分布式交互仿真技术精选(九篇)

第1篇：分布式交互仿真技术范文

关键词：虚拟现实；仿真系统；HLA技术

1 引言

分布式交互系统仿真可以利用计算机网络将多个武器平台仿真系统连接构成一个整体的虚拟现实战场环境，通过仿真系统可以进行装备论证、作战指挥训练、对抗演习和作战决策的实时对抗仿真，对于国防装备现代化有着重要的意义。高层体系结构HLA（High Level Architecture）是一个新的仿真技术框架，其显著的特点是通过运行支撑环境RTI提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将仿真应用层同底层支撑环境功能分离开，即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层传输三者分离，隐蔽了各自的实现细节，从而使各个部分可以相对独立地开发。

本文研究了基于HLA的火炮虚拟现实仿真系统的设计与实现方法，系统通过虚拟现实的人机交互设备来跟踪用户的动作，为用户提供一个逼真的虚拟环境，并且通过HLA分布式交互系统实现与其他武器仿真平台的交互。

2 系统设计

(1) 火炮虚拟现实仿真平台

火炮虚拟现实仿真平台是一个虚拟现实的仿真应用，该平台采用先进的三维图像和多路传感输入等技术手段高度逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、动感等行为，进行模拟仿真，利用虚拟现实技术生成新概念火炮装备，通过火炮装备体系研究平台级站点的专用接口投入作战对抗，依次来评价新概念火炮装备自身的效能，为火炮装备的论证、研制、生产、使用及维护保养提供理论依据及定性、定量分析。通过该系统，使用者佩带的头盔式显示器将根据其头部空间位置的不同分别显示炮内或炮外的虚拟视景，操作者的不同操作动作由六自由度跟踪器和数据手套捕捉后作为与系统交互的工具，在这种情况下使用者所操作的对象均是由系统产生的虚拟物体，因此该系统可以适用于各种装甲车辆、各种武器和各种战场环境下的仿真。

(2) 基于HLA的交互仿真接口

HLA主要由三部分组成：规则（rules）、对象模型模板OMT（objectmodeltemplate）和接口规范（interfacespecification）。

HLA接口规范以服务的方式定义了联邦中联邦成员进行信息交互的方式，包括可调用的服务和应提供的回调服务，分为联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布管理等。通过定义HLA的接口规范，就可以通过HLA体系结构实现与联邦中其他联邦成员的交互。

3 系统实现

(1) 系统的硬件实现

虚拟现实系统硬件模块包括对新概念火炮装备中乘员身体感觉的仿真，火炮装备每个战斗乘员所需的操纵设备如下：驾驶员需要观瞄设备、手控转向设备（转向操纵杆或方向盘）、换档设备、启动设备、开关、脚控离合器、制动踏板和油门踏板等；炮长观瞄设备、瞄准手操纵台和火控计算机等；炮长观瞄设备、瞄准手操纵台、火控计算机等及电台通信设备，除脚控离合器、制动踏板、油门踏板和座椅外的其他操纵设备均由虚拟现实系统生成，火炮装备的每个战斗乘员通过操作虚拟场景中的虚拟操纵设备来控制虚拟场景，这些动作通过数据手套和六自由度跟踪器来进行跟踪，通过触觉反馈和头盔式显示器实现战斗乘员和虚拟环境之间的交互。视觉系统向操作者提供外界的视觉信息，该系统由产生视觉图像的计算机系统和将信号提供给操作者的头盔显示器组成。为了逼真地模拟真实的炮内和战场环境，虚拟现实系统还将提供和虚拟场景匹配的三维声音以加强乘员的浸没感和交互性。

(2) 分布式网络环境的实现

为实现分布式交互，火炮装备虚拟现实仿真系统的运行需要依靠分布式网络环境，在本系统中依靠的是HLA体系结构。

在火炮装备虚拟现实仿真系统所在的网络环境中，应该至少包含一台RTI服务器和一台数据中心服务器，其中RTI服务器的功能是提供本系统与其他仿真应用系统进行基于HLA的信息交互服务。由于本系统是一个完全支持HLA的分布式仿真应用，所以在仿真应用运行时，本系统是作为特定的联邦成员与其他仿真应用进行交互的。数据中心为本系统提供数据更新服务。为了使系统的维护更加便捷、安全，本系统同时提供了自动功能。

4 系统运行流程

用户启动本系统后首先需要设置一些仿真相关的参数，例如：车辆类型、HLA服务器等，之后便可以开始连接服务器运行仿真应用。连接服务器的过程包含：连接到HLA服务器，更新本地数据，加邦三个部分。

首先，本地系统访问仿真服务器（HLA服务器），察看是否需要更新本地数据。如果需要更新本地数据，则启动数据更新进程，否则直接初始化成员数据。本地系统根据预先制定的FOM表和SOM表将对应RTI所需的信息操作的各种类进行实例化，成功之后就得到了一系列用于与联邦进行数据交互的数据对象和交互对象，之后本地系统需要按照规则声明公布和定购，完成分布式仿真初始化的过程。

第二步，读取本地模型文件。本系统具有车型变化频繁，内部构造多变的特点，其中主要发生变化的部分是炮内的模型，而炮外的战场环境中的模型相对变化的可能性较小。所以针对这个特点，本系统将模型文件分成两种：（1）战场模型，不需要特定的配置文件。只要具有一般的视景仿真所需的特点：LOD、毁伤模型等。（2）炮内模型，除了具备一般的视景仿真的需要，每个炮内模型还需要有一个与其对应的配置文件。在这个配置文件中记录了当前模型所有可调用的DOF的接口，通过这些接口本系统可以实现用户与火炮的交互等重要的功能。

5 结论

在新装备日新月异的今天，炮兵部队的模拟训练已成为各国所关注和研究的重要问题，火炮虚拟现实仿真系统作为满足这一需求的根本物质基础，已成为炮兵作战仿真软件研制和开发需求中的重点内容。

参考文献

[1]姚益平.HLA/RTI的研究与实现[J].系统仿真学报,2000.

第2篇：分布式交互仿真技术范文

关键词：Unity3D 虚拟现实 综合布线

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0156-01

1 背景分析

虚拟现实技术在上个世纪八十年代由美国提出，最初主要集中在美国军方对宇航员、飞行员的培训任务中，后来逐渐在商业、教育领域传播开来。虚拟现实之所以受到体验者的青睐，很大程度上是因为它可以运用计算机技术创造出一个与现实环境相仿的模拟场景，并且可以让用户参与到其中。

虚拟现实技术在教育领域应用也非常广泛，也更有影响。主动地去交互与被动的观看，有着本质的区别。正是在虚拟现实的优势背景下，作者在本学院的院级课题中，设计了基于Unity3D的3D虚拟网络综合布线仿真系统。不仅能通过本系统直观地体验、学习各个实训的完整过程，而且还可以进行交互式展示、考核，同时也融合了传统文字、图片、视频的展示内容，增加了学习和体验的趣味性，对于教学起到了良好的促进作用。

2 “综合布线工程”教学仿真系统的开发

2.1 平台的选择

本系统基于Unity3D平台来设计与实现，Unity3D是一款跨平台的游戏开发引擎，也非常适合开发虚拟现实产品。Unity3D属于利用交互的图型化开发环境为首要方式的引擎，可至Windows、Mac、Wii、iOS、WebGL（需要HTML5）、Windows phone 8和Android等多个平台，也可以利用Unity web player插件l布至网页。而且至不同平台，只需稍作修改，无须重新开发。Unity3D还提供免费版本，对于小型开发团队，这无疑是一个非常理想的工具。

2.2 仿真系统开发流程

根据网络综合布线工程需要展示的内容和实际实训项目，本系统选择了2个展示场景和5个典型实训项目进行设计与开发。开发的流程和思路具体如图1所示。

根据仿真系统需要实现的功能和效果，本系统主要采用三维制作工具3ds Max进行前期场景的搭建，各种交互模型的制作，制作交互过程涉及到的动画。利用Ps图形处理工具进行贴图的绘制。最后将相关资源导入到Unity3D中，进行交互功能的设计与串接，编写交互脚本代码，添加UI内容。最后通过Unity3D至Windows端及Web端。

2.3 仿真系统的设计以及各类美术资源的搭建

综合布线工程仿真系统的设计，主要实现的功能包含：各类典型设备的交互展示，布线工程样板场景交互展示，5个典型交互式实训环节。因此涉及到的模型、贴图等美术资源内容较多。

为了能满互式实训环节的需要，模型的尺寸必须尽量精确。在进行虚拟场景及模型制作时，首先需要对设备和场景进行尺寸的测量，同时拍摄尽可能多的各个角度的图片，为后续构建奠定基础和积累素材。

仿真系统所有的模型均采用多边形建模技术，包括布线工程样板间漫游场景，各类设备与实训工具。模型制作完成之后，还需要真实还原各种设备的色彩和质感，因此需要对模型展平UV，并且设置好UV的编号，再对它们进行贴图的绘制。

美术资源导入到Unity3D中进行构建时，是没有灯光照射的，缺乏真实感。在Unity3D中虽然自带了几种类型的光源，若采用Unity3D中的实时光照，对系统资源的消耗会较大，效果也并不是非常理想。因此，本系统采用贴图加光照贴图的思路来进行，这样能大大加快系统运行效率。灯光贴图就是将满意的光照信息保存在一张贴图上，模拟物体接受到光照的效果。本系统中，场景中大部分模型都是采用此类方案来处理的。

2.4 Unity3D中交互功能的实现

将3ds Max中制作的模型、灯光贴图等美术资源导入到Unity3D中，然后添加相应的操作交互脚本，来控制游戏对象在虚拟场景的交互行为。这其中就使用了Unity3D原生的第一人称角色控制系统来实现角色在漫游场景中的行走与观察。以及设计了物体交互浏览、视频播放、动画控制、整个系统UI交互的脚本。

2.5 仿真系统的测试与

系统完成之后需要对系统进行测试，根据测试结果对系统进行调试与优化。Unity3D整个系统相对来说还是比较方便，选择对应的平台，将要的关卡放入列表中，以及设置好相应的一些参数，比如屏幕分辨率、启动画面及LOGO、渲染方式等，即可。

3 最终效果

基于Unity3D的综合布线工程教学仿真系统，最终了PC端和网页端的两个版本，能在这两个平台上流畅运行，满足了设计时的需求。系统效果如图2。

4 结语

应用虚拟现实技术，采用Unity3D专业3D引擎设计开发了一款PC版和web版的综合布线工程的教学仿真平台。通过使用该平台来进行教学实训，比传统教学课件更加直观和更具吸引力，也更加具有互动性。可以说，虚拟现实技术特别适合教育领域，尤其是一些不太直观、操作性较强的学科，通过虚拟现实技术可以大大增强学习的代入感，激发学生的内在潜力与动力。

参考文献

[1]王利，向阳.三维课件在船舶辅机教学中的应用实践[J].教育教学论坛，2016（5）：194-195.

