关键词：计算机仿真；虚拟样机；试验；基于仿真的采办；装备采办
引言
从20世纪90年代开始，美国国防部为了更好、更快、更省地采购和部署满足21世纪军事需求的武器系统，进行了一系列卓有成效的防务采办改革，提出了基于仿真的采办（Simulation Based Acquisition，SBA）的概念。基于仿真的采办的核心思想是通过采用建模与仿真技术，以并行、迭代、柔性的思想指导武器系统的开发与采办，实现武器系统全生命周期各阶段的协同工作，是对传统采办在过程、支持环境和采办文化上的变革与创新。经过多年的实践与发展，基于仿真的采办得到美国军方和工业界的充分肯定，他们认为，基于仿真的采办可为切实缩短武器装备的研制周期、减少资源消耗、降低采办风险、提高装备质量。
虚拟样机（Virtual Prototype，VP）是基于仿真的采办中的一个重要概念，是建模与仿真技术在其中的一个最重要的应用形式。它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练，成为缩短产品开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力的重要手段。
随着高新技术成果大量地应用于武器装备，武器装备变得越来越复杂。传统的串行采办过程，论证方、用户方、研制方和评估方分离的采办制度将很难适应未来武器装备的发展需求。因此，可以借鉴美军基于仿真的采办的成功经验，以并行、迭代、柔性的思想指导武器装备的开发与采办，用虚拟样机代替物理样机参与武器装备的预研、方案论证、工程研制、定型试验等过程阶段的试验与评估，并将试验与评估的结果直接反馈于武器装备的设计与研制，通过并行、迭代、柔性的方式不断地改进和完善武器装备的设计，更好地适应与满足未来不断变化的军事作战需求，降低武器装备的开发风险和开发成本，缩短研制周期，提高产品质量。
1虚拟样机技术
根据美国国防部建模与仿真办公室（DefenseModeling and Simulation office，DMSO）的定义，武器装备的虚拟样机是指在需求分析、方案论证、系统设计、演示验证等阶段使用的、代替武器装备实物样机的数字模拟产品。虚拟样机将建模与仿真技术扩展到新产品研制开发的全过程。它以计算机支持的协同工作为技术基础，通过支持协同工作、CAD、CAM、建模与仿真、产品分析、计算可视化、虚拟现实的计算机工具，将各个集成化产品小组（IntegratedProduct Team，IPT）的设计与分析人员联系在一起，共同完成新产品的概念探讨、运作分析、初步设计、详细设计、可制造性分析、性能评估、生产计划和生产管理等工作。
利用虚拟样机代替物理样机，可缩短开发周期，降低开发和测试成本，改进设计质量。利用虚拟样机，可使产品的设计者、使用者和评估者在产品研制的早期，在虚拟环境中，直观形象地对虚拟样机进行优化设计、性能测试、制造和使用仿真，对启迪设计创新、减少设计错误有着重要意义。
1.1虚拟样机技术的特点
1.1.1虚拟样机在产品的全生命周期中是不断进化的
李伯虎院士等学者认为，利用虚拟样机技术开发虚拟样机的过程，实质上是一种产品全生命周期基于模型的不断提炼与完善的过程。不仅如此，作者还认为，在产品的全生命周期内，随着论证方、研制方、使用方和评估方对产品认识的不断加深，虚拟样机的开发是一个不断进化、不断完善的过程。虚拟样机经过不断地迭代，逐步完善，逐渐逼近最终的实际物理样机，最后研制方根据最终的虚拟样机生产制造出满足设计目标的物理样机。
在进行系统论证时，由于对产品的认识还不深入，论证方仅仅能够勾勒出产品的大概轮廓，提出产品的主要战技指标要求，对于虚拟样机的许多细节，暂时还无法进行确定。当进行系统设计时，随着对产品设计的全面展开，虚拟样机的细节逐步丰满，产品的组成、工作流程、内外部接口等内容不断丰富，虚拟样机得到了初步地进化与完善。在后续的虚拟制造、虚拟试验、虚拟使用等环节，制造方、试验方和使用方会发现产品在论证与设计中的许多问题与缺陷，不断地提出产品的改进意见。这些都反馈到产品的论证方与设计方，对虚拟样机的设计进行修改完善，实现虚拟样机的不断进化，最后形成最终的虚拟样机产品，如图1所示。
1.1.2虚拟样机成为论证方、用户方、研制方和评估方之间直观的交流语言
以往，产品的论证方、用户方、研制方和评估方之间的交流主要通过各种文书实现，包括研制任务书、设计方案、设计图样、试验报告和使用说明书等文件。一方面，这些文件数量庞大，读完并理解需要耗费较长时间；另一方面，这些文书不直观，各方对文书的理解存在偏差，很难使各方对产品形成统一完整的认识。这些不利于各方之间的交流沟通，也直接影响到武器装备的作战使用。
利用虚拟样机，就很容易使各方对产品的认识具体化，形象化。论证方向研制方说明研制目标和要求时，可以将其论证的虚拟样机运行于仿真作战环境中，直观形象地展现武器装备的作战环境、作战目标、作战过程、使用要求、战技指标等，使双方沟通更通畅，更容易达到一致的认识；当用户培训操作手时，就可以直接利用虚拟样机，这样不仅能够比较容易地发现武器装备的设计问题和缺陷，而且武器装备的技术特点、使用特点也会直观立现，也使得部队能够在战时更好地运用武器装备，使用武器装备。
1.1.3虚拟样机利于增量式开发的实现
增量式开发是指，已经识别了武器装备的预期能力，对于其终能力的需求是明确的。最终能力需求是可以通过多次增量开发得到满足，但武器装备的每次增量开发取决于当前的技术成熟度。这是为了平衡技术成熟度和研发风险、费用以及用户能力需求紧迫性之间的关系。这样就允许核心作战能力可以快速投入战场来满足作战需求。这种策略可以随着技术的逐步成熟，将作战能力以连续增量的方式投入战场。增量式开发可以加快技术进步到战斗生成之间的转化，缩短武器装备的采办周期，形成“研制一批、生成一批、装备一批”的武器装备持续发展局面，使得关键技术进步可以快速形成战斗力。
虚拟样机的并行、迭代、柔性的开发过程与增量式的开发过程非常吻合，使增量式开发的过程较容易实现。另一方面，虚拟样机的模型复用技术也可以与增量式开发相结合，在增量式的开发过程中大量地使用模型复用技术，进一步加快开发过程，缩短开发周期，快速技术进步向战斗力的转换。
1.2虚拟样机技术的应用
目前虚拟样机技术已经显示出其强大的生命力，广泛的应用于航空、航天、车辆、机械等领域。波音777就是一个采用虚拟样机技术的典范，它首次采用虚拟样机技术实现了包含300万个零件的波音777飞机全过程无图纸设计。在11个月的时间里，设计小组利用虚拟样机完成了751个飞行小时的机翼测试，730个地面小时的飞行性能测试，1088个飞行小时的推进器性能测试，770个飞行小时的飞行稳定性测试，830个地面小时的飞行开发，1280个飞行小时用于ETOP，913个地面小时用于系统验证，共8384个测试小时，他们耗费了最短的时间进行了历史上最长时间的测试，减少了94%的费用和93%的设计更改。
