三维仿真论文篇（1）

电力安全培训的三维仿真系统要想真实地反映电气设备的外观结构和运行环境，就需要三维仿真系统能够展现规模庞大的现实虚拟场景，所以，在开发系统的逻辑控制程序时，就需要将三维仿真系统的整体架构分为电力仿真框架和通用三维仿真引擎两部分。在现实的操作过程中，操作人员是通过仪表设备操作控制电气设备的，而在三维仿真培训系统中，则是通过复杂的逻辑系统实现对其的控制，将现实中的电气设备和仪表转化为抽象的虚拟设备和操作逻辑。为了使各种动作状态在三维效果中显示得更加正确、合理，达到预定的视觉属性，往往需要重新组织节点名称和节点坐标。

2通用三维仿真引擎

通用三维仿真引擎的功能是达到图形渲染、交互控制和网络通信的目的。它是由资源管理、场景管理和动画系统三个子系统组成的。通用三维仿真引擎与逻辑操作无关，它主要是为了实现三维虚拟场景的重建和环境渲染。电力仿真系统与通用三维仿真引擎共同组成了一个完整的三维仿真培训系统。

二、系统实现的主要技术要求

1仿真对象和电气属性的同步

在三维虚拟环境下，为了保证虚拟对象和行为的一致性，往往需要借助事件、属性、对象的三位一体机制来实现。电气设备的虚拟设计是电力安全三维仿真培训系统的主要对象，除了颜色、缩放比例等常见的属性外，还需要对仿真对象的电气闭合状态和相关参数等重要的属性进行逻辑设计。当虚拟操作导致电气设备的闭合状态发生变化时，电气设备的相关属性就会发生变化，最终使得电气设备的参数发生变化。当信息传递到设备管理器时，就可以重新计算电网的参数来更新事件的状态。

2逻辑控制与复杂操作的对应关系

电力安全三维仿真培训系统的操作过程应当全面支持操作者的各种开放式操作行为。简单来讲，虚拟的操作逻辑应当及时地判断和反馈操作者的操作行为。开放式的操作控制逻辑与封闭式的操作控制逻辑相比，其应变能力和复杂程度都大幅提高了，在这种操作控制逻辑下，用户可以根据自己的操作习惯灵活操作，避免复杂的操作流程带来一定的操作压力。在错误的操作下，操作系统也会及时给予警告或提示，这样便可以更好地实现智能化培训的目的。

3大规模场景的情境渲染技术

由于电力安全培训的三维虚拟场景范围比较大，需要仿真对象根据培训人员的操作产生动态移动，这就要求在具体的逻辑设计中，不能把全部的仿真对象放置在同一个渲染列表中，以免影响操作过程控制。在实际设计中，可以将仿真对象分为可渲染对象和可移动对象两种。可渲染的仿真对象一般是指场景对象的模型数据，它只要求有显示的功能，而可移动仿真对象则需要能够在三维坐标中来回移动。当场景数量较大时，可以分别优化处理静态场景和动态场景。只更新动态场景的空间信息而忽略了静态场景的空间信息，不仅能够提高渲染速率，还可以有效地节约计算资源。

4三维交互模式的实现

三维交互模式的首要功能是当用户轻点三维场景中的某一个物体时，系统就可以快速地检测到该信息的传送情况，并快速反应，从而实现三维交互模式中的人机交互。三维物体是根据射线相交的原理实现的，当鼠标点击的位置发射一条平行于视线的射线与场景射线相交计算时，交点即该物体的位置标识。常用的三角形检测方式往往会占用较多的计算资源，影响定位速率。为了避免这种情况的发生，可以采取包围球体的检测方式与三角形检测方式混合使用的方法，提高检测速率。

三、三维仿真培训系统的应用

根据上面的整体架构设计和主要问题分析，可以初步实现包含场景编辑器、逻辑编辑器、地图编辑器在内的三维仿真培训系统。场景编辑器可以实现三维场景的构建功能，逻辑编辑器可以将复杂的逻辑语言转化为可视性的操作过程，实现虚拟设备的响应控制功能，而开发人员则可以通过地图编辑器实现三维场景的布置功能，并且可以及时查看编辑结果。

三维仿真论文篇（2）

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）04B-0027-03

计算机仿真是在计算机上建立形式化的数学模型，然后按一定的实验方案，利用系统的模型通过模型解算的方法来获得系统动态行为的一种研究系统的过程。计算机仿真技术是以计算机为工具，以相似原理、系统技术、控制理论、信息处理技术以及各种相关领域技术为基础，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，根据系统试验目的，建立系统模型，并在不同的条件下，对模型进行动态运行试验的一门综合性技术。随着计算机仿真技术的迅速发展，仿真技术由二维平面图形向三维虚拟现实逐步转化。三维仿真技术具有生动、形象、经济实用等优点，已广泛应用于科学研究、工业制造、交通运输、工程设计、教育培、军事、医疗等众多领域之中。

一、三维仿真技术在职业教育领域的应用

仿真教学是利用实物或计算机创设各种虚拟环境来模拟真实环境，并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行、优化等的教学方式。它的出现对职业教育的发展产生了极大的推动作用，为新的教学手段开发奠定了基础，使教学方式、方法的改革和创新成为职业教育发展的必然趋势，结合互联网使用，可以使职业技术教育实现远程学习、在线学习，突破传统职业教育依赖于硬件设备进行教学的局限，促进职业教育跃上了一个新的台阶。目前，许多职业院校充分利用现代计算机技术和仿真技术开发了三维仿真教学软件、实验或实习仿真教学系统，开展仿真教学和实验、实训操作训练，如利用数控加工仿真教学系统，可以实现学生编程刀具路径轨迹校验、检查碰撞、工件过切、程序优化等教学过程，尽可能避免未经校验的程序在实机操作过程发生碰撞等危害事故。电梯技术实训仿真教学系统可实现电梯技术中的机械、电路、传感器、变频调速、PLC 控制等技术实训的仿真教学。建立与课程相对应的仿真实验室、仿真实训室、仿真实训车间、工厂，利用仿真实训室开展单项技能训练和综合项目实训，如数控仿真实训室、三维电子导游仿真实训室、财务仿真实训室、冶金仿真实训室、变电仿真实训室等仿真实训室，使学生直观地、低成本地体验生产环境，完整地、清晰地了解生产流程和各个岗位的工作任务等。

二、三维仿真教学软件的开发方式

教育部的《教育信息化十年发展规划（2011―2020年）》明确提出：加快职业教育信息化建设，建设职业教育虚拟仿真实训基地。由此可见，虚拟仿真实训基地是专业实训基地的一个重要组成部分，职业院校要积极建设仿真实训基地等信息化教学设施，组织力量开发适合学校发展需要的仿真教学软件，以满足信息化教学的需要和专业建设的需求。三维仿真教学软件的开发通常有学校自主开发、校企合作开发、软件购置三种方式。学校组织教师自主开发虚拟仿真教学软件，主要是解决教师教学中特定的教学问题，这是提高教师信息技术水平的一个重要举措，也是解决学校信息化教学资源不足的主要途径。例如，广西机电工业学校教师自主开发的基于单片机技能大赛的三维虚拟仿真软件，仿真度高，可以根据训练项目进行编程和调试程序实训操作，包括单片机控制的机械手进行实时仿真等。校企合作开发的虚拟仿真教学软件主要是学校根据自身需要定制的产品，学校根据自身教学需要提出仿真软件系统的总体要求、技术要求、教学模块功能、产品的指标等需求，成立由学校专业教师和企业专家组成的开发小组，教师根据教学目标、教学内容、教学方法、教学认知规律和企业的岗位要求及工作过程进行教学设计，再由软件技术开发公司来负责技术实现。例如，广西机电工业学校开发的基于工作过程的模拟电路分析与制作三维仿真、地质灾害三维仿真等与教材配套、具有学校特色的教学软件。软件购置是学校根据教学需要和使用场所，购置易于实现与其他设备、软件衔接的行业中具有代表性的教学软件系统。

三、三维仿真教学软件开发的流程

教学软件是为实现特定的教学目标、实施特定的教学过程而设计开发的应用软件，教学性是它固有的属性。在开发过程中应将教学设计和软件工程二者有机结合，软件开发团队应该由职教专家和专业技术专家等组成。自主开发和校企合作开发仿真教学软件一般由分析、论证、设计、实现、测试、验收这六个阶段组成，而软件购置则省略了设计和实现这两个阶段，三维仿真教学软件开发的流程如图 1 所示。

（一）需求分析。教学软件的需求分析是保证教学软件开发质量的重要前提。其主要任务是回答“软件必须做什么”，从而确定软件开发的目标和预期效果，并在使用条件分析、软件功能分析和教学特性分析的基础上，确定软件的使用条件、教学功能、教学特性等其他方面的要求。

（二）方案论证。根据软件开发的目标和预期效果，对所要开发的软件产品现状进行比较分析，明确已有教学软件同类产品可以解决的问题和不能解决的问题。依据教学需求分析和已有产品现状分析的结论论证教学软件开发的必要性，从教学软件开发的经费、开发团队的组成及其成员的技术水平、教学功能实现的技术手段等方面论证教学软件开发的可行性，进一步确定开发软件的总目标。