[2]陈军，蔡金玲.基于Unity3D三维多媒体课件的设计与制作[J].现代计算机：专业版，2015（34）.

[3]腊国庆.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].宿州教育学院学报，2015（3）：93-94.

收稿日期：2016-08-31

第3篇：分布式交互仿真技术范文

关键词　分布式系统 综合化 动态化 前期仿真

1引言

智能建筑的基本问题实质上是信息、资源和任务的综合共享与全局一体化的综合管理。它实现的核心是系统集成，也就是说通过系统集成实现综合共享，提高服务质量和工作效率，达到多快、好省和高效的目的[1]。然而，随着社会信息化进程的日益发展和受人们对经济日益国际化趋势的认同，智能建筑必将呈现出新的态势，这种态势体现在进行系统集成的同时，考虑建筑物的异构性、分布性、动态性和碎片性等因素的影响下[2]，应充分体现系统的分布化、综合化、动态化和智能化[3]，这是建筑智能化进程中一个必须重视的战略性问题。另外，任何工程对方案的考核是至关重要的，就智能大厦而言，对方案的考核是一个不容忽视的问题，所以对设计方案的前期仿真很有必要。

2一体集成的分布化

智能大厦的系统一体化集成实质上是建立在系统集成、功能集成、网络集成和软件界面集成的多种集成的基础上的一门高新技术。智能一体化集成化的本质是计算机网络的管理。传统的集成式网络管理系统难以适应网络规模日益扩大、网络元素日益复杂的楼宇智能化要求，需要引入分布式管理方法。

分布式管理就是将管理的功能合理地分布于多个管理实体，以便有效、及时地对网络资源进行监视、约束和控制，提高响应效率和扩展功能，更好地实现网络管理目标。一个实际的网络系统，可以根据管理的需要，按照地域、功能子系统、网络等定义相对独立的管理域并选定其管理者；各管理域通过管理者的交互实现全局管理目标。管理者之间的交互有两种结构：层次的和全分布的。层次结构是通过上层管理者与下层管理者的交互来完成各管理域的管理者之间的协调。全分布式结构是一种对等结构，采用该方式的管理者之间能直接对等通信。一个实际的应用系统，管理的分布化的过程就是将管理应用功能由集中式客户机/服务器（Client/Server）模式转移到分布式计算平台的过程[4]。分布式计算平台的目标是实现跨平台资源的透明互操作和协同计算。

当前支持分布式计算主要有两类环境：基于过程的分布式计算和面向对象的分布式计算。目前的主流是后一类。如基于CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共对象请求体系结构）和Java的计算，它们采用面向对象的技术，提供对象式的应用编程接口，主要是针对重用和异构环境下的操作问题，这对相对庞大和复杂的智能大厦系统是非常适用的，目前CORBA技术已引起业界的关注和重视[5]。CORBA是一个开放式跨平台的、语言独立的分布式标准，它引入的概念屏蔽了下层的网络传输，利用面向对象概念，实现分布式应用软件的可重用性和可扩展性，既大大简化了分布式应用系统的开发和维护，又便于异构环境下的集成，具有更高的可用性和可靠性的优点。目前遵从CORBA规范的产品主要有Inprise公司的VisiBroker，IONA公司的Orbix，Digital公司的ObjectBroker，IBM公司的Component Broker等，将基于面向对象的分布式计算技术引入智能建筑是顺应技术潮流的，同时它应是甲乙类智能建筑的技术要求[1]。

另外，分布式管理系统更容易实现大厦的智能化，不仅能实现管理的并行性和分布性，而且具有对管理活动的全过程进行多目标、多因素、多阶段、多层次的协调，实现管理系统的整体协调和全局优化。

3一体集成的综合化

网络是建筑物智能化的基础，系统一体化是以网络为支撑的，网络信息来源于不同实体，随着智能建筑的不断深化，被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的数量、对象的种类、组织的异构性、物理分布、参与组织的单元的数量、服务综合的程度等，这时，由传统的相对单一的网络管理扩展为基于分布化的网络综合管理是环境的必然要求。

环境是系统存在、变化、发展的外部条件；系统与环境相互作用、相互影响，进行信息、能量或物质的交换。

综合管理是指确保系统的所有资源根据其目的而有效运营的所 有手段，它是系统与环境相统一的产物。有关综合管理的平台也在不断涌现和改进，如基于事件（event）的驱动轮询方案，基于CORBA平台的方案。

转贴于 4一体集成的动态性

事物的发展是m相对稳定的，在相对稳定的情况下，随着环境的需要仍在不断的发展和完善。智能建筑系统一体化集成的动态性是基于分布式的管理系统，也只有分布式的管理系统才能更好地实现其动态化。

动态化有两个含义：其一是故障的检测与动态重组恢复；其二是系统具有可扩展性。分布式系统具有故障诊断软件包，采用互查技术来检测系统发生故障的部位，并进行处理，动态地分配或重组系统，使系统工作于可靠状态。分布式系统采用并行处理技术，可满足智能大厦分阶段建筑使用的要求，边组织，边开通，从而减少了一次性开通的难度和避免了一次性投资的方式。另外分布式系统的硬件和软件都是模块化的，模块的连接嵌入比较方便，能够很好地配合日益扩大的系统需求，便于提高和完善系统的性能，保障了系统的动态先进性。系统的动态化要求使用动态的管理策略，由于Java和CORBA的迅速发展，动态管理技术也在日趋成熟。

5前期仿真

智能大厦的建设除了要达到预期的目标，即提供安全、舒适、快捷的优质服务，建立先进、科学的综合管理机制，节省能源和降低成本，还要达到系统的优化配置以减少投资。这就需要在工程实施前对系统设计的基本要求和功能进行考核，以便查漏补缺和修正。另外，因为智能大厦的网络集成不同于研究试验网，网络系统可靠性、开放性等要素对大厦的智能化管理和提高运行效率具有十分重要的意义，所以，对智能大厦的前期仿真就显得不仅十分必要而且十分重要。

由美国的Cleve和Moler博士在1980年前后创立的、正在蓬勃发展的Matlab为系统的动态仿真提供了良好的环境[6]。Matlab的家族成员之一的Simulink为系统的仿真更是提供了极大的方便，综合其它软件的使用可以使该软件在智能建筑的CAD中发挥更大的作用；此软件也能为其它软件提供良好的接口，便于SynchroHome等智能化集成系统软件的调用[2]。该软件有两个明显的功能；连接与仿真。首先利用鼠标在模型窗口上画出所需的系统模型。然后利用软件提供的功能对系统直接进行仿真，在系统的任何节点上可以输出波形，从而更好地监控系统的工作过程，并实时地对系统模型进行修改以达到预期目的。这种思想和方法适合于智能大厦一体化集成的仿真与分析，相信基于Simulink的仿真技术必将在智能建筑的CAD中打开一个崭新的局面。

第4篇：分布式交互仿真技术范文

一场不见硝烟的战争

落日的余辉映红了西边彩霞，和平劳作了一天的人们纷纷踏上回家的路程。此时，在A国C市东郊的一幢神秘的大楼里，一群敲键盘的职业军人开始了他们的一项军事演练。与此同时，分布在A国境内的陆、海、空三军的仿真器纷纷启动，通过专用的计算机网络，也与他们一道开始了带有作战背景的试验演练。

参加演练的军人分成两组，一组代表己方的红军，一组代表假想敌的蓝军。蓝军以攻为守，企图偷袭红军战略导弹基地。他们先派出4架轰炸机、6架歼击机、2架电子战飞机朝红军的海军基地飞来，以给红军错觉形成要偷袭的态势。然后，由两架空中预警机担负空中指挥，指挥12架歼击机、4架电子战飞机、16架轰炸机、8架加油机朝红军的战略基地远程奔袭而来。红军的警戒雷达网探测到了蓝军多次起飞的异常空情后，及时向指挥部作了报告。与此同时，红军海军基地发现了前来袭击的敌机，防空部队随即进入一级战备状态，基地8架歼击机紧急升空。

红军在太空的侦察卫星及时侦察到了蓝军的两个飞行编队，经指挥部分析，蓝军是声东击西，真实的突击目标是战略导弹基地。因此，指挥员立即命令战略导弹基地进入一级战备状态，并命令沿海一线机场的16架歼击机紧急升空，以在战略基地的待机拦截敌机。此外，又特别命令在蓝军大编队机群必经海域的红军海军的4艘潜艇也进入一级战备状态，作好防空作战准备。

