時間：2023-09-05 16:59:47
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇數字化仿真技術概念，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞： 虛擬仿真 家畜解剖學 三維模型
1.引言
家畜解剖學是農業類高等學校動物醫學專業的專業基礎課，本課程主要講授正常家畜、家禽的形態、結構、器官的位置關系和發生發展規律。本課程的特點是名詞眾多、結構復雜，對于首次接觸動物醫學專業的學生來說學習起來比較困難，不知道應該怎樣學習。傳統課堂講授方式難以滿足現代化教學發展需要，虛擬仿真技術正逐漸應用到各專業教學課程中，對教育行業產生了巨大影響。
2.虛擬仿真技術的優勢及其在醫學教育中的應用
虛擬仿真技術是用計算機虛擬場景逼真地模擬現實世界事物的技術，涉及計算機圖形學、人工交互、人工智能和傳感技術等。具有真實性、交互性和沉浸性的特點，逐漸成為現代教育技術領域的熱點，應用于不同專業教學過程中。隨著計算機技術的發展，虛擬仿真技術在人類醫學上得到了廣泛應用。虛擬仿真技術打破了傳統實驗空間和經費的限制，在充分保證教學效果的基礎上，不僅節約了實驗成本，而且大大提高了學生的學習興趣。使學生通過虛擬場景的人機交互，由視覺、聽覺、觸覺等手段獲取場景的反應，通過學生自我組織，制訂并執行學習計劃，進行自我評價，開展適應式學習。很多高校、科研院開發了人體解剖虛擬仿真實訓平臺、虛擬動畫、三維網絡課程等應用于理論和實踐教學，充分發揮了現代教育技術的優勢，提高了教學水平。
1989年美國首先開展了“可視虛擬人”的計劃，并于1994年完成世界第一例男性“虛擬人”數據采集，1998年完成女性虛擬人數據采集，共采集到56GB的數據。隨后，韓國“可視韓國人”項目于2000年完成第一例韓國人標本的數據采集；2003年，鐘世鎮主持的“虛擬中國人”項目完成中國人體數據的采集工作。以這些虛擬人數據集為基礎，對人體器官進行了三維重建，精細逼真的三維結構為人體解剖學提供了大量素材。基于虛擬人體數據集產生了很多人體解剖三維虛擬仿真實驗平臺用于人體解剖學教學。在仿真平臺上可以對人體結構進行任意角度旋轉、縮放、標注等操作。便于教師教學及學生學習和課后復習。2010年10月在上海世博會期間，瑞典首次向公眾展示了代表先進醫學虛擬仿真技術的“虛擬解剖臺”。此虛擬解剖臺數據來源于人體的磁共振（MRI）和CT成像數據，利用計算機處理將這些數據從二維平面圖變成真實感極強的三維模型，將人體內部的精細結構完整地展示出來。這款虛擬解剖臺可用于人體解剖學教學，學生用手指通過觸摸屏進行人體器官操作，能完整地展示骨骼、血管、肌肉等的不同形態，還可以移除或添加內臟器官、血管、神經等結構，從而理解各器官的形態結構和相互位置關系。
3.虛擬仿真技術在家畜解剖學的應用現狀
家畜解剖學是一門實踐性很強的學科，家畜的器官標本、模型等教學材料在本課學習中有重要作用。但是近些年隨著招生規模擴大，一般理論授課時學生人數較多，不能發揮標本、模型的作用，學生只能在實驗課上觀察標本、模型。虛擬仿真技術在家畜解剖學中的報道較少，由于數字人的數據采集方法投資巨大，過程復雜，需要多領域專業人員合作完成，目前還沒有完整的大家畜（牛、馬等）虛擬解剖系統。很多科研機構利用數字人的數據采集方法對豬、兔、小鼠、大鼠等動物進行了數據采集和虛擬仿真工作。Maierl等在1999年報道了第一例“可視化狗”，但其數據不完整，沒有四肢部分的結構，而且圖像不精細。2005年9月，重慶理工大學、第三軍醫大學和重慶市畜牧科學研究院共同完成了世界第一例“數字可視化豬”數據集的采集工作，圖像質量比較高，能夠清晰顯示內部結構[1]。2014年，連國云[2]采集完成了“數字化新西蘭兔”的數據集。但是對于家畜解剖學重點講授的牛、馬等大家畜，還沒有虛擬解剖數據集的報道。主要原因是牛、馬的體型比較龐大，采用數字人運用的冷凍銑削設備無法完成銑削，牛、馬等動物只能采用其他方法建立三維模型，雖然這些模型不如冰銑削得到的數據精確，但是仍然能夠在家畜解剖學教學中發揮巨大作用。蘇楊生[3]等報道了通過3D Max軟件建立了牛的椎骨模型，并建立了交互程序，學生可隨時隨地進入程序觀察解剖標本。張蕾[4]等采用Photoscan軟件對動物頭骨進行了三維重建。付大鵬等[5]采用三維激光掃描儀獲得了動物股骨的三維點云數據，進行三維重建，得到了股骨的三維模型。以上研究成果為虛擬仿真技術在家畜解剖學中的應用提供了思路和教學資源。
4.虛擬仿真技術在家畜解剖學的應用前景
虛擬仿真技術在家畜解剖學及相關專業有著非常廣闊的應用前景。三維模型能夠形象清晰地展示動物的解剖結構和器官的相互位置關系。虛擬仿真技術的應用能夠將理論授課中教師采用圖片、照片等素材難以描述清楚的概念、結構給學生以感性認識，能夠加深學生的理解程度，幫助學生學習和記憶。虛擬仿真技術的應用能夠將抽象的結構變具體，使枯燥的概念形象生動，提高學生的學習興趣和主動性，突破傳統解剖學實驗空間和時間的限制，學生可以通過網絡自由地學習，方便自學。綜上所述，虛擬仿真技術能夠將家畜解剖學的抽象教學內容形象地展示出來，提高學生的學習積極性，使學生由被動接受轉變為主動學習，極大增強家畜解剖學教學效果。
參考文獻：
[1]張建勛，徐凱，邱宗國.世界首個三維可視化的數字豬.重慶理工大學學報（自然科學版），2011，（03）：69-73.
[2]連國云.數字化新西蘭家兔的三維結構重建研究.計算機光盤軟件與應用，2014，（12）：24-26.
[3]蘇楊生，宋斯偉，李穎，等.牛骨骼模型三維數字化重建.黑龍江畜牧獸醫，2015，（09）：249-250.
[4]張蕾.動物骨骼三維重建的探索.四川文物，2014，（06）：81-83.
1建筑工程施工數字化管理的實施
建筑工程施工數字化管理的可實現性非常高。它可以有效的提高施工過程的管理水平，減少不必要的經濟損失，使建筑施工過程更加具體化，具有很大的發展空間。首先，我們要準確了解建筑工程施工數字化管理的概念和具體的實行步驟。
1.1建筑工程施工數字化管理的概念
建設工程施工數字化管理是一種先進的管理手段。它利用計算機網絡將建筑施工過程進行量化，從而實現系統化的管理。在施工過程中，要分析好出現的各種信息，并以報表的形式匯報。這樣可以使數據簡潔清晰。然后，管理者應將數據的結果進行分析，對每個環節進行評估，以控制施工過程。應該注意的是，數字化管理與信息化管理是兩個不同的概念。數字化管理比信息化管理要更具有全面性。因此，建筑工程施工數字化管理是信息化管理的基石。另外，數字化管理對于施工的質量、成本、施工進度等也有較為全面的掌握，是優于信息化管理的一種管理模式。
1.2建筑工程施工數字化管理的步驟
建筑工程施工數字化管理大致上分為五個步驟。第一個步驟為建筑工程的結構分解。首先要分解建筑工程施工中工程量清單等相關性內容。其次要分解建筑工程施工中分布分項劃分的規定。在分解后，要將得到的各個模塊進行編碼。如果出現矛盾，需要在清單編碼的自編碼中添加分位數。第二個步驟為分解模塊特征目標的確定。主要的目標是造價、工期與質量。其中造價中包含成本、產值與利潤等部分。工期又分為絕對工期和相對工期兩個部分。而質量指的是標準質量數值。另外，如果數字不足以將內容準確表達時，可以使用文字進行補充說明。接下來的步驟是建筑工程施工過程的管理與檢查，即建筑工程的施工管理階段。在這個階段里，要對數據進行收集，然后將收集得到的數據進行整理分類，再與目標值對比，找出數據差值，從而進行判斷。但應注意，造價、質量和工期之間有著對立與統一的雙重關系，切不可只通過一個方面就下結論。第四個步驟為對建筑工程施工的處置。處置的方法要根據具體的影響因素進行改變，但離不開以下兩個方面。一是對結論的分析，即對通過數據分析來發現施工過程中存在的問題。二是措施的選擇與實施。管理者應針對分析結選擇有效的處理措施，使控制更具主動性。最后一個步驟是對建筑工程的持續管理。這一個步驟是不可或缺的。
2建筑工程施工數字化管理的運用
在明確了建筑工程施工數字化管理的概念與具體實施步驟之后，管理者應該深入了解管理的內容及建筑施工數字化管理的優勢與現狀，并在此基礎上對存在的問題進行分析和解決，使管理者能夠能高效的運用建筑工程施工數字化管理模式。
2.1建筑工程施工數字化管理的內容
建筑工程施工數字化管理的主要內容為：空間信息技術、可視化與虛擬現實、系統仿真技術和多智能體施工等。空間信息技術是利用遙感技術RS，地理信息系統GIS等一些新型的技術對于工程施工的地形、地質情況、地貌、建筑物等所有的空間信息進行搜集和處理。由于這些數據都是科學管理與分析的，因此可以成為建筑工程施工數字化的依據和決策前提。例如地理信息系統就可以準確反應建筑工程施工的具體情況，這是人工所做不到的。另外，三維甚至四維技術的不斷發展，可以將新興技術與系統仿真技術相結合，做到建筑工程施工過程可視化，這種逼真的視圖有利于管理者對于施工情況的整體把握。在出現問題時，管理者能夠及時改變建筑工程施工的具體計劃和安排，對于增進施工各部門的協調程度具有重大意義。可視化與虛擬現實的應用也具有很大的作用。可視化就是指利用圖像處理信息，將數據和信息轉化為可直觀觀測到的圖像和圖形，使之在屏幕上顯現出來。而虛擬現實則是利用計算機網絡的強大技術形成集視覺、觸覺、聽覺等各種感官為一體的虛擬環境。用戶可以在傳感設備的輔助下形成身臨其境之感。傳感設備包括立體眼鏡和頭盔顯示器等。這種技術可以避免一些高風險的操作，保證操作人員的生命安全，減少傷亡。系統仿真技術則是以相似性遠離為核心，以計算機網絡為主要設備，利用系統模型研究動態系統的一門綜合性較強的技術。現代仿真技術可以使設計藍圖更加具體形象，是不可或缺的一項現代化技術，也是研究復雜的建筑工程的重要手段。
