仿真系統(tǒng)范文10篇

摘要：分析數(shù)控加工仿真系統(tǒng)技術(shù)，介紹數(shù)控加工仿真技術(shù)的研究成果，提出目前數(shù)控加工和仿真方面存在的一些問(wèn)題，以及仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工仿真系統(tǒng)；幾何仿真技術(shù)；物理仿真技術(shù)；數(shù)控加工數(shù)據(jù)庫(kù)

隨著科技的進(jìn)步，產(chǎn)品的研發(fā)周期越來(lái)越短，很多企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)始體現(xiàn)在產(chǎn)品的更新?lián)Q代上。因此新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間決定著企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。最近十幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使與計(jì)算機(jī)配套的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在產(chǎn)品的研發(fā)中發(fā)揮著非常重要的作用。在這種背景下又出現(xiàn)了虛擬制造技術(shù)。這種技術(shù)可以使一個(gè)產(chǎn)品從研發(fā)初期到產(chǎn)品裝配都具有模擬狀態(tài)，并且對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。使設(shè)計(jì)人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)提出改進(jìn)措施。保證產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中不斷優(yōu)化，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功率，同時(shí)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，減小產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，極大提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)能為人們提供更優(yōu)秀的產(chǎn)品，主要的應(yīng)用是在加工過(guò)程中進(jìn)行仿真，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的一些科研機(jī)構(gòu)認(rèn)為，制造業(yè)的發(fā)展必須要解決的幾個(gè)問(wèn)題，其中一個(gè)就是制造技術(shù)的建模和仿真技術(shù)。這種技術(shù)已經(jīng)成為虛擬制造技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，這種技術(shù)如果運(yùn)用在機(jī)床上可以對(duì)機(jī)床刀具加工信息進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，然后通過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。這是一種非常先進(jìn)的技術(shù)，不但可以保證機(jī)床的有效運(yùn)行還能保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1數(shù)控加工仿真系統(tǒng)研究

1.1數(shù)控加工幾何仿真技術(shù)。數(shù)控加工的幾何仿真是數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，最初數(shù)控加工的仿真主要是幾何仿真。其條件是在加工過(guò)程是一個(gè)幾何問(wèn)題，沒(méi)有其他的因素。近幾年隨著幾何仿真技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的仿真軟件，其中最具有代表性的是Pro/ENGINEER，UG等。目前對(duì)幾何的仿真技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在場(chǎng)景建模方面也取得了一定成就，數(shù)控加工過(guò)程中碰撞干涉檢驗(yàn)一直是一個(gè)非常難的問(wèn)題，同時(shí)也是非常重要的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題很多學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，得出了很多優(yōu)秀的、成熟的算法，這些算法基本上包括2種：一種是基于圖形的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)，一種是基于圖像的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)。基于圖形的實(shí)時(shí)碰撞算法主要是將物體作為包圍盒，對(duì)包圍盒進(jìn)行求交計(jì)算。當(dāng)包圍盒相交時(shí)其包圍的幾何體才可能相交，如果包圍盒不相交那么其包圍的幾何體就不一定相交，這樣就可以通過(guò)這種方法很快的找到相交的幾何部位。這種方法受到的場(chǎng)景影響較大，對(duì)于一些非常復(fù)雜的場(chǎng)景分析比較困難。因此除了要保證仿真的精度以外還要進(jìn)一步提高算法的實(shí)時(shí)性。另外一種算法是基于圖像的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)，其主要是利用物體的2D投影的圖像和深度的信息進(jìn)行相交分析。這種算法具有很多的優(yōu)點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)有①能夠降低CPU（CentralProcessingUnit，中央處理單元）的計(jì)算負(fù)荷；②平穩(wěn)性很高；③這種算法適合一些復(fù)雜的碰撞檢驗(yàn)；④這種算法的發(fā)展前景很大。但是這種算法也存在一些問(wèn)題，其中最主要的問(wèn)題是運(yùn)算過(guò)程中需要占用很大的內(nèi)存，導(dǎo)致從硬件中讀取深度值時(shí)就比較困難，仿真效率大大降低。1.2數(shù)控加工物理仿真技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)開(kāi)始運(yùn)用一些先進(jìn)的仿真技術(shù)，其中物理仿真是仿真技術(shù)的研究重點(diǎn)。物理仿真主要是將切削過(guò)程中的一些過(guò)程映射到制造系統(tǒng)中，然后對(duì)實(shí)際加工進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，找出影響切削精度的一些因素，然后采取措施對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，這種技術(shù)也是目前比較先進(jìn)的技術(shù)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中的問(wèn)題，提高加工質(zhì)量。1.3人工智能預(yù)測(cè)模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工智能的發(fā)展也加快了速度，目前在人工智能方面出現(xiàn)了大量的算法。比如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，這些算法都是非常優(yōu)秀的算法。在智能系統(tǒng)中可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化一些制造參數(shù)，其預(yù)測(cè)精度非常高。但不同類(lèi)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的精度有非常大的差別。人工智能預(yù)測(cè)模型的出現(xiàn)大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。1.4機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫(kù)。機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)于20世紀(jì)末，世界上很多國(guó)家都加入了機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)國(guó)家都收集大量的數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)，傳到加工數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種數(shù)據(jù)庫(kù)可以使不同國(guó)家的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從中找出一些數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。雖然這種機(jī)械加工數(shù)據(jù)庫(kù)給各個(gè)國(guó)家?guī)?lái)了方便，但是它還是存在一些缺點(diǎn)。比如在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)沒(méi)有考慮一致性問(wèn)題，對(duì)各個(gè)國(guó)家的使用者都是比較麻煩的，同時(shí)這種數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有考慮機(jī)床的影響，很多信息不準(zhǔn)確。除了以上問(wèn)題以外，還有一個(gè)非常重要的問(wèn)題是由于加工過(guò)程中復(fù)雜和隨機(jī)性，很多測(cè)量技術(shù)需要借助實(shí)驗(yàn)，前人得到的數(shù)據(jù)無(wú)法代替實(shí)際生產(chǎn)。

