仿真技術及其應用范文

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關鍵詞：計算機；虛擬仿真技術；應用

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 (2011) 22-0000-01

The Analysis of Computer Virtual Simulation Technology and Its Applications

Meng Qingchao

(Institute of Information Technology,Luoyang Normal University,Luoyang 471022,China)

Abstract:Virtual simulation technology known as visual simulation or virtual reality technology (Virtual Reality,VR),refers to the use of computer technology as the core,the use of modern science and technology to produce high vivid touch,hearing,visual integration of the virtual environment,users with the appropriate tools in a natural way to interact with virtual objects,interactions,resulting in the ground,experience and feelings of empathy.In this paper,the introduction of virtual simulation technology to analyze its application in various fields.

Keywords:Computer;Virtual simulation technology;Application

一、計算機虛擬仿真技術的概念

虛擬仿真技術又叫視景仿真或者虛擬現實技術(Virtual Reality，VR)，是指運用計算機技術為核心，采用現代高科學技術制作出栩栩如生的觸覺、聽覺、視覺一體化的虛擬環境，用戶借助相應的工具以自然方式與虛擬客體進行相互影響、交互作用，從而產生身臨其境、感同身受的體驗和感受。虛擬現實是融合了信息與人的一門科學，是一些三維的交互式計算機為核心而生成的環境組成。這些環境可以是想象世界中的模型，也可以是真實的，其作用是運用人工合成的各種經歷或環境來表示知識與信息。虛擬現實技術可以使抽象或復雜系統的概念變成確切含義的符號。

二、計算機虛擬仿真技術的應用

（一）在多媒體教學中的應用。在教學過程中，多媒體課件被越來越多的應用與教學。設計人員依據教學內容的信息和自己的創意，對教學內容分類組織，并綜合各種動畫、聲音、圖形、文字等多媒體素材，制作許多種多媒體課件進行教學。多媒體課件具有良好的共享性、極大的交互性、豐富的表現力三大特征，因此產生了多種多樣的教學方式方法。制作課件的常用工具有flash、authoware、director、PowerPoint等軟件，但是他們有存在不同程度的缺陷，例如authoware課件表現行較差，不能制作出很完善的動畫；PowerPoint課件交互性不強，只能作為展示各種資料的工具。虛擬現實技術因其很好的想象性、沉浸性和交互性，因此逐漸地被應用于多媒體課件的開發中。在教學過程中，虛擬現實技術主要運用在分布式虛擬現實和桌面虛擬現實，由于沉浸型虛擬現實的設備設施非常昂貴，因此在教學中很少運用。在多媒體課件開發中，虛擬現實技術的應用主要是開發虛擬實驗室、制作三維課件以及仿真實踐訓練。

（二）在計算機組裝中的應用。計算機組裝有著較強的實踐性和直觀性、操作性，因此，計算機組裝實驗在計算機組裝教學和計算機研發中有著極其重要的作用，而在計算機組裝實驗中，往往由于相關設備的不足和計算機部件翻新較快的緣故，從而使得計算機實驗操作具有一定的難度，影響了實驗的效果。通過虛擬現實技術對計算機組裝實驗中的各種設備硬件進行仿真模擬，從而建立計算機組裝虛擬實驗。計算機組裝模擬實驗系統主要是通過VRML技術，讓實驗操作者利用人機界面對虛擬的現實環境中各種計算機設備硬件進行組裝。整個計算機組裝模擬實驗系統一般包括了計算機各部件設備的三維瀏覽、各設備之間的組裝過程演示和計算機設備的組裝實驗，同時也包括了實驗說明。其中，實驗說明主要是為了介紹整個實驗的目的、原理以及實驗過程中應該注意的事項及所用的各種實驗儀器等等；計算機各部件設備的三維瀏覽是指通過VRML對計算機各設備部件進行三維仿真，從而能使參與實驗的人可以在任何參觀地點進行多角度的詳細觀察，在計算機的有關設備部件發生更新后，其可以即時地對虛擬系統中的相應虛擬設備進行修改，從而降低了現實實驗中更換部件設備的經濟負擔。

（三）在城市、小區視景規劃中的應用。在城市、小區視景規劃中，仿真建模是最為基本的環節。通過虛擬仿真技術將想法付諸理論現實。在視景仿真項目的開發過程中，其最重要的工作是虛擬模型的建立以及特效紋理與音效的制作工作。其具體的制作過程如下：我們往往選擇以運行于SGI320桌面圖形工作站的MAYA軟件為主來完成。建成的模型生成模型庫則通過在多媒體計算機中運行的CULT3D軟件來執行三維交互查詢和顯示；并且通過在多媒體計算機中運行的director軟件來進行模型庫的調用和存儲以及三維交互瀏覽的集成。同時，特效紋理和聲效的制作也能通過以上在多媒體計算機環境下運行的軟件進行制作，并且可以將其獲得的結果變成數據庫格式進行儲存，從而促使便于瀏覽和檢索的特效模型數據庫的建立。最后，進行實景仿真，可根據仿真所需的具體要求，通過交互式視景仿真驅動軟件EASYSCENE進行特效和模型的調用并對其進行高速逼真的仿真環境顯示以及模型交互操作的實時響應。

如武漢市南湖大道旁的津發小區，對其實景仿真的開發過程進行介紹。在其中，精細實際的尺寸模型、真實DEM匹配、坡地別墅、蜿蜒貫穿的水系、森林級綠化、繁華的交通、模擬云霧，是該小區仿真項目的表現特點。如圖所示：

其所涉及到的技術有：1.視點定位、相機動畫；2.多維子材質；3.混合紋理材質；4.HDR實時反射水面材質；5.仿云霧效果；6.描邊輪廓效果；7.地形碰撞檢測；8.立方盒天空節點；9.噴泉、煙例子系統；10.3D音效。

參考文獻：

[1]馮允成.虛擬現實仿真技術及在計算機裝配中的應用[J].北京計算機技術大學學報,2010,27(2):213-216

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【關鍵詞】建筑電氣；系統故障；診斷

隨著經濟社會的快速發展，人們對居住環境和生活質量提出了新的要求，而建筑物作為人們居住、辦公或休閑的主要場所，為了滿足人們這種逐步提升的需求，也進行了鮮明的變革，使得現代建筑更具服務，樓宇自動化和智能化的新標準不斷涌現，使建筑電氣施工的難度變得越來越大，項目實施越來越復雜，給建筑電氣系統施工質量的實現帶來了新的挑戰。而建筑電氣系統故障診斷，直接關系著建筑投入運行后預期功能的實現以及電氣系統運行的安全性和可靠性。

1 建筑電氣系統故障分析

建筑電氣系統故障控制的最終目的就是要使最終完工的建筑物的各個結構、設施及其整體功能能夠達到業主的要求，同時能夠滿足相關法律、法規對其提出的質量規范。而對建筑電氣工程而言，其質量控制工作應該包含對建設完工的建筑電氣系統的適用性、安全性及可靠性能夠滿足業主要求，能否符合法律、法規規定要求等問題在工程施工過程中就采取必要措施進行監管和控制?？梢哉f，建筑電氣施工整個過程的質量控制是工程項目總體質量控制的重要組成部分，建筑電氣施工總體質量目標需要通過相互銜接的各道工序的質量控制來完成，這就決定了電氣施工管理及質量控制工作必須從各工序的質量控制到分項工程質量控制、再到分部工程質量控制形成的具有整體性和系統性的系統管理和控制過程完成。

2 影響電氣系統故障的因素

2.1 建筑電氣施工現場的線路安全

在施工現場線路的不安全有可能會導致火災的形成，對施工的質量造成極大的損失。所以，現場的用電要極其謹慎。線路的不安全因素主要有以下幾個方面：電氣線路的短路。電氣線路短路包括相間短路以及電線絕緣層失效。首先是相見短路，引起相間短路的原因主要是由于接線的疏忽以及安裝時出現的問題。如果斷路器接線電阻增大，那么就很容易引起相間短路。其次，在安裝電線的過程中，如果裸電線過低或者是電線間距過小都不可以，如果電線過低導致金屬物質與電線碰撞，這樣同樣會導致相間短路。如果間距太小，更容易發生線與線的碰撞問題。在安裝斷路器時，不能保證空間的干燥，這樣就會導致水汽擊穿短路。最后是電線的絕緣層失效，絕緣層實效也就說明失去了的絕緣的能力，一般是由于受損壞或者是老化的現象，導致線芯外露或者是電壓擊穿絕緣。

