導語：如何才能寫好一篇數字化仿真技術，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：數字化仿真；卓越計劃；機械原理；創新能力

作者簡介：李杰（1979-），男，河北石家莊人，石家莊鐵道大學機械工程學院，講師；范曉珂（1972-），女，河北石家莊人，石家莊鐵道大學機械工程學院，副教授。（河北 石家莊 050043）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0083-02

“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）是高等院校貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的一項重大改革項目，其目的在于培養造就一大批具有較強創新能力、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家工業的轉型升級、建設創新型國家和人才強國戰略服務。該項目的實施將促進高等教育面向社會需求培養人才，對全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用。[1]2011年，石家莊鐵道大學被教育部批準成為第二批133所“卓越工程師教育培養計劃”培養高校之一。“機械原理”課程作為機械工程類的專業基礎課程，是石家莊鐵道大學（以下簡稱“我校”）機械設計制造及其自動化專業、車輛工程專業、“茅以升”試驗班和“卓越”班的必修課程，占有重要的地位。由于學生人數的增加和新課程的開設，“機械原理”計劃學時不斷被壓縮，而教學內容卻不斷補充，傳統的教學模式很難滿足“卓越計劃”的要求，很難培養具有創新意識、創新能力的高素質人才。[2]因此，利用數字化仿真技術改善“機械原理”以往傳統的教學與實驗存在的問題，提高學生的創新能力，培養學生成為具有工程思維的實用型與創新型人才，適應“卓越計劃”的發展具有重要的意義。

一、課程教學內容與安排

“機械原理”的課程內容主要有：機械的結構分析、機構的運動和力分析、機械的效率、自鎖與平衡、各種常用機構的設計和機械系統的方案設計等內容，共64學時，講授54課時，實驗8學時，“機械原理”課程設計1周。講授的內容中，主要重點介紹機械的結構分析、機構的運動和力分析、機械的效率、自鎖與平衡、常用機構的特點及其設計，其中包括連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、輪系和其他的常用機構等；[3]機械系統的方案設計內容結合課程設計時完成；實驗安排主要針對一些機構的驗證、設計與綜合，旨在提高學生的動手能力和對機構進行創新設計的能力。但是，由于課時限制，該課程所設置的實驗只能完成4個，很難滿足“卓越計劃”的要求，不利于培養學生的實踐能力和創新能力。

二、教學方式的改革

數字化仿真技術是近幾年發展起來的一種先進的機械設計方法，它是指將計算機仿真技術應用于產品設計領域，利用計算機分析軟件通過建模可對該機構進行運動模擬，對機構及整機進行運動仿真。數字化仿真技術在“機械原理”教學中的應用，不僅可以使得學生對機械原理中的各種機構有感性的認識，而且通過對各種機構的仿真模擬可以使得學生對各種機構的運動與動力特性有直觀的了解，有利于培養學生的創新能力。[4]筆者將數字化仿真技術引入到“機械原理”教學中，下面以連桿機構為例，介紹在連桿機構教學中應用數字化仿真技術的一些體會。

1.理論教學的改革

在連桿機構的教學中，連桿機構的基本形式為鉸鏈四桿機構，其三種基本形式分別為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構，當一個鉸鏈四桿機構為曲柄搖桿機構時，通過機構的倒置則可以得到雙曲柄機構和雙搖桿機構。

在教學過程中，利用數字化仿真軟件建立曲柄搖桿機構的數字化模型，按照要求對各相關參數進行設置，其中包括：各桿長度、質量、電機轉速、力矩大小等。如圖1所示，在四桿機構中各桿分別以轉動副相連，分別為A、B、C、D；各桿桿長分別為280mm、520mm、500mm、720mm，然后對桿4固定，桿1為曲柄，在轉動副A上加力矩，其數字化模型如圖1所示。通過運動仿真對曲柄搖桿機構進行相應的運動分析。[5]曲柄搖桿機構的運動分析如圖2所示。

在教學過程中，圖1能夠清晰演示四桿機構的運動畫面，其中曲柄以等角速度轉動，搖桿則在一定角度范圍內擺動。從圖2的角速度圖中可以看出曲柄轉速為30°/S，而搖桿的擺角為0°～30°。

在曲柄搖桿機構中其他參數保持不變的前提下，只改變曲柄搖桿機構的機架，取原來的桿件1為機架，桿件2為曲柄，對機構進行運動仿真，可以看出，通過改變機架后，原來的曲柄搖桿機構變為了雙曲柄機構。雙曲柄機構的運動分析如圖3所示。

在教學過程中，利用數字化仿真技術學生能夠直觀看出此時兩個曲柄都在做整周的回轉運動。從圖3中的角速度圖中可以看出主動曲柄轉速為30°/S，而從動曲柄的轉速為不等速連續回轉，范圍在15°/S～65°/S之間。

最后，在曲柄搖桿機構中，取原來的搖桿3為機架，桿4為曲柄，在其他參數保持不變的前提下對機構進行運動仿真，可以看出，通過改變機架后，原來的曲柄搖桿機構變為了雙搖桿機構。雙曲柄機構的運動分析如圖4所示。

圖4的動畫演示中能夠看出，兩個搖桿都不能在整周范圍內轉動，都在一定范圍內做往復擺動，從圖4中的角速度圖中可以看出主動曲柄搖桿轉速為30°/S，而從動搖桿的轉速為不等速擺動，范圍在0°/S～35°/S之間。

在課堂教學過程中，通過四桿機構的數字化仿真能夠使學生在較短的時間內對機構的倒置有清晰的認識，同時提高了學生對計算機應用的興趣和創新能力。

2.實驗教學的改革

由于課時的限制，“機械原理”課程實驗共有四次，具體安排如表1所示。

由表1看出：“卓越”班的實驗教學比較少，不能夠滿足學生創新能力和實踐能力培養的需求。在實驗教學過程中，可以利用數字化仿真技術進行有效的彌補，同時也可以對以上實驗進行虛擬驗證。在實驗2機構運動方案創新設計實驗教學過程中，可以先讓學生根據實驗臺搭建不同的機構，分析機構的運動過程，并繪制機構的運動簡圖，課下讓學生通過計算機根據所繪制的機構運動簡圖建立所搭建的機構模型，進行數字化仿真模擬，直觀形象地模擬實際搭建機構的運動過程。而對于實驗3機構運動參數測量與分析實驗，事先讓學生在計算機上對機構進行數字化仿真，測量出機構的位移、速度和加速度曲線，然后再與實驗測量的曲線進行相應的比較。對于實驗中沒有的內容，也可以通過對機構的數字化仿真來培養學生的計算機應用能力和機械創新設計的能力。

三、教學效果

通過數字化仿真技術在“機械原理”課程中的應用，在理論教學過程中對所講授知識可以實時地進行虛擬仿真，有效改變傳統理論教學加實驗教學的方法，節省課時。在實驗教學中，通過數字化仿真技術和實驗相結合大大提高了學生對實驗的興趣，提高了學生的計算機應用能力，同時也培養了學生的機械創新設計意識。

四、結束語

通過教學實踐表明，將數字化仿真技術引入到“機械原理”教學中具有較大的新穎性，促進了學生對“機械原理”課程基本理論的理解，實現了教學方法的創新。

新的教學方法能夠調動學生學習的積極性，在教學過程中學生能夠變被動接受為主動思考，通過對不同的方案進行實時仿真，能夠激發學生的創新意識，提高分析問題、解決問題的能力。

數字化仿真技術在本門課程中的應用鍛煉了學生將理論知識與實際應用相結合的能力，同時也提高了學生的創新能力。這種教學模式的探索為其他工程類專業基礎課程適應“卓越工程師培養計劃”的教學改革提供了借鑒經驗。

參考文獻：

[1]毛婭.適應“卓越工程師培養計劃”的機械原理雙語教學探索與實踐[J].探索與踐，2006，4（13）：191-192.