随着仿真技术的发展，虚拟样机技术与武器系统的结合也越来越紧密。例如美国麦道公司采用虚拟样机技术研究F/A-18战斗机的发动机装配问题，可以在30分钟内确定发动机是否能够完全适应飞机及维修设备的需要；美国研制第4代战斗机F22的过程中，虚拟样机试验与评估以及风洞试验的经费比是6：4；美国“响尾蛇”空空导弹的三个型号，由于采用了虚拟样机技术，靶试的实弹数由129发减少到35发；在“爱国者”、“罗兰特”和“尾刺”地空导弹的研制过程中，节省研制经费10%～40%，缩短研制周期30%～40%，这三个地空导弹的靶试情况如表1所示。
李伯虎院士等人是在国内较早开展虚拟样机研究的技术团队之一。他们基于国家863/CIMS航天并行工程项目，开展了复杂系统的虚拟样机技术研究、应用与初步实践，并开发了具有自主知识产权的虚拟样机支撑平台，并将虚拟样机技术成功地应用于航天飞行器的设计与制造。
另外，虚拟样机技术在国内已成功地应用于导弹、火炮、轻武器等武器系统的设计与制造领域，也成功应用于机器人、数控机床、拖拉机等装备的设计与制造领域，甚至也应用于过山车和乒乓球发球机等娱乐设备的设计与制造领域。
2虚拟样机试验
2.1虚拟样机试验可以使传统的串行采办过程并行化
由图2可知，传统的采办过程是一种串行的采办过程，装备试验与评价活动并未贯穿装备的整个采办寿命周期，主要处于工程研制阶段之后，生产部署之前。传统的装备试验与评价活动基本上是以单件装备型号产品为试验对象，试验目的基本上是为了检验装备型号产品的各个单项性能指标是否达到了初始设计要求。利用虚拟样机试验就可以将传统的串行采办过程转变为如图3所示的并行的采办过程。
2.2虚拟样机可以弥补试验时物理样机数量上的不足
一般来说，装备在进行定型试验之前，生产的数量都极少，不能满足今后体系效能试验的数量要求。由于经费、生产能力等方面的原因，研制方又不可能生产出符合体系效能试验数量要求的装备。因此，在体系效能试验之前，对虚拟样机进行验模与评估，确保虚拟样机能够代替物理样机参加试验；试验时，利用虚拟样机代替部分物理样机，构建体系效能试验环境，驱动试验运行；试验后，对虚拟样机和物理样机的表现进行综合分析，评估装备的体系对抗效能。
2.3可以将LVC仿真资源进行综合集成构建逼真的虚拟样机试验环境
仿真资源通常可分为真实（Live）、虚拟（Virtual）和构造（Constructive）3种。真实仿真资源是指在部分虚拟的环境中由真实的人操作真实的装备；虚拟仿真资源是指在虚拟环境中由真实的人操作虚拟的装备；构造仿真资源是指在虚拟环境中由虚拟的人操作虚拟的装备。在装备的论证、研制、试验和使用过程中，产生了大量的IVC仿真资源，这些资源面向不同的仿真应用，满足了不同的仿真需求。在进行虚拟样机试验时应很好地继承LVC仿真资源，面向实战，进行综合集成，构建逼真的虚拟样机仿真试验环境。
[关键词]虚拟仿真技术 服装工艺教学 应用实践
[中图分类号]G712 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2014）09-0205-01
先进计算机技术在不断的快速发展，相关软硬件技术也在同步发展，在服装教学上出现了一种虚拟仿真技术，它以逐渐在教育过程被应用，在教学过程中形成了虚拟仿真教学模式。这种教学模式对服装教育教学工作，给予了好的教学思路，尤其是在服装教学的技术上，又出现了新的成果。虚拟仿真技术作为一种新型媒体技术，它的主要特点是具有多样性、形象性、灵活性、交互性、个别性、重复性等。在教学过程中充分发挥的特性是，对客观现实的模拟，在教学过程中也给学生提供一个虚拟仿真的技能实践环境，将客观存在的服装企业生产各环节和应用技术呈现给学生，可以让学生直面地去发现问题、了解问题，以及解决问题。进一步有效地使学生更清楚地了解实物，从而让学生发现更多、更具体、更完整的专业技能知识，更加深刻地认识专业技能的应用性，更好地掌握教学知识，更完善地使用专业技术。在服装专业工艺教学中采用虚拟仿真技术，可以使企业情景再现，使学生更了解教学技术，也可以减少教学资金的使用，进一步提高学生技术操作能力。在服装工艺教学上采用虚拟仿真技术，可以使服装专业技术得到进一步发展，在服装技术上开创一个新的教学技术“虚拟仿真数字化教学”，它展示了服装设计艺术的发展，同时它也是现代教学的重要标志。
一、虚拟仿真技术在服装教学中的应用特点
在服装教学上体现虚拟仿真技术的特点主要有教学方法的形象化、教学情境的仿真性以及教学内容比较实用。1.教学方式的形象化，在服装工艺虚拟仿真教学的特色就是教学方式的形象化。在服装企业的生产技术、生产顺序，以及服装工艺教学通过虚拟仿真技术，学生可以直面地了解以及学习。这样可以进一步加强学生对该专业的技能及知识的学习与了解，最终掌握相应技术，在很大程度上降低了教师在教学中的工作量，而且也最大限度地实现了教学目标。2.教学情境的仿真性，这是服装工艺虚拟仿真教学的关键所在，可以将服装企业的生产状况采用虚拟技术进行模拟，学生可以直观地看到服装生产场景，利于学生的学习与思考。通过虚拟仿真服装生产场景，可以使学生在虚拟仿真情景学习中能够感受到服装企业生产场景以及其他问题，这样可以进一步提高学生技术的实践能力。3.教学内容实用性，在服装工艺虚拟仿真教学中的基础是教学内容的实用性。在进行服装工艺学科教学中，它的实践性以及技术性都比较强，所以教师在服装工艺技能教学过程中，应该对现代英语技术的实用性进行充分考虑，在服装工艺理论教学过程中，也要注意加强服装工艺技术理论知识。只有充分发挥服装工艺理论教学的实用性，才能不让虚拟仿真技术在对服装工艺教学内容中失去本身意义，才能更有效地培养现代生产技术型人才。
二、服装工艺教学中虚拟仿真技术的应用
服装工艺教师在教学过程中，为了进一步实现以上三个应用特点，必须创设合理的虚拟仿真平台，该平台的构成主要包含软件平台和硬件平台。通过该平台的应用，学生可以对服装工艺直观、充分地进行了解。1.仿真软件平台。创建该平台主要的内容可以设置为服装企业的现代生产技术，以此进行仿真操作，创设仿真软件平台，包含服装工艺虚拟仿真教学系统软件的设计与开发及制作，它可以使学生更了解生产过程，掌握更多知识。2.仿真硬件平台。该平台可以为学生提供有效的操作场地以及工具，同时它也是开展服装工艺虚拟仿真教学的基础问题。有一个完整的操作场所以及实践设施，这直接关系着服装工作教学的质量问题以及工作效率。
三、结语
在服装工艺教学中采用虚拟仿真技术，各个方面的发展上具有一定的促进作用，也进一步使服装企业得到了较快的发展，应用于教学中优势也非常明显，有效降低了教学设备资金成本及教学场地的投入，而且更新非常方便，很好地发挥了示范教学的作用，对教学资源的利用率也得到了提高。因此，在当前及以后服装工艺教学中，教师应该对虚拟仿真技术有一个正确的了解和认识，根据教学实际情况，采用合理措施，与教学内容充分结合在一起，从根本上提高服装工艺教学的质量。
【参考文献】
[1]王勤龙.基于虚拟线技术的现代远程教育应用研究[J].计算机应用，2011（07）.