2.2建筑工程施工數字化管理的優勢及現狀
如今，建筑工程施工數字化管理在計算機網絡的幫助下愈加成熟。其主要優勢有以下幾點。首先，建筑工程施工數字化管理的科學性很強。減少人為因素的影響。其智能化的整合分析取代了傳統的經驗論，使工程施工更加精準。其次，建筑工程施工數字化管理的反饋靈敏度很高。數據即時處理的這一大特點能夠使運轉模式動態化，即依據計劃、實施、檢驗和處理的四個步驟處理信息，將數據及時反饋給管理者。再次，建筑施工數字化管理的效率遠遠高于傳統的管理模式，因為其利用計算機網絡，將人工處理轉變為智能處理，而且數據庫的建立也大大提高了工作效率。最后，建筑工程施工數字化管理分析的目的性很強。它對于目標的控制性十分強，并具有控制流程。但是，當今的建筑工程施工數字化管理依舊存在很多問題。首先，建筑工程施工數字化還缺少普遍性和創新意識，大多還處在摸索狀態，并沒有擁有科學的管理手段，而只是單純的模仿。其次，建筑工程施工數字化的框架還不夠完善，各個模塊的聯系不強，沒有形成一個統一的整理，缺少統一的管理與指揮，從而降低了這種新型管理模式的高效性。這是十分可惜的。再次，建筑工程施工數字化管理的相關法律還不夠完善。企業也缺少相關的自我保護意識和法律維權意識。這種忽視會導致數據被盜用，從而給企業帶來禍患。因此，為解決這些問題，企業應做到以下幾點：第一，大力培養建筑工程施工數字化管理人才，使管理系統更具系統化和專業化。第二，建立完善的建筑工程施工數字化管理平臺。第三，加強管理者的數字化意識，采用先進的管理技術，推動數字化管理的進程。
3結語
關鍵詞：船舶建造；數字化；信息技術
中圖分類號：U673 文獻標識碼：A
1.什么是船舶建造數字化
船舶建造數字化是以數據處理、圖形圖像、虛擬現實、數據庫、網絡通信、數字控制等數字化技術為基礎，將數字化技術全面應用于船舶的產品開發、設計、制造、管理、經營和決策的全過程，使船舶產品的設計和生產向著自動化、精細化、柔性化、智能化的方向發展。通過數字化技術與現代管理思想和先進工程方法的融合，形成船舶制造業信息化的完整體系，實現對造船業的信息化改造，使得造船企業全面提升產品的研發、生產能力，降低生產成本，縮短設計、生產周期，提高產品質量。
2.船舶建造數字化技術的內涵
船舶建造數字化技術主要體現在如下3個方面：
2.1 CAX（計算機輔助技術）
CAX（計算機輔助技術）是CAD（計算機輔助設計）、CAE（計算機輔助工程）、CAM（計算機輔助制造）和CAPP（計算機輔助工藝計劃）的統稱。
（1）CAD（計算機輔助設計）指在計算機及可視化設備為基礎的專業化計算機系統的支持下，幫助設計人員進行設計工作。可以在CAD系統的輔助下完成從合同設計開始的一系列設計工作，建立產品數字模型，進行工程計算和分析，生成和繪制工程圖，生成物料清單等。
（2）CAE（計算機輔助工程）是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。
（3）CAM（計算機輔助制造）是將計算機應用于生產制造的過程或系統，其核心是計算機數值控制（簡稱數控NC）。有狹義和廣義兩個概念。CAM的狹義概念指的是數控，包括數控機床、數控加工中心、數控生產流水線、數控火焰或等離子切割、激光束加工、自動繪圖儀、焊機、機器人等；廣義概念還包括制造活動中與物流有關的所有過程（加工、裝配、檢驗、存貯、輸送）的監視、控制和管理。
（4）CAPP（計算機輔助工藝計劃）是通過計算機進行產品加工的工藝路線制定、工序設計、加工方法選擇、工時定額計算，包括工裝、夾具設計、刀具和切削用量選擇等，生成必要的工藝卡和工藝文件等。CAPP是連接產品設計CAD信息和加工制造CAM信息之間工藝信息的橋梁，是生成各種加工制造，管理信息的重要環節。
2.2 企業業務技術過程與信息管理
通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即產品數據管理PDM、產品生命周期管理PLM、企業資源計劃ERP、制造執行系統MES、計算機集成制造系統CIMS等。它們通過信息技術與現代管理理念的融合，使人、資源、技術、管理等要素有機地結合起來，從而實現設計及生產過程管理的精細化和企業資源利用的優化。
2.3 數字化裝備
軟硬件相結合的數字化裝備，如NC（數控設備）、FMS（柔性制造系統）、Robot（機器人）等通過數字控制形成的生產自動化裝備。這些設備通過離散的數字信息控制設備或傳動裝置的運行，實現生產加工的自動化。
3.船舶建造數字化技術的發展歷程
3.1 單項技術的企業部門級應用階段
該階段主要是單項技術，如數值計算技術、CAD/CAE/CAM技術、數控技術以及各種部門級的管理信息系統，如財務、人事、OA、物資等管理系統在企業部門的局部范圍內的應用。部門級數字化技術的應用作為一種技術手段對提高設計和生產效率、提高產品質量發揮著重要作用。
3.2 企業內綜合應用集成階段
這一階段是由企業內的信息集成、過程集成到應用集成。通過信息集成保證了系統間信息的一致性，通過應用集成使企業內部的各種信息系統組成了一個有機的整體，大幅提高了數字化技術應用的整體效益，使得企業設計、生產、經營、管理的各種業務活動得以協調運行，大大提高了企業的生產能力。
3.3 企業間的應用集成階段
由于互聯網技術的快速發展，促使電子商務、供應鏈管理、協同設計、敏捷制造等一些基于互聯網技術的新型管理思想和管理方法得以實施，使得船舶這種具有大量配套設施的高度復雜產品的制造能夠實現跨地域的專業化企業間的協同運作，使產品能夠快速地、柔性地應對用戶的需求。
自20世紀60年代末將計算機用于船舶線型放樣開始，我國船舶行業信息化已歷經40多年，國內造船業經過不懈的努力，使得造船數字化技術已逐步滲透到造船業價值鏈的每一個環節，引進或自主開發了各種各樣的信息系統，已廣泛應用于船舶設計、建造和管理過程中。國內一些骨干造船企業和研究院所已開始引進虛擬仿真技術，開展船舶和海洋工程的產品虛擬設計和建造過程模擬等研究。
4.船舶建造數字化技術體系
制造業數字化技術是以現代設計制造的工程方法和先進制造理論為依據，以數字化技術為手段，面向產品全生命周期，理論方法與應用技術相結合的一個復雜的技術體系。
4.1 現代制造理論與數字化技術基礎
主要有計算機集成制造、并行工程、精益生產、敏捷制造、大批量定制等現代制造理論，以及建模技術、仿真技術、優化技術、集成技術等數字化技術緊密結合，形成了其技術理論基礎。
4.2 數字化基礎環境
主要包括計算機系統及系統軟件、數據庫管理系統及相關技術、網絡系統及相關技術、信息安全體系、信息標準化體系等。
4.3 數字化產品開發設計技術
主要包括產品需求分析、設計開發、生產制造等各個階段中，為分析和解決產品設計和制造過程中的各種問題而提供的數字化的技術方法和應用工具，如單項應用技術CAD、CAE、CAM、VR等，過程管理和集成平臺PDM、仿真及優化應用等。
4.4 數字化制造技術
主要有數字化生產計劃與制造執行控制、數字化工藝過程、數字化裝備、數字化制造單元、基于數字化的生產系統綜合集成等。
4.5 數字化管理技術
主要包括現代企業管理模式、集成化管理與決策信息系統、企業資源計劃與管理系統、企業生產項目管理系統、企業間協作的供應鏈管理與電子商務技術、企業質量管理的相關技術及企業管理系統的應用實施過程及方法等。
船舶建造數字化技術是制造業數字化技術針對船舶制造的特點和具體要求的實際應用。船舶建造數字化技術體系包括現代制造與數字化技術基礎、船舶產品的數字化設計技術、數字化制造技術、數字化管理技術和一體化集成技術，此外，還有數字化基礎支撐環境與相關技術等。
（1）船舶產品數字化設計技術以三維建模技術、數值計算技術、CAD、PDM、并行協同技術等數字化技術為基礎，按照船舶設計不同階段及不同專業的規范和技術要求，形成船舶各設計階段的數字化技術。
（2）船舶產品數字化制造技術以MES、CAPP、NC、過程仿真等數字化技術為基礎，根據現代造船模式的要求，形成制造執行層面的船舶數字化制造技術。
（3）船舶產品數字化管理技術則是將制造業先進的管理理念和方法與數字化技術相融合，按照船舶生產管理特點，形成船舶制造數字化管理技術。
（4）一體化集成技術則是進一步在設計、制造、管理等數字化技術應用的基礎上，實現信息的集成和應用的集成，達到工程的并行和協同。
上述數字化技術的研究、開發和應用需具備相應的基礎環境，需要解決一些相關的關鍵技術，如信息標準化、編碼體系、產品數據庫、企業資源數據庫、集成平臺、信息安全體系等。
5.船舶建造集成系統
船舶建造集成系統涵蓋船舶建造企業的設計、制造、管理的主要業務過程：
（1）設計方面主要包含船、機、電、舾裝、涂裝等專業門類的設計CAD系統、船舶設計虛擬仿真系統，以及結合生產工藝要求的各個專業的生產設計系統。設計系統生成的設計數據通過PDM（船舶產品數據管理系統）存放并管理，以PDM作為平臺，為船舶制造系統和管理系統提供有關產品信息的共享。
（2）船舶建造和管理系統通常包含工程計劃管理、物資與物流管理、成本管理、財務管理、質量管理、企業資源（設備與人力資源）管理，以及MES（制造執行系統）等。
（3）制造執行系統控制車間級的生產制造執行過程，如造船精度管理、資源日程計劃、作業安排與執行實績反饋等。制造和管理系統根據企業經管計劃和產品生產設計的要求制訂工程計劃、采購計劃、生產計劃和其他生產準備工作，通過制造執行系統貫徹實施生產作業過程。
結語
隨著信息技術的飛速發展，制造業的新思想、新方法、新技術層出不窮、日新月異，船舶建造業應該緊跟現代科技潮流，不斷創新，以實現船舶建造技術的跨越式發展。
參考文獻
[1]姜波.船舶制造企業項目成本管理問題及優化研究[J].現代商業，2009（26）：178-178.
