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分布式交互仿真技術范文1
關鍵詞 多媒體計算機輔助設計 土木工程 新進展
中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A
隨著工業化的飛速發展，計算機已經成為現實生活中不可或缺的重要元素，隨著計算機發展形成的多媒體計算機輔助設計是一門可以跨學科的新技術，而且在土木工程應用中有著卓越的優勢，所以已經越來越多的被引入土木工程的各個領域。多媒體計算機輔助設計能夠實現土木工程師和計算機的實時交互，使得工程師在進行設計時能夠充分的發揮想象力，因此受到了廣泛的關注。
1多媒體計算機輔助技術在土木工程教學中的應用
我們知道，在土木工程教學中，經常需要對學生講解大量的工程問題以及施工技術，然而這些知識僅僅根據老師的口頭傳授根本對學生們的學習產生不了多么大的作用，上課效果一點也不令人滿意，有了多媒體計算機輔助設計之后可以將課堂上要使用的各種信息有效地組織在一起，老師們可以在課堂教學中適當的引入一些比較形象的可視化的土木工程應用成果，學生們也會比較感興趣，而且課堂上有什么不懂的也可以自己在計算機輔助設計軟件上再設計一次，從而加深對課堂的理解。多媒體計算機輔助技術能夠使得課堂上的土木工程設計成果更加可視化，還可以減少了老師上課講解的時間，這樣老師就有更多的時間對同學們進行切身的指導。學生們也能夠應用計算機輔助設計軟件來提高自己的設計能力，對自身的潛力的挖掘起著十分重要的作用，因此被廣泛的的應用在了土木工程教學中。
2多媒體算計輔助設計的各個衍生學科在土木工程領域的新進展
隨和計算機技術的飛速發展，各種應用也如雨后春筍般的展示在人們面前，多媒體計算機輔助設計的出現對土木工程設計領域的進展有了巨大的推動作用。以下我們就針對計算機輔助設計的各個衍生學科在土木工程領域的的應用進行詳細的介紹。
2.1虛擬現實技術在土木工程領域的應用
作為多媒體計算機輔助設計的衍生學科，虛擬現實技術也得到了十分廣泛的應用。虛擬現實技術能夠把計算機的應用提高到一個更嶄新的領域，它能夠使得計算機更加人性化，使得人們不需要在進行復雜的計算機操作就能夠得到想要的效果。在土木工程領域中，虛擬現實技術能夠切實的解決很多問題，在進行土木工程設計時可以為人們提供多維信息感知模型，可以使得設計方案更加生動形象，并且還能夠進行虛擬性能測試，能夠更好地向土木工程師展示設計的優缺點，從而進行下一步的改善，使得設計更加滿足人們的需求。
2.2分布式多媒體協同技術在土木工程領域的應用
分布式多媒體協同技術能夠使得多個用戶在同一個虛擬環境中進行各類交互式仿真，它可以完美的將各種多媒體信息整合在一起，而且可以實現實時的人機交互要求，能夠利用計算機實現多個工作任務同時完成，因此完全滿足了現代工程建設的需要。土木工程中的設計和建設工作需要實現實時的交互，需要進行多媒體新信息的整合，土木工程領域的在從需求到實現的工作中都對分布式多媒體協同設計有極大的需求。
2.3多媒體仿真技術在土木工程領域的應用
信息處理技術和計算技術的發展使得多媒體仿真技術應用而生。隨著計算機技術的日益成熟，多媒體仿真技術已經越來越先進，已經產生了功能強大的仿真軟件，這些仿真軟件的可靠性也越來越高，工程評估的能力也越來越強大，有的甚至可以實現實時的交互功能。土木工程設計工作是一項比較復雜的工程，需要對多種因素進行考慮，而且設計工序繁瑣，各個工序之間關系也比較復雜，如果有一部分沒有設計好將可能導致整個工程的失敗。如果在進行設計時如果采用多媒體仿真技術可不但可以輕松實現各個功能的設計，還能夠進行實時的仿真，然后根據仿真的結果再進行進一步的修改，從而使得設計更加完美，更加具有保障性。如果將虛擬現實技術應用在多媒體仿真技術中，在實現仿真模型的建立和實驗模擬中我們還可以更加形象的看到可視化的設計效果，能夠使得土木工程設計工作更加輕松便捷，因此在土木工程中應用的十分廣泛。
多媒體計算機輔助技術主要以交互方法完成土木工程的設計工作，并且各種衍生軟件還能夠實現圖形的編輯、修改、存儲、顯示，而且具備比較完善的機械標準件參數化圖庫供人們使用，所以得到了廣泛的歡迎。
3結語
多媒體計算機輔助設計能夠實現土木工程學科教學的有效化，并且各個衍生學科的發展都使得土木工程設計更加完美，更加具有保障性。虛擬現實技術使得土木工程設計更加可視化，分布式多媒體協同技術能夠更進一步的滿足土木工程設計的從需求到實現的工作的高效性，多媒體仿真技術輕松實現各個功能的實時仿真?？傊?，多媒體計算機輔助技術的出現能夠促使土木工程領域有更多的新進展。
參考文獻
[1] 吳煒煜，任愛珠.多媒體計算機輔助技術在土木工程領域的新進展[J].土木工程學報，2000，01：11-12.
[2] 任愛珠.土木工程計算機技術新進展及研究熱點[J].土木工程學報，2011，06：53-59.
分布式交互仿真技術范文2
關鍵詞：艦載機；自動著艦；仿真系統；HLA
中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)13-3071-04
Design of HLA-based Automatic Carrier Landing Simulation System
LI Zhen-wei
(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong Institute of Electro-Optics, Wuhan 430073, China)
Abstract：According to the automatic carrier landing system characteristic and high level architecture ( HLA ) principle, based on simulation support software of HLA / RTI design the automatic carrier landing simulation system, simulation model of object model template ( OMT ) and operational processes, and by means of Vega Prime to implement visual three-dimensional pictures of the real-time dynamic construct display, the system has good reusability and expansibility, can provide automatic carrier landing guidance algorithm analysis and evaluation of the platform and provide effective basis.