关键词：虚拟仿真技术；市政工程技术；实践教学
中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）45-0257-03
Abstract：Occupation education is employment oriented education，vocational education is the core problem of occupation education in higher vocational colleges，how to better complete municipal engineering technology students practice teaching is an important issue at present，with the rapid development of virtual simulation technology and application in high vocational colleges practical teaching，greatly accelerated the modernization of education in the process，improve the level and quality of practice teaching，practical teaching itself also has a very important theoretical and practical significance，this technology can also be used to the application in the practice of municipal engineering technology professional teaching.
Keywords：Virtual simulation technology，Municipal Engineering Technology，Practice Teaching
职业学校市政工程技术专业课程教学是融专业理论基础知识的学习与实践教学于一体的学科，具有较强的实践性。面向企业、市场根据其所需，强化专业实践教学功能，为企业与市场培养应用技术型实用人才，是当前市政工程技术专业教学的主要任务。市政工程专业人才的培养离不开技能的实训，但是由于施工档期、条件、交通、安全等条件的限制，大多数的实训环节不得不在校内解决，然而校内实训也仅限于土工实训、钢筋实训、砌筑实训等一些基本的基础操作，并没有涉及到像桩基础的施工一样的整个工程施工操作流程及施工工艺，而对于市政工程专业，道路的施工技术、管道的施工技术以及桥涵的施工技术这三门专业课程的实践教学对于培养学生的专业技能来说是至关重要的，如何实现这三门课程的实践教学是我们职业教育市政工程专业要重点考虑的问题。
一、虚拟仿真教学及其特点
虚拟仿真教学[1]是随着计算机虚拟现实技术和仿真技术在教育中的应用而逐渐发展起来的一种计算机辅助教学方式。虚拟现实技术[2]是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境。用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互并相互影响，从而获得身临其境的感受和体验。虚拟仿真教学就是基于虚拟现实技术所生成的虚拟仿真环境，并依据真实环境中的相关理论和实践操作规程在虚拟仿真环境中进行相应的设计、操作、验证和运行等的教学方式。
虚拟仿真教学技术以提高学生的技能水平为核心，具有如下特点[3]。
1.打破时空限制，具有灵活性。虚拟仿真教学可以摆脱传统现场教学地点固定、时间有限、设备不足和内容难改的局面，学生只要在计算机中安装了虚拟仿真软件，就可以把虚拟仿真教学延伸到教室、宿舍甚至家庭，随时随地的运用虚拟仿真教学软件进行学习和探索，突破了时间和空间的限制，使学习变得更加灵活。
2.节约教学成本，具有高效性。虚拟仿真教学与实物教学相比，设备和资金投入少，更新、维护方便。学生在虚拟仿真教学平台上，无需完成实物教学中的许多重复性工作，缩短了学生完成工作任务的时间。同时，针对存在的问题还可进行反复的操作训练，也不用考虑设备的损坏和材料的消耗，极大地节约教学成本，提高了学习效率。
3.避免各种危险，具有安全性。众所周知，土工工程等企业由于生产规模庞大，并且具有高温、环境恶劣、噪声高、施工条件复杂多等特点，使现场教学存在较大的危险。而虚拟仿真教学，可以使学生沉浸在仿真实训室的虚拟仿真环境中，身临其境地去完成各种危险的或对人体有害的操作，而不用担心操作失误所带来的各种危险，消除学生的思想顾虑，减少误操作的几率，提高操作质量。
4.激发学习兴趣，具有自主性。虚拟仿真教学可以调动学生学习的积极性和主动性。学生在虚拟仿真教学环境中，自主控制学习行为，完成学习任务，在自主学习和协作学习的过程中获得全新的感受，启发学生思维，激发学习兴趣，充分体现学习的自主性。
这些特点有益于教师的实训教学和学生专业核心技能的训练，为解决职业教育面临的实训难、实习难和就业难等问题开辟了一条新思路。
二、虚拟仿真实训教学发展现状
虚拟仿真实训教学技术源于国外，在国外已经取得广泛的应用，也发展到了一个相对较高的水平。国内高职院校也在大力发展虚拟仿真实训教学，并取得了一定的进展，很多高职院校都建立了虚拟仿真实训室。一些社会资源也投入到虚拟仿真实训教学软件的开发之中，专门从事虚拟仿真教学系统开发的企业也应运而生。
目前，高职院校很多专业，如数控技术、焊接技术、机电技术、食品加工、服装设计等专业都引入了虚拟仿真实训教学方式[4]。国内陆续成立了一些开发虚拟仿真教学软件的公司，开发出一些仿真教学软件平台，如广州迪客信息科技有限公司为物流、市场营销和电子商务等专业提供了虚拟仿真实训教学软件。部分高职院校采购了虚拟仿真软件公司的产品，为学校虚拟仿真实践教学的发展注入了新的活力。
随着虚拟仿真实训技术的发展，实训教学内容、实训教学手段、实训教学设备也将发生新的变革，传统的校内、外实训基地模式也将向着校内、外实训基地与虚拟仿真实训相结合的实训模式方向发展。只有制订虚实结合、融人信息化要素的实训基地建设方案，才能符合职业教育教学技能实训规律，实现智能化实训教学的目的，使学生提早了解工厂、了解岗位、了解工作环境。虚拟仿真实训教学软件可以再现岗位、现场、作业过程，为职业教育课程改革提供了重要的支撑。
虚拟仿真教学的另一个重要功能是它能够满足学生自我测试学习成绩的客观需求[5]，同时，教师也可以通过随机搜索达到即时考核的目的，随时监控学生的学习状态，分析学生在线学习能力，等等。这种形式各异、种类繁多和评价标准与社会接轨的考试考核，能够调动学生学习的自觉性，激发其学习热情。
三、虚拟仿真教学在市政工程专业教学中应用的可能性
伴随着国家示范性学校建设工作的展开，苏州建设交通高等职业技术学校在建筑工程技术专业中也与虚拟仿真教学软件开发公司合作开发了建筑工程虚拟仿真实训教学系统软件，该仿真教学系统以分部分项工程为基础，设计了22个较为典型的分项工程的施工工艺仿真操作，其内容包含地基与基础施工工艺仿真系统、砌体结构工程施工工艺仿真系统、混凝土结构工程施工工艺仿真系统、脚手架施工工艺仿真系统等，并且还在进一步的完善过程中。整个仿真教学系统以实际工程项目为主线，以施工任务为引领，突出技能训练；强调职场情景，全部在三维场景下进行，重视教学设计，不同的知识单元含有诸如教学资源、工程图纸、施工准备、规范及标准等多种情境和技能训练教学模块。
运用现代虚拟仿真技术，把工程现场情景化，创造了施工过程交互性的功能，能很好的解决当前土建类专业的传统教学难题。这种实训教学方式的应用只需学生在计算机中安装虚拟仿真软件，就可以把虚拟仿真教学延伸到教室、宿舍甚至家庭，随时随地运用虚拟仿真教学软件进行学习和探索，打破了时空的限制，具有灵活性。与实训基地教学相比，设备和资金投入少，更新、维护方便，无需完成实物教学中的许多重复性工作，缩短了学生完成工作任务的时间，针对存在的问题还可进行反复的操作训练，不用考虑设备的损坏和材料的消耗，极大地节约了教学成本，提高了学习效率。
高职市政工程技术专业与建筑工程技术专业存在很多共同点，比如职业岗位生产环境复杂、生产设备庞大昂贵且危险性大等。企业出于经济效益和安全考虑，不可能同意将课程的全部教学内容都安排在生产现场，学校也不可能将生产车间搬进课堂，工学结合问题较为突出。在高职市政工程技术专业实训教学环节中引入虚拟仿真技术，不仅能够降低教学成本，还能以其广泛的适用性、开放性等特点，丰富教学形式，优化教学效果，加快高素质技能型人才培养的速度和质量。另外，虚拟仿真实训教学技术的应用对于革新高职市政工程专业教学理念、推动高职市政工程专业实训教学改革、解决部分实训教学难题等方面都有非常重要的意义。无论作为一种教学技术，还是作为独立的教学媒介，虚拟仿真技术都是非常重要的教学手段，在市政工程专业中应用前景十分广阔，亟待进一步开发利用。
参考文献：
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[2]李金国，杨林生，李云贵.虚拟现实技术应用于高职模具实训教学的有效性探究[J].职教论坛，2010，（3）：69-71.
