時間：2022-04-05 19:12:42
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篇交通仿真技術，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。
簡介：陳秋香，女，碩士研究生，研究方向為道路交通網絡
1.研究背景
隨著城市建設不斷發展和交通需求的持續增長，路網通行能力越來越不能夠滿通增長的需要，由此造成的交通擁擠、堵塞、事故不斷等已問題嚴重影響到人們的生活，不僅導致了社會問題和環境問題，也嚴重制約了經濟的發展[1、2]。針對這些問題，交通部門正尋求一種有效的方法來緩解這種緊張的交通局面，在找到合適的方法之前，如何真實的反映道路上的交通流狀況又成了必須首先的解決的問題，于是有關人士將目標鎖定在了交通仿真技術上。本文重點介紹三種微觀交通仿真軟件，分別是德國PTV公司開發的VISSIM，美國Trafficware公司開發的Synchro，以及美國聯邦公路局(FHWA)開發的TSIS仿真軟件，在此基礎之上，利用這三種仿真軟件進行實例仿真并分析其結果，最后對三種仿真軟件的前景進行展望。
2.三種仿真軟件的簡介
VISSIM軟件是德國PTV公司的產品，它是一種離散的、隨機的、以s為時間步長的微觀仿真軟件。車輛的縱向運動采用了Wiedemann于1974年建立的心理―生理跟車模型，該模型的基本思路是：一旦后車駕駛員認為他與前車之間的距離小于其心理（安全）距離時，后車駕駛員開始減速。由于后車駕駛員無法準確判斷前車車速，后車車速會在一段時間內低于前車車速，直到前后車間的距離達到另一個心理（安全）距離時，后車駕駛員開始緩慢地加速，由此周而復始，形成一個加速、減速的循環迭代的過程。橫向運動（車道變換 ）采用了基于規則的算法。不同駕駛員行為的模擬分為保守型和冒險型。VISSIM軟件提供了圖形化的界面，采用2D和3D動畫向用戶直觀顯示車輛運動狀態，應用動態交通分配進行路徑選擇。該軟件系統內部由交通仿真器和信號狀態發生器兩大程序組成，它們之間通過接口來交換檢測器的呼叫和信號狀態[4]。
Synchro是美國Trafficware公司根據美國交通部標準HCM規范研發的，該標準中的參數是根據汽車性能、駕駛員的行為習慣、交通法規等設定的，計算得出的某些結果(如延誤時間、服務水平、廢氣排放等)，作為方案比較的相對參數，具有重要參考價值，信號配時也非常合理[5]。
TSIS（Traffic Software Integrated System）是最早的基于窗口的微觀交通仿真系統，該仿真模型綜合了應用于高速公路連續流仿真的FRESIM和用于城市間斷流仿真的NETSIM的特點。它一個大型的集成化的交通仿真工具箱，目前的版本可以在Windows 95、Windows98、Windows NT4.0、Windows2000 系統下運行。TSIS適用于信號控制的城市道路、高速公路，或者由信號系統與高速公路所組成的更復雜的路網系統。與其他仿真軟件相比，它能夠模擬各種交通條件下的諸多細節問題[6]。
3.實例概況以及理論計算結果
此次研究采用揚州市邗江區開發西路與邗江中路交叉口為實例進行交通仿真軟件的應用，從而進行幾種仿真軟件的對比分析。
該交叉口地處揚州市邗江區，其北面三百米處是揚州市汽車西站，其余三個方向均為各個企業以及工廠。該交叉口有公交車37路、30路、39路、16路、18路經過，每10―15分鐘發一班車。此處行人極少，因此在調查時忽略這一影響因素。信號燈采用定時控制，分為兩個相位，周期為68秒，其中綠燈時長31秒，黃燈時長3秒，紅燈時長34秒。
另外，經過調查，南進口道以及北進口道處限速50km/h，以及設置了禁止低速貨車和電動三輪車通行的標志。東西進口道為兩車道，分別為直左、直右方向，其中西進口直右車道寬度為3.9米，直左車道寬度3.75米，東進口兩條車道均為3.7米。南北進口道為四車道，兩條直行，一條左轉，一條右轉，各車道寬度為3米，其中左轉專用車道為拓寬車道，各進口道與出口道之間并沒有分隔帶，而是以雙黃標線隔離。
4.實例仿真結果分析
通過對邗江中路與開發西路交叉口的數據分析分別建立路網模型，對仿真結果進行分析，選取排隊長度、延誤時間以及服務水平三個指標來進行比較。
1）排隊長度。作為衡量交叉口通行能力的主要參數，在交通仿真中三種軟件都能對四個進口道的排隊長度進行檢測，現取最大排隊長度對仿真結果分析如下：
從結果看出，Synchro對于單點交叉口的最大排隊長度與觀察所得的現狀更為接近，主要在于VISSIM雖然定義了車輛行駛的道路，卻少考慮了各個車輛間的干擾，而Synchro在車輛間的干擾方面比VISSIM設定更為細致，因此對于單點交叉口更能反映出實際情況，另外由于TSIS模擬仿真時，未將公交車與貨車等車輛分開，導致所有的大車都變成公交車輛，因此在港灣式停靠站時，比實際公交數量多，產生更大程度的道路擁擠，也使得排隊長度進一步變大。
2）延誤時間。在延誤時間參數上VISSIM是根據設定的行程時間檢測區段來統計延誤的，與Synchro一樣，既可以統計每個進口道的延誤，也能反映出每條車道的延誤，為了便于與TSIS比較，于是采用整個交叉口的延誤作為評價指標。
從結果得知，VISSIM與Synchro仿真結果與理論計算結果相差不大，而TSIS的輸出結果則相差較大，分析原因同最大排隊長度的形成因素，最終才使得總延誤時間偏大。
3）服務水平。在服務水平方面，Synchro能更為直接的得出該數值，而TSIS與VISSIM都需要統計大量數據得到。Synchro的輸出結果為該交叉口飽和度為0.79，交叉口服務水平為B，VISSIM統計得到的數據也可得出交叉口服務水平為B，與實際情況接近，而TSIS統計數據后得到服務水平為D，與實際相差較大。
綜上所述，對于單點交叉口，在交通量不大、服務水平較高的情況下，Synchro與VISSIM的仿真結果相差不是太大，與實際情況也相對來說比較吻合，而TSIS的仿真結果較易失真，綜合各方面來看，最接近交叉口真實情況的為VISSIM軟件。
5.前景展望
對于交通仿真技術的研究是智能交通研究的課題之一，當前國內外對于交通仿真的研究開展的很多，也發展到了一定的程度[9]。然而伴隨著對交通問題的深入了解及對其核心內容的把握，研究的重點在不斷強化，在本文對VISSIM、Synchro和TSIS三個仿真軟件進行研究的過程中，發現有些方面還需要改善：
1）必須要研究符合我國國情的交通仿真軟件。現在比較流行的用的比較多的仿真軟件都是國外研究的成果，而這些仿真都是建立在對國外交通流狀況的研究基礎上，并不能真實的反映我國道路的車流運行情況，因此研究出一款專屬于我國的仿真軟件已經刻不容緩。
2）應對各種仿真軟件進一步優化。通過對實際交通流的調查以及研究、對系統的準確性進一步定義，精確建立仿真參數校正體系，對仿真系統進一步優化，從而得到較真實的交通流狀況。
3）目前的仿真軟件缺乏對非機動車的研究。在國外道路交通是以機動車為主，而我國的交通屬于混雜交通，除了機動車外非機動車作為交通工具上已經占了很大的比例，而僅僅對機動車進行仿真并不準確，因此在下一步研究中應加大對非機動車同機動車相互影響的分析，同時需要建立他們之間的影響模型[3、10]。
再者，通過此次對交叉口進行的仿真，再一次見證了交通仿真軟件的作用巨大，尤其是VISSIM，這款軟件不管在路網構建、流量動態分配方面都比其他兩個軟件都完善許多，雖然還會有一些小缺點，但總的來說，已經相當實用，相信這款軟件以后會有很好的發展。
近年來，計算機技術也已經快速發展，再加上交通研究方面的人才也是越來越多，將這兩方面結合起來就能開發出越來越好的交通仿真軟件，不管是在宏觀、中觀還是微觀模型仿真方面，這都將大大有利于交通學科的發展，也能更好的為解決城市道路擁堵、降低事故發生率等方面以及為高速公路、城市道路的正常運行作出更大的貢獻。
參考文獻：
[1]魏明,楊方廷,曹正清.交通仿真的發展及研究現狀[J].系統仿真學報,2003
[2]張國華.微觀交通工程技術在城市交通改善中的應用探討[J].技術與方法,2001
關鍵詞：3D數字仿真技術；城市服務；應用
1 概述
3D數字仿真技術主要是通過計算機技術，為用戶創造一個逼真的虛擬環境，既可以是對現實環境的虛擬，也可以是對一些想象的物體的虛擬。目前在城市建設以及工業產品等領域中的發展比較廣泛。本文主要通過分析3D數字仿真技術的發展情況，探討其在當前的城市服務中的應用情況。
2 3D數字仿真技術概述
2.1 3D數字仿真技術概念及特點
3D（三維）數字仿真，一般也稱虛擬仿真，主要是通過計算機技術生成一個無限逼近現實的虛擬環境，該環境中存在視、聽、觸、味等多種感知，用戶則通過各種傳感器設備接收自身自然反應的行為、活動，從而實現與虛擬世界中的個體產生聯系的一種技術。
3D數字仿真技術一般具備三個特點：（1）沉浸感。由于3D數字仿真技術創造出了一個虛擬的現實世界，單從視覺效果上來看，用戶很容易產生一種置身于這種虛擬環境的感受。（2）多感知性。雖然目前的3D數字仿真技術能夠實現的感知只有視覺、聽覺發展的比較成熟。但是理想狀態下，3D數字仿真技術還應該具備味覺、嗅覺以及觸覺等在現實生活中存在的多種人類感知行為，為人類營造一個真正逼近現實的虛擬環境。（3）交互性。所謂交互性是指用戶可與虛擬環境中的實體進行交流、操作等行為，而且通過這些行為可以得到實時的反饋。
2.2 3D數字仿真技術發展
進入21世紀以來，隨著計算機技術的大量普及，3D數字仿真技術也隨之進入了快速的發展時期。而美國作為該技術的發源地，目前在該技術領域依然處于世界領先地位，于2007年率先提出六方沉浸體驗虛擬現實系統，并期望達到1億像素的顯示效果。然而目前最大的虛擬現實系統中能夠提供的像素僅為4300萬，且只有五方沉浸體驗效果。因此，這項技術被美國業界認為是下一世紀重要競爭技術，一些大型的公司，像波音、福特等公司均有對應的大型研發中心。我國雖然起步較晚，但是許多高校、企業也都在積極研制3D數字仿真技術，目前也都取得了十分顯著的進步。
3 3D數字仿真技術提供的城市服務探究
3.1 城市建設領域
隨著房地產行業的競爭越來越激烈，房地產廠商主要宣傳的要點包括：地理位置、社區規劃、戶型設計等。然而目前對于戶型的空間設計等方面發展已經很難再有革命性的突破，一些廠商的宣傳手段還僅限于條幅、實物模型等。但是隨著社會的發展，人們希望能夠更加直觀、快捷、方便地看到整個樓盤的詳細信息。傳統的手段是無法滿足這些需求的，而3D數字仿真技術，這一專注于營造仿真環境的技術就得到了廣泛的應用。房地產廠商通過制作一些建筑動畫，直觀地展現小區虛擬場景、樓盤樣式、以及三維虛擬樣板房等。通過使用這些3D動畫作為宣傳手段，能夠讓居民非常直觀的體驗、感受到住房的樣子，因此取得了非常好的宣傳效果。
3.2 工業領域
現如今，隨著經濟的快速發展，人們的生活也因為各種工業產品的快速發展而變得非常方便。像汽車、醫療器械等一些與人們生活息息相關的工業產品，一般在最終上市之前都會進行嚴格的檢驗。之前由于技術水平有限，只有等到產品研發出來之后才能進行相關的檢驗，一旦產品出現問題勢必造成大量資源的浪費。
隨著3D數字仿真技術的產生，技術人員可將設計出來的產品進行虛擬實驗，既可以將設計出來的產品整體、空間構造都非常詳細地展現出來，而且還可以通過虛擬現實技術，在虛擬的環境中對，對這些產品進行安全、事故模擬實驗。像汽車行業，一般會利用3D數字仿真技術進行車輛撞擊事故模擬；在煤礦產業，一般利用3D數字仿真技術進行安全生產實驗，確定最終的安全挖掘方案等。
3.3 事故模擬
傳統的事故分析都是通過事故現場照片或者是現場遺留下來痕跡等來進行相P的判斷，但是這種缺乏動態模擬過程的分析方式缺乏直觀性。而事故一旦發生，通常會伴隨著賠償、處罰等后續事件，如果能夠完全還原當時的情景，有助于相關負責人十分方便、快捷、準確的處理相關事故。目前已經開展的研究內容包括：橋梁坍塌事故分析、交通事故分析、煤礦事故分析等。其中交通事故分析發展相對的較為成熟，而且現在已經有很多交通管理部門引進這些技術，對交通事故進行模擬還原，從而對發生當事人進行相關責任判斷。
3.4 施工演示
目前國家各項基礎設施建設正在如火如荼的進行中，面對這些大型的工程項目，以前只能通過工程圖紙或簡單的模型等形式進行展示。對于缺乏足夠的空間想象能力或者項目新手來說，很難去想象到整個工程中每個實物的具體樣式，而3D數字仿真技術大到整體效果，小到部件的構造等，可以非常逼真的展示工程項目實景。不僅方便進行施工演示，而且在進行工程匯報時，也可以非常具體的展示當前的具體施工狀況，以及與完整項目之間的差距等。
4 結束語
3D數字仿真技術，隨著計算機技術的快速發展，正處在高速發展的階段，而且正在以其獨特的方式改善人們的生活、學習和工作方式。除上述提到的一些應用領域之外，3D數字仿真技術還有許多其它的應用領域，而且隨著5D時代的到來，還會產生更多的現在還無法想象的應用領域。但同時還應該意識到，由于一些技術難點，比如說在虛擬空間中實現嗅覺、味覺等技術，目前還沒有攻克，3D數字仿真技術未來的發展道路還有很長。
參考文獻
[1]張晶.淺談三維動畫的應用領域[J].山東工業技術，2013（11）：151.