（三）软件设计。为了保证教学软件的教学性、科学性和可操作性，软件设计很重要的一部分工作就是进行教学设计，围绕教学软件的教学目标、教学内容、教学策略和评价方式分别进行分析设计，确定教学软件整体框架结构，功能模块等。

（四）软件实现。软件实现是教学软件开发流程中最能体现教学软件特色的重要环节。首先要进行技术预研，选择合理的开发平台以及软件工具，然后根据软件设计的结果，围绕教学软件的界面、数据库、功能模块等详细规划。比如，对机械部件的实物原型进行三维建模、运动功能、驱动控制、外部数据接口等功能设计。最后，使用 Unity3D 软件作为开发平台，实行仿真环境的场景、环游功能和人机交互功能。具体实现步骤包括：先测量实物的实际尺寸，使用 CAD 软件绘制二维图像（.DWG 格式），然后利用二维图像在 3DsMax 软件中建立三维模型（.FBX格式），最后在 Unity3D 软件中导入三维模型，针对三维模型的碰撞检测以及人机交互功能进行代码的编写。 （五）软件测试。软件测试是确保教学软件|量的重要环节，分为单元测试、整体测试。由教育专家、技术专家、教师和学生对所开发的软件产品进行功能和效果等测试，及时发现软件产品存在的问题，再根据存在的问题和修改建议进行修改优化。

（六）评审验收。教学软件的评审验收需要专家、同行和用户三方结合进行。专家和同行的评审可以保证教学软件的教学功能和技术性功能，用户评审有利于积累教学软件的开发经验。

四、三维仿真教学软件的应用机制

仿真教学软件（系统）应用的主体是教师、学生和在职培训者。应用仿真教学软件的目的主要有三个方面：一是通过仿真教学软件的虚拟交互，使抽象内容形象化，学习活动变得生动有趣味，降低学习难度，调动学习者的学习积极性，从而提高教学效果；二是利用仿真软件开展教学，可以弥补场地、设备和师资的不足，实现理论与实践的同步教学，提高教学效率；三是利用仿真教学软件和网络搭建的平台，打破地域和时间的限制，实现网络教学和远程培训。为更好实现上述目标，必须建立相应的仿真软件运行管理机制、学习者学习机制、教师培训机制、仿真软件应用的考评机制、仿真软件使用评价机制，如图 2 所示。

（一）仿真软件运行管理机制。为教师、学生和培训者提供便捷的教学使用平台是仿真教学软件应用的基本前提，因此教学软件运行管理机制是教学软件应用中最重要的机制。经评审验收后仿真教学软件由学校信息中心或相应的部门进行集中管理，负责教学平台的运行管理和维护。相关的专业教学部门或开发部门负责开发与之对应的教材、学习指导等教学资料，并建立相应的教学平台，为仿真教学软件的应用提供基本的保障。可通过建立完善相关管理制度和明确工作职责来建设仿真教学软件运行管理机制。

（二）学习者学习机制。网络课程在线学习和远程培训的主要对象是在校学生和在职职工。可通过把学生利用网络课程学习或职工参加远程学习的情况与对应课程考核成绩挂钩的方式建立学习者的学习机制。

（三）教师培训机制。教师是仿真教学软件的主要用户之一。教师要对软件的使用方法、应用场合及其主要功能、教学性能要十分清楚，并能熟练演示和操作仿真软件，才有可能在教学实施过程中应用仿真软件进行教学。可采取企业培训、校本培训和开展相关教学教研活动的方式对教师开展培训，并建立教师学习培训跟踪考核评价制度，确保教师会用、想用，使之成为教学中不可缺少的重要手段，提高教师信息化教学应用水平。

（四）仿真教学软件应用的考评机制。教师是教学的组织实施者。要充分调动教师利用仿真软件开展课堂教学或组织实施项目的积极性，改革教学方式、方法和教学模式，（下转第38页）（上接第28页）更好地利用仿真软件辅助教学，提高教学效率和教学质量。建立教师应用仿真软件的考评机制可以从以下几个方面入手。一是将教师应用仿真软件（信息化）教学明确为工作职责之一；二是把教师应用仿真软件（信息化）教学的考评机制纳入教师学期业务考核内容；三是与教师的专业技术职务晋升挂钩，将教师运用应用仿真软件（信息化）教学的能力作为教师的岗位能力，作为资格晋升的必要条件之一；四是建立奖励制度，对教师开发仿真软件和应用仿真软件参加信息化教学比赛给予业务考核加分和物质奖励。

（五）仿真软件使用评价机制。建立有效的仿真软件使用评价机制。从教师、学生、培训者的多维角度，对软件教学功能、性能、效果和可操作性及开发水平等方面进行调查评价，在调查评价基础上分析其使用效率、使用效果、评价反馈意见等，为同类仿真教学软件的开发提供改进的依据和借鉴。

总之，教育信息化已经成为职业教育发展的必然趋势。随着计算机技术和仿真技术水平的不断提高和计算机仿真的硬件与软件成本的逐渐降低，三维仿真教学软件将不断地升级更新，更加智能化、真实化，从而使得仿真软件具有成本较低、贴近真实的工作场景、操作简单、灵活方便、维护容易、学生参与性强、互动性好、易于接受的特点，最终三维仿真教学软件将会在职业教育领域中发挥越来越重要的作用，成为新时期的重要辅助教学手段。

【参考文献】

[1]廖守亿，陈 坚，等.计算机仿真技术[M].西安：西安交通大学出版社，2015

三维仿真论文篇（3）

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）04B-0027-03

计算机仿真是在计算机上建立形式化的数学模型，然后按一定的实验方案，利用系统的模型通过模型解算的方法来获得系统动态行为的一种研究系统的过程。计算机仿真技术是以计算机为工具，以相似原理、系统技术、控制理论、信息处理技术以及各种相关领域技术为基础，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，根据系统试验目的，建立系统模型，并在不同的条件下，对模型进行动态运行试验的一门综合性技术。随着计算机仿真技术的迅速发展，仿真技术由二维平面图形向三维虚拟现实逐步转化。三维仿真技术具有生动、形象、经济实用等优点，已广泛应用于科学研究、工业制造、交通运输、工程设计、教育培、军事、医疗等众多领域之中。

一、三维仿真技术在职业教育领域的应用

仿真教学是利用实物或计算机创设各种虚拟环境来模拟真实环境，并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行、优化等的教学方式。它的出现对职业教育的发展产生了极大的推动作用，为新的教学手段开发奠定了基础，使教学方式、方法的改革和创新成为职业教育发展的必然趋势，结合互联网使用，可以使职业技术教育实现远程学习、在线学习，突破传统职业教育依赖于硬件设备进行教学的局限，促进职业教育跃上了一个新的台阶。目前，许多职业院校充分利用现代计算机技术和仿真技术开发了三维仿真教学软件、实验或实习仿真教学系统，开展仿真教学和实验、实训操作训练，如利用数控加工仿真教学系统，可以实现学生编程刀具路径轨迹校验、检查碰撞、工件过切、程序优化等教学过程，尽可能避免未经校验的程序在实机操作过程发生碰撞等危害事故。电梯技术实训仿真教学系统可实现电梯技术中的机械、电路、传感器、变频调速、PLC 控制等技术实训的仿真教学。建立与课程相对应的仿真实验室、仿真实训室、仿真实训车间、工厂，利用仿真实训室开展单项技能训练和综合项目实训，如数控仿真实训室、三维电子导游仿真实训室、财务仿真实训室、冶金仿真实训室、变电仿真实训室等仿真实训室，使学生直观地、低成本地体验生产环境，完整地、清晰地了解生产流程和各个岗位的工作任务等。

二、三维仿真教学软件的开发方式

教育部的《教育信息化十年发展规划（2011―2020年）》明确提出：加快职业教育信息化建设，建设职业教育虚拟仿真实训基地。由此可见，虚拟仿真实训基地是专业实训基地的一个重要组成部分，职业院校要积极建设仿真实训基地等信息化教学设施，组织力量开发适合学校发展需要的仿真教学软件，以满足信息化教学的需要和专业建设的需求。三维仿真教学软件的开发通常有学校自主开发、校企合作开发、软件购置三种方式。学校组织教师自主开发虚拟仿真教学软件，主要是解决教师教学定的教学问题，这是提高教师信息技术水平的一个重要举措，也是解决学校信息化教学资源不足的主要途径。例如，广西机电工业学校教师自主开发的基于单片机技能大赛的三维虚拟仿真软件，仿真度高，可以根据训练项目进行编程和调试程序实训操作，包括单片机控制的机械手进行实时仿真等。校企合作开发的虚拟仿真教学软件主要是学校根据自身需要定制的产品，学校根据自身教学需要提出仿真软件系统的总体要求、技术要求、教学模块功能、产品的指标等需求，成立由学校专业教师和企业专家组成的开发小组，教师根据教学目标、教学内容、教学方法、教学认知规律和企业的岗位要求及工作过程进行教学设计，再由软件技术开发公司来负责技术实现。例如，广西机电工业学校开发的基于工作过程的模拟电路分析与制作三维仿真、地质灾害三维仿真等与教材配套、具有学校特色的教学软件。软件购置是学校根据教学需要和使用场所，购置易于实现与其他设备、软件衔接的行业中具有代表性的教学软件系统。