[2]盧梅，李威，邱麗芳.虛擬仿真實驗技術在機械原理實驗教學中的應用研究[J].儀器儀表用戶，2006，4（13）：25-26.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[關鍵詞]數字化模型；繼電保護；計算機仿真；系統性校驗

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）37-0039-01

0 引言

電網規模的不斷擴大和一次系統接線方式的日益復雜對電力系統的安全穩定運行提出了更高的要求。繼電保護設備作為維護電網安全穩定運行的第二道防線，已越來越受到人們的重視。

由于電力系統本身是一個動態的系統，電網故障的發生也具有突發性、瞬時性、不可預見性等特點，電網二次系統作為電網安全穩定運行的主要控制手段，有必要在設備投運前對二次系統全面的測試和校驗。

目前的繼電保護校驗只能對二次系統中的繼電器（保護裝置）的功能與動作特性進行校驗，對于在系統故障時能否正確切除故障起決定作用的繼電保護定值及二次系統其它參數無法進行驗證。

因此本項目提出了在建立電網一次精確模型的基礎上，進一步建立二次系統的主要構成元件――各種保護繼電器的數字化模型（即虛擬繼電器），從而搭建整個電網系統的數字化模型，利用計算機仿真這一先進的技術手段對電網的第二道防線進行模擬，從根本上解決目前難以對電網中的二次系統配置的合理性、準確性、以及各項控制功能的有效性進行全面驗證的問題。

1 國內外研究水平綜述

目前，對電網中繼電保護系統的校驗仍然處于裝置級水平，即僅僅對單臺（套）繼電保護設備進行硬件性能、邏輯功能、動作特性等方面的檢驗，而對于關系到繼電保護設備能否正確動作的保護定值的合理性及準確性無法進行檢驗。

電網本身是由眾多元件連接成的統一的系統，對電網中繼電保護設備的要求不僅僅局限于邏輯功能正確、動作可靠，更重要的是強調各級電網的繼電保護設備的動作特性必須嚴格配合，在一次設備發生故障時，保護裝置必須做到該動必動，不能誤動。繼電保護定值作為保護設備能否動作的直接依據，各級繼電保護裝置動作特性的配合實際上就是保護定值的配合。如果對保護定值的正確性進行校驗就必須考慮到各級保護定值的逐級配合，聯系各級電網對定值進行系統的校驗。

由于電力系統故障的瞬時性、突發性、破壞性以及故障過程的不可逆轉性，現有的技術手段尚不能對電網各級保護定值進行系統的檢驗。本文在現已成熟的電網一次設備電磁暫態仿真技術的基礎上，提出了建立電網中各種繼電保護設備的數字化模型――虛擬繼電器，將電網中各級保護定值置入虛擬繼電器，通過對電網進行各種電磁暫態仿真過程，觀察各虛擬繼電器的動作情況，從而檢驗電網中各級繼電保護定值的正確性。

2 理論和實踐依據

（1）虛擬繼電器模型的建立

實現本文的關鍵在于建立各種繼電保護裝置的數字化模型，即虛擬繼電器。利用先進的數字建模技術，根據常見繼電保護裝置的基本原理及動作邏輯，編制程序完成各種繼電保護裝置的基本功能，并進行測試完善，使之具有與實際繼電器相同的動作特性，并預留同外部程序的接口。

（2）虛擬電網的繼電保護系統的建立

根據電網的實際情況，實現對電網的電磁暫態仿真模型（一次系統）的保護配置，主要實現虛擬繼電器對一次系統模型中相應斷路器的控制功能。

（3）對電網一、二次系統模型的仿真研究

利用現已成熟的電網的電磁暫態仿真模型，通過模擬一次系統的各種異常及事故運行狀況，分析電網中各種繼電保護設備及斷路器的動作行為，在此基礎上進一步分析繼電保護設備的配置與參數整定是否合理。

（4）本文的創新點

本文提出建立電網二次系統的數字化模型，對電網的二次系統進行全面的仿真研究，克服了以前的電網仿真只研究一次模型，忽略二次模型的弊端，只有對電網的一、二次設備進行全面的仿真研究，才能真正實現對電力系統的全方位、全過程的動態仿真。

繼電器作為構成電網二次系統的基本元素，本文提出了虛擬繼電器的概念，建立虛擬繼電器是本文的關鍵部分，在國內外尚未看到有關虛擬繼電器的有關報道。

3 研究內容和實施方案

本文利用計算機建模技術建立虛擬繼電器，使之具有與實際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動作出口等功能，并具有良好的人機界面，可方便的實現對虛擬繼電器進行各種參數及定值設置，從而實現與實際繼電器完全相同的功能。

設想電網系統的數字化模型開發及仿真系統由三部分構成，分別為基于微機保護的電網實時仿真裝置，通訊和信號轉接口以通用自動化二次設備，如圖1。

圖1 電力系統仿真系統構成圖

電力系統是一個龐大而復雜的系統，按照其內在的物理規律、相互關系及實際功用，可將電力系統紛繁復雜、形態各異的設備歸納為若干種類。依其內在機理確定算法，算法面向一類設備，代表其共性。

然后根據實際系統，將通用性的算法應用到特定的設備，對各輸入、輸出、系數進行配置以反映其特性。并依據物質流向、控制信息流向將它們一一連接起來，即構成模型。建模工程師無須專門的計算機軟件知識，只要熟悉仿真對象的工藝流程，具備相應的專業知識，即可從事模型開發和維護工作。

具體到繼電保護設備，可根據每種保護的輸入、輸出量及工作原理建立數學模型，正確反映保護的啟動、動作、復歸、時間等特性。

所有設備算法均依據物理機理建立，算法涵蓋了仿真對象的全工況動、靜態特性，既反映了正常運行的規律，又模擬了異常、故障情況下的特性。

在原有電網一次系統仿真模型上，根據實際電網保護配置情況，實現電網二次系統的配置，從而形成完整的電力系統。然后利用現已成熟的電網電磁暫態仿真技術，模擬電網的各種故障及異常運行方式，觀察電網中一、二次設備的動作情況，從而判斷電網中的各種繼電保護設備的配置情況及參數整定是否合理、正確。

4 預期目標和成果形式

本文利用計算機建模技術建立虛擬繼電器，使之具有與實際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動作出口等功能，并具有良好的人機界面，可方便的實現對虛擬繼電器進行各種參數及定值設置，從而實現與實際繼電器完全相同的功能。

在原有電網一次系統仿真模型上，根據實際電網保護配置情況，實現電網二次系統的配置，從而形成完整的電力系統。然后利用現已成熟的電網電磁暫態仿真技術，模擬電網的各種故障及異常運行方式，觀察電網中一、二次設備的動作情況，從而判斷電網中的各種繼電保護設備的配置情況及參數整定是否合理、正確。圖2為系統進行單相重合閘的仿真結果，圖1中給出了一次系統故障電壓、電流的曲線以及二次系統虛擬繼電器的動作情況，為設計人員及繼電保護整定計算人員提供直觀的分析依據。

圖2 系統進行單相重合閘的仿真

參考文獻

[1] 楊樂平，李海濤.LabVIEW程序設計與應用.北京：電子工 業出版社，2005：1～32.

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關鍵詞:射頻標簽;防碰撞;編址策略;應急;物資管理;計算機仿真

1研究背景和概述

射頻標簽(RFIDtag)又稱電子標簽，在跟蹤、物流、物資管理等領域已得到廣泛應用，例如:圖書館門禁系統，交通收費，倉儲管理、貨架管理以、應急物資管理及食品安全溯源等。其中，用于解決讀寫器作用范圍內多標簽識別情景下的射頻標簽識別防碰撞方法已成為該領域的重要研究點。射頻標簽的防碰撞方法主要是為了解決在射頻標簽識別設備的有效通信區域內，當多個射頻標簽同時與識別設備進行通信時產生的地址沖突問題。目前學術界對射頻標簽防碰撞問題集中于對算法本身的研究，一般沒有考慮射頻標簽編碼策略的因素。本文對采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法情況下，分別使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略的射頻標簽識別吞吐率進行比較研究。通過模擬仿真可以得出結論，利用“隨機編址”策略可以獲得比“層次化編址”策略更高的射頻標簽識別吞吐率。而“層次化編址”策略也有其優勢，一是現有的商用射頻標簽產品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續增加的“層次化編址”策略；二是“層次化編址”本身可以直接提供商品廠家、類型等信息。因此，研究針對“層次化編址”策略的射頻標簽防碰撞算法、以及研究“層次化編址”策略的應用場景是下一步的研究方向。

2射頻標簽編碼策略分析

2.1射頻標簽國際標準協議采用的射頻標簽編碼協議

在較早版本的射頻標簽國際標準協議（如ISO18000-6TypeB）中，射頻標簽的地址是固定的。而在較新的射頻標簽國際標準（如ISO18000-6TypeC）集中，用戶可以根據需要優化定制射頻標簽編址策略。隨著RFID技術的發展，在許多應用領域中，需要更加靈活的射頻標簽國際標準，因此本文研究采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法情況下，分別對射頻標簽使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略時，對射頻標簽識別吞吐率的影響，為射頻識別系統優化設計和新的射頻標識標準科學制定提供參考。

2.2層次化編址策略與隨機編址策略

作為“層次化編址”策略的一個例子，EPC（ElectronicProductCode）即電子產品編碼，是一種編碼系統。它建立在EAN.UCC（即全球統一標識系統）條型編碼的基礎之上，并對該條形編碼系統做了一些擴充，用以實現對單品進行標志。EPC編碼由版本號、產品域名管理、產品分類部分和序列號四個字段組成。EPC編碼根據地址長度的不同又分為EPC-64,EPC-96等多種編碼方法，如圖1所示。EPC-64是目前得到行業支持較廣泛的一種EPC編碼方法，又分為TYPE-I,TYPE-II,TYPE-III三種實現方案。較新的射頻標簽國際標準ISO18000-6TypeC也在協議的層面上對EPC提供了支持。“隨機編址”策略，顧名思義，就是對每一個射頻標簽隨機生成和分配一個地址。隨機生成的地址僅做標簽識別，沒有具體的意義，可以在后臺數據庫中與產品類型、廠商品牌等其他信息進行關聯。