Key words：carrier-based aircraft; automatic landing; simulation system; HLA
艦載機在航母上著艦時，海上環境條件十分惡劣，海上缺少地標，著艦甲板尺寸小且具有多個運動自由度，因此，艦載機在航空母艦的飛行甲板上降落是最困難的任務之一，如何提高著艦精度和保證著艦的安全是著艦引導所要解決的首要問題。人工導引著艦方式的缺點是易受氣象等外界因素的影響，艦載機自動著艦系統則能保證艦載機按照理想的下滑軌跡著艦，在很大程度上降低了艦載機的縱向著艦誤差，提高了著艦的安全性、準確性及自動化程度。
艦載機自動著艦控制系統涉及艦機相對位置測量、航母運動參量測量與預測、飛行控制、推力控制及導引控制等環節[1]，其總體性能的實現不僅取決于相對位置與運動參量測量精度，還與各控制系統的匹配關系密切相關。利用計算機仿真技術，不僅可以盡可能早的暴露設計中的問題，還可以對不同方案的可行性進行論證評估，以確定最佳的方案策略。分布式交互仿真技術在解決具有分布式結構的復雜系統仿真方面具有極大的優勢，基于面向對象思想的高層體系結構HLA（High Level Architecture）以其良好的仿真應用的互操作性和仿真資源的可重用性成為當今分布仿真領域的主流技術[2-3]，并廣泛的應用于復雜系統的研究中。
本文根據艦載機自動著艦系統的特點以及HLA原理，分析和建立了艦載機自動著艦系統的結構模型，詳細的論述了建模過程，明確了各模塊之間的相互聯系以及功能作用，基于HLA設計并實現了艦載機自動著艦仿真系統。
1仿真系統總體設計
1.1工作原理
當前的艦載機自動著艦引導主要有兩種實現方式：雷達引導自動著艦[4-5]和基于衛星導航系統的聯合精密進近與著艦系統（JPALS）[6-7]，雖然實現途徑不同，但基本的工作原理及流程類似。
圖1艦載機自動著艦系統工作原理框圖
艦載機自動著艦系統的工作原理框圖如圖1所示，工作流程可簡述為：測量艦載機相對于航母的位置信息，根據航母運動參量對航母運動進行短時預測，并計算理想著艦點，結合飛機運動信息，實時解算飛機尾鉤與理想著艦點相對位置；根據理想著艦點位置和艦載機類型計算理想下滑軌跡；將測量得到的艦載機尾鉤位置信息與理想著艦軌跡進行比較產生軌跡導引誤差，軌跡導引誤差形成導引指令，耦合到飛行控制系統，自動糾正艦載機軌跡偏差，控制艦載機實施完成著艦。
艦載機自動著艦仿真系統是一個相對復雜的工程仿真系統，其核心是復雜環境下艦船動力學仿真、艦載機運動模型及飛行控制仿真，并輔以艦機位置測量誤差模型、可視化仿真等。為使建立的系統模型更見清晰易懂，并便于維護，采用基于HLA/RTI的并行分布式仿真框架結構作為仿真系統的基本結構。基于HLA，實現系統的分布式仿真，各成員獨立完成不同的功能應用，并通過RTI實現數據的實時共享，協同工作完成仿真任務，即：首先由圖形界面輸入仿真運行參數、環境、艦機初始位置、速度和姿態，然后根據動力學模型、控制模型進行解算和控制，并同步進行視景實時仿真，輸出著艦誤差。
1.2仿真系統結構
在HLA中，用于實現某一特定功能的分布式仿真系統稱為聯邦（Federation），它由若干個交互作用的聯邦成員組成。基于HLA，可以把一個龐大的仿真系統劃分為若干個子系統，每個子系統作為一個聯邦成員參與到仿真中來，在保持各自獨立性的同時實現信息的有效交互。
圖2仿真系統的邏輯結構圖
根據艦載機自動著艦仿真系統的設計目標和功能需求，基于HLA/RTI的仿真系統的邏輯結構如圖2所示。在HLA框架下，聯邦各聯邦成員一起通過RTI構成一個開放的分布式仿真系統，各成員的功能如下：
聯邦管理成員：負責完成仿真系統的初始化，監視、控制仿真系統的運行過程。
視景仿真成員：依據接收到的初始化信息，完成航母平臺、艦載機、海面環境的部署顯示。根據著艦數據完成對著艦過程的跟蹤顯示。
航母平臺成員：根據設定環境模擬平臺的六自由度運動，并向艦載機成員發送運動數據；依據接收的艦機相對位置數據及平臺運動數據完成艦機相對位置短時預報，生成艦載機著艦下滑軌道；依據艦載機著艦軌跡與下滑軌道的偏差，生成并向艦載機成員發送引導指令。
艦載機成員：根據初始參數生成飛行數據；依據接收的航母平臺運動數據生成并向航母平臺成員發送艦機相對位置數據；依據接收的引導指令改變飛行軌道。
時鐘成員：使仿真過程的邏輯時間與墻鐘時間同步推進，限制其他受限成員的時間推進，達到整個仿真聯邦實時同步推進的目的。
由于艦載機著艦過程中的影響因素較多，對仿真系統做出如下想定：
1）航母平臺根據海洋環境產生運行信息，按照設定航向、速度運動，收到艦載機數據后，進行艦機相對運動預報，生成下滑軌道，在艦載機著艦階段計算下滑誤差并生成引導指令；
2）艦載機非著艦階段按照設定航跡運動，測量相對著艦甲板的位置，在著艦階段根據著艦引導指令調整航跡；
3）艦機相對位置測量精度可設定；
4）艦機運動參數的交換頻率可設定，對下滑控制有影響；
