數字仿真技術范例

摘要：隨著信息化技術的飛速發展，數字化建模在工程實踐的多領域中逐漸占據著重要地位，相關仿真技術也在諸多領域得到廣泛應用。雷達設計領域隨著信息化的不斷發展，使用高效的數字化手段實現對其相關雷達在功能及性能上的模擬設計成為現行重要的驗證與評估手段。通過本文的全局化數字信息化建設，不僅可以有效地實現雷達數字化設計與仿真技術體架構得以有序的展開，并可為后續方案的改進與升級提供更為有效的實施方法。

關鍵詞：雷達數字化;設計與仿真;技術要點分析

隨著計算機技術的快速進步與發展，利用高效的數字化信息計算過程實現工程問題的實踐與分析已成為當前重要的手段。通過計算機的高效性應用于各個領域，其數字化的趨勢在諸多的范圍內已成為當前各個傳統行業取得高質量發展的重要前提與方式。尤其是當前國家在不斷深化改革的方案下，結合高新的信息技術手段已成為當前重要的技術手段，涉及的數字化手段也是未來重點要發展的核心技術，通過多元性的“物理信息系統”的構建，可實現其智能化信息手段得到快速有效的構建，通過仿真技術實現橋接產品實物和設計理念的分量越加重要。在雷達數字化設計與仿真的過程中，可有效地通過現代化的科學計算方法而使得其結構可根據實際的戰情需求而進行詳細的設計實驗，在此，所采用的核心方法為通過數學建模實現雷達模型的構建，在此基礎上，融合、目標、雜波、電子干擾等多元性的電磁環境而構建出較為符合實際情況的綜合模型，再通過具體的數學方法進行模型的計算，仿真在設定的核心內容是以其流程化的過程而實現多要素在環境中將雷達運行中的多要素實現有機的集合，實現多個要素達到電磁環境中要素的彼此作用融合，模擬出的雷達波形參數往往更具有現實性意義。

1雷達數字化體系架構綜合研究

雷達數字化設計與仿真技術在實現前，首先，應該明確所涉及的雷達其核心要點及功能，進而在開發后續的設計驗證和功能仿真功能，在此操作步驟的實現是以需求為牽引的，進而在不斷明確其功能的基礎上實現仿真基礎數據的彼此融合，隨后就是以基礎性的數字模型輸入，在計算機的作用下而實現結果的生成、加載、配置、運行以及過程中多要素地科學化管理，最終可通過將數據和模型在彼此相互結合的作用下，以其相對可視化的圖形、圖像及視頻進行輸出并進行有效的記錄，在整個的模擬過程中，往往需要將真實環境中系統性的各要素進行簡化歸納，進而轉化為數字模型進行對雷達設計的評估。該雷達數字化設計與仿真信息流程圖如圖1所示。

1.1設計與仿真技術分層模型構建

對構成雷達數字化設計的各個要素的歸納和闡述，需要依據其仿真技術不同需求而進行具體性的邏輯關系識別。采用主流型的分層模型來實現架構系統的分解與計算已成為重要的手段。在該體系架構的設計中，主要是通過基礎數據層，數字模型層以及后續的平臺應用層來實現系統的功能化表達。在該三個層面的組合構成中，其所具有的基礎數據層的功能性表達的要點是為整個架構提供基礎性的地圖數據、目標、雜波以及視景等內容，在后續的應用中通過不斷的模擬應用，在了解掌握真實地理環境的基礎上不斷地優化完善地圖信息的集成，使得整個系統所具有的目標及場景中回波計算更為精確有效，并且可對其中所涉及的多元性的氣象或地理環境下雜波數據進行更為精準的分析。雷達等裝備模型在完成信號參數或信號波形的構成基礎上而進一步強化平臺層的應用，而后進行對應數字模型加載、配置、編譯運行和結果評估，其次，將仿真戰情配置、動態過程、裝備功能、性能參數等通過動態圖表等形式進行展示，并且還能結合分布式計算、GPU加速、VR以及AR方式增強平臺功能，擴展應用領域，最后，完成對基礎數據、數字模型和仿真戰情等數據進行數據庫管理。

摘要：隨著虛擬技術發展及人力資源需求的改變，目前汽車企業都在積極構建數字化工廠，開展仿真技術研究，減少實體后期的設變。在數字化工廠環境中，基于DELMIA軟件，應用仿真工藝技術對汽車企業重勞崗位進行分析改善，開展與設計同步的工藝開發。結合企業自身特點，建立適應企業崗位分析的重勞崗位人體模型、評價基準、仿真模型，通過對新產品裝配典型工位進行工藝仿真，識別判斷重勞作業崗位，并通過與設計同步開發，在產品概念階段推動解決重勞問題。運用仿真工藝對典型工位進行仿真分析，并制定了對應的改善對策。實踐表明，通過仿真工藝可以有效削減重勞崗位，并減少后期產品實物變更，降低產品成本，取得很好的經濟效益。