關鍵詞：變電站；數字物理混合；仿真培訓系統；電網運行
中圖分類號：TM933文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）07-0015-04
變電站作為電力系統的一個重要部分，其運行狀況好壞直接影響到整個電網運行的安全，變電站事故中有相當一部分是由人為操作不當造成的。這其中既有由于電網調度員誤發調度令、對異常處理措施不當造成的事故，也有由于變電運行人員走錯間隔導致的誤操作事故、安全措施不到位誤入帶電間隔的人身傷亡事故、帶電誤合接地刀閘、帶接地刀閘誤合開關、帶負荷拉合刀閘、設備缺陷和異常未能及時發現造成的事故。對事故判斷不準和向調度匯報不清楚而延誤故障處理時間、事故發生后處理不當使事故范圍擴大化、對二次設備誤操作而引發的事故等情況較多，造成了人身傷亡、設備損壞，甚至發生電網解列、電網崩潰等大面積停電事故。
因此，為保證電網安全、可靠、經濟地運行，就必須提高電網調度員、變電站運行人員的技術素質和技能水平，加強變電站運行人員和電網調度員的培訓。近年來，隨著電力行業培訓仿真技術的發展，各類培訓仿真系統在電力行業應用越來越廣，在提高生產運行人員的生產技能方面發揮了重要的作用。
一、變電站培訓系統仿真的發展現狀
近十幾年來，我國變電站培訓仿真系統獲得了很大的發展。仿真范圍逐步擴大、仿真的逼真度逐步提高。現存的變電站培訓仿真系統，根據變電站一次部分控制操作以及保護屏柜實現方式，主要可分為三類：有硬件屏盤模式、軟仿真模式、混合仿真模式。
（一）帶盤臺模式
帶盤臺模式是指用外觀與實際變電站1：1的開關控制屏和保護屏硬件組成變電站仿真培訓系統的主控室和保護室，主要由后臺計算機支持這些硬件的操作和顯示。該系統的硬件配置主要有模擬控制盤、模擬繼電器保護盤、變電站配電裝置、變電站主接線操作模擬盤、計算機控制仿真系統。其中計算機控制仿真系統是變電站培訓仿真系統的核心，它擔負模擬變電站的仿真，復現變電站主控室現象的任務。接收模擬盤的信息，控制模擬盤的動作和信號。這種帶有硬件盤臺的變電站仿真培訓系統是最早應用的培訓系統模式。帶硬件盤臺的仿真培訓系統需要配備大量的硬件裝置、設備，擴展性差，升級改造困難，同時硬件盤臺并沒有包括變電站中保護、測控柜等實際裝置，與現場相比逼真度存在差距，培訓效果不夠理想。
（二）純軟件仿真培訓模式
純軟件仿真培訓模式是指變電站內的開關控制屏、保護屏、模擬屏、室外和室內的主設備及主接線等所有設備全都用軟件仿真，除計算機外沒有任何硬件，該系統采用多媒體仿真模式，仿真變電站的有關電氣設備，包括一次設備、控制系統、中央信號系統以及繼電保護和自動裝置的面板均可在計算機屏幕上動態顯示。軟件模式的仿真培訓系統很快便以其便捷、經濟等優點受到電力部門的青睞，目前應用較廣。在這種模式中傳統控制室中的保護屏、控制屏、中央信號屏等物理設備均被計算機監控平臺所代替，所有監控功能都通過人機交互界面實現與培訓人員的互動。省去了大量硬件設備，大大提高了可靠性，并且有利于系統更新升級。但是軟仿真模式的培訓仿真系統由于所有的操作和顯示都是在微機屏幕上進行，與實際現場環境差距大，真實感較差，培訓效果也不太理想。
（三）混合仿真培訓模式
混合仿真培訓模式將數字化的電網仿真與變電站中全部真實的二次設備（包括監控系統、保護柜、測控柜、音響、燈光等）有機結合成為的混合仿真培訓系統。目前，該類系統主要采用將數字化電網仿真與部分真實設備相結合的仿真模式，將數字化電網仿真結果通過數字模擬量轉換卡轉換為-3.53~3.53V的弱電交流量，再輸出到經過改造的保護裝置的內部采樣插件上，并通過開關量輸入卡采集模擬斷路器的位置，從而實現斷路器的動作的仿真，這種仿真方式只采用部分真實設備，并且需要對實際的保護柜進行改造才能以適應該仿真系統，并且可擴展性較差，新增加的保護設備無法直接接入（必須經過改造）培訓仿真系統，該類系統的仿真效果與現場的一致性仍存在差距。
二、變電站數字物理混合仿真培訓系統概述
變電站數字物理混合仿真培訓系統是將數字化的電網一次設備仿真與實際變電站二次設備相結合的數字物理混合仿真技術。即監控系統、保護及測控裝置、五防系統、燈光、音響等采用現場真實物理設備，而該變電站一次設備、鄰近電網及其一次設備、二次設備等采用數字仿真。其中數字仿真部分采用變電站實時仿真與全動態電網混合仿真技術，即詳細仿真的變電站采用實時仿真技術，變電站所在電網采用暫態、中期、長過程一體化仿真計算技術，實現電網的全動態仿真，從而既能詳細而真實再現變電站一次設備的行為，也能逼真地再現大電網的各類動態過程對變電站的影響。數字仿真電網再通過高速的通信系統，高速的開關量采集、輸出系統，高速、高精度的數字模擬量轉換系統和仿真功率放大器與真實的變電站二次設備有機結合，實現了變電站軟仿真子系統、數字電網仿真的一次、真實的二次設備仿真放置于同一個仿真系統中，有機連接、靈活配置，營造了十分逼真的變電站運行環境。從而實現對現場各類運行人員的培訓需求：如變電站運行人員、繼電保護人員、檢修人員及相關的管理人員等，同時能完成人員培訓、技能鑒定、崗位考核等各項工作。
三、變電站數字物理混合仿真培訓系統架構
圖1給出了變電站數字物理混合仿真系統的總體架構。其中電網及變電站的數字仿真部分通過接口系統實現變電站電磁暫態仿真與電網全動態仿真的有機結合，其他變電站軟仿真也是基于同一個的電網仿真，從而可以實現變電站軟仿真、混合仿真的一體化。數字電網仿真結果的瞬時值通過高速通信系統傳送到高速、高精度同步數字模擬轉換器形成0～10V的模擬交流量，該模擬量通過電流或電壓功率放大器得到放大的電流或電壓電氣量驅動變電站的實際二次設備。數字仿真系統通過高速開關量采集系統實時檢測到變電站開關和刀閘的狀態，從而將數字仿真和實際二次設備有機結合起來，實現了數字仿真與變電站實際二次設備的無縫閉環連接。仿真培訓系統通過開關量輸出系統驅動非電氣量保護動作模擬硬接點、變壓器有載調壓模擬硬接點、風冷控制模擬硬接點等，實現變壓器的非電氣量保護動作的模擬。
四、變電站數字物理混合仿真培訓系統功能
變電站數字物理混合仿真培訓系統是將電網仿真、變電站實時仿真、變電站綜合自動化系統仿真和教員與學員系統有機結合為一體化的系統，不但實現了地區電網生產運行過程的全仿真，也可以正確反映變電站、變電站綜合自動化系統和電網的相互作用、相互影響，可以對運行人員進行全方位的仿真培訓。系統的主要應用功能如下：
（一）培訓運行人員和相關管理人員
培訓基本的運行技能。對新員工進行上崗培訓，對老員工的基本運行能力進行培訓及考核，使其熟悉變電站一二次設備、變電站綜合自動化系統、集控站監控系統、電網結構、運行方式、電網潮流，掌握基本運行操作及運行規程，熟練使用實時監控系統（變電站綜合自動化系統和電網調度自動化系統）及其他應用軟件。
事故分析及處理。可進行開關、刀閘、變壓器、母線、線路、發電機組、電容器等各種設備及其相關的故障處理培訓，訓練變電站運行人員發現事故、異常，依據仿真的電網環境判斷故障和處理故障，并在訓練結束后對事故進行分析，重放事故發生和處理的全過程。通過仿真訓練可以使運行人員了解各種事故發生的現象、原因及變化過程，總結積累處理經驗，增強他們事故處理時的自信心。
變電站一次設備正常和特殊巡視訓練。通過變電站一次設備三維交互式漫游巡視系統，實現變電站一次設備的三維重現和虛擬操作，受訓人員感到富有直觀性、形象性，有助于其熟悉了解現場情況，更好地將理論知識與實踐經驗相結合。
對于管理人員進行電網及變電站運行的概念性培訓。管理人員通過仿真培訓可以了解電網及變電站的現狀、運行方式、操作規程及電網和變電站運行的特性。
（二）聯合反事故演習
本系統可用于研究電網、變電站特點，對薄弱環節做好事故預想工作，完善各種事故應對方案，從而提高事故情況下的應對能力，克服以往反事故演習紙上談兵的局限性。仿真電網設置的常見事故及復雜事故發生后，將引起繼電保護的連鎖動作和電網潮流的變化，并顯示越限設備的報警提示，對此研究后可以總結事故處理經驗，制訂出合理的事故處理預案。做到事前有分析，事后有反饋，切實提高電網安全運行能力。
五、硬件系統
變電站數字物理混合仿真培訓系統的硬件系統由以下幾部分組成：教員臺，學員臺，仿真主機，變電站實際二次設備，電流、電壓功率放大器，高速、高精度同步輸出數字模擬轉換器，高速通信及開關量輸入輸出系統，混合仿真集成支撐平臺。
（一）教員臺
可以用仿真主機，運行教員子系統為教員管理和控制培訓過程提供支撐平臺。
（二）學員臺
使用與現場完全一致的監控系統工程畫面，保留所有現場監控系統功能，并與仿真模型建立通信連接。使學員在監控系統仿真界面上獲得在現場監控系統上相同的操作。
（三）仿真主機
運行全動態電網仿真子系統，是仿真系統的核心和中樞。仿真系統模型包括：鄰近電網的全動態電網計算模型、包括一次、二次設備模型、故障模型和異常模型。
（四）變電站實際二次設備
保護、測控、音響、燈光等裝置采用與現場完全相同的硬件設備，可以為受訓者提供真實的操作、監視手段，使得仿真機不僅可以培訓變電站運行人員的常規操作和監視，同時還能使他們熟悉和了解變電站重要二次保護裝置和屏面設備。
（五）電壓、電流功率放大器
功率放大器接收DA輸出的弱電模擬信號，進行功率放大使電流信號放大至0～20A、使電壓信號放大至0～100V，以驅動實際二次設備。放大器在與仿真信號連接是采用高阻差分方式，無公共連接點，這樣可保證仿真系統的安全工作，又可長線連接抗干擾，提高系統的小信號精度。仿真培訓專用的功率放大器多路的電流或電壓輸出，從而能保證更好的同步輸出精度，同時降低電流功率放大器的最大輸出電流。
（六）高速、高精度同步輸出數字模擬轉換器
將變電站實時仿真計算出的電壓和電流的數字量轉化為模擬量，是決定仿真精度的重要環節，其關鍵技術是實現各路數字模擬轉化（DA）的同步輸出，同時為了保證輸出波形的質量，每工頻周波的輸出點數大于60點，DA向功率放大器輸入模擬弱電信號。為了保證混合仿真系統的可擴展性，更好地適應變電站規模的變化，采用分布式同步實時仿真技術，即根據變電站電氣量需要嚴格同步的程度對各電氣量進行分組，每組電氣量在同一塊DA轉換器進行輸出保持嚴格的同步，多組DA轉換器通過高速PCI總線分布式工作，因此降低了以前依賴專用的DA轉換器的程度，這樣既可以保證仿真培訓的效果，又可以保證系統的高可擴展性和系統造價。
（七）高速通信及開關量輸入輸出系統
通過開關量輸入系統采集開關、刀閘動作情況、有載調壓接點，實現開關、刀閘狀態及變壓器抽頭位置的高速采集，將實際設備的狀態實時發送給變電站實時仿真計算。通過開關量輸出和繼電器模擬非電量保護動作、變壓器風冷控制硬接點等。
（八）混合仿真集成支撐平臺
混合仿真集成支撐平臺采用PCI總線技術將高速、高精度同步輸出數字模擬轉換器、高速通信系統和開關量輸入輸出系統緊密集成。變電站實時仿真子系統和實時操作系統均運行在混合仿真集成支撐平臺，實時操作系統通過硬件系統驅動軟件驅動數字模擬轉換器、高速通信系統和開關量輸入輸出系統（即用于對DA轉換器、開關量輸出和開關量輸入板卡的控制）是實現數字一次設備與二次物理設備有機聯系的接口系統，將變電站實時仿真計算結果實時刷新DA卡、將接口系統的自身狀態定時刷新DA轉換器的某個通道、通過開關量輸入系統采集開關、刀閘