当蓝军突击编队飞过红军的第一道警戒线时，偷袭红军海军基地的飞行编队突然改变航向，也朝红军战略导弹基地飞来。面对几十架突击战略导弹基地的飞机，红军指挥员赶紧命令二线机场的24架歼击机紧急升空，并命令第一波次起飞的红军歼击机拦截敌轰炸机。蓝军轰炸机受到拦截，护航歼击机一马当先，准备迎战。红军指挥员立即命令拦截敌歼击机并将其引开。红军飞行员且战且退。蓝军飞行编队失去了护航歼击机的保护，又正好处于红军海军潜艇的上空，红军指挥员当即命令潜艇攻击敌编队中的预警机与加油机。潜艇启动防空武器系统，发现、跟踪目标，并向预警机发射了防空导弹。蓝军飞行编队发现受到攻击，电子战飞机紧急施放干扰，但为时已晚，1架预警机、2架加油机被击落，1架预警机、2架加油机、3架轰炸机被击伤。

蓝军的预警机被击落击伤后，一时间失去了空中指挥，飞行编队一下乱了套。此时，假如继续突击红军的战略导弹基地，非但不能完成任务，还会造成更大的损失，蓝军指挥员，决定中止突击返航。为使编队顺利返航，他命令蓝军大编队原路返回，原偷袭红军海军基地的飞行编队再次改变航向，杀个回马枪，又朝红军海军基地袭来。

此时，红军海军基地紧急升空的8架歼击机正返回机场加油，而担负保卫红军战略导弹基地的歼击机在海军基地，远水救不了近火，这是一个对蓝军非常有利的空档。蓝军飞行编队一靠近海军基地，指挥员首先就命令两架电子战飞机实施主动电子干扰。为此，两机同时把所携带的干扰箔条全部投放出去，在红军的地空导弹上空形成了一个巨大的箔条干扰“云”。红军的地空导弹由于受到强烈的电磁干扰，警戒雷达、制导雷达一时处于瘫痪状态，致使发射的防空导弹无一命中目标。蓝军轰炸机则轻而易举地用精确制导的激光制导炸弹将红军海军基地的三艘驱逐舰，一艘潜艇击沉，然后扬长而去。挨了这致命的一击，红军指挥员气得把指挥用的麦克风狠狠地摔到了地板上。

这是作战仿真试验室里演练的一场没有硝烟的战争，虽然见不到刀光剑影，血雨腥风，但却与战争紧密相关，而演练的这些战略战术，将来就可能用于战争。利用作战仿真试验室在虚拟战场上进行作战演练，是军队训练现代化的一种有效手段。

作战仿真试验室里的虚拟战场

长期以来，对作战样式、战术、战法的研究除一般理论探讨外，主要通过实兵对抗演练来进行研究。受安全、经费等条件限制，尤其是难以建立以主要作战对象的真实装备组成的“蓝军”，使“实兵对抗演练”的真实性、结果的可信性受到削弱，也难以体现现代战争系统对抗的特点。针对这种情况，利用现代仿真技术建立虚拟战场的方法应运而生。虚拟战场模拟作战双方的对抗行为和战场环境，如敌方飞机的种类、技术性能、战术动作，以及电子对抗、地面防空火力等作战环境等，增加了演练的逼真度，能达到真实操练部队的目的，而这些正是在以往常规飞行演练中难以实现的。

虚拟战场是利用仿真技术把已知的因素、敌我双方的主要关系等进行计算机仿真，以体现战争的对抗性与交战的随机性，可为战争的研究者提供一个作战仿真实验环境。为使作战仿真实验环境适合高技术条件下的特点，需要建立各种作战和训练模型，这些仿真模型也是构成虚拟战场的基础。在虚拟战场里，不同年代的技术，不同年代的武器和不同地点的军兵种作战仿真平台都能被集中在一起。为使虚拟战场逼真可信，各仿真平台采用相同的标准协议与信息接口，能形成统一的综合仿真环境。当仿真试验开始时，在虚拟战场里的各种仿真器能作到空间同步，时间同步，好象在一个环境中，从而达到逼真可信的目的。

由于虚拟战场对检验、研究未来作战理论，确定军队编制，发展武器装备等，提供了一个非常理想的试验环境所以美空军1992年组建了6个作战仿真试验室来进行仿真演练研究。例如，在海湾战争时期，美国利用防空作战仿真试验室曾对最初18小时的完整战斗过程进行仿真，以便通过对交战双方作战体系、系统及装备的仿真，来修改作战计划和进行“作战任务预演”。飞行员在作战前，能先在虚拟战场中经历作战任务的仿真飞行，熟悉通过多种情报侦察手段获得的目标情况、航线地形，以及可能遇到的敌方火力及电磁威胁。虚拟战场通过模拟可能出现的战场对抗条件，可对飞行员所采取的对策措施进行评估，检验其作战能力。在此基础上，就能保障更顺利地执行任务。

作战仿真试验室的核心技术

作战仿真试验室，是在军事作战理论、战役战术原则指导下，按照典型的军事对抗背景，利用现代计算机作战仿真技术，构造的动态战场对抗环境。分布式交互仿真、仿真的“可视化”、先进的建模方法是作战仿真试验室的核心技术，其中，分布式交互仿真（简称DIS）、仿真可视化在作战仿真试验室中运用最为广泛。

分布式交互仿真是80年代末兴起的一项新的仿真技术，它主要用于大规模仿真、作战开发和训练，使地域分散作战仿真单位，能同时在一个综合仿真环境下进行作战仿真。早期的仿真技术是以单一武器平台为研究对象，系集中式仿真技术，具有可控性、安全性、可重复性和经济性的特点。随着大规模并行处理技术、传感器技术、计算机多媒体技术、网络技术以及通信技术的发展，特别是多武器平台仿真任务的提出，单台仿真器的独立运行无法满足军事研究与训练的现实需求。应用分布交互式仿真技术，可以将分布在不同地点的训练设备（仿真器、实验设备等）、虚拟设备（计算机产生的兵力等）和训练人员连接起来，形成一个虚拟的战场环境。为此，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国陆军自1983年至1990年实施了模拟器联网计划，到80年代后期，该项计划可发展成能将200多个地面战车仿真器、飞机飞行仿真器、通信网络、指挥所和数据处理设备互联的网络。

作战仿真试验室广泛运用的另一项技术是仿真过程的可视化。人们接受信息，大部分是依靠视觉，所以利用图形、图像表示信息，可以迅速给人一个具体、直观的概貌。用它来反映错综复杂的关系，信息直观而又丰富。“可视化”（Visualization）是近期发展较为迅速的一项技术，它可利用图形来表现数据。仿真的广泛应用，会产生大量的数据，甚至形成“数据的海洋”。仿真的目的在于获得见解，而见解需要到数据中去总结，去寻找。而“数据的海洋”会限制人们认识的深入，用图形来表现数据，就可最大限度地分析与使用数据，从而获得见解。“可视化”仿真能将数据转换成几何图形，使研究者能直观地观察仿真过程与仿真结果。

可视化仿真已经应用机的研制与生产，如波音777，它是世界上第一架无图纸飞机。在波音777飞机的研制过程中，就充分利用了计算机可视化技术来进行仿真，通过建立起的十分逼真的飞机模型，对波音777飞机的部件，相互关系都有十分逼真的表现。这种三维的可视模型使设计师在飞机的研制过程中，能把飞行员、飞机维修工程师等方方面面的人才汇集到飞机的设计中来，集思广益，使飞机总体性能最优。

虚拟现实（VirtualReality）是“可视化”仿真的最新进展。目前大量使用的计算机，人与计算机进行交互对话是通过窗口管理系统的二维交互界面进行的，而现实生活是一个丰富多彩的三维空间，随着图形学、声学、光纤与传感技术的发展，使用计算机对现实世界进行仿真成为可能。虚拟现实就是在这种技术背景下发展起来的一种与现实世界高度逼真的人机界面技术。它借助于一个特制头盔中的立体显示器，可以观察到三维的仿真立体影像，听到仿真环境中各种声音，同时人的每一个动作也将引起环境的变化，能使人与仿真环境融为一个有机整体。

明天的作战仿真试验室

未来战争将是陆、海、空、天、电等多维一体的信息化、数字化的整体对抗。高技术武器装备的使用，使战场错综复杂，传统的和现代的攻防武器将构成一个庞大的系统。航天器早已飞越了大气层，电磁环境是从天到地，跨越了国界的限制，武器装备具有更为广大的使用空间与应用范围。空军的活动范围已不是一般意义上的领空，而是更为广阔的多维空间，并将承担“以空制地”、“以空制海”、“以空制空”、甚至“以空制天”的作战任务。

不难看出，对未来战争的研究，将使作战仿真试验室有更为广泛的应用领域。现代条件下，新技术、新装备、新的发展战略等，转化为实际装备作战能力的周期已明显缩短；对抗也超出了传统的单一武器装备的范畴，而是由多种武器装备构成的敌对双方武器系统的对抗；验证单项武器装备性能的优劣，只有将其置身于武器装备的体系之中才能全面地检验其性能的优劣。这些都离不开作战仿真试验室。

第5篇：分布式交互仿真技术范文

【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。踊仿真能够将声音、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

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[5]张祖鹰.浅谈计算机仿真技术在教学实训中的应用研究与实践[J].商场现代化，2007（21）：387.

