然而在普通学校教育教学中还应用的很少,为解决新疆伊犁高职旅游管理专业教学过程中实习资源匮乏，而实地参观成本又高的问题，同时，为了提高旅游专业教学技术的先进性和科技性，通过采用360度全景和3D虚拟旅游、3D旅游商品展示、GPS自助导览等智慧旅游相关技术，建设游前、游中、游后一站式O2O综合旅游服务平台，以丝绸之路和西部少数民族文化走廊为主线，构建伊犁河谷旅游的资源展示、信息服务、虚拟旅游等内容聚合的云服务平台，提供旅游地理信息导引、旅游产品营销等一站式文化旅游电子商务服务，实现线上线下文化旅游产品与服务运营的O2O联动机制，将是区域性文化旅游服务产业发展新模式的一次有益探索。

1国内外研究概况、水平及发展趋势

2009年，国务院出台了《关于加快发展旅游业的意见》，第五条提出“建立健全旅游信息服务平台，促进旅游信息资源共享。”第十条提出“以信息化为主要途径，提高旅游服务效率。积极开展旅游在线服务、网络营销、网络预订和网上支付，充分利用社会资源构建旅游数据中心、呼叫中心，全面提升旅游企业、景区和重点旅游城市的旅游信息化服务水平。”说明旅游信息服务政策已经提上议事日程，尤其是要建立一个能共享旅游信息的大型平台。2011年7月15日，国家旅游局局长邵琪伟正式提出，旅游业要落实国务院关于加快发展旅游业的战略部署，走在我国现代服务业信息化进程的前沿，争取用10年时间，在我国初步实现“智慧旅游”。2012年，国家旅游局为贯彻落实《国务院关于加快发展旅游业的意见》精神，积极引导和推动全国智慧旅游发展，在自愿申报和综合评价的基础上，经认真研究和遴选，确定2批共计33个国家智慧旅游试点城市。国家旅游局将2014年确定为“智慧旅游年”，围绕“2014中国智慧旅游年”主题，中国将加快推动旅游在线服务、网络营销、网上预订、网上支付等智慧旅游服务。新疆具有丰富而独特的旅游资源，发展旅游业的前景十分广阔；创新校合作模式，与各大院校签订了共建旅游管理专业基地协议，实现优势互补与资源共享，形成了产、学、研密切合作的人才培养新模式，为伊犁旅游业的发展提供决策咨询、理论支撑和智力支持。旅游专业虚拟仿真系统是建立在智慧旅游基础上搭建而成的一个成熟的实训教学平台。而“智慧旅游”模拟系统是一个全新的命题，它是一种以物联网、云计算、下一代通信网络、高性能信息处理、智能数据挖掘等技术在旅游体验、产业发展、行政管理等方面的应用，使旅游物理资源和信息资源得到高度系统化整合和深度开发激活，并服务于公众、企业、政府等的面向未来的全新的旅游形态。它以融合的通信与信息技术为基础，以游客互动体验为中心，以一体化的行业信息管理为保障，以激励产业创新、促进产业结构升级为特色。智慧旅游，就是利用移动云计算、互联网等新技术，借助便携的终端上网设备，主动感知旅游相关信息，并及时安排和调整旅游计划。

2建立虚拟仿真系统的作用

为解决新疆伊犁高职旅游管理专业教学过程中实习资源匮乏，而实地参观成本又高的问题，同时，为了提高旅游专业教学技术的先进性和科技性，本项目通过采用360度全景和3D虚拟旅游、3D虚拟旅游商品展示、GPS自助导览等智慧旅游相关技术，建设游前、游中、游后一站式O2O综合旅游服务平台，以丝绸之路和西部少数民族文化走廊为主线，构建伊犁旅游的资源展示、信息服务、虚拟旅游等内容聚合的云服务平台，提供旅游地理信息导引、旅游产品营销等一站式文化旅游电子商务服务，实现线上线下文化旅游产品与服务运营的O2O联动机制功能和模块，足不户，即可在虚拟的环境中，浏览诸多景点，体验更多旅游行业电子商务服务，大幅度提高旅游教学质量和效果、改善传统教学模式中弊端、吸引学生学习兴趣、加强学生综合分析问题、解决问题和实际动手能力的培养。