的狀態、通過開關量輸出系統向實際設備發送指令。
六、軟件系統
混合仿真培訓系統的軟件系統主要由以下幾部分組成：交互式、分布式仿真軟件支撐平臺，全動態電網仿真子系統，教員與學員子系統，變電站實時仿真子系統，實時操作系統，硬件系統驅動子系統。
全動態電網仿真子系統、變電站軟仿真子系統、變電站實時仿真子系統、教員與學員系統軟件通過交互式、分布式仿真軟件支撐平臺的運行管理系統有機結合在一起組成整個數字仿真培訓系統，變電站實時仿真子系統通過實時操作系統的內核級調用與硬件系統驅動軟件集成，與物理設備完成無縫連接。
交互式、分布式仿真軟件支撐平臺是混合仿真培訓系統基礎，包括數據庫管理系統、仿真運行管理系統、人機界面系統、變電站一二次設備人機界面系統和仿真建模系統。數據庫管理系統采用商用數據庫與實時數據庫相結合的方式，實時數據庫是常駐內存數據庫，用來支持數據的快速訪問、處理。實時數據庫與商用數據庫有機結合的方式保證了數據庫的實時性和高效性，商用數據庫作為實時數據庫的持久存儲，較好地解決了分布式系統中數據庫系統的開放性、實時性和一致性問題，從而充分發揮了實時數據庫和商用數據庫各自的優勢。仿真運行管理系統，作為分布式仿真的運行支撐系統，實現了各個仿真應用之間的交互操作，是聯系各仿真子系統（軟仿真、電網仿真、混合仿真）各部分的紐帶，是分布式仿真系統的核心，為各個仿真應用軟件提供了位置透明、高效的虛擬運行環境，向子系統提供交互對象管理服務、時間管理服務、數據分發管理服務和應用程序接口。人機界面系統是全圖形人機接口，為教員和學員提供交互式操作媒介。變電站一二次設備人機界面系統采用了虛擬儀器技術、組件技術、3D建模技術和虛擬現實技術，可以構建各種電壓等級的虛擬變電站，包括變電站主控制室、控制屏、保護屏、中央信號屏、交直流屏等二次設備和現場一次設備，分為變電站一二次設備人機界面編輯系統、在線系統及變電站一次設備三維交互式虛擬場景系統。仿真建模系統通過圖形、模型和數據庫一體化建模技術，在畫面編輯時能夠提供特定電氣元件的計算模型，在生成畫面同時，能夠自動地生成或人為輸入電氣元件計算模型的參數，并插入到數據庫相關表格中，為電網仿真、變電站實時仿真等子系統提供拓撲數據和運行數據。
全動態電網仿真子系統采用暫態、中期、長過程一體化計算再現真實的電力系統的動態響應過程，采用了固定結構的稀疏矩陣、微分方程隱式梯形差分方程與網絡代數方程的聯立求解、強魯棒性牛頓―拉夫遜法非線性方程求解、自動變步長等技術保證電網仿真計算的快速性和穩定性。
教員與學員子系統為教員管理和控制培訓過程提供支撐平臺，功能由四部分組成，即：系統管理功能、培訓前運行方式和教案準備、培訓中的操作和進度控制、培訓后分析和評估。系統管理功能包括時間管理、用戶管理、運行方式管理等；培訓前運行方式和教案準備包括選擇運行方式數據、整定初始方式、預設故障和事件；培訓中的操作和進度控制是指教員對培訓進程的控制、對電力系統模型的操作、設置故障和事件、管理和監視學員的操作；培訓后分析和評估包括使用事件記錄、曲線、報表等工具分析學員操作的效果，利用事故追憶再現學員的處理過程和系統的變化過程，利用評價工具對學員的操作進行評價。
變電站實時仿真子系統在變電站中一次設備的三相暫態模型及外網動態等值模型基礎上，采用電磁暫態計算理論實現變電站的詳細仿真計算。通過接口算法實現變電站實時仿真與全動態仿真的在線交互，保證變電站的動態響應的準確性。變電站實時仿真子系統運行在實時操作系統基礎上，實時操作系統可配置成單任務模型，保證實時仿真子系統的最高優先級的運行級別，實時操作系統運行于混合仿真集成支撐平臺，并通過硬件系統驅動軟件驅動硬件系統。
七、結論
本文研究開發的變電站數字物理混合仿真培訓系統是在軟仿真模式的變電站仿真技術基礎上，結合電力系統的實時仿真技術，將數字化的電網仿真與變電站中全部真實的二次設備有機結合成為的物理與數字混合仿真培訓系統，使受訓的變電站運行人員、繼電保護人員、檢修人員及相關的管理人員在完全真實的變電站環境內接受訓練，同時能夠完成人員培訓、技能鑒定、崗位考核等各項工作，能有效地提高現場運行人員素質水平。該系統已在石家莊電力培訓學校220kV教學變電站培訓仿真系統中，取得了很好的培訓效果。
參考文獻
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[關鍵詞]數字化模型；繼電保護；計算機仿真；系統性校驗
中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）37-0039-01
0 引言
電網規模的不斷擴大和一次系統接線方式的日益復雜對電力系統的安全穩定運行提出了更高的要求。繼電保護設備作為維護電網安全穩定運行的第二道防線，已越來越受到人們的重視。
由于電力系統本身是一個動態的系統，電網故障的發生也具有突發性、瞬時性、不可預見性等特點，電網二次系統作為電網安全穩定運行的主要控制手段，有必要在設備投運前對二次系統全面的測試和校驗。
目前的繼電保護校驗只能對二次系統中的繼電器（保護裝置）的功能與動作特性進行校驗，對于在系統故障時能否正確切除故障起決定作用的繼電保護定值及二次系統其它參數無法進行驗證。
因此本項目提出了在建立電網一次精確模型的基礎上，進一步建立二次系統的主要構成元件――各種保護繼電器的數字化模型（即虛擬繼電器），從而搭建整個電網系統的數字化模型，利用計算機仿真這一先進的技術手段對電網的第二道防線進行模擬，從根本上解決目前難以對電網中的二次系統配置的合理性、準確性、以及各項控制功能的有效性進行全面驗證的問題。
1 國內外研究水平綜述
目前，對電網中繼電保護系統的校驗仍然處于裝置級水平，即僅僅對單臺（套）繼電保護設備進行硬件性能、邏輯功能、動作特性等方面的檢驗，而對于關系到繼電保護設備能否正確動作的保護定值的合理性及準確性無法進行檢驗。
電網本身是由眾多元件連接成的統一的系統，對電網中繼電保護設備的要求不僅僅局限于邏輯功能正確、動作可靠，更重要的是強調各級電網的繼電保護設備的動作特性必須嚴格配合，在一次設備發生故障時，保護裝置必須做到該動必動，不能誤動。繼電保護定值作為保護設備能否動作的直接依據，各級繼電保護裝置動作特性的配合實際上就是保護定值的配合。如果對保護定值的正確性進行校驗就必須考慮到各級保護定值的逐級配合，聯系各級電網對定值進行系統的校驗。
由于電力系統故障的瞬時性、突發性、破壞性以及故障過程的不可逆轉性，現有的技術手段尚不能對電網各級保護定值進行系統的檢驗。本文在現已成熟的電網一次設備電磁暫態仿真技術的基礎上，提出了建立電網中各種繼電保護設備的數字化模型――虛擬繼電器，將電網中各級保護定值置入虛擬繼電器，通過對電網進行各種電磁暫態仿真過程，觀察各虛擬繼電器的動作情況，從而檢驗電網中各級繼電保護定值的正確性。
2 理論和實踐依據
（1）虛擬繼電器模型的建立
實現本文的關鍵在于建立各種繼電保護裝置的數字化模型，即虛擬繼電器。利用先進的數字建模技術，根據常見繼電保護裝置的基本原理及動作邏輯，編制程序完成各種繼電保護裝置的基本功能，并進行測試完善，使之具有與實際繼電器相同的動作特性，并預留同外部程序的接口。
（2）虛擬電網的繼電保護系統的建立
根據電網的實際情況，實現對電網的電磁暫態仿真模型（一次系統）的保護配置，主要實現虛擬繼電器對一次系統模型中相應斷路器的控制功能。
（3）對電網一、二次系統模型的仿真研究
利用現已成熟的電網的電磁暫態仿真模型，通過模擬一次系統的各種異常及事故運行狀況，分析電網中各種繼電保護設備及斷路器的動作行為，在此基礎上進一步分析繼電保護設備的配置與參數整定是否合理。
（4）本文的創新點
本文提出建立電網二次系統的數字化模型，對電網的二次系統進行全面的仿真研究，克服了以前的電網仿真只研究一次模型，忽略二次模型的弊端，只有對電網的一、二次設備進行全面的仿真研究，才能真正實現對電力系統的全方位、全過程的動態仿真。
繼電器作為構成電網二次系統的基本元素，本文提出了虛擬繼電器的概念，建立虛擬繼電器是本文的關鍵部分，在國內外尚未看到有關虛擬繼電器的有關報道。
3 研究內容和實施方案
本文利用計算機建模技術建立虛擬繼電器，使之具有與實際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動作出口等功能，并具有良好的人機界面，可方便的實現對虛擬繼電器進行各種參數及定值設置，從而實現與實際繼電器完全相同的功能。
設想電網系統的數字化模型開發及仿真系統由三部分構成，分別為基于微機保護的電網實時仿真裝置，通訊和信號轉接口以通用自動化二次設備，如圖1。
圖1 電力系統仿真系統構成圖
電力系統是一個龐大而復雜的系統，按照其內在的物理規律、相互關系及實際功用，可將電力系統紛繁復雜、形態各異的設備歸納為若干種類。依其內在機理確定算法，算法面向一類設備，代表其共性。
然后根據實際系統，將通用性的算法應用到特定的設備，對各輸入、輸出、系數進行配置以反映其特性。并依據物質流向、控制信息流向將它們一一連接起來，即構成模型。建模工程師無須專門的計算機軟件知識，只要熟悉仿真對象的工藝流程，具備相應的專業知識，即可從事模型開發和維護工作。
具體到繼電保護設備，可根據每種保護的輸入、輸出量及工作原理建立數學模型，正確反映保護的啟動、動作、復歸、時間等特性。
所有設備算法均依據物理機理建立，算法涵蓋了仿真對象的全工況動、靜態特性，既反映了正常運行的規律，又模擬了異常、故障情況下的特性。
在原有電網一次系統仿真模型上，根據實際電網保護配置情況，實現電網二次系統的配置，從而形成完整的電力系統。然后利用現已成熟的電網電磁暫態仿真技術，模擬電網的各種故障及異常運行方式，觀察電網中一、二次設備的動作情況，從而判斷電網中的各種繼電保護設備的配置情況及參數整定是否合理、正確。
4 預期目標和成果形式
本文利用計算機建模技術建立虛擬繼電器，使之具有與實際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動作出口等功能，并具有良好的人機界面，可方便的實現對虛擬繼電器進行各種參數及定值設置，從而實現與實際繼電器完全相同的功能。
在原有電網一次系統仿真模型上，根據實際電網保護配置情況，實現電網二次系統的配置，從而形成完整的電力系統。然后利用現已成熟的電網電磁暫態仿真技術，模擬電網的各種故障及異常運行方式，觀察電網中一、二次設備的動作情況，從而判斷電網中的各種繼電保護設備的配置情況及參數整定是否合理、正確。圖2為系統進行單相重合閘的仿真結果，圖1中給出了一次系統故障電壓、電流的曲線以及二次系統虛擬繼電器的動作情況，為設計人員及繼電保護整定計算人員提供直觀的分析依據。
圖2 系統進行單相重合閘的仿真
參考文獻
[1] 楊樂平，李海濤.LabVIEW程序設計與應用.北京：電子工 業出版社，2005：1～32.