3基于計算機仿真的射頻標簽編碼策略比較研究

3.1射頻標簽編碼策略計算機仿真

本文開發了射頻標簽識別防碰撞算法計算機仿真軟件，分別對射頻標簽使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略的射頻標簽識別吞吐率進行計算機模擬。在仿真過程中，射頻標簽防碰撞算法采用經典的QT算法。射頻標簽地址長度為64bit。對于“層次化編址”策略，采用EPC-64TYPY-I規范，對“隨機編址”策略，采用隨機生成的方式生成射頻標簽地址。射頻標簽識別防碰撞算法計算機仿真參數的選擇基于現實的射頻標簽讀取場景，包括超市個人結算場景和大型倉儲區貨架管理場景。這兩種場景的共同點是每種場景下系統都需要考慮兩個數量Ntotal和Nlocal。Ntotal表示已經入庫且分配了射頻標簽的物品總數量，Nlocal表示射頻標簽閱讀器某一次讀取操作中需要讀取的射頻標簽數量。在超市個人結算場景下Nlocal大約在數十個的數量級，在大型倉儲區貨架管理場景場景下Nlocal大約在數百個的數量級。而Ntotal可能在幾萬至幾十萬的數量級。在本文的模擬過程中，Ntotal取值為10000至100000，每隔10000計算一個模擬數值。而Ntotal取20和200兩個數值，分別模擬超市個人結算場景和大型倉儲區貨架管理場景。

3.2不同射頻標簽編址策略仿真結果

可以看出在射頻標簽閱讀器一次需要讀取20個射頻標簽的情景下，采用隨機編址策略時，射頻標簽閱讀器只需發起50次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發起400次左右前綴匹配。由圖3右側圖表可以看出在射頻標簽閱讀器一次需要讀取200個射頻標簽的情景下，采用隨機編址策略情況下，射頻標簽閱讀器只需發起不到600次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發起800至1500次前綴匹配。

3.3仿真結果分析與進一步的研究方向

通過上文的仿真結果，可以得出結論：采用隨機編址策略，射頻標簽閱讀器可以通過發起更少的射頻標簽前綴匹配操作，完成射頻標簽匹配讀取任務，射頻標簽識別吞吐率由于“層次化編址”策略。出現這種情況的原因是因為，在使用隨機編碼編址情況下，射頻標簽間的地址是低相關性的，標簽地址沖突只會出現在射頻標簽地址前幾位。而采用層次化編址策略情況下，射頻標簽間的地址是高相關性的，在不同策標簽地址層次分段上，都有可能產生射頻標簽地址讀取沖突。雖然從射頻標簽讀取效率的角度講，“隨機編址”策略，優于“層次化編址”策略，然而簡單放棄“層次化編址”策略并非最終的解決方案。第一個原因是而現有的射頻標簽產品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續增加的“層次化編址”策略；第二個原因是“層次化編址”策略本身比“隨機編址”策略直接提供了關于產品的更多信息。因此，下一步的研究方向包括下面幾個方面：一是對基本的QT算法進行優化，研究在采用層次化射頻標簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標簽讀取算法。二是從系統優化的觀點選取適合的射頻標簽編址策略。例如某應用需要通過掃描射頻標簽獲得產品信息，就需要從系統的角度考慮是直接采用包含產品信息的“層次化編址策略”更加優化，還是采用“隨機編址”策略，然后從數據庫讀取產品信息更加優化。

4結論

射頻標簽又稱電子標簽，是一種得到廣泛應用的物品單元自動識別通信技術。本文根據射頻標識技術的最新發展，在射頻標簽地址優化編碼技術方向上開展研究與仿真。模擬結果表明采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法，利用“隨機編址”策略可以獲得比“層次化編址”更高的射頻標簽識別吞吐率。下一步的研究方向包括：一是對基本的QT算法進行優化，研究在采用層次化射頻標簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標簽讀取算法；二是面向應用，綜合考慮射頻標簽識別算法吞吐率、數據庫訪問瓶頸等多種關鍵影響因素，從系統優化的觀點選取適合的射頻標簽編址策略。本文的研究成果具有較高的現實指導意義。

參考文獻

[1]J.H.Choi,D.Lee,Y.Youn,H.Jeon,andH.Lee,“Scanningbasedpre-processingforenhancedRFIDtaganticollisionprotocols,”inInternationalSymposiumonCommunicationsandInformationTechnologies(ISCIT),(Bangkok,Thailand),2006.

[2]D.Klair,K.Chin&R.Raad,"AsurveyandtutorialofRFIDanti-collisionprotocols",IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,vol.12,(03)pp.400-421,2010.

[3]張予帥,蔣泰,蘇平,羅義學,肖煌.ISO18000-6TypeB與TypeC標準的分析與比較[J].廣西科學院學報,2009(04):336-339.

[4]F.Zhou,C.Chen,D.Jin,C.Huang,andH.Min,“Evaluatingandoptimizingpowerconsumptionofanti-collisionprotocolsforapplicationsinRFIDsystems,”inProc.2004internationalsymposiumonLowpowerelectronicsanddesign,pp.357-362,2004.

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關鍵詞： Verilog HDL； FIR濾波器； 分布式算法； 數字集成電路

中圖分類號： TN713?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0154?03

Optimization design and simulation of FIR digital filter based on Verilog HDL

LI Yu?xue1，2， BAI Zhong?chen1， QIN Shui?jie1

（1. Guizhou Key Laboratory of Photoelectron Technology and Application， Guiyang 550025， China；

2. School of Electronic Information， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract： The realization of FIR digital filter based on Verilog HDL was studied and was improved on the basis of the distributed algorithm. A 32?order constant coefficient FIR filter was designed. Verilog hardware description language was used for digital logic Design. The design was simulated and verified by taking Synopsys VCS as a simulation tool. It was synthesized with Design Compiler of Synopsys Company. The results show that the design can noy only ensure the running speed， but also save the area of the chip. It can be widely used in the design of digital integrated circuit.

Keywords： Verilog HDL； FIR filter； distributed algorithm； digital integrated circuit

0 引 言

數字濾波器廣泛應用于數字音頻、圖像處理、數據傳輸、生物醫學等領域，是現代信號處理的重要內容。有限沖擊響應（FIR）濾波器有著保證線性相位和系統絕對穩定的優勢，因此在現代信號處理中得到廣泛的應用。 隨著電子計算機技術和大規模集成電路的發展，數字濾波器已可用計算機軟件實現，也可用大規模集成數字硬件實時實現。在工程實踐中，對信號的靈活和實時性要求很高，而現有的一些軟件和硬件設計方式很難同時達到這兩方面的要求[1?2]。本文優化設計了一種基于Verilog HDL的FIR數字濾波器，該濾波器處理速度較快，滿足信號實時處理的需求，且有效地減少了芯片的面積。

1 FIR數字濾波器的設計與實現

1.1 FIR濾波器的設計原理

FIR濾波器的實現方法主要是基于乘加結構（MAC結構）和分布式算法（DA）結構。乘累加結構在很大程度上能夠節省硬件資源，但造成濾波器要在多時鐘周期后才有輸出，處理速度很慢，不能滿足對高速系統的要求。并行乘法器結構盡管處理速度提高了，但是大量的耗費硬件資源，造成設計成本高。DA算法是將所有可能的乘積和預先計算出并保存在查找表中，能高效地實現多個乘法運算操作，在速度上和資源占用上比利用乘法器結構設計FIR濾波器有不可比擬的優勢[3]。DA算法的原理簡介如下。

一個[K]階的FIR濾波器的表達式如下：

[y=k=0K-1hkxk] （1）

式中：[hk]是第[k]個抽頭上的濾波器系數；[xk]是對應第[k]個抽頭上的輸入數據。對于位寬為[n]比特的有符號[xk]數用二進制補碼表示為[（b0b1…bn-2bn-1）2，][b0]是符號位，[bn-1]是最低位，則：

[xk=-bk0+i=1n-1bki2-i] （2）

將式（2）代入式（1），則有：

[y=k=0K-1hk-bk0+i=1n-1bki2-i] （3）

將式（3）展開，得到：

[y=-k=0K-1hkbk0+i=1n-1k=0K-1hkbki2-i] （4）

由式（4）可以看出，濾波器的輸出[y]由兩部分組成，式中[k=0K-1hkbki]表示[K]個固定系數與其對應的[K]個二進制補碼輸入的第[i]位的乘積和，它的結果共有[2k]種可能，將這[2k]種可能值計算出來放在查找表里，將乘累加轉換成查表的過程。采用DA算法的FIR濾波器，其處理速度僅與輸入的數據寬度有關，而與濾波器的階數無關。

由以上推導得出，當濾波器的階數變大時，查找表的規模按指數增長。對于高階濾波器的實現，必須采用將高階濾波器拆分成多個低階濾波器的方式。例如實現一個32階的FIR濾波器，可以由8個4階的FIR濾波器的輸出結果相加來完成，但是它們有各自不同的查找表[4]。

