虛擬仿真技術論文范文

導語：如何才能寫好一篇虛擬仿真技術論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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虛擬仿真(VR)即虛擬現實，是一種采用計算機為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生如同真實環境的感受和體驗。盡管該環境并不真實存在，但它作為一個逼真的三維環境仿佛就在我們周圍。由于用戶對計算機環境的虛擬物體產生了類似于對現實物體的存在意識或幻覺，用戶在計算機所創建的三維虛擬環境中處于一種全身心投入的感覺狀態。

2國內外研究現狀

2．1國內研究現狀

盡管國內虛擬仿真技術起步較晚，但是隨著信息技術在社會各領域中的廣泛應用，信息化教學已成為信息技術和信息資源與教學相結合的教學形態，以計算機仿真技術、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的虛擬仿真實驗室開始逐步滲透到教學領域。虛擬仿真技術在醫學教學及某些醫學手術應用領域得到不同程度的應用和研究。在護理學教學中，作為實踐性很強的綜合性應用學科－護理學基礎，其護理專業實踐教學約占該課程總學時的一半，也是培養護生臨床實踐能力的主要途徑之一。然而傳統的由教師演示－學生練習－教師指導的護理實踐教學模式已經不能滿足學生的需要，非常有必要對護理實訓教學進行改革和創新。隨著虛擬仿真技術在一些實踐性要求高的專業中的大量應用及研究，國內某些醫學院校的護理學基礎實驗教學也不同程度地開展了仿真技術在護理實踐教學中的應用與研究，如高仿真模擬人技術早已投入護理專業實踐教學中，并被應用在《內科護理》教學中并收到良好的效果，還有以主要訓練護生的單項護理操作技能為目的的專項護理技能訓練，如手臂模型可以模擬人類真實的血管，穿刺過程中有落空感和模擬真實血液流出，高級電腦心肺復蘇模型可以進行心肺復蘇的模擬訓練，大小與真人相仿，在操作時可有語音提示和報警聲來顯示其操作的正確性。虛擬仿真技術還可以使用在一些不宜在真人身上實練(如鼻飼法、導尿術等)的護理實訓課的應用。2007年大連大學職業技術學院以“探索出適合中等職業技術教育的網絡教學模式，提高中等職業教育運用現代教育技術手段水平”為目的開展的“護理技術模擬教學系統”項目的研發卓有成效，該研發項目提出了包括13個模塊，每個模塊由教學演示、模擬操作、考核測評三大部分構成的護理技術計算機虛擬仿真實訓教學軟件系統，該教學軟件系統的研發為虛擬仿真技術在護理實訓練習中的開展和推廣應用提供了參考。2009年貴州遵義醫學院護理系進行了護理學基礎虛擬實驗室的研發，是一次將虛擬仿真技術應用于基礎護理實踐教學的一種有效嘗試，可推廣應用于國內各護理院校和各大醫院的實驗教學和繼續教育培訓與考核，有著較廣闊的應用前景。重慶市衛生學校已經開展并建成仿真急救護理實訓室，為其他護理院校提供了可借鑒的急救實訓基地模式和實訓方法。同時，虛擬仿真技術在職業技能培訓中發揮的作用越來越大，也正被廣大的職業教育工作者所接受。目前高職院校招生人數逐年增加，學校實驗室及傳統的教學模式已經遠遠不能滿足師生的需要，尋找一種行之有效的技術手段來緩解傳統實踐教學模式所帶來的壓力，是許多高職院校的當務之急，將虛擬仿真技術應用于護理實踐教學是解決以上問題的關鍵，更是培養最優秀的護理畢業生的必由之路。

2．2國外研究現狀

美國在培養護生的過程中由于醫院及患者等方面的原因，護生在臨床實習中很少有機會在患者身上進行練習操作技能，同時護理院校理論課程的增加及實踐教學課程的壓縮也大大減少了護生們開展實踐練習的機會。鑒于此，開展虛擬仿真技術在護理實踐教學中的應用也是非常有必要的。美國的虛擬仿真技術在不同行業的運用，包括在護理教學中的應用開展的都比較早。美國紐約州立大學護理學院早在1996年就開展了虛擬仿真技術在靜脈輸液中的應用研究，虛擬仿真技術在護理實踐中的作用是一些模型、錄像帶等所不能比擬的，后者不能給護生帶來真實的感覺，而虛擬仿真可以，并且大大減少了護生在真實的臨床護理操作中給患者帶來的不適。常用的虛擬仿真技術有兩種，身臨其境式和非身臨其境式，前者技術要求較高，需要利用一些傳感工具，如頭盔、手套、跟蹤器等，讓用戶置身于虛擬境界中，雖然設備昂貴，但因其具有很逼真的護理情境而對護理教學產生深遠的影響，非身臨其境式，因其實用性和實惠性被廣泛運用到護理教學中。隨著從事護理教育的工作人員數量的減少，虛擬仿真技術同樣運用在一些護理學遠程教學、成人繼續教育、護理技能培訓等項目。虛擬災害環境的護理措施的研究更是拓展了虛擬仿真技術在護理教學領域中的運用。20世紀80年代，美國便應用虛擬仿真技術建立了用于考試和教學的臨床病例庫，即虛擬臨床瀏覽(VCE)。到目前為止，在護理教育領域，虛擬臨床瀏覽系列教學軟件和指導手冊已發展到覆蓋內外科護理學、婦產科護理學、兒科護理學和護理學技術等課程，并且提供網絡學習資源。虛擬臨床瀏覽結合護理教科書，建立了虛擬醫院，進入虛擬醫院，可以學習溝通、記錄、評估和安全給藥。虛擬醫院的建立可以幫助護生熟悉日常護理工作，從而提高臨床判斷和批判性思維能力。還有已經在英美許多醫學院校使用的CathSim靜脈穿刺訓練系統包括軟件和觸覺反饋裝置即靜脈穿刺用的胳膊和一臺電腦，可設置在實際工作中可能遇到的不同年齡、血管狀況以及疾病嚴重程度的各類患者。由日本NEC公司研制的“SimCoeur”軟件系統可以模擬急診患者每分鐘的臨床表現，還可以設置1000余種患者情境，可以使護生面對不同的患者，很好的鍛煉了護生的應變能力，并且能夠快速地對護生所進行的操作進行反饋。同時該公司研制的“SimNursing”模擬急診患者軟件系統，已于1998年投入日本市場，該軟件系統可進行護理程序的模擬訓練，學生能按照完整的護理程序對患者進行全程護理。多款軟件的研發和應用為虛擬實驗室的建設提供了技術支持，其中最有代表性的就是Mathworks公司推出的MAllAB語言，美國NI公司推出的LabVIEW圖形化編程語言及美國ELANIX公司推出的SystemView軟件。

3發展趨勢

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【論文摘要】將虛擬仿真技術引入教學領域后對傳統教學手段產生了強烈沖擊。本文針對航空電子裝備教學中如何應用虛擬仿真技術給出了應用方法和體會。

1．引言

自 20世紀 9O年代以來，以計算機仿真技術 、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現，并逐步滲透到教學領域。作為一種新型的實驗教學手段，虛擬仿真教學對傳統的教學手段產生了強烈沖擊，并引發了教學領域一系列深刻的變化。種種跡象表明，虛擬仿真教學將是今后實驗教學改革的一個重要發展方向。本文結合多年來在航空電子裝備教學中應用虛擬仿真技術的經驗，探討在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和體會。

2．虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真技術是對虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱。

2．1虛擬現實技術

虛擬現實技術就是利用三維建模技術，構建一個與現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應用戶的輸入，根據用戶的不同動作做出相應的反應。虛擬現實的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形 生成技術、立體顯示和傳感器技術等。虛擬現實技術主要側重于對真實物體物理特征的仿真，也稱為視景仿真，它主要用于產品設計與展示、商業廣告、游戲設計等。

在航空電子裝備教學中，大量用 到對裝備的外觀 、結構 、組成 、連接 、機安裝位置的展示 ，傳統教學大都采用實物展示 的方法 。近年來隨著大量航空電子裝備 的更新換代，因受經 費、場地及使用壽命等因素的限制 ，傳統教學方法 已遠遠不能滿足要求 ，而采 用虛擬現實技術的展示方法則 以其廉價 、無場地限制和效果 良好得以廣泛應用。

目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿 真的開發，主流平臺Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虛擬現實數據庫 OPENFLIGHT已經成為 了工業標準 ，在軍事 、航空航天等領域應用都 比較成熟 。在航空 電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作為視景仿 真開發的技術平臺 ，解決物理模型的創建、場景顯示等問題。該平臺可以達到照片級 的視景仿真效果 ．同時采用嵌入 OPENGL技術來解決物理模型 的交互問題。

2．2系統仿真技術

系統仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一門新興學科 ．它通過建立實際系統 的數學模 型 ，利用計算機運算來達到對被仿真系統的分析、研究、設計等目的。系統仿真技術主要側重于對真實系統的內在機理、運動方式 的仿真，也稱為行為仿真。系統仿真技術最初主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統試驗難以實現等少數領域，后來逐步發展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要工業部門，并進一步擴大到社會系統、經濟系統、交通運輸系統、生態系統等一些非工程系統領域。

在航空電子裝備教學中，對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統教學方法主要通過教員的講述，配合一些靜態的圖形幫助學員理解 ．教學效果主要依賴于教員的授課水平和技巧 。近年來．我們嘗試將系統仿 真技術應用到航空電子裝備教學中，根據被仿真裝備的工作原理，建立系統的數學模型，并根據裝備的不同工作狀態，對模型進行動態運行．結合虛擬現實技術實現的逼真場景．較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術開發、研制的教學軟件不但可供教員教學使用．也可供學員自學，并達到了較好的教學效果。

目前，有許多成熟的系統仿真開發平臺軟件．如 Simulink、SystemView等，這些軟件以其功能強大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎．但價格較為昂貴，且大多未提供對外的仿真數據接口．仿真系統應用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當然也可自行開發適用 的仿真開發平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用的是自行開發的系統仿真平臺軟件。

3．虛擬仿真技術在航空電子裝備教學中的應用方法和步驟

3．1建立仿真模型

這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結構的三維物理模型 ，也包括揭示其內在工作機理及行為的數 學模 型。對三維物理模型的建立，主要依據裝備本身的物理狀態，其原則就是在盡量減小面數的同時提高逼真度。對系統數學模型的建立，則需要視系統的復雜程度進行取舍和優化，本著夠用為度的原則 ，以盡量減小運算量。建立數學模型時 ，還應考慮到系統運行時的參數調整。

3．2創建仿真裝備的虛擬場景并驅動

對于虛擬場景的驅動，根據使用方式的不同采用了不同的方式如果進行的僅是裝備外觀、結構的展示，可使用EON進行動作的編輯和驅動；如果需要對裝備進行虛擬操作仿真，則使用 GLStudio軟件先進行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用 Vega Prime驅動以實現更復雜的交互操作。

3.3系統集成

系統集成就是將上述做好的模型、場景按照教學軟件所需的形式將其有機的整合在一起，使之成為_個完整的 、規范的教學軟件。系統集成可以使用目前常用的軟件開發平臺如 VB、vc++等。由于上述虛擬現實驅動軟件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 軟件開發平臺的運行插件，因此，系統集成變得十分方便。編寫程序時，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。

系統集成時，還需要將系統行為仿真的結果通過視景仿真表現出來，即用行為仿真的數據來驅動三維物理模型的動作。由于系統行為仿真采用了專門的運行平臺，與視景仿真處于不同的系統進程中．因此這種驅動是通過兩進程間的實時通信來完成的。這里還需要考慮進程間的同步問題。

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關鍵詞：虛擬仿真，3DMAX，GLStudio，Vega

 

1.概述

大學物理實驗是物理教學中的一個重要組成部分，由于有些物理實驗，特別是近代物理實驗其實驗儀器集成度高，操作步驟復雜，往往成為物理實驗中的難點，再加上條件的限制，除實驗課外，學員很難直接面對設備進行預習或復習，同時在預習中由于操作不善而損壞儀器的現象也時有發生，因此利用虛擬仿真技術，在計算機上仿真物理實驗，來提高學員對物理實驗的學習是十分必要的。采用這種技術，具有方便性、無破壞性、經濟性以及高仿真性等特點，對學員掌握物理實驗具有重要的意義。

對物理實驗的仿真我們首先是對各個獨立的物理實驗進行仿真，然后再把他們集成到一個系統環境下。免費論文參考網。以下我們以夫蘭克—赫茲實驗為例來說明單個物理實驗的仿真過程。實驗儀器如下圖所示：

由于原子能級的存在，當電子與原子發生碰撞并進行能量交換時，每次交換的能量就會受到原子能級的制約，因此我們就可以通過測量碰撞后電子能量的變化來驗證原子能級的存在。由于本實驗的集成化高，屬于驗證性實驗，通過虛擬仿真幾乎可以真實再現實驗的整個過程。

虛擬仿真作為一種新型人機接口，不僅使參與者沉浸于計算機產生的虛擬世界，而且還還提供用戶和虛擬世界之間的直接通信手段。它具備3個基本特征

（1）沉浸：這是VR系統的核心，指使用戶投入到由計算機生成的虛擬場景中的能力。用戶在虛擬操作訓練場景中有“身臨其境”之感。

（2）交互：指用戶與虛擬場景中各種對象相互作用的能力。它是人機和諧的關鍵因素。交互性包含對象的可操作程度及用戶從環境中得到反饋的自然程度、虛擬場景中對象依據物理學定律運動的程度等，以用戶的視點變化進行虛擬交換。這個過程中最重要的因素是實時性。實時性是指計算機能夠響應用戶的輸入并立即改變虛擬場景的狀態。免費論文參考網。

（3）構想：虛擬現實不僅是一個用戶與終端的接口，而且可使用戶沉浸于此環境中獲取新知識，提高感性和理性認識，從而產生新的構思。把這種構思結果輸入到系統中去，系統會將處理后的狀態實時顯示或由傳感裝置反饋給用戶。

虛擬仿真的核心是建模與仿真。就建模與仿真本質而言，它是對真實物理系統在某一層次上的抽象。與實際的物理系統相比，用戶在這個抽象模型上可以更高效、更節省、更靈活、更安全地對物理系統進行了解和設計。

2.系統分析與模型的建立

模型的建立分三維立體模型的建立和仿真面板的制作。免費論文參考網。對模型的建立本系統采用3D MAX建模工具對模型進行幾何建模和行為建模。利用3D MAX軟件來進行三維建模和紋理貼圖，生成一個高逼真度的所需模型。首先我們用3D MAX建立夫蘭克—赫茲實驗儀、示波器、微機以及實驗室模型，并在3D MAX中進行貼圖，使所做儀器仿真度更高。

對于儀器面板，本系統采用的是GL Studio軟件進行建模制作，比如夫蘭克—赫茲實驗儀的面板、示波器面板和微機顯示屏上的顯示畫面都是用GL Studio來制作完成的，制作流程如圖所示：