[3]杜一宁.虚拟实验的研究现状以及在教学中的意义[J].浙江海洋学院学报，2010，29（4）：390-393.
[4]林徐润，段虎.虚拟仿真技术在高职实训教学中的应用[J].深圳信息职业技术学院学报，2012，6（2）：21-24.
[5]吴勇.以信息化与虚拟仿真推动职业教育教学改革[J].广州城市职业学院学报，2011，5（4）：22-25.
【论文摘要将虚拟仿真技术引进教学领域后对传统教学手段产生了强烈冲击。本文针对航空电子装备教学中如何应用虚拟仿真技术给出了应用方法和心得。
1.引言
自 20世纪 9O年代以来,以计算机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现,并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段,虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击,并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明,虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验,探索在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和心得。
2.虚拟仿真技术简介
虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。
2.1虚拟现实技术
虚拟现实技术就是利用三维建模技术,构建一个和现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景,并能响应用户的输进,根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 天生技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真,也称为视景仿真,它主要用于产品设计和展示、贸易广告、游戏设计等。
在航空电子装备教学中,大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ,传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代,因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ,传统教学方法 已远远不能满足要求 ,而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。
目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发,主流平台Creator Vega Vega Prime VTree OPENGVS QUEST3D VRTOLLS EON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中,MULTIGEN公司的虚拟现实数据库 OPENFLIGHT已经成为 了产业标准 ,在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r Vega Prime、GLStudio和 EON作为视景仿 真开发的技术平台 ,解决物理模型的创建、场景显示等新题目。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 .同时采用嵌进 OPENGL技术来解决物理模型 的交互新题目。
2.2系统仿真技术
系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 .它通过建立实际系统 的数学模 型 ,利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、探究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真,也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域,后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要产业部分,并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。 在航空电子装备教学中,对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述,配合一些静态的图形帮助学员理解 .教学效果主要依靠于教员的授课水平和技巧 。近年来.我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中,根据被仿真装备的工作原理,建立系统的数学模型,并根据装备的不同工作状态,对模型进行动态运行.结合虚拟现实技术实现的逼真场景.较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用.也可供学员自学,并达到了较好的教学效果。
目前,有很多成熟的系统仿真开发平台软件.如 Simulink、SystemView等,这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎.但价格较为昂贵,且大多未提供对外的仿真数据接口.仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。
3.虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤
3.1建立仿真模型
这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ,也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立,主要依据装备本身的物理状态,其原则就是在尽量减小面数的同时进步逼真度。对系统数学模型的建立,则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化,本着够用为度的原则 ,以尽量减小运算量。建立数学模型时 ,还应考虑到系统运行时的参数调整。
3.2创建仿真装备的虚拟场景并驱动
对于虚拟场景的驱动,根据使用方式的不同采用了不同的方式假如进行的仅是装备外观、结构的展示,可使用EON进行动作的编辑和驱动;假如需要对装备进行虚拟操纵仿真,则使用 GLStudio软件先进行操纵面板、虚拟仪表的编辑和制作,然后再利用 Vega Prime驱动以实现更复杂的交互操纵。
3.3系统集成
系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起,使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 VB、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的布置,注重程序间的兼容性即可。
系统集成时,还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来,即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台,和视景仿真处于不同的系统进程中.因此这种驱动是通过两进程间的实时通讯来完成的。这里还需要考虑进程间的同步新题目。
【论文摘要】将虚拟仿真技术引入教学领域后对传统教学手段产生了强烈冲击。本文针对航空电子装备教学中如何应用虚拟仿真技术给出了应用方法和体会。
1．引言
自 20世纪 9o年代以来，以 计算 机仿真技术 、多媒体技术和虚拟现实技术为特征的“虚拟仿真实验室”开始在世界各地出现，并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段，虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击，并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明，虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要 发展 方向。本文结合多年来在航空电子装备教学中应用虚拟仿真技术的经验，探讨在航空电子装备教学软件中应用虚拟仿真技术的方法和体会。
2．虚拟仿真技术简介
虚拟仿真技术是对虚拟现实技术和系统仿真技术的合称。
2．1虚拟现实技术
虚拟现实技术就是利用三维建模技术，构建一个与现实世界的物体和环境相同或相似的虚拟三维场景，并能响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应。虚拟现实的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形 生成技术、立体显示和传感器技术等。虚拟现实技术主要侧重于对真实物体物理特征的仿真，也称为视景仿真，它主要用于产品设计与展示、商业广告、游戏设计等。
在航空电子装备教学中，大量用 到对装备的外观 、结构 、组成 、连接 、机安装位置的展示 ，传统教学大都采用实物展示 的方法 。近年来随着大量航空电子装备 的更新换代，因受经 费、场地及使用寿命等因素的限制 ，传统教学方法 已远远不能满足要求 ，而采 用虚拟现实技术的展示方法则 以其廉价 、无场地限制和效果 良好得以广泛应用。
目前有大量成熟的软件平台可以进行视景仿 真的开发，主流平台creator vega vega prime vtree opengvs quest3d vrtolls eon、web3d、java3d、glstudio等。其中，multigen公司的虚拟现实数据库 openflight已经成为 了 工业 标准 ，在军事 、航空航天等领域应用都 比较成熟 。在航空 电子装备虚拟仿真软件的开发中我们采用r vega prime、glstudio和 eon作为视景仿 真开发的技术平台 ，解决物理模型的创建、场景显示等问题。该平台可以达到照片级 的视景仿真效果 ．同时采用嵌入 opengl技术来解决物理模型 的交互问题。
2．2系统仿真技术