2數(shù)控加工仿真系統(tǒng)存在的問(wèn)題及發(fā)展方向

1引言

計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)是仿真的依托，形象地說(shuō)成是仿真的大舞臺(tái)也很貼切，最準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)當(dāng)是，計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)是基于仿真的系統(tǒng)研究不可或缺的實(shí)驗(yàn)工具。每個(gè)仿真應(yīng)用領(lǐng)域，有了各自適用的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，才能給出具有所需置信度的仿真結(jié)果。大量實(shí)例表明，仿真技術(shù)的有效應(yīng)用，必須依托于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng);只有服務(wù)于應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的發(fā)展，才能帶動(dòng)仿真技術(shù)的發(fā)展。但是，迄今為止，國(guó)內(nèi)外依然存在著建立仿真應(yīng)用的時(shí)間太長(zhǎng)、費(fèi)用太高問(wèn)題。原因就在于缺乏正確的技術(shù)理論指導(dǎo)，或盲目追求大而全，或低水平地重復(fù)。顯然，在需求牽引、技術(shù)推動(dòng)、經(jīng)濟(jì)支撐下，緊跟時(shí)代前進(jìn)步伐，要用信息化理念和方法建立計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。正如王恒霖等人(2003)在《仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書(shū)中所說(shuō)，高新技術(shù)與先進(jìn)管理相結(jié)合才可能有高質(zhì)量仿真系統(tǒng)的誕生。

2現(xiàn)有計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)

現(xiàn)有許多計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、仿真試驗(yàn)室、仿真中心可供參考。諸如美國(guó)亞那巴馬州紅石兵工廠的高級(jí)仿真中心(ASC)、以法爾肯空軍基地國(guó)家試驗(yàn)中心為核心的美國(guó)國(guó)家試驗(yàn)臺(tái)、德國(guó)航空航天試驗(yàn)院的空間運(yùn)行中心、中國(guó)航天部門(mén)遍布全國(guó)各地的仿真中心、國(guó)防科大三院的分布實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(KD－DRTSS)和基于SOA的仿真服務(wù)系統(tǒng)(SOA－basedsimulationservicesystem)、基于SystemC的片上系統(tǒng)(Systemonchip，SoC)等。國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，真是琳瑯滿目。它們按空間分布不同可分為集中式、分布式和嵌入式三大類(lèi)型。國(guó)內(nèi)外集中式計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)經(jīng)過(guò)模擬仿真系統(tǒng)、混合仿真系統(tǒng)和數(shù)字仿真系統(tǒng)三大里程碑式地發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，數(shù)字仿真在計(jì)算機(jī)仿真中獨(dú)占鰲頭，從此以后，集中式計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是數(shù)字式的，而且大都采用便于獨(dú)立集中管理的主機(jī)－終端的體系結(jié)構(gòu)，并能進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真，而且隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，正在虛擬化、智能化。虛擬化使得計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)用虛擬樣機(jī)取代物理樣機(jī)，從而能夠廣泛用于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軍事演習(xí)、復(fù)雜操作訓(xùn)練、過(guò)程排演等領(lǐng)域。智能化使得計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)有機(jī)地融合人工智能技術(shù)，以適應(yīng)信息化的需要。同時(shí)，還應(yīng)該采用“結(jié)構(gòu)規(guī)模優(yōu)化”方法，構(gòu)造多級(jí)結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、多段結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與綜合，設(shè)計(jì)高性能價(jià)格比的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從主機(jī)—終端模式，向客戶機(jī)—服務(wù)器模式、集中—分布模式發(fā)展。20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)了分布交互式仿真(DIS)系統(tǒng)，而且發(fā)展迅速，很快由基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的DIS成為其主流。多年實(shí)踐表明，HLA尚有許多需要改進(jìn)的地方。現(xiàn)在，美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)認(rèn)識(shí)到HLA是必要的，但僅有HLA卻是不夠的。目前經(jīng)濟(jì)有效的方案無(wú)非是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、協(xié)同化把地理分布較廣的現(xiàn)有仿真設(shè)施組成一個(gè)新的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。現(xiàn)在看來(lái)，性能價(jià)格比最高者當(dāng)是多微機(jī)DIS系統(tǒng)，它不僅具有HLA的優(yōu)點(diǎn)，而且彌補(bǔ)HLA不足，使邦員內(nèi)部也有重用性和互操作性，而且具有結(jié)構(gòu)仿真、實(shí)況仿真和虛擬仿真等功能。當(dāng)前，欲將傳統(tǒng)DIS許多成果用到HLA中，就得考慮HLA和DIS兩系統(tǒng)之間的互聯(lián)方式。一般來(lái)說(shuō)有兩種方式，即網(wǎng)關(guān)方式和中間件方式。兩者的主要區(qū)別在于:網(wǎng)關(guān)方式以運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的轉(zhuǎn)換，在該方式中將外部HLA邦員和DIS實(shí)體作為輸入值，然后實(shí)現(xiàn)兩者之間的互操作，而中間件方式則將轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)做為應(yīng)用程序的一系列類(lèi)嵌入在程序中，并通過(guò)執(zhí)行應(yīng)用程序?qū)IS和HLA中的相關(guān)信息輸出。基于這兩種基本方式，目前有四種相關(guān)的實(shí)現(xiàn)技術(shù):①打包技術(shù)將軟件直接嵌入到DIS底層接口，在數(shù)據(jù)傳送前將DIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HLA數(shù)據(jù)模式，并在接收數(shù)據(jù)后將HLA數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換成DIS數(shù)據(jù)格式，顯然無(wú)需特殊的硬件支持。②本地化技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)本地的HLA仿真，這意味著所有網(wǎng)絡(luò)接口都要包括一個(gè)仿真軟件。這樣可以很好地實(shí)現(xiàn)所有HLA的特性，但初始化傳輸時(shí)大量的程序修改以及相關(guān)協(xié)議的改變。③轉(zhuǎn)換器技術(shù)提供單獨(dú)的應(yīng)用程序，一般來(lái)說(shuō)，要使用單獨(dú)的計(jì)算機(jī)來(lái)完成轉(zhuǎn)換功能，雖然無(wú)需對(duì)仿真程序作任何修改，但仿真延時(shí)相應(yīng)有所增加。④協(xié)議接口單元(PIU)技術(shù)通過(guò)定義API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，這是DIS/HLA轉(zhuǎn)換方式中較好的選擇方案。嵌入式計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)(Embeddedcomputersimulationsystem)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。其基本特征是小型化、可隨身攜帶，一般通過(guò)軟件和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，但硬件成本較高，而軟件具有靈活和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。軟硬件劃分的結(jié)果直接決定嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院郭金金等人(2010)提出一種新的嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分算法，先采用嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成有向無(wú)環(huán)圖，可將嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)多條件約束問(wèn)題，用螞蟻放置于有向無(wú)環(huán)圖頂點(diǎn)上，對(duì)系統(tǒng)軟硬件劃分準(zhǔn)確率作為螞蟻算法優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)蟻群算法搜索最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，有效避免傳統(tǒng)劃分算法搜索陷入局部最小，大幅度降低搜索時(shí)間。當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域一個(gè)十分重要的研究課題是，如何讓嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時(shí)保持一定的性能并安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外廣泛探索，但往往缺乏支持動(dòng)態(tài)安全策略的設(shè)計(jì)思想，對(duì)嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時(shí)如何保護(hù)系統(tǒng)安全、保持系統(tǒng)的性能，并將破壞降低等方面的研究較少。哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙國(guó)冬等人基于模式匹配方法研發(fā)了安全等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在不顯著增加系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)前提下，有效地阻止系統(tǒng)異常的產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的彈性應(yīng)對(duì)能力。無(wú)論那種類(lèi)型，計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)通常由數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備(實(shí)物)和一些專用、通用設(shè)備組成，且具有現(xiàn)代化技術(shù)水平，兼有構(gòu)造仿真、實(shí)況仿真和虛擬仿真三種功能。計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的中心，當(dāng)然是數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，諸如，單片機(jī)、單板機(jī)、仿真機(jī)系統(tǒng)、微機(jī)系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)、小巨型機(jī)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)等等。它們各自都包括硬、軟件兩部分。數(shù)字計(jì)算機(jī)的機(jī)型往往直接決定著計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的類(lèi)型，用戶可從中選擇經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)型。通用設(shè)備就是商品化的觀測(cè)記錄設(shè)備，信號(hào)發(fā)生器，聲像通信設(shè)備等，而系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備(實(shí)物)和一些專用設(shè)備，隨仿真應(yīng)用領(lǐng)域不同差別甚大。比如，航空航天領(lǐng)域的飛行仿真系統(tǒng)，除了需要控制系統(tǒng)實(shí)物以外，還需要轉(zhuǎn)臺(tái)、負(fù)載臺(tái)、離心機(jī)、必要的模擬器和實(shí)物操作臺(tái)等專用設(shè)備。