在第二個過程中，圖片處理的結果是面板美觀形象的決定性階段；第三個階段則是本實驗仿真的決定性階段，因為實驗的操作響應、交互實現、實驗現象的再現都是在這個過程完成的。這一過程又可分為三個部分來完成：（1）是夫蘭克—赫茲實驗的手動操作，這在GL Studio中一個面板內既可完成；（2）是利用微機采集數據來自動完成實驗，得到實驗數據并在V—I圖中自動繪制數據曲線，在這個過程當中，可以在GL Studio中分別生成夫蘭克—赫茲實驗儀的面板和微機顯示器面板的動態庫，把它們作為元件在導入到另一個GL Studio中進行互聯；（3）是將數據輸出到示波器形成V—I曲線，這個過程的制作方式與第二部分相似。在第四個過程中主要是集成過程，Vega是MultiGen-Paradigm公司開發的一個面向對象的著名的虛擬現實平臺，它包括圖形環境Lynx，一套可以提供最充分的軟件控制和最大程度靈活性的完整的應用編程接口，一系列相關的庫和Audio Work2實時多通道音響系統。Lynx是Vega提供的帶有圖形用戶界面工具集，并通過設定參數與相互間關系，可以實現簡單的仿真應用程序，同時為虛擬系統的開發提供必要的支持，如模型、場景和交互設備等。

3.實驗的最終集成

在單個物理實驗完成之后，要把它們集成到統一的系統當中，我們的系統是用Visual C++作為軟件平臺進行集成。在VC中完成操作界面和目錄，點擊各個目錄進入各個獨立的物理仿真實驗當中由于各個實驗是獨立的，因此過程的制作相對簡單。

結束語

本文提供了一種使用3DMAX、GL Studio和Vega進行虛擬仿真系統開發的方案，這個方案是基于微機平臺設計的，具有較好的通用性，它不受實驗儀器的限制，給學員提供了一種較好的練習和復習的手段，其仿真度高，是其他預習和復習手段所不能代替的。

參考文獻：

[1] 張秀山. 虛擬現實技術及編程技巧.國防科技大學出版社.1999

[2] 曾芬芳. 虛擬現實技術.上海交通大學出版社.1997

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論文摘要：運用虛擬現實仿真 (VRS)進行實驗教學是激發學生學習興趣的有效途徑。針對大學生的學習特點，分析了傳統教學方法的不足，探討了基于虛擬現實仿真的“生產與運作管理”實驗教學的特點、內容和形式，有助于高校教師優化教學過程，提高教學質量和教學效果。

縱觀我國工商管理本科專業人才的就業去向可以發現，畢業生就業去向大都是金融業、政府機關和高校，極少有人自愿去制造企業工作，即使到了制造企業，也只愿意去財務或營銷部門，而不愿去生產管理部門，原因是生產管理部門的崗位工作環境較差，待遇較低，付出多，導致集中了企業絕大部分財力、人力、設備及其他資源的生產系統受到冷落。在這樣的人才使用環境中，學生對于與生產管理相關的課程自然就不重視。然而，從工業發達國家看，近年來，紛紛將注意力轉移到生產領域，企業界和學術界也都開始重新審視企業內部的生產系統及其管理理論，將生產戰略問題作為企業經營戰略的重要組成部分來研究。可見，創新教學方法，增強學生學習 “生產與運作管理”課程的興趣，具有非常重要的現實意義。

1 生產與運作管理課程的教學調查和教學方式的分析

1．1 教學調查

在浙江省精品課程 “生產與運作管理”的建設過程中，為了有針對性地開展課程教學方法改革，我們就本課程的學習，于2007年對我校 04級工商管理專業40名學生做了一次調查，得到如下結論：

(1)由于學生沒有實際工程背景，缺乏對企業生產與運作管理的感性認識，對于生產與運作管理的一些理論和方法理解有一定困難；

(2)學生對生產與運作管理課程的認識存在誤區，對相關理論知識掌握不熟練，對未來是否從事生產管理工作信心不足，導致學習該課程的動力不足：

(3)隨著非制造業在國民經濟中地位的提升以及制造業和非制造業現實的工作性質、工作環境和條件、工資待遇等方面的差異，決定了學生對以制造業為主體的生產與運作管理課程熱情不高；

(4)學生對傳統的案例討論、觀看錄像、企業參觀、專家講座、計算機輔助教學等教學模式基本認可，但是對創新教學方法和手段的需求更為強烈。

1．2 教學方式分析

生產與運作管理是一門實踐性、操作性強的課程，教學 的關鍵是讓學生產生 “真實感”。教學方式除了課堂授課外 ，傳統的教學方式主要有如下幾種 。

(1)觀看錄像。這種方式比較簡單，國外教材都配有相應的錄像教學光盤，學生通過觀看錄像了解國外先進企業的生產與運作管理經驗。比如針對質量管理專題，播放美國著名酒店的全面質量管理錄像；講授 5s現場管理，播放一盤有關現場改善的錄像；講到供應鏈管理、庫存管理時，根據需要選擇相應的錄像播放。

觀看錄像這種方式存在 2個問題，一是現有錄像大多是英文版，錄像的對話比較快，多數學生聽不清楚。另外，錄像內容以綜合性為主，缺乏針對國內生產管理的專題教學光盤。

(2)參觀企業。這是一種比較好的理論聯系實踐的學習方法，能夠讓學生真實感受到企業的實際生產隋景，并對照所學的專業理論知識加以思考。比如，針對紹興紡織特色，選擇了紡織印染企業作為參觀對象，讓學生到生產車間看設備布局、生產流程、生產計劃與調度、質量控制、現場改善與員工的班組建設等基層運作管理。

這種方法在實施中存在困難，主要是沒有建立固定的教學基地，與企業沒有穩定的關系；而且，隨著學生人數的逐年增多，許多企業對學生參觀不感興趣。

(3)邀請企業專家講座。對于某些實務性、技巧性比較強的內容，如生產調度、員工指派、班組建設、現場改善等，請企業專家結合自己的工作實際，現身傳授管理技巧和經驗，比任課教師講效果好，印象深。

與參觀一樣，邀請專家也存在一定困難。由于企業的工作繁忙，很難保證企業專家能按照課程的教學時間來安排講座，這樣很有可能打亂教學計劃。

(4)案例討論。教學案例一方面可以增加學生的實踐知識，另一方面幫助學生深入理解相應的教學內容，提高學生分析問題、解決問題的綜合能力。生產與運作管理課程案例不同于其他管理課程的案例，它的特點是需要生產與運作管理理論知識作基礎解決實際問題。比如：生產能力規劃案例只有在學習完生產能力查定辦法相關理論的基礎上，才能進行案例分析；庫存管理案例的中心是解決庫存問題，如果不了解庫存管理理論，是很難進行案例討論的；又比如網絡計劃案例，在討論的時候，學生首先要對網絡計劃技術有所了解，然后才能進行案例分析。

目前好的生產與運作管理案例不多，主要問題是：案例篇幅太長，描述性內容多，真正反映生產與運作管理的實際數據和實際場景模擬少，教學效果不佳。

(5)傳統的計算機輔助模擬實驗教學系統(實驗教學軟件)。采用計算機和多媒體輔助實驗教學，教師可以精心設計教學內容，使復雜問題簡單化，繁瑣問題條理化，抽象問題具體化，具體問題概括化，使教學過程以直觀的形式達到人機一體，便于圍繞某一學習主題進行密集、快速的活動，同時增加了課堂教學的密度和廣度。目前本課程中常用的實驗軟件主要有物料需求計劃／制造資源計劃實驗 (MRP／MRP II)、項 目進度計劃實驗 (PERT)、質量管理實驗 (排列圖、因果圖、直方圖、控制圖)、工作分析與工作研究實驗等。

從近年來的實施情況看，學生對這種傳統的計算機輔助實驗教學開始產生視覺疲勞，興趣逐步減弱。原因在于某些實驗教學軟件只是教學形式的變化，更多的是將重點放在了生產與運作管理活動教學模型的求解上，而對于更為重要的企業業務流程分析、經濟模型構建與咨詢診斷等功能沒有真正體現。實驗過程中，學生只要記住幾個參數，并輸入到軟件規定的相應位置，就可以得出實驗結果，不能真正起到培養學生知識運用能力和創新能力的目的。另一個主要原因是該課程實踐性很強，而高校教師普遍缺乏企業生產管理的實際經驗。某些教師一直從事教學工作，沒有企業的從業經歷，或者即使有一定的生產管理的實際經驗，也由于長期在高校從事教學和學術研究，對企業目前生產運營中的某些實際問題的了解不夠深人。由于實際管理經驗的缺乏，教師容易在教學中造成理論和實踐脫節、枯燥和不生動等問題。

2 虛擬現實仿真技術在“生產與運作管理”教學中的應用

隨著管理思想的發展和新技術、新方法、新成果的不斷涌現，生產與運作管理學科的范圍和內容在不斷拓展，僅僅依靠人的經驗及傳統的計算機技術難于滿足越來越高的要求。基于現代計算機技術及網絡的虛擬現實仿真技術，已經廣泛應用于電力、交通運輸、通信、化工、核能等各個領域。借助虛擬現實仿真技術進行本課程的實驗教學，對企業業務活動進行多維仿真，給學生產生各種感官信號，使學生有身臨其境的感覺，并能使學生與虛擬現實環境之間進行多維信息的交互，從定性和定量結合集成的虛擬環境中獲得企業生產運作活動的感性和理性認識，體驗、接受和認識客觀事物，深化對概念、原理和方法的理解，進而提出設計創意。在制造業生產系統的規劃、設計、運行、分析及改造的整個生命周期，都可以使用虛擬現實仿真技術進行實驗教學，具有代表性的主要有如下幾種。

(1)用于產品研發的仿真實驗。產品研發過程可分為概念設計、細節設計、評審和再設計階段。每一階段又可以細分，如詳細設計可分為總體CAD、零部件 CAD、計算機輔助工程、可制造技術、可裝配性設計等。產品研發過程的仿真實驗就是對上述活動進行模擬，讓學生從進度、資源和成本等指標進行綜合分析，選擇集成的最優方案。

(2)用于車間設施規劃和布局的仿真實驗。根據車間之間和車間內部空間的組織方式，采用虛擬現實仿真技術模擬各種方案，判斷車間整體布局是否能滿足車間調度要求，車間設備是否得到充分利用，負荷是否比較平衡，物料處理系統是否能夠和車間的柔性程度相適應，生產制造運輸費用是否合理等。例如在流水線生產系統的仿真實驗中，運用WITNESS仿真軟件模擬流水生產過程，加深學生對流水線組織設計與技術設計的理解和掌握，讓學生學會對流水線進行控制。目前國內外用于輔助車間生產系統設計的仿真軟件有 PURDUE大學開發的 GCMS，System Modeling公 司開 發的 SIMAN／CINEMA，Auto Simulation公司開發的 AUTOMOD／AUTOGRAM和清華大學開發的 IMMS等。

(3)用于車間生產調度的仿真實驗。車間內部的生產調度問題包括：確定工件的加工路線，確定工件在機器上的加工工藝和加工時間，選擇運輸路線和工具，指派加工工人等。生產調度仿真實驗就是對這些調度問題進行分析和評價，目前已經有一些成熟的軟件可用來仿真調度問題，如 Autosched、JobTimePlus、FACTOR、FACTOR／AIM和 SIMNETD等。我國也已研制開發了用于車間調度層面的仿真軟件，如南開大學研制的JobShop，清華大學與航天部204所等單位開發的工廠仿真調度環境FASE，以及在此基礎上開發的智能規劃調度系統等。

(4)用于物流與供應鏈管理的仿真實驗。從生產線到車問到整個工廠，再到供應鏈系統的庫存、瓶頸、流程、協作和信息共享等方面，通過仿真可以快速改變和優化系統的流程邏輯和決策數據的靈敏度分析。如：在物流系統中配送路線的優化實驗中，運用 WITNESS軟件的設計功能，根據規劃與物流分析的主要內容，以物流系統中運輸成本最小為目標，設計物流系統中的配送路線，使整個配送路線最優，從而達到運輸成本最低；在垃圾回收物流仿真系統設計實驗中，仿真程序研究如何設計物流系統，使收集系統在滿足時間約束、載重約束的條件下，使垃圾處理公司的物流總成本最低。系統涉及的指標主要有車輛載重量、隨車工作人員數和客戶滿意度。

總之，虛擬現實仿真技術在制造業的應用已經貫穿于產品設計開發、生產計劃制定、加工、裝配、測試和銷售的整個生命周期。

除了上述單一企業的生產管理的虛擬現實仿真技術外，用于虛擬企業業務流程集成的虛擬現實仿真技術正成為仿真技術研究的熱點。比較典型的仿真實驗軟件是 CIM—OSA，在應用 CIM—OSA進行供應鏈分析與設計時，系統描述了2個仿真工具的開發和設計。其一是在 Arena仿真平臺上開發的單機后勤仿真器，其二是基于 Internet的虛擬企業內供應鏈集成仿真環境。在基于 Internet仿真器的功能設計上，每個供應鏈模塊包括在線的Intemet應用和離線的信息管理 2個模塊。Intemet系統在通用的www環境下進行開發，以支持各類廣泛應用的Web服務器和瀏覽器。根據不同供應鏈伙伴的不同需求，如在線訂購和在線庫存量檢索等，它們的應用系統將有所不同。

另外，虛擬現實仿真技術的應用也正在向服務業不斷滲透。目前許多高校在生產與運作管理的實驗課程中，都安排了服務業的相關仿真實驗，代表性的是采用 Lanner公司提供的世界領先的仿真工具 WITNESS。通過 WITNESS對實際商業系統 (工業工程、制造工程、運作管理、供應鏈與物流、戰略管理、業務流程)的建模和仿真，讓學生了解不同制造業、服務業的運作流程。通過 WITNESS模型的交互菜單，學生可以作出不同的管理、運作流程項目的設計，并能夠及時運行和獲得系統的效果，給學生提供深刻的流程體驗，使學生能很好地完成生產與運作管理課程的各項設計任務，達到真正提高教學效果的目的。

3 結束語

生產與運作管理是一門實踐性很強的課程，從增加現實場景模擬、加強課堂師生互動、強化理論與實際結合等方面不斷創新多樣化的教學方法，對學生進行實踐技能和科學研究方法的訓練，不僅有助于學生鞏固課堂所學知識，加深對生產與運作管理基本概念、基本原理和分析方法的理解，掌握從事企業生產與運作管理活動的基本技能，而且，能夠拓寬學生的知識領域，鍛煉學生的實踐技能，培養科學嚴謹、求真務實的工作作風。

參考文獻（References)：

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[3]許志端．《生產與運作管理》教學中企業參觀的課程設計[J]．廈門大學學報：自然科學 版，2003，42 (10S)：144—147．

[4]王亞超，馬漢武．生產物流系統建模與仿真 [M]．北京：科學出版社，2006．

篇5

This paper studies on the subject of production line, as well as the optimization methods, and then uses the simulation software Flexsim to make a model and simulate on sofa production line of the Sheng'Ao company, at last, analyse the simulation result, then found the bottlenecks of this production line. On this basis, optimize upon this bottlenecks, not only the operating rate improved dramatically, but also the final output increased a lot. Through the application of the simulation technology, a lot of problems in the modern enterprise can be solved, it can also solve some problems that simple mathematical methods can't, and on this basis to optimize it so the problems can be adequately highlighted in order to be resolved.