系统仿真技术是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科 ．它通过建立实际系统 的数学模 型 ，利用计算机运算来达到对被仿真系统的分析、研究、设计等目的。系统仿真技术主要侧重于对真实系统的内在机理、运动方式 的仿真，也称为行为仿真。系统仿真技术最初主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大实际系统试验难以实现等少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、 经济 系统、 交通 运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
在航空电子装备教学中，对装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述，配合一些静态的图形帮助学员理解 ．教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧 。近年来．我们尝试将系统仿 真技术应用到航空电子装备教学中，根据被仿真装备的工作原理，建立系统的数学模型，并根据装备的不同工作状态，对模型进行动态运行．结合虚拟现实技术实现的逼真场景．较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用．也可供学员自学，并达到了较好的教学效果。
目前，有许多成熟的系统仿真开发平台软件．如 simulink、systemview等，这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎．但价格较为昂贵，且大多未提供对外的仿真数据接口．仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用 的仿真开发平台软件。在航空 电子 装备虚拟仿真软件的开发中我们采用的是自行开发的系统仿真平台软件。
3．虚拟仿真技术在航空电子装备教学中的应用方法和步骤
3．1建立仿真模型
这里所说的仿真模型既包括反映航空电子装备外观、结构的三维物理模型 ，也包括揭示其内在工作机理及行为的数 学模 型。对三维物理模型的建立，主要依据装备本身的物理状态，其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立，则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化，本着够用为度的原则 ，以尽量减小运算量。建立数学模型时 ，还应考虑到系统运行时的参数调整。
3．2创建仿真装备的虚拟场景并驱动
对于虚拟场景的驱动，根据使用方式的不同采用了不同的方式如果进行的仅是装备外观、结构的展示，可使用eon进行动作的编辑和驱动；如果需要对装备进行虚拟操作仿真，则使用 glstudio软件先进行操作面板、虚拟仪表的编辑和制作，然后再利用 vega prime驱动以实现更复杂的交互操作。
3.3系统集成
系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起，使之成为_个完整的 、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 vb、vc++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 eon、glstudio及vega prime等均以activex控件方式提供 了可用 于常用 软件开发平台的运行插件，因此，系统集成变得十分方便。编写程序时，只需考虑软件功能的安排，注意程序间的兼容性即可。
系统集成时，还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来，即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台，与视景仿真处于不同的系统进程中．因此这种驱动是通过两进程间的实时通信来完成的。这里还需要考虑进程间的同步问题。
【关键词】EDA仿真 SMT虚拟教学 教学改革 云计算
1 引言
EDA（Electronic Design Automation）是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成功的电子CAD通用软件包。主要能辅助进行三方面的设计工作，既IC设计、电子电路设计和PCB设计。EDA技术经过了三个阶段的发展。从70年代的（CAD）阶段和80年代的（CAE）阶段，到90年代的电子系统设计自动化（EDA）阶段。EDA技术代表了当今电子设计技术的最新发展方向。它不仅为电子技术设计人员提供了“自顶向下”的设计理念，同时也为教学提供了一个极为便捷的、科学的实验教学平台。电工电子类专业课程中的电工基础、模拟电子技术、数字电子技术都可以通过EDA仿真软件，进行电路图的绘制、设计、仿真试验和分析。应该说将EDA仿真软件应用到电工、电子类专业的教学中是一种教学手段的创新，也是提高教学质量的优选方法。
以下主要讨论EDA在SMT虚拟教学中的应用。
2 SMT贴片工艺虚拟仿真教学
SMT贴片工艺是我国大中专院校电子组装技术必修的一门课程，是电子组装技术与设备专业的一门职业技术课程，一门核心技术课程，是本专业学生毕业后直接任职SMT生产（工艺）技术员岗位，从事电子产品生产制造（SMT）工作的主要支撑课程。通过本课程的学习，使学生具备高新电子制造企业高技术岗位。而由于我国多数学校在实验设施上不能满足学生学习条件，使得SMT贴片工艺虚拟仿真教学得到了快速的发展。虚拟仿真教学也可以对社会上没有电子组装技术的人去学习SMT贴片技术带来了可能性。
随着国内电子行业的快速发展， 我国己成为世界电子产品制造大国，而表面贴装技术（SMT） 在电子产品的生产中占据十分重要的位置。SMT是将表面元器件贴装到PCB上，通过波峰焊或回流焊加热而使PCB与元器件之间实现机械和电子连接的过程，作为电气互联技术的主要组成部分和主体技术， 已成为现代电气互联技术的主流，被誉为“电子组装技术的第三次革命”。因此，让学生了解SMT的生产过程和生产工艺就显得特别重要。
传统的物理实验教学，在时间、空间和实验条件等方面会受到限制，缺乏一定的灵活性，不利于物理实验教学的实施与开展。随着计算机仿真技术和网络技术的发展，一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统产生――虚拟实验室。虚拟实验室作为推动教育模式进化的一种有效方法，逐渐成为近几年来国内外实验教学和远程教学研究和应用的热点。虚拟实验室不仅可以克服传统实验教学人力、物力、财力投入大的问题，更为远程实验教学的实施提供了条件和技术支持，也为远程教育的质量提供了有力的保障。
贴片机是SMT生产线中的关键设备，主要完成元器件的贴装功能。贴片机的贴装精度及稳定性将直接影响到所加工电路板的品质及性能，它对整个生产线的产品精度，生产效率，实际产量和生产能力起决定性的作用。而我国的SMT设备研制水平非常落后，尤其是贴片机方面与国外上的差距正在不断扩大，因此本文将深入研究贴片机制造工艺过程的虚拟仿真技术，加深学生对贴片机知识的认识和理解，为学生独立自主地进行学习与实践创造良好的条件。
3 EDA虚拟仿真技术在SMT贴片工艺虚拟仿真教学中的应用
3.1 虚拟环境下PCB文件BOM表和坐标文件的导出
贴片机是用来实现高速、高精度地贴放元器件的设备。贴片机编程是指通过按规定的格式或语法编写一系列的工作指令，让贴片机按预定的工作方式进行贴片工作，但前提是需要知道所加工的PCB文件里的BOM表和坐标文件。Protel99se是一种简单易学的画图软件，通过该软件，学生可以快速了解贴片机的编程过程所需PCB文件的BOM表和坐标文件。在Protel99se中PCB板的工艺图片和导出的BOM表信息如图1所示。
3.2 PCB贴片机的三维实体模型建模
贴片机的三维实体模型构建研究主要构建贴片机的机架、PCB传输机构、贴装运动系统和供料槽。主要通过反复的查阅贴片机的相关资料，对贴片机的分类、架构和工作原理进行了解，在三维软件建模的过程中（如PRO/E软件），根据模块间组合装配的程度进行反复修正。三维实体模型建模各组件模块的功能组合分析如图2所示。
3.3 PCB贴片运动过程虚拟仿真设计
贴片机贴片运动过程虚拟以建立的模型为依托，根据贴片机运动的原理进行仿真参考设计。即以贴片机的实际生产为前提，以功能模块为仿真对象，在整个仿真过程建立一条主线，把握好部分与整体的协调运动来进行贴片机的供料系统运动模拟、传输机构运动模拟和贴装运动模拟。在整个仿真设计的过程中，需要不断根据零部件的运动配合和装配约束等问题对模型的运动进行反复测试，并发现其中存在的不合理性，和不断调整运动仿真的顺序，以增强各部分模块间的装配和运动配合，让仿真更接近真实的实验。贴片机的运动形式如图3所示。
4 虚拟化技术在云计算中的应用
云计算的特征体现在虚拟化、分布式和动态可扩展。虚拟化， 是云计算最主要的特点。每一个应用部署的环境和物理平台是没有关系的， 通过虚拟平台进行管理、扩展、迁移、备份， 种种操作都通过虚拟化层次完成； 动态可扩展是指通过动态扩展虚拟化的层次， 进而达到对以上应用进行扩展的目的； 分布式是指计算所使用的物理节点是分布的。从云计算的最重要的虚拟化特点来看， 大部分软件和硬件已经对虚拟化有一定支持， 可以把各种 IT 资源、软件、硬件、操作系统和存储网络等要素都进行虚拟化， 放在云计算平台中统一管理。虚拟化技术打破了物理结构之间的壁垒， 代表着把物理资源转变为逻辑可管理资源的必然趋势。在未来， 所有的资源都透明地运行在各种物理平台上， 资源的管理都将按逻辑方式进行， 完全实现资源的自动化分配， 而虚拟化技术则是实现这一理想的唯一工具。针对云计算， 虚拟化技术的融合和应用应面向高级虚拟主机、应用和资源， 以及虚拟化存储等方面。
同样的，SMT虚拟仿真教学也可以运用到云计算中去，可以把创建好的虚拟教学视频通过网络传输到云端，那么，无论学校硬件设施如何，老师们都可以通过云端下载网络视频，进行视频教学，这样就避免了由于学校硬件设施而不能开课的问题，这也是现代教学改革的一种体现方式，更有利于我国教育良好的发展。
5 结束语
本文通过对EDA仿真技术的分析，提出了EDA仿真技术在SMT虚拟教学中的应用；此技术不仅可以用在硬件设施不足的院校，更为成人学习带来了可能性，通过用理论学习和虚拟教学相结合的思想构建了一种以体验式学习为指导的贴片机制造工艺虚拟仿真实验；提出用三维实体建模软件完成贴片机的机架、PCB传输机构、贴装运动系统和供料槽的模型创建的思想；最后讨论了虚拟仿真在云计算中的应用，为教学等提供了更有利的方案。
参考文献
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[6]杨帆.SMT贴片机的运动控制研究[D].西南交通大学，2006.