DA算法有位串分布式（SDA）算法，并行分布式（PDA）算法和串并結合的分布式算法，實現一個4階的FIR濾波器，對于SDA算法，需要一個查找表，如果輸入數據位寬為[N]位時，至少要在[N]個時鐘周期后才有結果輸出，對于PDA算法，將每個輸入數據的相同位傳遞給查找表，不同的位有不同的查找表，實現很高的速度，常用在對濾波器速度要求相當高的場合，不利的地方是使用多個數據相同的查找表內，加大了資源的占用，目前還沒有一個有效的方法既能有效減少查找表的數量，又能不降低系統運算速度[5]。串并結合的分布式算法，例如，輸入的16 b數據，從低到高分為4個4 b數據：[0：3]、[4：7]、[8：11]、[12：15]，每個4 b數據使用一個查找表，共4個查找表，由于既有并行結構又有串行結構，往往有一些控制電路和多個時鐘[6]。

1.2 FIR濾波器的Verilog HDL設計實例

1.2.1 設計結構

本例主要設計一個32階的FIR濾波器，由8個結構完全相同的4階的FIR濾波器連接構成，32階FIR濾波器的輸出為每個4階FIR濾波器的輸出結果相加，如圖1所示。

基于PDA算法的4階FIR濾波器的結構如圖2所示。輸入的4個數據的相同位構成一個4位的查找表地址，查找從最低位開始，通過移位實現乘2運算后累加，得到濾波器的輸出。

圖1 32階FIR濾波器結構

圖2 基于PDA算法的4階FIR數字濾波器結構

對基于PDA算法的4階FIR數字濾波器進行優化設計后的濾波器結構圖，如圖3所示。用數據選擇器代替查找表，數據選擇器中選擇的數據和查找表的數據相同，數據選擇器的個數和查找表的個數相等。

圖3 4階FIR數字濾波器結構

1.2.2 Verilog HDL代碼編寫

采用寄存器傳輸級描述（RTL）的方法和自頂向下的方式進行代碼的編寫，同時應該具有很好的易讀性和可重復性[7]。其中每個數據選擇器模塊和4階FIR濾波器模塊完全相同，可重復使用。32階FIR濾波器的端口列表見表1。

表1 32階FIR濾波器的端口列表

[端口名＼&類型＼&說明＼&data_in[15..0]＼&輸入＼&輸入為16位帶符號整數＼&rst_n＼&輸入＼&時鐘復位信號＼&clk＼&輸入＼&時鐘＼&data_out[15..0]＼&輸出＼&FIR濾波器的輸出為16位帶符號整數＼&]

1.2.3 驗證仿真

使用Synopsys VCS作為仿真工具，通過編譯仿真得到波形文件，使用DVE打開波形文件，能夠看到各信號的傳輸情況，圖4為32階FIR濾波器的仿真波形圖。本文設計的濾波器為常系數FIR濾波器，由輸入數據和濾波器的系數可以利用Matlab計算出標準的濾波器輸出數據[8?9]。把通過Verilog HDL實現濾波后得到的輸出數據和Matlab計算得到的數據進行對比，發現兩種方式得到的數據相同，驗證了設計的濾波器的輸出結果的正確性。由查找表實現的FIR濾波器會因為查找表占用大量的存儲單元，而本文設計的FIR濾波器用數據選擇器代替了查找表結構，實現相同的功能和高速的處理速度，而且減少了資源的占用，這和綜合后的得到的結果相符合，有效地節約了芯片的面積。

圖4 32階FIR濾波器仿真波形

2 結 論

利用Verilog HDL 設計的FIR濾波器在設計上比較靈活，代碼容易修改，編譯和仿真效率較高[10]。本文設計的濾波器有效地節約了芯片的面積，降低設計的成本，可以廣泛應用于數字集成電路中。

參考文獻

[1] 王春興，張彬.基于Matlab的FIR濾波器設計[J].現代電子技術，2011，34（18）：83?85.

[2] 林志典，張方佩，袁國順.基于FPGA的高速FIR濾波器的設計與實現[J].微電子學，2013，43（4）：537?540.

[3] 曲仕如，彭紀昌.一種在FPGA上實現的FIR數字濾波器的資源優化算法[J].電子設計工程，2013，21（14）：147?149.

[4] 陳亦歐.采用分布式算法的高速FIR濾波器ASIC設計[J].微電子學，2007，37（1）：144?146.

[5] 趙金現，吳三，王乃飛.基于FPGA并行分布式算法的FIR濾波器的實現[J].黑龍江科技學院學報，2006，16（4）：248?250.

[6] 凌春麗.基于分布式算法的FIR濾波器的實現與應用[D].南京：南京林業大學，2012.

[7] 夏雨聞.Verilog HDL數字系統設計教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[8] 尹玉興，劉振堅，項止武.基于Matlab的FIR數字濾波器設計與仿真[J].工礦自動化，2011（12）：60?63.

篇5

關鍵詞：數字化；施工；信息資源

建設工程施工是一個高度動態的過程，施工不僅復雜而且施工時期較長，如何應用先進的技術手段進行安全而有序的管理，使施工體系達到現代化水平的目標已成為施工管理人員的共識。隨著數字技術的飛速發展和互聯網的日益普及，以互聯網技術為基礎，借助于系統仿真技術以及數字化的概念，實現工程項目的透明化、傳播化和智能化施工管理，已成為工程項目施工管理的一個重要研究課題與發展方向。

一、數字化施工的概念以及核心思想

數字化施工是在“數字地球”這一大課題背景下提出的。美國于 1998 年率先提出了“數字地球”（Digital Earth）的概念，數字地球的概念不是一成不變的，而是隨著社會的發展而不斷進步的。 “數字化施工”就是將施工過程數字化，其核心思想是用數字化手段的整體性去解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源，使得在施工質量得到保障的同時可以達到高效的施工。它不僅僅指由計算機代替傳統的手工制作報表，而且應用在多項事件及職能上，可以對施工進行全面性的控制。

空間信息是數字化施工管理的必須品，它包括施工場地的地形地貌的現場勘測與記錄、建筑物的區位信息以及施工項目的安排等一切空間的信息，是對特定空間內的全面操控。空間信息技術是全面而宏觀的空間處理技術，它主要包括遙感技術、地理信息系統和全球定位系統，即 3S認證技術。其中，地理信息系統在建設工程施工中具有重要作用，地理信息系統是一門新興學科，它介于地球信息與信息科學之間，以存儲，采集，分析，管理，描述和應用相關資源為導向的數據系統。地理信息技術可以對施工區域持續的進行監控與管理，可以隨時發現施工的問題以及運算相關的施工數據。

二、數字化系統的仿真運算

系統仿真技術是隨著計算機技術的發展逐步形成的一門新興技術，它以相似性原理、系統工程方法、信息技術及應用領域相關專業技術為基礎，以計算機等設備為工具，利用系統模型對真實的、或設想的系統進行動態研究的一門多學科的綜合技術。例如在我國體育場（館）建設中，就是通過前期不斷的仿真運算來推測體育場（館）建成之后的型貌，并在施工過程中隨時通過仿真運算的結果顯示來更改施工措施及方案，使得工程進度與仿真情況形成了對比，更有利于施工單位明確自己的施工體系，從而完善施工過程。隨著仿真技術的發展，現代仿真技術已經成為工程單位的常規科技手段。仿真技術可以通過架設的方式讓施工單位看到施工完成后的大概情況，然后根據施工完成的情況優劣而決定施工中的方案調整，簡單的說就是一種反推理的過程，為復雜的工程以及運算提供了不可缺少的分析、研究、設計、評價、決策和訓練的重要手段。

三、虛擬現實

所謂虛擬現實（Virtual Reality，簡稱 VR），就是采用以計算機技術為核心的現代高新科技生成逼真的模擬環境，該環境中包含了視覺、聽覺、觸覺與嗅覺為一體的特定環境，通過多種傳感設備（如頭盔顯示器、立體眼鏡、數據手套、數據衣等）使用戶以自然的方式與模擬環境中的物體進行相互交融，從而產生身臨其境的感受和體驗。虛擬現實有重要的 3 I特性：

（1）Immersion（沉浸度）。VR 系統不再像傳統的計算機接口技術一樣，它強調用戶與計算機的自然接觸，就像現實中人與人之間的交流或者人與自然的融匯一樣。

（2）Interaction（交互性）。VR 系統區別于傳統三維動畫的特征是用戶不再被動地接受計算機所給予的信息，或者是旁觀者，而是主動的參與到三維動畫之中，能夠使用交互輸入設備來操縱虛擬物體，以改變虛擬世界的。

（3）Imagination（想象性）。用戶利用 VR 系統可以從定性和定量綜合集成的環境中獲得感性和理性的認識，從而更深刻的認識環境、相應區位的情況及變化，從而深化概念和萌發新意。

四、智能施工

智能體（Agent）是一種完全創新的非人工技術，是指為了實現自己的設計目標或任務而獨立自主的運行，能適應自身所處的環境，并能不斷地從環境中獲取知識以提高自身能力的具有學習和推理功能的智能實體。多智能體技術具有自主性、分布性、協調性，并具有自組織能力、學習能力和推理能力并完全不需要人工操作。目前多智能體的建模軟件主要有 JAVA、Visual C++、VisualBasic、SQL Server、Delphi、PowerBuilder 中的 CLIPS 等。隨著國民經濟的發展和新技術、新材料、新工藝的不斷出現，工程項目規模不斷擴大、形式日益復雜，工程建設過程涉及的單位和個人也越來越多，因而對建設工程管理的統籌性、協調性、時效性提出的要求就越來越高。對于這樣一個復雜的系統，應用多智能體技術來保證工程建設任務的順利進行是非常合適的。

五、結語

將來隨著數字化施工的普及，我國的場地施工質量和效率必將有顯著性的提高，而通過更合理的改造及加工，我們的信息模塊也可以在短時期內發展到較為完整的水平。只是我國如今的施工項目對于數字化施工的利用率還不高，有些施工項目的施工成本較低和對數字化施工的優勢利用認識不清導致數字化施工無用武之地。這就需要我們的管理者首先要明確數字化對施工效率的促進作用及在施工管理過程中的優勢，加大對數字化人員的培訓力度，使數字化技術在縮短工程周期、強化工程質量和節省資源方面發揮更大的作用，以促進數字化技術在施工過程中的利用率達到更高的水平。

參考文獻：

[1] 李景茹, 胡程順. 數字化施工淺議[J].建筑管理現代化,2004年,第五期.