KEYWORDS: simulation technology、production line、Flexsim、optimize

正文目錄

第一章 引言 1

第一節 研究背景與現狀 1

第二節 選題的意義 2

第二章 生產線概論 3

第一節 生產線的基本理念 3

一、生產線的概念 3

二、流水式生產線的概念 3

第二節 生產瓶頸 4

一、生產線上的約束 4

二、節拍和瓶頸 4

第三節 生產線評價指標 5

一、生產線最終產量 5

二、操作器的利用率 5

第四節 生產線物流系統仿真方法的優勢 6

一、傳統生產線物流分析方法 6

二、仿真方法的優勢 6

第三章 仿真技術的發展和應用 7

第一節 仿真技術的發展歷史及其特點 7

一、仿真技術的發展歷史 7

二.仿真技術的特點 7

第二節 仿真技術在生產系統中的應用與分類 8

一.仿真技術的應用 8

二.仿真技術的分類 9

第三節 物流相關仿真軟件介紹 10

一、AUTOMOD 10

二、ARENA 10

三、EXTEND 11

四、FLEXSIM 11

第四章 生產線仿真建模 13

第一節 生產線仿真的基本過程 13

一  明確仿真目的 13

二  收集數據 14

三  建立系統的物理模型 14

四  建立系統的邏輯模型 14

五  模型確認 14

六  仿真模型運行 14

七  模型運行結果分析 14

第二節 模型介紹 15

一、圣奧沙發流水線簡介 15

二、沙發制造部工藝流程圖 15

三、模型實體 16

第三節 模型運行及其結果 23

一、仿真模型 23

二、仿真結果 25

第四節 結果分析以及模型改造 31

一、結果分析 31

二、模型改造 32

三、模型改進后的分析 38

第五章 結論與展望 39

參考文獻 40

致 　謝 42

 

第一章 引言

第一節 研究背景與現狀

近年來，隨著國內外市場競爭的激烈，我國加入WTO，企業面臨巨大的挑戰。物流的現代化越來越受到人們的關注。傳統物流是一個流通與制造過程的附屬品，其基本任務僅僅是完成商品流通或制造過程中物料的物理位置的轉移，以確保流通或生產過程的正常運行，因此，物流的各個功能環節長期以來是相互分散和孤立的。現代流通與生產過程則是更加注重整體的效益。物流作為一個多因素、多目標的復雜系統，追求其整體的優化是一個復雜的系統分析問題?，F代物流越來越多的強調物流的系統化合綜合化，現代物流和傳統物流的本質區別逐漸顯現出來。正式由于現代物流的這一特點，尤其需要運用系統分析的方法對其進行分析研究。

生產線即產品生產過程所經過的路線，即從原料進入生產現場開始，經過加工、運送、裝配、檢驗等一系列生產活動所構成的路線。生產線需要接收和處理大量的產品設計、加工、制造資源等信息，合理調度加工零件。傳統的經驗分析和人工調度不能適應復雜系統和現代管理的要求。過去，一個企業有十幾輛、幾十輛車負責產成品的運輸。車輛的調度完全依靠管理人員、調度人員的已有經驗。今后，企業物流逐步走向社會化。企業要降低成本，縮短供貨期，對物流提出了更高的要求。不僅僅滿足于車輛的調配，更需要合理選擇運輸路線、合理配載和返程貨物搭載等。而且，由于生產的逐漸多樣化，服務的客戶化，不再有一成不變的計劃生產，市場不斷變化的生產和供貨，需要管理人員動態調整計劃。人工的、經驗式的管理必須用科學的控制管理方式代替。系統仿真正是適應了物流系統的復雜化、物流目標的多樣化的發展需要。 人們在研究一個較為復雜的系統時，通?？梢圆捎脙煞N辦法:一種是直接在實際系統上進行研究;另一種就是在系統的模型上進行研究。在實際系統上研究固然有其真實可信的有點，但是很多情況下是不合適甚至不可行的。這主要有以下幾方面的原因:

(1)、需要考慮安全性。在研究重要的，涉及人身安全或設備安全的系統時，不允許在實際系統上進行試驗，例如宇航系統，核能系統，航空系統等。

(2)、系統具有不可逆性。有很多系統是不可逆的，例如已經發生的災害，生態系統等。

(3)、投資風險過大。一些重大的工程項目，重大設備系統很復雜，投資巨大，不允許在實際系統上進行破壞性的實驗。

(4)、研究時間過長。多數情況下，在實際系統上研究問題往往需要較長的時間。例如研究復雜的生態系統一般需要數十年;研究一個交通運輸系統也至少需要數天甚至數月。

(5)、真實的系統尚未建成。如果希望在系統規劃設計階段評價方案的優劣，顯然無法在真實系統上進行。

出于以上主要原因，利用模型來研究系統不僅是必要的甚至在某些情況下是唯一可行的方法。

第二節 選題的意義

生產物流系統是企業物流系統的子系統，同時也是制造系統的重要組成部分。生產物流系統的優化不但可以提高企業生產中物流的順暢程度、提高生產效率，還可以降低物料搬運成本；進而提高企業的成本、質量、交貨期等各項系統性能指標。由于生產系統的復雜性、動態性和隨機性，數學解析方法無法對整個生產系統的諸多特征進行建模，也就無法準確地進行投產方案的計算和優化。而系統仿真以相似論、計算機科學、概率論、數理統計和時間序列分析等為理論基礎，能夠真實地仿真隨即時間，實時模擬生產系統的動態特性[1]，再現或預測所需的生產系統特征。

而Flexsim是一套系統仿真模型設計、制作與分析工具軟件。它集計算機三維圖像處理技術、仿真技術、人工智能技術、數據處理技術為一體，專門面向制造、物流等領域。運用Flexsim系列仿真軟件，可在計算機內建立研究對象的系統三位模型，然后對模型進行各種系統分析和工程驗證，最終獲得優化設計或改造方案。

本文以圣奧有限公司沙發生產線為例，通過仿 真軟件Flexsim建立生產線仿真模型，進行物流和調度仿真，瓶頸設備和故障分析與生產線能力評估，為生產線規劃與布局及生產調度計劃制定提供可靠的科學依據。而用仿真軟件做生產線優化還可以可以減少成本，三維效果好，最重要的是仿真優化結果明顯。第二章 生產線概論

第一節 生產線的基本理念

一、生產線的概念

產品生產過程所經過的路線，即從原料進入生產現場開始，經過加工、運送、裝配、檢驗等一系列生產活動所構成的路線。狹義的生產線是按對象原則組織起來的，完成產品工藝過程的一種生產組織形式，即按產品專業化原則，配備生產某種產品（零、部件）所需要的各種設備和各工種的工人，負責完成某種產品（零、部件）的全部制造工作，對相同的勞動對象進行不同工藝的加工。

生產線的主要產品或多數產品的工藝路線和工序勞動量比例，決定了一條生產線上擁有為完成某幾種產品的加工任務所必需的機器設備，機器設備的排列和工作地的布置等。生產線具有較大的靈活性，能適應多品種生產的需要；在不能采用流水生產的條件下，組織生產線是一種比較先進的生產組織形式；在產品品種規格較為復雜，零部件數目較多，每種產品產量不多，機器設備不足的企業里，采用生產線能取得良好的經濟效益。

二、流水式生產線的概念

流水線是指勞動對象按照一定的工藝路線，順序的通過各個工作地，并按照統一的生產速度(節拍)完成工藝作業連續的、重復的生產過程。

流水生產方式是把高度的對象專業化生產和勞動對象的平行移動方式有機結合起來的一種先進的生產組織方式。

單品種流水生產線又稱不變流水線，指流水線上只固定生產一種制品。要求制品的數量足夠大，以保證流水線上的設備有足夠的復合。

多對象流水生產有兩種基本形式。一種是可變流水線，其特點是在計劃期內，按照一定的間隔期，成批輪番生產多種產品;在間隔期內，只生產一種產品;在完成規定的批量后，轉生產另一種產品。另一種是混合流水線，其特點是:在同一時間內，流水線上混合生產多種產品。按固定的混合產品組組織生產，即將不同的產品按固定的比例和生產順序編程產品組。一個組一個組地在流水線上進行生產。

第二節 生產瓶頸

一、生產線上的約束

生產線的生產過程是一個按照生產工藝安排的有序過程。因此，可完成生產作業要素受到一定程度上的限制。例如，在安裝儀器或者設備外殼前需要裝上電動機。進行生產線平衡時，除了考慮優先約束之外還應考慮非生產工藝的約束：      

(1)區域約束。它時與生產工位布置有關的限制，分為正區域約束和負區域約束。正區域約束是指某些確定的作業要素應該彼此就近設置;負區域約束是指作業要素之間相互干涉，在位置上不應靠近的限制條件。

(2)位置約束。在大型的生產線上，如汽車的裝配線上，由于產品比作業人員可完成的裝配作業空間大，不能完成其周邊的裝配作業，產品裝配作業受到空間的限制。

二、節拍和瓶頸

流程的“節拍 ”（Cycle time）是指連續完成相同的兩個產品（或兩次服務，或兩批產品）之間的間隔時間。換句話說，即指完成一個產品所需的平均時間。節拍通常只是用于定義一個流程中某一具體工序或環節的單位產出時間。如果產品必須是成批制作的，則節拍指兩批產品之間的間隔時間。在流程設計中，如果預先給定了一個流程每天（或其它單位時間段）必須的產出，首先需要考慮的是流程的節拍。

而通常把一個流程中生產節拍最慢的環節叫做“瓶頸”（Bottleneck）。流程中存在的瓶頸不僅限制了一個流程的產出速度，而且影響了其它環節生產能力的發揮。更廣義地講，所謂瓶頸是指整個流程中制約產出的各種因素。例如，在有些情況下，可能利用的人力不足、原材料不能及時到位、某環節設備發生故障、信息流阻滯等，都有可能成為瓶頸。正如“瓶頸”的字面含義，一個瓶子瓶口大小決定著液體從中流出的速度，生產運作流程中的瓶頸則制約著整個流程的產出速度。瓶頸還有可能“漂移”，取決于在特定時間段內生產的產品或使用的人力和設備。因此在流程設計中和日后的日常生產運作中都需要引起足夠的重視， 注意生產線平衡的持續改善。

與節拍和瓶頸相關聯的另一個概念是流程中的“空閑時間”（idle time）。空閑時間是指工作時間內沒有執行有效工作任務的那段時間，可以指設備或人的時間。當一個流程中各個工序的節拍不一致時，瓶頸工序以外的其它工序就會產生空閑時間。這就需要對生產工藝進行平衡。制造業的生產線多半是在進行了細分之后的多工序流水化連續作業生產線，此時由于分工作業，簡化了作業難度，使作業熟練度容易提高，從而提高了作業效率。然而經過了這樣的作業細分化之后，各工序的作業時間在理論上，現實上都不能完全相同，這就勢必存在工序間節拍不一致出現瓶頸的現象。除了造成的無謂的工時損失外，還造成大量的工序堆積即存滯品發生，嚴重的還會造成生產的中止。

為了解決以上問題就必須對各工序的作業時間平均化，同時對作業進行標準化，以使生產線能順暢活動。“生產線工藝平衡”即是對生產的全部工序進行平均化，調整各作業負荷，以使各作業時間盡可能相近。是生產流程設計與作業標準化必須考慮的最重要的問題。生產線工藝平衡的目的是通過平衡生產線使用現場更加容易理解“一個流”的必要性及“小單元生產”（Cell production）的編制方法，它是一切新理論新方法的基礎。

第三節 生產線評價指標

在生產線平衡中，通常可以使用生產線最終產量、工作時間、利用率、空閑率、阻塞率等幾個指標來比較和評價生產線平衡的結果，而本文中主要用到生產線最終產量和操作器利用率這兩個指標。

一、生產線最終產量

生產線的評價指標之一為該條生產線最終的產量。一般而言，最終產量越多越好，本文中模型改進前后對比的評價指標之一就是生產線的最終產量。不過，現實生活中，企業還是要考慮到生產成本問題。如果生產成本投入很大，相對而言，最終產量增加不多，那么就不一定值得投入更多的生產成本的。

二、操作器的利用率

生產線中機器的利用率也是一個很重要的生產線評價指標，一般利用率較高的生產線比較好。試想，如果一條生產線上的機器大多時間都處于空閑或等待之類的 非處理狀態，那就說明這條生產線的利用率不高，存在很大的浪費。本文中模型的第二個評價指標就是機器的利用率，通過模型改造，使得生產線上的各個機器的利用率有大大的提高，充分的使用了其生產能力，沒有造成浪費。

第四節 生產線物流系統仿真方法的優勢

一、傳統生產線物流分析方法

傳統對企業的生產流程的優化，主要集中在生產流程、生產節拍和工藝流程方面的優化，且主要由工藝員根據企業現有的規模，建立實體模型，通過改變其中幾個瓶頸設備來達到優化的目的。這種優化在很大程度上來說，沒有相關理論為指導，多是從生產實際中總結出的一些經驗中得出的，常常是局部的優化，可以說只是些修修補補，并不能從根本上解決企業整體存在的問題。針對企業優化問題，目前用的較多的傳統生產線物流分析方法是對所研究系統建立起相關數學模型，通過數學工具對系統進行優化。

而對生產線進行分析的數學方法包括有運籌學、系統工程等學科。其內容包含有排隊論、目標規劃法、模糊綜合評判法、層次分析法、關系矩陣法等等。不過類似于這些方法，計算量過大，而且有些時候不一定能得出結果，所以存在一定的弊端。隨著生產系統越來越復雜，越來越多采用仿真方法。

二、仿真方法的優勢

對于比較復雜的工藝流程，僅用數學方法往往不能發現工藝流程中的瓶頸，因而也無法為系統優化提供依據。因此，需要通過仿真技術的應用，對工藝流程建立仿真模型、設置參數，來實現工藝流程的仿真，從而找到瓶頸，再通過優化方法消除流程中的瓶頸。因為對物流系統的仿真能將制造廠內生產的實際情況逼真的再現出來，并結合虛擬制造、虛擬物流的思想，通過對各種模型設備的工作時間、利用率、空閑率、阻塞率等的分析，找出制約整個系統物流的瓶頸因素，再通過改變相關制約因素來達到系統整體的最優，這不僅有效的解決了傳統的數學模型優化不能真實、具體、全面地反映系統運作情況的缺陷，又巧妙的回避了大量不必要的計算，操作起來十分經濟方便。