2.2 用電布置問題

正常情況下，在比較潮濕地點的直接下層不會出現配電布置，比如在衛生間的浴室或者是廁所的下層。除去這一點還要注意的是一些發電機用房的布置，發電機用房同樣不可以布置在潮濕的空間，要有一定的防潮設施才可以進行安裝。

2.3 電梯電源的專用性問題

電梯在運行的過程中，供電線路不可以出現負荷現象，工程在實施的過程中，要保證電梯運行的質量安全。另外在施工時必須保證了解電梯負荷電流的最大限制，這樣才可以正確選擇有保護特性的主開關。因此，在對電梯電源進行安裝時，要把相關規定的條文作為依據，為了防止電梯電源被一些用電設備的干擾，電梯必須擁有一個專用性的電源，以此來保證電梯的運行安全。

2.4 防雷問題

電氣施工的防雷安裝是非常重要的一個環節，對此應該進行嚴格的監督和檢查。首先，有很多避雷帶的彎曲弧度大小不一，而且避雷帶轉角的彎曲半徑也打不到設計的要求，這就需要專業人士在安裝時進行細微檢查，如果對產品質量進行認真檢測，可能還會發現支持卡的間距大小不夠均勻等問題。其次是屋面的金屬管道連接的問題，對于突出屋面的金屬物或者是貼爬梯在安裝時可能會出現與防雷裝置沒有穩固的連接。另外還有引下線的截面與避雷帶焊接的質量差，而且小于避雷帶的截面。最后，接地極電阻測試點設置不符合要求，防雷接地裝置測試點金屬物的防腐措施并不到位。

3 建筑電氣系統故障診斷方法及措施

3.1 施工前要做好相關的準備工作在工程項目開工之前，電氣安裝的相關技術人員首先要對電氣的施工圖紙進行熟悉；然后與土建施工的技術人員對電氣施工圖以及土建施工圖進行共同的查對，把出現交叉的施工部分列出來；接著依照土建施工的有關進度計劃，對線路保護管理、支吊架以及有關的基礎型鋼進行預埋等。對配合工程交叉施工要排出相應的計劃，并對配合的時間確定好，防止差錯的發生和工程項目的遺漏。而在配合施工前，要及時制作好各種預埋件，在其防腐方面要做好相關的處理工作。此外，還要充分做好在施工開始之前的材料和技術準備工作。

3.2 施工過程中處理好協調的環節在專業技術人員進場的時候，總包單位就要對此進行限時的掃管，然后對交接的手續進行及時辦理，才能予以批準。由于專業技術隊伍出于自身的效益考慮，會對交接的手續匆忙辦理以防止漏項情況的出現，因而總是一邊進行掃管一邊進行穿線，對時間進行拖延。關于這個問題，有關管理人員要適當增加專業技術隊伍的人力。通過集中掃管，使得交接手續能夠抓緊時間辦理。

3.3 施工階段所進行的質量控制

在基礎工程進行施工時，要與土建配合好，做好止水板的預留和預埋工作以及弱、強電專業的電纜線的穿墻管。這一項工作要求各專業之間的施工工作要做好相應的協調工作，其中電氣專業的施工必須要在土建進行墻體的防水處理前就完成相應的施工工作，這樣才能防止由于防水層被電氣施工破壞而出現墻體的滲漏現象。對于需要預埋的配電柜基礎型鋼、吊桿基礎螺栓、木磚、吊卡以及鐵件等需要預埋的預埋件，有關施工人員應提前與土建配合好，要對這些預埋件及時的埋入和保證施工到位，防止出現遺漏的現象。在安裝電器的過程中，管理人員要對自身的專業能力和素質提高，實現質量的嚴格把關。

4 結論

在建筑工程中電氣系統故障對于人們的生產生活會產生很大影響，所以施工企業應當制定質量管理制度，加強對企業員工的培訓；通過過硬的技術，確保建筑電氣的安全運行，保障廣大人民生命財產的安全。

參考文獻

[1] 婁玉冰，和小娟，楊書顯. 建筑電氣設計存在的問題及主要對策 [J]. 四川水泥，2015，01：12

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【關鍵詞】合成器；電路仿真；故障排除

1.引言

DX-600發射機主要有發射機控制單元（TCU）、合成器控制單元（CCU）和三個200KW功放單元（PB200）組成，其中，合成器的主要作用是將三個PB200功放單元輸出地射頻功率合成，并通過阻抗變換網絡使輸出阻抗達到匹配要求，將信號送到天線進行播出。

在合成器中的元器件都是工作在高頻率、大電壓、強電流條件下，具有測量難、調整難和故障排除難的特點，通常的檢修和故障排除方法已無法滿足實際維護的需要，因而采用仿真技術來模擬和排除合成器各種故障成為一個急待解決的問題。

2.合成器仿真系統基本結構與工作特性分析

2.1 合成器仿真系統基本結構

本文采用的是Protel99se仿真軟件進行電路仿真與各類故障分析，根據發射機合成器的實際結構構建了如圖1的仿真系統：

2.2 仿真系統特性分析

（1）頻響特性分析

在我臺中，DX-600發射機的工作頻率為783Khz，如圖2所示為仿真系統的頻響特性，可以看出合成器仿真系統的頻響特性符合發射機工作頻率783Khz，滿足仿真要求。

（2）阻抗匹配特性分析

A.各PB 90°相移網絡的輸入和輸出阻抗特性分析

如圖3所示，合成器仿真系統的中各PB 90°相移網絡的輸入阻抗為42歐姆，輸出為168歐姆，與實際合成器的阻抗匹配特性一致。

B.主合成π網絡輸入和輸出阻抗特性分析

如圖4所示，合成器仿真系統的主合成π網絡輸入阻抗為56歐姆，輸出阻抗為50歐姆，與發射機合成器實際的阻抗匹配要求一致。

通過上面的分析可以看出本文所構建的合成器仿真系統的頻響特性和阻抗匹配特性都滿足合成器系統的實際要求，確實可以仿真工作在783Khz條件下的DX-600發射機合成器的工作狀態。

3.仿真技術在合成器系統中的應用

3.1 在天線系統中故障仿真的應用

發射機天線系統元器件工作在高頻率、高電壓、大電流條件下，實際工作中很難測量和調整，而且也無法模擬此類故障，因此在天線系統的故障處理方面很多是依靠傳統的理論分析和經驗積累，缺少必要的科學直觀有效的分析和排除方法。

針對發射天線系統內部元器件老化，導致的天線系統容抗變化的實際情況，通過仿真系統進行故障模擬仿真，進而找到故障現象，為此類故障的排除提供科學的依據。

首先是在仿真系統中改變輸出網絡中匹配電容CA的值，模擬故障點，通過仿真系統模擬產生仿真故障現象如圖5所示：

從上面圖5與圖6可以看出，此類故障的故障現象很明顯，主要是發生故障的天線輸出將產生嚴重的幅度失真，各PB的反射系數都會增大，使得各PB輸出波形幅度變小。

3.2 在合成器故障排除中的應用

如圖7所示，合成器內元器件參數變化造成了PB單元都有了不同程度的故障指示

分析故障現象可以總結為：發射機整體輸出變小，反射系數變大，天線駐波比變大，其中PB1輸出和反射系數變化最明顯。由此可以看出故障點應位于PB1中，下面通過對PB1相關元器件的仿真來找出故障點。

（1）PB1調載電容C11發生故障，故障現象如圖8：

（2）PB1調諧電容C10發生故障，故障現象如圖9

（3）故障點分析與判斷

1）仿真故障點一：C11的故障現象是三部發射機的輸出都變小，反射系數都變大。

2）仿真故障點二：C10的故障現象是只有PB1的輸出和反射系數變化最明顯。

3）通過對比發現仿真故障點二的現象與實際故障現象一致，基本可以判斷故障點就是PB1的調諧電容C10。

4.結束語

通過采用電路仿真軟件Prote

l99SE對DX-600發射機合成器系統進行電路仿真，建立電路仿真模型，極大地提高了合成器系統故障排除速度。同時也可以將仿真用于該設備的仿真訓練中，實現訓練手段的創新，提高訓練的效率和效果。因此DX-600合成器仿真系統極大的提高了我們維護發射機的工作能力，確實解決了很多實際問題，促進了業務水平的提升。

參考文獻

[1]魏瑞發.數字化調幅發射機[M].無線局,1999.