[7]李春泉.SMT产品制造网格若干关键技术研究[D].上海大学，2007.
【关键词】CORS系统；国土测绘；应用
中图分类号：P2文献标识码： A
一、前言
虚拟样机技术对泥浆泵仿真有着重要的作用。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强虚拟样机技术的进一步研究，对我国国泥浆泵仿真的发展有着重要意义。
二、虚拟样机技术概述
机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术，是当前设计制造领域的一门新技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的研发产品的设计方法。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析评估系统性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。
传统的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种设计的弊端是往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能。这种情况在国内经常发生。借助于虚拟样机技术，传统设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照“由上到下”的顺序进行，这样可以避免在系统设计方面的失误。
虚拟样机技术在设计的初级阶段――概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各个组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案，再做出物理样机。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，获得最优化和创新的设计产品。
三、制造虚拟样机的基本过程
制造虚拟样机的过程就是上述各种先进技术相互支持、相互融合的过程。
首先是进行机械设计，设计的原始数据来自设计要求、应改进的缺陷、干涉尺寸、装配环境等。当方案制定后，设计师开始构造复杂的几何形状和工程关系。在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是不可能、不现实的，重要的是建立一些方程和规则，以体现一些最重要的工程数据，使零件在设计准则下可自动修改。在完整、安全的网络环境下，设计小组成员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新。
零件最终的形状和尺寸来自各个方面的综合考虑，如装配、应力、加工等，在制定设计文件时，工程技术人员要决定如何描述最后的零件和装配。生成图纸时，设计尺寸要转换成工艺尺寸以体现加工、检测的要求。这张图纸和其他技术文件(如应力分析、振动、热分析等)构成设计的最主要部分。
最后是对最终的设计产品进行仿真。仿真能预测产品在实际环境中的性能，它包含了一系列步骤，从力学分析、建模、施加负载和约束，到预测其在真实工况下的响应。仿真的真正用意不是得到几个数据，而是评估产品的性能和优化产品的结构，进而指导设计，改进设计。
在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用软件(如三维产品设计软件、有限元分析软件等)。根据设计尺寸并利用这些软件，便可以在计算机上构造产品的虚拟样机，为最终投产做好准备。
四、虚拟样机开发技术的特点
虚拟样机开发技术与传统产品设计技术相比，具有如下特点：
(1)面向系统级设计的观点。强调在系统的层次上模拟产品的外观、功能和在特定环境下的行为；
(2)涉及产品全生命周期。虚拟样机可应用于产品开发的全生命周期，并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善；
(3)支持分布式协同设计。虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上利用计算机网络通讯技术，使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流，协同进行产品的开发。支持不同领域人员从不同角度对同一虚拟产品并行地进行测试、分析与评估活动。
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。虚拟样机技术的发展历程正如物理样机设计制造技术发展过程中从CAX向集成优化的现代集成制造系统(CIMS)的发展历程一样，复杂产品虚拟样机开发已成为一个系统工程――复杂产品虚拟样机工程。虚拟样机技术的出现，不仅仅是一种新技术的应用，而是设计思想的变革，将对制造业产生深远的影响。
五、虚拟样机技术的基础
虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。
(1)智能设计技术。
CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量。但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述。实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。
由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具(如有限元分析、快速原型等)、计算机辅助概念设计和CAD技术有机地集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算。通过分析这种幕后的功能计算，虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的、满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。
(2)并行工程。
并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理。它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素(质量、成本、工艺、结构、性能等)，且要求实现计算机网络环境下的协同工作。要实现同步的目标，其实质就是整个工作都要在一个共享的数据库下进行信息交互。
(3)仿真工程。
对于虚拟样机系统来说，必须有一套能有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型。产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据(如形位公差等);工艺模型包括统计分析、计算机工艺仿真、制造数据库和制造规则库等;生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和状态的描述。虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。
(4)网络技术。
在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时地决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。
六、虚拟样机技术在泥浆泵仿真中的应用
泥浆泵是在钻井过程中，将泥浆加压后携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，向井底输送和循环钻井液的泵。泥浆泵在石油工业和工程领域应用广泛。现代工业的小断发展对泥浆泵提出了更多更新的要求，使得钻井泵结构的介理性、工作性能的优越性和可靠性成为设计时的重要指标。然而，传统的设计与制造过程，需要经过概念设计、产品设计和制造样机进行试验等，这一过程无法缩短设计周期，对市场的灵活性小。因此，为了提高市场竞争力，各企业必须小断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。
随着计算机仿真技术的发展，虚拟样机技术日益广泛地应用在各个领域。它从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决了传统的设计与制造过程的弊端。极大地增加了效率，降低了成本。因而，利用计算机仿真对石油钻井中常用的泥浆泵进行分析具有现实意义。
1、泥浆泵的结构及参数
石油矿场所用的泥浆泵一般是山柴油驱动的卧式的双缸双作用泵或三缸单作用的活塞泵。泥浆泵一般由驱动部分（底座、传动轴、齿轮、偏心轮、连杆、十字头等)和水力部分（泵缸、活塞、吸入阀、排出阀等)组成。其工作性能主要体现在排量、压力、冲数以及功率上。对NB8-600型泥浆泵，其最大传动功率为600马力，活塞冲程400mm，最大冲数65冲/min。
2、基于虚拟样机技术的泥浆泵运动学、动力学仿真
（1）仿真三维模型的建立
利用机械参数化三维仿真软件Pro/E建立了NB8-600泥浆泵部分系统的三维有限元模型，并进行模型干涉检验、修改、图2是简化后的总装配图模型。
（2）仿真过程
采用ADAMS12.0进行仿真分析.流程图如图3所示：
（3）仿真结果
通过仿真分析可以得到设计时所需要的各种重要曲线和参数，如主轴、连杆、十字头、拉杆、活塞等运动部件的位移、速度、加速度大小、运动规律和受力情况等。分析这些曲线和数据可以知道在运动过程中，各构件的受力是否满足应力许可值，以及是否能达到强度要求，如果不能满足设计要求则需要修改模型。本文经过几次仿真分析和对模型的修改后得到了能够满足工况的设计理论模型，为系统设计提供了依据。
3、结论
虚拟样机技术作为一种新型的、基于集成化产品和过程开发策略的新的产品设计、开发、评估手段，在各个行业正越来越受到重视，在产品研发中起到了显著的作用。根据虚拟样机技术的基本理论，结介泥浆泵的相关资料，利用机械设计自动化软件Pro/E建立了NB8-600型泥浆泵三维模型，并使用虚拟仿真分析软件ADAMS12.0进行了模型的运动学、动力学分析和局部优化设计，得到了系统模型的运行规律和小同驱动力下的运动、受力情况，为改进结构设计、节约设计周期和成本提供了理论依据和方法
七、结束语
虚拟样机技术是泥浆泵仿真的核心。因此，在泥浆泵仿真的后续发展中，要加强虚拟样机技术的运用与思考，确保虚拟样机技术水平的提高。
参考文献
[1]陈小川等.虚拟制造技术研究概况综述[J].机械制造，2009(12):8-10.