仿真技術綜合集成了計算機、網絡技術、圖形圖像技術、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制的多個高新科技領域的知識，是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行實驗研究的一門綜合性技術?？捎行У慕鉀Q這種多因素、多目標、多層次的系統優化問題。

第三章 仿真技術的發展和應用

第一節 真技術的發展歷史及其特點

一、仿真技術的發展歷史

系統仿真是建立在系統理論、控制理論、相似理論、數理統計、信息技術和計算機技術等理論基礎之上，以計算機和其他專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實或假想的系統進行試驗，并借助于專家經驗知識、統計數據和系統資料對實驗結果進行分析研究，做出決策的一門綜合性和實驗性的學科。

早在幾千年前，我們的先人就懂得了系統仿真的基本原理。中國象棋就是用于仿真古代戰爭的游戲;軍事沙盤用來仿真兩軍對戰的戰略;建筑中用木模研究實際建筑物的結構與承載性能等。知道20世紀40年代，馮。諾依曼正式提出了系統仿真的概念，隨后1952年美國成立了仿真學會，1963年出版了仿真領域最具權威性的學術刊物《SIMULATION》后，系統仿真之間變成了一門獨立的學科。

二、仿真技術的特點

系統仿真技術是模型(物理的、數學的或非數學的)的建立、驗證和實驗運行技術。現代仿真技術的特點可以歸納為以下幾點:

(1)、系統仿真技術是一門通用的支撐性的技術。在決策者們面對一些重大的，棘手的問題時， 能以其他方法無法代替的特殊功能， 為其提供關鍵性的見解和創新的觀點

(2)、系統仿真技術學科的發展具有相對的獨立性， 同時又與光、機、電、聲， 特別是信息等眾多專業技術領域的發展互為促進。因此系統仿真技術具有學科面廣、綜合性強、應用領域寬、無破壞性、可多次重復、安全、經濟、可控、不受氣候條件和場地空間的限制等獨特優點， 這是其他技術無法比擬的。

(3)、系統仿真技術的發展與應用緊密相關。應用需求倩影、系統帶技術、技術促系統、系統服務于應用，這是一個辯證的關系。應用需求是推動系統仿真技術發展的原動力， 系統仿真技術應用效益不但與其技術水平的高低有關， 還與應用領域的發展密切相關。大量實例證明， 系統仿真技術的有效應用必須依托于先進的仿真系統， 只有服務于應用的仿真系統向前發展了， 才能帶動系統仿真技術的發展。

(4)、系統仿真技術應用正向全系統、系統全生命周期、系統全方位管理發展， 這些都給予仿真技術的發展。

第二節 仿真技術在生產系統中的應用與分類

一、仿真技術的應用

仿真在生產中的應用，主要依賴于生產力發展水平的提高。對簡單的生產過程和系統， 以人工操作為主的生產，仿真顯示不出其突出的優點。然而，隨著生產自動化水平不斷提高， 生產系統越來越復雜。生產節奏越來越快，生產管理者對生產改進的每一決策，都需謹慎考慮。措施不當，往往需付出高昂的代價。而正是由于系統的復雜性、快節奏和柔性，要想預測每一種決策給系統帶來的后果。已是人的大腦無法勝任的了。仿真技術正是彌補了這一不足，成為現代生產系統的有用工具，成為生產管理人員的得力助手。仿真在制造業中的應用，主要有以下幾方面：

1．生產系統的規劃設計

在一個新的生產系統建立時，往往要對該生產系統的方案設計進行評價。除了其它的系統設計與評價方法外，仿真是最常用的一種方法。對新系統建立模型，動態運行此模型，從而找到系統方案存在的問題。多次修改參數與運行，可以尋求一個較優的設計方案。

2．物料的管理

復雜、快節奏的生產系統。物料的管理往往是十分復雜的。不同的物料管理策略，會產生不同的效果。策略得當，可以保證生產系統均衡的生產，保證物料適時、適量的供應。反之，會造成生產物流的失調，或出現積壓浪費，或出現供料不足。通過物料管理策略仿真， 可以確定出最恰當的物料管理方案。

3．生產系統的協調

多工序、多設備的復雜生產線。各加工工序生產節奏一般是不協調的。這種不協調會嚴重影響生產系統整體效率。協調各工序的生產節拍，充分發揮所有生產設備和人力資源的潛力， 力求系統生產的總體高效率，是生產中最常見的難題。仿真可以幫助人們迅速 找到生產的瓶頸，通過采取相應措旖，消除瓶頸，協調生產。

4．生產計劃摸擬

企業、公司在制訂計劃時，為了預測計劃下達后的效果，一般都采用定量分析的方法，通過分析來評價計劃的合理性。仿真是定量分析方法中應用最廣泛的。

5．生產成本分析

仿真可以模擬生產的動態過程。如果將成本作為一個基本變量，生產過程的模擬可以得到生產成本的統計性能。改變參數，多次仿真可以尋求降低成本提高生產率的較優方案。

生產線作為生產系統的重要組成部分，仿真技術在其中的應用同樣十分廣闊，從原料管理，工具管理，生產設備規劃，控制生產吞吐等。

二、仿真技術的分類

系統仿真可以有很多種分類方法。

①．按模型的類型可以分為連續系統仿真、離散事件系統仿真、連續/離散混合系統仿真和定性系統仿真;

②．按仿真的實現方法和手段及模型的種類，可以分為物理仿真和數學仿真;

③．根據人和設備的真實程度，可以分為實況仿真、虛擬仿真和構造仿真等;

連續系統仿真和離散時間系統仿真是根據系統狀態變化的不同而進行分類的。連續系統仿真是指系統狀態隨時間連續變化的系統的方針;離散事件系統仿真則是指系統狀態值在一些時間點上發生變化的系統的方針。在系統仿真技術的發展歷史中，連續系統仿真較早得到發展和成熟的應用。最為成熟的領域包括自動控制，電力系統，宇航，航空等。離散事件系統仿真是隨著管理科學的不斷發展和先進制造系統的發展而逐漸被重視和發展起來的。目前，在交通運輸管理，誠實規劃設計，庫存控制，制造物流等領域都開展了離散事件系統仿真的理論和應用研究。

物理仿真是建立系統的物理模型。最早的仿真起源于物理仿真，例如航空飛行用空洞實驗研究氣流對飛機飛行的影響。數字仿真則是通過建立系統的數學模型進行研究。數學仿真又分為模擬仿真和數字仿真。數字仿真就是建立系統的數字模型。由于數字仿真依賴于計算機，并需要處理大量數據，要求能快速計算，因此數字仿真是隨著計算機的發展而形成和不斷成熟起來的。隨著計算機的發展，數字仿真的研究和應用在系統仿真中占有越來越大的比重。

國外工業發達國家系統仿真技術的應用非常普遍。20世紀90年代初，美國提出了22項國家關鍵技術，系統仿真技術被列為16項;美國國防部提出了21項國防關鍵技術，系統仿真技術被列為第6項。美國已經嚴格規定所有重要的武器研究，必須進行仿真實驗后才可投入正式生產和使用。

根據20世紀80年代末的統計，比人企業運用系統工程解決管理和決策問題時，采用系統仿真方法的已經超過80%。英國制造業也普遍采用系統仿真方法解決無聊控制、人力配置、調度評估、投資策略以及均衡生產等問題。根據國外應用統計，運用系統仿真油畫系統設計規劃可減少投資約30%，在庫存控制方面科減少庫存約15%。

第三節 物流相關仿真軟件介紹

一、AutoMod

AutoMod仿真軟件是由美國Brooks Automation公司出品，目前最新版本是11.2。 其研發基地位于猶他州的鹽湖城，于上世紀80年代開始研發，目前已成為國際上產品較成熟、應用較廣泛的仿真軟件之一。 AutoMod的應用覆及汽車、家電、造船、化工、煙草、圖書等制造業領域，軍事、核工業等國防領域，以及郵政通信、港口、航空、倉儲、配送、物料操作等物流及其他服務行業和領域。AutoMod是一款比較成熟的離散事件系統仿真軟件，可完成對制造系統、倉儲系統、物料處理、企業內部物流、港口、車站、空港、配送中心，以及控制系統等的仿真分析、評價和優化設計等。

二、Arena

Arena是美國System Modeling公司于1993年開始就基于仿真語言SIMAN

及可視化環境CINEMA研制開發的可視化交互級城市商業化仿真軟件，為不同需求的用戶開發有多種產品類型。

作為通用的可視化仿真環境，Arena的應用范圍十分廣泛，集合覆蓋了可視化仿真的所有領域。在物流領域，Arena的應用涉及從供應商到客戶的整個供應鏈，包括供應商管理、庫存管理、制造過程、分銷物流、商務過程以及客戶服務等。在制造過程仿真應用中，Arena常用來進行四個方面的仿真分析:①生產過程中的工藝過程計劃、設備布置等;②生產管理中的生產計劃、庫存管理(如庫存規劃、庫存控制機制)等;③制造過程的經濟性、風險性分析，降低成本或輔助企業投資決策等;④各種先進制造模式如虛擬組織與敏捷供應鏈管理的可視化仿真等。

三、Extend

Extend系統仿真軟件是由美國Imagine That公司開發的通用仿真平臺。Extend目前有連續、離散、工業和套裝四個版本的商業產品。Extend提供了自成一體的集成環境，為不同層次的用戶提供了多種工具，并且Extend的模塊可以很容易地搭建并組合在一起，大大方便了建模。Extend在眾多行業得到企業、學校和政府的廣泛認可。其應用領域包括通訊、制造、服務、衛生、物流和軍事等行業。

Extend提供了輸入建模、運行仿真模型、數據分析等基本功能。Extend提供了模塊化的建模功能，用戶可以采用軟件提供的基本模塊，或者自己建立的模塊搭建模型。此外，Extend包含了以個基于消息傳遞的仿真引擎，提供迅速的模型運行機制和靈活建模機制。Extend采用2D的建模與仿真顯示功能，建立的模型和方針運行都顯示二維的畫面。Extend的方針運行支持及時的參數修改，能夠及時看到修改參數后的運行情況。Extend也停工了專門的StatFit數據你和功能，輔助用戶進行各種類型的輸入數據的處理和分析。

四、Flexsim

Flexsim是一款通用離散仿真軟件，被用來對若干不同行業不同系統進行建模和仿真。據粗略估計，大約500個Fortune企業中的一般為Flexsim的客戶，包括General Mills， Daimler Chrysler， FedEx等一些著名企業。

Flexsim是一套系統仿真模型設計、制作與分析工具軟件。它集計算機三維圖像處理技術、仿真技術、人工智能技術、數據處理技術為一體，專門面向制造、物流等領域。運用Flexsim系列仿真軟件，可在計算機內建立研究對象的系統三位模型，然后對模型進行各種系統分析和工程驗證，最終獲得優化設計或改造方案。

Flexsim是新一代離散時間系統仿真的有效工具。面向對象的建模方式使得建模過程更為快捷，只需通過圖形的拖動和必要的附加程序就可以快速的建立起系統的模型。軟件提供了豐富的物理單元，如處理器、操作員、堆垛機、貨架等，大大方便了用戶的建模。所建立的物理仿真模 型可以用三維動畫方式表現出來。

目前，Flexsim軟件已經在物流及生產制造領域里成功的進行了多種系統的建模與仿真分析，如配送中心的揀選仿真、倉儲出入庫仿真、產品庫分揀仿真、生產物流系統仿真、高速公路交通仿真、集裝箱碼頭仿真、機場仿真、城市應急系統仿真等。

以下是運用Flexsim成功解決的一些問題：

• 提高設備的利用率

• 減小等待時間和排隊長度

• 有效分配資源

• 消除缺貨問題

• 把故障的負面影響減至最低

• 把廢棄物的負面影響減至最低

• 研究可替換的投資概念

• 決定零件經過的時間

• 研究降低成本計劃

• 建立最優批量和工件排序

• 解決物料發送問題

• 研究設備預置時間和改換工具的影響

• 優化貨物和服務的優先次序與分派邏輯

• 在系統全部行為和相關作業中訓練操作人員

• 展示新的工具設計和性能

• 管理日常運作決策

Flexsim采用面向對象技術，并具有3D顯示功能。建模快捷方便和顯示能力強是Flexsim仿真軟件的重要特點。該軟件提供了原始數據擬合、輸入建模、圖形化的模型構建、虛擬現實顯示、運行模型進行仿真實驗、對結果進行優化、生成3D動畫影像文件等的功能，也提供了與其他工具軟件的方便接口。第四章 生產線仿真建模

第一節 生產線仿真的基本過程

        生產線仿真的基本流程如圖4-1:

 

圖4-1 生產線仿真基本流程

一、明確仿真目的

建立生產線仿真首先要明確仿真的目的，這樣才能避免對仿真過程中不必要細節的糾纏，突出問題的重點。

二、收集數據

數據收集包括收集與系統輸入輸出有關的數據以及反應系統各部分之間關系的數據:包括各個生產線的相互關系、生產時間、準備時間、加工零件路徑關系等。這是保證以后Flexsim生產線模型能真正反映真實生產線模型的必要條件。

三、建立系統的物理模型

由Flexsim 中提供的各類資源來模擬生產線設備及產品。

四、建立系統的邏輯模型

通過connect 屬性連接各實體， 以及對各實體參數的設置及編程， 實現一定產品加工順序及不同品種的生產順序。

五、模型確認

確認是確定模型是否正確代表實際系統，把模型及其特性與現實的系統及其特性比較的全過程。對模型的確認工作往往是通過對模型的矯正來完成，比較模型和實際系統的特性是一個迭代的過程。這個過程重復進行直到認為模型準確為止。

六、仿真模型運行

仿真運行就是將系統的仿真模型放在計算機上運行。在運行過程中了解模型對各種不同的輸入數據以及不同的仿真機制輸出響應的情況。

七、模型運行結果分析

對仿真結果分析是確定仿真實驗中所獲得的數據是否合理和充分，是否滿足系統的目標要求，同時將仿真結果整理成報告，確定比較系統不同方案的準則、實驗結果、數據的評價標準和問題可能的解，為系統方案的最終決策提供輔助支持。

第二節 模型介紹

一、圣奧沙發流水線簡介

本模型以圣奧集團有限公司旗下的沙發流水線為實體模型。圣奧現有各類沙發共33款，其中6款為外購產品，25款為自行研發生產，淘汰2款。主要產品類別有: 厚重、氣派沙發系列；高層主管(皮質) 穩重、時尚、簡約沙發系列；各階層(皮質及仿皮)貴賓、休閑沙發系列:訪客、會客(布藝及皮質)。

二、沙發制造部工藝流程圖

  