[2]清源科技.Protel99se電路原理圖案設計與仿真技術[M].機器工業出版社,2007.

[3]王正謀.Protel99se電路設計與仿真技術[M].福建科學技術出版社,2005.

[4]賀從林.Protel 99 SE在某裝備隨動系統電路仿真中的應用[J].軍事通信,2009(3).

[5]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].高等教育出版社,1999.

作者簡介：

劉金星（1983—），男，碩士研究生，主要研究方向：電子技術應用。

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關鍵詞： 流固耦合； 仿真技術； 中小型企業

中圖分類號： TB115.1； TB126文獻標志碼： B

引言

流固耦合是流體力學與固體力學交叉而成的一門獨立的力學分支，它的研究對象是固體在流場作用下的各種行為以及固體變形或運動對流場影響.流固耦合仿真技術早期主要用于航空航天領域，隨著技術的發展，應用范圍已經擴展到石化、機械和能源等工業領域.其中，以中小型企業對這項技術的應用需求最為迫切.因此，調查研究流固耦合仿真技術在中小型企業中的應用具有深層的意義和廣闊的市場.本文著重從3個方面闡述流固耦合仿真技術在中小型企業中的應用.（1）柴油機、齒輪泵、變速器和風力發電機等機械設備中齒輪箱飛濺設計；（2）各種液態空氣、石油化工產品儲液壓力容器的晃動計算；（3）以板式太陽能換熱器熱應力分析為例，模擬防凍液在銅管中流動，計算銅管和鋁板的溫度分布，并以此為基礎，對板式太陽能換熱器的熱應力進行計算.最后，對流固耦合仿真技術在中小型企業中的應用范圍進行分析總結.

1應用案例1.1變速齒輪箱飛濺設計

由于變速齒輪箱的工作環境、承受載荷和相對運動速度不同，對強度要求也不同.飛濺是目前變速器方式中的一種.在一定工作環境的情況下，某種結構所采用的飛濺設計是否滿足強度的要求，可以通過流固耦合仿真技術，對飛濺過程進行模擬，可以在設計方式確定之前獲得效果的評估，這樣可以縮短設計周期，提高工作效率.

本文采用Abaqus軟件建立變速齒輪箱中齒輪和油之間的流固耦合仿真模型，設置油的材料參數和相應的邊界條件，最后提交求解器進行計算.求解后得到變速齒輪箱飛濺設計的效果，見圖1.

由圖1可以清晰地看出油的飛濺狀態，并評估其強度.這對飛濺方式的設計和油使用量的確定具有很好的參考價值.

1.2儲液壓力容器晃動計算

壓力容器的用途非常廣泛，它在能源工業、石油化工、軍工和科研等國民經濟的各個部門都起著很重要的作用.壓力容器由于密封、承壓和介質等原因，很容易發生爆炸、燃燒起火而危及人員、設備和財產的安全以及污染環境的事故.因此，密封性和安全性是壓力容器的關鍵性能.本文應用流固耦合仿真技術，研究在極限工況（沖擊作用）下某儲液壓力容器中液體的晃動問題，獲得壓力容器表面所承受的壓力，為其安全評估提供依據.

采用FLUENT軟件建立油箱以及油介質的仿真模型，定義油箱及介質的材料參數和沖擊過程中的加速度及其他邊界條件，最后提交流固耦合分析求解器進行計算.容器晃動過程中，不同時刻油箱壁所承受的壓力見圖2.

由圖2可知，最大流體壓力為1 634 Pa，此結果與壓力容器的規格相對應，可以分析極限工況下儲液容器是否存在安全隱患.

1.3板式太陽能換熱器熱應力分析

對于太陽能行業來講，目前涉及到的主要問題是如何降低材料使用量和滿足安全性，所涵蓋的知識領域包括傳熱、流體、壓力和機械強度等方面.因此，有限元仿真分析在太陽能行業中的應用越來越廣泛，主要涉及以下方面.

（1）傳熱方面的設計.主要涉及到集熱器當中的熱傳導設計相關的問題.

（2）機械強度計算及結構的優化設計.如太陽能安裝過程中有很多需要安裝支架，必要時須對支架進行滿足要求的強度優化設計.

（3）抗風阻設計.尤其是在高樓或者大風地區，要進行支架的抗風核算.

本文以平板集熱器條帶的傳熱分析和熱應力分析為例，說明流固耦合仿真分析在太陽能行業的應用.平板集熱器條帶的焊接形式見圖3.

（a）帶肋片的管子（b）縫焊（c）弧面焊（d）滾焊（點焊）（e）銅鋁（全銅）復合

圖 3集熱器條帶的焊接形式

以圖3（b）形式為例，其實際結構見圖4，集熱管為銅管，上面為鋁板.銅管直徑為8 mm，鋁板和銅管為激光焊接，平板表面的單位輻射量為800 W/m2，條帶的吸收率為90%，防凍液在銅管中流動.平板集熱器系統的簡化物理模型見圖5.

圖 4平板集熱器（a）防凍液 （b）平板圖 5平板集熱器系統的簡化物理模型

在FLUENT中建立其流固耦合的傳熱分析模型，并設置銅管中防凍液的材料參數以及平板的熱量吸收等，最后提交FLUENT進行計算求解.求解完成后，獲得平板集熱系統的溫度分布場，見圖6，并將溫度分布和模型輸出為Abaqus格式，用于平板集熱系統的熱應力分析計算.

（a）管道中防凍液溫度分布 （b）平板中液體溫度分布 （c）系統溫度分布圖 6平板集熱系統的溫度分布

將FLUENT的溫度計算結果導入到Abaqus中，計算平板集熱系統從初始溫度20 ℃，上升到FLUENT計算結果溫度過程中的熱應力.熱應力分析結果見圖7.綜合以上分析，用FLUENT軟件建立流固耦合分析模型，得到平板集熱器的最終工作溫度場，然后采用Abaqus軟件計算溫升過程中產生的熱應力，后續可以根據此熱應力進行平板集熱器的熱應力疲勞分析估算其使用壽命.此方法對于優化平板集熱器的設計有很重要的指導意義.（a）管道主應力分布圖（b）平板主應力分布圖（c）系統主應力分布圖

圖 7平板集熱系統熱應力（主應力）分布圖

2結束語

通過列舉幾個比較典型的流固耦合仿真分析方法在一些中小型制造企業的應用，可以看出，在產品的設計階段就能夠通過計算機流固耦合仿真分析模擬出產品的工作狀態，發現產品設計中存在的缺陷和問題，并可以給出產品設計的更改思路.

在產品更新換代如此之快的今天，企業的生存發展之道就是不斷推陳出新，且生命周期還要很短.該技術對于以傳統設計方式為主，產品生命周期長的中小型企業是一個新的希望.但是，由于該技術應用過程中的軟硬件投入很大，一般中小型企業無法承受，所以并沒有在中小型企業中廣泛的應用.目前出現一種軟硬件同時租賃使用的新的經營模式，能很好的解決這一問題.相信以后流固耦合仿真分析技術在中小型企業中的應用會更加廣泛.參考文獻：

[1]邢景棠， 周盛， 崔爾杰. 流固耦合力學概述[J]. 力學進展， 1997， 27（1）： 1930.

[2]郭術義， 陳舉華. 流固耦合應用研究進展[J]. 濟南大學學報， 2004， 18（2）： 123126.