3計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)

1)多層次使能技術(shù)美國(guó)國(guó)防科學(xué)局(1997)認(rèn)為，建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，必須解決實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，即下述五個(gè)層次使能技術(shù):①基礎(chǔ)技術(shù)(光纖通訊、集成電路、軟件工具、人的行為模型、環(huán)境模型等);②元、部件級(jí)技術(shù)(內(nèi)存、顯示、局域網(wǎng)、微處理器、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，建模與仿真構(gòu)造工具，測(cè)試設(shè)備等);③系統(tǒng)級(jí)技術(shù)(微機(jī)系統(tǒng)，人一機(jī)界面，遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、計(jì)算機(jī)圖像生成等);④應(yīng)用級(jí)技術(shù)(制造過(guò)程仿真、工程設(shè)計(jì)建模與仿真，含人仿真系統(tǒng)，隨機(jī)作戰(zhàn)仿真等);⑤集成綜合仿真環(huán)境技術(shù)(樣機(jī)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)與制造，訓(xùn)練與備戰(zhàn)，測(cè)試與評(píng)估等)。其中，大部份的硬件和網(wǎng)絡(luò)能力由商業(yè)市場(chǎng)作為成熟產(chǎn)品提供，如微機(jī)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、人一機(jī)界面、計(jì)算機(jī)圖像生成、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、局域網(wǎng)、光纖通訊、軟件工程工具等，而有些如制造過(guò)程仿真，工程設(shè)計(jì)建模與仿真，隨機(jī)作戰(zhàn)仿真，環(huán)境模型等滿足軍用仿真需求者都由國(guó)防部組織解決。

毋庸置疑，殲、強(qiáng)擊機(jī)利用航炮攻擊是作戰(zhàn)中其配合地面進(jìn)行協(xié)同必須具有的基本戰(zhàn)術(shù)。如何提高射擊精度，則是利用航炮射擊時(shí)必須關(guān)注的問(wèn)題。筆者基于航炮武器系統(tǒng)的射擊條件，分析了影響其射擊精度的外在因素，在此基礎(chǔ)之上，依托現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套綜合性仿真評(píng)估系統(tǒng)，并借助戰(zhàn)例及其仿真結(jié)果闡述了開(kāi)發(fā)航炮射擊評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)際意義。該綜合性仿真評(píng)估系統(tǒng)既可為進(jìn)一步研究航炮武器系統(tǒng)的效能提供技術(shù)支撐，又可從作戰(zhàn)使用的角度為航炮的使用提供重要參考。

1影響因素分析

航炮射擊的特點(diǎn)是：

1)攻擊時(shí)需考慮攻擊機(jī)進(jìn)入的方向、角度和時(shí)機(jī)等。

2)受飛機(jī)性能和安全高度的限制比較大。

3)作戰(zhàn)中需考慮氣象條件。綜合航炮武器使用的特點(diǎn)，并結(jié)合彈丸散布理論，將這一問(wèn)題歸納為陣風(fēng)和人為因素對(duì)航炮射擊的影響。