關鍵詞：數字城市規劃、3S技術、技術結合、應用
中圖分類號：TU984 文獻標識碼：A 文章編號：
1、數字城市規劃的涵義
數字城市規劃是隨著數字地球、數字城市等概念提出來的的一種基于3S為主要支撐技術的技術系統，它是新近發展起來的一種多種技術相融合的系統,是通過運用3S、網絡、多媒體及虛擬仿真等技術,對城市的基礎設施、功能機制進行自動采集、動態監測管理和輔助決策服務的技術系統。它具有使城市地理資源、生態環境、人口、經濟、社會等系統數字化、網絡化,虛擬仿真,優化決策和實現可視化表現等強大功能。依賴城市規劃理論和技術方法的發展,它的實施將徹底改變以往單目標靜態的城市規劃模式,使城市規劃向多目標、動態、智能化的模式發展。
2、3S集成技術在城市規劃中的應用
“3S”技術作為建立“數字城市”的三大支撐技術各有其特色,但在單獨使用時難免有其局限性:GPS可瞬間定位但卻不能表達地理屬性;遙感技術可快速獲取信息但信息的處理分析必須結合其他技術;GIS具有較好的檢索、分析、結合處理能力,但數據來源和錄入始終是難題。而“3S”集成技術是將這3種對地觀測新技術有機地結合在一起，在線的連接、實時的處理和系統的整體性。目前,這種結合性技術手段的理論應用在我國近幾年才剛剛興起,但由于它對“數字城市”建設具有強大的支撐作用而引起國家科委、自然科學基金委及廣大科學工作者的極大興趣,并取得了較快發展。它的應用目前主要集中在以下幾個方面。第一應用GIS數據庫中的電子地圖和GPS接收機相結合的車載、船載導航系統,為城市交通設施建設與交通管理提供信息保障和便利。第二利用機載GPS接收機進行數字化航空攝影測量,RS技術提供的數字化影像圖獲取信息,并與GIS實現無縫嵌接,獲取數字城市建設中必要的信息和數據,建立城市地理信息系統下的各級子系統(如房產、交通、管線、環境),從而為政府部門規劃與決策提供及時詳盡的資料。第三利用GPS與GIS的集成,可以測量區域的面積或者路徑的長度。該過程相當于用數字化儀錄入數據,采集多邊形邊界或路徑的頂點坐標,并將數據通過GIS進行記錄,計算相關面積或長度,這種技術應用于城市規劃、土地管理中,能大大地提高工作效率。
3、數字城市規劃的作用
3.1數字城市規劃豐富了信息的處理分析方法和手段
城市規劃需要獲取包括與城市相關的經濟社會等各項基礎資料、歷次規劃成果、規劃實施與管理等復雜的數據和信息。其數據和信息具有多尺度〔比例變化大〕多類型(如圖像、圖形、各類文檔等)、多層次及多時相等特點。數字城市以其各類信息的數字化和大容量的數據存儲設備、高速寬帶的信息傳輸系統及高效智能的處理系統，為城市規劃設計現代化提供了豐富的信息。同時，數字城市采用分布式數據庫和數據倉庫技術，對數據進行自動更新和動態管理，保持數據的實效性和實時性。此外，數字城市還提供豐富的數據類型，其中包括二維矢量圖形數據、影像數據、數字高程模型數據、屬性表格數據、城市三維圖形及紋理數據等，滿足城市規劃與管理的不同需求。由此可見，數字城市改變了過去城市規劃需要花費大量的時間和精力進行現場勘察的狀況，而且提高了信息的準確性、現勢性、信息量和工作效率，為提高方案的科學性和可操作性打下了堅實的基礎。
3.2數字城市規劃提供了一種可視化的工作平臺
利用數字城市中的多種數學模型與分析手段，更多地進行定量分析。以往的城市規劃對所收集到的資料和信息需要花費大量的時間和精力進行分類整理，然后采用“定量分析為輔，定性分析與定量分析相結合”的傳統分析方法，分析、預測城市未來的發展潛力和發展方向。由于受到信息的準確性、時效性、來源等各方面因素的影響，規劃分析和決策過程中的失誤在所難免。數字城市的建立可以使規劃人員在獲得所需的諸如社會、經濟、環境及城市建設等各類信息基礎上，利用空間疊置、數學建模等多種方法，對數據進行定性、定量、定位綜合分析和動態分析處理，多維和多形式地顯示分析處理結果。如進行城市經濟和產業結構分析、人口等的空間分析和定量分析，結合信息的時間維，直觀地展現城市發展和演變的歷史過程等。此外，數字城市可以強化對城市空間的智能分析。空間分析技術方法的應用，可以分析和研究城市空間實體之間的相互作用關系和城市空間的發展模式，進一步提高城市規劃對于各類規劃基礎數據的分析處理能力，以及對于未來城市發展的預測、模擬和優化能力，使規劃能夠在理性的綜合分析基礎上做出科學合理的判斷和決策。如城市人口分布估算、居住區環境質量分析評定、大型公建布局與人口空間關系分析、城市區位條件分析及城市土地級差地租分析評定等。計算機仿真與虛擬現實技術為多種真實世界的規劃項目創建了虛擬環境，仿真數據庫在多方面極大地幫助了城市的改建、更新和開發過程。虛擬現實采用計算機技術生成一個逼真的視覺、聽覺、觸覺及味覺等感觀世界。它可以應用于城市景觀數字虛擬城市的仿真、城市地下管線的可視化、城市發展歷史演變過程的再現、城市人流和車流的動態模擬、城市生態建設或改造的虛擬實驗以及城市災害事故的動態模擬等諸多方面。用戶不僅可以觀察數據，而且可以與數據交互，虛擬現實是一種多技術、多學科相互滲透和集成的技術，它應用于城市規劃與設計，規劃師可以直觀、研究實際系統之目的的一種真實地體驗設計效果，進行多方案比較，使仿真技術成為規劃決策的輔助手段;應用于規劃管理，可以作為展現城市發展藍圖的手段，吸引更多的公眾參與城市設計與管理。
3.3數字城市規劃真正實現了公眾參與
公眾參與是決策民主化的一個重要體現。如果規劃結果對公眾影響大的話，需要實行方案公示，聽取公眾意見。由于公眾數量的龐大，傳統的方案公示和意見收集往往進展艱難、花費大量的人力物力。空間信息技術的發展使得方案能夠在網絡上進行規劃方案的信息、網上公示、意見征集和動態查詢，通過信息交換平臺和用戶反饋機制收集公眾意見，提高規劃設計的透明度，避免了傳統方式的成本大而導致的閉門造車的缺陷，通過多方參與、重在過程的開放模式來提高城市規劃的法律基礎和群眾基礎，真正做到從市民群眾的角度看問題，從大眾的角度去建設城市。
參考文獻：
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在美國汽車X Prize大獎賽中，汽車企業家奧利弗?庫特納（Oliver Kuttner）在美國弗吉尼亞州成立了Edison2公司。隨后他還組建了一只汽車“夢之隊”，并希望通過設計一款重量輕、速度快且環保的概念車贏得美國汽車X Prize大賽。
而這款Edison2概念車（圖1）就是采用Siemens PLM SoftWare的Solid Edge進行設計：為最大限度地降低車輛重量，Edison2的設計人員借助Solid Edge完善的功能確定車輛模型數字化部件和組件的重量。最后，該概念車憑借830磅的重量和較低的溫室氣體排放量贏得X Prize大獎賽主流級別的500萬美元大獎。
當前，Edison2正借助概念設計中所汲取的經驗創造一款油耗極低車輛并最終實現量產。與競賽車輛不同，該車重量非常輕，更省油并配備較大的車門、車輪和更強大的制動系統。由于具備概念車的設計基礎，Edison2開始將Solid Edge軟件的同步技術引入車輛設計中，使該車型的相關修改更為迅速。Edison2研發主管Brad Jaeger說：“我們計劃在下一代的車輛開發中采用更多的同步技術，從而縮短原型車的生產時間”。
Solid Edge設計主要采用自上而下的順序建模方式，并可直接將原有的模型導入帶有同步技術的Solid Edge內，從而實現快速設計更改并在極短的時間內將Edison2的設計概念引入安全且舒適的車輛設計中。
制造業正面臨多重壓力：產品上市周期越來越短、客戶定制方案越來越普遍以及產品成本越來越低，這些都意味著工業企業將想法和概念轉換為實際制造需要更高的效率。雖然我們可以通過采用當前的數字化設計軟件以提高部分效率，但是由于大多數企業僅采用單點解決方案，因此收效非常有限。
Solid Edge是否可作為一項幫助制造業企業應對新挑戰的解決方案，而不僅僅是一款簡單的集成軟件？
設想一下，一款產品是如何按照客戶需求，并通過概念化設計進入生產加工的？數據的重復利用是大部分業界領先企業的制勝法寶。
一個很簡單的事實就是：對部分項目進行重復利用不僅可節省時間和精力，而且可以使知識得到最大程度發揮。同時，外部數據的重復使用也是各企業必須面臨的一個問題――采用供應商或客戶所提供的數據，高效運作并通過協作和智能模式采用適宜的幾何模型，也可有效地節省時間。
事實上，Solid Edge所采用的同步技術可實現企業的按需設計和數據的重復使用。不僅如此，Solid Edge還可幫助用戶實現產品在整個生命周期內的無縫銜接：在概念設計階段，Solid Edge自帶一套完善的2D/3D建模軟件，可協助進行程序化，機加部件和組件的創建（圖2）。在詳細設計階段，采用歷史建模設計或采用同步技術的幾何外形變更，Solid Edge是唯一一款融合上述兩種方式的軟件（圖3）。在設計驗證階段，借助Solid Edge的仿真技術（包含基礎線性靜力學分析和模態分析），并采用Femap可進行多項復雜性仿真驗證（圖4）……Solid Edge能夠為用戶提供所需要的一切功能；在文檔管理方面，設計圖樣仍是設計工作室和加工車間之間的通用語言，Solid Edge可重新繪制或由3D模型進行2D設計圖紙的繪制（圖5）；在加工方面，CAM Express采用先進的Siemens PLM SoftWare經驗，因此可利用Solid Edge的刀具加工路徑編程處理前使用（圖6）；在設計管理方面，Solid Edge SP借助微軟（Microsoft） Sharepoint平臺，可對復雜的設計數據進行可視化管理（圖7）（Siemens PLM SoftWare官方網站提供免費下載試用）。
仿真：降低成本和產品優化
隨著加工材料成本的攀升和客戶對高效解決方案和更堅固產品的需求，仿真在產品開發環節中的作用顯得越來越重要。Solid Edge通過何種方式實現產品優化？
數字化設計軟件可提供一種令人眼花繚亂的方式進行產品開發、完善和優化。幾乎每一件產品都可進行諸如碰撞和干涉檢測在內的單一零件結構性能仿真和成套復雜多體仿真。
各企業在尋求獨立解決方案執行上述各步驟時，相關問題接踵而至：有效降低數據的重復使用率并引入蠕變誤差概念；重復執行目標且耗費資源（例如建模）；當設計團隊內不同成員之間所創建的幾何外形或結果存在差異時，設計數據則不能進入各階段間的正常流程……
Solid Edge可提供一套替代性方案：目標搜尋軟件是實現設計復雜化的首要原則，同時，Solid Edge在三維CAD環境中集成了相應的有限元分析（FEA）軟件，Solid Edge的仿真功能（基于Femap技術）允許設計人員和工程師在設計初始階段至產品驗證階段間使用上述相關軟件（圖8）。對于結構更為復雜的目標（例如：模態、彎曲、熱傳遞和非線性仿真）而言，獨立的Femap也可提供更為先進的軟件對3D幾何外形進行高效重復利用，從而達到預定目標（免費試用版請搜索Siemens PLM SoftWare官方網站下載）。