[2]周飛，孫超.論三維動畫在產品設計中的運用和價值[J].藝術科技，2013（05）：179.
關鍵詞：自動控制理論 模擬仿真技術 電氣工程 實時監控
中圖分類號：TP13-4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-00-01
社會的進步科技的發展帶動了自動化技術逐漸取代手工技術，當前工業社會生產活動中自動化技術已經大規模普及推廣開來，而且自動化程度不斷加深。隨之自動控制理論隨著數學、計算機等多學科的發展也取得很大的進步，并逐漸由傳統的經典控制理論向現代控制理論發展，現代控制理論在精準度和過程控制方面的優勢也使得電氣自動化技術其過程更加復雜化，在自動化產品設計進入實際工程前要進行一系列的模擬仿真，以確保能夠世紀工程需要。
1 電氣自動化和仿真技術
1.1 電氣自動化的發展和特點
電氣自動化作為電氣信息方向的一門新學科，因為和人們生產生活密切相關而迅速發展。經過長時期的發展，如今電氣自動化已經作為高新技術產業的重要部分而發展較為成熟。電氣自動化從一個電氣開關開始到整個電氣系統的控制部分都有其分布組成。它包括了對開關信號進行控制，對工程目的進行分析，對系統中各設備進行信息交流，對系統中反饋的信息做匯總并按人們預期設定的程序步驟進行智能化的邏輯分析并準確快速做出動作反映，已達到脫離人工而能自動運行的目的。如今，電氣自動化技術廣泛的應用于工業、農業、軍事和交通運輸中。在電氣自動化中，控制理論是其重要的基礎內容。自20世紀四五十年代開始，控制理論一直在不斷的發展。經典控制理論的出現標志著控制理論的形成，自動化技術開始得以普及推廣。之后隨著各種自然學科和計算機技術的迅猛發展，在20世紀五六十年代依托于數列和計算機技術的狀態空間法的出現標志著現代控制理論的形成。經典控制理論計算簡單便于分析，能夠很好的解決單變量定常系統的設計應用。而隨著工業進程的發展，人們對自動化程度提出了更高的要求，工業中有關多變量系統的分析設計已經不能再用經典控制理論，現代控制理論的出現解決了這個問題，使得電氣自動化技術向著系統更加復雜，控制更加精準的方向發展。
1.2 自動化中的仿真技術
隨著工業進程的加快，工業工廠、交通管理、軍事國防在進行自動化程度加深的同時也要求對控制過程進行實時監控或著遠程監控。仿真技術是自動化控制過程中不可分割的一部分。它通過力控軟件將可編程邏輯控制器（PLC）中采集的現場實時數據反映到人際交換界面上來，并用仿真模擬圖像對生產過程進行監控。模擬仿真技術也可以在自動化設備投入運行前進行預先模擬運行，以便檢查自動控制程序是否穩定，是否滿足實際生產需要。
2 仿真技術在電氣自動化中的應用
2.1 仿真技術在自動化鋼鐵廠中的應用
在大型鋼鐵廠中，從鐵礦向高爐送料開始一直到鋼鐵成型，其過程大多是脫離人工的自動完成，這主要有現場的各種傳感器（溫度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、噪聲傳感器等），控制室的大型工控機（可編程邏輯器PLC），各種配套的邏輯開關，相關的變頻器，變壓器等電氣設備組成。PLC作為整個自動化的核心部分，對整個自動化過程進行邏輯分析和控制，邏輯開關通過通斷作為相應PLC控制動作的執行者，現場的各種傳感器和行程開關作為信息來源，將現場的各種實時數據信息傳輸給PLC，相關電氣設備作為運行的支持。在中央控制室中，通過人機交換界面可以將PLC中匯總的各種實時數據反饋到顯示屏上，通過這些配套的力控軟件可以以圖像的形式對鋼鐵廠的各個生產車間和每個生產過程進程數據進行仿真，并可以在顯示屏幕上直接對各個生產過程進行手動控制操作。也可將其上傳至網絡進行遠程協助操作和監控。
2.2 仿真技術在大型汽車組裝廠的應用
在大型汽車生產廠，各種零部件的組裝是汽車生產廠商所進行的主要活動，一輛車往往需要上萬個零部件，而不同的車型需要不同的零部件，即便是同一輛車型的不同配置也需要不同的零部件，如何在最短的時間內組裝出最多的車而且正確無誤一直生產廠商所關注的問題。電氣自動化技術的出現很好的解決了這項問題，并大大提高了汽車的組裝速度。在汽車總裝車間，各種細小繁多的零件需要按不同的車型組裝到一起，由于汽車廠商往往是根據客戶的訂單需求，同一批次的車型中往往是不同的配置同時進行，這就使現場的操作工單靠腦力無法按時保質保量的完成任務。通過自動控制技術和仿真技術可以有效的解決這個問題。在將汽車組裝進行幾個部分的分割之后，在各個部分上安裝可編程控制器（PLC）作為自動控制器，并安裝顯示屏作為仿真顯示器，將各部分的PLC通過工業以太網連接在CCR（中央控制室）的服務器上，通過IPMS系統通過前端的仿真控制端將各種車型數據導入服務器中，服務器再降不同的配置信息分配到相應的現場PLC中，PLC可以根據不同車型的配置信息將所需的零部件現實到屏幕上，或者制作零部件架并在加上安裝撥碼燈，使PLC直接控制對應零件撥碼燈的亮滅，這樣可以是操作工很快捷準確的選取各種零部件，減少了工作強度，增加工作效率。
3 結語
電氣工程及其自動化的發展使得我國各行業的自動化進程不斷加快，仿真技術作為自動化控制系統中的組成部分，能夠很形象的反映出設備實時運行的情況，方便監控與管理。目前可編程控制器（PLC）作為行業經常采用的生產控制設備，與之相應的力控軟件能夠很好的模擬仿真系統的運行狀況，他們已經被越來越廣泛運用到社會的各行各業。
參考文獻
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[3] 楊敏南.中國自動化學會“系統仿真”79年學術交流會在煙臺召開[J].冶金自動化，1980（2）.