5）由于數據處理、艦機數據傳輸延遲的影響，會導致系統穩定裕度降低，要充分考慮到時間延遲的影響；
6）認為航母平臺、艦載機在著艦過程中，不會發生故障。
2 OMT設計
對象模型模板（OMT）是HLA仿真模型的關鍵部件，包括聯邦對象模型（FOM）和仿真成員對象模板（SOM），一個聯邦有一個FOM，每各聯邦成員都有自己的SOM。FOM中的數據主要包括聯邦中的所有對象類、交互類以及描述這些類的參數或屬性的說明。FOM建立了成員間實現互操作所必須的“信息模型協議”。SOM是單個仿真成員在聯邦運行過程中可以提供給聯邦的信息以及它需要從其他仿真成員接收的信息的規范化描述。FOM/SOM中的數據主要包括對象類及其屬性、交互類及其參數以及它們本身特性的說明。
艦載機自動著艦仿真系統的對象類包括航母平臺和艦載機，交互類主要包括聯邦控制、艦機相對位置測量、下滑軌道生成、下滑引導、下滑控制等，其屬性（參數）及公布和訂購關系如表1、表2所示。
3邏輯流程設計
艦載機自動著艦仿真系統的運行流程如圖3所示。
表1對象類及其屬性表
表2交互類及其參數表
圖3仿真系統的運行流程示意圖
運行流程簡述為：依據初始化信息，視景仿真成員完成航母平臺、艦載機、海面環境的部署顯示；航母平臺成員根據設定環境模擬平臺的六自由度運動，并向艦載機成員發送運動數據；艦載機成員根據初始參數生成飛行軌跡，依據接收的航母平臺運動數據生成并向航母平臺成員發送艦機相對位置數據；航母平臺成員依據接收的艦機相對位置數據及平臺運動數據完成艦機相對位置短時預報，生成艦載機著艦下滑軌道，依據艦載機著艦軌跡與下滑軌道的偏差，生成并向艦載機成員發送引導指令；艦載機成員依據接收的引導指令改變飛行軌道；視景仿真成員在著艦過程中的實現跟蹤顯示；聯邦運行以艦載機完成著艦（依據相對位置測量數據確定）為結束標志。
4仿真效果
圖4艦載機自動著艦仿真場景效果圖
圖4所示為艦載機自動著艦仿真場景效果圖。仿真系統通過視景仿真聯邦成員對對象類的定購與Vega Prime中對象實例的對應關系，Vega Prime將對應的加邦的實體對象類的作戰實體加入到場景中實現視景三維畫面的實時動態構建顯示。Vega Prime（VP）軟件在視景構建方面具有快捷逼真的優勢，利于系統實現，并有助于運行效率的提高。
在實現三維場景實時仿真顯示的基礎上，可通過改變仿真運行參數、環境、艦機初始位置、速度、航向姿態、下滑軌道等參數，以及艦機相對位置測量、航母運動預測、航母與艦載機運動等模型，獲取不同條件下的著艦誤差，以驗證自動著艦引導算法的有效性。
5結束語
隨著艦載機自動著艦和仿真技術的發展，基于HLA的艦載機自動著艦仿真成為系統設計與關鍵算法驗證的重要途徑。該文根據艦載機自動著艦系統的特點以及HLA原理，分析和建立了艦載機自動著艦系統的結構模型，詳細的論述了建模過程，明確了各模塊之間的相互聯系以及功能作用，基于HLA/RTI設計并實現了艦載機自動著艦仿真系統，并采用Vega Prime實現了視景三維畫面的實時動態構建顯示。該系統達到了預期效果，其設計思路也適用于其他仿真系統。
參考文獻：
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分布式交互仿真技術范文3
關鍵詞：仿真技術；液壓挖掘機；聯合仿真
液壓挖掘機是一種功能典型、工況復雜、用途非常廣泛的工程機械，特別是在中國這樣一個發展中國家，幾乎在所有的基礎建設中都要用到挖掘機。節能型挖掘機就成為發展的方向和趨勢，利用計算機仿真技術進行液壓挖掘機的設計開發成為目前主要的先進設計手段之一。
1 計算機仿真技術產生的背景
1.1傳統技術的缺陷
傳統批量產品的開發過程通過單件產品的模型試驗來獲取信息，然后再制造物理樣機來核查設計要求是否達到。要加快設計周期，滿足市場需求，可以采用“并行設計”的思想，但是產品有實質性變化時設計需要反復試驗和修正，影響了并行設計的效果。要有效地加快設計進程，最合理的方法是加快樣機的試制。由于物理樣機的試驗和改進延長了設計周期，多個樣機的制造更導致成本高昂，可見傳統的基于物理樣機的產品開發設計模式有待改進。
1.2市場競爭的需要
隨著世界經濟和科學技術的飛速發展，企業為了提高競爭力，必須縮短新產品研制和開發，降低產品的研發成本，進行創新性設計.計算機仿真技術就是在這種迫切需要的驅動下產生的。
1.3仿真技術實現的可能性
計算機軟硬件的發展，為計算機仿真技術的實現提供了良好的支持和技術環境。仿真技術的產生和發展與CAD技術的成熟及大規模推廣應用分不開。此外，機械系統動力學建模理論的計算機實現使得參數化機械系統動力學數學“軟模型”得以很好實現。計算機硬件的發展，加上數值算法的進步，加快了復雜的數學模型仿真運算速度，促進了計算機可視化技術及動畫顯示技術的提高，為虛擬樣機技術提供了良好的用戶交互界面。
2 計算機仿真技術發展趨勢