關鍵詞：數字化工廠;仿真;重勞崗位;DELMIA軟件

1引言

進入21世紀以來，制造企業招工難的問題日益突出。同時伴隨00后進入勞動力大軍，新興的求職人員對工作崗位的選擇，不再局限于薪資，而更多關注崗位的發展前景及崗位的勞動強度。舒適輕松的作業強度，現在已經成為新興求職人員的首要考慮條件之一。因此，怎樣改善重勞崗位，降低員工的作業強度，成為先進汽車制造企業主要研究目標之一。數字化工廠借助信息化與數字化技術，通過集成、仿真分析、控制等手段，可為制造工廠生產全程提供全面管控的一種整體解決方案。以航空、汽車、造船為代表的大型企業，都基本實現了數字化工廠建模。上汽公司、東風日產、奇瑞公司等企業也實現了汽車設計和制造的數字化工廠模擬，并且取得了很好的效果。在這樣的背景下，很多汽車企業都在逐步建立數字化工廠模型，同時利用仿真技術，實現對作業崗位模擬，實現作業崗位勞動強度的定量分析判斷，從而降低勞動強度。本研究主要是基于數字化工廠建模，探討工藝仿真技術在汽車總裝車間重勞崗位分析領域的應用，聚焦于員工的重勞操作分析。結合公司應用實例，全面分析重勞崗位仿真模型的建模思路、模型表達方式、軟件應用等，結合應用案例分析出重勞崗位仿真技術的價值。

2基于DELMIA的重勞崗位分析方法

2.1仿真軟件介紹

目前針對裝配重勞崗位主流分析軟件分為2種，一個是西門子數字化軟件Tecnomatix，具備工廠、生產線及生產物流過程仿真與優化功能；一個是達索公司的DELMIA，優勢在于軟件對于仿真結果的渲染效果較為美觀，可以不需進行二次渲染處理。DELMIA軟件包含3個板塊的子軟件：DPE（DigitalProcessEngineer）、DPM（DigitalProcessManufacture）以及QUEST（物流分析工具）。DPE主要是提供集成產品、資源、工藝管理平臺，實現產品、工藝、資源的匹配仿真軟件環境；DPM主要是提供工藝細節、規劃、驗證仿真軟件環境；QUEST主要是提供生產工藝流程和生產效率仿真的軟件環境。

摘要：在新工科背景下，數字電子技術教學模式的轉變與開發在電子信息工程本科教學中顯得尤為重要，虛擬仿真技術在數字電子技術教學模式開發中具有獨特優勢。本文分析了虛擬仿真技術的教學優勢，結合建構主義和教學心理學教學方法，開發了基于虛擬仿真的數字電子技術教學模式，與傳統教學模式相比，該教學模式具有提高學生探索積極性、擴展學生知識面、提高學習成績以及降低教學成本等優勢。

關鍵詞：新工科；數字電子技術；虛擬仿真技術；教學模式

2016年1月18日，在十八屆五中全會中指出了“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念[1]，并在一帶一路合作高峰論壇中強調：“我們要促進科技同產業、科技同金融深度融合，優化創新環境，集聚創新資源。我們要為互聯網時代的各國青年打造創業空間、創業工場，成就未來一代的青春夢想。”而新工科的內涵正是為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、《中國制造2025》等一系列國家戰略[2]。綏化學院作為地方應用型本科院校，具有服務地方，立足于地方性、應用型、開放式、國際化的辦學定位，同時制定厚基礎、強應用、養德性、善創新、高素質的培養規格[3]，均符合新工科人才培養理念，“數字電子技術”是電子信息工程專業的核心基礎課程，為后續的“單片機原理與接口技術”“DSP及傳感器原理”等課程的基礎，而傳統的數字電子技術教學模式具有知識面固定、教學內容老化、教學方法單一以及實驗教學成本高等弊端，無法滿足我國新時期新工科建設的具體實際教學要求，即同時適應當前行業產業發展的變化和滿足未來行業產業發展的需求?；诖?，本文為了響應“新工科”的教學背景，設計并開發了基于虛擬仿真的數字電子技術教學新模式。