【論文摘要將虛擬仿真技術引進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心得。
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,探索在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和心得。
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,構建一個和現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景,并能響應用戶的輸進,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 天生技術、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和展示、貿易廣告、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 了產業標準 ,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、場景顯示等新題目。該平臺可以達到照片級 的視景仿真效果 .同時采用嵌進 OPENGL技術來解決物理模型 的交互新題目。
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、探究、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、機械等一些主要產業部分,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 .教學效果主要依靠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,有很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進步逼真度。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假如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;假如需要對裝備進行虛擬操縱仿真,則使用 GLStudio軟件先進行操縱面板、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縱。
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布置,注重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,和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訊來完成的。這里還需要考慮進程間的同步新題目。
【關鍵詞】 仿真技術 高技術 產業化 知識經濟
引言
盡管仿真技術已經很快發展,但在若干問題上仍然存在不同的見解。
比如,有人說仿真技術是要花費很多錢,所以它的成果只是榮譽性的。這種看法與當今把每臺核電站仿真機以1000多萬美金,飛機仿真機以1500~2000萬美金的價格從美國、加拿大引進到中國的現實相矛盾,也具體說明了仿真技術的成果仍然形成了一個高價位的高科技產品和產業。
又如,有人說在市場經濟的環境里,仿真技術的產值搞不大,相關的市場在萎縮;也有人認為仿真技術是21世紀戰略性技術,仿真技術肯定會大發展。
當前,一場以高技術為中心的新的科技革命正在蓬勃發展,對整個社會經濟發展將產生重大影響。世界的經濟向知識(智力)經濟過渡,信息技術迅猛發展與知識經濟來臨之際,對仿真技術將有什么作用,仿真技術將會有什么地位,如何迎接機遇,都應盡快考慮,這是業界的大事。
鑒于上述,作者經過幾年的反復觀察、研究、分析和思考寫下本文。
1. 從仿真技術定義變化中考查
自從仿真概念出現以來,仿真的定義隨著技術和應用的發展不斷深化。
比如,牛津英文字典中初期的仿真定義是:"To imitate conditions of situation with a model for convenience or training"。后來變為:"The technique of imitating the
behavior of some situation or system (economic, mechanical, etc.) by means of an analogous model,
situation, or apparatus, either to gain information more conveniently or to train personnel"。
1993年7月,國內在《火炬計劃基本概念及相關名詞術語解釋》中,對仿真技術作了很詳細的定義,見參考文獻[7]。關于仿真技術的定義,到目前為止,就很難用簡單的語言描述。國內外學者從不同角度作了描述,可歸納如下幾點:
仿真技術是出自對系統的研究,是通過用系統模型對真實系統或設計中的系統進行試驗,以達到分析、研究和設計該系統的目的;
仿真技術是以計算機為基礎,計算機能力提高了,仿真技術水平也提高,使之有能力去描述更復雜的系統;
仿真技術隨需求發展,提出了大量共同性的理論、方法和技術問題,致使仿真逐步形成了一門獨立的學科;
仿真技術已成為計算機應用的一個重要的領域;
仿真技術應用范圍十分廣泛,無孔不入的一門綜合性學科,已廣泛應用于航空、航天、通信、船舶、交通運輸、軍事、化工、生物 、醫學、社會經濟系統等自然科學與社會科學的各個領域,其重要性已廣為人知;
仿真技術用于揭示已知對象和未知對象的內在特性、分系統之間的關系和運作規律,以研究已知和預測未知;
仿真技術是高技術領域中的關鍵技術之一。
2. 仿真技術主要研究的內容和成果分析
2.1 仿真技術主要研究的內容
仿真技術雖是計算機應用的一個重要的領域,但也有其自身作為一門專有技術的研究內容,有問題和難點,也有發展方向和規律,形成了仿真技術的主體技術。這些技術又在廣泛而豐富的需求中深化和發展。仿真技術的研究內容最少應包括總體技術、仿真支撐軟件技術與工具、建模技術和應用技術,表1歸納了這些仿真技術的研究內容:
表1:仿真技術的研究內容 總體技術 ①學科的理論研究;②仿真技術的發展與開拓;③仿真技術與支撐技術的關系;④系統的分析與劃分;⑤仿真技術在信息技術和產業中的地位研究;⑥大型仿真系統研究
仿真支撐軟件技術與工具 ①支撐軟件理論與方法;②仿真支撐軟件技術;③面向對象支撐技術;④面向各項領域的共性工具軟件;⑤專用的工具軟件;⑥軟件系統結構;⑦實時數據庫
建模技術 ①仿真對象與系統分析;②建模理論與方法;③仿真算法與語言;④驗證方法與標準
應用技術 ①應用領域開拓研究;②應用軟件系統;③應用的相關技術;④應用系統實現方法
2.2 從仿真技術的成果分析
近幾年來,國內外仿真技術領域取得了豐碩的成果,體現出重大的社會效益和經濟效益。主要的成果例舉如下:
2.2.1 仿真支撐系統的發展
70年代末,國際上一些國家在實現仿真技術產業化過程中,強化了仿真支持系統的概念。因此,仿真支撐系統已經不僅是仿真領域關鍵的技術之一,而且是"解放"仿真系統開發者和使用者的最重要手段。它不僅賦予仿真系統以生命力,同時也是實現仿真技術產業化的基礎。在應用過程中,它是實現仿真目標和解決問題的概括和總結,它支撐了仿真系統的整個生命周期,包括對仿真對象分析、仿真模型的表達、仿真模型的生成和運行、仿真過程的調試和修改、實時運行、仿真數據的存儲、恢復及跨平臺的聯合運行。因此,近幾年來,國內外已經十分重視對仿真支撐系統的研究,也出現了不少成果。從科技進步角度來分析,主要表現為:
(1)開放性和構件概念,包括:構件命名服務(Component Name Services)、構 件對象服務(Component Object Services)等為構件客戶服務。
(2)提供通用數據表示方法,讓集成工具之間共享信息。
(3)支撐范圍擴大,表示在支撐仿真應用在網絡上的實現。
(4)支撐多媒體技術的應用,使仿真系統的人機界面得以改善。
2.2.2 面向對象的仿真技術
近十幾年來,面向對象仿真(Object Oriented Simulation,簡稱OOS)研究、開 發和應用有很大的進展,在廣泛的領域里,各種各樣的模型是由OOS語言(或稱編程工具)和開發環境中出現。由于OOS為系統建模提供了靈活的方法,它的基本
特性使之不同于傳統的仿真方法,而且適用于大型的更為復雜更分散的仿真系統,以及基于網絡的仿真系統。而且,支撐OOS的工具已不少實現商品化了。例如:
(1)由于國際間多國合作的出現,對共享仿真環境的需求擴大,網絡仿真技術被用在基于共享的仿真環境,如虛擬工廠教學系統,它允許學生單獨工作或組成虛擬的隊、建造工廠、預測產品需求、計劃生產、制定日程進度等
(2)面向對象仿真在處理復雜系統模型時,是一個極好的工具。將這類模型分成幾個子模型,做到仿真程序結構與真實系統結構相似。如解決互相聯系的異步電動機組的仿真控制問題等。
3. 仿真技術應用領域的快速擴大
近幾年世界上應用仿真技術去解決科技、生產、社會各方面問題的事例層出不窮,使仿真技術的應用能力拓展,滲透性增加,無處不在,無孔不入。例舉幾項:
(1)仿真技術在工業系統的多種應用取得了巨大的社會和經濟效益;
(2)利用仿真技術來模擬人們不斷增加對海港、船舶的到達方式,海港運作方式的變化需求,用于實現海港現代化管理或新建海港選擇和投資考察;
(3)應用質量工程及仿真提高巨型計算機系統的性能。性能評估在計算機的設計、開發、配置、調節中是一個重要環節,應用質量工程和仿真技術來提高巨型計算機系統性能;
(4)應用仿真技術,開展語言系統研究,取得重要成果;
(5)仿真技術在制造業中應用和發展近幾年來在國內也取得很好的成果,仿真技術在制造業的應用是從產品設計到制造,以至測試維護的整個生命周期中,計算機仿真技術貫穿始終;
(6)虛擬現實技術的應用范圍擴大。它在醫療領域中開始應用,虛擬教學、虛擬會議系統等取得一定效果,虛擬現實技術與娛樂的結合更有廣泛市場。
4. 從軟科學技術發展展望仿真技術的作為
軟科學技術是為管理和決策服務的科學技術,或者可以定義為幫助人更直接、有效、全面和系統地使用迅速發展的各類科學技術知識,并進行科學管理和科學決策的科學。從軟科學技術的應用性表現來說,如果說科學的研究是基礎研究的話,軟科學技術則是應用研究,產生的專家系統則是技術開發。
醫學和工程領域管理決策的專家系統的研究成果幾年后將被投入使用。例如美國許多大公司都開始用人軟件,幫助做許多種經營工作。這意味著類似"仿真腦"的系列產品將要出現,仿真技術在管理和決策方面的應用將推向各個領域。在仿真各種管理與決策系統的過程中,仿真技術將快速發展,產業化的步伐將加快。
軟科學技術是有前途的。在人類知識每5年翻一番的情況下,任何人如果不*電腦處理事務,也就是說不*"看不見的頭",是無法妥善、有效處理的。如果說軟科學技術會成為21世紀的先導和骨干高科技,推動軟科學技術發展的仿真技術也是分析復雜問題,提示相互關系,仿真人腦管理和決策的骨干高科技之一。5. 仿真技術發展的特點和趨勢