摘要：分析了自動(dòng)化運(yùn)維安全管控現(xiàn)狀，介紹了堡壘機(jī)的基本功能，并按相關(guān)要求在電力監(jiān)控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中部署了堡壘機(jī)，提出了堡壘機(jī)“一個(gè)目標(biāo)、三種角色”的培訓(xùn)方案，開(kāi)發(fā)了堡壘機(jī)培訓(xùn)項(xiàng)目，以提高自動(dòng)化運(yùn)維安全管控水平。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化運(yùn)維；安全管控；堡壘機(jī)；培訓(xùn)

電力行業(yè)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全問(wèn)題至關(guān)重要，如果維護(hù)人員違規(guī)操作導(dǎo)致信息安全事件，會(huì)造成難以挽回的損失和影響。堡壘機(jī)在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過(guò)不同方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)分析處理，確保網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定。堡壘機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行與企業(yè)數(shù)據(jù)安全有著直接聯(lián)系。堡壘機(jī)從最早的跳板機(jī)發(fā)展為目前的第三代堡壘機(jī)，可接管終端計(jì)算機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的訪問(wèn)，并可融合多種用戶使用要求，其支持的協(xié)議也逐漸增加，例如FTP協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)議、Web應(yīng)用協(xié)議、網(wǎng)管協(xié)議等。目前電力運(yùn)維堡壘機(jī)的建設(shè)工作陸續(xù)開(kāi)展，但現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)堡壘機(jī)功能和使用方法的了解有待加強(qiáng)。本文在調(diào)度自動(dòng)化仿真系統(tǒng)中部署堡壘機(jī)，并對(duì)學(xué)員開(kāi)展堡壘機(jī)相關(guān)培訓(xùn)。堡壘機(jī)可在不改變業(yè)務(wù)系統(tǒng)原有架構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部違規(guī)操作風(fēng)險(xiǎn)的有效控制，從而提升學(xué)員的職業(yè)素養(yǎng)，預(yù)防內(nèi)部信息安全事件的發(fā)生。

1自動(dòng)化運(yùn)維安全管控現(xiàn)狀

傳統(tǒng)運(yùn)維模式下，運(yùn)維人員主要通過(guò)KVM（Key?boardVideoMouse，簡(jiǎn)稱KVM）或直連信息設(shè)備進(jìn)行變更、配置、備份與維護(hù)等操作，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)［1］。

1.1賬號(hào)及授權(quán)管理混亂

1基于OpenGL的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

OpenGL是SGI研發(fā)的一種三維圖形接口，通過(guò)該接口獲得的三維圖形效果更為逼真，質(zhì)量更高，這也是目前交互式圖形處理的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。Win32下OpenGL是一種與硬件、窗口系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)獨(dú)立的API具有過(guò)程性特點(diǎn)，其命令解釋模式的命令由客戶發(fā)出，被服務(wù)器解釋并處理，其中含有上百個(gè)庫(kù)函數(shù)，在運(yùn)行時(shí)只需添加相應(yīng)的動(dòng)態(tài)庫(kù)便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)OpenGL的支持。OpenGL的功能可以概括為以下幾點(diǎn)：①幾何建模。除點(diǎn)、線、多邊形繪制函數(shù)外，OpenGL圖形庫(kù)還提供了椎體、多面體等復(fù)雜三維物體以及曲線、曲面繪制函數(shù)。②坐標(biāo)變換。通常坐標(biāo)變換主要有視圖變換、造型變換、視口變換和投影變換四種，OpenGL還能完成矩陣變換以及附加剪裁面變換。③光照與材質(zhì)。光照分為輻射光、鏡面光、環(huán)境光和漫反射光，可設(shè)置8個(gè)光源，用光反射率表示材質(zhì)。④設(shè)置顏色模式。包括顏色索引模式和RGBA顏色模式。此外還具有紋理映射、位圖顯示和圖像增強(qiáng)以及雙緩存實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)和人機(jī)交互技術(shù)功能。

2數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的功能模塊及仿真實(shí)現(xiàn)

2.1加工仿真系統(tǒng)各功能模塊

在數(shù)控切削加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)三維仿真可根據(jù)輸入的NC代碼要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真，這一過(guò)程可分為數(shù)據(jù)收集和輸入、幾何實(shí)體模型構(gòu)造、圖形仿真結(jié)果交互等階段，各階段都賦予了相應(yīng)的定義，為使動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真達(dá)到交互性、準(zhǔn)確性和有效性的要求，應(yīng)對(duì)各功能模塊進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)以軟件用戶界面和內(nèi)部計(jì)算檢查過(guò)程為主體，軟件用戶界面由公共模塊、NC代碼編輯模塊、仿真顯示模塊和加工控制模塊構(gòu)成，其中，公共模塊對(duì)CFild類(lèi)的成員函數(shù)有所繼承，其功能顯示在File下拉菜單；NC代碼編輯模塊具有強(qiáng)大的文本編輯功能，對(duì)于一些較為簡(jiǎn)單的加工零件無(wú)需預(yù)先編程，除一般記事本基本功能外，還設(shè)有互鎖功能，可對(duì)編輯后的代碼進(jìn)行讀寫(xiě)切換，更好地保護(hù)代碼，保證加工順利進(jìn)行；仿真顯示模塊將圖像和數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，通過(guò)調(diào)節(jié)窗口便能夠觀察到加工工件，圖像和數(shù)據(jù)信息由OpenGL收集，其處理過(guò)程為：圖像操作/逐個(gè)頂點(diǎn)操作→光柵化→各片段操作→幀緩沖區(qū)→仿真圖像顯示；加工控制模塊根據(jù)代碼檢查解釋加工進(jìn)給信息，整個(gè)路線為：回參考點(diǎn)→對(duì)刀→開(kāi)始加工→暫停加工→退出加工[2]。內(nèi)部計(jì)算檢查過(guò)程包括內(nèi)部模塊和外部數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)部模塊由NC代碼檢查和解釋模塊、代碼過(guò)濾以及內(nèi)部仿真計(jì)算構(gòu)成。