雖然現有的仿真工具可以有效輔助產品某個功能單元的設計開發，但隨著產品規模和復雜程度的不斷增長，分系統問的關系也越來越復雜。僅靠傳統的單領域仿真已經很難滿足對整個產品或其某個復雜子系統的功能和行為分析。目前，有不少商用仿真軟件本身里邊有好多模塊，它既可以對一個產品進行聯合仿真，同時也提供了與其他仿真軟件之間的接口。通過這些接口，實現多領域建模，并提供聯合仿真運行功能。
3 聯合仿真技術的特點
傳統的設計思想是串行的過程，從設計到產品的批量生產按照從前至后的順序進行。在整個過程中各個小組往往把注意力集中在各自的細節上而忽略了整機性能，最終產品集成后存在沖突缺陷。
聯合仿真技術采用數字仿真的形式進行虛擬產品設計開發，仿真模型的參數就是物理樣機的設計參數，虛擬樣機因為參數修改方便，相比物理樣機而言是“軟模型”，能輕易地實現原型的多樣化，柔性好。無需制造實物樣機就可預測產品的性能.節省了物理樣機制造時間，降低了開發成本，減少了風險。
4 仿真技術與液壓挖掘機開發
4.1復雜產品仿真技術研究現狀
復雜產品通常涉及眾多學科領域，其每個子系統都可能是由各學科領域的零部件組成。眾多的子系統相互作用，組成一個有機的整體，展示出產品的外觀和功能。
仿真通過對所要研究系統模型的開發，幫助人們了解系統的行為，使人們在產品設計階段即可對產品行為進行全面的分析，并有可能根據產品行為進行優化設計。復雜產品由于自身的復雜性，開發難度大、時間長、成本高，因此要求將仿真應用于其設計中，使企業能以更短的時間、更好的質量、更低的成本推出自己的產品。在過去的10—20年內，隨著計算機軟、硬件技術的飛速發展，仿真技術已在復雜產品設計中得到大量應用。
4.1.1系統動力學仿真現狀
虛擬樣機是一種新型的設計、開發和評估手段，其在工程中的應用是通過商業化軟件實現的。由于系統仿真技術能夠滿足真實產品設計要求，通過建立機械系統的虛擬樣機。使得在物理樣機建造前便可分析出它們的工作性能，因而其日益受到國內外機械領域的重視。目前，國際上有20多家公司在這個日益增長的市場上競爭，比較有影響的有美國MSC.Soflware公司的ADAMS、比利時LMS公司的DADS等。
4.1.2液壓控制系統仿真現狀
從20世紀70年代初開始，國外開始進行液壓系統和元件的計算機數字仿真研究，經過幾十年的研究開發，液壓仿真軟什的性能實現了從原先的精度低、速度慢，發展到精度高、速度快：從只能處理線性系統發展到能處理非線性系統；從復雜的編程和輸入發展到交互友好的圖形用戶界面等。隨著計算機技術的發展，液壓系統仿真技術得到了迅速發展，近幾年來，各款老牌的液壓仿真軟件公司紛紛推出了面目一新的版本，例如，英國的Bathfp、瑞典的Hopsan等。
4.1.3聯合仿真現狀
目前。人們已經開始將機械、控制、電子和軟件等多領域的聯合仿真應用于汽車、鐵路車輛、作戰系統等復雜產品的設計中，例如：福特公司將整車多體動力學仿真和汽車姿態控制系統仿真集成，通過機械、控制的多領域聯合仿真，使機械設計人員和控制系統設計人員能夠更好地進行通信和協同工作，極大地縮短了產品開發時間。
雖然聯合仿真已經在很多領域得到應用，但目前的應用還存在諸多局限，主要體現在：通常只能做到機械、控制和液壓等少數領域的聯合仿真。通常只能局限于單臺計算機上集中進行，分布式協同建模和分布式仿真運行幾乎不可能。
4.2仿真技術在液壓挖掘機領域的應用
4.2.1國內應用現狀
國內液壓挖掘機行業近年來雖有很大發展，但與國外挖掘機行業發達國家相比仍存在許多不足，設計水平與發達國家相比有較大的差距。國內眾多的研究人員和單位對液壓挖掘機工作裝置設計進行了不少研究，開發了設計軟件，他們的研究基本上局限于某些問題的解決，關于工作裝置設計參數分析和在CAD上其自動設計的綜合研究文獻還沒有。因此，開發出的軟件缺少通用性，不能用于挖掘機一些通用問題的解決，對液壓挖掘機進行分析的大型通用軟件目前市場上還很少。
4.2.2國外應用現狀
仿真技術在國外工程機械的很多方面都得到應用，如車輛懸架設計、發動機設計和沖擊特性預測、駕駛員行為特性仿真、挖掘功率預測及工作效率預測等多方面都成功地應用了仿真技術。
分布式交互仿真技術范文4
眾所周知，現在的軟件產品是從相對的穩定到動態多變，它的開發時間、質量、成本、服務、環境到知識含量等都面臨著嚴峻的挑戰。制造產業信息化、信息產業智能化、智能系統自演化，這是一個趨勢。自演化就是讓系統自己邊建模、邊仿真、邊構造，把信息技術、建模仿真、設計管理等綜合應用到軟件產品之全系統、全生命周期活動中，建立一個高效、低耗和基于知識的網絡化、智能化的軟件生產新模式。系統仿真不只是一種驗證存在、演示未來的手段，還是一種升級、構造軟件系統的新方法?！败浖藰嫾莼到y”就是復雜系統建模仿真理論與技術支持下系統全生命周期活動的一類建模與仿真技術，比較真實地描述了系統的運行、演變及其發展過程。