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【論文摘要】將虛擬仿真技術引入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體會。

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，探討在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和體會。

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，構建一個與現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應用戶的輸入，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 生成技術、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與展示、商業廣告、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 了工業標準 ，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、場景顯示等問題。該平臺可以達到照片級 的視景仿真效果 ．同時采用嵌入 OPENGL技術來解決物理模型 的交互問題。

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、研究、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、機械等一些主要工業部門，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 ．教學效果主要依賴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，有許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提高逼真度。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如果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；如果需要對裝備進行虛擬操作仿真，則使用 GLStudio軟件先進行操作面板、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作。

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安排，注意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，與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信來完成的。這里還需要考慮進程間的同步問題。

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關鍵詞：仿真軟件Multisim 數字電路實驗 應用

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0220-02

在電子專業數字電路課程中，實驗教學是一個非常重要的環節，通過理論知識教學與實踐相結合的方法，在提升教學效果的同時也提升了學生的實踐動手能力，而在傳統的數字電路實驗教學中，完全依靠的是純硬件實物進行實驗，這種方法存在許多弊端，而現今在結合計算機軟件技術的基礎上，讓數字電路實驗變得更加靈活方便，不僅培養了學生的綜合動手能力，而且還激發了學生的創新能力，本文主要分析探討的是在底值緶分校計算機仿真軟件Multisim的具體應用。

1 仿真軟件Multisim的概況

計算機仿真軟件Multisim是根據美國國家儀器公司電子線路仿真軟件EWB升級而來，其主要目的就是對電路進行原理設計，對電路功能進行測試等，在計算機中，Multisim軟件不僅界面清晰，簡單直觀，而且操作起來也較為簡便，易學易用。仿真軟件Multisim將原理圖的創建，電路的測試分析以及結果顯示通過集成的方式統一顯示到一個電路窗口當中，對數字電路和模數混合電路等進行仿直模擬，而且在可視化界面上，其仿真出來的電路環境與真實情況一般無二，整個操作界面操作起來完全就像是一個實驗室的工作臺，非常具有可實操性，在數字電路實驗教學中，深受廣大教師以及學生的喜愛[1]。

2 在數字電路實驗中仿真軟件Multisim的具體應用

數字電路實驗首先要了解的是電路的工作原理，對實驗電路中的模塊電路以及每個模塊的具體功能都要有一個具體清晰的認識，同時還要明確每個模塊之間的信號傳輸關系等，在對這些基礎設施了解清楚之后，再結合相關的參數指標以及實驗所需的電路元器件，通過仿真軟件Multisim對各個電路模塊的初步設計，最后在仿真模擬的過程中邊選擇邊測試，邊修改邊對比，不斷地分析判讀，直到實驗出真正的數字電路，因此在數字電路實驗中，仿真軟件Multisim的具體應用主要體現在以下四個方面：

2.1 繪制電路原理圖

本次數字電路實驗以在時鐘控制下實現八位并行數據輸入到串行數據輸出的轉換電路為例，這個數字電路主要有三個功能模塊，即LM555定時器構成的多諧振蕩器產生時鐘脈沖模塊，4位二進制加法計數器74LS163構成的計數器模塊和數據選擇器74LS151構成的并轉器電路模塊[2]，待這三個功能模塊分步設計完成后，這個轉換電路的原理圖就設計完成了，然后再結合仿真軟件Multisim中豐富的元器件資源快速的完成所需元器件的找尋工作，其次再將這些元器件進行連接，對一些必要的元器件參數屬性等進行相應的修改，同時對元器件標注出相對應的標簽，最后這個轉換電路的原理圖繪制工作也就完成了，如圖1所示，為繪制的此次實驗轉換電路的原理圖。

2.2 電路的仿真分析

在上述的轉換電路實驗中，通過仿真軟件Multisim可以提供出虛擬的儀器對電路進行仿真分析，在仿真分析中，主要用到的分析儀器包括示波器，邏輯分析儀，字信號發生器以及邏輯轉換器等，其仿真分析主要分為兩部分進行：首先仿真分析的是第一個模塊，針對第一個功能模塊LM555定時器構成的多諧振蕩器產生時鐘脈沖模塊，在實驗教學過程中，為了讓學生加深對其的理解與學習，可以用仿真軟件Multisim提供的示波器來觀察555定時器充放電的電容波形和輸出時的脈沖方波信號波形等，最后發現其充電時間要大于放電時間，其仿真波形與理論分析計算得出的結果保持一致；其次仿真分析的是第二個功能模塊和第三個功能模塊，針對這兩個模塊可用仿真軟件Multisim提供的邏輯分析儀進行分析，主要觀測分析的是第二個模塊計數器的時序波形和第三個模塊數據選擇器輸出的波形，如圖2所示，為計數器時序波形的仿真圖，通過圖2可以看出，在脈沖作用下，計數器的低三位循環計數產生000到111這八種狀態，而假設計數初始的狀態為000時，那么數據選擇器的數據輸入端D0將被選通，而151的輸出將變成1，再來一次CP脈沖上升沿后，計數器的計數狀態就變成了001，而這時數據輸入端D1將被選通，151的輸出就又變成了0，同理待第七個脈沖來之后，計數器的計數狀態就變成了111，這時的就是D7被選通，同樣的151的輸出也變成了0，151的8位并行輸出數據在時鐘脈沖的控制作用下，來一個時鐘脈沖上升沿就送出一位數，相應的8位并行輸入的數據也就一個一個地被串行輸入送出來，從而實現數據能夠并行輸入到串行輸出的轉換[3]。

2.3 邏輯轉換器的應用

邏輯轉換器的應用主要體現在組合邏輯電路中，對于組合邏輯電路而言，其特點就是沒有存儲記憶功能，而其設計就需要根據邏輯命題，再列出邏輯真值表，寫出邏輯表達式，然后選擇所用器件，即可完成組合邏輯電路的設計工作，但是在輸入變量增多時，組合邏輯電路的設計工作就變得繁復多雜，經常出現各種錯誤，在這時利用仿真軟件Multisim提供的邏輯轉換器就可以對組合邏輯電路的設計過程進行簡化，提高電路的設計效率[4]。

仿真軟件Multisim提供的邏輯轉換器支持8輸入變量與單輸出的組合邏輯電路的分析與設計，根據邏輯轉換器可以將組合邏輯電路中的真值表進行轉換，將真值表與邏輯表達式之間進行轉換，將直值表與簡單表達式之間進行轉換，將邏輯表達式與邏輯電路之間進行轉換以及將邏輯表達式與非門邏輯電路之間進行轉換等。

2.4 譯碼器的仿真應用

在數字電路實驗課程中，譯碼器在數字系統的設計中有著極為廣泛的用途，其在代碼之間的轉換，終端的數字顯示，同數據分配，存儲器的尋址以及組合控制信號等都能起到非常重要的作用，在數字電路實驗課程教學中，以仿真軟件Multisim提供的74LS138譯碼器為例，為了讓學生在學習地過程中更好的掌握譯碼器的外特征，如圖3所示，通過利用開關K1，K2和K3來模擬二進制數，來對74LS138譯碼器的譯碼功能的仿真電路進行驗證，通過實驗可以看出，在輸出端接上小燈泡后，可以對二進制數經過譯碼器后的輸出結果進行直接觀測，從而使學生在這一過程中可以更好的理解與掌握譯碼器的邏輯功能[5]。

3 在數字電路實驗中利用仿真軟件Multisim的優勢

在數字電路實驗中，傳統的純硬件實驗教學方法一般都是事先查找大量的相關資料，對電路原理進行硬性理解，然后再根據電路指標要求對元器件的具體參數進行估算，最后在紙上畫出大概的硬件電路圖，在實驗時一般也是通過面包板或實驗箱來搭建完成，然后在觀察分析實驗數據時，也是通過實驗室有限的儀器儀表等來進行，這樣的實驗方式很難檢查出實驗過程中的某項具體問題，比如所選用芯片是否合適，哪一根線路出現問題等，而一旦真的發現問題這整個電路實驗設計也要推倒重來，耗時耗力不說而且還沒有起到應有的教學效果，而利用計算機仿真軟件Multisim，學生只需要在對數字電路的基本原理了解清楚的情況下，利用仿真軟件Multisim直接選出實驗所需的元器件，然后直接進行電路搭建，在計算機操作界面直接進行現場實驗操作，而不用擔心芯片的選擇是否錯誤，實驗消耗材料是否浪費，實驗經費是否不足以及元器件等是否出現老化等種種問題，而且實驗結果還可以通過界面直觀的顯示在學生面前，同時通過不斷反復的實驗，學生在理解力得到增強的同時，實踐動手操作能力也得到了提升，而且這種虛擬的實驗空間也使得學生的自由創造能力得到了充分的發揮，最重要的是節省了實驗時間，提升了數字電路的教學效果[6]。