[2]王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[J].西安：西北工业大学出版社，2012（9）：78-80.
关键词：仿真，建模，图像模型
1 引言
虚拟仿真系统的模型结构一般包括数学模型（Mathematical Model）与图像模型（Image Model）两部分，其中，数学模型定义图像模型的特性，建立原理的数学关系，计算数值结果并反映到图像模型中。论文大全。即数学模型是隐藏在图像模型后面的“规则”，这些规则是对真实系统本质的抽象；图像模型采用三维渲染图片或实物照片模拟真实的物理外形及操作，并显示由数学模型计算得到的结果，完成与用户的交互，即提供人机交互的“界面”。不同的虚拟仿真系统具有不同的数学模型，但不同的虚拟仿真系统具有大致相同的图像建模方法，因此讨论图像建模方法具有普遍意义。
2 图像建模技术
图像模型的优劣直接影响虚拟仿真系统的真实感与交互性。论文大全。为了尽量逼真地模拟出场景、仪器和元器件的外形与操作，虚拟仿真系统一般采用三维建模与绘制技术进行图像建模。图像模型包括静态模型和动态模型两部分。
2.1 静态建模
首先确定出虚拟仿真系统中各对象模型的所有三维几何模型，然后使用三维建模和绘制软件制作出符合需要的静态渲染图片，用来模拟场景、仪器和元器件的外观，并设计最接近真实的操作动作，通过图像技术模拟各部分的操作，最后将其组合在一起，完成整个场景、仪器和元器件的图像建模。如虚拟仪器，通常由仪器面板、旋钮、开关、表盘指示等组成，图1所示为虚拟示波器的图像模型。
图1 虚拟示波器的图像模型
2.2 动态建模
在虚拟仿真系统中，经常会出现移动虚拟仪器设备、连接线路、调节仪器设备旋钮等操作，同时仪器设备会有指针偏转、数值或波形显示等变化。这些都需要对其进行动态模拟。一般先要制作出符合需要的三维渲染图片，再采用相应的动态图像编程技术完成动态模拟。在虚拟仿真系统中常用的动态建模技术有以下几种。
2.2.1 画布动态绘制技术
画布（Canvas）是图形绘制和显示的工具。画布上可以使用多种模式绘制各种线条、图案。只要选择合适的事件响应用户操作，并在事件中灵活使用各种绘制模式，完成画布的动态绘制，就能动态模拟用户的操作或仪器的变化。论文大全。
例如在“电路与电子技术虚拟实验系统”中对电路搭接操作的模拟（如图2）：用鼠标拖动各种虚拟元器件，在通用实验板上任意搭接电路，将所有接线柱定义为热点，响应鼠标操作事件。在鼠标键按下事件中记录鼠标按下时的坐标，并设置开始连线标志；在鼠标移动事件中，在背景图的画布上使用动态绘制技术不断刷新连线，实现操作部分的动态模拟。
图2在虚拟仿真环境中电路搭接操作
再如仪表指针的模拟（如图3）：仪表指针绕着一个旋转点偏转，一定的偏转角度对应一定的表盘读数。仪表指针部件包括旋转点坐标、指针最小角度、最大角度、当前角度、指针长度等属性，根据仪表数值仿真计算结果改变当前角度，并在表盘上动态透明绘制指针，实现自动部分的动态模拟。
图3 某仪器的表盘指针指示情况
2.2.2 帧剪切技术
虚拟仿真系统中大量的动态变化是仪器设备部件发生状态改变，即从一个状态跳变至另一个状态。当模拟这种动态变化时，帧剪切（Frame Clip）技术十分有用。
首先制作出该部件在所有不同状态下的仪器设备的整体图片，采用图像编辑技术将这些仪器设备图片中该部件部分在相同位置、以相同大小剪裁下来，得到不同状态下的图像帧，并按顺序将这些图像帧组成一幅图片序列。程序运行时先拷贝该部件初始状态下的图像帧进行显示，在响应事件时，该部件根据操作类型改变当前状态序数，并将当前状态序数下的图像帧装载显示。
例如对旋钮、按钮、开关等部件的操作即是改变它们的状态。图4是某仪器的一个旋纽在各种状态下的图片，通过在响应鼠标操作的事件中采用帧剪切方法来模拟旋钮旋转操作。
图4 某仪器设备的一个旋纽在各种状态下的图像
2.2.3 掩码透明贴图技术
当虚拟部件移动时，需要动态地将其图片贴在背景图上，由于虚拟部件图片是矩形块而其图形往往不是规则的几何图形，采用透明贴图技术将图片中不属于该部件图形的边缘部分变得透明，仅将其图形贴在背景图上，从而实现虚拟部件与虚拟仿真环境在视觉效果上的无缝拼接和自然融合。
原图（OriginalPicture）与掩码图（MaskedPicture）制作：利用图像处理软件将某部件图片的边缘部分变为黑色（颜色值的二进制码各位均为0）即得到原图，在原图的复本上将图形边缘部分变成白色（颜色值的二进制码各位均为1）、图形部分变为黑色即得到掩码图，如图5为某仪表指针的原图及掩码图。
图5 某仪表指针的原图及掩码图
编程实现方法：在程序代码中，定义部件原图、掩码图、被覆盖背景图的位图对象，在摆放该部件位置处，先将掩码图与背景图（如图6a）进行“与”运算，将背景图上应贴上部件图形部分变为黑色，并保留应被贴上边缘部分的图像（如图6b）；再将原图与背景图进行“或”运算，部件图形部分被贴在背景图上，背景图上应被贴上边缘部分的图像仍被保留下来（如图6c），从而完成对某部件的透明贴图。其贴图过程可用如下公式表示：
其中OP、MP、BP分别表示原图、掩码图、背景图。
a) BP b) BP∧MP c)BP∧MP∨OP
图6 某仪表指针透明贴图过程示意图
3 结束语
“军队院校网上虚拟实验室”重点建设项目“电路与电子技术虚拟实验系统”采用上述建模方法与技术，很好地解决了仿真技术与多媒体技术的融合设计问题，使系统具有良好的可设计性、操作的任意性和具有真实感的交互功能。项目成果分别获得军队科技进步二等奖和全国、全军、海军多媒体教育软件评比一等奖。目前，该虚拟实验系统已在20多所军内外高校使用，取得了良好的效果，实现了电路与电子技术基础实验教学方法和手段的创新，为探索现代化实验教学的新路子提供了有益的经验。同时该成果将在36所军队院校推广使用，并由高等教育出版社正式出版发行，具有良好的推广前景。本文是对完成该项目的主要建模方法与技术的初步总结，供从事相关研究和开发的同行参考。
参考文献
1 YangYanming, Gao Yang, Wang Qing. Development and application of an intelligentvirtual system on electronic circuit experiments //Computer Science andTechnology in New Century. Beijing: International Academic Publishers, WorldPublishing Corporation, 2001:1031-1032
2 杨彦明, 吴为团, 于宝良. 网上虚拟实验室的研究与实现. 东北师大学报(自然科学版), 2004, 36(12): 50-54
关键词： 研究生培养 虚拟仿真 科研平台