第6篇：分布式交互仿真技术范文

关键词：可视化仿真 GIS 地下洞室群 施工导截流 大坝 施工总布置

一、研究背景

水利水电工程往往规模大、投资多、施工难度大，因而在工程设计和管理过程中，确定合理的施工方法，优化选择施工机械及配套组合，制订切合实际的施工进度计划，高效简便地对施工信息进行管理，直观形象地反映复杂施工过程，对于确保工程建设如期完成和降低工程造价都是至关重要的。为达到上述目的，除了在施工组织设计中要充分考虑工程特点和具体施工各种条件外，若能在事先对工程施工的运行发展过程和施工中各项活动的协调关系等状况进行预测和评价，将对工程施工组织计划的正确决策提供可靠的依据。可视化仿真技术的产生与发展正好适应了这种客观需要，它为解决施工中上述问题开辟了新的途径。

国外从20世纪70年代开始提出循环网络仿真技术（CYCLONE），至今已发展了一系列的工程仿真应用软件，但这些研究成果及仿真软件主要应用于土木工程施工如高层建筑施工、土石方工程等。20世纪80年代初，天津大学率先在全国开展水利水电工程施工过程仿真方法研究，在近20年的发展中取得了大量开拓性的成果和社会效益。近年来，又在推动水利水电工程设计和管理向可视化、数字化方向发展方面做了大量研究工作。借助于计算机科学、系统科学和工程科学与技术的迅速发展，重点研究了三维动态可视化仿真理论与方法及其在水利水电工程中的应用，获得了一系列富有创新性的理论方法与应用研究成果。

在开展可视化仿真及其在水利水电工程中的应用研究工作中，存在以下三个关键技术问题：

1．可视化技术与系统仿真技术结合的途径

建立基于GIS的交互式可视化仿真系统框架，将可视化技术与系统仿真的各个环节相结合，实现仿真建模可视化、仿真计算可视化、仿真结果可视化。

2．可视化仿真技术在水利水电工程中的应用问题

根据水利水电工程的特点和实际需要，将可视化仿真技术与具体的工程问题相结合，提出可视化仿真技术在水利水电工程中应用的具体途径。

3．可视化仿真软件的通用化问题

水利水电工程施工系统仿真软件的通用化不仅是关键技术问题之一，而且是推广应用的前提。

二、基于GIS的三维动态可视化仿真技术

1．可视化仿真涵义

可视化仿真（Visual Simulation VS）是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术，其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后，系统的子模块用形象的图形来表示，并可通过鼠标在屏幕上直观形象的操作，就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节，即仿真计算过程可视化、仿真结果可视化、仿真建模过程的可视化。

2．全过程动态仿真理论与方法

全过程动态仿真理论融合了面向对象的图形辅助建模、动态仿真、网络计划分析与优化、动态演示、数据库等技术，把整个施工过程作为一个整体，对施工全过程进行跟踪模拟。

全过程动态仿真理论的特点就是体现了系统工程的思想。它是针对整个水利水电工程施工系统进行的，所有的优化及调配目标是使整个系统达到最优，而不是局部达到最优。它把整个施工过程作为一个大的系统，综合考虑系统中各个单项工程之间、各个工作面之间相互影响、相互制约的关系，分析整体的施工进度、施工强度等关键问题，获得更为真实的施工情况，从而达到为施工组织设计提供科学依据的目的。仿真流程图见图1。

3．面向对象的图形辅助仿真建模技术

仿真是一种基于模型的活动，建模是仿真过程中十分重要的一个环节。如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题。

面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观，用户可以把被仿真系统的各种活动都看成对象，并根据这些对象的类属关系和本身特性直接构造仿真模型。这种建模过程十分类似于人类所习惯的对客观世界中事件分类的思维过程，所以使仿真用户感到由物理模型到计算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。同时，利用对象类层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。

在系统仿真中应用图形技术，能够描述许多用语言难以表达的信息，图形辅助建模就是利用鼠标在计算机屏幕上绘制系统模型或用模型库中已有的系统元件拼合系统模型。

面向对象的图形辅助建模的基础是系统的可分性，即认为系统是由子系统组成的，而子系统又可分解成更原始的子系统。由于这种性质的存在，构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型（子模型）来建造总体模型。对于一个复杂的施工系统而言，按施工系统的层次性，可将其分解为相对简单和独立的子系统，而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以协调，这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。根据上述，便形成了面向对象的图形辅助仿真建模思想。

4．基于GIS的较全面的仿真三维动态数字模型构造及其可视化方法

（1）数字地形模型建立

地表数字地形模型（Digital Terrain ModelDTM）是整个工程施工三维数字模型的重要组成部分，这里既是所有工程建筑物布置及施工活动的场所，也是施工过程中地形动态填挖的受体。水利水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区，因此施工区地表DTM采用TIN模型来实现。建立工程地表DTM由地形等高线原始数据按一定的算法生成TIN模型。

（2）动态实体参数化数字建模

按照实体对象的属性，可将其分别用点、线、面、体等四类图形数据结构来表达。动态实体的数字模型尚需反映其属性信息，几何图形与其属性的一一对应关系建立可利用GIS的空间数据组织结构来实现。同时为反映工程施工的动态过程，在其数据结构中除了描述几何特征及属性外，还体现时间特征。

实体建模若采用参数化建模方法，可大大简化建模过程。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程，而每个部件都由一些关键的参数来定义。

（3）地形动态填挖

地形填挖表现为DTM模型的修改，实质上是对地形TIN模型进行操作。即用足够大的开挖（填筑）初始形体面转化的TIN模型，与地形TIN两者生成相交边界，再从地形TIN上沿相交线切去填挖初始形体面所包含的地形区域，同时从填挖形体TIN模型中以相交线为边界切去多余的开挖（填筑）边坡区域，最后把两个修正后的TIN合并构成一个经填挖后的地形DTM。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。

5．基于GIS的三维动态演示方法

基于GIS的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现，它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程。利用仿真模块得到工程系统的动态信息，包括时间、建筑物几何形状及其属性等，生成工程施工系统各环节某一动态变化单元i对应的图元（施工、水位单元等）任意时刻t的面貌Vi（t），则t时刻的工程整体面貌可表示为V（t）＝Σvi（t），n为总的图元数。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在动态施工过程中，包含时间信息的图元的几何形状，它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中，并与其一一对应的属性数据建立联系，从而在动画演示时，按时间顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息，不断更新绘图变量和属性变量赋值，同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。

6．基于GIS的交互式可视化仿真系统结构

基于GIS系统仿真的可视化表现在建模过程中利用GIS的信息可视化采集，以及在仿真可视化操作过程中利用GIS的动态信息可视化表达。由于GIS特有的空间信息组织机制，使得其实现这些功能有着先天的优势。同时，在可视化仿真系统中，用户可根据显示的图像交互控制仿真的各个阶段，直到对所模拟的现象获得理解与洞察。在这一过程中，用户可以通过系统提供的操作界面随着可视化仿真系统反馈的结果来同步保持交互对仿真过程的控制。

图2表示的是一个基于GIS的系统交互式可视化仿真的框架模型，在此模型中清晰地反映了GIS在系统仿真中结合的具体环节，以及用户控制仿真进程的实现手段。 三、可视化仿真技术在水利水电工程中的应用研究

1．复杂地下洞室群施工动态可视化仿真与优化方法研究

地下厂房系统施工开挖量大，施工强度高，施工条件复杂，是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性，容易产生随机排队现象而影响其他作业；由于地下洞室系统纵横交错，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合与相互干扰错综复杂；在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时，需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂，传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案，难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。

基于上述问题，提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法，并研制开发了相应的计算机软件ESAS，其基本构成见图3。通过地下洞室群施工全过程动态仿真，可以对施工过程进行定量计算与分析，进行多方案的比较和优化，直到得出满意方案。

2．水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工导流设计和管理过程，往往需要涉及大量的数据及图形信息，如坝区的水文、地形、地质资料以及枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各种数据及图纸。高效、简便地对这些信息进行管理，是提高设计效率及施工管理水平的关键之一。同时，施工导流方案设计是施工组织设计的重要环节，其设计过程复杂，对不同的导流方案很难进行直观的比较，所以实现施工导流形象直观的表达具有重大的现实意义。

为此，提出水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真理论与方法，并实现施工导截流可视化信息管理与三维动态演示系统CDMIS。此系统充分利用地理信息系统（GIS强大的空间数据分析与处理能力，建立三维施工导截流场地布置模型，以及在此基础上实现可视化的信息查询及管理等功能，从而实现设计过程中信息的可视化管理，同时实现施工导截流三维动态演示。水电工程施工导截流三维动态可视化仿真系统（CDMIS）结构图见图4。

3．混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真与优化方法研究

混凝土坝施工，考虑到温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的影响，需将混凝土坝体按一定的原则进行分缝分块浇筑。由于混凝土坝浇筑量大，浇筑块数以千、万计，浇筑块之间的施工约束条件十分复杂，这就给安排浇筑顺序和进度带来极大闲难，使人工安排浇筑块、浇筑顺序几乎成为不可能。目前在制定混凝土坝施工组织计划时，传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇筑强度等指标来控制施工计划的进程。这种方法由于缺乏系统的定量计算分析，在论证施工各阶段的筑坝进度以及各混凝土坝段升高过程是否能满足大坝施工各方面的要求时总感到论据不足。