4 結語

綜上所述，本文通過對計算機仿真軟件Multisim進行概況分析，探在數字電路實驗中仿真軟件Multisim的具體應用，其具體應用主要體現在四個方面，以在時鐘控制下實現八位并行數據輸入到串行數據輸出的轉換電路為例探討了仿真軟件Multisim的兩種應用，即電路原理圖的繪制以及電路的仿真分析，其次還探討了仿真軟件Multisim的邏輯轉換器與譯碼器的具體應用，最后還分析了在數字電路實驗中仿真軟件Multisim的應用優勢，希望本文的分析探討對我國電子專業中數字電路教學以及計算機仿真軟件Multisim的實際應用能起到相應的幫助作用。

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篇7

[關鍵詞] 輸尿管癌；腔內超聲；腹部高頻；聯合診斷

[中圖分類號] R445.1；R737.13 [文獻標識碼] B [文章編號] 1673-9701（2017）16-0090-04

[Abstract] Objective To analyze the combined application of abdominal high frequency and intracavitary ultrasound and its effect on the diagnosis of ureteral carcinoma， so as to provide the references for clinical treatment. Methods 51 patients with ureteral carcinoma who were diagnosed by operation in our hospital from March 2015 to June 2016 were selected as the study subjects. The patients were examined by ultrasound， and the data of ultrasound examination were collected. The values of intracavitary ultrasound， abdominal high frequency and the combined diagnosis were compared. Results All the patients had varying degrees of ureteral dilatation， hydronephrosis and other symptoms. According to the ultrasound diagnosis of ureteral carcinoma， there were atrophy and thinning in renal parenchyma， and ureteral stenosis or interruption at obstruction site. The form of cauliflower was shown from the ureteral mouth at the lower part of the tumor. The majority of the tumor had low echo， and a few had moderate echo. There was no significant difference in the number of diagnosed cases between abdominal high frequency and intracavitary ultrasound（P>0.05）. The diagnosis ratio of combined diagnosis was significantly higher than that of single application of abdominal high frequency and intracavitary ultrasonography（P0.05）. The sensitivity and specificity of the combined diagnosis were significantly higher than those of the other two diagnostic methods（P

[Key words] Ureteral carcinoma； Intracavitary ultrasound； Abdominal high frequency； Combined diagnosis

泌尿系統原發性輸尿管癌是臨床較為少見的惡性腫瘤之一，多數在輸尿管下段位置，解剖位置較深，由于輸尿管解剖結構非常特殊，腹部超聲診斷清晰度不高[1]。在臨床診斷中，輸尿管癌臨床表現無特異性，以間歇性無痛性肉眼血尿、腎積水、腰部脹痛為主要表現，部分患者伴隨腰腹部腫脹，隱秘性大[2]，多為單側發病，早期診斷難度很大，多數患者在確診時已經處于中晚期，預后極差。如何提高診斷準確性有重要價值。為分析腹部高頻與腔內超聲聯合應用方法及其診斷輸尿管癌的效果，以我院輸尿管癌患者為研究對象開展研究報道。

1 資料與方法

1.1一般資料

選取我院2015年3月～2016年6月收治手術病例確診為輸尿管癌患者51例為研究對象，患者臨床出現間歇性無痛性肉眼血尿，年齡46～79歲，平均（59.2±6.3）歲。納入標準：手術病理確診，臨床癥狀以間歇性無痛性肉眼血尿為主，部分患者伴隨腰痛、下腹痛等。排除標準：膀胱癌、輸尿管結石。

1.2方法

1.2.1 儀器型號 診斷使用儀器包括超聲診斷儀logic e9、logic vivid e9。

1.2.2 參數指標 高頻探頭頻率6～15 MHz、9 MHz，腔內頻率5～9 MHz，腹部探頭頻率3～5 MHz。

1.2.3 檢查方法 患者開展超聲檢查，患者檢查前，適量飲水，充盈膀胱，檢查腎臟內是否有積水、輸尿管擴張情況，重點檢查生理狹窄處。所有患者均開展腹部超聲、腔內超聲、腹部高頻超聲檢查。（1）腹部超聲檢查：采用超聲診斷儀logic e9，探頭頻率3～5 MHz。（2）腔內超聲檢查：腔內探頭頻率：5～9 MHz。（3）高頻超聲檢查，高頻探頭頻率6～15 MHz、9 MHz。腹部超聲常規方法掃查，多探頭多頻率聯合檢查，發現輸尿管腔內存在異常團塊狀回聲，從而判斷腫瘤的大小、信號、性質等。

1.3觀察指標

整理患者超聲檢查資料，比較腔內超聲、腹部高頻和聯合診斷價值，記錄腔內超聲、腹部高頻、聯合診斷敏感性、特異性，均以手術治療病理診斷為標準，敏感性=診斷準確例數/真實診斷例數，特異性=未診斷病例數/（誤診病例數+未診斷病例數）。

1.4 統計學方法

采用 Microsoft Excel建立數據庫，用SPSS19.0統計學軟件進行數據分析。計數資料采用[n（%）]表示，采用卡方檢驗，以α=0.05作為檢驗標準。

2 結果

2.1 診斷結果分析

輸尿管癌超聲診斷腎實質萎縮變薄，梗阻部位輸尿管腔狹窄或者中斷，下段腫瘤部分自輸尿管口呈現菜花狀，多數腫瘤低回聲（封三圖5），少數中等回聲。腹部高頻和腔內超聲確診病例數差異不明顯（P>0.05），聯合診斷確診比例顯著高于腹部高頻和腔內超聲單一使用（P

2.2 不同診斷方法敏感性、特異性分析

腹部高頻和腔內超聲兩種診斷方法敏感性、特異性均無明顯差異（P>0.05），聯合診斷敏感性和特異性顯著高于其他兩種診斷方法（P

2.3聯合診斷病變和誤診病例分析

聯合診斷結果顯示，5例無腎盂擴張，所有患者均存在不同程度輸尿管擴張、腎積水等，最小腫瘤體積1.8×1.1×1.1 mm3，最大腫瘤體積4.3×3.1×2.1 mm3，腫瘤直徑與擴張程度無明顯相關性。6例腫瘤發生在上段，35例中下段，10例下段。腹部高頻超聲診斷中，患者誤診為輸尿管結石，后經腔內超聲聯合診斷為輸尿管癌，手術病理證實。

3討論

輸尿管結構包括盆部、腹部以及壁內部，位于腹腔后壁、胸椎兩側，沿著腰大肌向外行走，輸尿管壁內部長約1.5 cm，是輸尿管斜穿膀胱壁部分，和盆部相比而言，輸尿管腹部位置較深[3，4]，在這種解剖結構和走行特點下，輸尿管壁內部和盆部只能夠采用高頻探頭顯示，輸尿管腹部病灶的位置采用腹部超聲診斷效果更好。

根據病變侵潤范圍的不同，輸尿管癌臨床病理分期包括四期，A期病變侵犯黏膜下層，B期病變侵潤黏膜下層，還沒有出現輸尿管周圍侵潤，腫瘤病變沿著輸尿管內生長，在超聲診斷中能夠觀察到輸尿管結節病變，C期病變侵潤到周圍組織，D期病變已經侵潤到周圍組織，而且可能表現出遠處轉移和淋巴結轉移，聲像圖出現腫塊、周圍期間侵潤。有學者在研究分析中指出，B期、C期以及D期輸尿管癌采用高頻超聲和腔內超聲均具有很好的診斷效果，A期輸尿管癌與輸尿管炎性肉芽膿腫存在一定差異，超聲診斷能夠為臨床分期檢查提供一定參考價值[5]。輸尿管癌影像學診斷中，不同影像學技術均有自身的局限性，X線檢查無法顯示正常輸尿管，CT平掃無法顯示輸尿管盆段[6]，尿路造影無法診斷輸尿管病變，而且患者一般不會接受。雖然不少研究指出MRI檢查，能夠多層面顯示輸尿管，但是價格昂貴，而且容易受到增厚腹壁脂肪組織的干擾[7，8]。輸尿管癌采用超聲診斷能夠初步排除膀胱、腎占位性病變，能夠早期發現輸尿管腫瘤間接征象，而且超聲診斷簡便、快捷。