三、三维仿真教学软件开发的流程

教学软件是为实现特定的教学目标、实施特定的教学过程而设计开发的应用软件，教学性是它固有的属性。在开发过程中应将教学设计和软件工程二者有机结合，软件开发团队应该由职教专家和专业技术专家等组成。自主开发和校企合作开发仿真教学软件一般由分析、论证、设计、实现、测试、验收这六个阶段组成，而软件购置则省略了设计和实现这两个阶段，三维仿真教学软件开发的流程如图 1 所示。

（一）需求分析。教学软件的需求分析是保证教学软件开发质量的重要前提。其主要任务是回答“软件必须做什么”，从而确定软件开发的目标和预期效果，并在使用条件分析、软件功能分析和教学特性分析的基础上，确定软件的使用条件、教学功能、教学特性等其他方面的要求。

（二）方案论证。根据软件开发的目标和预期效果，对所要开发的软件产品现状进行比较分析，明确已有教学软件同类产品可以解决的问题和不能解决的问题。依据教学需求分析和已有产品现状分析的结论论证教学软件开发的必要性，从教学软件开发的经费、开发团队的组成及其成员的技术水平、教学功能实现的技术手段等方面论证教学软件开发的可行性，进一步确定开发软件的总目标。

（三）软件设计。为了保证教学软件的教学性、科学性和可操作性，软件设计很重要的一部分工作就是进行教学设计，围绕教学软件的教学目标、教学内容、教学策略和评价方式分别进行分析设计，确定教学软件整体框架结构，功能模块等。

（四）软件实现。软件实现是教学软件开发流程中最能体现教学软件特色的重要环节。首先要进行技术预研，选择合理的开发平台以及软件工具，然后根据软件设计的结果，围绕教学软件的界面、数据库、功能模块等详细规划。比如，对机械部件的实物原型进行三维建模、运动功能、驱动控制、外部数据接口等功能设计。最后，使用 Unity3D 软件作为开发平台，实行仿真环境的场景、环游功能和人机交互功能。具体实现步骤包括：先测量实物的实际尺寸，使用 CAD 软件绘制二维图像（.DWG 格式），然后利用二维图像在 3DsMax 软件中建立三维模型（.FBX格式），最后在 Unity3D 软件中导入三维模型，针对三维模型的碰撞检测以及人机交互功能进行代码的编写。

（五）软件测试。软件测试是确保教学软件|量的重要环节，分为单元测试、整体测试。由教育专家、技术专家、教师和学生对所开发的软件产品进行功能和效果等测试，及时发现软件产品存在的问题，再根据存在的问题和修改建议进行修改优化。

（六）评审验收。教学软件的评审验收需要专家、同行和用户三方结合进行。专家和同行的评审可以保证教学软件的教学功能和技术，用户评审有利于积累教学软件的开发经验。

四、三维仿真教学软件的应用机制

仿真教学软件（系统）应用的主体是教师、学生和在职培训者。应用仿真教学软件的目的主要有三个方面：一是通过仿真教学软件的虚拟交互，使抽象内容形象化，学习活动变得生动有趣味，降低学习难度，调动学习者的学习积极性，从而提高教学效果；二是利用仿真软件开展教学，可以弥补场地、设备和师资的不足，实现理论与实践的同步教学，提高教学效率；三是利用仿真教学软件和网络搭建的平台，打破地域和时间的限制，实现网络教学和远程培训。为更好实现上述目标，必须建立相应的仿真软件运行管理机制、学习者学习机制、教师培训机制、仿真软件应用的考评机制、仿真软件使用评价机制，如图 2 所示。

（一）仿真软件运行管理机制。为教师、学生和培训者提供便捷的教学使用平台是仿真教学软件应用的基本前提，因此教学软件运行管理机制是教学软件应用中最重要的机制。经评审验收后仿真教学软件由学校信息中心或相应的部门进行集中管理，负责教学平台的运行管理和维护。相关的专业教学部门或开发部门负责开发与之对应的教材、学习指导等教学资料，并建立相应的教学平台，为仿真教学软件的应用提供基本的保障。可通过建立完善相关管理制度和明确工作职责来建设仿真教学软件运行管理机制。

（二）学习者学习机制。网络课程在线学习和远程培训的主要对象是在校学生和在职职工。可通过把学生利用网络课程学习或职工参加远程学习的情况与对应课程考核成绩挂钩的方式建立学习者的学习机制。

（三）教师培训机制。教师是仿真教学软件的主要用户之一。教师要对软件的使用方法、应用场合及其主要功能、教学性能要十分清楚，并能熟练演示和操作仿真软件，才有可能在教学实施过程中应用仿真软件进行教学。可采取企业培训、校本培训和开展相关教学教研活动的方式对教师开展培训，并建立教师学习培训跟踪考核评价制度，确保教师会用、想用，使之成为教学中不可缺少的重要手段，提高教师信息化教学应用水平。

（四）仿真教学软件应用的考评机制。教师是教学的组织实施者。要充分调动教师利用仿真软件开展课堂教学或组织实施项目的积极性，改革教学方式、方法和教学模式，（下转第38页）（上接第28页）更好地利用仿真软件辅助教学，提高教学效率和教学质量。建立教师应用仿真软件的考评机制可以从以下几个方面入手。一是将教师应用仿真软件（信息化）教学明确为工作职责之一；二是把教师应用仿真软件（信息化）教学的考评机制纳入教师学期业务考核内容；三是与教师的专业技术职务晋升挂钩，将教师运用应用仿真软件（信息化）教学的能力作为教师的岗位能力，作为资格晋升的必要条件之一；四是建立奖励制度，对教师开发仿真软件和应用仿真软件参加信息化教学比赛给予业务考核加分和物质奖励。

（五）仿真软件使用评价机制。建立有效的仿真软件使用评价机制。从教师、学生、培训者的多维角度，对软件教学功能、性能、效果和可操作性及开发水平等方面进行调查评价，在调查评价基础上分析其使用效率、使用效果、评价反馈意见等，为同类仿真教学软件的开发提供改进的依据和借鉴。

总之，教育信息化已经成为职业教育发展的必然趋势。随着计算机技术和仿真技术水平的不断提高和计算机仿真的硬件与软件成本的逐渐降低，三维仿真教学软件将不断地升级更新，更加智能化、真实化，从而使得仿真软件具有成本较低、贴近真实的工作场景、操作简单、灵活方便、维护容易、学生参与性强、互动性好、易于接受的特点，最终三维仿真教学软件将会在职业教育领域中发挥越来越重要的作用，成为新时期的重要辅助教学手段。

【参考文献】

[1]廖守亿，陈 坚，等.计算机仿真技术[M].西安：西安交通大学出版社，2015

[2]郝丽娜，刘兴刚.计算机仿真技术及CAD[M].北京：高等教育出版社，2009

[3]周志明.企业远程培训系统应用机制建设思考[J].中国成人教育，2014（1）

三维仿真论文篇（4）

计算机仿真是在计算机上建立形式化的数学模型，然后按一定的实验方案，利用系统的模型通过模型解算的方法来获得系统动态行为的一种研究系统的过程。计算机仿真技术是以计算机为工具，以相似原理、系统技术、控制理论、信息处理技术以及各种相关领域技术为基础，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，根据系统试验目的，建立系统模型，并在不同的条件下，对模型进行动态运行试验的一门综合性技术。随着计算机仿真技术的迅速发展，仿真技术由二维平面图形向三维虚拟现实逐步转化。三维仿真技术具有生动、形象、经济实用等优点，已广泛应用于科学研究、工业制造、交通运输、工程设计、教育培?、军事、医疗等众多领域之中。

一、三维仿真技术在职业教育领域的应用

仿真教学是利用实物或计算机创设各种虚拟环境来模拟真实环境，并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行、优化等的教学方式。它的出现对职业教育的发展产生了极大的推动作用，为新的教学手段开发奠定了基础，使教学方式、方法的改革和创新成为职业教育发展的必然趋势，结合互联网使用，可以使职业技术教育实现远程学习、在线学习，突破传统职业教育依赖于硬件设备进行教学的局限，促进职业教育跃上了一个新的台阶。目前，许多职业院校充分利用现代计算机技术和仿真技术开发了三维仿真教学软件、实验或实习仿真教学系统，开展仿真教学和实验、实训操作训练，如利用数控加工仿真教学系统，可以实现学生编程刀具路径轨迹校验、检查碰撞、工件过切、程序优化等教学过程，尽可能避免未经校验的程序在实机操作过程发生碰撞等危害事故。电梯技术实训仿真教学系统可实现电梯技术中的机械、电路、传感器、变频调速、PLC 控制等技术实训的仿真教学。建立与课程相对应的仿真实验室、仿真实训室、仿真实训车间、工厂，利用仿真实训室开展单项技能训练和综合项目实训，如数控仿真实训室、三维电子导游仿真实训室、财务仿真实训室、冶金仿真实训室、变电仿真实训室等仿真实训室，使学生直观地、低成本地体验生产环境，完整地、清晰地了解生产流程和各个岗位的工作任务等。