目前，開放、多變、動態、異質、異構的軟件計算平臺正驅動著軟件基本形態由傳統的靜態封閉框架向動態開放模式轉變，未來的網絡應用模式必然具備環境感知、服務升級、模型多樣、結構柔性、在線仿真、在線演化、動態協同和自主適應等高級計算特性。然而，傳統的軟件理論、方法和技術在解決開放系統的本質需求時遇到了大量的挑戰性問題。例如，在宏觀體系結構顯式化、環境感知和交互能力、軟件實體元素的可變性、結構關系可調性和系統運行時元素“‘熱’、‘插’、‘拔’”功能等方面都亟需理論方法和技術工具的突破，呼喚在軟件系統的演化性和應變能力等核心技術方面推陳出新。
面對挑戰，曾廣平教授帶領的研究團隊，以“大系統理論”、“分布式系統”、“智能系統”和“模型工程”為指導，依托前期“軟件人”工作積累，以“構造模型”、“感知環境”、“規劃策略”、“演化仿真”、“系統生成”等關鍵問題為重點攻關對象，系統地總結出一套基于“軟件人”構件來設計、開發、運行和演化開放應用的解決方案。其中：“構造模型”是將“軟件人”本體普適化為“軟件人”構件，提出一種以演化為主的構件模型，同時構造出“軟件人”構件的運行平臺和基礎設施；“感知環境”是借助“軟件人”的環境感知框架，賦予“軟件人”構件以獲取、識別和理解上下文信息的環境交互能力；“規劃策略”是在環境激勵機制驅動下，依托決策機構內建的規則及其推理算法，產生出滿足預期的系統演變規劃；“演化仿真”是在演化策略指導下，有效控制基于“軟件人”構件的分布式系統完整、一致地在線演化；“系統生成”是在演化過程中構造系統結構和完成功能進化，使得到的系統具有綜合、協同、繼承和互操作的特性
《“軟件人”構件與系統演化計算》一書以構造一個“軟件人構件演化系統”為主線，從基礎理論和工程技術兩個層面，圍繞“軟件人”構件及其系統演化仿真的關鍵問題，展開了深入淺出地論述。本書是一個開展高效能計算技術和現代建模與仿真技術融合的研究范例，所研發的演化系統在支持軟件質量、開發成本及進度、模型維護等方面都具有良好的性能。我相信，這本頗具學術價值、蘊涵新意的科技專著，一定能在學術思想和科學方法上為讀者和軟件新技術領域的研究人員提供啟迪、指導和幫助?！?/p>
分布式交互仿真技術范文5
[關鍵詞]虛擬仿真技術；治安教學訓練
應用型人才是公安院校人才培養工作的目標，而實踐能力是人才培養工作的重要內容，治安課程是建立在治安專業理論基礎上的應用性課程，具有較強的實踐性，治安專業在實踐能力訓練中卻大量存在實戰訓練中的高度危險性以及不可及、不可逆的訓練環境條件和內容（比如處置、事故現場處置和暴力犯罪的處置、巡邏盤查等），這為發展治安學虛擬仿真實驗教學提供了需求和空間。虛擬仿真技術是計算機、智能、傳感、圖像處理與模式識別、音響與語音處理、網絡等多個領域技術的綜合性技術。迅速發展的現代教育訓練技術把虛擬仿真技術引入到了實踐性的教育訓練中，使傳統的教育模式進一步得到改變，也使得教與學的方式發生了革命性的變化。治安管理虛擬訓練系統主要用于公安院校治安專業學員和公安干警崗位能力訓練，為公安院校創新開展實訓教學提供有效支持?；谔摂M仿真技術內涵分析，探討治安課程虛擬仿真訓練環境設計以及在治安教學領域中的應用前景。
一、虛擬現實及相關技術
（一）虛擬現實概念及特點解析
虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR，又稱靈境），是指以計算機技術為核心的現代高技術生成融視覺、聽覺、觸覺等多位一體的虛擬環境，使用者利用匹配的設備以現實的方式與虛擬環境中的對象進行自然交互，從而讓使用者會形成親臨真實環境的體驗。虛擬環境指利用計算機建構的有逼真色彩的立體幾何圖像，它既可以是某特定的真實環境，也可以是能夠滿足使用者需求的虛構虛擬環境。匹配的設備指穿戴于使用者身上或置于使用環境中的傳感裝置。比如：頭盔式顯示器、數據手套等設備。自然交互是指用現實活動方式對虛擬環境內的對象進行互動并得到實時反饋，如使用者運動等。虛擬現實具有的三個特點。
一是沉浸性。虛擬仿真技術的沉浸性是其在訓練領域的應用技術最突出的特點，運用該技術使受訓者能全身心進入到建構的虛擬環境中，調動其感覺器官達到同真實環境相似或相同的逼真程度，成為知識掌握、能力訓練直接w驗化的工具。這種逼真體驗不是獲得的間接經驗，而是受訓者在逼真模擬情境中通過自身的體驗獲得的直接經驗，因此，利用虛擬仿真技術使受訓者獲得的知識和能力效果最好的。
二是交互性。交互性是虛擬現實技術不同于其它媒體技術的重要特征，體現虛擬現實技術創設的是一個開放的互動性人機環境，利用先進的人機接口，通過多樣受訓者感覺通道的實時模擬交互，當使用者做出如手控、語言命令等相應的操作時，創設的情景里能具有相應的回應。因此，交互性是指使用者對創設的情景的可操作度和從情景里獲得到回應的實時性。
三是構想性。構想性特征反映了虛擬現實技術運用具有無限寬廣的想象范圍，可拓展人的認知廣度與深度，可任意構想現實不存在或是發生可能性小的情景。
隨著虛擬仿真技術的在教育訓練中的運用，虛擬仿真技術的沉浸感、交互性、構想性三屬性，提高了受訓者的綜合能力培養效率。
（二）虛擬現實技術