2.2三維模型在OpenGL中的實(shí)現(xiàn)

摘要：自20世紀(jì)80年代末至今，我國(guó)的仿真技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)有電廠仿真、電網(wǎng)運(yùn)行工況仿真和變電所仿真。一般說(shuō)來(lái)，凡是需要有一個(gè)或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制、管理與決策的實(shí)際系統(tǒng)，都需要對(duì)這些人員進(jìn)行培訓(xùn)、教育與培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)電力系統(tǒng)

自20世紀(jì)80年代末至今，我國(guó)的仿真技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)有電廠仿真、電網(wǎng)運(yùn)行工況仿真和變電所仿真。一般說(shuō)來(lái)，凡是需要有一個(gè)或一組熟練人員進(jìn)行操作、控制、管理與決策的實(shí)際系統(tǒng)，都需要對(duì)這些人員進(jìn)行培訓(xùn)、教育與培養(yǎng)。早期的培訓(xùn)大都是經(jīng)過(guò)理論講解和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，通過(guò)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的積累來(lái)完成的，這種培訓(xùn)方式因是在實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)上進(jìn)行操作，不僅培訓(xùn)成本高、培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)，而且有些故障只能在實(shí)際發(fā)生時(shí)才能得到實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，致使一部分知識(shí)只有感性認(rèn)識(shí)，得不到實(shí)際操作的鍛煉。隨著系統(tǒng)規(guī)模的加大、復(fù)雜程度的提高，特別是造價(jià)日益昂貴，訓(xùn)練時(shí)因操作不當(dāng)引起的破壞而帶來(lái)的損失大大增加，因此，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性事關(guān)重大。為解決這些問(wèn)題，出現(xiàn)了培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，模擬實(shí)際系統(tǒng)的工作狀況和運(yùn)行環(huán)境，以避免運(yùn)用實(shí)際系統(tǒng)時(shí)可能帶來(lái)的危險(xiǎn)性及高昂的代價(jià)。

變電所培訓(xùn)仿真系統(tǒng)集仿真技術(shù)、圖形圖象技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)于一體，依據(jù)變電所電力設(shè)備實(shí)物、一次設(shè)備和二次設(shè)備接線圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，如主控室、控制屏、保護(hù)屏及設(shè)備連接狀況，可在模擬設(shè)備和二次接線圖上進(jìn)行相應(yīng)操作，采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊的操作方式，簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)(見(jiàn)圖1)。這種方式使變電運(yùn)行人員的培訓(xùn)手段大大更新，提高了培訓(xùn)效率，縮短了培訓(xùn)周期。也進(jìn)一步提高了運(yùn)行人員的正確判斷和處理事故的能力，防止事故擴(kuò)大化和縮短事故處理時(shí)間，從而確保電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1

1變電所仿真的現(xiàn)狀

［摘要］目的探討基于醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真平臺(tái)的考核系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱虛擬仿真考核系統(tǒng)）在影像斷層解剖學(xué)考核中的應(yīng)用效果。方法選取錦州醫(yī)科大學(xué)2015、2016級(jí)五年制醫(yī)學(xué)影像專業(yè)學(xué)生177人作為研究對(duì)象，其中2016級(jí)作為觀察組，2015級(jí)作為對(duì)照組。觀察組采用虛擬仿真考核系統(tǒng)進(jìn)行考核，對(duì)照組采用傳統(tǒng)考核方法，比較2組考核成績(jī)，并采用調(diào)查問(wèn)卷調(diào)查學(xué)生對(duì)考核方式的滿意度。結(jié)果觀察組考核成績(jī)?yōu)椋?4．75±5．48）分，明顯高于對(duì)照組的（71．03±7．03）分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05）。2組考核方式滿意度比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05）。結(jié)論虛擬仿真考核系統(tǒng)可以顯著提高課程考核效率和學(xué)生滿意度，能更好地促進(jìn)課程教與學(xué)，讓考核服務(wù)于教學(xué)，實(shí)現(xiàn)以能力為導(dǎo)向的考核目標(biāo)。

［關(guān)鍵詞］醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真系統(tǒng)；影像斷層解剖學(xué)；虛擬教學(xué)；考核

影像斷層解剖學(xué)與影像診斷學(xué)、核醫(yī)學(xué)、放射醫(yī)療醫(yī)學(xué)等學(xué)科有著密切聯(lián)系，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)重要的基礎(chǔ)學(xué)科［1］，起著溝通基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的橋梁作用，在醫(yī)學(xué)教育中具有十分重要的作用和地位［2］。該課程的學(xué)習(xí)效果直接影響著未來(lái)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的考核方式主要偏向理論，容易導(dǎo)致學(xué)生不能將所學(xué)知識(shí)很好地與臨床相結(jié)合。近年來(lái)，本校推進(jìn)實(shí)施了醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真平臺(tái)，在醫(yī)學(xué)影像理論和實(shí)踐教學(xué)研究方面提供了新的研究思路和解決方案［3］。本研究采用基于醫(yī)學(xué)影像虛擬仿真平臺(tái)的考核系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱虛擬仿真考核系統(tǒng)），建立影像斷層解剖學(xué)題庫(kù)，全面覆蓋考點(diǎn)，以理論內(nèi)容與實(shí)際影像圖片檢查相結(jié)合的方式，幫助學(xué)生構(gòu)建良好的影像空間感及建立“整體－斷層－整體”的影像思維方式［4］，實(shí)現(xiàn)了以臨床實(shí)踐能力為導(dǎo)向的考核目標(biāo)。