近幾年,以計算機技術、通訊技術與傳感技術為主導的信息技術的飛快發展,為仿真技術的發展進入一個嶄新的環境打下了良好基礎。仿真技術的發展將出現新概念、新應用和新的地位。由目前發展情況分析,有如下值得注意的特點:
(1)仿真技術是一門獨立的學科,但它離不開計算機技術。只要計算機技術在飛快地發展,仿真技術就一定隨之快速發展;
(2)仿真技術作為信息技術族內的成員,它不僅自身發展快,而且與信息技術各項發展結合也快,它們永遠面對新問題、組織新技術、形成新的系統工程。因此,仿真技術是不斷研究新現象、分析新規律、揭示相關系統、找出解決方法的強有力工具;
(3)在知識經濟來臨、知識管理的形成和發展中,仿真技術是最好的工具。它將被更多人了解和掌握。美國很多大公司開始用"人軟件"代替人類做多種經營工作。預計類同"仿真腦"系列的產品將會被成批生產,用以代替人們進行管理和決策;
(4)仿真技術的應用領域越來越廣,在信息技術發展中,將出現獨特的地位;
(5)目前,在全世界軟件產業快速進展的環境中,仿真支撐軟件,各種工具軟件(包括專用仿真語言),乃至于通用的應用軟件、商品化的周期縮短;
(6)面向對象的技術和應用發展較快,一方面推動仿真概念變化,另一方面適應復雜、非線性應用的能力增大;
(7)由于網絡技術的發展,為異地、異國應用提供了可能,將對仿真技術提出新的挑戰,也推動了發展。預計仿真技術和網絡技術的結合,將出現新的概念,并擴大應用范圍;
(8)仿真技術在培訓領域中已有了豐碩的成果,比如:核電站、飛機的仿真機等都是培訓所必需的仿真系統產品。
6. 知識經濟的特征和仿真技術的地位
人類在經歷了漫長的農業經濟、工業經濟時代后,正迎接著知識經濟時代的來臨。1997年,人們第一次提出知識經濟的概念,大家認為它是建筑在知識和信息基礎上的經濟;以知識和信息的生產、分配和使用為直接依據的經濟;知識是提高生產率和實現經濟增長的驅動器。國內外學者對此也有各種說法。如:知識經濟是以智力資源的占有、配置,以科學技術為主的知識生產、分配和使用為最重要因素的經濟。又如:知識經濟所要表述的是一種新的復雜的經濟狀態,它是指以現代科學技術為核心,建立在知識和信息的生產、存儲、使用和消費之上的經濟。它有豐富的內涵和明顯的特征。只有通過對其內涵和特征的分析并與仿真技術及其應用、產業化社會效益、經濟效益比較,才能充分看到仿真技術在知識經濟環境中的地位。
(1) 知識經濟特征與仿真技術特點的切合。
(2) 仿真技術是推動知識經濟發展的關鍵技術。
(3) 仿真技術及其應用,形成知識產品和服務,以及產業化的效益推動知識經濟的增長。
7. 結論
通過考察和分析,我們看到知識經濟時代的來臨給仿真業界帶來了新的挑戰和機遇,仿真技術將因自身的特點而在知識經濟環境中快速發展,反之也推動知識經濟的發展。仿真技術與軟科學及其它相關技術的結合將加快高附加值產品的產業化進程,給整個社會帶來新的經濟增長點,仿真技術大有可為。
參考文獻
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[2] 游景玉,論文"論仿真技術及其產業化", 珠海出版社,1999年
[3] 游景玉 吳芳輝,論文"仿真支撐系統技術的研究與發展",珠海出版社,1999年
[4] 游景玉 吳芳輝,論文"新世紀仿真技術展望", 珠海出版社,1999年
[5] 游景玉,論文"論仿真技術在高技術發展中的地位", 珠海出版社,1999年
中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A文章編號：1007-9416（2012）04-0000-00
1、論文研究背景及意義
近多年來，由于計算機及網絡相關技術的迅猛發展，世界經濟發展的必然趨勢就是數字化，數字城市也逐漸引起了人們的注意。那么怎樣應用計算機技術來構建數字城市，近而實現城市的數字化已經引起城市規劃及管理人員和城市居民的共同關注。城市仿真技術在構造數字城市過程中發揮著非常重要的作用，因此成為當前一個新的研究熱點。仿真(Simulation)技術是利用計算機軟件模擬實際環境進行科學實驗的技術，以模擬的方式為使用者創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖形界面，使之在感知行為的逼真體驗中獲得直接參與和探索仿真技術對象在所處環境中的作用和變化。城市仿真(Urban Simulation)技術就是仿真技術在城市規劃、建筑設計等領域中的應用，表現為人機交互、真實建筑空間感與大面積三維地形仿真，即交互式實時三維(Interactive Realtime 3D)。采用虛擬現實技術構造出來的城市視景仿真系統是數字地球的重要組成部分和支撐手段，已經被廣泛應用在城市的規劃、建設以及管理當中，對于城市發展規劃的各個方面都具有相當重要的意義。
2、國內、外的視景仿真工具
MultiGen-Paradigm公司的MultiGen Creator的各版本三維建模軟件是世界上流行的實時三維數據庫生成系統的軟件環境，在仿真系統中得到廣泛的應用。Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現實等領域的世界領先的軟件環境。Urbansim是基于城市交通需求模擬分析和城市土地綜合分析的新型城市發展仿真軟件。MagicCity屬于WinTel架構基礎上的虛擬現實和視景仿真系統。我國在視景仿真系統開發的同時，也在進行仿真系統軟件平臺的開發。TrueSim v2.0 三維實時仿真軟件平臺是深圳市創想科技發展有限公司在綜合了國內外多項最新三維仿真技術的研究成果以及多年來從事三維仿真研究所積累的多種經驗的基礎之上推出的具有自主知識產權的仿真平臺。神州視景信息技術有限公司自主研發了“基于普通PC和Internet的大規模場景實時漫游引擎系統――SCVR”。 Virtools是一個實時三維虛擬現實編輯軟件，可將多種常用文件格式（三維模型、二維圖表、聲音等）整合到一起，并具備交互功能，能夠開發出電腦游戲、建筑仿真、交互娛樂等多種3D產品。
3、本文的研究目的及重要內容
本文通過研究虛擬現實視景仿真技術的相關知識，實現以我們學院校園為虛擬環境的視景漫游系統。通過對虛擬場景的構建，能夠實現視景漫游中的自動漫游和交互漫游等效果。本系統應用建筑草圖大師Sketchup和MultiGen Creator軟件工具來構建虛擬場景中地形及建筑物的三維模型，并建立道路、樹木、路燈等虛擬景物，借助Vega Prime軟件平臺和工具集對校園虛擬場景進行仿真，在VC++開發平臺下實現三維景觀及模型的交互式（以鼠標、鍵盤等交互方式）控制，實現了虛擬校園景觀的視景仿真漫游系統。
本文主要研究內容和所做工作總結如下：
(1)了解視景漫游技術以及虛擬現實的發展，對國內外虛擬現實技術應用現狀進行調研。
(2)對黑龍江農墾科技職業學院的視景環境數據進行搜集和整理，包括地形數據的獲取、建筑物數據的獲取、紋理數據的獲取等等。
(3)研究用虛擬現實建模軟件Sketchup、Creator以及三維建模技術、模型真實感技術以及模型優化技術等對地形、道路、教學樓和圖書館等建筑以及校園之中的花草樹木等進行建模，構建出虛擬場景模型庫，然后用視景漫游軟件Vega Prime和VC++對虛擬場景進行漫游和交互控制。
(4)研究模型數據庫建模和優化技術問題，模型數據庫的建構、調整和優化對提高實時仿真系統中運行的速度和流暢性起著至關重要的作用，成為目前重要的研究課題。
(5)碰撞檢測技術。開發虛擬現實仿真系統有一個主要目標就是能夠讓用戶以盡可能接近自然的方式與構建的虛擬場景中的物體直接進行交互。要實現自然的、精確的人機交互功能首先要解決的是碰撞檢測的問題。碰撞檢測是虛擬場景中動態物體與靜態物體之間或動態物體與動態物體之間進行交互的基礎。在碰撞檢測中有兩個問題需要解決，一是檢測到碰撞的發生和碰撞的位置，二是計算碰撞后的反應。而碰撞檢測是計算碰撞反應的先決條件，因此，碰撞檢測是虛擬環境中一個必不可少的部分。
(6)為保證虛擬場景的真實性、生動性及其對用戶的感染力，對基于粒子系統的虛擬場景環境特效技術進行研究。
校園視景仿真就是在計算機環境中對真實校園的景觀進行虛擬再現，采用虛擬現實相關技術，生成一個實時的、能給用戶各種真實感受的三維虛擬環境。利用計算機軟硬件及其相關輸入輸出設備，使用戶可以在虛擬的校園場景中進行瀏覽和交互漫游，感受校園中的風景。利用這種方法可以讓更多的人來了解我們的學校，對本校園的環境及交通現狀等方面有更深刻的認識。
參考文獻
關鍵詞：系統仿真設計
一、系統仿真技術
所謂仿真就是建立系統的模型（數學模型、物理效應模型或數學-物理效應模型），并在模型上進行實驗和研究一個存在的或設計中的系統。這里的系統包括技術系統，如土木、機械、電子、水力、聲學、熱學等，也包括社會、經濟、生態、生物和管理系統等非技術系統。仿真技術的實質也就是進行建模、實驗。現代仿真技術的發展是與控制工程、系統工程及計算機技術的發展密切相關聯的。控制工程和系統工程的發展促進了仿真技術的廣泛應用，而計算機出現及計算技術的迅猛發展，則為仿真提供了強有力的手段和工具。因此，計算機仿真在仿真中占有越來越重要的地位。
仿真技術得以發展的主要原因是它帶來了重大的社會和經濟效益。系統仿真的應用大致可分為：對已有系統進行分析時采用仿真技術；對尚未有的系統進行設計時采用仿真技術；在系統運行時，利用仿真模型作為觀測器，給用戶提供有關系統過去的、現在的、甚至是未來的信息，以便用戶實時作出正確的決策；
在系統運行前，利用仿真模型作為預測器，向用戶提供系統運行起來后，可能產生什么現象，以便用戶修訂計劃或決策；利用仿真模型作為訓練器，訓練系統操縱人員或管理人員。在工程領域仿真技術可以降低系統的研制成本，可以提高系統實驗、調試和訓練過程的安全。
一般認為，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。傳統仿真技術中，一個仿真系統要首先建立起系統的數學模型--一次仿真模型，然后再改寫成適合計算機處理的形式-仿真模型。仿真模型可以說是系統二次近似模型。建立起仿真模型后，才能書寫相應的程序。
仿真基本上是一種通過實驗來求解的技術。通過仿真實驗要了解系統中各變量之間的關系，要觀察系統模型變量變化的全過程，此外，為了對仿真模型進行深入研究和結果優化，還必須進行多次運行，系統優化等工作，因此，良好的人機交互性是系統仿真的一個重要特性。
二、虛擬現實技術
虛擬現實技術是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境--虛擬環境，用戶投入這種環境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，從而也大大推進了計算機技術的發展。目前，虛擬現實技術已在建筑、教育培訓、醫療、軍事模擬、科學和金融可視化等方面獲得了應用，漸已成為21世紀廣泛應用的一種新技術。
虛擬現實是高度發展的計算機技術在各種領域的應用過程中的結晶和反映，它具有以下主要特征：
（1）依托學科的高度綜合化；
（2）人的臨場化；
（3）系統或環境的大規模集成化；
（4）數據表示的多樣化和標準化，數據存儲的大容量、數據傳輸的高速化與數據處理的分布式和并行化。正是這些特征，使操作者沉浸其中，并通過多種媒體對感官的刺激，對所需解決的問題有了清晰和直觀的認識，從而，也使模型的建立和驗證更加方便。