在本組研究中重點分析腹部高頻和腔內超聲診斷價值，腔內超聲診斷優點在于能夠縮短病灶與探頭的距離感，清晰顯示病灶表現[9]，同時能夠避免患者腹壁脂肪的干擾，減少偽影的出現，比較適合身體虛弱、難以接受頻繁檢查的老年患者。另外腔內超聲頻率較大，分辨力較高，能夠清晰顯示病變范圍[10，11]、病灶血流特點，能夠滿足臨床需求。在診斷中針對存在不明原因單側腎積水、血尿等，采用腹部低頻超聲能夠診斷，盡早發現輸尿管腔內占位病變[12]，但是聲像圖如果顯示輸尿管實質腫塊，低頻超聲診斷就容易受到多種因素影響，難以發現腫塊。高頻超聲能夠克服以上缺點，清晰顯示終端輸尿管腔內腫塊，而且能夠判斷腫瘤的性質。聲像學表現為腎集合系統分離，最終腎盂，在聲像學上能夠看到條狀無回聲區域，腫瘤區域有低回聲團塊，邊界不清晰，能夠探測到高阻力勇鲅躚流頻譜。其他研究中有學者采用腔內彩超診斷輸尿管腫瘤[13，14]，可見同側腎積水，輸尿管梗阻，部分患者伴隨其他泌尿系統腫瘤，同側盆腔淋巴結腫大等。研究結果顯示輸尿管癌超聲診斷腎實質萎縮變薄，梗阻部位輸尿管腔狹窄或者中斷，下段腫瘤部分自輸尿管口呈現菜花狀，多數腫瘤低回聲，少數中等回聲。腹部高頻和腔內超聲確診病例數差異不明顯（P>0.05），聯合診斷確診比例顯著高于腹部高頻和腔內超聲單一使用（P0.05），聯合診斷敏感性和特異性顯著高于其他兩種診斷方法（P

輸尿管癌超聲診斷中需要做好鑒別診斷工作。位于輸尿管開口的膀胱癌與輸尿管癌臨床表現類似[18]，如果輸尿管腫瘤合并輸尿管積水擴張，可以考慮屬于輸尿管腫瘤，在其他研究中，也有研究報道指出宮頸癌切除術后，膀胱壁局部增厚，輸尿管下段管腔可見實質樣低回聲，考慮是膀胱癌引起，侵犯到輸尿管。輸尿管腫瘤也有部分發生于中下段[19]，壓迫輸尿管導致管腔狹窄，容易與輸尿管周圍腫瘤相混淆，可以通過高頻探頭相鑒別診斷。在超聲診斷中，輸尿管上端容易受到腸道氣體的影響， 圖像質量不佳，回聲不強[20，21]，很容易與輸尿管結石相混淆，在臨床超聲診斷中，叮囑患者口服甘露醇，減少誤診。輸尿管結石容易引起炎性病變，表現為輸尿管管壁增厚，聲像學表現與A期病變相一致，在診斷中還需要結合患者病情診斷。

在研究中輸尿管癌存在漏診情況，考慮與以下因素有關：（1）部分超聲醫師對于輸尿管癌認識不足，沒有聯合采用多種探頭檢查辦法；（2）腹部超聲技術不高，尤其是經引導超聲檢查，需要右手持探頭，左手按壓下腹部推開腸管干擾；（3）針對存在典型臨床癥狀的輸尿管擴張，沒有及時開展追蹤掃查。當前A期和B期輸尿管癌與輸尿管息肉還存在很大診斷難度，有待尋找更多鑒別診斷依據。

總之，腹部高頻與腔內超聲聯合診斷輸尿管癌準確性更高，比常規腹部探頭檢查更加具有應用價值。

[⒖嘉南]

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篇8

關鍵詞：關鍵詞：計算機技術 虛擬現實 計算機仿真技術

一、計算機仿真發展歷史

仿真模擬方法可以追溯到1773年，法國科學家用仿真模擬的方法做物理實驗，然而，第一個用這種方法做隨機試驗的人也許是美國統計學家E.L De forest，那是在1876年。比較早而且著名的蒙特卡羅方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”為筆名時，使用了蒙特卡羅方法來證明他的t分步法；盡管蒙特卡羅法起源于1876年，但是直到約75年后，它才命名為蒙特卡羅法。其原因是直到數字計算機出現以前，這種方法在許多重要問題上不能運用。從1946年到1952年數字計算機在一些科研機構得到發展。

與今天的計算機相比，早期的計算機預算速度慢且不能存儲任何東西。現在可并行計算機已成主流。自計算機誕生以來，性能的提高，幾乎是每四五年提高100倍，每十年提高1萬倍的速度持續發展著。

二、仿真的定義和分類

1.仿真定義

計算機仿真技術是以數學理論、相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術。

仿真是在數字計算機上進行實驗的數字化技術，它包括數字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件和經濟系統，在若干周期內的特征。

系統仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術和計算技術等理論基礎之上的，以計算機和其它專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實或假想的系統進行試驗，并借助于專家經驗知識、統計數據和信息資料對實驗結果進行分析研究，進而作出決策的一門綜合性的和試驗性的學科。

三、需求牽引 技術推動

相互推動

計算機技術作為一個獨立的研究領域已有多年的歷史，計算機仿真技術隨著計算機科學技術的飛速發展，除了本身日趨成熟，并且或得了廣泛運用外，目前正面臨挑戰。

“需求牽引、技術推動“是促使計算機仿真技術在近年內去得飛速發展的重要。計算機仿真的形成是當代科學技術飛速發展的結果。

計算機仿真技術首先可以以高效地處理科學數據和解釋科學數據。其次，計算機仿真技術豐富了信息交流手段。

計算機仿真技術的形成推動工業發展、提高工業競爭能力的需要。

四、仿真軟件

仿真軟件的應用和定義

仿真建模軟件系統，是為科研人員進行仿真實驗提供支持的系統。如果在計算機上進行仿真實驗必做一場軍事演習，那么科研人員就是這場軍事演習的指揮官，仿真建模系統則為這場演習提供場地和手段。他能為指揮官加工信息、預計結果和進行輔助決策。其用途非常廣泛，經濟價值極高。仿真軟件是一項面向仿真用途的專用軟件，他的特點是面向用戶、面向問題。仿真軟件一般是由模型和描述語言、翻譯程序、使用程序、算法庫、函數庫、模型庫、運行控制程序等組成。應具有建模、運行控制、結果處理以及相關的數據庫等組成。

五、計算機仿真的基本理論

計算機仿真是由系統工程、現代數學方法和計算機技術相結合的新型學科。

計算機仿真是一種科學方法，科學研究通常有三種途徑：理論推導、科學實驗和仿真模擬。

計算機與數學學科的相互作用促進了進算計技術的發展。在本質上數學是計算機的靈魂。

在計算機仿真技術中引入人工智能技術，能夠優化系統，做到有優化機制自動修改系統參數，并啟動仿真模塊，最終獲得最優解，但在離散事件系統仿真重這種機制還處于研究階段。

新技術的研究開發、利用，大大提高計算機的仿真軟件的功能與性能，解決計算機仿真系統開發的軟件瓶頸問題。隨著以智能化、集成化、自動化、并行化、開放化以及自然化、為標志的計算機仿真軟件新技術的深入研究、開發、利用，不僅是仿真軟件的功能與性能迅速提高，而且有可能從根本上解決仿真軟件生產率低下的問題。結合軟件工程實踐，探討軟件理論，有可能從理論弄清楚軟件開發的復雜度，進而采取有效的測試進行控制，從理論與實踐兩方面解決計算機仿真系統開發的軟件瓶頸問題。

六、計算機仿真技術的支撐技術

計算機仿真技術的支撐技術主要有分布式計算機仿真技術、協同式計算機仿真技術、沉浸式計算機仿真技術、基于網絡的環境計算機仿真技術。

計算機仿真技術分布式，既是由于數據分布的需要，也是應用分布式計算環境進行并行計算，以達到實時顯示目的的重要手段，分布式計算平臺有互聯網的異構機組成，包括高性能的SMP和DSM多處理器、工作站/PC機機群系統。

來自不同地區、不同學科的學者過去式通過出差或開會等方式進行交流的，現在，隨著高速網絡投入使用，采用多媒體技術支持下是、的CSCW技術可以達到快捷、高效協同工作的目的。