制造：從設計到生產
產品制造過程是一項復雜的加工過程且包含多個階段。零件由開發階段到投產階段之間的轉變過程不僅僅只是單純的CNC數控機床編程或注塑機使用。無論是進行鑄模或壓模制備，還是采用部分澆注或制造新的工裝夾具，都必須確保加工過程的高效性和時效性，并盡可能快地實現球頭旋轉和零件生產。
CAM Express軟件涵蓋了從各項過程數據準備到復雜機加工具編程的全部功能。
對于采用Solid Edge進行零件制備的情況，Solid Edge可通過全套軟件為制造準備過程提供完善支持。特別是其獨有的同步技術可使用戶獲取零件幾何外形并按照其預定方式進行快速使用。無論是開發一款復雜的模具或在外協加工前新增機加毛坯，同步技術均可在不改變零件幾何外形的前提下實現上述更改或在使用第三方“被動”數據時無需歷史結構樹（圖9）。
對于采用CAM Express進行CNC數控編程的情況，在完成前期準備后，CAM Express軟件可通過零件編程設計并為加工刀具創建所需的G代碼（用于反映Solid Edge中的模型變化）。無論是采用2.5棱形坐標系加工方式、高速3坐標加工方式或復雜的5坐標或多回轉加工方式，CAM Express均可提供完善的軟件支持。基于業界領先的Siemens PLM SoftWare NX計算機輔助加工（CAM）技術，CAM Express可對用戶的刀具加工路徑進行全套設置、路徑創建、優化、仿真和驗證（圖10）。
Solid Edge應用程序：一個有利于Solid Edge完善的社區軟件
第五階段，進入21世紀，互聯網技術的進步帶來了機械設計的新的發展契機，計算機和互聯網的結合，產生了大量極具實用價值的協同設計軟件和繪圖軟件，極大的豐富了機械設計的技術手段，同時產生了全新的設計理念和設計范式。
傳統機械設計的基本方法和局限性
傳統機械設計基本上經過了一個由直覺設計到經驗設計再到經驗和理論結合設計的過程。這是一種基于不斷地摸索和改進，充分利用經驗總結，利用前人的研究成果和設計理論，形成相應的設計公式、圖表、規范，利用近似技術和類比等方法并結合自己的思想所進行的設計，這種設計方法主要體現在細節的設計、優化分析和可靠性分析以及設計模型的制作等方面。傳統機械設計思路的基本流程大概包括以下幾個方面：首先確定方案，然后進行分析，最后選擇可實際操作的技術將方案落實。
傳統機械設計是一種經驗的累積，同時又是現代設計理念產生的基石。從設計學的角度來看，傳統機械設計是一種經驗設計，這種設計思路著眼于產品的技術層面和物質屬性，看重數據的計算和校核，可以利用比較直接的方式獲得具有實際可操作性的效果。傳統機械設計因其簡便實用的特點大受歡迎，并成為了所有機械設計工作的基礎。
傳統機械設計具有比較成熟的理論依據和可參考的操作方法，而且目標明確、功能單一，易于取得成績，而且一旦設計成功，非常適合機器大工業的生產流程，具有很高的可靠性。但同時，傳統機械設計的缺陷也同樣明顯。首先是這種設計方法不夠靈活，很難對瞬息萬變的市場變化做出及時反映，在節約成本、提高效率、綠色環保的設計要求方面顯得力不從心。
傳統機械設計不能及時利用先進的設計手段，往往造成精度不高、效率低下的情況，跟不上社會發展的需要，也不能滿足可持續發展的要求。傳統機械設計的局限性主要表現在以下幾個方面：(1)設計的規范性和結構設計的工藝性比較差；(2)設計周期比較長、成本比較高；(3)設計完成后，一些較小的調整有可能會帶來整個設計較大的改動，造成整體設計的動態性較差。
現代機械設計發展趨勢
現代機械設計注重高科技的技術手段和對傳統機械設計方法的改良。現代機械設計根植于傳統機械設計，但它更是一系列新的設計觀念的產物，這些觀念產生了很多的新的方法和技術，而這些方法和技術也在不斷的發展變化和組合中。數字化技術創造了數字仿真和虛擬現實，這為機械產品設計開辟了全新的視野。虛擬現實技術來自于電子學和生物學的科研成果，它利用多媒體仿真技術形成一個具有一定目標性的特殊的三維環境，并且通過傳感技術實現了人機對話和交流。在這種環境下，機械設計工作者可以得到更加真實的設計感受。利用數字化仿真技術，虛擬環境可以創造出足以取代物理模型的數字化設計模型，并且可以完成各種在物理真實環境下很難實現的試驗和測試。
仿真實驗技術有效地縮短了設計周期，減少了成本，極大地提高了設計的質量和效果。現代設計已經越來越像一個集團化的產品。隨著設計內容的復雜性越來越高，不同領域、不同技術層面的專業人員相互之間的協同也變得越來越重要。人員協調和信息的實時交互已經成為機械設計中的重要課題。由此，協同設計理念應運而生。
協同設計是一個復雜的組合體，計算機技術、行為科學、認知科學、網絡通訊、人工智能等領域都有涉及。協同設計有效地協調了設計工作者不同的專業特長和主觀能動性，在較少的時間和空間內分析并組合了各種設計信息，從而實現了極高的設計效率。全生命周期設計是現代機械設計所提出的全新的設計理念，這一理念從根本上顛覆了傳統設計的設計思路。全生命周期設計就是指機械設計要對產品的規劃、制造、使用、報廢、回收等各個歷史階段全面負責。現代機械設計工作人員不但要熟悉自己的技術領域，同時也要熟悉相關的其他方面的技術領域，要能清晰的了解全盤的設計意圖。生命周期設計是一個平行的設計流程，所有設計人員都要考慮到機械產品使用周期的各個環節和所有因素，要以最優的方法解決產品的加工性、可靠性和維護性等方面的問題。與此同時，設計人員還要思考產品包裝的美觀性、裝配的便利性和報廢后的可回收性。
隨著機械和電子技術的發展，以人工智能為基礎的設計系統開始出現。這一系統具有自我學習能力，可以對已有的知識進行提煉和總結，然后形成新的產品設計概念。如何充分利用人工智能系統，設計出更為符合時代需要的機械產品，提高產品的競爭力，是對每一個現代機械設計工作者的新的挑戰。
[關鍵詞]三維可視化；消防；滅火救援預案；數字化
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.12.107
[中圖分類號]TP311.52 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2016）12-0-02
0 引 言
隨著社會經濟和城市化建設的快速發展，各類火災和突發事故日益增多，事故性質和處置方法也日趨復雜。以消防安全重點單位為主體制作的滅火救援預案仍停留在純平面數據的基礎上，現有的消防安全重點單位滅火救援信息資料很難直觀地為指揮員提供準確、明了的指揮輔助信息。為進一步規范消防部隊滅火救援預案編制、轄區情況熟悉和實戰演練工作，2015年12月，公安部消防局制定了《公安消防部隊滅火救援數字化預案規定（試行）》，首次提出了消防安全重點單位滅火救援預案數字化的編制要求。如何編制消防安全重點單位滅火救援數字化預案，為火災及災害事故處置提供準確、直觀的基礎數據，成為消防部隊在滅火救援工作中急需解決的重要課題。
隨著空間技術的迅速發展，尤其是計算機技術、通信技術的發展，三維可視化技術已經逐漸深入到各個應用領域，無論是軍事或民用，都可看到它們的身影。筆者認為，三維可視化技術在消防安全重點單位滅火救援數字化預案建設中的應用將為消防部隊熟悉重點單位情況、實施模擬演練訓練、有效組織滅火救援提供有力保障。
1 滅火救援預案及三維可視化技術的基本概念
1.1 滅火救援預案的定義及分類
滅火救援預案是針對轄區可能發生的火災或其他災害事故，立足保衛對象特點、災情分析評估和現有執勤力量而預先制訂的作戰行動方案。根據響應分級、力量編成、指揮層次等實際需要，預案制訂分為總隊、支隊、大（中）隊3個層級，分別對應跨區域滅火救援預案、滅火救援類型預案和消防安全重點單位滅火救援預案。
2.2 消防安全重點單位滅火救援數字化預案
消防安全重點單位滅火救援預案是根據轄區重點保衛對象情況制訂的滅火救援預案，主要內容包括單位基本情況、重點提示事項、消防設施情況、初戰展開部署、重點部位情況、相關圖像資料及通信聯絡方式等。
數字化預案是通過采用先進的計算機技術、實景仿真技術、虛擬技術和數字通信技術，充分利用三維建模、圖像采集、信息收集和仿真手段，將消防重點單位數字化、三維可視化，實現大規模場景顯示和數據集成，達到為各級消防指揮員熟悉重點單位情況、實施模擬演練訓練、有效組織滅火救援提供有力保障。
2.3 三維可視化技術
三維可視化（3D Visualization）技術是20世紀80年代中期誕生的一門集計算機數據處理、圖像顯示的綜合性前緣技術。三維可視化技術把描述物理現象的數據轉化為圖形、圖像，并運用顏色、透視、動畫和觀察視點的實時改變等視覺表現形式，使人們能夠觀察到不可見的對象，洞察事物的內部結構。
2 三維可視化技術的主要優點
2.1 直觀性強
三維可視化圖像就是人們經常所說的立體圖。由于人們的眼睛所看見的物體是立體的，通過三維制作的物體更能符合人們的日常習慣，再利用計算機對三維模型進行渲染，讓預案更能接近實物，給指揮員一個直觀效果圖。
2.2 可靠性強
三維可視化技術制作的物體都要與實際物體形成一定的比例，既可以讓指揮員感覺到這是“真實”的圖片，同時也能指導消防官兵根據三維圖去完成相應的工作。
2.3 兼容性強
三維可視化應用的制作軟件均能夠識別平面CAD圖紙，可以方便三維建模。目前，很多消防官兵都會制作CAD圖紙，甚至很多單位都有現成的圖紙資料，這很方便建立消防安全重點單位三維模型。
3 三維可視化數字預案的功能設計
利用三維可視化技術編制的消防安全重點單位滅火救援數字化預案，可以為各級指揮員提供翔實直觀的單位基礎資料，為滅火救援處置決策提供詳細可靠的輔助決策信息。
三維出警路線圖可以指引消防官兵選擇最優路線，迅速、安全趕赴事故現場。利用定位技術，結合消防車高度及寬度、災情位置、車輛位置、交通實時狀況、矢量地理信息等數據實現消防車最優行駛路徑的計算，依據自動捕捉到的道路限制通行數據通過移動終端對車輛進行導航。
單位總平面動畫可以動態顯示目標建筑與周邊建設的相對位置關系及單位建筑周邊的地貌地況，為指揮員對現場消防車輛及人員的部署提供有力支持。
單位外觀三維動畫可以全面顯示單位周邊千米水源情況及室外消防設施位置情況，如消火栓、接合器等，便于在滅火戰斗中準確使用，如圖1所示。
圖1 單位外觀圖
單位內部平面三維動畫可以直觀表現建筑出口、內部結構和消防設施情況，如室內消火栓、消防通道、電梯、防火卷簾等，使消防官兵在進入建筑前即對內部情況有充分了解，為指揮員制定合理、有效的進攻路線提供支持，如圖2所示。
圖2 單位內部平面圖