3虚拟仿真系统需要解决的问题

（1）360度全景虚拟旅游：集成360度全景照片、音视频，制作360度全景多媒体虚拟旅游，方便学生对知识目标建立立体的认知，推广伊犁旅游资源。（2）3D虚拟旅游：基于伊犁旅游资源制作3D场景和文物，实现历史再现、穿越历史等3D虚拟旅游，方便学生对知识目标建立历史和立体的认知，推广伊犁旅游资源。（3）模拟O2O电子商务系统：通过3D展示、二维码扫描购买等智慧旅游技术，为学生提供游前、游中、游后的旅游电子商务模拟购买服务，提供旅行社、导游、第三方旅游活动组织的旅游活动组织服务，发起旅游活动组织时可以插入地图导航、360度全景介绍、3D旅游商品展示等立体化旅游资源展示功能，增强学生对旅游活动的感性认知。（4）导游人才培训实践系统：提供360度全景和3D虚拟旅游、3D旅游商品展示等虚拟现实技术实现导游人才培养的非现场模式，提升国内外旅游行业人才对新疆伊犁旅游资源的全方面深入了解，降低智慧旅游相关人才的成本。（5）文化旅游商品展示系统：通过3D虚拟展示旅游仿制品、旅游纪念品、旅游特产等旅游商品，增加学生立体认识；（6）GPS自助导览应用：通过GPS触发自动语音讲解，为自助旅游讲解提供贴身的自助导览、导航、导游服务。（7）基于大数据的开放式运营平台：建立区域智慧旅游相关标准，通过旅游地理信息导引、旅游产品营销等一站式文化旅游O2O电子商务服务，整合新疆伊犁旅游相关的吃、住、行、游、娱、购、展、演等旅游要素，增强学生对旅游文化及活动要素知识模块的感性认知。

4虚拟仿真系统建设的意义

第9篇：工业智能化虚拟仿真技术范文

【关键词】CORS系统；国土测绘；应用

中图分类号：P2文献标识码： A

一、前言

虚拟样机技术对泥浆泵仿真有着重要的作用。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强虚拟样机技术的进一步研究，对我国国泥浆泵仿真的发展有着重要意义。

二、虚拟样机技术概述

机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术，是当前设计制造领域的一门新技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的研发产品的设计方法。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析评估系统性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。

传统的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种设计的弊端是往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。这种情况在国内经常发生。借助于虚拟样机技术，传统设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照“由上到下”的顺序进行，这样可以避免在系统设计方面的失误。

虚拟样机技术在设计的初级阶段――概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各个组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案，再做出物理样机。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，获得最优化和创新的设计产品。

三、制造虚拟样机的基本过程

制造虚拟样机的过程就是上述各种先进技术相互支持、相互融合的过程。

首先是进行机械设计，设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干涉尺寸、装配环境等。当方案制定后，设计师开始构造复杂的几何形状和工程关系。在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的，重要的是建立一些方程和规则，以体现一些最重要的工程数据，使零件在设计准则下可自动修改。在完整、安全的网络环境下，设计小组成员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新。

零件最终的形状和尺寸来自各个方面的综合考虑，如装配、应力、加工等，在制定设计文件时，工程技术人员要决定如何描述最后的零件和装配。生成图纸时，设计尺寸要转换成工艺尺寸以体现加工、检测的要求。这张图纸和其他技术文件(如应力分析、振动、热分析等)构成设计的最主要部分。

最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实际环境中的性能，它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束，到预测其在真实工况下的响应。仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构，进而指导设计，改进设计。

在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用软件(如三维产品设计软件、有限元分析软件等)。根据设计尺寸并利用这些软件，便可以在计算机上构造产品的虚拟样机，为最终投产做好准备。

四、虚拟样机开发技术的特点

虚拟样机开发技术与传统产品设计技术相比，具有如下特点：

(1)面向系统级设计的观点。强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；

(2)涉及产品全生命周期。虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期，并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善；

(3)支持分布式协同设计。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上利用计算机网络通讯技术，使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流，协同进行产品的开发。支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分析与评估活动。