計算機仿真技術采用傳統上為虛擬環境所裝用的投影式顯示設備，標志著這兩個研究方向融合的發展趨勢。由于沉浸式顯示設備能使用戶獲得臨場感，更有利于用戶獲得對數據的直觀感受，有助于結果的分析。

七、仿真系統的作用和意義

隨著軍事和科學技術的迅猛發展，仿真已成各種復雜系統研制工作的一種比不可少的手段。尤其是在航空航天領域，仿真即使已是飛行器和衛星運載工具研制必不可少的手段。在研制、堅定、和定形全過程必須全面的應用先進的仿真技術。否則，任何新型的、先進的飛行器和運載工具的研制都將是不可能的。

計算機仿真技術在軍事的應用是很廣泛的，如運用交戰模型進行的計算機仿真，新型武器裝備發展過程中的仿真、部隊作戰訓練方面的仿真、高層論證和規劃計劃中的仿真、軍事作戰理論和學術研究中的仿真、作戰指揮和戰爭計劃中的仿真，以及戰后后勤保障的仿真等。

參考文獻

篇9

【關鍵詞】城市仿真；應用系統；城市規劃

一、引言

Bill Gates認為：“在當今世界，一座城市如果不跟蹤最新觀念，將技術運用到極限，明天它就可能成為一座鬼城?！?近年來，伴隨著計算機及網絡技術的飛速發展，數字化潮流已是全球經濟發展的必然趨勢，建立在城市信息化平臺上的虛擬銀行、虛擬商務、虛擬政府、虛擬學校、虛擬影劇院、虛擬旅游、虛擬醫院等已紛紛出現。由于城市的各個子系統都可以在計算機中直觀地發映出來，從而可以很方便地對城市的物流、人流、信息流進行集中而有效的控制和管理。所以，如何利用先進的計算機技術實現現代城市本身的數字化，是城市管理者、規劃部門、企業、城市居民所共同關心的問題，而城市仿真技術作為數字城市的支撐技術之一，也成為當前的研究熱點。

二、城市仿真技術簡介

2.1什么是城市仿真

城市仿真(Urban Simulation)對大多數人來說，還是一個比較陌生的概念。簡單來說，“城市仿真”就是將“虛擬現實”技術應用在城市規劃、建筑設計等領域。近幾年，城市仿真在國內外已經得到了越來越多的應用，其前所未有的人機交互性、真實建筑空間感、大面積三維地形仿真等特性，都是傳統方式所無法比擬的。

2.2與傳統方法的比較

傳統的規劃、建筑設計表現方法基本包括以下4種：人工手繪、建筑微縮模型、建筑效果圖和三維動畫。其中，人工手繪（或非真實渲染-NPR）只是偶爾作為點綴用在早期的概念設計中。建筑效果圖、三維動畫、建筑微縮模型是目前廣泛采用的三種方式。由于其市場的成熟，單做其中某一個或幾個方面即可支撐一個中型公司(100人以下)的發展。

這三種方法雖然流行，但它們各自的不足還是很明顯的。制作建筑微縮模型需要經過大比例尺縮小，因此只能獲得建筑的鳥瞰形象，無法以正常人的視角來感受建筑空間，無法獲得在未來建筑中人的真正感受；常用的效果圖表現也只能提供靜態局部的視覺體驗；三維動畫雖然有較強的動態三維表現力，但不具備實時的交互性，人是被動的，而且對方案的修改以及觀察路線的變化需要重新計算，幾天甚至幾周后才能看到結果。

而在城市仿真應用中，人們能夠在一個虛擬的三維環境中，用動態交互的方式對未來的建筑或城區進行身臨其境的全方位的審視：可以從任意角度、距離和精細程度觀察場景；可以選擇并自由切換多種運動模式，如：行走、駕駛、飛翔等，并可以自由控制瀏覽的路線。而且，在漫游過程中，還可以實現多種設計方案、多種環境效果的實時切換比較。這是傳統的建筑效果圖和預渲染回放的三維動畫所無法達到的。

2.3城市仿真技術的重點

1、在一定軟硬件的基礎之上，創建盡可能真實的場景

在城市仿真中，場景的真實感是最為關鍵的一個因素。而如前面已提到過的，由于實時三維渲染的要求及硬件顯示能力的限制，場景的復雜程度不能太高。同時，由于實時仿真技術的限制，一些比較費時的渲染選項，如動態陰影、Bump map等實現起來還有一定困難。這些都會直接影響場景的真實感。

在硬件渲染能力的限制下，為創建盡可能真實的場景，一方面需要發掘各種軟件的功能，進行優化組合；另一方面，要發展更為高級的算法，如程序幾何（Procedural Geometry）和分形算法（Fractal Mathematics）。

但“發展算法”不是一件簡單的事，非個人所能為，只能是由某家公司開發出相應的軟件，我們再來應用。所以，從一般的制作者而言，要創建真實場景還是在于充分利用各種已存在的軟件工具。從實際的開發經驗來看，主要有以下幾種軟件：

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實時三維模型創建軟件：Multigen Creator；

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紋理處理軟件：Photoshop

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實時場景管理/驅動軟件：Vega

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輔助軟件：

建模方面可以用3DsMax/Maya輔助，Maya有免費的flt文件(Multigen Creator格式文件)輸入/輸出插件，3DsMax則要通過Okino Polytrans軟件來進行格式轉換；

在三維紋理貼圖方面，可用DeepPaint 3D和Deep UV輔助；

在燈光效果貼圖方面，可用Lightscape；

AutoCAD用于接收用戶原始DWG文件，預覽并輸出DXF。

在項目之初，就要詳細規劃、分配任務，根據任務思考如何充分利用上述各種軟件達到最終效果。除了從這幾個方面著手以外，我們所能期待的就只能是計算機硬件顯卡能力的迅速提高了。

2、在三維漫游的基礎之上，開拓新功能

不滿足于僅僅簡單的三維場景漫游，在此基礎之上進行人機互動效果的開發，并和用戶應用緊密結合，如在Vega/VC下開發數據庫點擊查詢、三維/二維結合、多媒體結合、3D GIS(地理信息系統)等。 三、城市仿真應用系統與城市規劃

由于城市規劃的關聯性和前瞻性要求較高，城市規劃一直是對全新的可視化技術需求最為迫切的領域之一。從總體規劃到城市設計，在規劃的各個階段，通過對現狀和未來的描繪（身臨其境的城市感受、實時景觀分析、建筑高度控制、多方案城市空間比較等），為改善人居生活環境，以及形成各具特色的城市風格提供了強有力的支持。規劃決策者、規劃設計者、城市建設管理者以及公眾，在城市規劃中扮演不同的角色，有效的合作是保證城市規劃最終成功的前提。城市仿真技術為這種合作提供了理想的橋梁，運用城市仿真技術建立的城市仿真應用系統能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾在一個統一的平臺上，可從任意角度，實時互動真實地看到規劃效果，更好地掌握城市的形態和理解規劃師的設計意圖，這樣決策者的宏觀決策將成為城市規劃更有機的組成部分，公眾的參與也能真正得以實現。這是傳統手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的。

3.1城市仿真應用系統的應用范圍

城市仿真應用系統可被廣泛應用于規劃設計、方案評估、領導決策、規劃審批、市民公示、宣傳展示及招商等各方面。

3.2城市仿真應用系統的特點

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仿真的虛擬環境:

類似于時下流行的三維動畫，同樣是通過強大的三維建模技術建立逼真的三維場景，對規劃項目進行真實的“再現”。但是城市仿真技術建立的虛擬環境是由基于真實數據建立的數字模型組合而成，嚴格遵循工程項目設計的標準和要求，屬于科學仿真系統；而傳統動畫的三維場景則是由動畫制作人員根據資料或想象繪制而成，與真實的環境和數據有較大的差距，嚴格意義上來說屬于一種演示作品。

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多方式、運動中感受城市空間：

在城市仿真應用系統中，可以全方位，多種樣式（步行、驅車、飛行、UFO等），完全由用戶自由控制在場景中漫游。城市仿真技術與傳統的三維動畫最根本的區別就是：傳統動畫的觀察路徑都是預先設定好的，用戶只能按照事先設定的路徑瀏覽場景；而城市仿真技術可以由用戶在三維場景中任意漫游，人機交互，甚至還可以使用專用的頭盔把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產生一種身臨其境的錯覺。這樣一來，很多不易察覺的設計缺陷能夠輕易地被發現，減少由于事先規劃不周全而造成的無可挽回的損失與遺憾，大大提高了項目的評估質量。