1資料與方法

1．1一般資料選取錦州醫(yī)科大學(xué)2015、2016級(jí)五年制醫(yī)學(xué)影像專業(yè)學(xué)生177人作為研究對(duì)象，其中2016級(jí)作為觀察組，2015級(jí)作為對(duì)照組。2組一般資料比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0．05）。1．2方法2組由同一教師授課，對(duì)照組采用傳統(tǒng)考核方法，利用紙質(zhì)試卷進(jìn)行答題。觀察組采用虛擬仿真考核系統(tǒng)進(jìn)行考核。按照影像斷層解剖學(xué)不同章節(jié)建立題庫(kù)，每個(gè)章節(jié)根據(jù)教學(xué)大綱重點(diǎn)、難點(diǎn)比例選取影像圖片，要求考點(diǎn)題目圖片清晰、結(jié)構(gòu)明確。每個(gè)章節(jié)編輯題目數(shù)不低于200個(gè)，選取的影像圖片數(shù)不低于400個(gè)，上傳到虛擬仿真考核系統(tǒng)后，根據(jù)考點(diǎn)編輯題目。試題難度按照比例分配，中等難度占50％，低難度占25％，高難度占25％。考試題型主要包括單選題、填空題、名詞解釋題、簡(jiǎn)答題。將編輯后的題目進(jìn)行分類(lèi)匯總，建立抽題系統(tǒng)，并結(jié)合雨課堂等手機(jī)軟件建立線上、線下考核系統(tǒng)。2組考核題型一致，試題難度經(jīng)教研室專家組評(píng)測(cè)一致，均為100道題，答題時(shí)間為2h，分值均為100分。2組試卷主觀題部分由相同教師閱卷，統(tǒng)計(jì)2組考核成績(jī)。在考核結(jié)束后，采用調(diào)查問(wèn)卷調(diào)查學(xué)生對(duì)考核方式的滿意度，包括教學(xué)匹配度較好、有利于實(shí)踐應(yīng)用、能減輕復(fù)習(xí)難度、有效反應(yīng)所學(xué)知識(shí)，其中非常滿意為10分，比較滿意為7．5分，一般為5分，比較不滿意為2．5分，非常不滿意為0分。本次調(diào)查共發(fā)放問(wèn)卷177份，回收有效問(wèn)卷177份，有效回收率為100％。1．3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS22．0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料以x±s表示，組間比較采用t檢驗(yàn)。P＜0．05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

摘要：基于MATLABGUI的《信號(hào)與系統(tǒng)》課程仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要是利用MATLAB的強(qiáng)大功能，繪制出《信號(hào)與系統(tǒng)》中不同沖激函數(shù)的響應(yīng)，方便對(duì)比學(xué)習(xí)不同的波形。在該仿真平臺(tái)中，分別設(shè)計(jì)一個(gè)主界面和八個(gè)子界面：主界面是設(shè)計(jì)平臺(tái)的總?cè)肟冢ㄟ^(guò)GUIDE工具箱中的各個(gè)控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)子界面的跳轉(zhuǎn)，使得子界面與主界面相互聯(lián)系，方便用戶使用；子界面中包括《信號(hào)與系統(tǒng)》一書(shū)中八個(gè)章節(jié)的內(nèi)容。在該平臺(tái)中，用戶可以反復(fù)多次地輸入不同信號(hào)的不同參數(shù)，使得平臺(tái)產(chǎn)生不同的波形，這對(duì)于研究信號(hào)的響應(yīng)十分便利。

關(guān)鍵詞：MATLAB；信號(hào)與系統(tǒng)；仿真平臺(tái)；可視化；交互式；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)可視化和交互式的《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為必然[1-2]。通過(guò)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，可以讓學(xué)生和老師以及其他用戶直接地觀看到仿真波形，使得大家對(duì)于較為晦澀難懂的原理有更好的理解和掌握，為教學(xué)和研究提供了諸多便利[3-6]。為此，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)功能以及波形顯示功能的MATLABGUI工具便成了最好的選擇。利用MATLAB設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以為用戶提供形象的仿真波形，顯示不同信號(hào)在不同激勵(lì)下的響應(yīng)。與此同時(shí)，GUIDE工具中還含有各種控件，方便人們依據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)建具有不同功能的虛擬操作平臺(tái)[7-10]。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

摘要：運(yùn)用仿真軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控課程教學(xué)，解決教育資源不足、教學(xué)短缺、學(xué)生操作機(jī)會(huì)少等問(wèn)題。將理論知識(shí)與實(shí)際操作進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的新型教學(xué)方法，可以幫助學(xué)生更加便捷地理解數(shù)控方面的理論，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)控技術(shù)與知識(shí)的掌握能力，獲得更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)控；仿真軟件系統(tǒng)；教學(xué)效果

在數(shù)控實(shí)習(xí)教學(xué)工作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇應(yīng)用數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)。選擇與實(shí)際需要相符合的軟件，能在很大程度上加強(qiáng)數(shù)控學(xué)科教學(xué)效果。在實(shí)際操作過(guò)程中，有效掌握數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)所適合的應(yīng)用對(duì)象及整體范圍，能幫助數(shù)控學(xué)科教師更好地對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化與完善，提升教學(xué)效果。通過(guò)多年積累的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)得出，宇龍數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)應(yīng)用在數(shù)控學(xué)科的教學(xué)工作中，既能改善教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)資金不足的問(wèn)題，又能使理論知識(shí)與實(shí)際操作完美結(jié)合，激發(fā)學(xué)生在數(shù)控操作方面的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力，并且在不斷訓(xùn)練的過(guò)程中加強(qiáng)操作熟練度。數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)在教學(xué)工作中的運(yùn)用，對(duì)于教學(xué)方法來(lái)講是一次重要的改革，通過(guò)這種方式展開(kāi)教學(xué)工作，在很大程度上減少了數(shù)控教學(xué)工作所需要花費(fèi)的經(jīng)濟(jì)成本，并且對(duì)過(guò)去所應(yīng)用的傳統(tǒng)教學(xué)方法做出了進(jìn)一步的優(yōu)化，使原本抽象的問(wèn)題變得更加形象。