圖4-2  沙發制造工藝流程圖

    該生產線的流程為圖4-2所示。主要步驟有來料檢驗、材料入庫、開料、釘架、打帶、裁綿、裁剪、車縫、噴膠貼綿、成型安裝、包裝。而開料、釘架和打帶是對板材進行處理的。裁綿和車縫是對皮料進行處理的。而各流程的先后順序以及組合方式就如圖4-2所示。

三、模型實體

表4-1 模型實體介紹

模型元素 系統元素 備注

Flowitem 原料 默認生成原料

Processor 

機器 進行不同的參數定義以表征不同機器組中的機器

Queue 暫存區 暫時存放貨物的區域

Conveyor 傳送帶 用來傳送被加工對象

Source 原材料庫 原材料的始發處

Sink 成品庫 原料加工后的最終去向

(一)加工工藝及設備:

開料------根據產品、設計、工藝技術要求畫板、用開料鋸、帶鋸將板材鋸成所需求規格形狀(數量、品質)，機械設備及工具:帶鋸機、推臺鋸、橫截鋸、壓刨機。

開綿------根據設計技術、樣板要求，用電剪將海綿簡稱所需求規格的產品部件，機械設備及工具:電剪

裁剪------根據技術設計要求，用裁剪工具將皮料和面料裁成所需規格的產品部件，機械設備及工具:電剪，剪刀

車縫------根據設計技術要求，對各型號的產品進行縫合，機械設備及工具:縫紉機、鎖邊機、雙針機

釘架------根據工藝技術要求，對已開好的料進行拼接，機械設備及工具:馬釘槍、直釘槍

貼綿------根據設計技術要求，對已釘好的沙發架加貼海綿、造型

成型------對已貼好綿的沙發進行們皮和組裝，對沙發進行初步的成型

安裝------根據工藝要求對需要組裝的產品進行安裝固定以達到工藝要求

包裝------根據工藝要求對檢驗合格的產品進行包裝以達到工藝需求。

(二)模型假定:

由于工序較多，所以我將生產線中對板材的操作步驟(開料-釘架-打帶)合并為一個過程，簡稱為板材操作，假定存在一板材處理器，能完成此三個程序。同理，將對皮料進行操作的步驟(剪裁-車縫)合并為一個過程，簡稱為皮料處理器。由于貼綿過程只有一道，所以就不需要合并。此外，圣奧沙發生產流水線上是一個流程一個人負責的。所以因為我把對板材的處理合并為一個流程，所以設定有1個操作員操作該流程。同理可得，裁綿區1人操作，皮料處理區1人操作。綜上，整條沙發生產線所需的操作員共有6人。

表4-2  車間生產線機器與操作人員明細表

機器名稱 數量 操作人員數

板材處理器 1 1

裁綿器 1 1

皮料處理器 1 1

噴膠器 1 1

成型安裝器 1 1

包裝器 1 1

沙發生產線首先從原料倉庫取材料。由于生產線流程中有來料檢驗這一步驟，我假設原材料的產品合格率為99%，即只有1%的產品，由發生器隨機發送。而與發生器連接的第一個暫存區是存放合格品的，第二個暫存區是存放不合格品的，進入生產線的原材料是由第一個暫存區發出的，因此就不存在有出現有次品進入生產線的問題。板材處理的總時間為各步驟的總和(即開料時間+釘架時間+打帶時間)為702s。裁綿時間為78s，皮料處理時間(即裁剪時間+車縫時間)為367s。當板材和綿料都處理完畢后，以1:1的比例進 行噴膠貼綿操作，該過程處理時間為345s。完成后，與處理完畢的皮料進行成型安裝，需要時間380s。最后進行成品包裝，需時256s。當上述步驟都完成后，將成品入庫。

模型的布局如圖4-3:

 

圖4-3 模型布局圖

 

圖4-4  模型透視圖

(三)運行時間:

假定沙發生產線是一周7天都工作，每天工作時間為24個小時，采用班組輪換制度進行運作?？傆嬕淮畏抡鏁r間為168小時(7*24=168)，即604800s(168*60*60=604800s)。

(四)參數設置:

1.發生器source的參數設置為服從正態分布，均值為50，方差為2。

2.操作器處理時間服從常數分布。

3.除了裝載廢品的暫存區最大容量為1000，其他暫存區最大容量均為100。

4.由于有來料檢驗環節，我假定來自原料倉庫的材料合格率為99%，所以在發生器的臨時實體流分頁中的送往端進行設定。如圖4-5:

 

圖4-5  發生器參數設置圖

5.設定第一臺合成器操作之后實體顏色改為黃色，自定義顏色為(R=255，G=255，B=0)。

6.第一臺合成器設置:

 

圖4-6  合成器一設置圖

 

圖4-7合成器一參數設置圖

7.第二臺合成器處理過后顏色設置為白色，即(R=255，G=255，B=255)。

 

圖4-8 合成器二參數設置圖

第三節 模型運行及其結果

一、仿真模型

由于本文的模型是以一周為一個模型周期的，因此我們用到Flexsim實驗控制器的這個功能，實驗控制器的參數設定如圖4-9:

 

圖4-9  實驗控制器設置圖

運行中的模型截圖4-10。

 

圖4-10  運行中的模型立體圖

仿真結束時間為604813.30s。

 

圖4-11  運行中的模型俯視圖

該模型場景運行五次之后，觀察的最終產量為860。如圖4-12:

 

圖4-12  最終產量圖

二、仿真結果

(一)板材處理器:

由于在該生產線仿真模型中，我們假設的原料供應是得到充分保證的。如圖4-13所示，板材處理器基本上處于滿負荷狀態，即一直在進行操作。

 

圖4-13 板材處理器狀態圖

(二)裁綿器:

從圖4-14可以看出裁綿器有大量空閑，空閑率超過50%。

 

圖4-14 裁綿器狀態圖

(三)皮料處理器:

皮料處理器利用率也不高，大部分時間還是處于空閑狀態。

 

圖4-15 皮料處理器狀態圖

(四)噴膠貼綿器:

噴膠貼綿器的工作效率也不高，處理率只有近50%，大部分時間都是在收集。有前面幾個操作器的狀態可知，由于板材操作器的工作時間過長，導致裁綿器已經工作完成而它還沒有操作完成。此外，噴膠貼綿器又是要由板材操作器和裁綿器都工作完后才能將處理過后的材料進行合成，所以它大部分時間都在等待經板材操作器處理過后的材料。

   

圖4-16 噴膠貼綿器狀態圖

 

(五)成型安裝器:

成型安裝器的狀態和上一個噴膠貼綿器狀態相差不多，原因也相似。由于皮料處理器工作時間相對不是特別長，且工序只有一道，而噴膠貼綿器以及之前的操作不僅操作時間久，而且工序也有兩道，所以成型安裝器這里大部分時間都在等待噴膠處理過后的材料。皮料處理過后的材料也得閑置著，等待著進行合并。

 

圖4-17 成型安裝器狀態圖

(六)包裝器:

由于成型安裝器那里大部分時間都在等待，所以會造成包裝器大部分時間都是空閑的，只有等待成型安裝器安裝完成之后才能進行操作，所以利用率不高，空閑率過高。

 

圖4-18包裝器狀態圖

第四節 結果分析以及模型改造

一、結果分析

由上述狀態圖可以看出，由于板材操作器的處理時間相對于裁綿器和皮料處理器的時間過長，所以導致同一層次的裁綿器和皮料處理器的空閑時間太大，操作率不高。而且，由于板材操作器的處理時間過長，導致噴膠貼綿器的大部分時間都在等待它操作完成。連鎖反應，最后的成型安裝器大部分時間久在等噴膠貼綿器操作結束。這樣以來，最后的包裝器大多時間都是空閑的。只有前一步驟的成型包裝器完成了之后它才運作。

    因此，這條生產線的生產瓶頸就在板材操作器那里。由于生產時間過長，導致整條生產線的利用率不高。其他操作器空閑率過大，利用率很低，而且合成器的大部分時間都是在等待。因此，本文的模型改造主要對板材操作器進行改造的。

下圖就可以看出裁綿器后的暫存區十分擁堵。 

圖4-19運行中的模型圖

二、模型改造

針對上述的結果分析，本文對模型進行以下改造:

(一)由于板材操作器是生產瓶頸，所以在模型中增加一臺同類型操作器。此外進行技術革新，使其操作時間簡短，改造后每臺機器的操作時間為300s。

(二)在皮料處理器之后使用一跳傳送帶，并設定速度為1m/s。這樣就使得皮料處理完成之后不會馬上擁堵到暫存區。

模型改造后的立體圖如下:

 

圖4-20改造后的模型立體圖

改造后的模型運行中的圖:

 

圖4-21改造后的模型運行圖

模型運行結果中各操作器的狀態:

板材操作器1:

 

圖4-22改造后的板材操作器一的狀態圖

板材操作器2:

 

圖4-23改造后的板材操作器二的狀態圖

裁棉器:

 

圖4-24改造后的裁綿作器的狀態圖

皮料處理器:

 

圖4-25改造后的皮料器的狀態圖

噴膠貼綿器器:

 

圖4-26改造后的合成器一的狀態圖

成型安裝器:

 

圖4-27改造后的合成器二的狀態圖

包裝器:

 

圖4-28改造后的包裝器的狀態圖

最終產量:

 

圖4-29改造后的最終產量圖

三、 模型改進后的分析

    從上面的狀態圖中可以發現，各操作器的操作率有明顯提高，并且最終產量提高了將近一倍。原先一次仿真結果產量為860。增加一臺板材處理器之后仿真后的產量為1586，產量增加了84.4%。這個結果十分理想。因此，在設備和人員方面增加投入，換來產量的飛速增長是很值得的。

改造前后的產量比較:

 

圖4-30改造前的最終產量圖

 

圖4-31改造后的最終產量圖

第五章 結論與展望

通過對中國圣奧有限公司的沙發制造車間的生產線調查，運用Flexsim軟件進行該生產線的模擬仿真，并設置參數，從最終的仿真結果中發現該生產線的不足。如板材處理器的生產瓶頸，經過仔細分析，最終在板材處理該環節上提高其生產能力，即增加一臺板材處理器，分擔部分原材料，并且進行技術革新，使得單板材處理環節的處理時間有所剪斷。改造后的模型運行結果十分理想，不僅各個操作器的忙閑率有所提高，處理率增加了，空閑率降低了，最明顯的改進結果就是其最終產量，由原先的860增加到1586，將近增加了一倍，表明使用仿真軟件能夠用方便的找出瓶頸，并且可以明顯的對比改造前后的結果。

實體制造企業的生產線是一個十分復雜的系統，其決 策變量十分多，并且一般不是單一目標的系統，而是個多目標的系統。此外，會有很多不定性因素，所以單純的數學方法很難對其進行準確分析并且找出不足。因而對生產線的建模和仿真是必不可少的。Flexsim的特點就是三位可視化效果好，操作也比較簡便，實體類型豐富，數據選擇也比較齊全，對于生產線仿真十分適合。

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．北京：清華大學出版社，2005．

致 　謝

本學位論文是在我的導師曹玉華老師的親切關懷和悉心指導下完成的。無論是從課題的選擇到論文的完成，都包含了曹老師的細心的指導和不懈的支持。完成論文所需的Flexsim軟件正是通過曹老師的幫助才得以使用，對于完成論文中實證部分起到了至關重要的作用。在論文的完成過程中，曹老師給予了我很多的指導，并指正了我在論文寫作過程的錯誤；在論文完成后，曹老師又幫助我查找了論文中出現的錯誤。在這里謹向曹老師致以最真誠的謝意和崇高的敬意。

篇6

關鍵詞：仿真計算機；實施網絡技術；應用

中圖分類號：TP391.9

計算機技術自誕生之日距今已經有六十多年來，經過六十多年的快速發展，已經以其實用性和便利性成為了生產生活中不可缺少的重要工具。三維視景仿真技術作為計算機技術中的重要類別，由于其具有較高的經濟性、實用性等顯著特點而受到人們的普遍青睞。計算機仿真技術是運用計算機科學，建立被仿真對象的系統模型，在一定的條件下對被仿真對象進行動態實驗的一項高端、綜合性技術。人們可以利用這種實驗獲得盡量逼真的信息。根據最新的統計數據，仿真計算機技術已經在各個領域得到了最為普遍的運用，并且創造了虛擬現實這樣的流行詞匯。三維視景仿真技術在計算機仿真技術的全部技術應用中占有很大的比例，其融合了圖片處理、多媒體、信息合成、顯示等最新的高端技術，具有非常強大的功能和廣泛的應用前景。

1 專用數字仿真計算機的特征

由于不同的反震計算機具有不同的內存容量、接口、運算速度等特點，因此，在半實物反正計算機系統中曾先后采用了模擬計算機、數?；旌嫌嬎銠C、專用數字仿真計算機等不同特性的仿真計算機。我國的YE―2和AD100等仿真計算機代表了當前仿真計算機在國內的最高水平，目前，已經在精確制導武器等高、精、尖領域得到了十分普遍的應用。

1.1 專用數字仿真計算機的特征。YE―2和AD100等兩類專用數字仿真計算機具有如下特征：一是在專用數字仿真計算機中運用了異構同步并行多處理機和廣播型數據總線的方式，從而提高了專用數字仿真計算機的存儲容量，從而提高了其運行速度。二是專門為專用數字仿真計算機設計了仿真語言，此種仿真語言簡單、實用，編程簡便，并且在其中還增加了數值積分算法模板，提高了使用效率，三是接口形式的多樣化以及接口提取速度的穩定性，都保證仿真系統可以實現無仿真計算機的無縫對接，使得技術的硬件系統的得到有效的保障。除此之外，其還存在著能夠為精確仿真計算幀時進行定時的優勢。

1.2 專用數字仿真計算機的缺陷。YE―2和AD100等兩類專用數字仿真計算機具有如下缺陷：一是數字接口技術還存在不足。專用數字仿真計算機能夠提供十分全面的接口，但這些接口基本還是使用了模擬量接口，數字接口儀可以適用的總線形式不多，同時，接口在傳輸速度和距離等多種方面存在不足的情形，不能很好地滿足專用數字仿真計算機的使用需求。二是維護起來不方便。由于該類型的專用數字計算機運用了專門的設計構造，因此，該類型的專用數字仿真計算機和一般的計算機存在比較大的區別，在進行維護時，需要專門的熟悉該中計算機的人員進行維護，一旦該計算機出現故障，需要維修，其所需要耗費的時間較長，耗費的費用較大。因此，可能會對實驗的進度造成不利的影響，需要予以注意。

1.3 仿真計算機的未來發展方向。專用數字仿真計算機在經歷過一段發展后，由于其存在的缺陷較多，已經無法完全滿足實際的需要。仿真控制設備以及管理中使用的計算機都具有形式多樣的應用軟件和各種類型的接口。提高專用數字仿真計算機系統應用的關鍵是尋找到一種新型的模式，使其既具有專用數字仿真計算機的優勢，而且還能滿足高速實時數字接口的使用需要。當然，這樣的需要也是航空精確制導武器中對仿真計算的需求，也是仿真計算機未來發展的方向。