1虛擬仿真技術的優勢分析

為提高新時代背景下高等學校實驗教學質量和實踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真教學項目，利用線上+線下相結合的教學模式擴展學生的知識層面、增加學生的學習資源、提升學生與教師的互動能力，虛擬仿真技術可以依賴于網絡云端的教學資源，有利于教學資源協調建設、高效管理與應用[4]。在資源共享的平臺上，有助于提高教學質量，促進高校之間、校企之間協調發展，實現“產出導向”的培養模式，數字電子技術中涉及成本較高的耗材時，學生可采用仿真平臺，通過模型建立、參數選擇以及仿真計算等過程，在了解芯片電路工作機理的同時，還了解了軟件和平臺的應用，潤物細無聲中拓展了學生的知識，激發了學生的學習興趣。

2教學模式的開發

在經典的建構主義中，教師的講解并不是學生學習知識的有效渠道，通過學生在錯綜復雜的政治、社會、經濟及文化背景下，教師作為學生學習的輔助資源，學生自主有效地借助社會中的學習資料和資源，通過意義建構的方法捕獲工作中所需的知識與能力[5]。而虛擬仿真教學技術的特性和優勢恰好有利于實現建構主義學習理論中的四要素，即“情境”“協作”“會話”“意義建構”，其中情境對于理工科數字電子技術中抽象的學習顯得尤為重要，集成芯片由上萬個甚至上億個電子元器件構成，結構相對機械零部件更加復雜，不同集成芯片的工作原理更是各不相同，且在工作上存在較為復雜的連帶關系，為此如何運用虛擬仿真技術開發和實現有效的教學情境可以增進學生數字電子技術的理解非常重要。為真實體現復雜芯片結構在工作過程中情境的真實有效性，在教學設計中需規范情境所包含的知識，同時更應該增加知識在生產生活中的運用場合，增加其與應用型本科教學的契合度，虛擬仿真技術兼有技術實現的真實存在感和良好交互特性，將其結合三維動畫技術、先進的生活性、發展性教育理念，鼓勵學生在虛擬仿真學習情境中進行探究、訓練和體驗，通過人機交互的方式加深對數字電子技術中抽象復雜知識的應用理解[6]。在認知心理學的教學范疇內，將學生所學的知識分為陳述性和程序性，對于大量內容為陳述性知識的數字電子技術而言，需要虛擬仿真平臺具有較高的擬合度，因此基于虛擬仿真技術的數字電子技術教學中更應完全遵循科學的客觀規律因素，即應該合理運用物理引擎、選用合理的仿真平臺，針對性地模擬數字電子技術在現實中的客觀規律，從而準確、高效地把知識在真實中運用的方式呈現給學習者?；谝陨蠈μ摂M仿真技術與教學方法的研究，本課題小組所設計的教學策略如圖1所示。

摘要：我國經濟發展正處于轉型和升級的關鍵時期，隨之涌現出各種先進技術與設備，并應用在多個領域中。而仿真技術也不例外，該技術時由計算機技術等其他技術高度融合的計算機技術，也是依賴于模擬技術衍生而來的，能最大程度上實現虛擬展示的效果?；谠摷夹g具有較強的技術性和針對性，機械設計制造人員在進行技術引進和使用之前，應對該技術內涵原理和應用特點進行基本了解，從而避免出現技術性問題，推動機械設計制造業走向現代化和信息化。

關鍵詞：仿真技術；機械設計制造；應用研究

仿真技術融合了計算機技術后，更具現代化和信息化，結合更全面的科學理論和技術支撐后能夠解決更多的現實問題。隨著該技術的逐步成熟，涌現出與仿真技術相關的技術和軟件，也使得模擬技術得到廣泛應用。計算機仿真技術得到接卸設計制造人員的認可與青睞，并在該領域得到廣泛應用，模擬技術的革新與發展能夠有效推動機械設計和制造行業的進一步發展。立足于智能化和數字化發展視域下，仿真技術打破了傳統機械設計制造的壁壘和局限，使得模擬設備得到有效創新和升級，使得學生能夠隨時隨地進行連接，提升其便捷性和實效性。本文在簡要闡述仿真技術和機械制造技術的基本概念，并分析仿真技術的應用特點，最后提出具體的應用路徑，旨在為機械設計制造業的創新發展提供借鑒和思路。