1當(dāng)前數(shù)控教學(xué)分析

從目前的實(shí)際情況來(lái)看，數(shù)控這一學(xué)科已成為各職業(yè)院校普遍重視的專業(yè)。從根本上講，數(shù)控學(xué)科的學(xué)習(xí)是重視實(shí)踐作用的，只有通過(guò)不斷的實(shí)際操作，才能將數(shù)控的相關(guān)理論知識(shí)確實(shí)有效地轉(zhuǎn)變成能實(shí)際應(yīng)用在操作中的數(shù)控技術(shù)。數(shù)控技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用時(shí)一定要通過(guò)機(jī)床，因此，具備實(shí)踐活動(dòng)能力的課堂教學(xué)一定要保證有足夠的硬件設(shè)備供學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。雖說(shuō)目前職業(yè)院校在國(guó)家政策支持的背景之下引進(jìn)了一些數(shù)控硬件設(shè)備，但從根本上講，學(xué)校是進(jìn)行新型人才培養(yǎng)的平臺(tái)，并不能只注重?cái)?shù)控教學(xué)的相關(guān)服務(wù)，因此在硬件設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)方面、以及學(xué)校內(nèi)部教學(xué)場(chǎng)地不足方面都對(duì)數(shù)控技術(shù)的實(shí)際操作教學(xué)造成了一定的阻礙。同時(shí)，數(shù)控硬件設(shè)備需要操作人員自身能力較高，學(xué)生屬于數(shù)控技術(shù)的初學(xué)者，暫時(shí)還沒(méi)有全方位掌握數(shù)控技術(shù)的操作方法，在此基礎(chǔ)上，直接在機(jī)床進(jìn)行操作很容易造成硬件設(shè)備損壞。對(duì)此，為了保證學(xué)生實(shí)際操作的安全性以及學(xué)校方面的經(jīng)濟(jì)投入，越來(lái)越多的職業(yè)院校運(yùn)用數(shù)控仿真軟件系統(tǒng)與實(shí)際機(jī)床操作相結(jié)合的方法進(jìn)行數(shù)控學(xué)科的教學(xué)。

2仿真軟件系統(tǒng)在數(shù)控教學(xué)中的重要性

《電力系統(tǒng)分析》是電氣工程及其自動(dòng)化本科類(lèi)教學(xué)的核心課程,做好電力系統(tǒng)分析實(shí)習(xí)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。電力系統(tǒng)分析課程涉及的知識(shí)點(diǎn)較多,理解起來(lái)有難度,另外由于該課程為專業(yè)限選課,在大三下學(xué)期才開(kāi)課,學(xué)生對(duì)此學(xué)習(xí)積極性不高。由于該校實(shí)驗(yàn)室條件的限制,目前僅有1個(gè)場(chǎng)地和硬件資源有限的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,要開(kāi)展一些涉及高壓部分的實(shí)驗(yàn),需要更多的資金和實(shí)驗(yàn)室老師去支持,但這些在短期內(nèi)暫時(shí)無(wú)法解決。基于目前的現(xiàn)狀,綜合了目前常用的PSCAD/EMTDC、BPA、PSASP和Matlab/simulink等常見(jiàn)的電力系統(tǒng)仿真軟件的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將PSCAD仿真軟件用于電力系統(tǒng)實(shí)習(xí)中。PSCAD仿真軟件具有完整的元件庫(kù),可針對(duì)不同的大小交直流系統(tǒng)建模,豐富的可視化界面,可使復(fù)雜的電力系統(tǒng)進(jìn)行可視化[1]。PSCAD還可以通過(guò)特殊的接口訪問(wèn)和使用與Matlab命令和工具箱功能的能力,與學(xué)生常用的Matlab/simulink可以相互聯(lián)系起來(lái)[2]。采用PSCAD仿真軟件可以解決系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性限制、場(chǎng)地條件限制、絕對(duì)安全性和接觸電力系統(tǒng)中的前沿技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)[3],保證學(xué)生實(shí)習(xí)的質(zhì)量,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的積極性,為了以后的學(xué)習(xí)和工作奠定良好的基礎(chǔ)。

1PSCAD電力系統(tǒng)仿真分析軟件

PSCAD的概念最初是在1988年被提出,針對(duì)Windows系統(tǒng)的PSCAD是在1999年才[4]。目前已成為世界上功能最強(qiáng)大和廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件。PSCAD包括繪圖功能、儀表和控制,允許用戶以圖形化的方式建立電力系統(tǒng)電路,進(jìn)行仿真后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,還可以使用戶在仿真運(yùn)行中改變參數(shù),對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)等。PSCAD具備電力系統(tǒng)中從簡(jiǎn)單無(wú)源元件和控制功能到更加復(fù)雜的電動(dòng)機(jī)、柔性交流輸電設(shè)備和輸電線路等設(shè)備的模型,這些模型都是經(jīng)過(guò)已經(jīng)編程和測(cè)試的仿真模型。如果搭建的電力系統(tǒng)仿真模型中,沒(méi)有所需的特殊模型,PSCAD可以提供給用戶自建模型。PSCAD設(shè)有主元件庫(kù),提供常用的模型有:(1)無(wú)源元件(Passive),包括電阻、電感、電容、固定/可變負(fù)載、電抗器和避雷器等;(2)電源(Source),包括電壓源、電流源和光伏電源等;(3)儀表(Meters),包括頻率/相位/有效值測(cè)量表、電壓表和電流表等;(4)I/O設(shè)備(I/O_Devices),包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出、其他軟件接口和多重運(yùn)行等;(5)變壓器(Transformers),包括單相雙/三繞組、三相雙/三/四繞組和自耦變壓器等;(6)斷路器故障(Breakers_Faults),包括單/三相斷路器及其定時(shí)控制邏輯、模擬單相和三相故障及其定時(shí)控制邏輯等;(7)輸電線路電纜(Tlines_Cables),包括導(dǎo)納/阻抗數(shù)據(jù)或?qū)w/絕緣屬性、地阻抗數(shù)據(jù)以及所有塔和導(dǎo)體的幾何位置、電氣接口元件等;(8)電動(dòng)機(jī)(Machines),包括籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、繞線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)以及勵(lì)磁機(jī)、調(diào)速器、水輪機(jī)、汽輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等;(9)控制元件(ControlSystemsModelingFunctions),包括線性和非線性控制元件;(10)保護(hù)(Protection),包括保護(hù)信號(hào)的采集、監(jiān)測(cè)和繼電保護(hù)模型等;(11)其他元件(Miscellaneous),包括文件引用/讀取、輸入輸出和節(jié)點(diǎn)等。PSCAD仿真軟件可以用來(lái)仿真模擬進(jìn)行電力系統(tǒng)中元件參數(shù)及其物理含義、電力系統(tǒng)對(duì)稱和不對(duì)稱故障仿真、電力系統(tǒng)簡(jiǎn)單和復(fù)雜潮流計(jì)算以及有功和無(wú)功功率控制等,還可以將電力系統(tǒng)與電力電子結(jié)合起來(lái),比如新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和電能質(zhì)量(SVC、STATCOM)的應(yīng)用等。學(xué)生通過(guò)自己搭建部分模型,可以親自操作。