2 仿真技術及實時網絡技術的發展

2.1 實時網絡技術應用。雖然高速接口形式比較多，可是仿真計算機系統在應用中還需要考慮信息共享，也就是多臺設備可以共享信息。比如，對于某個目標信息而言，需要使用到特征信號生成設備、目標移動仿真設備以及數據鏈傳輸仿真設備等。由于仿真計算機系統十分復雜，系統內信息的交換很多，因此，使得系統設備的規模比較大。由于仿真計算機信息處理上的上述特點，因此，傳統的點對點的接口形式不應當采用。但廣播式、網絡式等交互式接口形式可以滿足仿真計算機的上述特點和要求。對于精確制導武器中所運用的半實物仿真系統而言，還要求各個信息節點能夠實現信息的同步更新，也就意味著，信息傳輸的要具有很高的時效性，傳輸過程中盡量減少延遲。光纖反射內存映射式實時網絡技術，也就是RT―net，通過研究分析，基本可以達到半實物仿真系統的要求。這種技術的特點是通過映射式的信息傳達技術，將信息節點中某一個節點的信息能夠自動映射到全部信息節點。因為映射的過程由硬件主導，系統信息傳輸的延遲較小。延遲較小也就意味著信息傳輸的高速性，也就能滿足信息同步跟新的需求。這種RT―net網絡通常具有兩種拓撲網絡結構。第一種是環行拓撲，第二種是星型網絡結構，也就是通過由HUB實時連接的網絡。RT―net網絡技術將信息數據傳輸到任何一個信息節點的遲延較小，能夠滿足信息同步更新的要求。并且，假如其中一個信息節點出現故障，不會影響到其他節點的正常運行。因此，這點使得運用該種技術不需要讓所有的設備都開機。RT―net的運行模式比較簡單，在分布式的仿真計算機系統內，接插一個RT―net卡在每一臺節點機上，再安裝相應的驅動軟件，就可以讀寫數據了。當數據被讀寫之后，RT―net卡將數據自動地傳輸到其他安裝有RT―net的節點上。因此，有權限的訪問者，只需要訪問一個RT―net卡插接的節點即可。

2.2 仿真技術及和實時網絡技術綜合應用。專用數字仿真計算機被仿真工作站替換的可行性比較高，因為二者的軟件內置大致相同，通過進行軟件移植。實時網絡在仿真計算機信息系統的二次應用和開發是仿真系統集成的關鍵所在，需要做如下的工作。一是做好仿真工作站與實時網絡接口形式的檢查；二是對仿真設備進行適應性修改以適應控制計算機的配置和特性，保證運行的穩定性，如果有必要的，還應當對驅動卡、程序進行相應的更改，以簡化應用開發的工作。三是建立共享存儲容量內存分配表。因為需要對信息進行實時共享，所以統一分配數據存儲地址，對于注冊信息、節點信息與狀態標志、時鐘信息等進行相關的規定。

3 新時期仿真計算機和實時網絡技術的發展

在進行計算機的選型上不僅要考慮上仿真計算機的讀取速度和內存容量，還要考慮到數字接口能力這一重要的選型要素。即要求所選的仿真計算機必須保證仿真系統對大量實時數據交換的穩定性，另外，仿真計算機還應該充分利用計算機實體本有的資源。在現如今，隨著網絡技術高速發展，我們必須時刻保證仿真技術信息的實時性，并且能夠及時的實現多設備信息的高度共享。新時期仿真計算機和實時網絡技術的發展，必將是沿著更加貼近實際，更加迅捷和實時的實現信息的處理和共享方向前行。

4 結束語

本論文主要通過首先分析研究目前的仿真技術中，專用數字仿真計算機的主要特征以及在實際的應用過程中存在的缺陷和不足，并根據存在的漏洞，科學合理的指出了仿真計算機未來發展的方向，其次對當前我國的實時網絡技術應用的技術特點和現狀做了一定的分析和總結；最后簡要的介紹了如何實現仿真技術和實時網絡技術在計算機中的綜合應用。不難發現，隨著我國仿真技術和實時網絡技術在仿真計算機中的綜合應用的不斷加強，仿真計算機的性能和效率將會進一步得到提高，也將會具有更加廣泛的應用前景。

參考文獻：

篇7

關鍵詞 虛擬樣機 建模 仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：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

由于現代科學技術的發展，機電一體化產品的開發經歷了串、并行開發，到基于虛擬樣機的開發過程。而開發過程中解決多領域協同設計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機技術。它的設計開發涉及機械、可視化、協同仿真、數據庫等多個學科領域，它提供一種加快機電一體化產品設計進程新的技術方法和支持環境。

1 虛擬樣機技術的概述

1.1 虛擬樣機技術的定義

虛擬樣機是在CAD/CAM/CAE和物理樣機基礎上發展起來的，它包含有所有產品的關鍵特征。

它是以一定關系模擬一個動態系統，在一個或多個領域模型上，依賴不同子系統的集成，采用計算機輔助的方法，以達到認識現實或輔助設計的目的。

1.2 虛擬樣機技術的優勢和局限性

在機電一體化產品的設計中，若采用實物驗證的方法的傳統機電產品設計。首先是對產品進行局部設計，加工出物理樣機，再進行調試，再對其各種行為進行評估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設計，然后再加工出新的樣機，如此反復評估直至滿足所需要求為止。

虛擬樣機技術應用在機電產品的開發設計過程與傳統設計步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機技術集合各個領域的理論和技術在計算機上直接進行建模與仿真，它在產品設計階段，能夠對產品使用、制造、維護等行為進行評估分析，優化產品性能指標，保證設計出來的產品能夠達到制造、使用和維護的要求，并且它的修改直接改變建模的數據即可。因此，虛擬樣機技術的優勢在于：縮短了研發周期、節約研發資本、實現資源共享。

但是，虛擬樣機技術涉及的學科領域太廣，技術復雜，給設計者提出了很高的要求，而且，對于一些復雜的問題的計算上無法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內，所以技術本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發展。而且在對產品進行建模時，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機始終無法取代物理樣機。①

1.3 虛擬樣機技術的支撐環境及關鍵技術

圖1 虛擬樣機支撐環境框架

虛擬樣機的開發和設計當中，在每一個階段都涉及到多個領域的相關技術，比如在產品設計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術和DFX技術，在產品特性分析階段涉及到機械系統運動學等相關技術，而在分析結果的時候又涉及到可視化技術和動畫技術。因此，虛擬樣機技術需要強大的支撐環境來保證這些相關技術的操作和相互之間的數據交流平臺，其所需要的支持環境框圖如圖1②所示

在這些支撐環境中，存在一些關鍵技術，這些關鍵技術的發展情況直接影響著整個支撐環境的發展。比如多領域的協同仿真――“建模-仿真-評估/優化”一體化平臺、高層建模技術、仿真模型庫構建與管理技術以及分布式協同仿真技術等。

1.4 虛擬樣機技術的應用與發展現狀

虛擬仿真技術在美國、德國等一些發達國家早已被廣泛地應用于汽車制造、機械工程、醫學等各個領域，產品的涉及由簡單的照相機快門技術到龐大的工程機械技術，如John Deere 公司通過虛擬樣機技術找到了在重載下工程機械的自激振動問題的原因，并提出了改進方案，這同樣在虛擬樣機上得到了驗證。

國外的虛擬樣機技術已走向商業化，美國機械動力學公司的機械系統自動動力學分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據了市場的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。

國內的企業虛擬樣機技術主要是集成現成的國外軟件應用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內企業對國外軟件的依賴性強。有些單位會為了滿足設計分析的需要而采用對市場上現有軟件進行二次開發。

2 虛擬樣機的模型建立

2.1 虛擬樣機的設計原理

作為研究動態系統行為的有效方法，虛擬樣機涉及幾何信息，同時虛擬樣機系統具有運動模擬、操作模擬和動力學模擬等物理邊界條件，提供人機交互虛擬現實三維場景的工具。其一般設計原理可歸結為如圖2所示。

圖2 虛擬樣機設計原理圖

2.2 機電產品的功能模型分析

影響此類機電產品系統的設計過程和設計方法是在功能邏輯上的構成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機電一體化產品包含機械結構，機電接口、運動系統、計算機等多種電子、機械零部件。③

將機電一體化產品劃分為控制子系統、廣義執行機構子系統、檢測子系統、傳感及信息處理的是上海交通大學的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統論。如圖3所示：

圖3 機電系統的三子系統的組成及其關聯

圖4 廣義執行機構建模步驟框圖

2.3 廣義執行機構的建模與求解

廣義執行機構子系統主要包括驅動元件和執行機構兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數學建模、數值求解和結果分析，其步驟如圖4所示。

幾何建模，主要是建立所設計虛擬樣機的執行機構的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構造，但有些軟件之間的相互導入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來實現無縫連接。⑤

物理建模，形成表達系統力學特性的物理模型，對幾何模型施加外力或外力矩、運動學約束、力元（內力）、驅動約束等物理模型要素。

數學建模，由物理模型組裝成系統運動方程中的拉格朗日坐標或笛卡爾坐標建模方法創建各系數矩陣，得到系統數學模型。

2.4 控制子系統的建模與求解

可以利用MATLAB建立控制模型。驅動執行機構的運動通常有開環方式和閉環方式兩種，開環方式是在驅動器與執行末端之間建立約束關聯，執行末端為反向運動學驅動；而閉環方式是以期望參考信號與傳感器探測的數據進行比較從而得到控制信號。連續――離散混合信號處理的運動控制模型就是采用閉環控制方式。

2.5 協同建模

控制實現的多學科協同與多體動力學的建?？梢栽贏DAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導出ADAMS動力學模型，然后導出動力學模型到控制仿真環境最后構建動力學一控制集成模型。

3 虛擬樣機的仿真實現

在建立共享的集成模型基礎上進行仿真運行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥

3.1 基于ADAMS的方式

求解線性或非線性的結果在在ADAMS 環境中虛擬樣機控制子模型的共享模型進行仿真運行。

3.2 基于MATLAB的方式

機械動力學解算通過在MATLAB 環境中植入的ADAMS 模塊控制運用解算控制仿真軟件求解器，它們通過S函數（S-function）或狀態空間（state -space）進行接口變量的聯系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時，可以觀察到虛擬樣機的三維仿真運行動畫和生成仿真結果數據文件。

4 小結

虛擬樣機技術為機電一體化產品的設計提供了一個支持環境和新的方法，它與傳統的技術相比，縮短了研發周期、節約研發資本，實現資源共享、提高產品質量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機械工程、醫學等各個領域。

整個虛擬樣機技術的關鍵是虛擬樣機的仿真和實現，從單個領域的建模仿真到多個領域的協同仿真，從幾何建模到物理建模到數學建模到數值求解再到結果分析，這一系列的過程涉及到多個領域的關鍵技術。因此，要做好虛擬樣機技術，一方面要依賴于其本身技術的發展，另一方面則要求設計者本身具備過硬的專業技術知識以及配置完備的團隊。

參考文獻

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④ 鄒慧君等.機電一體化產品概念設計的基本原理.機械設計與研究，1999.15（3）：14-17.

篇8

【關鍵詞】信息化建設；任職教育；教學質量

軍隊院校實現由學歷教育為主向任職教育為主的轉變，是軍隊院校教育進入新的發展階段的必然選擇[1]。如何做好任職教育，培養出適應部隊信息化建設的高素質新型軍事人才，打好未來信息化戰爭，在任職教育中實施網絡教學和構建適合于任職教育的信息化教育體系結構對于培養崗位任職需要的應用型、復合型軍事指揮人才具有重要的現實意義。

一、任職教育對院校信息化建設的影響

我軍任職教育的突出特點是：教育模式突出崗位需要，內容側重任職能力，方法多以研究探討，師資復合構成，評價設置不同尺度，保障形式多樣[2]。任職教育則廣泛采用研究探討式教學方法，包括專題教學、案例教學、模擬教學、體驗教學、討論教學、課題研究等等。而信息技術在軍事教育領域的廣泛應用，使網上模擬對抗演練、遠程教學、虛擬實驗和信息資源共享進入到實戰階段。任職教育作為針對崗位的職業教育，其教學對象種類層次多，普遍具有起點高，針對性強，目的性更明確等特點，任職教育過程中，教員和學員對信息資源的需求呈現出多樣性、綜合性和時效性，因此，必須依賴網絡、信息資源和輔以多種媒體進行各類模擬訓練才能更好的促進學員的學習。院校信息化建設和信息技術的運用水平直接影響到任職教育質量。

（一）任職教育加強校園網絡應用

網絡為任職教育搭起了現代化平臺。網絡具有信息容量大、傳播速度快、良好的交互性、較好的經濟性和多媒體方式等特點，網絡在軍事領域得到了廣泛應用，網絡戰作為一種新的作戰樣式已經登上了戰爭舞臺。因此，最大限度地利用網絡資源，面向全體學員構建互通的學習交流平臺，使各類教育信息資源得到最大限度的應用。任職教育學員來自部隊各個不同崗位，一方面他們經歷不同的工作環境和工作經歷，很多人有著豐富的工作實踐經驗；另一方面，作為在職接受繼續教育，他們是抱著更新知識、擴大視野的目的前來學習的，任職教育網絡化對學員知識化、專業化的要求更加突出，尤其是熟練掌握計算機等設備的操作技能。因此，學員緊迫感增強，努力提高自身的綜合素質，以適應運用網絡開展教學的需要。

（二）任職教育推進信息資源建設。

在信息時代，我軍建設的信息化程度越來越高，對專業素質的要求越來越強。任職教育針對崗位任職需要，要求信息資源具有指向性。任職教育的鮮明特點是要緊貼部隊實際，緊貼作戰任務，緊貼崗位任職需要，突出教學內容的前瞻性、針對性和實用性。這種變化對教育信息資源建設提出了更高的要求，即教育信息資源要著眼于訓練實際和軍事領域的最新發展成果，強調信息資源在選題上的特色和內容上的連貫，結合任職教育學科建設、科研課題、學員拓寬知識面等多方面功能，開發體現特色且具有實用價值的有特色的本院專家、教員和學員教學科研成果數據庫、特色專題數據庫、文摘或全文數據庫，實時更新信息內容，以增強任職教育的現實性和針對性。

（三）任職教育依賴虛擬現實技術

信息技術與軍事加快對接、新型武器裝備建設與運用和新型作戰力量建設對戰爭形態、作戰方式的影響，構建和創新信息化軍隊建設理論和信息化聯合作戰理論，為培養新型軍事人才提供理論支持[3]。任職教育的實踐教學中，實裝實習是培養和提高學員裝備實踐基本技能的重要教學環節，是由基于裝備理論向裝備實踐轉變的首要過程，對學員崗位綜合能力素質形成發揮著關鍵作用。由于新裝備數量少，難以滿足新裝備實踐教學的需要，對于難以進行實裝訓練的實踐教學可利用虛擬現實技術進行模擬訓練，形象、逼真的操作環境，使學員能快速掌握新裝備的使用和維修。因此，院校虛擬實驗室建設的成敗影響著任職教育的教學質量。