1機械制造技術和仿真技術簡要說明

1.1仿真技術信息描述

結合筆者實踐調研可知，仿真技術在多個領域中得到普遍應用，現階段，仿真技術的開展過重涉及多個工具，依據工具本身性質可以大致分為硬件和軟件兩類。其中硬件指的是計算機，無論是數字還是模擬計算機，此外，還有目標、運動等其他物理仿真器；而軟件則包括語言、程序以及數據庫等部分，綜合構建起仿真技術的軟件系統。在仿真技術的實際應用過程中，要完成目標系統的模型構建，需要增加一定的實踐措施。而實驗措施多是以離散事件和連續系統仿真為主，隨著信息技術的進一步升級，使得仿真技術深受電力汗液、航天工程以及機械制造行業人員的認可與青睞。如今，采用仿真技術能夠有效見地機械加工指導行業的時間、資金等資源浪費，與此同時，也為機械行業帶來較高收益。

1.2機械設計制造行業

摘要：隨著計算機技術的發展與廣泛應用，仿真技術也得以普及，為人們進行設計和實驗帶來了極大方便。如今，仿真技術廣泛應用在機械設計制造、水利水電、建筑施工、航空船舶以及醫療設備等領域。文章主要介紹了仿真技術對機械設計制造行業的作用，從模型創建、變換和實驗三個方面闡述了仿真技術的實現步驟，從機械結構設計、齒輪設計、復雜機械加工、復雜數值計算分析、大型機械設備設計等方面的具體應用對仿真技術進行了探討，剖析了仿真技術的重要性。

關鍵詞：仿真技術；機械設計制造；模型創建

伴隨著計算機的普遍應用和飛速發展，仿真技術逐漸興起，應用范圍越來越廣，它結合了控制論、系統論、相似原理和信息技術多門學科和理論，是一門借助計算機及軟件進行虛擬仿真實驗以分析解決實際問題的綜合性技術。早期的仿真技術亦被稱為蒙特卡羅方法，是一種通過實驗用隨機數解決隨機問題的方法。目前為止，仿真技術的發展主要經歷了三個階段：模擬機仿真、模擬數字混合機仿真和數字機仿真[1]。近年來，仿真技術在工業發展領域中的地位越來越重要，它極大地促進了經濟的發展和社會的進步。因此，對仿真技術進行深入研究，就能夠為機械設計制造提供可視化的模擬制造效果和改進優化的依據。

一、仿真技術與機械設計制造

（一）仿真技術

仿真技術，因其不需要制造實物也被稱為虛擬樣機技術，是指設計人員利用相關的軟件在計算機上建立數據模型，通過分析動態性能參數來改進優化方案，具有安全可靠、靈活方便、節約時間、節約成本以及不受地域環境因素影響等諸多優點。

（二）機械設計制造

摘要：隨著科技的發展，自動化控制技術也有了飛速的發展，其高精度、高效率、高自動化的特點對實現制造業的數字化、集成化和智能化有著重要的作用。鑒于其學習的專業度和高難度，目前各高校也非常注重相關的人才培訓，但由于場地有限及設備費用高昴，各高校能夠擁有的設備數量都不能夠滿足學生的實際操作需求，在這個情況下，虛擬仿真技術在教學中的應用大大彌補了這個不足，并能夠提高安全性，對于增強學生效果、提高學生創新能力、提升教學質量都有著重要的意義。

關鍵詞：虛擬仿真技術；自動化控制；教學；應用探討

0引言

目前正處于職業技術教育的變革推進時期，各高職院校紛紛大力開展實踐教育改革，期待培養工程素質高、專業能力強、職業適應廣、創新能力強的復合型技術人才。如何做好電氣自動化技術專業的教學，讓每個學生都能掌握實際操作，并適應技術改革和創新需要，是自動化控制教學的重點。虛擬仿真技術正是將多媒體科技技術與虛擬網絡通信相結合，構建一個與現實世界相似的教學環境，并帶動學生通過虛擬集成與控制模擬操作，讓學生多操作多練習多探索，以提高學生技術水平，解決教育面臨的問題為最終目的[1-2]。

1發展虛擬仿真系統教學的意義

我國教育方面還存在許多待改進的地方，而虛擬仿真系統注重實踐，與職業教育的原理是相匹配的，而且虛擬仿真系統的實踐與職業技術的理論相結合，二者是有利互補的，大力發展虛擬技術系統對于控制技術教學是有著重要的意義的。

1.1虛擬仿真技術能夠提高學生的學習興趣

摘要：Multisim仿真集元器件和測試儀器等多維度仿真功能于一體的技術，它實現理論知識與實踐知識的交互，在電子技術教學中應用仿真技術具有很大的優越性。作為一種先進的現代化教學工具，應在數字電子技術教學中推廣應用。