三、系統仿真技術與虛擬現實技術的結合
傳統的系統仿真技術很少研究人的感知模型的仿真，因而無法模擬人對外界環境的感知(聽覺、視覺、觸覺)隨著多媒體技術、計算機動畫、傳感技術的發展，計算機模擬外界環境對人的感官刺激開始成為可能。事實證明，人類對于圖像、聲音等感官信息的理解能力遠遠大于數字和文字等抽象信息的理解能力。將仿真技術與虛擬現實技術相結合，利用虛擬現實技術進行仿真模型的建立和實驗的模擬，使仿真的過程和結果可以實現圖象化、可視化，使仿真的系統具有了三維、實時交互、屬性提取等特征，極大地促進了仿真技術的發展，同時也使虛擬現實技術更加具有生命力。
四、仿真與虛擬現實技術在結構工程中的應用
仿真與虛擬現實技術近年來在機械、電子、水利、社會、經濟、生態、生物等各個領域都得到了廣泛的應用。
在結構工程中，仿真與虛擬現實技術已經應用于如下幾個方面：
1．在工程結構分析中的應用
工程結構在各種荷載作用下的反應，其破壞特征和極限承載力是人們所關心的。當結構形式特殊，荷載及材料特性復雜時，人們往往求助于模型試驗來測定其受力性能，但模型試驗往往受到場地和設備的限制，只能做小比例模型試驗，難以完全反映結構的實際情況。若用仿真與虛擬現實技術，則可以進行足尺寸的試驗，還可以很方便地修改參數。此外，有些結構難于進行直接試驗，用計算機模擬仿真就更能體現出優越性，如建筑物及構筑物在地震作用下的倒塌分析，橋梁受到汽車高速碰撞的檢驗試驗等只有采用仿真與虛擬現實技術，分析才能大量進行。又如在高速荷載作用下，結構反應很快，人們在真實試驗中只能觀察到最終結果，而不能觀察試驗的全過程。如果采用計算機模擬仿真試驗，則可觀察其破壞的全過程，便于破壞機理的研究。對于長期的徐變過程則可在模擬中加快其變化過程，讓人們清楚地看到其過程。在運用傳統的有限元法進行結構分析時，結構應力的結果通常采用內力圖等力線的形式描繪出來，給人以直觀的印象。利用仿真與虛擬現實技術則可以通過顏色的深淺給出三維物體中各點力的大小，用不同顏色表示出不同的等力面；也可以任意變換角度，從任何點去觀察。還可以利用VR的交互性能，實時修改各種數據，以便對各種方案及結果進行比較。這樣就使工程師的思維更加形象化，概念更易于理解。
2．在巖土工程中的應用
巖土工程處于地下，往往難于直接觀察，而仿真與虛擬現實技術則可把內部過程展現出來，有很大實用價值。例如，地下工程開挖經常會塌方冒項。根據地質勘察，我們可以知道斷層、裂隙和節理的走向密度，通過小型試驗，可以確定巖體本身的力學性能及巖體夾層界面的力學特性、強度條件，并存入計算機中。
在數值模型中，除了有限元方法外，還可采用分離單元。分離單元在平衡狀態下的性能與有限元相仿，而當它失去平衡時，則在外力和重力作用下產生運動直到獲得新的平衡為止。分析地下工程的圍巖結構，邊坡穩定等問題時，可以把節理斷層劃分為許多離散單元。這一過程可以在顯示器和大型屏幕上顯示出來，最終可以看到塌方的區域及范圍，這就為支護設計提供了可靠依據。
3.防災工程中的應用
長期以來，人類一直與洪水、火災、地震等自然災害進行著堅持不懈的斗爭。由于自然災害的原型重復實驗幾乎是不可能的，因而仿真與虛擬現實技術在這一領域的應用就更有意義。目前已有不少抗災、防災的模擬仿真系統制作成功，例如洪水泛濫淹沒區的洪水發展過程演示系統。該系統預先存儲了泛濫區的地形地貌和地物，有高程數據可確定等高線，只要輸入洪水標準(如百年一遇的洪水)及預定河堤決口位置，計算機就可根據水量、流速區域面積及高程數據算出不同時刻的淹沒地區，并在顯示器和大型屏幕上顯示出來。人們從屏幕上可以看到水勢從低處向高處逐漸淹沒的過程，這樣對防洪規劃以及遭遇洪水時指導人員疏散是很有作用的。又如在火災方面，對森林火災的蔓延，建筑物中火災的傳播均已開發出相應的模擬仿真系統，這對消防工程起到了很好的指導作用。
4．在模擬施工過程中的應用
建筑施工是復雜的大型的動態系統，它通常包括立模、架設鋼筋、澆注、振搗、拆模、養護等多道工序，而這些工序中涉及的因素繁多，其間關系復雜，直接影響著混凝土澆筑的進程。模擬施工過程是為了通過仿真手段，去發現實際施工中存在的問題或可能出現的問題，這就需要對實際施工進行仿真。而目前施工過程的模擬只是從幾何形體方面模擬施工的過程，即按樓層關系由下而上，每一層按柱、梁、板的幾何形狀加以著色來實現對施工過程的模擬。現有的模擬只是對進度計劃起到了一定作用，并沒有對施工過程起到真正的作用。基于以上原因，需對施工過程建立合適的模型，以達到模擬仿真的效果。例如，大型水利樞紐混凝土在運輸澆筑系統的模擬仿真模型，是由運輸子系統和澆注子系統構成的，模型是按進程交互的仿真策略建立的，按這種條件建立的模型能與仿真程序間保持緊密的對應關系，程序所要模仿的行為比較直觀、清晰。程序流程直接與模型結構和系統狀態相對應。
另外，仿真與虛擬現實技術在結構工程領域內，還可應用在建筑系統工程管理、建筑信息管理、建筑物及構筑物的空氣流場、空氣品質分析等方面。
我國是一個發展中國家，有著大量繁重的基本建設任務，特別是在十五計劃綱要中，提出進一步加強水利交通、能源等基礎設施建設和西部大開發戰略。這一大好形勢，為結構工程高新技術的信息化和集成化，為結構工程學科及相關學科的發展提供了良好的機遇。仿真與虛擬現實技術作為結構工程高新技術之一，開創了結構工程學科的新紀元，其技術潛力巨大、應用前景十分廣闊。
參考文獻
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關鍵詞金屬切削加工有限元Deform教學改革
0引言
金屬切削加工技術仍然是機械制造行業的主要加工方法。它通過刀具和工件的相互作用去除工件表面的多余材料，以獲得理想的加工形狀、加工精度和表面質量的工件。因此，金屬切削加工技術在本科生的教學工作中占有重要的地位，機械類本科生都開設有關于數控機床、機械加工制造技術等相關課程。隨著技術的發展，越來越多的數控仿真軟件的出現使本科生在數控機床操作水平上有了很大的提升，但是對金屬切削過程中涉及的理論并沒有很大改觀。現在許多專家學者都對金屬切削過程進行了研究，但是由于切削過程的復雜性，還沒有統一的理論來解釋加工過程中的各種物理現象，這對本科生對加工過程的理解造成了一定的困難。而加工過程仿真技術的出現為這一問題帶來了轉機，本文主要研究加工過程仿真技術在演示切削加工過程方面對于本科生教學工作的幫助。
1有限元仿真技術
有限單元法（FiniteElementMethod,FEM）是一種以計算機為手段，通過離散化將研究對象變換成一個與原結構近似的數學模型，再經過一系列規范化的步驟以求解應力，應變和位移等參數的數值計算方法。它是一種通用的近似計算方法，也是解決工程實際問題的強有力的數值計算工具。目前，有限元法在航空，航天，機械，汽車，鐵路，船舶，交通，建筑，電子，地質礦產，水利水電，石油化工，生物醫學以及科學研究領域得到了非常廣泛的應用，并越來越受到業界的高度重視。現在較為流行的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、Deform和AdvantEdge等，這些軟件對研究金屬切削過程中的溫度、切屑形狀、刀具應力等提供了良好的前后處理和求解環境。各個有限元軟在單元、建模、材料模型和自適應網格能力等方面具有各自的特點和優勢。因此為了有效地模擬切削過程中所關心的方面和問題，需要綜合考慮分析問題的難易程度和仿真結果表現形式等多方面的因素，合理地選擇有限元分析軟件。
2加工仿真實驗平臺建設
2.1系統組成
該實驗平臺由一臺小型車床和自組的小型銑床以及裝有Deform軟件的微機組成。車床和銑床的作用在于演示車刀和銑刀與工件作用的物理過程，觀察特定加工條件下的切屑和工件表面狀態，同時也是有限元的仿真數據（如刀具尺寸，切深、背吃刀量等）的來源，仿真結果實際上相當于對實際物理過程的一個“慢放”，讓學生能夠仔細觀察刀具去除多余材料的過程，明白其作用機理。Deform軟件是SFTC公司生產的一款商業有限元軟件，它專注于金屬成型和加工工藝過程的仿真，可以實現車、銑、鉆、鍛壓等多種加工形式的仿真，同時也可以對材料的正火、退火、淬火等工藝流程進行仿真分析。它的優點如下：
（1）界面交互性好，與其他有限元軟件相比，Deform軟件為用戶考慮，在一個界面就可以定義好所有需要參數，設置參數的位置清楚明了。
（2）操作性好。Deform軟件包含了大量的材料庫，材料數據不必再自己去尋找，而且設定網格數量后可以自動劃分網格，在運行過程中出現大的變形量（如切屑去除過程）時可自動的進行網格的重劃分，不需要人工干預。相比于其他的有限元軟件，Deform在前處理過程中可以自動定義物體的邊界條件，需要設定的參數量很少。
（3）后處理功能豐富。具有點跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力—行程曲線等多種功能，而且具有2D的切片功能，可以顯示工件或者刀具的剖面結果。因此選擇Deform作為有限元分析軟件，但是必須提前用CAD軟件繪制好刀具和工件的三維模型，然后導入Deform進行分析。
2.2試驗臺在教學中的作用
本科生課程中的金屬加工常常以車削為例，講解前刀面、后刀面以及各個傾角對加工過程的影響，這些知識理論性太強，學生看到這些內容并不能與真正的加工過程聯系起來，因此對這一部分的知識總是抱著死記硬背的態度，并沒有認真對待。而有的學校有條件帶學生參觀真正的加工過程，但是由于機床轉速過高，加工過程很快就完成了，人肉眼無法觀察清楚整個過程，人靠近觀察還有可能產生一定的危險，而且耗費加工材料和刀具，針對上述情況，有限元仿真是一個較好解決該問題的方法。有限元仿真是對實際過程的近似，只要輸入正確的模擬參數，其結果與實際過程極為接近。該實驗平臺將仿真過程與實際加工過程相結合，由老師選定加工工況，通過有限元仿真的結果演示，讓學生明白加工過程是如何運作的，然后再用實際加工過程作對比，達到驗證的目的。
2.3實驗平臺建設實踐
2.3.1實驗手冊的編寫
由于金屬加工過程涉及到很多的影響因素，而且仿真計算過程花費時間過長，授課老師并不能在短短的課堂上一一呈現，因此將仿真的過程建立成為實驗手冊，分別對不同的影響因素進行仿真，由老師演示一部分，另外的部分由學生自行根據手冊進行仿真學習，在熟悉有限元軟件的過程中了解有限元解決實際問題的過程。
2.3.2助教的設立
由于有限元仿真軟件需要一定時間的學習，授課老師可能沒有時間，或者與該研究方向不相符，因此需要設立助教進行有限元軟件的操作及課堂演示視頻的制作。助教可以由研究金屬加工有限元仿真方向的研究生或者由授課老師設立專人來擔任。助教首先要熟悉有限元軟件的操作過程，然后與授課老師進行溝通，針對本科教學的授課目的，選擇具有代表性的工況進行有限元仿真，并將結果做成演示視頻等易于在課堂展示的方式。對于操作過程中遇到的問題要做到心中有數，同時做好與同學的交流工作，能夠積極回答學生的疑問。
3加工仿真技術本科生教學實踐的思考
加工過程仿真技術是對本科生在金屬切削加工教學方面的一個說明和補充，可以生動形象地說明金屬切削過程中刀具和工件相互作用的過程和機理，改變以往公式加配圖的教學方式，使整個課本“動”起來，更能激發出學生的好奇心和學習興趣，同時提升學生對加工過程仿真技術的應用，確立學生以加工過程仿真技術輔助學習的方法。由于實驗平臺建設時間較短，在整個實踐過程中仍有許多值得我們思考的地方。
3.1應用擴展