（四）任職教育促進遠程網絡服務

現階段軍隊院校對于部隊的培訓模式還處于電話支持、辦班培訓、提供配套多媒體教材、文字教材等這些傳統的服務形式上面，實效性、精確性和透明度都無法得到保證。利用全軍軍事訓練信息網建立一套遠程網絡綜合服務系統，為部隊提供在線學習和訓練，增加了為基層部隊提供服務的渠道，將院校任職教育范圍延伸到基層部隊。一是對基層部隊提供在線培訓。由于院校、科研院所具有大量的專家型人才和資源，他們的知識和經驗只能依靠傳統的教育培訓模式，逐級進行，無法快速有效的指導基層部隊實踐，利用全軍軍事訓練信息網絡建立一套遠程網絡綜合服務體系，為全軍部隊提供虛擬仿真模擬訓練以及多媒體資料庫為基礎的在線學習和培訓。二是指導基層部隊解決應急和突發問題。基層部隊在訓練中遇到突發問題、新裝備使用問題、亟待專家經驗解決的問題而無法解決時，可用遠程網絡綜合服務體系為部隊提供裝備的故障診斷服務，高清遠程支援和專家會診，及時為部隊解決應急和突發問題，保障部隊順利地完成訓練任務，為提升部隊的戰斗力提供智力支持。

二、構建適合于任職教育的信息化教育體系結構

在任職教育中主要采用重點講授、專題研究、案例分析、模擬訓練、實操實爆及部隊實踐等教學方法[4]。應不斷完善信息服務職能，實現以提升任職教育需求為宗旨的網絡資源共享化、信息資源管理標準化和服務個性化，進而提高任職教育教學質量，提升戰斗力形成的效率。

（一）拓展網絡功能為任職教育服務

網絡具有很強的交互性和信息傳播空間的無限性，基于網絡的任職教育，沒有符合需要的硬件基礎設施，應用網絡開展任職教育就無從談起。加速校園網建設，拓展網絡功能有以下幾個方面的舉措：

1.提高網絡性能。提高網絡主干速度，暢通信息資源共享渠道；增設園區網信息點，為任職教育學員提供便利訪問；應用虛擬存儲技術應用，實現數據鏡像、數據實時復制、數據及時恢復和數據備份功能，保證網絡的可靠運行；防火墻、殺毒軟件、認證技術、數據加密及防入侵等防御措施，保障網絡的安全不被侵犯。

2.網絡通訊工具廣泛應用。進入網絡時代，使用論壇、Email、遠程登錄、文件傳輸、討論組、博客及微博等等一系列雙向信息交流工具，就課程內容與教師和其他同學進行實時或異時在線交流。進行網上教學與學習，學員在網絡上接授培訓的過程中，既能根據自己的個別需要進行個別化學習，還可以與其他學員進行不受時空限制的交流和討論。集多方的智慧，可以拓展學習者自身的認知能力，提出自己的問題，發表自己的看法，互相學習，共同提高，而且這種交流可以多次、隨時、隨地進行，為協同自主學習創造了更大的可操作性。

3.無線網絡的建設。無線網絡的發展前景良好，可以為廣大網絡用戶提供傳播速率更快、信息更全面的網絡服務。無線網絡不受地理位置的限制，具有無縫覆蓋、易擴展性、靈活性、和低維護費用的特點，其在網絡覆蓋的區域，無線終端在網絡覆蓋的任何角落都可以接入網絡，實現隨時隨地接入網絡，任職教育將成為無線網絡新的應用領域。

4.構建云。教育云，可以被理解為“云計算在教育中的應用”，教育云服務是以智能開放架構和云計算平臺為基礎，通過深度集成整合各種資源、平臺和應用，按需向用戶提供各類服務，滿足教育用戶的需求。伴隨著智慧學習環境的發展，能夠有效支撐下一代數字化教育環境的“智慧教育云服務”也將得到進一步的發展。教育云服務正逐步走向我們，任職教育必將進入一個全新的“云”階段。

（二）建設適合于任職教育的信息資源

1.積極開發特色信息資源。軍隊院校任職教育教學有其自身的特點和規律，結合任職教育學科建設、科研課題、學員拓寬知識面等多方面功能，開發體現特色且具有實用價值的有特色的信息資源。開發建設學科專業網站群、網絡教學應用系統、專業數據庫及多媒體網絡課件，院校專家、教員和學員教學科研成果數據庫、特色專題數據庫、文摘或全文數據庫等，并注重信息資源的連續性和系統性。尤其是任職教育教學改革中涌現出的優秀教學成果，包括對優質課比賽等活動進行全程錄像并制成數字化教材，使其成為再生教學信息資源。對于任職教育教學中的難點、熱點課題，應組織專職人員設計與開發、制作適應教學需要的課件、多媒體教材、電視片、網絡課程等，利用授課系統，同步或異步進行視頻廣播或錄播教學。

2.加強數字圖書館建設。在開發教育信息資源的過程中，根據所承擔的任職教育任務，根據任職培訓的信息需求，有針對性地采集訂購各種正規的電子出版物，對館藏圖書、教材、期刊、報紙、學位論文、會議論文、科技報告、戰例案例和特定領域內的信息資源進行分類、分系統挖掘，并進行有序加工和整理，編制成相應的電子圖書、述評、綜述等。互聯網和軍網上有眾多的教育網站及部隊院校專業教學網站，資源十分豐富，收（下轉第178頁）（上接第169頁）集和整理這些資源，將其導入教育信息資源庫，還要關注各類媒體的相關信息，對互聯網資源、廣播電臺和電視上的有價值信息進行剪貼掃描、錄音錄像，加以數字化處理后輸入教育信息資源庫。

3.加強信息素質培養。未來的戰爭是信息化戰爭，軍事斗爭準備的緊迫性要求我軍急需充實打贏未來信息化戰爭的專門人才，我軍任職教育必然要在滿足信息素質教育、加快信息人才培養上下功夫。這種信息素質主要包括信息意識、信息知識和信息能力。任職教育中，學員希望能快速、方便、準確地獲得所關心領域內的知識信息，尤其是最新動態，因此開設專題講座、進行計算機技術培訓和數據庫檢索系統原理使用介紹，采取啟發式、討論式、研究式教學，堅持講課與實踐并重的原則，提高學員獨立思考問題和解決問題的能力；開設文獻檢索課，使學員受到信息意識、信息獲取和信息利用技能的教育，掌握分類檢索、題名檢索和著者檢索等文獻檢索的途徑，掌握各類館藏文獻的利用方法及最基本的信息獲取技能，能夠快速判斷信息需求、正確評價檢索策略、考察信息的有效性和價值，使他們成為信息獲取的主動者，提高運用信息、利用信息的技能。

（三）構建模擬系統，加強虛擬仿真訓練

通過虛擬仿真這種可視化的人機交互式界面，把枯燥的知識美觀、形象、逼真的表現出來，大大激發了學員學習的興趣，把原來老師的滿堂灌輸轉化成以學生為主體的模式，耳聽為“虛”，眼見為“實”。虛擬仿真技術不依賴于設備實物，依靠計算機所模擬的在功能、性能、界面上等效的虛擬裝備實現，還可以解決教學過程中采用實物仿真、半實物仿真所無法或很難實現的大量設備、協調關系等問題，可以逼真地模擬設備的操作、工作及周圍環境，通過可視化的虛擬場景完全模擬實機、實景操作。虛擬仿真技術應用到了數據庫、網絡及建模等多方面的信息技術，教學過程中信息技術的全面應用，能夠培養學生的創新精神和實踐能力。虛擬仿真技術的發展，必將帶來任職教育教學方式的改革，同時也給每一位教師帶來了挑戰。教師要不斷地學習，正確選擇、熟練掌握虛擬仿真技術，推動教學改革的不斷向前發展。

借助飛速發展的網絡技術，結合專業的教學方式，建立“模擬演練系統”。加大模擬器材研制力度，加強系列模擬訓練軟件開發，設計制作更多的網絡虛擬任職崗位、工作訓練環境，展現平日教學活動的模擬狀態，可以實現實際工作崗位的預任訓練，達到真人實戰的效果。學員通過網絡操作，能夠更好的掌握任職技能，在理論教學和實踐訓練配套進行下不斷提升教學訓練效益，提高任職水平，擴大教育覆蓋面。另一方面也大大降低了任職教育院校提供教學活動場地、設備的經費，節省了教育時間。

（四）構建網絡綜合服務系統，實現網上訓練和遠程服務

網上教學是以網絡為橋梁，跨越時間和空間上的距離，突破傳統面對面課堂教學方式的限制，將授課課堂由教室延伸到網絡所覆蓋的任何一個場所的一種新的教學模式。以全軍軍事訓練信息網絡系統為平臺，建立智能故障診斷系統、遠程支援系統、自主學習系統三個子系統，用戶可以隨時通過網絡選擇使用相應的系統。在網絡環境下，雖然教育者和被教育者都在異地，但如同在現場一樣，充分拓展了教育空間。應用多媒體網絡教室和虛擬仿真實驗室，使得不同地域用戶均能使用快速故障診斷、實時動態模擬故障仿真、遠程視頻支援、遠程專家會診、虛擬仿真訓練、自主學習等各項服務，從而擴大實踐教學的范圍，提高實踐教學能力。

三、結語

在現代打贏信息化戰爭和教育高度信息化的時代背景下，如何適應任職教育需要，全面提高教學保障水平，院校信息化建設情況及信息技術的應用水平對任職教育實踐教學將產生越來越重要的影響，搞好網絡及及信息資源建設，完善網絡化教學，提高虛擬現實技術應用水平，必將對任職教育的發展起到強有力的推動作用。

參考文獻

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[4]常戰海.以學科建設為支撐推進任職教育深入發展[J].西安政治學院學報，2012（1）.

作者簡介：

劉保成（1961—），男，河南信陽人，大學本科，學士，副教授，現供職于軍械工程學院遠程與繼續教育處。

篇9

關鍵詞：虛擬制造；表面組裝技術SMT；可視化仿真

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.03.025

The SMT Virtual Manufacturing Training System

PENG Zhi-cong1, LoNG Xu-ming2 Huang Ho2 Dan Mington2 Cui Xiaolu2

(1.Guangdong Electronic Academy, Guangzhou 510055, China; Southwest Jiatong University, Chengdu 610031, China)

【Abstract】 This paper discusses the advance SMT Virtual Manufacturing Training System. The SMT Manufacturing is visual simulated in a computer. the PCB design, the SMT technology, the editting of equipment soft and the visual simulation of SMT equipment are integrated by the system.

【Key words】Virtual Manufacturing; Surface Mounting Technology; Visualization Simulation

1 SMT虛擬制造

1.1 虛擬制造

虛擬制造（Virtual Manufacturing，VM）是實際制造在計算機上的本質實現，即采用計算機建模與仿真技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現實，實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造是對已有或未來的制造活動進行仿真，它基本上不消耗現實物質資源，所進行的過程是虛擬過程，所生產的產品也是虛擬的。

VM技術是一個龐大、復雜的新興學科領域，其中涉及到計算機軟件技術、動態數據庫技術、虛擬現實技術、工廠的建模與仿真技術、并行工程等領域，如圖1所示。從提出到現在的幾十年間，VM技術的研究取得了很多成果。在國外，VM單一目標技術和系統已經開始應用于幾十家頂級的汽車制造、航空、重工業和消費電子產品生產公司的某些部門，而且已經發揮了巨大的作用，表明了VM技術的潛力。

在國內，虛擬制造技術方面的研究只是剛剛起步，其研究也多數是在原先的CAD/CAE/CAM和仿真等基礎上進行的，目前主要集中在虛擬制造技術的理論研究和實施技術準備階段，系統地研究尚處于國外虛擬制造技術的消化和國內環境的結合上。清華大學CIMS工程研究中心虛擬制造研究室是國內最早開展虛擬制造研究的機構之一，主要進行了虛擬設計環境軟件、虛擬現實、虛擬機床、虛擬汽車訓練系統等方面的研究；浙江大學進行了分布式虛擬現實技術、VR工作臺、虛擬產品裝配等研究；西安交大和北航進行了遠程智能協同設計研究；西北工業大學進行了虛擬樣機的研究。國內在虛擬現實技術、建模技術、仿真技術、信息技術、應用網絡技術等單元技術方面的研究都很活躍，但研究的進展和研究的深度還屬于初期階段，與國際的研究水平尚有很大的差距。我國的研究多集中于高等院校和少量的研究所，企業和公司介入的較少。

圖1 虛擬制造

Fig.1 Virtual Manufacturing

1.2 SMT虛擬制造系統

在微電子組裝和制造業，元器件不斷的向微型化和密集化方向發展。表面貼裝技術（Surface Mounting Technology，SMT）是應用最為廣泛的新一代的電子組裝技術，它直接將元件無導線的貼裝在PCB基板上，取代了傳統的插孔元件安裝、導線連接。表面貼裝技術可以使元器件體積更小、安裝密度更大、提高可靠性和生產自動化程度。貼片元件的體積和重量只有傳統插裝元件的1/10左右，一般采用SMT之后，電子產品體積縮小40%～60%，重量減輕60%～80%。

在電子產品組裝生產的傳統模式中，設計一般是由設計工程師在計算機上利用多種計算機輔助設計工具來完成，生產制造則在各種數控設備(如貼裝機等)上完成。每一種產品在加工之前，制造工程師首先必須對數控設備編程并反復試驗，以確保操作規程的可行性和正確性，然后進行試生產，反復修改直到最后定型，再投入實際的批量生產。生產準備時間很長，投入資金很大。事實上，SMT生產線中數控設備編程所需的大多數數據完全可以從CAD系統的相關數據文件中獲取，例如元件在PCB上的坐標位置、角度、物理特征參數等。這些數據量很大，也比較零亂，有些特征數據是不同數控設備都需要的，如貼裝機、點膠機、在線測試設備均需要元件在PCB上的坐標位置，而實際中設計部門和制造部門卻很少相互了解需求，許多信息不能共享，在企業間往往形成了兩個“自動化孤島”。隨著市場競爭的加劇，產品交貨周期必須縮短，生產成本必須控制，因此迫切需要在這兩個“孤島”間建立聯系，虛擬制造被認為是其最好的解決方案。

2000年之后一部分高校開始在電子實踐教學中增加SMT教學內容，大部分專職院校設立SMT電子制造工程專業，但無實驗設備和條件，即使己購買SMT生產線的，也無資金或產品開動生產線。SMT虛擬制造系統中關健設備的虛擬樣機，便于教學，同時便于企業員工職業培訓。