随着我国工科硕士研究生招生比例的不断提高，工科硕士课题的选题和相关科研试验平台建设尤为重要，因为硕士研究生教育与本科教育的最大区别在于培养人才过程中的科研性。目前，我国高等学校普遍不具有较大规模的与企业生产环境相仿的试验流水线。如何结合虚拟仿真搭建工科硕士研究生科研试验平台尤为重要，因为结合虚拟仿真环境可以在节省经费的同时使大部分科研试验具有完成条件[1][2][3]。
虚拟仿真技术就是利用计算机数据分析技术、计算机图形学、计算机系统动力学仿真技术等综合使用，在计算机里面构建出与现实空间接近的仪器和设备科研环境，从而在虚拟仿真环境中完成相关的理论和试验研究[4][5]。
1.工科硕士研究生试验平台的主要问题
1.1试验设备及平台建设费用高昂
工科硕士研究生课题的特点是具有科研创新性和应用性结合，基于此科研试验平台应该同时满足创新技术和理论试验需要，具有现有仪器设备的基本功能，这就导致相关试验设备评价价格高昂，是普通高等学校无法承担的，只有生产性企业才能负担设备建设费用。
1.2试验设备及平台日常维护费用高昂
由于工科硕士研究生的科研方向一般都需要具有生产实践意义，要获得试验数据一般需要生产线真实的生产验证，通过大量的生产试验验证获得数据及理论方法的正确性，这就要求研究人员在实际生产中进行分析总结，而生产费用和设备日常维护费用都十分高昂，即使高等学校也无法承受如此高昂的生产费用，更无法投入巨资维护这些设备平台，且平台建设很难在高校实现。
目前要实现这样的较大规模且具有较强现实意义的试验，只能通过协调相关生产企业进行开展，而企业对于新技术及工艺又相对保守，不愿意花费巨资进行常识性试验研究。
1.3硕士研究生现场操作能力不足
目前，我国的工科硕士研究生大多都是从普通高等教育的本科院校考入的，普遍缺乏现场调试、生产、试验经验，对于大型试验设备和生产设备都十分陌生，对于现场环境需要较长的周期才能适应。这些导致硕士研究生在企业真实生产环境平台开展相关科研试验时不熟悉其设备操作、运行的基本规律，容易导致误操作损坏设备，从而无法获取需要的试验数据和理论验证。
1.4缺乏企业有效支撑
企业的目标是追求利润，其社会价值是为社会创造就业机会和税收，为教育提供平台只是其辅助功能。所以，大多数企业不愿意让工科硕士研究生利用其生产线和生产设备开展实验性质的研究工作，这样既会耽误生产任务又容易导致设备不必要的损伤。所以，目前的高等学校工科硕士研究生课题普遍缺乏企业的有效支撑。
1.5研究生培养没和企业相结合
目前高等学校工科硕士研究生的课题普遍重视理论数据分析而忽视工程实际分析，这就导致其硕士课题没有和企业实际项目需求结合，企业没有积极性参与硕士研究生的培养。
2.虚拟仿真科研平台建设途径
2.1充分利用仿真软件资源
目前的仿真软件已经达到相当高的水平，所涉及的专业方向已经涵盖机械、电气、流体、加工、机器人等大部分工业领域，而且根据不同领域的特点，其仿真软件还具有不同的侧重方向。已有的仿真软件已经能够为开发设计人员提供和真实设备几乎一模一样的科研平台。科研人员可以通过虚拟仿真软件，构建起符合其试验要求的各种虚拟试验平台，从而在这些虚拟试验平台上进行创新理论和工艺方法的实验验证。
2.2利用国家基础虚拟仿真平台
中国政府建立了很多基础性的虚拟仿真部级平台，例如中国超级计算中心、国家工程中心等，在这些部级的虚拟仿真平台上，可以开展大型的虚拟仿真实验研究，通过这些政府提供的基础虚拟仿真资源，完成高校无法提供的相关实验验证。
2.3利用企业虚拟和实物科研平台
如果把一些实际工作能力和科研能力较强的工科硕士研究生，牵引到与其研究方向相近的企业技术岗位从事企业实际技术开发与研究，则既可以缓解企业在人才方面的不足，又可以提高研究生培养的质量。如果研究生在实际工作岗位上得到企业认可，就可以在毕业后直接到企业工作。
2.4学习国外在虚拟仿真平台方面的经验
欧美发达国家在虚拟仿真平台建设方面起步很早，美国早在上个世纪八十年代就开始部级的虚拟仿真实验室建设，而且其在每个重要的高等学校还建有专业性的虚拟仿真实验室，为从事相关研究的人员提供基础虚拟仿真科研平台。
2.5通过硕士课题完成情况考察平台建设效果
科研通过硕士研究生科研课题和论文的完成情况，以考察虚拟仿真实验研究平台的建设效果，从而为平台建设提供更丰富的建设经验。
3.基于虚拟仿真的科研培养体系建立
3.1总体培养体系分析
可以从学校、企业两个方面，总结出一套符合实际的工科硕士研究生虚拟仿真科研平台搭建方法，提出虚拟仿真和实物试验结合理论。
3.2学校虚拟仿真科研平台的建立
高等学校可以通过购买虚拟仿真软件，初步搭建起科研平台建设的基础，然后让各个研究方向的硕士研究生导师根据自己的科研方向组织研究生开展基础性的平台建模工作，在基础性建模工作基础上，汇总各个大的科研方向的全部虚拟仿真成果，从而宏观上搭建起具有方向性的基础性虚拟仿真平台。学校可以为这些大的科研虚拟仿真平台提供基础性的服务器、建设工具软件、日常维护人员、数据调用存储平台，从而让其发挥最大效能。
3.3企业虚拟仿真科研平台的建立
企业可以根据自己对科研技术、工艺技术、人才方面的具体需求，选择性地搭建符合自己企业产品和技术路线的工程建模软件，然后与高校合作，利用高等学校优质的人才和技术优势，搭建起具有现实工程意义的虚拟仿真科研平台，从而利用这些平台开展企业新产品开发、新技术验证、新工艺规划工作，大大降低企业的研发和试验成本。对于在此类项目中表现优秀的硕士研究生，企业可以有选择性地让其毕业后留在企业继续从事相关科研工作，为企业提前培养出满足实际需要的高端技术人才，使企业的人才队伍更稳定。
4.工程实际能力培养“双结合”理念
把“双结合理念”（即学术研究与科研工程实例相结合；研究生科研实践与企业实际工具、手段相结合）作为理论知识和教育目标之间的“桥梁”，通过“双结合理念”把学术成果转化为工程实际能力，按照产生兴趣初步了解理解概念深入思考灵活运用的顺序建立培养方法，从而激发研究生从事实际工程科研活动欲望。在此基础上建立一套符合实际情况的工科硕士研究生工程实际能力培养体制。
通过虚拟仿真实验科研平台培养体系的建立，能够同时形成工科硕士研究生的“学术研究”和“工程能力”的培养方法、相关制度，完善工科硕士研究生工程实际能力培养的相关制度，提高研究生教育的工程实际能力培养水平。
参考文献：
[1]王国祥，戴琛，张春华.大型仪器设备服务本科生、研究生创新能力培养的研究与实践[J].科技资讯，2015（8）：174-175.
[2]高辉，王乃艳.智能电网虚拟仿真实验教学探讨[J].中国电力教育，2014（8）：87-89.
[3]邓兴升.虚拟仿真平台下摄影测量实践教学模式探索[J].测绘工程，2015（9）：154-155.
[4]肖文，陈勇.研究生导师组培养模式的实证分析[J].中国高教研究，2013（3）：8-9.
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