二、三维仿真教学软件的开发方式

教育部的《教育信息化十年发展规划（2011―2020年）》明确提出：加快职业教育信息化建设，建设职业教育虚拟仿真实训基地。由此可见，虚拟仿真实训基地是专业实训基地的一个重要组成部分，职业院校要积极建设仿真实训基地等信息化教学设施，组织力量开发适合学校发展需要的仿真教学软件，以满足信息化教学的需要和专业建设的需求。三维仿真教学软件的开发通常有学校自主开发、校企合作开发、软件购置三种方式。学校组织教师自主开发虚拟仿真教学软件，主要是解决教师教学中特定的教学问题，这是提高教师信息技术水平的一个重要举措，也是解决学校信息化教学资源不足的主要途径。例如，广西机电工业学校教师自主开发的基于单片机技能大赛的三维虚拟仿真软件，仿真度高，可以根据训练项目进行编程和调试程序实训操作，包括单片机控制的机械手进行实时仿真等。校企合作开发的虚拟仿真教学软件主要是学校根据自身需要定制的产品，学校根据自身教学需要提出仿真软件系统的总体要求、技术要求、教学模块功能、产品的指标等需求，成立由学校专业教师和企业专家组成的开发小组，教师根据教学目标、教学内容、教学方法、教学认知规律和企业的岗位要求及工作过程进行教学设计，再由软件技术开发公司来负责技术实现。例如，广西机电工业学校开发的基于工作过程的模拟电路分析与制作三维仿真、地质灾害三维仿真等与教材配套、具有学校特色的教学软件。软件购置是学校根据教学需要和使用场所，购置易于实现与其他设备、软件衔接的行业中具有代表性的教学软件系统。

三、三维仿真教学软件开发的流程

教学软件是为实现特定的教学目标、实施特定的教学过程而设计开发的应用软件，教学性是它固有的属性。在开发过程中应将教学设计和软件工程二者有机结合，软件开发团队应该由职教专家和专业技术专家等组成。自主开发和校企合作开发仿真教学软件一般由分析、论证、设计、实现、测试、验收这六个阶段组成，而软件购置则省略了设计和实现这两个阶段，三维仿真教学软件开发的流程如图 1 所示。

（一）需求分析。教学软件的需求分析是保证教学软件开发质量的重要前提。其主要任务是回答“软件必须做什么”，从而确定软件开发的目标和预期效果，并在使用条件分析、软件功能分析和教学特性分析的基础上，确定软件的使用条件、教学功能、教学特性等其他方面的要求。

（二）方案论证。根据软件开发的目标和预期效果，对所要开发的软件产品现状进行比较分析，明确已有教学软件同类产品可以解决的问题和不能解决的问题。依据教学需求分析和已有产品现状分析的结论论证教学软件开发的必要性，从教学软件开发的经费、开发团队的组成及其成员的技术水平、教学功能实现的技术手段等方面论证教学软件开发的可行性，进一步确定开发软件的总目标。

（三）软件设计。为了保证教学软件的教学性、科学性和可操作性，软件设计很重要的一部分工作就是进行教学设计，围绕教学软件的教学目标、教学内容、教学策略和评价方式分别进行分析设计，确定教学软件整体框架结构，功能模块等。

（四）软件实现。软件实现是教学软件开发流程中最能体现教学软件特色的重要环节。首先要进行技术预研，选择合理的开发平台以及软件工具，然后根据软件设计的结果，围绕教学软件的界面、数据库、功能模块等详细规划。比如，对机械部件的实物原型进行三维建模、运动功能、驱动控制、外部数据接口等功能设计。最后，使用 Unity3D 软件作为开发平台，实行仿真环境的场景、环游功能和人机交互功能。具体实现步骤包括：先测量实物的实际尺寸，使用 CAD 软件绘制二维图像（.DWG 格式），然后利用二维图像在 3DsMax 软件中建立三维模型（.FBX格式），最后在 Unity3D 软件中导入三维模型，针对三维模型的碰撞检测以及人机交互功能进行代码的编写。

（五）软件测试。软件测试是确保教学软件?|量的重要环节，分为单元测试、整体测试。由教育专家、技术专家、教师和学生对所开发的软件产品进行功能和效果等测试，及时发现软件产品存在的问题，再根据存在的问题和修改建议进行修改优化。

（六）评审验收。教学软件的评审验收需要专家、同行和用户三方结合进行。专家和同行的评审可以保证教学软件的教学功能和技术性功能，用户评审有利于积累教学软件的开发经验。

四、三维仿真教学软件的应用机制

仿真教学软件（系统）应用的主体是教师、学生和在职培训者。应用仿真教学软件的目的主要有三个方面：一是通过仿真教学软件的虚拟交互，使抽象内容形象化，学习活动变得生动有趣味，降低学习难度，调动学习者的学习积极性，从而提高教学效果；二是利用仿真软件开展教学，可以弥补场地、设备和师资的不足，实现理论与实践的同步教学，提高教学效率；三是利用仿真教学软件和网络搭建的平台，打破地域和时间的限制，实现网络教学和远程培训。为更好实现上述目标，必须建立相应的仿真软件运行管理机制、学习者学习机制、教师培训机制、仿真软件应用的考评机制、仿真软件使用评价机制，如图 2 所示。

（一）仿真软件运行管理机制。为教师、学生和培训者提供便捷的教学使用平台是仿真教学软件应用的基本前提，因此教学软件运行管理机制是教学软件应用中最重要的机制。经评审验收后仿真教学软件由学校信息中心或相应的部门进行集中管理，负责教学平台的运行管理和维护。相关的专业教学部门或开发部门负责开发与之对应的教材、学习指导等教学资料，并建立相应的教学平台，为仿真教学软件的应用提供基本的保障。可通过建立完善相关管理制度和明确工作职责来建设仿真教学软件运行管理机制。

（二）学习者学习机制。网络课程在线学习和远程培训的主要对象是在校学生和在职职工。可通过把学生利用网络课程学习或职工参加远程学习的情况与对应课程考核成绩挂钩的方式建立学习者的学习机制。

（三）教师培训机制。教师是仿真教学软件的主要用户之一。教师要对软件的使用方法、应用场合及其主要功能、教学性能要十分清楚，并能熟练演示和操作仿真软件，才有可能在教学实施过程中应用仿真软件进行教学。可采取企业培训、校本培训和开展相关教学教研活动的方式对教师开展培训，并建立教师学习培训跟踪考核评价制度，确保教师会用、想用，使之成为教学中不可缺少的重要手段，提高教师信息化教学应用水平。

三维仿真论文篇（5）

1、论文研究背景及意义

近多年来，由于计算机及网络相关技术的迅猛发展，世界经济发展的必然趋势就是数字化，数字城市也逐渐引起了人们的注意。那么怎样应用计算机技术来构建数字城市，近而实现城市的数字化已经引起城市规划及管理人员和城市居民的共同关注。城市仿真技术在构造数字城市过程中发挥着非常重要的作用，因此成为当前一个新的研究热点。仿真(Simulation)技术是利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形界面，使之在感知行为的逼真体验中获得直接参与和探索仿真技术对象在所处环境中的作用和变化。城市仿真(Urban Simulation)技术就是仿真技术在城市规划、建筑设计等领域中的应用，表现为人机交互、真实建筑空间感与大面积三维地形仿真，即交互式实时三维(Interactive Realtime 3D)。采用虚拟现实技术构造出来的城市视景仿真系统是数字地球的重要组成部分和支撑手段，已经被广泛应用在城市的规划、建设以及管理当中，对于城市发展规划的各个方面都具有相当重要的意义。

2、国内、外的视景仿真工具

MultiGen-Paradigm公司的MultiGen Creator的各版本三维建模软件是世界上流行的实时三维数据库生成系统的软件环境，在仿真系统中得到广泛的应用。Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的世界领先的软件环境。Urbansim是基于城市交通需求模拟分析和城市土地综合分析的新型城市发展仿真软件。MagicCity属于WinTel架构基础上的虚拟现实和视景仿真系统。我国在视景仿真系统开发的同时，也在进行仿真系统软件平台的开发。TrueSim v2.0 三维实时仿真软件平台是深圳市创想科技发展有限公司在综合了国内外多项最新三维仿真技术的研究成果以及多年来从事三维仿真研究所积累的多种经验的基础之上推出的具有自主知识产权的仿真平台。神州视景信息技术有限公司自主研发了“基于普通PC和Internet的大规模场景实时漫游引擎系统――SCVR”。 Virtools是一个实时三维虚拟现实编辑软件，可将多种常用文件格式（三维模型、二维图表、声音等）整合到一起，并具备交互功能，能够开发出电脑游戏、建筑仿真、交互娱乐等多种3D产品。

3、本文的研究目的及重要内容

本文通过研究虚拟现实视景仿真技术的相关知识，实现以我们学院校园为虚拟环境的视景漫游系统。通过对虚拟场景的构建，能够实现视景漫游中的自动漫游和交互漫游等效果。本系统应用建筑草图大师Sketchup和MultiGen Creator软件工具来构建虚拟场景中地形及建筑物的三维模型，并建立道路、树木、路灯等虚拟景物，借助Vega Prime软件平台和工具集对校园虚拟场景进行仿真，在VC++开发平台下实现三维景观及模型的交互式（以鼠标、键盘等交互方式）控制，实现了虚拟校园景观的视景仿真漫游系统。