篇6

關鍵字：虛擬仿真技術；建筑施工；應用

中途分類號：TU7 文獻標識碼：A

系統仿真是以多種學科理論為基礎，以計算機及其軟件為工具進行試驗研究的理論和方法論體系。仿真技術顧名思義，是把自然界中的物理現象通過一定的物理和數學模型在計算機上模擬來得到實際場變量的分析，有助于預知關心的物理現象。簡單的說，仿真技術是對系統模型的一種試驗技術(是對系統動態模型的一種實驗手段)，在安全性和經濟性方面有較大的優越性。

一、虛擬仿真技術的應用現狀

目前，虛擬現實技術在國際上是一個熱門研究課題，其應用已取得引人注目的成效，在國內也引起了廣泛的重視。當人們需要構造當前不存在的環境、人類不可能到達的環境或構造虛擬環境以代替耗資巨大的現實環境時，虛擬現實技術是必不可少的。隨著計算機硬件、軟件技術的發展以及人們越來越認識到它的重要作用，虛擬仿真技術在各行各業都得到了不同程度的發展，并且越來越顯示出廣闊的應用前景。虛擬現實的廣泛應用前景使之成為目前最具影響力的技術之一。軍事領域、航天技術、建筑設計、工業設計、教育培訓、醫學領域、石油化工等等，虛擬戰場、虛擬城市、甚至“數字地球”，無一不是虛擬技術的應用。虛擬仿真技術將使眾多傳統行業和產業發生革命性的改變。虛擬仿真技術在建筑方面的應用主要有：大型建筑先期演示和論證；建筑設計領域；結構工程領域(工程結構分析、巖土工程分析)；房地產展示領域(全方位的數字化沙盤、數字化投標領域、房地產展示、施工流程的數字化模擬)。本文主要闡述虛擬仿真技術在建筑施工中的應用。

二、虛擬仿真技術在建筑施工中的應用方式

（一）用當前流行的三維動畫軟件3DS MAX、虛擬現實軟件3DVRI、多媒體編排軟件NeoBook、編程工具C#來實現模擬施工和虛擬建筑場景漫游。

3DVRI制作出來的虛擬仿真系統主要功能有：全方位互動漫游功能；即時輸出功能；數據實時查詢及修改功能；語音定位功能；導航圖功能。

事先用3DSMAX軟件做好建筑場景及主體的3D模型以及各施工模塊的3D模型，然后用3DVRI虛擬現實軟件對動畫場景進行處理轉換為3DVRI實時三維系統，最后用NeoBook軟件在3DVRI實時三維系統中按照需求寫入不同的指令，為實時三維系統添加交互功能，可以利用專業編程工具如C#等軟件對實時三維系統中的模型及動畫進行精確控制，并可編寫更復雜的交互功能程序，最終為可獨立運行的3DVRI施工模擬虛擬現實系統。此方案對于多種施工方案的展示、施工工序的編排比較有用，但無法對于施工方案進行預見性的模擬。

（二）用專業的建筑虛擬現實軟件(如奔特力Bentley、Multigen、Veger等)，結合部分編程技術，實現具有較強人機交互能力、模擬建筑施工過程，以選擇合理的設計方案以及合理的施工方案。

本方案更為專業和智能，能預見性地發現施工方案中的不足，便于指導施工，可以有效地提高施工水平、消除施工隱患、防止施工事故、減少施工成本與時間。此方案的軟件購置費用比較高。

比較著名的是英國Bentley建筑工程系列軟件公司提供的系列建筑仿真軟件，目前已經在中國建筑、工程以及建造領域得到一些應用，主要在各建筑設計院使用，在施工中企業的應用還屬于起步階段。Bentley工程軟件系統公司首席執行官Greg Bentley宣布了兩項新的中國計劃，以支持中國的大規模基建投資。首先，Bentley亞洲總部將進駐北京，為中國的基建領域提供全面配套的軟件產品；其次，即將啟動的Bentley Power計劃，使中國用戶可在初期免費注冊專業的計算機輔助制圖／設計(CADD)軟件服務。

三、建筑施工中應用虛擬仿真系統的意義

（一）建筑工程施工方案的選擇和優化。

建筑工程施工的施工方法及施工組織的選擇和優化主要是建立在施工經驗的基礎上，存在一定局限性。同時，現代建筑基本都具有鮮明的個性，建筑工程施工成為不可完全重復的過程。使用施工虛擬仿真技術將可以直觀、科學地展示不同施工方法和施工組織措施的效果，可以定量地完成方案的對比，有助于施工方案的選擇和優化，真正實現最優施工。

（二）施工技術革新和新技術引入。

施工虛擬仿真技術一方面能使廣大施工技術人員低成本地試驗施工新工藝和革新思路，有助于創造性的充分發揮，同時能真切展示新技術的成效，縮短建筑業新技術的引入期和推廣期，降低新技術、新工藝的實驗風險。

（三）施工管理

施工虛擬仿真技術能事先模擬施工全過程，能提前發現施工管理中質量、安全等方面存在的隱患，因而可以采取有效的預防和強化措施，提高工程施工質量和施工現場管理效果。

（四）安全、生產培訓

施工虛擬仿真技術能實時、直觀地顯示施工過程的實際情況，有助于操作人員全面了解操作流程，優質安全地完成施工任務。

（五）大型工程設計

施工虛擬仿真技術可以考察建筑設計是否合理，可以方便地對擬改進部位進行修改，從而得到滿意的設計結果。設計的仿真也有利于設計單位與業主、施工單位進行設計交底。

（六）建筑市場管理

施工虛擬技術在招投標過程中能直觀對比各方的施工方法和成效，增加評標的透明度和公正性，有利于建筑市場的規范管理。

（七）其它方面

開發施工虛擬仿真技術必然帶動虛擬現實技術廣泛地應用于建筑業其它方面，帶動以下幾方面的進步：城市和市政規劃的優化；投資者的投資意圖及市場推銷；建筑機械設計；仿真和虛擬現實技術。

四、總結：

總而言之，隨著信息技術的高速發展，各種新型技術都已經開始投入實踐。建筑業也必須敢于創新，勇于嘗試，這是建筑行業發展自身、壯大自身并適應時展的唯一途徑。

參考文獻：

篇7

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A文章編號：1007-9416（2012）04-0000-00

1、論文研究背景及意義

近多年來，由于計算機及網絡相關技術的迅猛發展，世界經濟發展的必然趨勢就是數字化，數字城市也逐漸引起了人們的注意。那么怎樣應用計算機技術來構建數字城市，近而實現城市的數字化已經引起城市規劃及管理人員和城市居民的共同關注。城市仿真技術在構造數字城市過程中發揮著非常重要的作用，因此成為當前一個新的研究熱點。仿真(Simulation)技術是利用計算機軟件模擬實際環境進行科學實驗的技術，以模擬的方式為使用者創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維圖形界面，使之在感知行為的逼真體驗中獲得直接參與和探索仿真技術對象在所處環境中的作用和變化。城市仿真(Urban Simulation)技術就是仿真技術在城市規劃、建筑設計等領域中的應用，表現為人機交互、真實建筑空間感與大面積三維地形仿真，即交互式實時三維(Interactive Realtime 3D)。采用虛擬現實技術構造出來的城市視景仿真系統是數字地球的重要組成部分和支撐手段，已經被廣泛應用在城市的規劃、建設以及管理當中，對于城市發展規劃的各個方面都具有相當重要的意義。