随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用，使得有可能在计算机上实现对混凝上坝施工的动态过程的仿真实验。事先拟定不同的混凝土坝施工方案，并对施工动态过程进行仿真，可预测不同施工方案下混凝土施工进程的各项定量指标，这对制定合理的混凝土坝施工进度计划将提供科学可靠的决策依据。在充分考虑各种浇筑施工影响因素的情况下，建立混凝土坝施工系统的数学逻辑模型，并在此模型基础上编制计算机仿真软件。通过选取各种可能的机械配套方案及输入不同的施工技术参数进行大坝施工过程的仿真计算，可得到最优机械配套的数量、机械的利用率、混凝土月浇筑强度、逐月累计混凝土浇筑方量过程曲线。同时还可得到相应某施工方案下大坝浇筑施工的详细进度计划、各控制阶段的筑坝进程面貌等。而且通过混凝土坝浇筑仿真还可对其不同的浇筑规则对坝体上升进程的影响进行分析和研究。

同时，利用基于GIS的三维动态演示系统来表现复杂混凝土坝施工过程。通过建立坐标系，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，建立实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应，从而反映实体的静态空间特征。同时利用过程信息，生成三维动画，为描述复杂的施工过程提供可视化手段。

4．水利水电工程施工总布置三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了一切地上、地下已有的、拟建的建筑物，一切为施工服务的临时性建筑物（包括砂石加工系统、混凝土系统等），因此布置过程非常复杂。

对枢纽主要建筑物施工全过程进行分析，并在此基础上实现各建筑物施工关系之间的协调，以实现直观的施工总布置形象全过程三维动态仿真，使施工场地布置随工程进度计划尽可能形象、直观、迅速地演示现场施工场地变化过程。不仅能直观显示枢纽施工组织设计的成果，而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。水电站施工总布置可视化仿真系统（CLMIS）的总体结构见图5。

四、结束语

可视化仿真的理论和方法包括全过程动态仿真理论、图形辅助仿真建模方法、基于GIS的三维动态数字模型构造及其可视化方法、基于GIS的三维动态演示方法及基于GIS的交互式可视化仿真系统结构等，实现了仿真建模、仿真计算过程及成果的可视化。

第7篇：分布式交互仿真技术范文

Modelica技术难以仿真动态特性在空间上非定常分布的流动、传热和燃烧等复杂问题，因此提出一种基于MWorks与FLUENT的协同仿真方法，设计协同仿真的耦合方式、数据交换机制和仿真架构，利用Modelica外部函数、MWorks仿真用户接口和FLUENT UDF编写协同仿真程序.以某单向阀为研究对象对此协同仿真方法的有效性进行验证.所提出的方法可实现Modelica技术与CFD技术的优势互补，能够为多领域系统仿真提供新的解决方法.

关键词：

多领域系统仿真； 协同仿真； 动态特性； Modelica； MWorks； FLUENT

中图分类号： TP391.9

文献标志码： B

Abstract：

Modelica can hardly simulate the complex issues such as fluid flow， heat transfer， combustion， etc.， in which the system behaviors are distributed in space unsteadily. To solve the problem， a method of cosimulation between MWorks and FLUENT is proposed. The coupling mode， data exchange scheme and simulation architecture are designed for cosimulation. The cosimulation program is implemented using Modelica external function， MWorks simulation user interfaces and FLUENT UDF. The cosimulation method is verified by a simulation example of check valve. The complementary advantages of Modelica and CFD technique are implemented by the method， which is a new method for multidomain system simulation.

Key words：

multidomain system simulation； cosimulation； dynamic characteristics； Modelica； MWorks； FLUENT

0引言

随着科学技术和工程实践的发展，现代产品系统日益复杂，其研发难度不断增加.仿真技术作为产品研发设计的支撑工具和方法，能够有效降低研发成本，提高产品性能，缩短研发周期.系统涉及多个学科领域的耦合交互是产品复杂性的主要表现之一.[1]现有的大部分仿真平台适合特定学科的仿真，对多领域耦合系统仿真的支持不足，逐渐无法胜任复杂产品整体动态性能的快速协同仿真.[2]目前，Modelica已成为全球多领域统一建模语言的标准[3]，是未来的发展趋势，可为复杂多领域耦合系统的仿真提供有效的解决方案.MWorks是完全支持Modelica的多领域工程系统建模仿真平台，提供从可视化建模、仿真计算到结果分析、优化的完整功能.[4]

Modelica技术适合系统级动态特性和控制器性能的仿真，其模型为零维集中参数模型和离散数目很少的一维模型[5]，难以仿真行为属性在空间上非定常分布的复杂问题.随着CFD技术的发展，FLUENT等商用CFD软件可以很好地模拟流动、传热和燃烧等涉及流场的问题.Modelica技术和CFD各有优势，因此开展Modelica模型与FLUENT的协同仿真，实现两者仿真能力的互补，能够为多领域系统的仿真提供有效的新手段.文献[6]开展Modelica技术与FLUENT软件的协同仿真研究，利用MWorks与MATLAB/SIMULINK的软件接口，导出SFunction模块，然后在SIMULINK中通过编写额外的SFunction模型实现与FLUENT的通信.此方法间接依赖MATLAB/SIMULINK软件，不能充分地发挥Modelica技术的优势，且步骤繁多，效率较低.本文研究MWorks直接与FLUENT协同仿真的理论和实现方法.

1协同仿真的实现基础

1.1Modelica外部函数和对象

Modelica模型除可以调用Modelica语言编写的函数外，还可以调用其他语言编写的函数，目前支持C和FORTRAN 77.这些语言编写的函数称为外部函数[3]，其结构见图1.外部函数接口支持许多高级的特征，例如使用C语言实现需要的功能，可极大扩展Modelica的仿真能力.

1.3FLUENT用户自定义函数

FLUENT是目前可用的、功能强大的CFD软件工具，能够让用户更深入、更快速地优化产品性能.FLUENT内置丰富的、经充分验证过的模拟流动、湍流、热传导和工业应用相互作用所需的物理建模模块，能为广泛的CFD和多物理场应用提供快速、精确的结果.FLUENT用户自定义函数（UserDefined Function， UDF）是可以被FLUENT求解器动态加载的C语言函数.UDF大大地增强FLUENT的标准功能，能够自定义边界条件、介质属性、反应率、源项和扩散率等，调整迭代中的计算值，在迭代开始、结束时或异步读写求解器的数据和执行特定的操作，扩展和增强现有的数学模型.UDF让FLUENT通过C语言程序实现与外界的交互.

2协同仿真的方案设计

2.1仿真系统的耦合方式

协同仿真往往包含2个或以上的在不同仿真软件工具中建模的子系统模型，见图3.模型S1在软件工具T1中建模，模型S2在软件工具T2中建模，他们由不同的控制方程表达，但是模型S1和S2具有共同的变量x和y，不能分开求解.

协同仿真的实现通常有2种耦合方式：一种是将所有不同仿真工具的模型集成到同一个仿真环境中，联立求解控制方程，即模型的耦合，称为强耦合；另一种是将每个子系统模型在各自的求解器中求解，求解器之间交换所需的变量值，即求解器的耦合，称为弱耦合.弱耦合的一种交错求解流程见图4.

Modelica模型与FLUENT模型相差甚远，难以将其方程转换到同一个仿真环境中.本文选择弱耦合的方式实现MWorks和FLUENT的协同仿真.2次数据交换时刻的间隔称为通信步长.在单步求解时，由于通信步长和积分步长不一致，或者某些算法在积分步长内的多次计算需要，很可能出现在非数据交换时刻对输入数据进行取值.在数据交换时刻，求解器会直接采用输入值，而在非数据交换时刻，求解器会近似取值，这样给仿真带来偏差.协同仿真首先推荐采用定步长算法，保持通信步长与积分步长一致，或通信步长是积分步长的倍数；若采用变步长算法，应控制积分步长不大于通讯步长，有利于消除偏差.

2.2数据交换方式

数据交换是实现MWorks与FLUENT协同仿真的关键步骤，根据MWorks和FLUENT的扩展编程功能，可以通过3种方式实现数据通信.第一种是利用MWorks的仿真用户接口与FLUENT访问求解器数据的UDF宏，直接进行通信；第二种是让MWorks的外部函数与FLUENT的求解器访问共享的文件或内存实现通信；第三种是将网络通信的服务器端和客户端嵌入到MWorks的外部函数和FLUENT的UDF中，利用网络通信协议的发送和接收实现通信.3种数据交换方式见图5.应该根据仿真需求选择合适的方式.本文考虑简易性和交换速度，第一种交换方式是最佳选择.

2.3协同仿真的架构和流程

根据MWorks和FLUENT仿真的运行机制，确定以FLUENT为主控端、MWorks为从属端的主从模式架构，见图6.模型构建和仿真准备工作完成后，整个仿真过程在FLUENT中执行.

分别在MWorks和FLUENT中构建对应的子系统模型，并确定耦合的子系统和变量.在MWorks中将Modelica模型转换为包含模型和求解器的动态链接库.编写FLUENT的UDF程序，主要内容有压力、流量、作用力的计算函数，并在对应的宏中调用，包括：在DEFINE_PROFILE中定义CFD模型的边界条件；在DEFINE_ON_DEMAND中加载MWorks的dll；实例化、初始化和终止MWorks仿真模型；在DEFINE_EXECUTE_AT_END中实现数据的交换和MWorks求解器的运行控制；控制动网格、调整求解和定义介质属性的相关宏等.最后，将UDF源代码编译，加载到FLUENT中，将所有的宏绑定到对应的执行节点.至此，仿真前期的准备任务已经完成.

仿真阶段MWorks和FLUENT的协同仿真流程见图7.