本文主要研究内容和所做工作总结如下：

(1)了解视景漫游技术以及虚拟现实的发展，对国内外虚拟现实技术应用现状进行调研。

(2)对黑龙江农垦科技职业学院的视景环境数据进行搜集和整理，包括地形数据的获取、建筑物数据的获取、纹理数据的获取等等。

(3)研究用虚拟现实建模软件Sketchup、Creator以及三维建模技术、模型真实感技术以及模型优化技术等对地形、道路、教学楼和图书馆等建筑以及校园之中的花草树木等进行建模，构建出虚拟场景模型库，然后用视景漫游软件Vega Prime和VC++对虚拟场景进行漫游和交互控制。

(4)研究模型数据库建模和优化技术问题，模型数据库的建构、调整和优化对提高实时仿真系统中运行的速度和流畅性起着至关重要的作用，成为目前重要的研究课题。

(5)碰撞检测技术。开发虚拟现实仿真系统有一个主要目标就是能够让用户以尽可能接近自然的方式与构建的虚拟场景中的物体直接进行交互。要实现自然的、精确的人机交互功能首先要解决的是碰撞检测的问题。碰撞检测是虚拟场景中动态物体与静态物体之间或动态物体与动态物体之间进行交互的基础。在碰撞检测中有两个问题需要解决，一是检测到碰撞的发生和碰撞的位置，二是计算碰撞后的反应。而碰撞检测是计算碰撞反应的先决条件，因此，碰撞检测是虚拟环境中一个必不可少的部分。

(6)为保证虚拟场景的真实性、生动性及其对用户的感染力，对基于粒子系统的虚拟场景环境特效技术进行研究。

校园视景仿真就是在计算机环境中对真实校园的景观进行虚拟再现，采用虚拟现实相关技术，生成一个实时的、能给用户各种真实感受的三维虚拟环境。利用计算机软硬件及其相关输入输出设备，使用户可以在虚拟的校园场景中进行浏览和交互漫游，感受校园中的风景。利用这种方法可以让更多的人来了解我们的学校，对本校园的环境及交通现状等方面有更深刻的认识。

三维仿真论文篇（6）

Abstract: This paper from the basic concept and the significance of the development of 3D simulation technology, 3D platform to establish Shaoguan surveying and Mapping Institute as an example, the auxiliary city planning decision using three-dimensional simulation technology, can be in the city of real-time interactive scene simulation evaluation and analysis plan, provide more intuitive and scientific basis for planning management. In the application of engineering to promote the 3D simulation technology, how to build a good standard, database and platform system and discusses in detail to have great influence on the overall operating structure, construction method of updating maintenance measures and other supporting mechanism. Finally, several typical cases to illustrate the practical application of 3D simulation technology application in city planning work.

中图分类号：U412.1+2 文献标识码：A 文章编号：

1.引言

近年来，三维及相关技术得到了讯速发展，过去无法突破的城市复杂性描述、海量信息管理等技术瓶颈相继被攻克，计算机硬件不断提高，以虚拟现实技术、三维展示技术为核心的内容的技术得到快速发展。

三维仿真技术在规划中的应用主要是通过对城市地形、建筑及其它人工设施进行三维地理建模，形成覆盖全市的数字城市立体场景，同时结合虚拟仿真等技术，实现城市的三维可视化管理，是提高城市规划编制技术水平，实现科学规划的有效手段，是推进“数字城市”、“和谐城市”建设，实现公共事务可视化管理的基础保障，可以促进经济社会的全面可持续发展。

2.基本概念和意义

城市三维仿真是城市空间信息在计算机环境中的三维直观表达，是数字城市概念城市规划、建设、管理领域的延伸，同时也是数字城市建设的重要基础内容。城市三维仿真技术在规划中的应用前景主要有以下几个方面：

⑴ 完善韶关市数字化规划控制体系，实现城市规划精细化管理

实现从总规-控规-修规的全面三维数字化控制目标，在以往基于控规的城市规划统一管理平台的基础上进一步细化、深化和优化规划管理工作，使韶关市城市规划管理进入精细化管理阶段。

⑵ 创新规划理念和技术方法，提高规划编制的科学水平

利用三维数字城市、GIS等信息化技术，为规划编制过程中的信息采集、指标分析、方案决策、成果展示等工作提高新方法，实现控规编制的技术方法信息化和过程管理信息化，体现规划编制“科学性”、“过程性”、“动态性”特点。

⑶ 实现城市规划可视化管理，迈入规划管理数字化时代

城市三维仿真技术将全面突破传统二维空间系统诸多限制，建成三维全景数字规划支持系统，为有关领导和管理部门对城市规划、建设、管理的重大问题决策，提供准确、实时的信息支撑及直观、真实的可视化和互动操作环境。

3.工作内容及应用

韶关城市规划三维辅助决策支持系统利用三维仿真技术建立城市三维虚拟环境，在城市规划、建设的各阶段进行城市现状及规划的三维模拟描述，为决策者提供直观、科学、准确的城市规划宏观决策支持，满足规划业务审批管理的应用、成果的展示及规划方案管理和评审的需要。

韶关城市规划三维辅助决策支持系统项目主要包含软件和三维数据建模两方面的工作。项目共投入280万，计划在三年内完成。2011年6月开始进行系统开发和三维建模，2013年5月份，系统主要体系结构开发完成，并完成韶关主建城区三维模型数据生产制作。

（1） 数据建设内容

数据建设主要包括数据标准制定和三维数据建模两部分。

制定数据标准和技术规范是实现系统互联互通、资源共享的重要基础工作，也是后期数据更新、管理、维护的依据。数据标准建设主要包括：三维数据采集与制作标准、三维数据更新规范。

三维数据建模是系统建设的基础，以及各种应用和分析的依据。初次项目建设覆盖范围为主城区50平方公里的基础模型建设工作（建筑物约有30平方公里）：其中包括约15平方公里的精细模型、10平方公里的标准模型、50平方公里的地形及市政配件模型。

（2）系统特色及基础功能

体现三维场景的美观和真实性；是一套安全、可靠、稳定，功能强大的系统。在应用于实际规划工作中，发挥辅助决策作用，系统的布局合理、操作简便。可进行场景浏览漫游、重点导航、路径导航、图层控制、场景输出等。三维数据应用广泛，可广泛应用于规划、市政、城管、公安、交通、旅游、房产等行业领域。

（3）城市规划辅助决策

提供直观的三维可视化环境；提供多种空间数据、规划专题数据的叠加分析功能；三维辅助设计、建筑信息查询。规划地块查询、用地红线查询、空间量测、地形分析、规划辅助分析。方案比对、日照分析、控高分析，视域分析、通视分析、指标分析，三维标注、图形绘制、路网绘制、规划元素库、三维模型库，管网查看、管网查询、管网统计、管网分析等。4.在城市规划中的应用实例

（1）规划方案对比分析

利用虚拟的三维场景，使城市的规划工作不在于仅仅建立在平面图上做规划，三维的场景模型使规划变得更简单直观。一般人都能参与到城市的规划中去。如某个小区的三旧改造工程，通过三维仿真模型，规划前后的场景就一目了然了，为设计者提供了思路。规划前后的场景如图1所示：

图1

（2）日照分析的功能

在城市建筑规划设计时，日照分析是必不可少的一个环节。通过对待规划建筑物的高度、形状进行模拟，应用TerraExplorer Pro 提供的接口，在系统中很容易就继续日照分析。如在城市的某个小区旁欲修建一座建筑物，建筑物对小区附近的楼房的日照影响分析情况如图2、3所示：

图2建筑物上午八点钟的日照情况

图3建筑物下午15点钟的日照情况

（3）地下管线信息的查询功能

在旧城区的改造中，决策者需了解地下管线的状况。可以直接三维系统中反应出来，如图4所示：

图4

（4）建筑信息的查询功能

将前期测绘的建筑物数据属性信息输入数据库中，使用户点击具体的建筑物时能够显示其详细的属性信息，在表达上更加直观。如图5所示：

图5

5.结语

三维仿真技术能够促进规划工作从“定性分析”到“定量分析”，从“平面规划”向立体规划“的转变，实现城市规划的精细化、科学化管理。三维仿真技术的应用，明显的提高规划审批的效率和方案设计的科学科学性，避免了传统规划评审采用大量设计文稿的方式，极大提高了设计单位、业主单位和管理单位的沟通效率，协调了与周围建筑群的空间、色彩、材料，有利于体现城市的特点，促进城市的可持续发展。

参考文献：

[1]彭一刚著，建筑空间组合论，北京；建筑工业出版社，2008.