1.利用三維建模技術，構建虛擬訓練環境。三維建模技術需要CAD和視覺建模等技術的結合，以此提高數據獲取的效率，當然在構建虛擬環境中更多需要采用視覺建模技術。而對象物體的三維模型是三維模型建構的基礎。在治安學針對治安管理中的虛擬三維訓練環境建構，通過建構相應的管理、處置環境圖庫，包括處置背景、場景、各種警用裝備和處置人員等，為使用者創造一種變化多樣、逼近真實的立體環境，使用者能夠有置身其中的臨場感覺。在訓練中，可以采用綜合了照片、影像和現實街區數字地形數據等生成處置區域三維立體環境，以幾乎一致的三維環境來訓練執行處置任務的學員，可以提高執行任務的效率。
2.交互技術。虛擬現實系統運用的交互技術主要功能是對物體和各種輸入的處理。用戶要完成的任務通過仿真引擎輸送到虛擬空間，并計算完成動作并呈現在虛擬環境中。虛擬現實中的人機交互方式多樣，可以通過計算輸入設備，也可利用數據手套、跟蹤器、三維探針、操作桿等交互技術等。比如：數據衣、手套可計算出身體、手的空間位置和狀態，關節的位置和方向可通過手指動作以及各個部位傳感器來確定，為使用者提供真實的三維交互方式，從而實現對虛擬環境中物體的操作，數據手套是VR系統常用的交互設備。
3.傳感技術。傳感技術包括定位、跟蹤、感知反饋等技術。虛擬環境用戶的定位和跟蹤主要是通過空間傳感器來確定。跟蹤系統由發射和接收器、電子部件等構成。比如，聲音跟蹤可以包括多個發射、接受和控制單元，它可以與其它設備相連，如，數據衣和手套等。視覺跟蹤技術是跟蹤投影在圖像投影平面不同時刻和不同位置上的光，確定跟蹤對象的空間動靜狀態。感知反饋是使用者感知圖像、聲音、作用力等的過程。視覺反饋包括實體造型、光照模型、消影、紋理影射等內容。立體視覺反饋顯示器可以使用者兩眼呈現視差的平面圖像合成并呈現立體視覺反饋。
4.計算處理技術。計算處理技術具有快計算、大儲存能力、強處理能力屬性，主要包括數據轉換與預處理、實時仿真圖像生成與顯示、聲音合成、多維信息數據融合、轉換、壓縮以及數據庫的生成、模式識別以及信息檢測、合成和識別、分布式與并行計算等綜合性計算技術?？梢哉f虛擬現實系統是以高性能計算技術為核心的創新科技，是系統性能強弱的根本。
二、虛擬治安管理訓練模塊及環境設計
（一）虛擬治安管理主要訓練模塊
虛擬治安管理訓練模塊，采用虛擬現實三維仿真引擎進行開發，主要模擬接處警、公共安全危機處置和消防仿真演練的各類場景、人物角色、工具設備和工作流程。以工作流程為主線，以交互的方式進行教學實訓。主要開發以下實訓模塊：一是接處警教學實訓模塊。包括接警、處警、現場控制和現場制止違法犯罪行為等三維交互教學實訓子系統。二是公共安全危機管理教學實訓模塊。包括了群體性危機事件處置、恐怖襲擊危機事件處置、公共事故災難危機事件處理等三維交互教學實訓子系統。三是消防仿真應急演練模塊。包括演練培訓與考核、消防監督檢查、消防裝備與滅火技術、火災救援指揮等三維交互教學實訓子系統、應急疏散等三維交互教學實訓子系統以及通過動作捕捉系統進行交互演練的半實物實訓系統。
（二）虛擬治安管理訓練環境設計
虛擬現實技術與治安管理實訓相結合，可以產生虛擬治安管理及相關問題處理環境，這樣的仿真世界如同身臨其境，操作者能夠進入該環境，直接參與該環境中事物的變化過程并能互動。虛擬治安問題處理環境設計這是基于治安問題分析模型、治安問題處理等虛擬現實，是呈現治安管理及問題處理系統的三維空間和處理過程的虛擬仿真環境，訓練者可以根據構想和意愿去構建完善治安管理及問題處理時空關系、分析和處置模型等，并能實時檢測交互結果，通過循環性反饋結果獲取規律性認識。
一個高效虛擬現實系統，都需要設計模型、處理數據、分析評估等程序。當然，治安管理及相關問題處理虛擬現實系統也需要。根據虛擬現實系統的三屬性及其之間關系，可以將治安管理及相關問題處理虛擬現實系統訓練看著為一個空間系統，由治安管理相關載體和物理條件所構成。
通過虛擬現實系統實現環境逼真模擬，首先要進行治安管理及相關問題處理環境設計，即將治安管理及相關問題處理環境進行數字處理，這種把環境建構處理成符合治安管理及相關問題處理模擬訓練要求的設計過程，就是治安管理環境的仿真設計。為了能夠真實模擬治安管理及相關問題處理過程，就需要經過設計使用和驗證過程，以保證模擬效果和質量。
治安管理虛擬訓練系統涉及數據處理和感知虛擬現實。通過治安管理及相關問題處理數據來識別虛擬環境，并將其模型化，也就是將虛擬環境數據轉變為計算機認知虛擬環境模型。虛擬環境感知是以運用虛擬環境影像、聲音等內容呈現治安管理環境，訓練者運用操作系統體驗感覺管理環境，實現現場情況觀察、態勢走向把握以及決策輔助的目的，并評估和接受感知結果。治安管理虛擬訓練系統是以數據處理虛擬仿真為核心，由于模型驅動導致數據信息變化可通過虛擬環境感知轉遞到訓練者，同時，人機交互也可改變數據處理的結果。
建立虛擬治安管理環境需要現實調研獲得特征數據。特征數據擁有精確坐標和特征編碼，用于表現虛擬現實環境，比如建筑、道路、廣場等。對于虛擬三維環境設計，要根據標準數據生成街區等公共場所中的靜態以及運動物體，然后覆蓋紋理，生成虛擬場景。對于治安管理環境，可以用航拍照片和特征紋理的方法建模，紋理可以通過掃描用數字相機拍攝場景照片和手工繪制圖片生成，三維模型建立完成后，可以進行特殊效果處理。