先初始化FLUENT模型，然后执行DEFINE_ON_DEMAND宏，加载、实例化、初始化MWorks模型.设置FLUENT求解的相关参数，开始迭代求解.每当FLUENT完成一个时间步长的计算，进行一次数据交换，同时MWorks求解器也向前推进相同步长的计算.当计算到达仿真结束时刻时，FLUENT求解完成.最后，执行DEFINE_ON_DEMAND宏，终止和卸载MWorks模型.

3协同仿真案例分析

为验证MWorks与FLUENT协同仿真的有效性，以一个单向阀为例进行仿真分析.单向阀的入口和出口压力变化、阀芯运动和弹簧力在MWorks中建模，而单向阀内介质的流动和液体压力在FLUENT中建模.MWorks模型将端口压力、阀芯位移传给FLUENT模型，FLUENT模型将端口流量和液压力传给MWorks模型.单向阀的几何和网格模型见图8，边界条件和阀芯移动的动网格由UDF设置，同时要计算阀芯受到的液压力和端口的流量，传递给MWorks.

单向阀在MWorks中的Modelica模型见图9.用于协同仿真的模型与普通模型相对，增加接口适配模型和协同仿真数据传递模型.接口适配模型是将Modelica的非因果连接器转换为输入、输出变量，协同仿真数据传递模型包含交互变量、外部函数等，实现Modelica模型与外界交互的功能.

将Modelica模型转换为dll后，在FLUENT中执行协同仿真.单向阀在进出口压力的作用下打开再关闭，阀芯的运动位移见图10.结果表明协同仿真能够很好地模拟单向阀的动态特性.

4结束语

针对Modelica技术难以仿真行为属性在空间上非定常分布的流动、传热和燃烧等复杂问题，提出MWorks与FLUENT协同仿真的基本方法.本文的研究结论主要有以下几点：（1）Modelica外部函数、MWorks仿真用户接口和FLUENT UDF是实现协同仿真的基础；（2）设计协同仿真的耦合方式、数据交换机制和架构及流程，编写协同仿真程序；（3）以单向阀仿真案例验证协同仿真方法的有效性.

本研究为多领域系统的仿真提供有效的新思路和解决方法.

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第8篇：分布式交互仿真技术范文

关键词:激光; 三维光路布局设计; 传输仿真; Open Inventor; Pro/ENGINEER

中图分类号:TN012;TP391.9文献标志码:A

Visualized 3D optical layout design and

transmission simulation of laser based on Open Inventor

WANG Junfeng, ZHANG Fei, LI Shiqi

(Dept. of Industrial & Manufacturing System Eng., Huazhong Univ. of Sci. & Tech., Wuhan 430074, China)

Abstract: To overcome the deficient visualization in traditional 2D design of optical system and transmission simulation, the visualized 3D optical layout design and transmission simulation of laser based on Open Inventor is proposed by improving the 3D interaction capability. The modeling on optical components and optical model is built by Pro/ENGINEER. The optical components, optical model and model-positioning function are managed by the 3D visual simulation development platform Open Inventor. So the 3D visual layout of optical components and optical model are implemented, the transmission scene database is established, and the laser transmission is simulated by the method based on particles. The preliminary application shows that the optical component layout and optical model can be adjusted according to design requirements, and the system can intuitively display optical path and achieve the visualized simulation on optical transmission.

Key words: laser; 3D optical layout design; transmission simulation; Open Inventor; Pro/ENGINEER

收稿日期:2008-12-03修回日期:2009-02-02

基金项目: 国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)(2006AA804501)

作者简介: 王峻峰(1970―),男,河南汝州人,副教授,博士,研究方向为建模与仿真、绿色设计、装配设计等,(E-mail)

0引言

高功率激光驱动器的设计和建造对开发未来的新型能源有着深远的科学意义和重要的应用价值,但是其结构复杂、规模庞大、建造费用高昂,且建造过程涉及一系列多学科技术和工程问题.激光光路的布局设计和仿真将一些光学器件按照一定要求合理组成1条光路并对光的传播进行仿真.这是涉及参数化设计、计算机图形学和计算机仿真等技术的交叉学术领域.光路设计布局结果对整个激光系统的经济性、可行性、安全性和柔性等都有重大影响,因此激光光路布局仿真系统的研究对高功率激光驱动器的研制具有重要的指导意义.[1]

传统的光路布局设计和仿真一般采用二维方式,用户将代表光学元件的方形图标进行排列,能够对光路进行计算,在这种图形上用图标颜色的变化表达光的传播.[2]这种二维光路布局设计和仿真方式不直观,缺乏三维光学器件的形象化和可视化表达.本文基于Open Inventor三维可视化仿真平台,结合激光传输特性初步开发1个三维激光光路布局仿真系统,在系统中可以根据设计要求对光路中的光学元件进行布局,同时也可以对光路模型进行调整以直观展示光路的走向,大大提高该类系统的三维交互性能.

1激光的传输特性

激光的主要特点就是高亮度、高方向性、高单色性和高相干性.本文所研究的是超短超强激光脉冲,具有频率高、脉冲间隔短、能量大等特点.激光束从振荡器发出,通过众多激光组件和光学元件,主要是线性传输模块、非线性传输模块和能量放大模块等元器件,历经长距离传输,最后到达目标.激光在一般的光学腔中以高斯光束传播,而在高功率激光驱动器中以超高斯光束形式传播,可以用Maxwell方程表示.

为描述光束在不同情况下的传输变换及光束参量的性质特点,人们建立起一系列光束传输研究方法.其中,几何光学方法最为直观,它以Fermat原理为基本原理,以光的直线传播、反射和折射3大实验定律为基础,用几何学方法研究光线的运动轨迹,通常用来研究几何成像、光线传输和像差分析等问题.[3-4]

建立在描述电磁场普遍运动规律的Maxwell方程组基础上的波动光学方法可用边界条件对Maxwell方程求解从而得到光场的分布.在非磁各向同性介质中,激光光束传输满足的波动方程为2E-(•E)+k2n2E=0(1)式中:k为波数;n为介质折射率.与等离子体的流体力学方程联立,该方程可用于研究激光光束在等离子体中的传输问题.若加上大气的流体物理方程,则可以研究强激光大气传输中的热晕问题.另外它也可以用于激光在脉冲放大器、波导和光纤中的传输.

在传输过程中,高频脉冲激光实际上是以高斯面形式向前传播的,可用式(1)简化描述.本文将激光传输过程中的特性通过相应的可视化方式模拟出来.激光光束按照一定的规律运动,并与物理数据结合,相关物理特性数据则由光传输模拟计算软件计算得到.

2激光光路布局设计和传输仿真

2.1激光光路布局策略

高功率固体激光驱动器主要由前端、预放大级、主放大级、频率转换器和靶场等系统组成,见图1.此外,还有能源、激光参数测量和控制等系统.

激光驱动器工作时光束传输过程为:振荡器和预放大器产生的激光传输空间滤波器小孔功率放大器主放大器(多程放大)功率放大器传输空间滤波器编组站/靶区反射镜终端光学元件组件靶点.[4]

为便于对模型和数据的管理,将光路布局建立在数据库的基础上,当仿真场景初始化时,系统遍历仿真场景数据库,将光路元件布局到相应的空间位置,完成光路的初始化布局.数据库负责提供程序运行的一切相关数据和文本信息等,如光学仪器位置信息、各种光通量信息、仪器安全工作状态信息、光通量图存放位置以及激光运动空间位置信息.在仿真场景通过用户的交互发生变化之后,系统更新场景使得光路重新布局,并将新的布局数据信息存入仿真场景数据库.这样当仿真系统再次启动时通过数据库中的最新布局信息驱动光路的重新布局.激光传输过程光路可视化布局流程见图2.

2.2激光光路布局功能设计

为使激光装置仿真场景可视化布局系统具有设计指导的实用价值[5-6],满足设计人员在大型激光装置中对光学系统设计仿真的需要,把光路布局系统的功能分为以下几个方面:

(1)光学元件可视化布局.激光光路中的主要光学元件包括空间滤波器、各种平面反射镜、各种薄透镜和能量放大器等.光学元件可视化布局就是依据激光传输的要求和激光传输过程调整各种光学元件在三维仿真空间的位置、姿态和大小等,使得设计人员能够在该平台上对各种元件进行可视化布局,这一步是仿真运行的前提.

(2)光路模型可视化布局.光路中的光学元件按照要求排布到位后,如果只是一个个孤立的光学元件模型,可视化效果不甚理想,各元件之间的过渡显得不直观.这里采用建立光路模型的方法先调入各段光路的模型,然后在场景中对光路模型进行拉伸、旋转和缩放等操作实现光路可视化布局.

(3)光路布局更新到仿真场景数据库.光路布局中光路元件的基本信息全都存储在仿真场景数据库中,当光路经过用户调整重新布局后,布局信息更新到仿真场景数据库中,这样在仿真场景被重新构建时,场景中的光路布局通过调用数据库中的最新信息在初始化时就被更新,从而实现光路布局与仿真场景数据库之间的交互.

激光光路的走向和光路布局的主要对象见图3,包括光路中的各种光学元件和光路模型.

2.3激光传输过程仿真

采用仿真时钟驱动激光粒子运动,当它通过光路中的光学元件时发生动态响应,通过内建的响应函数使光的传输过程发生相应变化,使光束发生反射等响应,并结合激光传输模拟计算软件,按照激光传输实际物理规律同步进行运算,获取激光光强、能量等信息,再以后台数据库为中介,实时传递给激光光束来可视化表现激光的传输特性,通过信息窗口输出仿真信息.系统主要采用数据库和光模拟传输计算软件获取相关数据.