三维仿真论文篇（7）

中图分类号：U464.149文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.06.05

碳罐是属于汽油蒸发控制系统（EVAP）的一部分，该系统是为了避免发动机停止运转后燃油蒸汽逸入大气而引入的。自1995年起，我国规定所有新出厂的汽车必须具备此系统。在整个汽油蒸发控制系统中，活性碳罐具有至关重要的作用。其主要工作原理为：当发动机不工作时，汽油箱内的燃油蒸汽进入碳罐，在碳罐内部被活性碳吸附并储存起来；当发动机起动后，由于进气歧管的负压作用使脱附口的电磁阀打开，同时碳罐内所储存的汽油蒸汽与大气口所进的空气一起进入缸内并燃烧，从而可在降低汽车蒸发排放的同时降低油耗[1]。当前，在部分小型车上，碳罐的安装方式是在车的大梁上开孔安装，这样对车身的强度势必造成影响，而对车身强度影响的大小主要取决于大气口孔径。因此本文根据工程项目实际要求在满足碳罐性能的前提下，通过尽量减小碳罐大气口的孔径从而尽可能地降低碳罐安装时对车身强度的影响。

目前，国内对于碳罐的研究一般都是通过试验研究与经验相结合来使碳罐满足相关行业的要求，但传统的试验费时费力。随着计算机处理能力的增强，利用计算机进行数值模拟的方法，可以较快地得到碳罐内部流场的速度、压力、流动迹线等分布的具体情况，为碳罐的性能分析和改进设计提供了很好的依据，可以大大缩短开发的周期，降低研究成本，提高开发效率[2]。此外，国外也曾采用计算流体力学进行过碳罐内部流场的模拟，并得到了碳罐内部的流场分布，但据查阅的相关文献未曾结合具体的项目进行过相关研究[3-4]。

本文根据项目实际要求，首先结合碳罐的相应国家标准要求以及进行的相应稳态试验所得数据进行理论计算，得出该要求下大气口孔径可修改的极限尺寸；再通过FLUENT采用多孔区域模型进行碳罐的三维流动仿真以验证在该极限尺寸下碳罐能否满足其它要求；最后将试验数据、理论计算以及CFD仿真三者结合，进行通大气口孔径尺寸可修改范围研究，得出碳罐大气口孔径的可修改范围，并证明三维CFD仿真在碳罐研发中的可行性。

1 试验方法及理论计算

某型号碳罐结构如图1所示。

1.1 试验方法

试验是通过该型号碳罐生产商采用空气压缩机从吸附口充入空气，堵住脱附口，使空气从通大气口流出，采用流量传感器分别测量流过大气口和吸附口的空气流量，并调整流量控制阀，使流量稳定在10?L/min，再通过压差传感器测量吸附口与通大气口两端的压差，试验如图2所示。

试验测得数据如下（本文涉及压力均为表压）。

空气压缩机所提供的压力为0.7?MPa，两端空气流量均稳定为10?L/min，在未修改孔径时吸附口与通大气口压差由压差传感器可测得为0.6??kPa。

1.2 理论计算

由国家环境保护总局2007年的汽油车燃油蒸发污染物控制系统技术要求中对碳罐的通气阻力、吸脱附性能等都有明确规定。其中国家标准要求为：

（1）空气从碳罐的吸附口流入，从大气口流出，脱附口堵住。当流量稳定在10?L/min时，吸附口和大气口的压力差不大于0.98 kPa。

（2）同时还应保证碳罐在车辆使用生命周期内正常脱附负压下（10～101 kPa）吸附口内部压力（负压绝对值）不大于 6 kPa。

这两点主要是用来限制通大气口的孔径不能太小,其中第2点涉及到碳罐内部压力的求取，但是由于计算量较大，普通方法难以求得吸附口内部的压力，因此本文根据要求中第1点结合试验测得的数据先进行理论计算，得出该要求下的极限尺寸，再结合CFD仿真计算求得在该极限尺寸下是否满足第2点要求。主要理论计算过程如下。

该过程中由于空气是可压缩的，所以应采用可压缩气体流动的伯努利方程进行计算，计算过程如下[5] 。

据可压缩流体的伯努利方程

，

式中：空气绝热系数k=1.4 ； P 为压力，Pa；ρ为该压力与温度下空气密度，kg/m3；V为流动速度 ，

m/s；C为常数。查空气在不同温度和压力下的密度表得空气密度ρ为8.253 kg/m3（T=300?K），由试验数据知压差P1-P2=600?Pa，其中P1为吸附口压力，P2为大气口压力。

根据已知的进出口截面参数可知：

吸附口截面积 A1=1.134×10-7?m2 ；

大气口截面积 A2=1.246?3×10-8?m2 。

所以，吸附口空气流速

，

大气口空气流速

．

根据能量守恒方程，将上述所求的参数代入下式。

，

式中：hf是沿程能量损失，其它参数同式（1）。

通过式（4），将试验测得的压差600?Pa代入，可以求出在原尺寸下的沿程能量损失hf=319.19，再根据国家标准要求P1-P2＜980?Pa，故将P1-P2=980?Pa代入式（4）可求出极限的大气口空气流速

V3＜14.3?m/s．

将V3代入式（3），可得极限截面积从而求出极限直径

d＞3.85?mm．

所以根据试验的数据以及理论计算的结果可以得出结论：据要求中第1点，该大气口的孔径可以在3.85～12.7?mm之间选取。

2 三维模型建立及边界条件设置

由于上述理论计算仅针对国家标准中的第1项要求进行计算，要进一步验证上述理论计算所得的极限尺寸是否能够满足国家标准中的所有要求则需进行进一步的仿真计算。其中碳罐三维模型采用PROE建模，具体过程在此不详细介绍。采用gambit导入三维模型并划分六面体混合网格，总计网格单元数为960?582个。将所生成的网格文件导入FLUENT中进行分析，其中活性碳及无纺布区域设置为多孔区域，吸附过程时分别设置吸附口为速度入口，通大气口为压力出口，因为脱附口是堵住的所以设置为壁面。脱附过程时则设置通大气口为压力入口，脱附口为压力出口，吸附口堵住设置为壁面，由于不考虑吸脱附过程中空气分别与碳粉和碳罐壳体之间的热交换，壁面设置为绝热，壁面边界采用固壁条件。流体材料选取空气[6-7]。

活性碳区域采用多孔区域进行设置，由该型号活性碳的物性表查得活性碳孔隙率为0.3，粒子直径平均值为1.6?um。根据下面公式可以计算[8]。

，

，

式中：为粘性阻力系数；DP为粒子直径，um；

为孔隙率；C2为惯性阻力系数。

代入参数计算可得粘性阻力系数设为8.26e+08，惯性阻力系数设为45?400。

无纺布区域也采用多孔介质类型，孔隙率以及阻力系数分别采用经验值，其中孔隙率设为0.7，粘性阻力系数和惯性阻力系数分别设置为10?000和1?000[4] 。

3 三维仿真结果分析

3.1 原尺寸吸附过程

原大气口的孔径为12.7?mm，吸附过程流域的压力分布如图3所示。

由图3可看出，压力梯度分布明显，在通大气口处压力接近大气压（0?Pa），吸附口处表压为571.08?Pa，因此吸附口与大气口压差为571.08?Pa，与所提供的试验数据600?Pa相接近。同时也证明仿真结果与实际较吻合。

图4、图5、图6分别为脱附口、吸附口、通大气口截面的压力分布云图，图7为中心截面速度分布矢量图。

由图4-图7可以看出，各流通截面的压力分布梯度非常明显，说明仿真结果较为合理。同时仿真所得的结果为571?Pa比实际的压力600?Pa要小一些，这是因为在仿真过程中忽略了一些内部的阻力因素如活性碳托板、弹簧、内部传热及摩擦损失等。速度分布在吸附口处最大为14.7?m/s，通大气口处速度较大接近1.1?m/s，流场内其它区域的流速都不高，碳粉区域的流速很低，这些数据都与实际测得的以及计算所得的数据具有很好的一致性。结果表明，该仿真结果可以较好地仿真碳罐内部的流动及速度和压力分布情况，且具有较高的准确性。

3.2 极限尺寸吸附过程

根据计算所得的极限尺寸进行仿真验证，即大气口孔径取极限值3.9?mm时，吸附过程流域的压力分布如图8所示，?速度分布如图9所示。

由图8和图9可以看出，大气口压力为大气压，吸附口处压力为917.50?Pa，压力差为917.50?Pa，整个碳罐内部流场区域的压力分布比较均匀，具有明显的压力梯度。速度分布在吸附口处最大为14.7?m/s，通大气口处速度较大接近13.6?m/s，流场内其它区域的流速都不高，碳粉区域的流速很低。上述仿真结果与计算结果接近而且与理论分析的变化趋势符合，因此可以较准确地得出碳罐修改大气口孔径后的内部流场特性，同时吸附口和大气口的压差为917.50?Pa小于980?Pa，满足国家标准。

3.3 极限尺寸脱附过程

针对要求中第2点，通大气口孔径取极限值3.9?mm时，分别在工作压力为10?kPa和101?kPa时进行脱附过程仿真，所得的压力云图如图10和图11所示。

由图10可以看出，在脱附过程中，当工作压力为10?kPa时，即在脱附口处压力为-10?000?Pa，仿真得到大气口处压力为-1?726?Pa，吸附口处压力为-4?908?Pa，满足要求2。

由图11可以看出当工作压力为101?kpa时（通大气口孔径为3.9?mm），在脱附口处压力为-101?000?Pa，大气口处压力为-19?138?Pa，吸附口处大气口极限尺寸3.9?mm，已不能满足要求2，所以需通过适当增大碳罐通大气口孔径以满足正常脱附情况下吸附口的负压值不能大于6?kPa的要求。

3.4 符合国家标准要求的脱附过程

通过调整尺寸进行FLUENT仿真，分别试算了5?mm、6?mm、7?mm几组数据后可以得出在通大气口的孔径为7?mm时可以满足该要求，其仿真的压力分布云图如图12所示。

由图12可以看出，在脱附过程中，当工作压力为101?kPa时（通大气口孔径为7?mm），即在脱附口处压力为-101?000?Pa，仿真得到大气口处压力为-2?208?Pa，吸附口处压力为-5?054?Pa，吸附口处压力绝对值小于6?000?Pa。所以通过该仿真过程可以得出结论：在通大气口的孔径为7?mm时可以满足第2点的要求。

综合上述4点分析可以得出仿真结果对比，见表1。

由表1可以得出：在大气口孔径为12.7?mm时吸、脱附过程均可以满足技术要求，在大气口孔径为7?mm时吸、脱附过程也均可以满足技术要求，在3.9?mm时吸附过程可以满足，但是脱附过程时压力值却是远大于技术要求的值。所以综合上述分析的结果，在满足行业标准所有技术要求的前提下，可以得出大气口孔径的最终可修改尺寸范围为7～12.7?mm。

4 结论

三维仿真论文篇（8）

Abstract: this paper introduces the concept of system simulation and OGL in establishing the function characteristic of the simulation model, and the simulation system, and the application of the simulation system based on subject development, very good that the established with OpenGL simulation model is convenient, easy to control the modeling, etc.