2電力系統(tǒng)仿真實(shí)例

電力系統(tǒng)實(shí)習(xí)主要是去發(fā)電廠、變電站等,這些單位出于安全的需要,不會(huì)讓學(xué)生參與實(shí)際的操作,往往是只能看。以電力系統(tǒng)故障為例,學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)不能體驗(yàn)到故障發(fā)生和處理過(guò)程,像電力單位的一些工作多年的專業(yè)人員,碰到事故和處理事故時(shí),也可能會(huì)不知所措。一些高校通過(guò)購(gòu)買(mǎi)專業(yè)的物理模擬仿真系統(tǒng),但這些花費(fèi)很高、場(chǎng)地大,對(duì)于該校現(xiàn)有的資源不可能滿足。所以,電力系統(tǒng)中的故障,特別是單相接地短路、兩相短路、兩相短路接地和三相短路的橫向故障,通過(guò)PSCAD仿真軟件可以模擬故障發(fā)生和恢復(fù)后各個(gè)量的變化。因篇幅有限,這里僅對(duì)電力系統(tǒng)橫向故障中的三相短路進(jìn)行介紹。PSCAD軟件電力系統(tǒng)仿真軟件計(jì)算機(jī)需求:(1)MicrosoftWindowsVista或Windows7操作系統(tǒng),32bit或64bit;(2)附件軟件IntelFortanComposerXE20112,Microsoft.NETFramwork4.0Full3,MicrosoftVisualC++2010Redistributables;首先通過(guò)講解PSCAD的基本知識(shí),然后設(shè)置相關(guān)的任務(wù)要求,最后以學(xué)生為中心,自己動(dòng)手搭建35kV單側(cè)電源輸電系統(tǒng),如圖1所示。其中BAK為斷路器,Tline和Tline1的長(zhǎng)度均為20km,每公里電抗為0.4Ω的架空線路。負(fù)載的有功功率為15MW,無(wú)功功率為5MVAR。升壓變壓器為三角型/星型接法,降壓變壓器為星型/三角形接法。通過(guò)FAULTS模塊設(shè)置故障,TimedFaultLogic模塊設(shè)置故障發(fā)生時(shí)間為0.08s,故障持續(xù)時(shí)間為0.04s。采用工程研究方法,通過(guò)分析數(shù)字仿真結(jié)果,找出其內(nèi)在規(guī)律,然后再通過(guò)理論進(jìn)行分析,對(duì)比在不同量的變化下,電力系統(tǒng)相關(guān)量的變化,這樣可以有助于學(xué)生加深對(duì)電力系統(tǒng)故障知識(shí)的理解。三相短路故障時(shí)電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的故障,以該故障為例對(duì)其進(jìn)行仿真分析。發(fā)生三相短路故障時(shí),電源端的三相電壓電流波形和故障點(diǎn)的三相電壓、三相電流波形如圖2所示。由圖2可知,發(fā)生三相短路故障時(shí),電源端的三相電壓只有微小的波動(dòng),沒(méi)有發(fā)生顯著的變化;電源端的三相電流幅值增大,A相電流呈整體上升趨勢(shì),B相和C相電流呈整體下降趨勢(shì)。故障點(diǎn)電壓由于發(fā)生三相短路,電壓均為0V,當(dāng)故障切除后,三相電壓發(fā)生暫態(tài)波動(dòng),但很快就恢復(fù)到正弦變化;在故障發(fā)生前,由于故障發(fā)生器處于斷開(kāi)狀態(tài),因此故障點(diǎn)處的三相電流均為0A,在發(fā)生三相短路故障后,由于閉合時(shí)有初始輸入量和初始狀態(tài)量,故障點(diǎn)三相幅值都變大,并且A相電流波形上移,C相電流波形下移,在故障排除后,三相電流迅速變?yōu)?A。通過(guò)電力系統(tǒng)仿真,可以產(chǎn)生如下實(shí)習(xí)效果:(1)加深了專業(yè)理論知識(shí),理論聯(lián)系實(shí)際,有助于學(xué)生提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用、查找文獻(xiàn)、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力;(2)對(duì)于電力系統(tǒng)更為復(fù)雜的建模系統(tǒng),學(xué)生可以組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行建模,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新精神;(3)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,學(xué)生根據(jù)布置的任務(wù)主動(dòng)去學(xué)習(xí),激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望,每處理完一個(gè)小問(wèn)題他們感到很有成就感。以上這些都為以后的工作和研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3結(jié)語(yǔ)