SMT虛擬制造系統就是在計算機支持下，以仿真技術為前提，建立功能強大的虛擬制造環境，對PCB設計、組裝等生產過程進行統一建模。在PCB設計階段或組裝之前，就能實時、并行地模擬出其未來組裝全過程及對設計的影響，預測PCB組裝的性能、成本和可制造性，從而有助于更有效、更經濟靈活地組織生產，使工廠和車間的資源得到合理配置，使生產布局更合理、更有效，以達到開發周期和成本的最優化、生產效率的最高化之目的。

2 SMT虛擬制造系統設計

采用虛擬制造技術，開發出“先進電子SMT虛擬制造系統SMT-VM2011”，在電子SMT設計和制造“孤島”間建立聯系，將PCB設計、SMT生產線工藝設計、關健SMT設備編程、加工過程可視化仿真和可制造性評價系統集成，在計算機上以直觀、生動、精確的方式模擬出先進電子SMT制造技術。

2.1 系統設計

根據組裝對象不同，SMT有多種工藝流程，一般單面組裝的典型工藝流程為：上料涂布(上焊膏或點膠)貼片再流焊清洗測試下料。SMT生產線如圖2所示，主要由自動上板機、自動絲網印刷機或自動點膠機、自動貼片(裝)機、自動焊接爐、自動清洗機、在線測試機和AOI測試機、自動下板機等自動化組裝和測試設備組成。

圖2 SMT生產線

Fig.2 SMT Production Line

2.1.1系統組成

SMT虛擬制造系統組成如圖3所示，主界面如圖4所示，將兩個“孤島” ――SMT設計和制造集成, 主要包括:

圖3 SMT虛擬制造系統組成

Fig.3 SMT VM System

圖4 主界面

Fig.4 Main window

1）PCB設計虛擬制造系統

2）SMT生產線工藝流程設計

3）關健SMT設備虛擬編程，主要包括：絲網印刷機、點膠機、貼片機、回流爐、波峰焊、AOI測試機。

4）關健SMT設備加工過程可視化仿真，主要包括：絲網印刷機、點膠機、貼片機、回流爐、波峰焊、AOI測試機。

5）可制造性評價

（1）電子產品PCB設計與制造

根椐用戶設計的EDA（Protel、Mentor、OrCAD…）電路PCB文件，自動檢測出用戶設計的EDA電路的錯誤；

能3D可視化直觀顯示EDA設計的PCB板組裝后的情況（基板、器件、焊膏、焊點、膠點），如圖5所示；

圖5 PCB設計靜態仿真Fig.5 PCB Static simulation

模擬PCB標號Mark點示教和PCB貼片過程，并進行貼片程序順序優化；

根據所設計的PCB板的結構，設計SMT生產線工藝流程和參數，3D動畫顯示SMT生產線工藝流程；

在PCB設計和制造“孤島”間建立聯系，在最短時間內為EDA最優設計提供直觀依據，效率高， 成本低。

（2）電子SMT設計與制造

SMT關鍵設備包括：絲印機、點膠機、貼片機、回流爐、波峰

2.1.2 系統主要技術功能

SMT-VM2011系統主要技術指標如表1所示，非常適合高校高職教學和企業培訓，不僅使用戶進一步掌握EDA電路設計技術，更使用戶掌握SMT組裝技術和各種世界著名公司SMT關鍵設備技術。SMT-VM2011性能優，功能強，交互性強，操作性好，興趣性高，徹底改變了傳統的一把烙鐵學電子的局面。焊，件機，AOI測試機，API測試機；

讀入EDA設計的PCB文件，進行國際市場上主流SMT機型的摸擬編程（Yamaha、Fuji、Seimens、Panasonic、MPM、DEK、GKG、Heller、EASA、ANDA、Aleader、VATA……）；

SMT關鍵設備靜態仿真，可縮放、旋轉、平移；

按照摸擬編程CAM程序，自動進行SMT關鍵設備工作過程3D模擬仿真；

可進行制造性分析，在3D仿真過程中對模擬編程的錯誤進行檢測；

在SMT關鍵設備編程設計和制造之間建立聯系，將SMT關鍵設備的貼片過程在計算機上以直觀、生動、精確的方式呈現出來，取代傳統的試機過程，縮短開發周期、降低成本、提高生產效率。

2.2 貼片機虛擬制造系統

貼片機虛擬制造編程系統的主界面如圖6所示，自動進行貼片機工作過程3D模擬仿真如圖7所示。貼片機軟件體系結構如圖8所示，包括：模擬編程模塊、貼片機3D仿真模塊、貼片程序優化模塊和貼裝數據庫模塊，系統先對貼片機機型進行模擬編程，讀入EDA設計文件，自動生成貼裝順序程序文件，并將數據輸入到貼裝數據庫中；再在VC++6.0環境下采用面向對象技術和OpenGL技術，按貼片機類型自動進行3D機構組裝3D仿真；最后設計生成最優化程序。

3 SMT教學培訓課程和實驗室建設

SMT教學培訓課程教學培訓大綱如表2所示。

（1）電子產品EDA設計的PCB虛擬制造實驗，學時20 h。

圖6 貼片機虛擬制造編程系統Fig.6 The placing VM system

圖7 貼片機工作過程3D模擬仿真Fig.7 The placing 3D simulation

目的：該實驗在電子設計和制造“孤島”間建立聯系，在最短時間內為EDA最優設計的數據修改提供直觀依據，以達到開發周期和成本的最優化、生產效率的最高化之目的。不僅使學生進一步掌握EDA電路設計技術，更使學生了解電子產品PCB電路板是如何制造出來的。

圖8 貼片機軟件體系結構

Fig.6 The frame of placing softwere

內容：根椐學生設計的EDA電路PCB板圖，能自動檢測出學生設計的EDA電路的錯誤，包括電路設計錯誤和可制造性錯誤，能3D可視化直觀顯示EDA設計的PCB板的布局和SMT組裝生產后的PCB情況；并且，模擬PCB板的SMT制造過程，設計SMT生產線工藝流程和參數，3D動畫顯示SMT生產線工藝流程。

（2）電子SMT制造生產線虛擬制造實驗，學時30小時。

目的：讓學生根據自己設計的EDA電路PCB板，設計SMT關鍵設備的CAM程序，并且自動3D動畫模擬所設計的CAM程序驅動的設備工作過程，能實時、并行地模擬出其未來組裝全過程及對設計的影響，預測PCB組裝的性能、成本和可制造性。使學生掌握SMT組裝技術和各種世界著名公司SMT關鍵設備技術。使學生了解和掌握現代先進電子大制造技術，徹底改變了傳統的一把烙鐵學電子的局面。

內容：首先讀入EDA設計的PCB文件，進行國際市場上主流機型的SMT關鍵設備的摸擬編程，SMT關鍵設備包括：絲印機、點膠機、貼片機、回流爐、波峰焊和AOI測試機；最后按照摸擬編程CAM程序，自動進行SMT關鍵設備機構工作過程3D模擬仿真，并可進行制造性分析。

（3）先進電子制造創新開發實驗，學時30小時。

目的：在“電子SMT虛擬制造系統SMT-VM2011” 平臺上，進行針對個性化實驗、SRTP（科研創新實驗）、國家創新實驗、電子競賽、本科生畢業設計、研究生畢業論文等的開發實驗。使學生了解和掌握國際現代電子制造的軟件、控制和電子等最先進技術。

內容：開發世界著名公司SMT關鍵設備CAM編程軟件和3D仿真軟件、世界著名公司IC關鍵設備CAM編程軟件和3D仿真軟件、軌道交通電氣自動化虛擬制造系統等。

4 結論

SMT-VM2011非常適合高校高職教學和企業培訓，不僅使用戶進一步掌握EDA電路設計技術，更使用戶掌握SMT組裝技術和各種世界著名公司SMT關鍵設備技術。SMTVM2012性能優，功能強，交互性強，操作性好，興趣性高，徹底改變了傳統的一把烙鐵學電子的局面。

參考文獻

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篇10

關鍵詞：仿真模擬；自然環境建模；金字塔模型研究

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 (2012) 11-0000-02

軍事仿真在不同的角度上有不同的定位，主要包括作戰仿真和裝備仿真兩部分。作戰仿真可以分為戰略仿真、戰役仿真、戰術仿真和技術仿真四個層次，作戰仿真主要用于測試仿真、分析仿真和訓練仿真三方面。訓練仿真指的是用于士兵對作戰裝備操作能力的訓練和對各個指揮員對逼真的戰場情況的分析、決策以指揮作戰的訓練；測試仿真指的是驗證裝備的作戰功能，對武器裝備的發展情況進行評估及對對新型武器先進功能的演示。軍事作戰具有突發性、多變性和不確定性等特點，屬于一項復雜的綜合性的系統。如果單一的進行理論上的研究和學習可能出現作戰人員理論和實踐相脫節的情況，影響實際作戰中的發揮；反之，頻繁地進行軍事演習又受到耗資巨大，受時、地條件限制等，只能少量的進行。軍事仿真演習就是在此基礎上產生和發展起來的。本文主要就軍事仿真的幾項技術進行簡單的闡述，包括綜合自然環境建模、多分辨率虛擬地形環境的金字塔模型、多分辨率模型等方面進行分析。

一、綜合自然環境建模

（一）綜合自然環境建模的發展現狀

綜合自然環境的建模指的是包括海、陸、空在內的整個自然大環境中的數據、模型等的較為完整和權威的數據描述，進行綜合自然環境建模的主要目的就是為軍事仿真提供可靠、權威、完整的自然環境數據和模型，滿足雷達、紅外以及CGF等的仿真需求。綜合自然環境的建模經歷了兩個階段，第一個階段是從上世紀八十年代初期到就是年代中期的原始技術積累階段，第二個階段是從九十年代中期至今先進技術形成階段，原始技術積累階段的研究成果主要集中在可視化仿真、地形數據庫和動態地形仿真等方面，先進技術形成階段的主要研究成果主要包括動態自然環境的仿真以及綜合自然環境的表示、交換、自動生成和重用等方面的技術、工具和方法。發展到現在，綜合自然環境建模研究的重點和難點在于綜合自然環境建模和仿真的統一性和合理性。隨著仿真技術的不斷發展和成熟及其廣泛的推廣和使用，綜合自然環境建模逐漸成為國防軍事化發展的必然要求，成為獲得和提高建模和仿真的可行性的關鍵點。具體表現為北約和美國國防部已經將獲得權威的綜合自然環境描述和表示列為國防、軍事建模的主要目標之一。

（二）綜合自然環境建模和仿真的關鍵技術

模型、數據和仿真是綜合自然環境建模和仿真的主要內容，進行綜合自然環境建模的基本原理是將數據和模型分離、綜合自然環境和軍事系統模型分離，并通過數據流的聯結來驅動軍事仿真。為了實現高仿真性的目標，需要做好綜合自然環境的多分辨率及多表示技術、動態自然環境的仿真等。

1.環境數據模型的建立。環境數據模型是用來在C4ISR系統或者建模與仿真系統中搜集、刻畫和定義綜合自然環境的。做好此方面的工作首先要有公共的數據語義、規范的數據模式和以任務為核心的工具集，以便通過公共數據模型的框架來建立和維護不同的環境數據模型。

2.綜合自然環境的表示和交換。綜合自然環境的仿真往往要將復雜多樣的數據整合在一起，在整理的過程中不可避免的會產生時間耗費、成本投入等基本問題，這些問題的可能后果就是數據紊亂，缺乏可信度。解決這一問題的關鍵就在于制定科學有效地數據表示方法和無損的數據交換技術。

3.動態自然環境仿真。動態性是綜合自然環境最本質、最顯著的特性之一，為滿足高仿真的需求，必須做好動態性的相關技術。隨著SEDRIS技術和HLA技術的成熟，動態仿真逐漸成為軍事仿真的主要研究方向。

（三）綜合自然環境的建模和發展方向

隨著動態性技術、數據交換技術及數據模型建立技術的發展，綜合自然環境的建模取得了較高的成就，今后綜合自然環境建模和仿真技術的工作重點仍然是數據、模型和仿真的可行性、權威性和動態性。根據目前的發展情況在以后的幾年里綜合自然環境的發展方向將會集中在以下幾點：（1）綜合自然環境數據表示和交換方法的可行性和數據語法語義的統一性；（2）綜合自然環境的多分辨率模型的建立；（3）數據的自動生成和分布；（4）動態自然環境的仿真。

二、多分辨率虛擬地形環境的金字塔模型研究

（一）金字塔模型的涵義

金字塔是一種連續分辨率模型，在進行金字塔模型的構建時可以采用倍率的方法來表示金字塔的分辨率，即從底層到頂層，分辨率逐漸降低，具體可以用一個公式來表示：

通過構建金字塔模型，可以為地形可視化系統提供不同分辨率的數據。也就是說，當應用系統繪制一幀地形場景時，不同位置需要不同分辨率的圖像子塊和地形子塊，為了實現繪制的立體性，可以建立圖像數據金字塔和地形數據金字塔。

（二）金字塔模型的分層分塊方案

隨著計算機技術的發展，內存的價格相對降低，CPU的頻率越來越高，同時圖形的硬件加速器也在不斷的發展，但是仍然存在硬件所顯示的數據量少于十幾所需要的數據量的問題，而且應用模型較為復雜，遠超過當前工作站的實際處理能力。解決這一問題的最佳途徑就是對金字塔模型的每一層進行分層、分塊，目前較為常見的分層方案是根據國家的系統比例進行分層，然后再對每一層進行分塊處理。較為常用的分塊方案是12×8.這種分層分塊方式存在索引速度慢、可擴展性差的弱點。針對這兩項弱點，我們在金字塔設計中設計了一套全新的設計方案從面積劃分的角度來講，可以稱之為“等面積劃分”，這種互粉方法的基本思想就是使用等面積的面片在全球的模型上進行空間劃分，相鄰面積片的面積倍率為兩倍。

（三）分層分塊后的結構組織

經過分層分塊后，全球的金字塔模型可以表示為表一

從上表的數據可以得出，當LOD=17時，地形數據的分辨率已經達到了0.3〞，并且LOD還能夠繼續升高。該分層分塊方式和一般的數據存儲結構存在著一些不同之處，表現為將紋理模型的數據的地形模型的數據存儲在一個單元中，這樣做的原因是（1）將地形模型的數據和紋理模型的數據存儲在一起有利于快速進行索引；（2）從渲染地形的角度來看，紋理數據和地形數據是一一對應的，缺一不可。

三、結束語

軍事學離不開仿真技術，本文主要針對本文主要就軍事仿真的幾項技術進行簡單的闡述，目前在軍事防震方面的研究參差不齊，相關技術的推廣和使用還不一致。我們需要進一步加大仿真技術的研究和推廣力度，積極開發相應的技術產品，以達到搞笑的軍事仿真的目的。

參考文獻：

[1] Liu Bao-hong and Huang Ke-di. The Design and Implement of Multi-Resolution Federation with an Air-Ground Combat Federation As Example[C]. Orlando, FL, USA Proceedings of the 2002 Spring Simulation Interoperability Workshop,2002