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。虚拟样机技术的发展历程正如物理样机设计制造技术发展过程中从CAX向集成优化的现代集成制造系统(CIMS)的发展历程一样，复杂产品虚拟样机开发已成为一个系统工程――复杂产品虚拟样机工程。虚拟样机技术的出现，不仅仅是一种新技术的应用，而是设计思想的变革，将对制造业产生深远的影响。

五、虚拟样机技术的基础

虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。

(1)智能设计技术。

CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量。但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述。实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。

由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具(如有限元分析、快速原型等)、计算机辅助概念设计和CAD技术有机地集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算。通过分析这种幕后的功能计算，虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的、满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。

(2)并行工程。

并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素(质量、成本、工艺、结构、性能等)，且要求实现计算机网络环境下的协同工作。要实现同步的目标，其实质就是整个工作都要在一个共享的数据库下进行信息交互。

(3)仿真工程。

对于虚拟样机系统来说，必须有一套能有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型。产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据(如形位公差等);工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、制造数据库和制造规则库等;生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。

(4)网络技术。

在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时地决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。

六、虚拟样机技术在泥浆泵仿真中的应用

泥浆泵是在钻井过程中，将泥浆加压后携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，向井底输送和循环钻井液的泵。泥浆泵在石油工业和工程领域应用广泛。现代工业的小断发展对泥浆泵提出了更多更新的要求，使得钻井泵结构的介理性、工作性能的优越性和可靠性成为设计时的重要指标。然而，传统的设计与制造过程，需要经过概念设计、产品设计和制造样机进行试验等，这一过程无法缩短设计周期，对市场的灵活性小。因此，为了提高市场竞争力，各企业必须小断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。

随着计算机仿真技术的发展，虚拟样机技术日益广泛地应用在各个领域。它从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决了传统的设计与制造过程的弊端。极大地增加了效率，降低了成本。因而，利用计算机仿真对石油钻井中常用的泥浆泵进行分析具有现实意义。

1、泥浆泵的结构及参数

石油矿场所用的泥浆泵一般是山柴油驱动的卧式的双缸双作用泵或三缸单作用的活塞泵。泥浆泵一般由驱动部分（底座、传动轴、齿轮、偏心轮、连杆、十字头等)和水力部分（泵缸、活塞、吸入阀、排出阀等)组成。其工作性能主要体现在排量、压力、冲数以及功率上。对NB8-600型泥浆泵，其最大传动功率为600马力，活塞冲程400mm，最大冲数65冲/min。

2、基于虚拟样机技术的泥浆泵运动学、动力学仿真

（1）仿真三维模型的建立

利用机械参数化三维仿真软件Pro/E建立了NB8-600泥浆泵部分系统的三维有限元模型，并进行模型干涉检验、修改、图2是简化后的总装配图模型。

（2）仿真过程

采用ADAMS12.0进行仿真分析.流程图如图3所示：

（3）仿真结果

通过仿真分析可以得到设计时所需要的各种重要曲线和参数，如主轴、连杆、十字头、拉杆、活塞等运动部件的位移、速度、加速度大小、运动规律和受力情况等。分析这些曲线和数据可以知道在运动过程中，各构件的受力是否满足应力许可值，以及是否能达到强度要求，如果不能满足设计要求则需要修改模型。本文经过几次仿真分析和对模型的修改后得到了能够满足工况的设计理论模型，为系统设计提供了依据。

3、结论

虚拟样机技术作为一种新型的、基于集成化产品和过程开发策略的新的产品设计、开发、评估手段，在各个行业正越来越受到重视，在产品研发中起到了显著的作用。根据虚拟样机技术的基本理论，结介泥浆泵的相关资料，利用机械设计自动化软件Pro/E建立了NB8-600型泥浆泵三维模型，并使用虚拟仿真分析软件ADAMS12.0进行了模型的运动学、动力学分析和局部优化设计，得到了系统模型的运行规律和小同驱动力下的运动、受力情况，为改进结构设计、节约设计周期和成本提供了理论依据和方法

七、结束语

虚拟样机技术是泥浆泵仿真的核心。因此，在泥浆泵仿真的后续发展中，要加强虚拟样机技术的运用与思考，确保虚拟样机技术水平的提高。

参考文献

[1]陈小川等.虚拟制造技术研究概况综述[J].机械制造，2009(12):8-10.

[2]王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[J].西安：西北工业大学出版社，2012（9）：78-80.