4 滅火救援數字化預案的應用前景
4.1 為滅火救援指揮決策提供準確翔實的基礎信息
當某個消防安全重點單位發生火災時，消防部隊各級指揮員可以通過數字化預案準確、快捷地查詢事故單位的基本信息，并可以通過三維可視化動畫直觀、快速了解單位內部情況，為現場指揮、內部攻堅、有效處置災害事故提供科學依據。
4.2 為消防官兵熟悉單位及模擬演練提供技術支持
消防安全重點單位滅火救援數字化預案可以把重點單位的相關信息通過網絡以三維動畫的形式直觀地顯現給所有消防官兵，易理解、易記憶、易掌握，讓官兵在營區就可以熟悉重點單位。同時，可以對數字化預案進行三維互動功能擴展，在平時訓練中實現模擬演練，讓官兵熟悉作戰意圖、任務分配和進攻線路，為實地演練打下堅實的基礎。
4.3 為滅火救援內部攻堅提供安全保障
針對現場環境復雜（如大型城市綜合體等）的災害事故，將單位數字化預案與官兵攜帶的具備室內定位導航和生命體征探測設備進行對接，依托已有的三維模型，實現室內位置圖形化顯示、語音通信等功能，并將相關數據通過3G/4G網絡回傳至現場指揮部，方便現場指揮員及時掌握內攻人員狀況并進行遠程指揮。
5 結 語
滅火救援預案制訂是公安消防部隊為做好執勤戰斗準備而開展的基礎性、經常性工作。利用三維可視化技術編制的數字化預案具備可視性強、操作性高、提供信息直觀的特點，能有效為滅火救援指揮提供高效、可靠的輔助信息支持。因此，為消防安全重點單位編制三維可視化滅火救援預案必將成為今后一個時期消防部隊的一項重要工作，而每一份三維可視化滅火救援預案都將為成功處理相應災害事故奠定堅實的基礎。
主要參考文獻
關鍵詞：植物保護；信息技術；實驗教學
實驗教學是高校學科教學的重要組成部分，在人才培養方面發揮著不可替代的作用。植物保護專業主要研究植物病蟲害的特征特性、危害流行規律以及防治防控策略，是一門集實踐性、應用性和技術性三大特點于一體的專業。該專業旨在培養具備一專多能的服務生產一線的復合應用專業人才。然而，傳統的實驗教學方式已經越來越無法滿足專業核心技能培養的需要。信息技術時代的到來，為學科教學提供了一個很大的空間。高等教育信息化是促進高等教育改革創新和提高質量的有效途徑，是教育信息化發展的創新前沿[1]。目前，信息技術在理論教學中已經大量使用，而在實驗教學中的應用較少[2-4]。本文提出將實驗操作視頻、微課、數字化標本、虛擬仿真實驗和在線討論等信息技術應用于植物保護專業實驗教學的設想，以期為該專業實驗教學的改革和建設提供借鑒。
一、植保專業傳統實驗教學面臨的困局
（一）實驗示教受限，學生效率低下
在植保專業實驗教學中，實驗操作技能是學生需要培養的專業核心技能之一。傳統實驗課上，通常的做法是老師先利用多媒體課件講解實驗內容、方法、步驟和注意事項，接著在實驗臺上操作示教，然后分組實驗，老師再從旁指導，最后學生完成實驗報告[5]。在示教過程中，學生圍在老師周圍觀看學習。由于學生人數較多（一般為40人），而空間有限，且示教一般只有一遍。這種情況下，大部分學生都看不清楚；即使一部分學生看清楚了，也都很難記清楚操作細節。因此，學生在實際操作過程中，頻頻提問，而老師往往分身乏術。這樣，實驗教學效果大打折扣，學生很難掌握操作技能。
（二）專業知識微觀抽象，單純講授效果不佳
植物病蟲害是植保專業實驗的主要研究對象，隨著分子生物學、基因組學等研究手段的豐富，植保專業實驗也逐漸向微觀的細胞和基因研究發展。實驗過程中，經常會涉及機制原理、概念學說等各方面的知識，這些知識多數較為抽象，晦澀難懂。而在我們傳統實驗課上，教師則常常是通過課上單純的講授來指導學生實驗，學生在對知識點沒有完全理解消化的情況下，往往只是簡單地按照實驗步驟進行機械操作，這樣很難達到人才培養的真正目的。
（三）標本資源短缺，教學開展不順
標本是植保專業實驗教學中重要的輔助工具，學生經常要觀察各種標本，如玻片標本、浸漬標本、臘葉標本等。玻片標本需借助顯微鏡觀察，學生尋找典型結構耗時耗力；由于操作不當，玻片易被壓裂或摔碎；且隨著保存時間的延長，這種標本容易出現褪色、發霉、模糊、漏氣等現象，某些珍貴標本很難再取樣制作。浸漬標本占據空間大，玻璃瓶易碎裂；浸漬液往往為福爾馬林，有一定的毒害作用；且病變組織由于長期浸泡，其典型特征會逐漸退化，液體也會變渾濁，影響觀察。臘葉標本在壓制過程中失去原本的色彩，典型特征變得不明顯，不利于觀察。種種因素的限制，大大影響了植保實驗教學的順利開展。
（四）實驗易遭時空局限，教學質量受影響
傳統實驗課上，通常都是由實驗技術人員預先完成部分內容，然后學生再做剩余的一小部分內容。盡管全程累加所需操作時間就幾小時，但實際操作的周期達到數月。學生無法全程動手，知識與方法難以實現完整性。植保專業許多課程實驗與季節緊密結合，但教學計劃的安排往往與季節脫節，季節與課程執行時間存在矛盾。春末夏初時節是作物生長和病蟲害繁殖的適合季節，但此時已臨近期末，安排的許多課程實驗已結束，進入了期末考試階段。錯過了實驗材料最豐富的季節，大大影響了實驗教學的質量。植保專業因其涉農特性，在開展實驗教學時，除了在戶內的實驗室進行外，還需深入生產基地、大田苗圃等戶外場所進行實驗。學校建設的生產基地有限，且通常設立在距離學校較遠的地區，這無形中給實驗教學帶來了不便。同時，戶外場所易受天氣、生產需要等客觀因素影響，使得實驗過程中斷、實驗進度延緩。
（五）師生交流少，學生疑惑難解決
教學實踐表明，師生之間有效的交流討論是拓寬學生學習思路、提高學生學習質量的重要途徑。然而，在傳統實驗教學中，由于空間和時間的限制，老師和學生之間的交流往往僅限于實驗室內實驗課上那有限的空間時間內，而學生在課堂學習前或學習后遇到的疑難問題卻常常因為找不到老師解惑而擱置，這十分不利于學生水平的發展和提高。
二、信息技術在植保專業實驗教學中的應用
信息技術是指用于管理和處理信息所采用的各種技術，即利用計算機和通信手段來獲取、傳遞、加工、存儲、呈現和分配信息[6]。在植保專業實驗教學中適當引入信息技術，可以彌補傳統實驗教學的不足，推動教學方式方法、實驗內容手段等方面的改革與創新。
（一）錄制實驗操作視頻，提高學習效率
對于一些精細復雜的實驗操作，老師可以提前錄制規范的實驗操作視頻。在拍攝過程中，保證光線充足，設備穩定不抖動，重點聚焦手部的操作細節。拍攝后進行剪輯加工，并配上解說和字幕，在實驗課前上傳到移動平臺，供學生在課前下載預習。在實驗課上，老師只需重點講解某些關鍵步驟，以加深學生印象。學生在具體操作時，也可以隨時通過手機等移動設備觀看。老師根據學生操作的情況再進行適當指導。這樣不僅大大提高了實驗的成功率，增強了學生的興趣和信心，同時還促進了學生對技能的掌握，從而達到比較好的教學效果。
（二）制作微課，化繁為簡
“微課”全稱“微型視頻課程”，它是以視頻為主要載體，時長在10分鐘以內，圍繞某個知識點或教學環節而進行的簡短、完整的教學活動[7]。其簡短、精煉的特點有利于教師在實驗教學上的應用以及學生開展個性化、碎片化的學習。例如在利用聚合酶鏈式反應（PCR）擴增目的基因的實驗中，其原理微觀抽象難懂。對此，我們可以將實驗原理制作成相應的微課，將知識點化微觀為直觀、化抽象為具體，以加強學生的感性認識、促進學生對知識點的理解和消化。PCR反應體系由模板DNA、引物、底物、DNA聚合酶、緩沖液等組成，其操作過程為變性、退火、延伸等三個步驟循環進行。每次循環擴增產物又可以作為下一次循環的模板，因此，每經過一輪變性、退火、延伸三個步驟，特定DN段的分子數目增加一倍。采用動畫技術，形象生動地解說每一個過程，由此制成5-10分鐘的微課，在課前將其上傳到教學平臺或QQ群，以便學生下載預習。課上，老師再次播放微課，重點講解某些疑難點，啟發學生思考，從而幫助學生更好地理解知識點。課后，一些還未掌握的學生，還可以再次重復觀看微課，自主補習、直到學會為止。
（三）建立數字化標本庫，實現資源共享
以植物病理學實驗為例，建立起植物病理數字化玻片標本庫、植物病害數字化浸漬標本庫和數字化新鮮標本庫。利用顯微攝像系統，通過專門的圖像軟件，將植物病理玻璃切片標本轉化為虛擬的數字化切片標本[8]。對采集到的圖像，可以進行剪輯、合成和標注，并且盡可能全面的展示每種病原的典型特征。例如觀察鐮刀菌屬的切片，不同的切片可能有不同的孢子，如一張切片上有典型的小型分生孢子，另一張切片上則有典型的大型分生孢子或厚垣孢子，我們可以分別采集，然后合成到一張數字切片，并對不同孢子進行必要的名稱標注。最后，按照病原分類系統，對所有圖像進行整理，以便于查閱。利用數碼攝像技術，借助特制裝置將浸漬標本立體旋轉360度來捕捉圖像，通過圖像處理軟件構建浸漬標本的三維立體成像。利用數碼相機，對新鮮標本進行拍照，將照片輸入電腦，制成數字化標本。對這兩種標本的圖像，我們可以按照植物種類進行整理。同時，我們還可以建立起這三種數字標本庫之間的連接，實現新鮮標本、浸漬標本與顯微形態的配合。然后，將數字化標本庫與校園互聯網結合，學生可以通過網絡隨時登錄學習。
（四）搭建虛擬仿真實驗平臺，拓展實踐領域
虛擬仿真實驗教學是融合了虛擬現實、網絡通訊、數據庫、多媒體等多種信息化技術，通過構建逼真的虛擬實驗環境和實驗對象，來實現人機互動的一種教學方法[9]。建立集綜合性、設計性和創新性為一體的虛擬仿真實驗平臺，學生在這個平臺中如身臨其境般開展各種實驗，理解消化各個知識點，學習掌握各項實驗技術和操作技能。例如對水稻的生長發育過程進行仿真演示。水稻的生長經歷秧苗期、返青期、分蘗期、拔節期、開花期、灌漿期和黃熟期等各個時期，通過虛擬仿真技術，在室內就可以觀察到整個過程，不受空間的局限；同時，利用一節實驗課的時間就能充分掌握水稻的生長發育特點，大大的縮短了實驗的時長，實現長周期實驗短時化。再例如，對稻瘟病的發生發展及綜合防治虛擬仿真。稻瘟病菌以菌絲體和分生孢子在稻谷和稻草上越冬，第二年產生分生孢子，在風雨等外力的作用下傳播到水稻葉片上。當溫濕度適宜時，分生孢子在稻葉表面萌發，生成芽管；之后在水稻中某些物質的誘導下形成附著胞，由附著胞上產生的浸染釘穿透水稻葉片的表皮，進入到水稻的葉肉細胞中[10]。隨著病菌向鄰近細胞的擴展，在葉片表面形成壞死斑，并且在病斑上會產生大量的分生孢子，隨風雨傳播到其他稻株上，進行再侵染。整個發病過程微觀抽象，在傳統實驗課上無法向學生展示，學生沒有直觀感受，難以理解和掌握知識點。如果引入虛擬仿真技術，就可以把稻瘟病乃至其他各種病害的癥狀診斷、浸染循環過程和防控對策直觀呈現在學生面前，激發學生的學習興趣，提高學生的技能掌握水平。
（五）開展在線討論，促進師生互動交流