Keywords: OpenGL, 3 d model, the system simulation

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1、引言

系统仿真是近30 年在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术和控制工程等多种技术发展基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术。计算机系统仿真就是，以计算机为工具，以相似原理、仿真技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。从计算机系统仿真的定义可以看出，计算机系统仿真包含了三个方面的信息（三要素）：系统、模型、计算机，而联系着它们三者之间的基本活动是：系统模型建立、仿真模型建立、仿真试验。

“系统”是指被研究的对象，任何事物都不是孤立地存在着的。因此，仿真研究的对象也不可避免地与其周围的环境之间存在着相互联系。建立系统模型就是要把待研究的系统从周围的环境中界定出来，并把它描述成数学模型。建立被研究系统的数学模型， 就是为了能用计算机语言实现。从数学模型到仿真模型的转换过程，就是仿真模型建立。只有经过转换后的仿真模型才能为计算机识别并运行。综上所述，建立仿真模型是系统仿真的关键一环，选择什么工具来建模也显的由为重要。在这里就我们的课题，工业机器人动态仿真选用的工具OpenGL来探讨。

2、 OpenGL 的功能特点

OpenGL 是SGI 公司推出的三维图形库（GL），它表现突出，易于使用而且功能强大。利用GL开发出来的三维应用软件颇受许多专业技术人员的喜爱，随着计算机技术的继续发展，GL 已经进一步发展成为OpenGL，OpenGL 已被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准。OpenGL最大的特点首先是与硬件无关，可以在不同的平台上得于实现，用OpenGL编制的程序，可以随心所欲的控制三维模型，由于OpenGL同时提供了颜色缓存、模板缓存、深度缓存、累积缓存等基于双缓存技术的动画操作函数，因而可以实现实时的虚拟仿真。其次是建模方便，OpenGL不仅提供基本的三维几何像素生成函数，而且提供了大量的点、线、面以及曲线曲面等基本图元操作函数，可以构建相当复杂的几何造型。第三个特点是高度的真实感显示，由于OpenGL 提供了大量的着色、光照、景深、阴影、混合、消隐、反走样、明暗处理、图像处理、纹理映像、深度检测等功能函数，保证了三维仿真图形显示具有高度的真实感。第四OpenGL 具有出色的编程特性，OpenGL 体系结构评审委员会独立地负责OpenGL规范，使之具有通分的独立性。程序的通用性和可移植性。由于OpenGL可以集成到各种标准视窗和操作系统中，因此基于OpenGL的三维仿真程序有良好的通用性和可移植性。最后是应用广泛，Microsoft 、SGI、IBM、SUN、HP 等都采用OpenGL作为三维图形标准，许多其它软件商也纷纷以OpenGL作为基础来开发自己的产品，目前已成为高质量三维图形的工业标准 。

3、OpenGL 在仿真中的应用

以上的优点决定了OpenGL在建立仿真模型时的优越性，我们在建立多自由度工业机器人模型时选用了OpenGL。

3.1 工作过程

OpenGL的指令的解释模型是客户/服务器模式，既客户(试图用 OpenGL进行绘制工作的应用程序)向服务器(OpenGL的内核)命令，这些OpenGL命令由服务器来解释。基于客户/服务器模式，在网络环境下很容易使用OpenGL，且在不同计算机上的多个客户可以得到在其它计算机上服务器的服务。这样OpenGL就具有网络透明性。

OpenGL的库函数被封装在Openg132.dll动态链接库中，从客户应用程序的对OpenGL函数的调用首先被Opengl32处理，在传给服务器后，被Winsrv.dll进一步进行处理，然后传递给DDI(Divice Driver Interface)，最后传递给视屏驱动程序。

3.2建立的仿真模型

由于机器人是一个复杂的物体，为了建模的方便，有必要把它分解为一个个图形模块。然后把模块集成起来，组成整个机器人模型，同时我们知道工业机器人大体上是由机座，关节和杆件联接组成，据于此我们设置了如下三个图形

模块函数：

（1）基座模块函数

（2）杆件模块函数

（3）关节模块函数

各个模块按不同的顺序进行组合,经过大量的平移和旋转，然后渲染就能得到效果图。

我们可以进行多自由度工业机器人的运动分析和动力分析，相对简化了工业机器人的开发过程，降低开发费用，缩短开发周期。

参考文献

[1]吴重光主编.仿真技术[M].北京: 化学工业出版社,2000,5.

三维仿真论文篇（9）

中图分类号：G433 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0143-02

1 汽车专业仿真软件的出现开辟了中等职业学校汽车运用与维修专业实训教学的新时代

中等职业教育是培养技术应用型、技能型人才的教育，是以职业能力培养为主的教育。中等职业技术教育在教学内容上应注重职业的生产过程和实际要求，强调专业教学内容与职业岗位需求的针对性，以职业岗位的需求确定教学内容。《国务院关于大力发展职业教育的决定》中要求，加强职业院校学生实践能力和职业技能的培养，高度重视实践和实训教学环节，大力推行工学结合、校企合作的培养模式。这一决定反映了我国现代化建设的迫切需要，说明我国目前生产一线的技能型人才紧缺问题十分突出。中等职业教育的核心是实训教学，中等职业学校学生技能的体现标志着这所职业学校职业教育水平的高低。

目前中等职业学校汽车运用与维修专业的实训教学可分为师生在实训车间进行的对实际设备操作的硬实训――实操实训，和在计算机房利用仿真软件模拟实训环境进行实训的软实训――仿真实训。汽车专业仿真软件的出现和进一步完善，为中职学校汽车运用于维修专业软实训奠定了软件基础。软件的作者通过计算机建模，将汽车各系统零部件、整车、实训车间及汽车维修检测工具根据需要以二维或者三维图形显示出来，并通过编程对汽车动态运行数据进行仿真，在虚拟实训场景中，实现工具、零件等的实时互动。汽车专业仿真软件可以模拟汽车各系统的工作过程及其工作状态，用户使用仿真软件可以完成汽车运用与维修专业各类仿真实训。例如，汽车零件部件拆装实训、汽车各系统工作原理学习实训、各系统维护与检测实训、各系统故障诊断与排除实训等。汽车仿真软件对汽车专业实训设备和实训环境的高度仿真，给汽车运用与维修专业教学注入了新鲜的血液，开辟了实训教学的新时代。

2 汽车专业仿真软件介绍

汽车专业仿真软件不仅能真实展现汽车各零部件的内外部结构、汽车各系统的工作过程，而且可使学生通过手中的鼠标完成汽车各零部件的拆装及汽车各系统故障诊断操作的全过程，让学生清晰的掌握汽车拆装和故障诊断与排除的技术要领，大大缩短学生与生产性实训基地的距离。在汽车专业仿真软件的产品框架中一般应包含有：实训场景、实训项目、常用工具、检测仪器、维修资料、工艺规范等。优秀的汽车专业仿真软件一般具有以下功能。

2.1 能够展示汽车各零部件的三维视图

用户可以通过鼠标操作，从各个方向观察零部件的结构，一款优秀的仿真软件还提供主要零部件的透视图，用户通过操作可以清楚地掌握这些零部件的结构，与采用解剖零件观察内部结构相比，利用仿真软件更方便、快捷而且无盲区。

2.2 可以进行汽车各系统零部件的模拟拆装

汽车专业仿真软件提供标准的零部件拆装规范和主流完整的汽车维修工具。维修工具包含各种型号的套筒、扳手、钳子及专用工具等。用户可以在场景中使用正确的工具对相应零部件进行拆装。拆卸后的零部件可以放置于零件车中指定位置，也可以从零件车中取出零件进行安装操作。

2.3 可以模拟汽车各系统的工作过程

仿真软件可根据需要提供二维或三维虚拟场景，模拟汽车各系统的工作。一般机械系统工作提供三维透视场景，电气系统提供二维场景。用户可以反复观看汽车各系统的工作情况，掌握其工作原理，这项功能是任何硬件实训不能代替的。