2、國內、外的視景仿真工具

MultiGen-Paradigm公司的MultiGen Creator的各版本三維建模軟件是世界上流行的實時三維數據庫生成系統的軟件環境，在仿真系統中得到廣泛的應用。Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現實等領域的世界領先的軟件環境。Urbansim是基于城市交通需求模擬分析和城市土地綜合分析的新型城市發展仿真軟件。MagicCity屬于WinTel架構基礎上的虛擬現實和視景仿真系統。我國在視景仿真系統開發的同時，也在進行仿真系統軟件平臺的開發。TrueSim v2.0 三維實時仿真軟件平臺是深圳市創想科技發展有限公司在綜合了國內外多項最新三維仿真技術的研究成果以及多年來從事三維仿真研究所積累的多種經驗的基礎之上推出的具有自主知識產權的仿真平臺。神州視景信息技術有限公司自主研發了“基于普通PC和Internet的大規模場景實時漫游引擎系統――SCVR”。 Virtools是一個實時三維虛擬現實編輯軟件，可將多種常用文件格式（三維模型、二維圖表、聲音等）整合到一起，并具備交互功能，能夠開發出電腦游戲、建筑仿真、交互娛樂等多種3D產品。

3、本文的研究目的及重要內容

本文通過研究虛擬現實視景仿真技術的相關知識，實現以我們學院校園為虛擬環境的視景漫游系統。通過對虛擬場景的構建，能夠實現視景漫游中的自動漫游和交互漫游等效果。本系統應用建筑草圖大師Sketchup和MultiGen Creator軟件工具來構建虛擬場景中地形及建筑物的三維模型，并建立道路、樹木、路燈等虛擬景物，借助Vega Prime軟件平臺和工具集對校園虛擬場景進行仿真，在VC++開發平臺下實現三維景觀及模型的交互式（以鼠標、鍵盤等交互方式）控制，實現了虛擬校園景觀的視景仿真漫游系統。

本文主要研究內容和所做工作總結如下：

(1)了解視景漫游技術以及虛擬現實的發展，對國內外虛擬現實技術應用現狀進行調研。

(2)對黑龍江農墾科技職業學院的視景環境數據進行搜集和整理，包括地形數據的獲取、建筑物數據的獲取、紋理數據的獲取等等。

(3)研究用虛擬現實建模軟件Sketchup、Creator以及三維建模技術、模型真實感技術以及模型優化技術等對地形、道路、教學樓和圖書館等建筑以及校園之中的花草樹木等進行建模，構建出虛擬場景模型庫，然后用視景漫游軟件Vega Prime和VC++對虛擬場景進行漫游和交互控制。

(4)研究模型數據庫建模和優化技術問題，模型數據庫的建構、調整和優化對提高實時仿真系統中運行的速度和流暢性起著至關重要的作用，成為目前重要的研究課題。

(5)碰撞檢測技術。開發虛擬現實仿真系統有一個主要目標就是能夠讓用戶以盡可能接近自然的方式與構建的虛擬場景中的物體直接進行交互。要實現自然的、精確的人機交互功能首先要解決的是碰撞檢測的問題。碰撞檢測是虛擬場景中動態物體與靜態物體之間或動態物體與動態物體之間進行交互的基礎。在碰撞檢測中有兩個問題需要解決，一是檢測到碰撞的發生和碰撞的位置，二是計算碰撞后的反應。而碰撞檢測是計算碰撞反應的先決條件，因此，碰撞檢測是虛擬環境中一個必不可少的部分。

(6)為保證虛擬場景的真實性、生動性及其對用戶的感染力，對基于粒子系統的虛擬場景環境特效技術進行研究。

校園視景仿真就是在計算機環境中對真實校園的景觀進行虛擬再現，采用虛擬現實相關技術，生成一個實時的、能給用戶各種真實感受的三維虛擬環境。利用計算機軟硬件及其相關輸入輸出設備，使用戶可以在虛擬的校園場景中進行瀏覽和交互漫游，感受校園中的風景。利用這種方法可以讓更多的人來了解我們的學校，對本校園的環境及交通現狀等方面有更深刻的認識。

參考文獻

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關鍵詞 動態系統；計算機仿真；仿真建模

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0036-01

1 計算機仿真技術

計算機仿真技術即利用計算機制作真實系統模型，用來進行系統評估的技術手段。具體說就是將真實系統作為仿真模型的根據，通過運行具體仿真模型和對計算機輸出信息的分析，實現對實際系統運行狀態和變化規律的綜合評估與預測，進而實現對真實系統設計與結構的改善或優化。隨著計算機技術的快速進步，計算機仿真技術主要是用來進行系統分析和設計，應用于多項領域。計算機仿真技術作為一種可以客觀分析現有系統運行狀態和評價現有設計系統性能的技術手段，在很多領域（例如航空航天、經濟管理、通信網絡等）的發展中起到極為重要的促進作用。可以這樣說，計算機仿真技術已經成為現代和高科技產業中不可或缺的進行系統分析和研究的一項關鍵性技術手段。

由于在實際的操作過程中，需要根據實際情況來選擇合適的計算機類型，因此根據在仿真過程中采用的計算機類型以及計算機仿真技術的發展過程，可以將計算機仿真技術的類別劃分為模擬機仿真、數字機仿真和模擬―數字混合機仿真。計算機仿真技術在20世紀50年代興起，模擬計算機是當時采用的主要計算機仿真技術，其工作原理是：在仿真系統數學模型明確的前提下，通過一系列運算器和無源器件建立一個仿真的電路，通過這個仿真電路進行后期的實驗研究。但是，隨著計算機數字化的快速發展，在20世紀60年代后期，計算機仿真技術開始由模擬形式轉變為數字機仿真。但是，航空航天等大規模復雜系統的發展對計算機仿真技術提出更高的要求，傳統的數字機對信息的處理能力等方面已不能滿足仿真系統的需求。為了盡快解決這一問題，使計算機仿真技術能夠為更多的領域提供最佳的服務，以數字機與模擬機混合而成的數字混合機應運而生。數字混合機不僅能夠滿足航空航天等復雜系統的應用，而且也極大程度的促進了這些領域的快速發展。而后仿真技術隨著計算機技術的發展而迅速發展。

計算機仿真主要三個方面的內容組成：一是系統；二是模型；三是計算機。而這三方面的內容主要是通過仿真實驗、仿

圖1 仿真三方面內容之間的關系圖

真模型的建立以及系統模型的建立相互聯系在一起的。圖1描述了這三者之間的關系。

在模型活動的基礎上，可以將計算機仿真的全過程劃分為下面三個階段。

1）計算機模型的建立，通過建立系統的數學模型，可以確定系統的原始狀態，計算機模型的準確建立是計算機仿真系統有效性的基礎技術。2）計算機模型的轉變，此過程通過將數學模型轉變成為相應的模擬電路等可以用計算機語言表達出來的仿真模型，并通過編寫相應的數據處理軟件，變成可以直接應用的計算機仿真工具。3）計算機仿真實驗階段，利用仿真輸出信息與實際存在的系統信息進行比較，發現問題，對已有的系統進行改善和完善。

2 仿真模型的建立

模型分析之所以得到廣泛的應用成為現代科學研究最常用的方法之一，是因為它可以根據實際系統抽象或是對事物本質的描述來建立簡化的數學模型或物理模型，這種模型與實際系統之間存在同構或同態關系的，我們就可以通過此模型來分析實際系統，進而對實際系統進行合理的控制和優化。下面主要詳細討論兩種形式的仿真建模。

首先針對連續變量動態系統的仿真建模是由時間驅動，狀態連續變化等一類物理系統。根據系統中時間和取值方式，可以將連續變量動態系統劃分為連續時間動態系統、離散時間動態系統（工程采樣系統是最為常見的系統）和連續-離散時間混合的動態系統等多種類型。同時，對連續變量動態系統仿真系統常用的數學模型有多種，最常見的是常/偏微分方程模型，另外還有滑動平均（MA）模型和受控自回歸滑動平均（CARMA）模型等。

其次，離散事件動態系統（DEDS）的仿真建模。離散事件動態系統多是人造系統，相對于其他系統離散事件的變化關系較為復雜，常規的方程模型難以較準確的對其進行描述。人們針對離散事件動態系統模型的設計方法進行了多方改進，自20世紀80年代初以來出現了多種形式。例如，常見的依據事件發生時間對所考察對象變化過程的分析而言是否有必要這一條件作為研究范圍，將離散事件動態系統劃分為：帶時標的離散事件動態系統（TIM/RTIL模型、雙子代數模型等）和不帶時標的離散事件動態系統（Petri網絡模型、過程代數模型等），同時也可以依據系統輸入信息以及狀態演變的確定性與否，將其劃分為確定性離散事件動態系統和不確定性離散事件動態系統模型。

從現有的很多文獻以及不同種類的離散事件動態系統（DEDS）描述來看，離散事件動態系統模型的建立和分析研究仍不完善，有很大的發展空間。此系統模型種類多，那么在模型種類之間就需要必要的轉換關系，對每一種模型的描述方式通常僅適用于一種或是幾種問題。

分析目前已有的系統建模方法，離散事件動態系統最常用的方法主要包括網絡圖或事件圖法和形式語言與自動機方法等。雖然離散事件動態系統模型的建立為離散事件動態系統的仿真創造了條件，但是并不是所有的離散事件動態系統模型都能直接用于計算。例如，常用的GSMP模型，可以用于描述多種模型方式不具備的或是很難描述的復雜過程，但GSMP模型在計算機上的實際應用卻很復雜，需要專業的相關知識。離散事件動態系統仿真的核心問題是仿真模型的有效性，保障與真實系統行為具有某種同構或同態關系。在CVDS中的方法是使用以物理規則為根據，通過方程式的方法來描述模型設計，這樣并不完全適用于離散事件動態系統仿真模型的建立。另外一方面的問題是由于離散事件動態系統多是人造系統，變化形式表現出復雜的非線性。隨著需求的不斷變化計算機仿真技術需要不斷的改進，針對不同時間要選擇適當的模型。

參考文獻

[1]胡峰，孫國基.動態系統計算機技術綜述（Ⅰ）：仿真模型[J].計算機仿真，2000（1）.