三、虛擬現實在治安學中的應用前景
高速發展的信息技術，虛擬現實與GIS技術的有效結合實現了虛擬仿真，治安管理及問題處理訓練仿真系統就是利用虛擬現實和GIS技術的仿真系統。近年來，公安院校大力加強校內外實踐教學，虛擬仿真實驗教學是公安院校實踐教學建設的重要內容，是公安實戰能力的重要基礎。虛擬現實技術創造了一個新的訓練環境，將訓練領域和結果接近真實的展示，使其沉浸于其中，激發訓練創造性思維，這將學生技能提高到一個前所未有的水平，通過虛擬仿真實驗教學，也促進治安學實踐教學的整體素質和教育水平。
（一）學生的教育訓練
虛擬現實技術運用于教育訓練，將更能引起受教育者的興趣，提高教學訓練效果。對治安學有關的教育訓練，傳統的治安專業知識大都以教科書來呈現，通過講授以及借助于文字案例、有關的視頻等教學工具來實現，但如能借助于虛擬現實技術，就可以將直觀的綜合性治安信息搭建模型，利用虛擬現實系統的功能系統，讓受訓者通過一次次足不出戶的虛擬經歷就能置身于治安問題處理和能力訓練。治安學虛擬仿真訓練主要結合接處警、公共安全危機處置、公共場所治安防控、治安事故現場處置等，包括的內容涵蓋人群管控、違法犯罪的現場制止、公共安全危機管理、治安秩序管控、應急救援等教學訓練模塊，每個模塊根據實際工作內容的復雜程度和工作量的大小不同定制開發一個或多個虛擬三維仿真模擬場景，旨在盡可能真實的還原公共安全工作的真實環境和人物行為，讓參訓者沉浸在高仿真的環境中，產生身臨其境的感觀體驗，從而達到最佳的教學實訓效果。目前，公安院校在處置訓練上存在較多問題，由于受現實訓練條件限制，實訓展開次數少，如果訓練操作不當還可能出現危險，如果運用仿真系統實現模擬發生及處置全過程，可以實現訓練者在場景中沉浸，并能運用多種方法控制現場、處置事態，觀察處置中的變化過程，可以讓處置訓練者體驗并學習到如何對各種處置環節和情形做出反應，并且對處置結果進行直觀評價。
（二）研究者理論研究
虛擬現實技術為治安學理論研究提供了特殊手段和方法，利用它可以為治安學理論進行全過程研究，讓學者完全沉浸于計算機環境中的三維場景，充分表達學者構想，并得到構想形成的結果，獲得規律性的認識。特別是一些難以記憶、掌握的統計數據可以轉換成直觀性強三維圖形圖像，尋找各種治安現象之間的關系，更能理解和把握，達到研究目的。比如警察巡邏規劃和治安防控制w系建設研究。
（三）課程虛擬實驗
利用虛擬現實技術可創建一個基于計算機為核心的虛擬實驗平臺，利用虛擬仿真技術進行技能訓練、虛擬實驗，創設的虛擬環境的演示物可擺脫實驗室所需昂貴的器材，降低實驗成本，而實驗效果基本接近現實技能訓練的教學效果。對于不具備現實條件開展訓練的項目，也能在此環境實現。比如：對公共場所危爆物品處置，傳統的教學訓練主要依靠講授和視頻展開，而虛擬現實技術提供體驗公共場所危爆物品的處置現實環境，并將結果呈現以此檢驗科學性、合理性。
（四）治安實踐應用
分布式交互仿真技術范文6
2013年，內蒙古電力（集體）有限責任公司培訓中心教學科研團隊經過多地調研，準備籌建新能源仿真培訓系統；該系統是包含風力發電、光伏發電、電力儲能，并具有微網特性的實際運行系統示范工程，預計2014年5月通過整體驗收。
系統設計構想
該系統主要由分布式電源發電、儲能裝置、交直流負荷、能量管理系統、測控保護裝置和監控裝置匯集而成的智能型的微電網系統。
該系統建成以后可實現：
（1）實現分布式電源、智能儲能系統友好接入電網，實現與配電網并網協調運行。
（2）建成微網運行狀態監控、分布式發電接入微網控制、功率分配調度與發電控制、電能平衡和負載控制的應用平臺。
（3）實現微網雙向潮流環境下控制保護協調工作的系統。
（4）完成分布式光伏電源、儲能系統智能協調工作，成功實現孤島轉并網、并網轉孤島方式的自動切換。
系統設計方案
智能微網系統設計方案
微網系統建設按區域可劃分為微網控制設備室、屋頂光伏系統、室外風力發電等三個區域。最終建成一個包含新能源發電（含使用光伏發電系統、風機發電系統）、儲能裝置（鉛酸電池儲能）、交直流負荷（含模擬負載、普通負荷）、測控保護裝置、能量管理系統匯集而成的微網系統。
微網系統通過微網進線開關和主網連接，有并網運行和孤島運行兩種方式，并可實現功率平滑控制、需求側響應、能效分析等高級功能。微網能量管理系統實現微網主要設備的信息采集、設備控制、狀態監視等功能，可與配網SCADA系統進行有機連接。
該系統平臺為進一步研究微網的穩態分析和數字仿真技術、微網能量管理技術、微網的并網應用和經濟運行理論奠定了基礎。
交互式培訓系統設計方案
交互式培訓系統采用交互式仿真軟件支撐平臺解決分布式仿真培訓系統互操作性、分布性、異構性、時空一致性和開放性問題，具有良好的規?？缮炜s性，能夠滿足展示和仿真互動培訓的需要。