2.4 真实的故障诊断与排除实训场景

故障诊断与排除实训场景采用二维或三维技术，用户能够通过操作鼠标，打开相应的车门，进入驾驶室，打开引擎盖，打开发动机舱，以及使用虚拟的举升机将车辆举起到规定位置，完成相应的作业。虚拟实训车间包含待测车辆、举升机、工具车、零件车、丰富的维修资料和汽车故障诊断检测仪器。软件提供各种汽车维修资料，包含各种零部件结构与原理、教学教案、维修手册等，同时用户可以自己添加维修资料及教案。汽车诊断检测仪器包括：汽车专用万用表、示波器、原厂专用诊断仪、通用诊断仪、尾气分析仪、燃油压力表、气缸压力表、真空表等多种检测设备。在故障诊断实训场景中，用户利用维修资料和各种仪器设备，可以完成车辆常见的故障诊断实训项目。仿真软件的汽车动态数据模拟引擎，能够对实车动态运行数据进行高度仿真，实现在虚拟场景中的实时互动，甚至能够模拟很多在实车或台架上无法设置的故障。网络版仿真实训软件能够满足多人同时进行实训，保证每个学生有充足的实训时间，也大大提高了汽车故障诊断实训效率。

2.5 详细的故障诊断实训报告

在实训场景中，用户能够按照维修手册的标准故障诊断流程进行操作。操作过程能够自动记录或选择记录，对于违规操作进行自动记录，形成详细的故障诊断实训报告。故障诊断实训报告能够显示故障诊断实训整个过程，包含前期准备、安全检查、仪器连接、读取故障码、读取动态数据流、目视检查、确认故障症状、元件检测及安装状态检查、电路检查、故障点确认和排除、文明安全作业等项目。这样，可以实现仿真实训考核智能化，用户可以通过反复进行仿真实训，发现实训过程中的错误，逐步改正，直至完全达标。

2.6 后台管理功能

仿真实训软件具有后台管理功能，包含学生信息管理、实训作业布置、实训记录管理和维修资料管理，实现管理智能化，便于教师掌握学生实训的情况。

3 汽车运用与维修专业仿真实训的有效性作用

中职学校的生源主要来自初中毕业没能考取普通高中的学生。这些学生基础知识薄弱，他们排斥理论学习，喜欢实践操作，并且他们熟悉计算机软件的各种交互方式，对软件的使用有着浓厚的兴趣。因此，利用汽车仿真软件进行仿真实训，不仅能提高学生学习的主动性，还能使学生快速的掌握所学的知识，成为学习的主体，具体做法在以下几个方面。

3.1 理论教学与仿真实训一体化

目前，对于汽车运用与维修专业的理论课教学，教师主要靠板书和多媒体课件进行知识的讲解，多媒体课件的使用使传统的教学不再枯燥，抽象，一定程度上提高了学生学习积极性以及课堂教学的效果，但是教师在制作多媒体课件时，受到计算机专业技术的制约，他们制作的课件具备演示功能，不具备操作功能。这样，在理论课的教学中做不到“做中学，做中教”，师生互动还是限于教师提问学生回答。而汽车专业仿真实训软件交互功能强大，如果仿真实训走入理论课教学课堂，在教师授课的恰当时间安排相关项目的仿真实训操作，并且回收实训效果，这样教师就能更好的掌握每位学生的学习状况，教学更具针对性。学生在课堂上就能将与理论知识相关的实训项目进行仿真操作训练，及时掌握所学内容的重点和难点，个人成就感增强，学习的积极性大大提高。例如，笔者在讲授《汽车电气设备构造与维修》中起动机结构时，讲到起动机的零部件结构，穿插起动机结构认识仿真实训，学生每人一台计算机，利用鼠标360°旋转零件，观察起动机每个零部件的三维视图，牢固掌握每个零部件的结构。全部结构讲完，及时进行起动机拆装仿真实训，熟悉掌握起动机的拆装工艺。由于仿真实训容易实现恰当的人机比例，而且损耗少，操作方便，单位时间内操作次数比实物操作增加很多，学生对所讲的内容记忆和理解更加深刻，对知识的掌握更加牢固。又由于学生对计算机软件的交互操作兴趣浓厚，仿真实训还能够提高学生的学习兴趣、学习的主动性和积极性。教师则可以通过网络回收学生的操作成绩，及时发现学生的问题，共性问题统一解答，个性问题单独指导，这样课堂教学的效果、效率大大提高。

3.2 在实操实训之前进行仿真实训

笔者在对我省中职汽车运用与维修专业实训教学调研中发现，该专业实操实训教学中普遍存在以下问题：

（1）实操实训初期，学生对工具、设备、实训车间环境及实训项目生疏，操作不当，易发生安全事故。如果损坏价格昂贵的设备还会造成较大的经济损失。例如，操作举升机升降车辆时，举升机未锁止前学生不能站立于车辆的底盘下面，对其进行操作，防止车辆降落伤人。汽车检测设备如解码器、示波器等价格比较昂贵，如果在通电的状态下插拔其电源线和数据线等，容易造成设备损坏，带来经济损失。

（2）实训设备数量不足。由于汽车专业实训教学设备价格比较高，体积大，所以在设备采购及布置时受经济条件和实训车间空间的制约，不能实现一人一台设备，这样就不能保证实训期间每一位同学都能进行操作，大大降低了每位学生实操次数，不利于学生快速掌握实训操作技能。

（3）实操实训在教师进行教学示范时，可视范围小。

如果教师在实训车间授课，只有距离指导教师较近的几名同学能较好地看到教师的示范操作，为了提高学生实操的效率，大部分学校采取给一个教学班配备两名或两名以上的双师型教师指导实训课程，但由于双师型教师数量的不足，师生比例不能达到最佳，大大降低了实训效率。

（4）实操实训设备使用及维护费用高，经济性不好。

仿真实训需要的硬件设备主要是计算机和网络，它的维护费用低，仿真实训时零部件的拆装、车辆各系统的检修均不会造成硬件的损耗，经济性好。基于资源共享的原则，中职院校学生在仿真实训室容易达到一人一机，这样，在仿真实训期间，每位学生都可进行实训操作，缓解了实训设备数量的不足。在实操实训之前，实训教师利用仿真软件进行设备工具的使用和实操实训项目的教授及训练，既避免了学生实操训练时发生安全事故，也解决了实操实训教学示范可视范围小的问题，大大减轻教师在实操实训时的授课压力。而且在实操实训之前进行足够的仿真实训，学生熟练地掌握了实操项目的正确操作过程，可以减少实操训练时的操作失误，大大提高了实训效率和效果。

参考文献

三维仿真论文篇（10）

中图分类号：X593 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0320-01

随着我国航空事业不断发展，机场噪声问题日益突出，如何合理地评价机场航空噪声污染程度，利用何种有效的治理方法对噪声污染进行控制已成为摆在环保部门、民航管理部门以及机场规划人员面前的重要课题，针对机场进行噪声污染模拟分析及周边环境影响防控研究是十分必要的，因此，本研究以桃仙机场为例进行机场噪声环境影响评价系统仿真研究。

1 机场噪声的特点

航空噪声是对航班起、降、滑、试过程中产生的不规则声响，尽管在飞机的飞行过程中，机身会产生一些空气动力噪声，但航空噪声主要还是来源机的发动机，特别是各种喷气式飞机的发动机[1-2]。航空噪声最显著的特点是独立且间断噪声的不规则发生，具有声级高、频率低、影响范围大、间断性、非稳态等特点[3]。

2 噪声预测

3 仿真方法

（1） 桃仙机场建模方法

搜集有关的素材，它包括表示地形的海拔数据，表示河流山川道路等的文化特征数据，仿真中所需要地形的尺寸以及地形纹理等。然后，构建地形原始数据的高度场，通过Global Mapper整合3S数据和DEM等高程数据，进而生成三维数字化地形，项目将通过收集的相关数据实现对研究区域的三维模型的仿真。

（2） 飞机实体及飞机噪声建模

研究采用Deep Exploration将生成的数据采用文件格式转换为ads格式，然后再在Creator中转换成flt格式。将飞机作为点源，依据预测模型LWECPNL构建三维立体噪声源。

4 机场噪声环境影响评价仿真系统

根据以上建模方法，针对桃仙机场进行仿真模型构建的机场噪声环境影响评价仿真系统见图1。

5 结论

（1） 飞机噪声综合仿真结果表明富家屯、桃仙镇、达子堡三个村屯均位于《沈阳桃仙国际机场远期规划》和《沈阳民用航空产业园区规划》用地范围内，富家屯、桃仙镇、达子堡三个村屯均有部分住宅LWECPN超过75 dB。

（2） 噪声污染模拟模型还需要根据实际工作进行不断的修正。3D建模技术在机场噪声污染模拟中的应用，能够更加直观的反映出机场噪声影响范围和程度，有利于机场噪声环境影响评价的分析。目前，国内还没有成熟的用于机场环境影响评价的大型三维仿真软件系统，本研究将为此类软件系统的研究提供一定的借鉴。

参考文献

[1] 田婴.民用机场航空噪声控制及其标准研究[D]：硕士学位论文，天津：中国民航大学交通工程学院，2005：1-63.

[2] 中国民航学院航空港工程系课题组.民用机场航空噪声影响控制研究报告[R].国机场噪声影响控制研究及相关参考资料汇编，2001.