[2]呂雁.計算機仿真與建模技術綜述[J].電子科技雜志，2001（11）.

[3]蔡潔華，路多.動態系統計算機電源仿真技術研究[J].計算機光盤軟件與應用，2013（13）.

篇9

關鍵詞：變電站；數字物理混合；仿真培訓系統；電網運行

中圖分類號：TM933文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）07-0015-04

變電站作為電力系統的一個重要部分，其運行狀況好壞直接影響到整個電網運行的安全，變電站事故中有相當一部分是由人為操作不當造成的。這其中既有由于電網調度員誤發調度令、對異常處理措施不當造成的事故，也有由于變電運行人員走錯間隔導致的誤操作事故、安全措施不到位誤入帶電間隔的人身傷亡事故、帶電誤合接地刀閘、帶接地刀閘誤合開關、帶負荷拉合刀閘、設備缺陷和異常未能及時發現造成的事故。對事故判斷不準和向調度匯報不清楚而延誤故障處理時間、事故發生后處理不當使事故范圍擴大化、對二次設備誤操作而引發的事故等情況較多，造成了人身傷亡、設備損壞，甚至發生電網解列、電網崩潰等大面積停電事故。

因此，為保證電網安全、可靠、經濟地運行，就必須提高電網調度員、變電站運行人員的技術素質和技能水平，加強變電站運行人員和電網調度員的培訓。近年來，隨著電力行業培訓仿真技術的發展，各類培訓仿真系統在電力行業應用越來越廣，在提高生產運行人員的生產技能方面發揮了重要的作用。

一、變電站培訓系統仿真的發展現狀

近十幾年來，我國變電站培訓仿真系統獲得了很大的發展。仿真范圍逐步擴大、仿真的逼真度逐步提高。現存的變電站培訓仿真系統，根據變電站一次部分控制操作以及保護屏柜實現方式，主要可分為三類：有硬件屏盤模式、軟仿真模式、混合仿真模式。

（一）帶盤臺模式

帶盤臺模式是指用外觀與實際變電站1：1的開關控制屏和保護屏硬件組成變電站仿真培訓系統的主控室和保護室，主要由后臺計算機支持這些硬件的操作和顯示。該系統的硬件配置主要有模擬控制盤、模擬繼電器保護盤、變電站配電裝置、變電站主接線操作模擬盤、計算機控制仿真系統。其中計算機控制仿真系統是變電站培訓仿真系統的核心，它擔負模擬變電站的仿真，復現變電站主控室現象的任務。接收模擬盤的信息，控制模擬盤的動作和信號。這種帶有硬件盤臺的變電站仿真培訓系統是最早應用的培訓系統模式。帶硬件盤臺的仿真培訓系統需要配備大量的硬件裝置、設備，擴展性差，升級改造困難，同時硬件盤臺并沒有包括變電站中保護、測控柜等實際裝置，與現場相比逼真度存在差距，培訓效果不夠理想。

（二）純軟件仿真培訓模式

純軟件仿真培訓模式是指變電站內的開關控制屏、保護屏、模擬屏、室外和室內的主設備及主接線等所有設備全都用軟件仿真，除計算機外沒有任何硬件，該系統采用多媒體仿真模式，仿真變電站的有關電氣設備，包括一次設備、控制系統、中央信號系統以及繼電保護和自動裝置的面板均可在計算機屏幕上動態顯示。軟件模式的仿真培訓系統很快便以其便捷、經濟等優點受到電力部門的青睞，目前應用較廣。在這種模式中傳統控制室中的保護屏、控制屏、中央信號屏等物理設備均被計算機監控平臺所代替，所有監控功能都通過人機交互界面實現與培訓人員的互動。省去了大量硬件設備，大大提高了可靠性，并且有利于系統更新升級。但是軟仿真模式的培訓仿真系統由于所有的操作和顯示都是在微機屏幕上進行，與實際現場環境差距大，真實感較差，培訓效果也不太理想。

（三）混合仿真培訓模式

混合仿真培訓模式將數字化的電網仿真與變電站中全部真實的二次設備（包括監控系統、保護柜、測控柜、音響、燈光等）有機結合成為的混合仿真培訓系統。目前，該類系統主要采用將數字化電網仿真與部分真實設備相結合的仿真模式，將數字化電網仿真結果通過數字模擬量轉換卡轉換為-3.53~3.53V的弱電交流量，再輸出到經過改造的保護裝置的內部采樣插件上，并通過開關量輸入卡采集模擬斷路器的位置，從而實現斷路器的動作的仿真，這種仿真方式只采用部分真實設備，并且需要對實際的保護柜進行改造才能以適應該仿真系統，并且可擴展性較差，新增加的保護設備無法直接接入（必須經過改造）培訓仿真系統，該類系統的仿真效果與現場的一致性仍存在差距。

二、變電站數字物理混合仿真培訓系統概述

變電站數字物理混合仿真培訓系統是將數字化的電網一次設備仿真與實際變電站二次設備相結合的數字物理混合仿真技術。即監控系統、保護及測控裝置、五防系統、燈光、音響等采用現場真實物理設備，而該變電站一次設備、鄰近電網及其一次設備、二次設備等采用數字仿真。其中數字仿真部分采用變電站實時仿真與全動態電網混合仿真技術，即詳細仿真的變電站采用實時仿真技術，變電站所在電網采用暫態、中期、長過程一體化仿真計算技術，實現電網的全動態仿真，從而既能詳細而真實再現變電站一次設備的行為，也能逼真地再現大電網的各類動態過程對變電站的影響。數字仿真電網再通過高速的通信系統，高速的開關量采集、輸出系統，高速、高精度的數字模擬量轉換系統和仿真功率放大器與真實的變電站二次設備有機結合，實現了變電站軟仿真子系統、數字電網仿真的一次、真實的二次設備仿真放置于同一個仿真系統中，有機連接、靈活配置，營造了十分逼真的變電站運行環境。從而實現對現場各類運行人員的培訓需求：如變電站運行人員、繼電保護人員、檢修人員及相關的管理人員等，同時能完成人員培訓、技能鑒定、崗位考核等各項工作。

三、變電站數字物理混合仿真培訓系統架構

圖1給出了變電站數字物理混合仿真系統的總體架構。其中電網及變電站的數字仿真部分通過接口系統實現變電站電磁暫態仿真與電網全動態仿真的有機結合，其他變電站軟仿真也是基于同一個的電網仿真，從而可以實現變電站軟仿真、混合仿真的一體化。數字電網仿真結果的瞬時值通過高速通信系統傳送到高速、高精度同步數字模擬轉換器形成0～10V的模擬交流量，該模擬量通過電流或電壓功率放大器得到放大的電流或電壓電氣量驅動變電站的實際二次設備。數字仿真系統通過高速開關量采集系統實時檢測到變電站開關和刀閘的狀態，從而將數字仿真和實際二次設備有機結合起來，實現了數字仿真與變電站實際二次設備的無縫閉環連接。仿真培訓系統通過開關量輸出系統驅動非電氣量保護動作模擬硬接點、變壓器有載調壓模擬硬接點、風冷控制模擬硬接點等，實現變壓器的非電氣量保護動作的模擬。

四、變電站數字物理混合仿真培訓系統功能

變電站數字物理混合仿真培訓系統是將電網仿真、變電站實時仿真、變電站綜合自動化系統仿真和教員與學員系統有機結合為一體化的系統，不但實現了地區電網生產運行過程的全仿真，也可以正確反映變電站、變電站綜合自動化系統和電網的相互作用、相互影響，可以對運行人員進行全方位的仿真培訓。系統的主要應用功能如下：

（一）培訓運行人員和相關管理人員

培訓基本的運行技能。對新員工進行上崗培訓，對老員工的基本運行能力進行培訓及考核，使其熟悉變電站一二次設備、變電站綜合自動化系統、集控站監控系統、電網結構、運行方式、電網潮流，掌握基本運行操作及運行規程，熟練使用實時監控系統（變電站綜合自動化系統和電網調度自動化系統）及其他應用軟件。

事故分析及處理。可進行開關、刀閘、變壓器、母線、線路、發電機組、電容器等各種設備及其相關的故障處理培訓，訓練變電站運行人員發現事故、異常，依據仿真的電網環境判斷故障和處理故障，并在訓練結束后對事故進行分析，重放事故發生和處理的全過程。通過仿真訓練可以使運行人員了解各種事故發生的現象、原因及變化過程，總結積累處理經驗，增強他們事故處理時的自信心。