激光驱动主要关注激光光束的运动轨迹,是指在虚拟场景内对激光传输过程进行的可视化仿真演示过程.激光以不同的形式从激光源发射出来,经过预放大级、光路反转器、前端、空间过滤级、能量放大级、变频级等线性和非线性激光光路部分,最后到达目标位置,打中目标物并触发爆炸效果.运动过程驱动通过在Open Inventor中设置时间感应器(即仿真时钟)实现:

timer = new SoTimerSensor(animateParticle, this);

其中animateParticle为时钟响应函数,即Open Inventor感应器为用户提供的回调函数接口,实现对激光粒子的运动叠加,接受新响应并按照反射定律进行偏转.激光传输实时驱动仿真的流程见图4.

在激光的空间传输运动过程中,沿途与光学仪器、传输介质等不断发生各种复杂相互作用,同时也经过能量放大、变频等环节,激光能量一直在改变.这主要通过更改激光束的颜色、亮度和形状等反映出来.能量信息由数据库将后台光传输模拟计算软件传递过来,形状信息则由各段光路管道的外形决定,再加上一定的特效,如尾迹效果等,从而逼真地展现激光光束在光路中的运动轨迹.

3激光光路布局与仿真实现

3.1模型管理

系统模型的构造方式主要分为两种:通过读入外部iv模型文件和在场景中直接构造.光学元件模型和光路模型由读入模型文件生成,激光粒子和靶心等则在Open Inventor中直接建模生成.由于Open Inventor建模功能有限,所以光学元件和光路模型的建模主要通过Pro/ENGINEER完成.完成相应的基本模型后,把这些模型存为iv格式的模型文件,放入相应文件夹.然后把模型名和模型路径存入到数据库中,当仿真系统启动时通过链表将仿真场景数据库中的信息逐步读入仿真场景,包括光路元件的位姿参数和其他有关输出信息,以驱动仿真场景光路布局的初始化.为对系统中所有模型进行有效管理,按照面向对象的思想对场景进行组织,创建1个场景对象链表ModelList,用来管理场景中的光学元件等对象.将场景中的每个实体都作为1个独立对象,1幅场景就是由所有对象构成的链表,链表中的每个节点对应场景中的1个对象,称作ModelNode.用户向场景中添加1个对象的过程就是链表中增加1个节点的过程.当用户发出消息拾取某个对象时,系统就访问场景对象链表,搜索链表中节点的信息,找到被拾取对象.定义类ModelNode如下:

class ModelNode

{

SoSeparator *model_separator; //模型节点

SoTransform *model_position; //位姿节点

SoMaterial *model_material; //颜色节点

Bool readModel(…); //成员函数从外部导入模型并制定空间坐标

…

}

由于Windows系统以消息事件驱动的方式运行,因此系统应用层将发送到窗口的各种消息转换成系统内部消息事件,并构成1个内部事件消息队列,由系统中的场景对象管理器 SceneManager负责处理.SceneManager的实例能对场景中的对象节点Node进行各种操作,如查询、添加、删除和遍历等.对象节点类ModelNode的实例负责管理场景中对象的各种属性.类SceneManager封装实现所有交互功能的细节,定义如下:

ClassSceneManager

{

…

BoolModelListManager();//填充链表

BoolConstructScene();//组织节点构造仿真场景

ModelNode* AddNode(CString modelNo); //添加节点对象

ModelNode* FindNode(CString modelNo); //通过代号寻找制定节点对象

BoolDeleteNode(CString modelNo); //删除节点对象

int GetListLen();//得到链表的长度

BoolClearNodeList();//清除整个对象链表

BoolRepaintScene();//重新绘制整个场景

…

｝

3.2建立仿真场景数据库

利用Access开发出仿真场景参数库,实现数据共享,解决数据的完整性、一致性和安全性问题.根据Access的基本特点,仿真数据库的基本信息可以存入同一数据文件中,但应根据不同的数据类型及描述的不同对象建立数据表.在这里,数据表分为模型信息数据表和仿真信息数据表.前者管理模型在场景中的相关信息,后者记录仿真信息,二者通过模型代号相结合.相关参数见表1.

3.3数值定位和鼠标拖动

数值定位和鼠标拖动都要首先获得控制该对象空间位姿的SoTransform节点,然后对其进行操作.数值定位功能提供1个对话框(见图5)供用户输入需要的位姿参数来精确定位空间对象.

对于鼠标拖动功能,由于各种模型在场景中的节点类型可能不一样,因此不能通过单一的搜索方式寻找模型的位姿节点.为此,采用下面的策略进行搜索.

(1)通过鼠标点击三维界面获得的指向空间对象的路径,当其尾部节点不是组节点(group),则搜索与该尾部节点同层次的节点,从右至左,直到找到1个位姿节点.如果没有找到,或者找到其他可移动的对象(如shape,group,light或camera节点),则在尾部节点左边加入1个位姿节点,这样该位姿节点就可以直接控制所指的对象;

(2)如果路径尾部节点是组节点,从左至右搜索其子节点直到找到1个位姿节点.如果先找到1个可移动对象,则在该对象左边加入1个位姿节点.

找到模型的位姿节点后,为了对所选择的模型进行交互操作,需要用相应的操作器节点替代该节点.本文采用两种操作器节点:SoHandleBoxManip和SoTransformBoxManip,前者可以对对象进行平移和拉伸操作,后者则可以进行平移、旋转和缩放操作.替代位姿节点的相应代码如下:

pView->myHandleBox->replaceNode(xformPath)

pView->myTransformBox->replaceNode(xformPath)

3.4初步应用

图6(a)为系统总体界面.图6(b)表示用户对激光传输光路光学元件进行布局移动能量放大器时的情景,用户可以用鼠标直接对光路元件模型或光路模型进行操作,包括移动、拉伸和缩放等.图6(c)表示白色激光在整个光路中的传输过程.初步使用表明,三维激光光路布局和仿真系统与二维方式的同类系统相比,可增强系统的可视化能力,使系统操作更加直观,能有效提高光路系统的设计效率.

4结束语

激光光路可视化三维布局和仿真系统对光路设计有重要作用.通过分析研究激光光路的布局策略、布局功能设计和激光传输仿真过程,结合Open Inventor仿真平台,初步开发设计1个激光光路布局和仿真系统.在系统中可以根据设计要求对光路中的光学元件进行布局,同时也可以对光路模型进行布局调整以直观展示光路的走向.下一步将把该系统和光路计算软件进行集成,利用光路计算软件的结果全面驱动仿真系统,实现二维和三维系统的互补结合.

参考文献:

[1]吕百达. 强激光的传输与控制[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999: 45-49.

[2]粟敬钦, 景峰, 刘兰琴, 等. 高功率固体激光系统计算机模拟设计平台的开发及其应用[C]//第7届全国激光科学技术青年技术交流会, 2003.

[3]BORN M, WOLF E. Principles of optics[M]. London: Cambridge Univ Press, 1999: 101-112.

[4]邓冬梅. 激光光束传输及超短脉冲光束传输的理论研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2003.

第9篇：分布式交互仿真技术范文

[关键词]多媒体；教育技术：光技术；虚拟仿真

[中图分类号]G40―057

[文献标识码]A

[论文编号]1009―8097(2009)13―0242―02

教学活动中，教师的主导作用不容忽视，教师是教学活动的组织者和引导者、是学习活动的评价者、是渐进层次学习的激发者；教学活动中“学生为主体、教师为主导”，教师现场的言传身教尤为重要，不要指望单靠学生个别化学习、自我学习机械操作，再好的学习资源未必带来预期的成效。而正确运用恰当的技术手段，实现师者，所以传道授业解惑也，真正解决课堂和远程等教学存在问题。本文将在以下进行探讨。

一　光技术在多媒体虚拟仿真课堂教学的应用

从认识论来看，学习的本质是立体的、精神的、多向的、开放的。真实的学习是人与自然、与人相互作用，在开放系统中进行互动，而教育技术则要通过创建学习环境来达到目的。学习环境由内容、媒体(包括软件和硬件)、人员(包括教育工作者和其他学习者)、方法和场所等要素组成，构成一个教育信息传播的系统，即：传播什么信息(内容)，通过什么来储存和传递信息(媒体和人员)，如何传递(方法)，在哪里传递(场所)。在课堂上用何种技术、方法才能做到教师现场仿真的言传身教、师生互动和教师的主导作用呢?有没有一种理想的技术手段和方法能真实再现教学情景呢?本人认为采用光电三维成像技术能最好的虚拟仿真课堂真实的教学情景，促进学生个别化学习、自我学习。由于情景逼真，互动性好，虚拟地建立起与真实环境相近的学习场景，开发基于网络的、具有自然语言理解与产生功能的“人一机”交互学习环境，对多个不同课室教学、网络远程个体或集中教学，尤其是在职成年人学习最佳。适应当今信息化发展进程，适应未来教学模式向着更深层次发展的要求。本文只从观念技术的角度来探究光技术在多媒体虚拟仿真教学的应用，主要是在课堂教学，运用恰当的人工智能技术手段，再配合有线、无线、卫星、微波等网络通信技术，实现仿真互动，起到教师的主导作用，教师现场的言传身教逼真，实现教育人性化的活动，再现与真实环境相近的学习场景，符合教育技术理论逻辑起点教与学的属性。

二　光技术及其应用效果

1　光电子新技术

常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。光电子技术是以先进探测器和激光器为基础，由光学技术、电子技术、精密机械技术和计算机技术等密切结合而形成的一项高技术。它既改变了传统光学的单纯观察功能，又大大扩展了电子技术的功能。由于光电子技术具有探测精度高、传递信息速度快、信息容量大、抗干扰和保密能力强等优点，因而在军事上得到了广泛应用，在现代战争中已显示了其特有的威力。