關鍵詞：Multisim；數字電子技術教學；74LS161

0引言

數字電子技術與工程實際聯系緊密，是學生后續專業課程的理論支撐。因其電路結構復雜、理論性強的特點，學生們在學習過程中很難學透，并且很難想象出電路的實驗現象。因此在課程教學過程中引入Multisim仿真軟件，采用“理實一體化”的方式開展教學，讓學生不僅從理論知識層面分析電路，也能從實踐層面驗證理論知識，觀察其工作現象。通過教學實踐，證明效果很好。

1Multisim的特點及仿真方法

1.1Multisim的特點。Multisim軟件是美國國家儀器有限公司NI研發的一款集原理圖捕獲和交互式仿真功能于一體的軟件，是一個專門用于電子線路仿真與設計的EDA工具軟件。它具有以下的特點：(1)直觀的圖形界面；(2)豐富的元器件庫；(3)豐富的測試儀器；(4)完備的分析手段；(5)強大的仿真能力。

1.2仿真方法。(1)測量法:就是用軟件元件庫中的儀表直接去測量電路兩端的信號。(2)分析法:就是用軟件中提供的電路分析法直接去分析電路。

［摘要］在豐富實驗教學形式和教學效果的同時，虛擬仿真技術也促進了實驗教學與理論教學的融合。文章主要論述了在大學化學教學實踐中，虛擬仿真技術的應用和對教學效果的影響，總結了虛擬仿真技術在課程中的切入點和展開形式，為數字化和信息技術在化學教學中的推廣應用提供實踐支持和借鑒。

［關鍵詞］虛擬仿真；大學化學；化學教學

化學是一門實踐的科學，理論教學與實踐教學的融合是高等學?；瘜W教學中的核心問題之一，兩者的有機結合將有助于學生加深對于物質結構和反應機理的理解[1]。然而由于時間、空間的限制，化學實驗與化學理論教學往往被分成兩個平行的教學課程，因此不少學生在學習中存在機理—結構—現象之間的割裂，只能依靠死記硬背學習理論知識，無法做到活學活用和真正掌握。隨著信息化技術在教學中的深入，虛擬仿真技術在化學教學中越來越受到重視[2]。虛擬仿真技術在教學中的應用，是對傳統課堂的數字化延伸，其具有可視化，直觀，沉浸感強的獨特優點，又能夠實現一些由于時間、空間、成本、安全等因素無法開展的實踐內容，在工科實驗教學中有著廣闊的應用前景[3]。除了在化學實驗教學中的應用之外，虛擬仿真技術還能夠將實驗壓縮進課堂，動態呈現微觀機理，在豐富課堂教學形式的同時強化實驗與理論之間的聯系，在激發學習興趣的同時提升學生知識理解程度，實現由理論到實踐再到理論的良性循環[4]。

一、微觀結構的宏觀三維呈現

高等學?；瘜W教學中，反應機理往往是相關章節的難點。該部分內容相對抽象，考驗學生對于分子微觀結構的思考能力。以旋光異構為例，本章節涉及大量內容需要同學認識分子結構的空間構型，傳統教學依賴課本和PPT課件的平面化教學往往無法將教師所理解的知識完整傳遞給學生，尤其是對一些空間思維能力較弱的同學來說，面對這種教學方式存在不少理解上的難點。依靠虛擬仿真技術的三維建模，可以將原本抽象化的空間微觀結構在宏觀層面呈現出來，允許學生對三維模型自由旋轉，進而對分子結構的空間構型產生直觀認識，不僅能夠做到根據規則判斷旋光異構類型的基本要求，還能深入直觀地理解該部分知識的本質，而這正是傳統教學方案相對欠缺的。

二、反應過程的動態呈現

化學反應是高等學校化學教學的重要內容，而反應機理又是該部分教學內容的重點和難點。傳統教學中，呈現在學生面前的是靜態的反應方程式，以烯烴加成反應為例，盡管作為親電加成反應表象相對簡單，但實際涉及原子軌道雜化、π鍵電子云分布、誘導與共軛效應等內容。僅僅通過死記硬背記住規律雖然可以應付考試，但這種方式其實是對后續知識點的學習留下隱患，對于結構和反應性質之間的關聯，也僅僅停留在規則的簡單記憶上，一旦遇到復雜過程，學生便無法正確把握反應規律。利用虛擬仿真技術的空間表達和動態表達，能夠使復雜的反應歷程在生動起來的同時，富有條理性，將老師所想和學生所學所思真正連接在一起。不僅如此，通過合理設計，虛擬仿真還能對反應歷程中一些抽象的概念，比如電子云分布，吸電子效應，供電子效應等做出具象化的描繪，從而加深學生對抽象概念的理解，從貼近科學事實的角度，全面立體地理解反應歷程的本質。