（1）有限元仿真技術對于本科生來說是一個演示說明的過程，但是對于研究生來說是進行研究的一個必不可少的手段。但是研究生有需求時常獨立進行摸索學習，效率低而且耗費時間，許多疑問也得不到解答。因此對于研究金屬加工過程的研究生來說，也可以組織起來進行有限元仿真軟件的操作教學，幫助他們快速熟悉掌握該軟件，盡快進入研究工作。
（2）通過blackboard平臺建立與學生交流的通道，可以在平臺上放置一些仿真過程的演示視頻，幫助學生進行實驗的學習，同時在平臺上建立與學生交流的通道，學生在使用仿真軟件過程中遇到的問題或者在學習上遇到的問題都可以與助教進行溝通，對于學生的要求，助教進行匯總后與授課老師合作，改進課程教學計劃，使教學過程更進一步。
3.2下一步的工作
有限元方法的優點是對過程的離散化，可將每一步清晰的表現出來，但是這也注定了有限元的求解過程比較緩慢，并不適合當場演示操作過程，只能對仿真的結果進行加工制作，制作成視頻等這些易于演示的方式，導致效率低下，不能對金屬切削加工的所有情況進行演示。針對這種情況可以發動本科學生中對有限元仿真比較感興趣的學生，或者實驗做得比較好的學生做一些特定條件下的加工仿真操作，吸收到教學演示過程中，可安排這些學生進行相應章節的講解等教學工作。Deform是一款功能強大的軟件，觀察仿真結果時還伴隨著很多的數據，這些數據并沒有在教學工作中得到很好地利用，比如切削溫度分布圖、應力應變分布圖、速度分布圖等，這些都應該加以合理的應用，融入到教學工作中來。
4結束語
加工仿真技術是以有限元仿真技術為核心，以提升學生對金屬切削加工過程的理解為目的而建立起來的，并與本科的教學工作相互補充，使學生在學習理論的基礎上對加工過程有一個清晰的認識，并提升學生對于有限元分析方法的認識，增強學生用有限元方法解決問題的能力。該課程改革仍處在探索研究階段，可以根據課程需要和教學目的的不同進行調整，在本科生教學工作中必將發揮更大的作用。
參考文獻
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關鍵詞：仿真 機械 控制
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）12-0104-01
隨著技術的進步，作為機械設計制造的仿真模擬技術得到了快速的發展，并且廣泛應用于實際當中。計算機仿真技術是以多種學科理論為指導，利用相應的軟件為工具，通過虛擬試驗的方法來解決問題的技術。隨著工程機械產品競爭日益激烈。為了提高產品質量、性能，降低開發成本。在這種需求下，以仿真技術為代表的技術成為工程領域一種現代化設計手段。運用仿真設計，建立系統的數學模型，從實際對象的物理模型出發。設置不同的激勵信號，利用相應曲線，即可對系統進行辨識。可以在產品設計設計和評估產品的性能方面，降低開發風險，縮短開發周期，提高產品性能。工程中的技術問題首先是要仿真技術在各個領域得到了廣泛的應用。
1 計算機仿真的實現
對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質，又易于被計算機處理的數學模型。數學模型將研究對象的實質抽象出來，計算機再來處理這些經過抽象的數學模型，并通過輸出這些模型的相關數據來展現研究對象的特質，當然，這種展現可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。模型是進行計算機仿真的核心。系統的數學模型根據時間關系可劃分為靜態模型、連續時間動態模型、離散時間動態模型和混合時間動態模型；根據系統的狀態描述和變化方式可劃分為連續變量系統模型和離散事件系統模型。通過這個關系還可以看出，數學建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關鍵因素。從模型這個角度出發，可以將計算機仿真的實現分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉換和模型的仿真實驗。所謂模型的轉換，即是計算機語言轉換成能夠處理的形式，“仿真模型”是新的系統，利用已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用ADSMS軟件來進行仿真。將仿真模型載入計算機進行使用。
2 計算機仿真在機械行業的應用
2.1 仿真技術
仿真技術是綜合多學科的技術，以機械系統運動學和控制理論為核心，運用成熟的計算機圖形技術將部件集成在一起，建立機械系研究的問題，根據仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統，結合系統的邊界條件和約束條件，利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統用數學的表達式描述出來，描述的內容，傳統的仿真就是針對單個子系統的仿真，而仿真技術則是強調整體的優化，它通虛擬環境的耦合，對產品設計方案進行評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優化的效果，所以子系統之間的協同求解，應該快速地建立控制系統、液壓系統、氣動系統等虛擬樣機。的運用目前市場上一批成熟的分析軟件有ANSYS、PATRAN等。運動學和動力學仿真軟件可采用ADAMS軟件。控制系統仿真軟件可采用MATLAB軟件。通過三維模型和運動學、動力學仿真軟件ADAMS中進行分析，對控制方案進行仿真。使產品設計可擺脫對物理樣機的依賴，給企業帶來高的經濟效益，高效的研發手段促使產品開發風險降低，提高生產效率，通過虛擬樣機找到組織生產，使產品制造和市場競爭方面更具靈活性，同時克服企業資源的局限性，將具有開發產品技術組成一個臨時的企業聯盟。仿真技術必將成為工程機械領域產品研發的主流。
2.2 機械加工仿真
機械加工過程，是利用計算機仿真，有助于發現其機理，為提高機械性能。在機械的磨削方面，采用時間變化的描述磨削過程的各個數學模型，通過優化和虛擬磨削創造了必要的前提，在銑削方面，建立多齒端銑切削過程動力學模型，開發切削振動仿真的微機通用軟件，得出了端銑切削振動的原理和條件。電火花加工的工藝仿真系統，實現了加工參數的優化。建立了連續擠壓的計算機仿真模型，通過模擬連續擠壓全過程的應力場、應變場和溫度場。
2.3 機構運動仿真
了解了機構需要設定的運動副情況后，進行運動仿真。新建一個運動學仿真，創建連桿，根據各部件相互運動方式需建立7個連桿，對模型的材料特性進行加載，定位每個運動副的時間函數，在一個周期內完成所有的運動。向機構添加一定的外載荷，使整個機構工作在真實的工程狀態下，機構的兩連桿之間，模擬兩個零件之間的彈性連接。根據運動驅動的形式，取料機械手采用恒定轉速驅動，采用恒轉速調速，要求必須設定運動時間和解算步數，機構做運動仿真分析時，需要詳細記錄整個仿真零件的位移距離，適當縮短機械加工產品開發周期，對于提高產品質量和性能具有積極的作用。
參考文獻
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[3]馮雅麗，李瑞濤等.虛擬樣機技術及其在深海采礦系統開發中的應用前景.2001年中國大洋礦產資源研究開發學術研討會論文集.
關鍵詞： TransCAD；VISSIM；參數標定
Abstract: in recent years, traffic simulation software in traffic engineering and traffic planning application field to be more and more widely, but domestic current use of simulation software has quite part of it was introduced from abroad, the system development background great degree of based on foreign transportation characteristics, related parameters Settings are all aimed at the local traffic condition. So in practical application, combined with the practical situation of the domestic needs of system parameters calibration and check again.
Key words: TransCAD; VISSIM; Parameter calibration
中圖分類號：U491.2,TP391.9文獻標志碼：A文章編號：
0引言
交通仿真是指用仿真技術來研究交通行為，它是一門對交通流隨時間和空間的變化進行跟蹤描述的技術。通過對交通系統的仿真研究，可以得到交通流狀態變量隨時間與空間的變化及分布規律。由于道路交通具有不可再現性和不可實驗性，或即使可以再現或實驗，卻需要付出巨大的耗費、承擔巨大的風險，而仿真技術可有效地體現交通流的隨機因素，按設想要求實現交通狀況的重現，大大降低了現場試驗要求，己成為現今分析各種交通流參數和優化交通控制等的有力工具[1]。然而，目前國內使用的很多仿真軟件都是從國外引進的，其系統開發背景較大程度上基于國外的交通特性，如果采用系統值直接進行建模分析，使得仿真結果缺乏合理性。因此在實際引進應用時，需要對系統參數加以修正。本文以TransCAD宏觀仿真軟件和VISSIM微觀仿真軟件為例，對A城市道路仿真涉及的關鍵參數進行研究。
1宏觀仿真軟件模型參數標定
宏觀交通仿真模型是對于交通流的描述是通過集聚行為來表現，能夠描述車流在路段和結點的流入流出行為，對于車輛的跟馳、換道、超車等細節行為幾乎不予描述。
1.1TransCAD簡介
TransCAD軟件是由美國Caliper公司開發專為交通規劃設計和運輸管理行業設計的地理信息系統（Geographic Information System，GIS）軟件，旨在幫助交通運輸專業人員和組織機構存儲、顯示、管理及分析交通運輸信息和數據。該軟件由網絡分析模型、交通規劃與運輸需求預測模型、路徑選擇和物流模型、分區和定位模型組成，并且可以方便地對各類交通運輸及相關數據進行存儲、提取、分析和可視化[2]。
1.2關鍵參數標定
每一個仿真軟件有一組用戶可以調節的參數，使用者可以標定這些參數產生更理想的與實際相符的交通狀況。由于任何一個仿真軟件都不可能包括所有可能影響交通運行的因素，所以仿真軟件包含一組可以調節的參數是必須的。參數標定過程，即調節包含在軟件中的待標定參數，來彌補那些軟件未考慮的因素對交通狀況的影響。本文以TransCAD的交通分布階段的摩擦因子函數和交通分配階段的路網阻抗行的參數進行標定。
1.2.1摩擦因子函數參數標定
交通分布階段常用雙約束重力模型，該模型需要對摩擦因子函數進行參數標定。摩擦因子可以采用很多不同的指標，包括出行距離、出行時間及出行費用等。摩擦因子的函數形式，也有很多種選擇。常見的是熵模型中通常用到的指數函數和反向冪函數，在城市交通規劃中推薦采用的伽馬函數。
——小區i至小區j之間的摩擦因子函數，包括三種函數，即
式中，——小區i至小區j之間的交通阻抗；
a，b，c——待標定參數。