而光电子三维成像技术和全息摄影术不同，不需要依靠连贯的激光束产生图像。它使用普通光束即可。普通照相机的镜头工作原理类似模拟计算机，通过程序的运行将外界传来的信息(光线)转换成平面媒介上(通常是胶片)的图像。

[因特网消息1999年7月7日报道]，美国伊利诺依州大学电气工程师大卫布莱迪在数字计算机而非光学镜头的帮助下，利用射电天文学家绘制天空的数学方法从光线中提取出足够的信息来生成三维图像。研究人员用卤灯照亮一只小小的塑料恐龙，将来自恐龙的光线分离成两束。当这两束光线再度会合时，它们相互干扰，虽然强度不如没有受到过干扰的光线，但是所有的波型却都很和谐。在恐龙模型转动时，科学家们记录下来了128种干扰波。这些干扰波中包含有该物体三维图像的全部信息，计算机程序可以对它们作还原处理。

这项技术最大的优点是无论景深多大，它都能保持清晰的聚焦，这一点与传统光学镜头相比表现出极大的优势。决定图像解晰度的唯一因素就是物体离开镜头的距离。这一特点使其对于三维显微具有特别的应用意义。布莱迪设想他发明的技术可用来拍摄细胞在产生交互作用时的高清晰度图像。共焦显微技术采用的是扫描技术，聚焦平台来回移动，以获得细胞的细部信息，从而生成三维图像。利用这种方法，当细胞在移动时，要拍摄到细胞的移动过程就是非常困难的。有了布莱迪发明的科学方法，记录装置就可利用排列成圆圈的光学感应器帮助研究人员记录实时的三维数据。

科学家们指出，即使要拍摄的对象远离感应器，这项技术仍然有用。麻省理工学院电气工程师乔治说：“这个系统同样可以用来拍摄篮球比赛的三维影片。如果你的家中有三维播放机，你就可以在虚拟现实状态下观看篮球比赛，观看者会感觉自己仿佛就在场内一样。”

2　光电三维成像技术在多媒体虚拟仿真课堂教学的具体应用及效果

现在的有线、无线、卫星和微波等网络远程教学，学生面对的都是单向平面银幕，一是没有互动缺乏双向交流，而是画面平面呆板与真实情景差别太大，很难调动学生的兴趣。就是普通的现场课堂教学，应用多媒体课件，也由于画面内容很难反馈真实形象化的情景而大打折扣。如果能将课堂教学情景、课件内容立体可视化，再配合声音、资源库双向互动，完全模拟真实情景，与现场无异，那将是教育教学新的飞跃。有什么适当的技术能实现刺激鼓励指导学生的思考和自动学习方法呢?光电三维成像技术就能在课堂教学应用中虚拟仿真真实场景，而虚拟现实是指通过特殊的输入设备和一些能实现三维图形和三维音效的特殊输出设备来模拟人和环境之间的交互技术。假如远程课堂教学，通过有线、无线、卫星、微波等通信传输，使用课堂多媒体光电三维成像设备，主教室和各分教室双方的三维立体全息图像便瞬间出现在对方面前，就好像一个真人站在你面前一样，然后你便可以和他随意交谈，使用各种表情，那是一种呈现在空气中的光学立体影像，不需要任何屏幕之类的媒质，不像今天的网络卫星远程教学、可视电话还需要一个屏幕才能显像。光虚拟现实技术可很好地应用到虚拟学习环境的建立。它可以虚拟地建立起与真实环境相近的学习场景，使学生似乎已处于真实环境之中。

当然，屏幕还有作用，显示课件文本等其它信息。过去的所谓三维显像技术显示的并不是真正的三维图像，而是在二维平面上利用人体肉眼的双眼像差而虚拟出的“伪三维图像”，长期观看这种伪三维图像，会损伤视力或造成视觉疲劳。这样，教学所使用的各式方法(如演讲法、问题教学法、设计教学法、复述背诵法、小组研讨法、访问式教学法、辩论法、座谈研讨法、甚至实验教学)都能应用光电三维多媒体

虚拟仿真成像技术达成教学目标[手段]。当然，要真正将光技术应用于实践非一朝一夕，但可以采取过度方法，如先实现屏幕显示三维立体画面，学生观看而无需头盔等辅助设备，能实现师生声像远程互动，虚拟地建立起与真实环境比较相近的学习场景，再随光技术发展和实现，使学生似乎处于真实环境之中将成为现实。光电三维成像技术不但可以应用于多媒体虚拟仿真课堂教学，还可以应用在网络远程在线教学、虚拟学习社区等。由于有教师和学习者之间通过网络进行社会交互的一种虚拟仿真环境建构，有强烈的社交真实感和虚拟社区归属感，不仅可增强学生的在线学习的持久性，提高学习绩效，而且能加强合作和学习满足感，提升合作学习水平。现在，在线学习者只是独立的个体，容易产生焦虑、逆反心理和丧失学习动力，会导致学习的挫折感和低效率。

3　采用中间件技术

中间件(middleware)是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。满足大量应用的需要运行于多种硬件和OS平台支持分布计算，提供跨网络、硬件和OS平台的透明性的应用或服务的交互支持标准的协议支持标准的接口。利用中间件技术，将多媒体虚拟仿真应用类似于中间件，任何设计制作软件，包括现在应用的课程教学所需软件，如PowerPoint、Photoshop、Dreamweavcr、Flash等，都可无缝应用。教师无需专门培训，教学应用与以前无异，只是效果大为改观，真实再现场景，其它技术工作则由人工智能管理平台后的多媒体和课程制作人员负责，避免和改善教师计算机焦虑现象。

三　结合我校实践探讨多媒体人工智能课堂教学的管理模式

我校现有四个校区，分布在越秀区、海珠区、番禺区和珠海市，多媒体课室有279间，都基本配置了多媒设备，部分校区具有初级的网络多媒体教学平台。网络学院在省内有50来个教学点，上万名在读生，使用的是目前市场上唯一支持百万级用户的Blackboard网络教学平台。不过由于校区距离较远，不少老师要长年往返于各校区上课，虽然教师身临现场授课，但运作成本较高。网络教学点分布较广，学员分散，对学生来说，多媒体属于模拟交际而非学生直接参与的自然交际，缺乏自然语言进行人际交流的环境。而远程教育更需要互动和教师的主导作用，教师现场的言传身教尤为重要。

未来的新型多媒体教学将是以多媒体技术、计算机技术、网络通信技术、自动控制技术、传感技术、光技术、人工智能和虚拟仿真技术等的有机结合，能够全面整合网络各种“资源”而形成先进的网络多媒体教学平台。在这种教学平台上.多媒体教室不再是孤立的，它已融入到校园网教学系统中，并以校园网资源为“背景”构建出一个富有时代特色的现代化教学环境：即集教学、管理、娱乐为一体的“数字化校园”。多媒体课室是现代教学环境建设的重要组成部分，是教育技术信息传递的展示平台，是教师了解、联系、应用教育技术的桥梁。既然新型多媒体教学、特别是网络课堂教学如此重要，一般的管理就远不能适应现代化的课堂教学应用。

结合我校的教学实际，本人认为，未来的新型多媒体课堂教学将是一个系统集成，不但要从后端课堂教学管理考虑，还要联系前端课件制作。即多媒体课室管理人员既要参与后端维护保养，也要了解甚至参与前端课件制作，这就需要先进的多媒体人工智能管理平台管理，从制作到应用一条龙服务，时刻把握教师课堂教学需求的命脉，为管理和新技术应用于课堂教学提供依据。即教师只需在其中一个教室就可通过网络开启其它多个接收教室的多媒体设备(无须电教人员参与)，对教师上课教室实施“直播”方式，通过安装在课室的特殊的多媒体光电三维成像、自动跟踪拾音等摄录设备，实现三维图形和三维音效来模拟人和环境之间场景的拾取，多个教室通过特殊的输入设备和一些能实现三维图形和三维音效的特殊输出设备，真实呈现在空气中的主课室教学光学立体影像，各分教室还可以现场与主讲教师交流。并同步录制仿真教学内容，作为课件保存录入资源库中。网络学院的学生可在课堂或家中电脑上，调用资源，远程课堂上的特殊设备也真实呈现在空气中的主课室教学光学立体影像，与现场无误。人工智能管理平台集中监测、控制和管理，教师可在办公室或家中的计算机上，利用人工智能管理平台的多媒体教学系统，远程开启网络教室，同在网络多媒体教室中的学生们实现远程点对点虚拟仿真场景答疑。可将多次答疑场景自动汇编入库，与相关课程智能结合，当点播网络虚拟课程，真实再现上课场景，学生有疑问时，可即时点击提问，人工智能管理平台随即快速智能搜索虚拟课程答疑库，如有相关知识即刻虚拟回复场景，如没有随即跳过继续上课，而此问题现场摄录保存到虚拟仿真场景答疑系统，在下次相关教师登陆远程点对点虚拟仿真场景答疑系统时，人工智能管理平台系统自动插入其中，与现场答疑无异，随答疑量增多，人工智能管理平台上的智能搜索虚拟课程答疑库容量增大，将能即时回复大多数疑难需求。

四　结束语

信息时代的到来，社会节奏的加快，知识呈现出高速增长和快速更新之势。随着科学技术的发展，还会有更多的新技术应用在教育技术中，光技术就是其中重要的一项，21世纪将是光技术应用发展的时代。

参考文献

[1]张祖忻.教育技术是一项解决教育问题的系统技术[J].现代教育技术，2006，(2)：5―10.