隨著QQ、微信和課程論壇等線上平臺的發展和普及，打破時空限制的在線討論變為可能。以“植物病原線蟲及其所致病害癥狀觀察”實驗為例，在上一次實驗課結束后，老師便可以將下一次要上的實驗課的多媒體課件、實驗操作視頻、微課以及數字化標本等相關內容通過QQ、微信和課程論壇等線上平臺實現資源共享，并布置一些問題留給學生思考。如植物受線蟲危害后，和真菌、細菌、病毒等病原物引起的癥狀有何不同？不同屬植物病原線蟲所致癥狀有何區別？分離線蟲的方法有哪些？如何選擇合適的線蟲分離方法？病原線蟲包括哪些重要類群？這些類群是怎么劃分的？同時，師生之間約定好在實驗課前一天晚上開展線上討論，檢驗預習情況。對一些重要問題，老師提供思路，啟發學生思考，并留待課上再討論解決。實驗課后，學生如仍有問題，還可以繼續通過這些線上平臺與老師及時的進行溝通交流并解決。除此之外，老師還可以額外布置一些拓展性的問題，如我國主要的檢疫性線蟲有哪些？對線蟲病害如何進行防治？引導學生查閱相關文獻資料，課余時間與學生線上討論學習，從而增強師生之間的交流、激發學生的學習興趣、拓寬學生的知識面。
三、結語
人類正處在被信息技術改變的時代，信息技術對高等教育教學的發展意義重大。實驗教學是一個不斷改進和完善的過程，信息技術給實驗教學注入了許多新鮮活力。面對植保專業傳統實驗教學的現狀，本文提出了將信息技術與之有機結合的設想，可以有效地突破傳統實驗教學所面臨的困局，改革并優化實驗教學的方式方法，創新農業技術人才的培養模式。在實驗教學中合理運用信息技術，在高等教育中，這不僅適用于植保專業，而且適用于農科專業，甚至是各科專業。總之，信息技術作為一種新的教學方式具有巨大的應用空間和潛力，我們仍需不斷地開發和研究，以便更好地服務于實驗教學。
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作為智慧城市的重要推動力量，企業的信息化和智慧化也就變得尤為重要。賽迪設計在多年的業務實踐中，倡導把智慧企業放到智慧城市的大局中思考，讓企業、產業和城市融合得更為密切，從而使智慧城市這一概念變成有源之水，為城市智慧化愿景的實現提供更多動力。
建筑工程業信息化應用
建筑行業，作為智慧城市的重要載體，對城市形態和功能的影響可謂重大。建筑企業的信息化、智慧化也就直接關系著智慧城市的整體推進。
賽迪設計把基于新一代信息技術的建筑工程行業信息化總體上分為四層架構：管理決策層、應用層、信息集成層和基礎設施層。其中，新一代信息技術在建筑工程業的典型應用主要有三種：施工現場遠程監控、建筑施工虛擬仿真和BIM。
■施工現場遠程監控
施工現場遠程監控可分為三個步驟：前端采集、信號傳輸及終端控制。鑒于物聯網的基本原理以及施工現場安全管理的特點，首先進行前端采集，采用標簽等對施工現場內的人員、設備、材料等進行標識，再應用射頻識別技術（RFID）以及無線感應網絡（WSN）對物體屬性進行捕捉和獲取，并將信息轉換為網絡傳輸的數據格式，采用網絡通信技術傳輸到終端信息系統。最后，由相關軟件對接收信息進行處理和計算，并通過終端顯示設備實現直觀的界面展示，還可通過視頻云，融合云計算、人工智能及自動控制等諸多相關領域的知識，利用計算機視覺和視頻分析的方法自動分析攝像機拍錄的圖像序列，實現對建設工程施工現場進行遠程實時圖像監控管理。
■建筑施工虛擬仿真
通過建筑施工的虛擬仿真應用可以直觀、科學地展現不同施工方案的真實效果，定量地完成方案的對比，有助于施工方案的選擇和優化，提前發現和解決問題，真正實現最優施工。為實現建筑施工的虛擬仿真，需要借助虛擬現實技術、計算機仿真技術、優化與建模技術等，建立復雜的數據分析模型，針對廣域分布的數據資源和計算資源進行研究、分析、實驗或修正，并提供直接真實的人機交互對話三維界面，計算規模龐大。云計算平臺的集成計算引擎賦予支持系統強大的計算處理能力，能夠滿足建筑施工虛擬仿真應用中的海量數據存儲與分析處理，是新一代信息技術在建筑工程行業的典型應用。
■BIM（建筑信息模型）
BIM是一個概念（或理念），可以理解為工程項目信息化集成管理系統。通過BIM，可以實現建筑描述通俗化、三維直觀化，使設計師和業主等非專業人員對項目判斷更為明確、高效，決策更準確；實現專業內多成員間、多專業多系統間的三維協同設計，避免不必要的設計錯誤，提高設計質量和效率；將建造過程與結果，在數字虛擬世界中預先實現，可以最大限度地減少未來真實世界的遺憾，使設計優化成為可能，保障工程設計企業最終產品的準確、高質量、富于創新。
智慧礦山的應用
環保問題和能源問題同樣也是影響智慧城市落地的重要因素。在幫助相關企業實施信息化、智慧化的應用實踐中，賽迪設計構建起了自己的研究體系，其對智慧礦山的探索和思考，對智慧環保和智慧能源有重要啟發。
賽迪設計認為，智慧礦山是利用物聯網、云計算、移動互聯網等新一代信息技術將管理者最為關心的各類信息進行橫向整合，使得礦山企業管理人員可以隨時隨地查看監測監控、超限預警、人員定位、井下視頻監控、安全隱患管理等方面的信息，從而為生產、經營、管理和安全進行快速決策。智慧礦山的本質是安全礦山、高效礦山和清潔礦山。礦山的數字化和信息化是智慧礦山建設的基礎。
[論文摘要]在教學中運用虛擬現實技術不但能有效的提高教學效果，激發學生的學習興趣，而且還能提升教學過程中的科技含量。闡述虛擬現實技術在教學中的重要作用，重點探討在各基礎學科中虛擬現實技術的運用。
一、引言
隨著計算機技術的飛速發展，虛擬現實技術已經從前沿的航天、軍事領域開始進入教育領域，并涉及高等教育的各個學科。計算機變成實驗臺，軟件變成儀器，網絡變成實驗室的虛擬現實技術能形象生動地表現各個學科的教學內容， 有效地營造隨技術發展的教學環境，提高教學質量。
二、虛擬現實技術概述
虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及顯示技術，生成三維的虛擬環境，介入者利用鍵盤、鼠標等輸入設備，或者帶上頭盔、數據手套等傳感設備進入虛擬環境，在虛擬環境中進行實時交互，并且能夠感知和操作虛擬環境中的各種對象，獲得身臨其境的感受和體驗。
虛擬現實技術具有沉浸感、交互性和想象力三個基本特征。在具體的教學實驗中，學生可以作為主角存在于虛擬環境中，對虛擬環境內的物體進行操作并從環境中得到自然的反饋，而且當學生沉浸在多維信息空間中時，能夠主動地獲取知識，尋求解答，形成新的概念。
虛擬現實技術以其諸多的優點決定了它在教育領域中的重要作用。一是避免真實實驗或操作所帶來的各種危險并降低真實實驗的實驗用品損耗；二是在虛擬實驗中可以獲得與真實實驗一樣的學習效果，還可根據實驗教學發展需求“引入”新設備，不斷對新設備進行擴展。三是徹底打破空間與時間的限制。總之，虛擬現實技術結合多媒體技術和計算機網絡，能提高實驗效果與效率，充分發揮教學優勢。
三、虛擬實驗室的實現
虛擬實驗室是由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統，包括相應實驗室環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等。在虛擬實驗室中，學生能夠在計算機建立的三維的模擬實驗場景中從不同的視角觀察一個實驗對象，通過鼠標的選擇或者拖曳操作便可完成與虛擬實驗對象之間的交互。
（一）仿真實驗
虛擬實驗室實際上就是數字化的仿真技術在實驗教學中的應用，一個真正的虛擬實驗教學系統的前臺是多媒體或是虛擬化的環境，后臺是實時仿真的過程。
目前的仿真軟件很多，如EASY-T、VT-LINK3.3、SPW、Cadance、Mentor、MatLab、Protel2004、LabView、OpenGL、MultiGen等。在構建虛擬實驗時，應根據具體需求，選擇合適的開發工具。如何將計算機仿真技術與虛擬化的儀器或多媒體環境有機的結合起來是虛擬實驗室建立的關鍵和核心技術。
（二）支持技術
目前國內外對虛擬實驗室的開發大致采用以下幾種方法 ：
1．使用JAVA+VRML進行開發。Java目前已經成為跨平臺應用軟件開發的一種規范，主要討論對象行為。VRML 是一種虛擬現實建模語言，著重于虛擬場景中對象的特征。采用JAVA+VRML混合編程是實現較復雜動態場景控制等高級交互功能的有效方法。但基于VRML虛擬現實的虛擬實驗在制作上較復雜，客戶端需要有大量的專業的設備（如頭盔、觸覺手套等），附加成本較高，并且運行VRML對客戶端計算機的性能要求也很高。
2．使用ActiveX控件進行開發。ActiveX技術是Microsoft為適應網絡發展的需要而將OLE技術在Internet上的重定義。在虛擬實驗室的開發過程中，代碼復用性對于持續開發過程尤為重要。可以利用VB、VC++、Delphi、Builder等任何一種支持COM規范的開發工具來進行ActiveX控件的開發。由于ActiveX控件只能運行在基于Microsoft Windows的操作系統，因而移植性和通用性較差。
3．使用QuickTime VR進行開發。QuickTime VR（簡稱QTVR）是新一代的、基于靜態圖像處理的實景建模的虛擬現實技術。QTVR可以應用照片、錄像或數字圖像等離散數據來創建虛擬環境，完成三維空間及三維物體的造型，并實現全方位觀察。具有更高的真實感、更豐富的圖像和更鮮明的細節特征。QTVR制作簡單、周期較短、可控性也很強，對開發一些簡單的網絡實驗教學軟件的難度不大。
4．使用FLASH進行開發。FLASH是一種基于矢量的圖形系統，具有短小精悍、任意縮放、兼容性良好、嵌入ActionScript腳本功能等特點。而且Flash中的工作組功能極為強大，包含一套新的工作流程，可自動更新Flash網站的數據驅動，從而大大節約了開發者的時間。因此，FlashActionScript是網上教學虛擬實驗室開發的最佳平臺。
（三）功能模塊設計
無論建設哪個學科的虛擬實驗系統，從功能模塊上均可劃分為三個部分。
1．網絡服務。用戶可通過網絡注冊個人信息并經過驗證后登錄虛擬實驗系統。登錄該系統后學生可自主選擇將要進行的實驗，并根據實際需要獲得相關的指導。
2．仿真實驗。采用計算機仿真技術來構建實驗模型，設計出用于測試的虛擬儀器設備、實驗線路或回路、實驗元器件或構件庫、判別實驗效果的評價標準等。用戶選擇相關的仿真實驗以后，根據提示進行相關的操作，觀察實驗現象并記錄實驗結果。
3．數據庫。為虛擬實驗系統提供相關的數據服務。維護虛擬實驗系統的數據信息及用戶的相關權限，為仿真實驗提供支持。
四、結束語
如何將虛擬現實技術很好地運用于教學中是目前教育領域發展的一個新熱點。虛擬現實技術在教學中具有廣闊的應用和發展前景。虛擬實驗的普及能更好的提高教學效率，優化教學過程，達到更好的教學效果。
參考文獻
[1]孫宏彬等，VRML－Java遠程虛擬教學平臺的研究與實現[J].現代遠程教育研究，2003（2）.
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