在A城市宏觀仿真模型中，選擇伽馬函數進行參數標定，得出參數值分別為a = 1.0990322282，b = 1.2846200121，c = 0.0944300237。
1.2.2路阻函數參數標定
交通分配階段主要對路段阻抗函數進行參數標定。路段阻抗函數是描述出行時間與路段流量和最大通行能力之間的關系。BRP（Bureau of Public Road）函數是一個最常用的路段性能函數，它是將路段出行時間表達為流量與通行能力之比的函數。其函數形式為：
式中：為擁擠路段的出行時間；
為路段自由流出行時間；
為路段流量；
為路段通行能力；
，為待標定參數。
交通流調查區段需選擇距交叉口一定距離，以保證機動車連續流狀態。對于快速路主路通過交通警察的監控錄像直接獲取相應路段的交通流錄像，對于主干路和次干路則由調查人員現場錄像。主要道路調查數據如表1所示。
表1A城市主要路段高峰小時機動車交通流關鍵屬性
數據來源：《A城市綜合交通規劃》調查數據，由于路段較多，僅列出代表性數據。
在對路段阻抗函數進行參數標定之前，對BRP函數公式進行對數化處理，得
其中：，，，都是常數，可以通過表1中數據計算得到；
設，，，，則有；
即可轉化為一元回歸方程，利用最小二乘法求出待標定參數，值。
即利用公式：，即可求出，然后利用公式，，求出待標定參數，如表2所示。
表2模型標定參數值
2微觀仿真軟件模型參數標定
微觀交通仿真模型是指對交通系統的要素及行為的細節描述程度非常高，對于交通流的描述都是以單個車輛為基本單元，車輛的跟馳、換道、超車等行為都能得到較為真實的反映。
2.1VISSIM簡介
VISSIM是由德國PTV公司開發的微觀交通流仿真系統。該系統是一個離散的、隨機的、以 0. 1 s為時間步長的微觀仿真軟件。車輛的縱向運動采用了德國 Karlsruhe大學的 “心理-生理跟馳型”，橫向運動（車道變換）采用了基本規則（Rule-based）的算法[3]。
關鍵詞：城市規劃；虛擬現實技術；應用
中圖分類號：G710 文獻標識碼：A 文章編號：1003-2851（2012）04-0236-03
一、虛擬現實技術的介紹
1.什么是虛擬現實技術
隨著計算機技術的不斷發展，虛擬現實技術成為近年來計算機軟件技術的一項新興技術。由于虛擬現實技術的直觀性很強，能在電腦上進行模擬仿真，比平面圖像更能說明問題，并且更具有經濟性，即省時間由省人力，能夠廣泛的為各個領域所運用。可以說虛擬現實技術給社會發展帶來的便捷將使其能夠大顯其道，虛擬現實技術的運用也是近年來的發展方向。
虛擬現實技術按照維度虛擬程度的不同分為三維虛擬技術和全維度虛擬技術。全維度虛擬技術是目前國外在虛擬仿真領域的研究，其研究內容是使虛擬技術完全脫離三位維度而向一個全立體虛擬環境發展。中國目前運用最為廣泛的是三維虛擬技術。而三維虛擬技術的運用正是本文重點論述的內容。
三維虛擬技術屬于三維圖形技術行列。三維圖形技術分為兩大類，一是三維虛擬技術；二是三維動畫技術，兩者都用于模擬真實世界和想象世界。由于兩者的應用原理不同，其應用領域也大不相同。
三維動畫技術采用的是傳統的計算機動畫，采用關鍵幀的方式制作，先進行三維預渲染，得到了完整的三維動畫視頻之后利用播放器將動畫播放出來，所以三維動畫技術被廣泛運用于電影、廣告等預先設計好的演示。
在此我將重點論述三維虛擬技術在城市規劃領域的應用和研究，之所以以此作為論題是由于三維虛擬技術在城市規劃上的應用最為廣泛，隨著時代的不斷進步，社會對城市建設、城市規劃的要求越來越高。網絡社會的概念不斷加強，三維虛擬技術能夠更好更便捷的為我們城市規劃建設服務。這種技術適應了社會現代化的要求，使虛擬仿真技術很好地運用在城市規劃設計上，為我們的城市建設工作更加省時省力并且能更加全方位思考。在計算機平臺上進行虛擬操作可以從各個方位多個角度思考規劃方案，能從早期發現問題解決問題。
由于三維虛擬技術的虛擬仿真性，使其更多運用在城市規劃建設的工作中。這一技術的擴充性和延展性很強，通過我們的不斷研究能使其在城市建設領域以及城市建設的其他領域起到的作用不斷加大，為城市建設事業帶來更多收獲。
2.三維虛擬技術的發展歷程
三維虛擬技術屬三維行業領域。三維行業在中國的起步時間是上世紀九十年代。自98年看是到現今其經歷了一個擴張時期，這是三維行業在中國市場大放異彩。目前在中國的三維行業可以分為以下幾個分支：1、電影、廣告；2、游戲；3、電視包裝；4、城市建筑，其中以城市建筑領域的運用最早也最為廣泛。
最早的三維技術實現平臺是由美國的Autodesk公司開發的3d Studio Max軟件。此軟件是一款基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。早期的三維技術在中國建筑領域的運用由于技術原因有很大的局限性，三維技術只能實現建筑效果圖的繪制以及部分簡單的跑相機似的建筑動畫。隨著3D技術的不斷完善以及日益多元化的創作手段的出現，三維技術在建筑業所起的作用也日益增強。目前實現三維技術的主流軟件主要有：3ds Max、Maya、Softimage/XSI、Lightwave3D、Cinema4D、PRO-E、Rhino（Rhinoceros犀牛）等。由于三維技術的日益完善以及它所帶來的強大的經濟效應，三維虛擬技術的概念也日漸成熟。
三維虛擬技術是三維動畫技術的一種，與三維動畫技術的區別在于三維虛擬技術還具備三維動畫技術所沒有的實時性和交互性。三維虛擬技術是虛擬仿真技術的一種，是局限在三維空間之下的一種虛擬仿真，而虛擬仿真技術的另一種全維度虛擬仿真也被稱之為虛擬現實技術。這種技術出現在20世紀末期，它的出現引起了人們的廣泛關注。目前國外正在對此領域進行深入研究，我將在國外研究部分做出論述。
3.國內在虛擬仿真領域的研究以及存在問題
三維虛擬技術目前在建筑領域的運用有城市漫游動畫、建筑漫游動畫、房地產漫游動畫、小區瀏覽動畫、樓盤漫游動畫、三維虛擬樣板房、樓盤3D動畫宣傳片、地產工程投標動畫、建筑概念動畫、房地產電子樓書、房地產虛擬現實等動畫制作。
三維虛擬技術在我國城市規劃、城市建設的發展前景是不可估量的。由于三維虛擬技術的不斷發展，它既能帶給觀賞者身臨其境的感覺；又能模擬尚未實現或準備實施的項目的完成效果。從單一的幾何模型到復雜的動態形象，不論是道路、橋梁、隧道、立交橋、街景、夜景、景點、市政規劃、鄉村規劃、鄉村形象展示、數字化鄉村、虛擬鄉村、鄉村數字化工程、園區規劃、場館建設、機場、車站、公園、廣場、報亭、郵局、銀行、醫院、數字校園建設等都可以通過三維虛擬技術得以實現。
由三維虛擬技術和現代信息科學技術帶給中國經濟的發展空間正在不斷壯大；由它們所帶來的科技化、信息化、智能化的城市虛擬空間將成為21世紀的信息主流源。
二、虛擬現實技術在城市規劃領域的應用
1.城市規劃簡述
城市規劃指的是一個城市在一段時期內的發展計劃的設定，它研究的是一個城市在未來的一個發展動向，這其中包含了對城市地區的合理布局、城市的各項工程建設的合理部署。它是城市建設和城市管理的重要組成部分，也是城市建設和城市管理的重要依據。一個城市的三個重要管理階段是:城市規劃、城市建設和城市運行，而城市規劃則是三個管理階段中的龍頭。
2.城市規劃領域使用三維虛擬技術的必要性
在這個以知識經濟為核心的信息時代，計算機科學技術已成為全世界公認的本世紀最主要和最核心的科學技術，它已滲透到社會生活的各個方面，影響和改變著人類的思維模式和行為模式。它在城市規劃和城市建筑領域的作用更是不容小覷，隨著網絡技術的不斷發展與成熟，計算機輔助設計技術在建筑行業中的應用得到了進一步普及。
在城市規劃領域使用三維虛擬技術的必要性將從兩個方面進行：①是從城市規劃建設方面來看對三維虛擬術應用的必要；②是從城市規劃管理方面來看對三維虛擬技術應用的必要。
①是從城市規劃建設方面來看對三維虛擬技術應用的必要首先，我們必須要了解城市規劃建設在設計上的設計內容。城市建設設計內容主要有：城市宏觀設計、城市中觀設計、城市微觀設計三個層次。
城市的宏觀設計指的是對城市的格局和形態的設計，具體為城市的整體分布、城市的功能組團、環境保護、土地利用等。在設計上更加注重城市的關鍵性特征和自然景觀構成。在進行城市宏觀設計時，評估的重點是看能否創造高素質城市環境和優美的城市視野，以此來鑒定城市宏觀設計的成功與否。
城市中觀設計是指設計城市空間與城市建筑之間的關系；具體內容有：用地布局、建筑設計、地標物建設、街道分等等，也就是城市的連接度與整體性、城市的體量與高度的設計。城市中觀設計的內容與宏觀設計的內容相輔相成，是中觀設計更加注重城市的視覺質量、人工建造物的城市角度和適宜度、城市整體輪廓與體量的協調、具體環境的設計與美化等。
在計算機運用上要解決城市建設視景的要求就必須要能再計算機上感官看見以上所說的宏觀、中觀、微觀三個層次的內容，具體而言就是：一是三維地形的顯現；二是城市密度、容積率的顯現；三是大面積三維建筑的顯現。四是能速重繪畫面進行實時仿真。而針對以上的要求，三維虛擬仿真技術都能夠一一實現，文章在前面具體分析了三維虛擬技術的技術性能。并且可以看出，目前來看運用三維虛擬技術進行城市規劃設計適應了時代性和科技性的趨勢。
下面我們看看三維虛擬技術在城市規劃建設上的具體應用。
三維虛擬技術在城市規劃建設上的具體應用按地形而分可以歸為三類：一是局部地區城市設計研究；二是大范圍城市問題研究；三是區域規劃研究。
一是局部地區城市設計研究
城市設計的核心是研究建筑形體和空間要素之間的關系協調，從對城市的環境表現、具體建筑形體刻畫、整體模型處理和后續功能研發等方面來看運用三維虛擬仿真技術在制作時再合適不過了。
我們針對城市商務中心區的設計研究來具體說明問題，城市商務中心區設計是屬于典型的城市局部地區設計，由于范圍不大，我們在選擇計算機種類時可以選擇中高檔PC機進行制作。
然后，我們再根據現有照片、地形原有的平面、立面等圖紙資料進行交通設施、環境小品的建模，在三維虛擬技術環境下能夠高仿真建模，并且設置VEGA的漫游環境、添加動態模型等工作，最后將制作出的模型文件調入VEGA完成漫游。
二是大范圍城市問題研究
以新城區建設為例，新城區的建設規劃范圍更加廣泛，在建立三維仿真時重點應在規劃功能的設計開發上。
針對新城區三維仿真的主要功能應該有：方案替換、模型修改（ 高度修改、位置調整等）、矢量規劃數據疊加分析、日照陰影分析。其中還包括目前的仿真軟件無法實現在漫游過程中的動態陰影的實現。
值得慶幸的是目前國內的以遙感為基礎的仿真軟件彌補了技術上的不足，運用此軟件不僅可以實現在固定觀測點上表現建筑在不同時間陰影變化的功能，而且也能夠實現地理屬性查詢。
三是區域規劃研究
在進行區域規劃的仿真時我們將遙感應用和三維仿真技術結合運用，這樣我們就可以實現建立以衛星影像為數據的城區漫游，在數字高程模型的基礎上進行區域地區漫游的制作，這樣既不影響對區域原有面貌的觀看，又能再此基礎上進行區域建設和改造，并且能實時對比，運作時即高效又準確，這樣的技術結合給我們的城市規劃提供了直觀而又客觀的分析手段。
②是從城市規劃管理方面來看對三維虛擬技術應用的必要
三維虛擬技術已經運用到城市建設的方方面面，城市規劃作為可視化技術需求最為迫切的領域之一,虛擬現實技術在其諸多方面有著廣泛的應用和發展前景，三維虛擬技術提供了非常直觀、準確、現時性強的城市規劃資料，這為城市建設發展、提高城市管理水平、提升城市規劃設計提供了強而有力的依據。
可以說，在城市規劃領域對三維虛擬技術的應用是時代的召喚、是技術的支持，三維虛擬技術是城市建設所必不可少的關鍵性技術。