交互式可視化仿真支撐平臺由可視化視頻展示、組件化三維建模，數據庫管理、人機交互界面等子系統以及模型庫，為上層各應用提供公共的展示和培訓基礎服務。
同時軟件系統還具有培訓管理系統的功能。包括培訓業務管理、培訓過程管理、系統輔助管理。
系統組成部分
光伏并網發電系統
光伏并網發電系統，含5kW光伏電池和三相光伏并網逆變器。
風力發電系統
風力發電系統，含2kW的風力發電機組和三相變頻器接入微網。
風機控制器系統
風機控制器系統，采用PWM方式控制風機對蓄電池進行限流限壓充電，即在蓄電池電量較低時，采用限流充電。也就是當風機充電電流小于限流點時，風機的能量全部給蓄電池充電。當風機電流大于限流點時，以限流點的電流給蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。在蓄電池電量較高時，采用限壓充電。也就是當蓄電池電壓低于限壓點時，風機的能量全部給蓄電池充電。當蓄電池電壓達到限壓點時，風機會以限壓點對蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。該系統具有完善的保護功能，包括：蓄電池過充電、蓄電池防反接、防雷、風機限流、風機自動剎車和手動剎車。
并網逆變器系統
并網逆變器系統，采用美國TI公司專用DSP控制芯片，主電路采用國際知名的西門康IGBT功率模塊組裝，運用電流控制型PWM有源逆變技術和優質進口高效隔離變壓器，可靠性高，保護功能齊全，且具有電網側高功率因數正弦波電流、無諧波污染供電等特點。
雙向儲能逆變器
雙向儲能逆變器，主要功能和作用是實現交流電網電能與儲能電池電能之間的能量雙向傳遞，也是一種雙向變流器，可以適配多種直流儲能單元，如超級電容器組、蓄電池組、飛輪電池等，其不僅可以快速有效地實現平抑分布式發電系統隨機電能或潮流的波動，提高電網對大規?？稍偕茉窗l電（風能、光伏）的接納能力，且可以接受調度指令，吸納或補充電網的峰谷電能，及提供無功功率，以提高電網的供電質量和經濟效益。在電網故障或停電時，其還具備獨立組網供電功能，以提高負載的供電安全性。
蓄電池
蓄電池，為20塊12V200AH的太陽能專用膠體電池（浮充次數不少于1500次）工作溫度在-40℃～+55℃。具有防水措施，抗腐蝕性能及深循環性能好。
智能微網控制系統
智能微網控制系統，采用武漢日新公司產品，該公司研發的智能微網控制系統為新技術產品，本設備可實現在各種狀態下智能、穩定切換，極大的提高了內部電網的系統安全性。太陽能電力、市電、儲能單元互為備用，負載供電首選太陽能電力，有多余電量則并入電網；儲能單元在電網故障時可滿足負載供電要求；太陽能電力不足時，引入市電對負載進行供電。用電負載供電方式靈活按照電網狀態選擇切換，各供電方式切換平穩迅速，實現了系統安全性的提高和太陽能電力利用最大化。
智能微網控制系統集成監控系統功能，可實時監控光伏控制器、逆變器、光伏陣列等設備，對整個系統的運行情況通過友好的界面實時的顯示出來。主要功能包括：設備自動檢索：新設備一旦被接入系統，會被自動檢索，并顯示在設備列表中；遠程查詢：用戶可以在任何一臺能登陸網絡的PC上實時監控點點的運行情況；系統詳細運行參數：實時顯示光伏控制器、離網逆變器、光伏陣列等的運行參數；故障記錄及報警：通過聲光等手段及時提醒故障，并作記錄；歷史數據記錄：可查詢設備指定時間范圍內的運行參數信息。
RLC交流負載系統
RLC交流負載模擬器作為微網系統三相模擬負載，主要用于測試微網系統對感性、阻性、容性負載的帶載能力以及微網控制策略對于負載變化的響應情況。其接線形式如下圖所示。
能量管理平臺面向各種控制和優化目標，通過對電源出力調節和自動網絡重構實現電網的能量管理?？蓪崿F優化目標包括：
1）平抑波動控制
平抑波動控制主要是指按照一定的策略控制分布式電源系統的發電功率和接入狀態，以保證在滿足負荷需求的前提下盡量多地使用清潔能源，而且同時要保證分布式電源所發電能全部就地消耗，系統也不會向電網反送功率，避免出現逆功率保護動作造成停電。
為了達到這一控制目的，需要在對各分布式電源系統發電的實時功率、負荷消耗功率、光照強度等一系列參數進行實時采集、綜合分析的基礎之上，實時計算得出當前分布式電源發電功率的調節目標，并采用以下手段來實現調節：
遙調：通過遠傳通道下達調節命令，改變分布式電源的發電功率
遙控：控制開關分、合閘以切除或投入該路分布式電源
2）需求側響應
在實時電價基礎上進行需求側響應的研究。通過峰谷電價調節，實現需求側響應調節負荷和分布式電源達到削峰填谷的目的。分布式電源對于電網而言本身具有一定的正調峰特性。而對于微網中的儲能系統而言，在參與削峰填谷時，通常根據負荷的高峰和低谷區域作為電池工作方式切換的邊界點。
3）優化經濟運行
根據電網分時電價與負荷狀況，合理分配光伏系統和風機發電功率、儲能系統充放電狀態，使得整個微網系統實現經濟運行，大大降低運行成本，實現經濟效益最優化。
4）并網與孤島運行模式切換