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實時多方案比較：

運用城市仿真應用系統，我們可以很輕松隨意的進行修改，改變建筑高度，改變建筑外立面的材質、顏色，改變綠化密度，……所看即所得，只要修改系統中的參數即可，而不需要象傳統三維動畫那樣，每做一次修改都需要對場景進行一次渲染。這樣不同的方案、不同的規劃設計意圖通過城市仿真技術實時的反映出來，用戶可以做出很全面的對比，并且城市仿真應用系統可以很快捷、方便的隨著方案的變化而作出調整，輔助用戶作出決定。從而大大加快了方案設計的速度和質量，提高了方案設計和修正的效率，也節省了大量的資金。

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三維空間信息交流：

城市仿真應用系統的沉浸感和互動性不但能夠給用戶帶來強烈、逼真的感官沖擊，獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數據接口與GIS信息相結合，從而可以在實時的虛擬環境中隨時獲取項目的數據資料，方便大型復雜工程項目的規劃、設計、投標、報批、管理等需要。此外，城市仿真應用系統還可以與網絡信息相結合，實現對三維空間數據的遠程操作。

3.3城市仿真應用系統的功用

一套完善的城市仿真應用系統能夠很好的展示城市規劃、宣傳城市建設、提升城市形象。系統根據城市的當前狀況和對城市的未來規劃，將城市的過去、現在和將來任意時間的情況展示在規劃設計者、政府決策者、投資開發者和普通市民面前。系統首先根據城市的當前狀況和對城市的規劃資料完成城市的設計，然后該系統的交互控制軟件可以幫助使用者從不同角度遍歷城市的各個部分，幫助有關人員作出決策。

提高項目管理能力和效率

規劃部門使用城市仿真應用系統，可以使方案評估更為準確、公正和快捷。另外，如果系統中需要增加新的項目，或其中的項目遇到方案修改，可以隨時導入或更新系統的數據信息，并且可供日后存檔，極大地方便了政府規劃管理部門的管理工作，提高了效率，節省了成本。

提高公眾參與度和部門協同作業

由于城市仿真技術打破了專業人士和非專業人士之間的溝通障礙，使得各部門能夠在統一的城市仿真應用系統平臺下進行交流，能更好的理解設計方的思路和各方的意見，能更快的找到問題、達成共識和解決一些設計中存在的缺陷。

提高方案設計和修正的效率

通過城市仿真應用系統，我們可以很輕松隨意對設計方案進行修改，改變用地布局，改變建筑高度，改變綠化密度，改變外立面的顏色……所看即所得，只要修改系統中的參數就可以輕松實現，大大加快了方案設計的速度和質量。

提高展示和城市形象宣傳的效果

城市仿真應用系統的沉浸感和交互性不但能夠讓用戶獲得身臨其境的體驗，同時還能隨時獲取項目的相關數據資料。對于公眾關心的大型規劃項目，在項目方案設計過程中，城市仿真應用系統可以將現有的方案導出為視頻文件用來制作多媒體資料予以一定程度的公示，讓公眾真正的參與到項目中來。當項目方案最終確定后，也可以通過視頻輸出制作多媒體宣傳片，進一步提高項目的宣傳展示效果。

四、結語

篇10

關鍵詞: OpenGL，三維模型，系統仿真

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

中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：

1、引言

系統仿真是近30 年在系統科學、系統識別、控制理論、計算技術和控制工程等多種技術發展基礎上發展起來的一門綜合性很強的新興技術。計算機系統仿真就是，以計算機為工具，以相似原理、仿真技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術。從計算機系統仿真的定義可以看出，計算機系統仿真包含了三個方面的信息（三要素）：系統、模型、計算機，而聯系著它們三者之間的基本活動是：系統模型建立、仿真模型建立、仿真試驗。

“系統”是指被研究的對象，任何事物都不是孤立地存在著的。因此，仿真研究的對象也不可避免地與其周圍的環境之間存在著相互聯系。建立系統模型就是要把待研究的系統從周圍的環境中界定出來，并把它描述成數學模型。建立被研究系統的數學模型， 就是為了能用計算機語言實現。從數學模型到仿真模型的轉換過程，就是仿真模型建立。只有經過轉換后的仿真模型才能為計算機識別并運行。綜上所述，建立仿真模型是系統仿真的關鍵一環，選擇什么工具來建模也顯的由為重要。在這里就我們的課題，工業機器人動態仿真選用的工具OpenGL來探討。

2、 OpenGL 的功能特點

OpenGL 是SGI 公司推出的三維圖形庫（GL），它表現突出，易于使用而且功能強大。利用GL開發出來的三維應用軟件頗受許多專業技術人員的喜愛，隨著計算機技術的繼續發展，GL 已經進一步發展成為OpenGL，OpenGL 已被認為是高性能圖形和交互式視景處理的標準。OpenGL最大的特點首先是與硬件無關，可以在不同的平臺上得于實現，用OpenGL編制的程序，可以隨心所欲的控制三維模型，由于OpenGL同時提供了顏色緩存、模板緩存、深度緩存、累積緩存等基于雙緩存技術的動畫操作函數，因而可以實現實時的虛擬仿真。其次是建模方便，OpenGL不僅提供基本的三維幾何像素生成函數，而且提供了大量的點、線、面以及曲線曲面等基本圖元操作函數，可以構建相當復雜的幾何造型。第三個特點是高度的真實感顯示，由于OpenGL 提供了大量的著色、光照、景深、陰影、混合、消隱、反走樣、明暗處理、圖像處理、紋理映像、深度檢測等功能函數，保證了三維仿真圖形顯示具有高度的真實感。第四OpenGL 具有出色的編程特性，OpenGL 體系結構評審委員會獨立地負責OpenGL規范，使之具有通分的獨立性。程序的通用性和可移植性。由于OpenGL可以集成到各種標準視窗和操作系統中，因此基于OpenGL的三維仿真程序有良好的通用性和可移植性。最后是應用廣泛，Microsoft 、SGI、IBM、SUN、HP 等都采用OpenGL作為三維圖形標準，許多其它軟件商也紛紛以OpenGL作為基礎來開發自己的產品，目前已成為高質量三維圖形的工業標準 。

3、OpenGL 在仿真中的應用

以上的優點決定了OpenGL在建立仿真模型時的優越性，我們在建立多自由度工業機器人模型時選用了OpenGL。

3.1 工作過程

OpenGL的指令的解釋模型是客戶/服務器模式，既客戶(試圖用 OpenGL進行繪制工作的應用程序)向服務器(OpenGL的內核)命令，這些OpenGL命令由服務器來解釋?；诳蛻?服務器模式，在網絡環境下很容易使用OpenGL，且在不同計算機上的多個客戶可以得到在其它計算機上服務器的服務。這樣OpenGL就具有網絡透明性。

OpenGL的庫函數被封裝在Openg132.dll動態鏈接庫中，從客戶應用程序的對OpenGL函數的調用首先被Opengl32處理，在傳給服務器后，被Winsrv.dll進一步進行處理，然后傳遞給DDI(Divice Driver Interface)，最后傳遞給視屏驅動程序。

3.2建立的仿真模型

由于機器人是一個復雜的物體，為了建模的方便，有必要把它分解為一個個圖形模塊。然后把模塊集成起來，組成整個機器人模型，同時我們知道工業機器人大體上是由機座，關節和桿件聯接組成，據于此我們設置了如下三個圖形

模塊函數：

（1）基座模塊函數

（2）桿件模塊函數

（3）關節模塊函數

各個模塊按不同的順序進行組合,經過大量的平移和旋轉，然后渲染就能得到效果圖。

我們可以進行多自由度工業機器人的運動分析和動力分析，相對簡化了工業機器人的開發過程，降低開發費用，縮短開發周期。

參考文獻

[1]吳重光主編.仿真技術[M].北京: 化學工業出版社,2000,5.

[2]Richard S.Wright ,Jr.Michael.OpenGL超級寶典[M].北京: 人民郵電出版社, 2001,6.