三、從上海世博會對虛擬現實技術的運用來看未來虛擬現實技術在城市規劃領域的發展
1.上海世博會網上世博簡介
2010年的上海世博會區別于往屆世博會的最大不同就是此次上海世博會運用了虛擬現實技術實現了網絡同步的網上世博會。通過2008年中國北京奧運會場館的建設，中國的建筑漫游動畫創作的發展速度越來越快，并且在國內得到了廣泛的傳播。2010年上海世博會再次使中國的建筑漫游動畫得到發展和創新的機會。世博會的主題是：“城市，讓生活更美好”，伴著世博會的推廣，中國的建筑漫游動畫引起了社會各界的廣泛重視，使其得到飛速發展。更由于此次世博會的一大亮點是首次舉辦網上世博會，通過網上媒介，全面引入互聯網的傳播方式，采用交互設計和多媒體技術等手段，這更加體現出當下互聯網的強大以及建筑動畫漫游的進步神速。
2.網上世博會的緣起與構架
網上世博會，全稱網上中國2010年上海世博會，它是指通過互聯網技術、三維技術、多媒體技術，通過虛擬和現實相結合的方式把上海世博會上展示的內容呈現于互聯網上，搭建出一個能夠進行網絡體驗和實時互動的世博會網絡平臺。網上世博會是上海世博會的重要組成部分，是實體世博會的導引、補充與延伸，是上海世博會的兩大亮點之一。
能夠實現網上世博會這樣的創舉是由于網絡科技時代的蓬勃發展以及三維數字技術的不斷進步。網絡和三位數字技術的完美結合給予上海世博會全新的展現舞臺，使全球公眾突破了時空界限，使他們能夠全面參與世博，使我們中國的上海世博會實現了真正意義上的全球化。
首屆網絡世博會的三大主要特色是：三維展示、互動體驗以及全球共建。通過網上平臺吸引全球公眾參與世博會，使無法親臨食博會現場的觀眾借由網上平臺體驗世博會的精彩以及希望將上海世博會的盛舉作為非物質文化遺產長期保留，是舉辦此界網上世博會的三大原因。
網上世博會的架構由基礎平臺和網上展館兩部分構成。基礎平臺由組織者搭建，內容包括門戶網站、網上園區、基本功能等，網上展館則分為瀏覽型和體驗型兩類展館。瀏覽館具備基本瀏覽和展示的功能，它是以實體展館為原型，通過文字、圖片、音頻、視頻、動畫等方式進行三維展示，瀏覽型展館由組織者為需要援助的參展方免費開發。體驗館是瀏覽館的增強版，瀏覽型展館在以瀏覽和展示為基本功能的基礎上，可實現其它更加豐富的功能和特效，網上參觀者可以得到更生動的互動和體驗。參展者還可以建設實體世博會中不具有的虛擬拓展空間和展項，利用更豐富的虛擬技術及手段延伸和拓展參展方網上展館所希望表達的意境和理念。二者相輔相成，完美呈現網上的世博會。
與普通網站相比，網上世博會的區別在于它能夠提供給觀眾全面的三維視覺體驗，網頁游客能夠主動操控三維圖像的角度。網上世博會的整個展示內容其中包括，世博園區、世博園片區、展館外觀、展館內景以及主要展項等都將進行三維數字化的制作。
與普通網站的最大區別在于網上世博會可以將組織者的建設內容和參展者的建設內容二者共存于一個平臺之上。也就是說網上世博會具有“全球共建”的特點。
3.三維數字化技術實現了網上世博
由于虛擬現實技術的先進性，使實體世博園區中的建筑、道路、綠化、設施等通過三維虛擬技術在網絡上實現了虛擬再現。在網上模擬的天空、云彩、太陽、燈光、裝飾、材質等效果通過CG技術在制作，使模擬效果很好地接近真實場館的場景。展現在網上游客眼中的每一個場景都是一個三維的空間，參觀者只需要通過鼠標和鍵盤操作就能夠輕松實現旋轉、升高降低的操作，在進行鳥瞰時也也可以通過放大、縮小來調整的場景范圍，獲得全方位的空間體驗。展項展示是網上世博會的有一大亮點，通過網絡，游客能夠進入場館和展項發生近距離的互動，游客可以多角度觀察或“觸摸”展項，特別是一些實體世博會現場不能觸碰的展項，在網絡上可以實現參觀者的觸碰愿望。參觀者還可以自由的旋轉縮放感興趣的物品，同時還可以通過圖片文字、動畫、FLASH等多種數字媒體形式了解到對展項的知識性介紹。不僅如此，游客可以在C/S上通過系統提供的部件，組裝個性化的展項，讓其它游客看到自己的作品，并且發表點評。
網上世博會的虛擬拓展空間可以由參展者根據自己的意念記性無限制的設計開發，由于不受現實空間的限制，參觀者可以延伸和拓展實體展館所希望表達的理念和意境，虛擬展項為參展者的主題演繹提供了進一步發揮的空間。
網上世博會由于運用了數字化技術作為包裝，它展示了數字化技術神奇的魅力，也使我們的實體世博會區別以往世博會的不同，使其大放異彩，網上世博會成為上海世博會乃至世博會歷史上的一個至高點。
四、結論和展望
從2000年的悉尼奧運會場館設計到2008年北京奧運會的成功舉辦再到2010年上海世博會的網上世博會亮點的產生，三維仿真虛擬現實技術正在朝向越來越先進的領域發展，特別是它在城市建設及城市規劃上的運用可以說是越來越廣泛，所起作用也是越來越突出。以2000年悉尼舉辦奧運會為例，悉尼在2000年時為了奧運會的順利召開以及加強對城市的推廣，悉尼市建立了全市三維仿真平臺，目的用于城市的信息服務、交通分析指揮、城市建設管理等方面，由此取得了巨大的成功。為了能夠順利申辦2008年的奧運會，加拿大的多倫多城市也使用了虛擬現實技術對城市進行管理和規劃。
在我國，北京、上海、深圳等大型城市在利用三維虛擬仿真技術運用于城市建設方面也已經取得了一定的研究成果，而利用三維虛擬仿真技術的方面是輔助城市重要地段的建設以及大范圍的城市設計研究。例如在北京商務中心區、上海浦東開發區、深圳福田中心區的規劃中均進行了城市三維仿真技術的初步嘗試，并取得了較好的效果。
三維虛擬仿真技術的主要作用在于以城市現貌為基點，融合規劃方案后模擬項目實現后的城市景觀，并且能夠進行多角度動態審視，全面評估城市設計的規劃方案，這為城市規劃建設和領導決策提供了更為直觀、可靠、科學的技術手段。
將三維虛擬仿真技術運用于城市規劃建設的優點與好處在于：
①提高了城市設計規劃方案的設計和修正效率；
②豐富了城市問題的研究角度；
③提高了城市建設項目的評估質量；
④提高了城市建設項目的管理能力及效率；
⑤提高了為市民公開展示宣傳城市形象的效果。
目前，國外虛擬仿真技術顯出其極大的優勢，國內正在迎頭趕上。從目前我國對三維虛擬仿真技術的運用而言，可以看出我國的三維仿真技術發展水平已經有相當不錯的程度。從三維仿真技術在我國城市規劃上的運用的效果來看，三維仿真技術在我國城市規劃中的應用前景是非常廣闊的，而且我們相信，三維仿真技術會使城市規劃產生技術性的革新，會極大地拓展和豐富城市規劃的工作思路。
參考文獻
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關鍵詞 城市軌道；換乘站；客流組織；仿真技術原理
引言
當前，我國城市軌道交通正從單線規劃建設進入到網絡化整體規劃建設，從整個線網協調統一、整體優化的角度考慮，在線網的交會或交叉地段處理好線間的換乘和相互聯絡等的問題必將帶來極大社會和經濟效益。軌道交通作為一個城市的公共交通的一種重要方式，乘客在旅途中換乘是不可避免的。換乘站在城市軌道交通線網中起著重要作用。它位于城市軌道交通線路的交叉點或匯合點處，其功能是把線網中各獨立運營的線路搭接起來，使線網形成一個四通八達的整體，為乘客換乘其他線的列車創造方便條件。
一、市軌道交通換乘站的概念
城市軌道交通換乘是指出行者為到達目的地，進行軌道交通問的換乘或軌道交通與其他交通方式換乘的一種行為活動。軌道交通換乘主要包括：軌道交通線路之間的換乘、軌道交通與地面公交的換乘、軌道交通與私人小汽車、自行車等交通方式的換剩。本文中的城市軌道交通換乘特指軌道交通之間的換乘。
二、大客流條件下換乘站客運組織工作
2.1換乘站布局特點
1）車站規模大：換乘站除包括各條線路的站臺、站廳外，一般還有多個地面出人口及通道、廣場等。車站內設置一套以上的行車設備、車站客運設備、車站機電和消防設備等。因此，從空間分布而言，換乘站的面積及空間體積要大于一般軌道交通車站。
2）車站設備數量大種類多：由于換乘站規模大、乘客數量多，因此使車站的設備數量大、種類多。車站連接的線路越多，設備的種類也越多、越復雜。
3）換乘流線多樣：換乘站作為交通樞紐，可選換的乘車路徑多，包括出站客流與道路公交的換乘路徑。站內不同出入口的開啟、關閉狀況直接影響換乘客流的路徑選擇。
2.2換乘站大客流特征
1）客流總量大：大型活動的召開能吸引廣大游客，春節和“黃金周”的臨近會引導客流集中分布、密集出行。城市軌道交通作為有效的公共交通方式，承擔著大部分的旅客運輸，而換乘站作為大城市交通線網上的一個重要節點，更是大客流集散、換乘的主要場所，因此客流總量顯著增加。
2）客流結構復雜：城市軌道交通換乘站在大客流情況下，客流結構中具有不同國籍、不同性別，不同年齡、不同文化程度、不同乘車習慣和對車站不同熟悉程度的各種乘客，復雜的客流結構直接影響其在換乘站的活動，進而影響車站客運組織工作。
3）客流流線的多向性：換乘站客流根據不同的作業流程可分為進站客流、出站客流、換乘客流以及社會客流，在換乘站不同的出人口、通道內形成了復雜的客流流線，具有多向性特征。
三、換乘站大客流組織的仿真方案優化的關鍵問題分析
同濟大學交通運輸工程學院研發的StaPass仿真軟件圖，通過對我國城市軌道交通乘客出行特點、習慣、環境心理等進行研究，結合城市軌道交通運營組織的基本方法和模式，將作為個體的乘客、作為載體的列車和作為平臺的車站結合起來，綜合研究乘客出行的特點和在站內的運動規律。該仿真軟件以全新的“流向設置”方式替代了傳統仿真系統“流線設置”方式，減少了人為因素的干擾，提高了仿真結果的客觀性。它已在城市軌道交通車站客流分布的研究中得到了實際應用，為車站設施的優化布置提供了依據。其具體仿真流程如下：
3.2換乘站大客流組織方案優化的關鍵問題分析
1）確定車站關鍵客流。換乘站爆發大客流時，可能會出現大量非本地乘客。他們對車站環境、布局較為陌生，而換乘站的客流流線多向，不同類型客流各自在站的運動過程差異大。哪一類型的客流滯留現象最嚴重，導致車站擁堵、流動不暢的，即為關鍵客流。
2）定位車站能力瓶頸。換乘站在已有設施情況下，車站的能力瓶頸一般為車站通行能力最小的設施設備。但車站設備的理論通行能力與實際通行能力均存在差異，站廳層和站臺層的理論安全容量值也較為粗糙。通過仿真可以發現，車站哪一區域最先開始擁堵，即為能力瓶頸環節。
3）獲取車站通行能力。本文將大型換乘站通行能力定義為在車站相關換乘設備正常使用的情況下，車站所能消化的最大換乘客流量。一般來說，車站能力的影響因素是自動扶梯、樓梯、通道、自動售檢票設備的能力，以及站廳、站臺的安全容量等。而理論分析中，如換乘通道能力、車站安全容量等是難以確定的；應用車站客流仿真系統可通過設定自動扶梯速度、繪制換乘通道流線，就能準確得到大客流發生時車站的實際消化能力。車站通行能力的理論分析與動態仿真方法的比較見表2所示。
4）優化客流組織方案。對車站已有客流組織方案進行優化改善（如加強引導，發售返程車票等），并通過仿真手段對改善方案進行校驗；對比方案改善前后結果，就能進一步檢驗改善方案的適用性與優化效果。
結束語
城市軌道交通換乘站突發大客流時，若車站客流組織工作缺乏合理的方案和車站工作重點，勢必導致行人流間斷、沖突、擁堵以及在人群密集狀況下的安全隱患。因此把握車站客流組織工作重點就顯得至關重要。所以，重視城市軌道交通換乘站大客流組織的仿真技術具有重要的意義。
參考文獻
【l】張國寶．城市軌道交通運營組織[M]．上海：上海科學技術出版社．2006．1-7，