變電站一次設備正常和特殊巡視訓練。通過變電站一次設備三維交互式漫游巡視系統，實現變電站一次設備的三維重現和虛擬操作，受訓人員感到富有直觀性、形象性，有助于其熟悉了解現場情況，更好地將理論知識與實踐經驗相結合。

對于管理人員進行電網及變電站運行的概念性培訓。管理人員通過仿真培訓可以了解電網及變電站的現狀、運行方式、操作規程及電網和變電站運行的特性。

（二）聯合反事故演習

本系統可用于研究電網、變電站特點，對薄弱環節做好事故預想工作，完善各種事故應對方案，從而提高事故情況下的應對能力，克服以往反事故演習紙上談兵的局限性。仿真電網設置的常見事故及復雜事故發生后，將引起繼電保護的連鎖動作和電網潮流的變化，并顯示越限設備的報警提示，對此研究后可以總結事故處理經驗，制訂出合理的事故處理預案。做到事前有分析，事后有反饋，切實提高電網安全運行能力。

五、硬件系統

變電站數字物理混合仿真培訓系統的硬件系統由以下幾部分組成：教員臺，學員臺，仿真主機，變電站實際二次設備，電流、電壓功率放大器，高速、高精度同步輸出數字模擬轉換器，高速通信及開關量輸入輸出系統，混合仿真集成支撐平臺。

（一）教員臺

可以用仿真主機，運行教員子系統為教員管理和控制培訓過程提供支撐平臺。

（二）學員臺

使用與現場完全一致的監控系統工程畫面，保留所有現場監控系統功能，并與仿真模型建立通信連接。使學員在監控系統仿真界面上獲得在現場監控系統上相同的操作。

（三）仿真主機

運行全動態電網仿真子系統，是仿真系統的核心和中樞。仿真系統模型包括：鄰近電網的全動態電網計算模型、包括一次、二次設備模型、故障模型和異常模型。

（四）變電站實際二次設備

保護、測控、音響、燈光等裝置采用與現場完全相同的硬件設備，可以為受訓者提供真實的操作、監視手段，使得仿真機不僅可以培訓變電站運行人員的常規操作和監視，同時還能使他們熟悉和了解變電站重要二次保護裝置和屏面設備。

（五）電壓、電流功率放大器

功率放大器接收DA輸出的弱電模擬信號，進行功率放大使電流信號放大至0～20A、使電壓信號放大至0～100V，以驅動實際二次設備。放大器在與仿真信號連接是采用高阻差分方式，無公共連接點，這樣可保證仿真系統的安全工作，又可長線連接抗干擾，提高系統的小信號精度。仿真培訓專用的功率放大器多路的電流或電壓輸出，從而能保證更好的同步輸出精度，同時降低電流功率放大器的最大輸出電流。

（六）高速、高精度同步輸出數字模擬轉換器

將變電站實時仿真計算出的電壓和電流的數字量轉化為模擬量，是決定仿真精度的重要環節，其關鍵技術是實現各路數字模擬轉化（DA）的同步輸出，同時為了保證輸出波形的質量，每工頻周波的輸出點數大于60點，DA向功率放大器輸入模擬弱電信號。為了保證混合仿真系統的可擴展性，更好地適應變電站規模的變化，采用分布式同步實時仿真技術，即根據變電站電氣量需要嚴格同步的程度對各電氣量進行分組，每組電氣量在同一塊DA轉換器進行輸出保持嚴格的同步，多組DA轉換器通過高速PCI總線分布式工作，因此降低了以前依賴專用的DA轉換器的程度，這樣既可以保證仿真培訓的效果，又可以保證系統的高可擴展性和系統造價。

（七）高速通信及開關量輸入輸出系統

通過開關量輸入系統采集開關、刀閘動作情況、有載調壓接點，實現開關、刀閘狀態及變壓器抽頭位置的高速采集，將實際設備的狀態實時發送給變電站實時仿真計算。通過開關量輸出和繼電器模擬非電量保護動作、變壓器風冷控制硬接點等。

（八）混合仿真集成支撐平臺

混合仿真集成支撐平臺采用PCI總線技術將高速、高精度同步輸出數字模擬轉換器、高速通信系統和開關量輸入輸出系統緊密集成。變電站實時仿真子系統和實時操作系統均運行在混合仿真集成支撐平臺，實時操作系統通過硬件系統驅動軟件驅動數字模擬轉換器、高速通信系統和開關量輸入輸出系統（即用于對DA轉換器、開關量輸出和開關量輸入板卡的控制）是實現數字一次設備與二次物理設備有機聯系的接口系統，將變電站實時仿真計算結果實時刷新DA卡、將接口系統的自身狀態定時刷新DA轉換器的某個通道、通過開關量輸入系統采集開關、刀閘

的狀態、通過開關量輸出系統向實際設備發送指令。

六、軟件系統

混合仿真培訓系統的軟件系統主要由以下幾部分組成：交互式、分布式仿真軟件支撐平臺，全動態電網仿真子系統，教員與學員子系統，變電站實時仿真子系統，實時操作系統，硬件系統驅動子系統。

全動態電網仿真子系統、變電站軟仿真子系統、變電站實時仿真子系統、教員與學員系統軟件通過交互式、分布式仿真軟件支撐平臺的運行管理系統有機結合在一起組成整個數字仿真培訓系統，變電站實時仿真子系統通過實時操作系統的內核級調用與硬件系統驅動軟件集成，與物理設備完成無縫連接。

交互式、分布式仿真軟件支撐平臺是混合仿真培訓系統基礎，包括數據庫管理系統、仿真運行管理系統、人機界面系統、變電站一二次設備人機界面系統和仿真建模系統。數據庫管理系統采用商用數據庫與實時數據庫相結合的方式，實時數據庫是常駐內存數據庫，用來支持數據的快速訪問、處理。實時數據庫與商用數據庫有機結合的方式保證了數據庫的實時性和高效性，商用數據庫作為實時數據庫的持久存儲，較好地解決了分布式系統中數據庫系統的開放性、實時性和一致性問題，從而充分發揮了實時數據庫和商用數據庫各自的優勢。仿真運行管理系統，作為分布式仿真的運行支撐系統，實現了各個仿真應用之間的交互操作，是聯系各仿真子系統（軟仿真、電網仿真、混合仿真）各部分的紐帶，是分布式仿真系統的核心，為各個仿真應用軟件提供了位置透明、高效的虛擬運行環境，向子系統提供交互對象管理服務、時間管理服務、數據分發管理服務和應用程序接口。人機界面系統是全圖形人機接口，為教員和學員提供交互式操作媒介。變電站一二次設備人機界面系統采用了虛擬儀器技術、組件技術、3D建模技術和虛擬現實技術，可以構建各種電壓等級的虛擬變電站，包括變電站主控制室、控制屏、保護屏、中央信號屏、交直流屏等二次設備和現場一次設備，分為變電站一二次設備人機界面編輯系統、在線系統及變電站一次設備三維交互式虛擬場景系統。仿真建模系統通過圖形、模型和數據庫一體化建模技術，在畫面編輯時能夠提供特定電氣元件的計算模型，在生成畫面同時，能夠自動地生成或人為輸入電氣元件計算模型的參數，并插入到數據庫相關表格中，為電網仿真、變電站實時仿真等子系統提供拓撲數據和運行數據。

全動態電網仿真子系統采用暫態、中期、長過程一體化計算再現真實的電力系統的動態響應過程，采用了固定結構的稀疏矩陣、微分方程隱式梯形差分方程與網絡代數方程的聯立求解、強魯棒性牛頓―拉夫遜法非線性方程求解、自動變步長等技術保證電網仿真計算的快速性和穩定性。

教員與學員子系統為教員管理和控制培訓過程提供支撐平臺，功能由四部分組成，即：系統管理功能、培訓前運行方式和教案準備、培訓中的操作和進度控制、培訓后分析和評估。系統管理功能包括時間管理、用戶管理、運行方式管理等；培訓前運行方式和教案準備包括選擇運行方式數據、整定初始方式、預設故障和事件；培訓中的操作和進度控制是指教員對培訓進程的控制、對電力系統模型的操作、設置故障和事件、管理和監視學員的操作；培訓后分析和評估包括使用事件記錄、曲線、報表等工具分析學員操作的效果，利用事故追憶再現學員的處理過程和系統的變化過程，利用評價工具對學員的操作進行評價。

變電站實時仿真子系統在變電站中一次設備的三相暫態模型及外網動態等值模型基礎上，采用電磁暫態計算理論實現變電站的詳細仿真計算。通過接口算法實現變電站實時仿真與全動態仿真的在線交互，保證變電站的動態響應的準確性。變電站實時仿真子系統運行在實時操作系統基礎上，實時操作系統可配置成單任務模型，保證實時仿真子系統的最高優先級的運行級別，實時操作系統運行于混合仿真集成支撐平臺，并通過硬件系統驅動軟件驅動硬件系統。

七、結論

本文研究開發的變電站數字物理混合仿真培訓系統是在軟仿真模式的變電站仿真技術基礎上，結合電力系統的實時仿真技術，將數字化的電網仿真與變電站中全部真實的二次設備有機結合成為的物理與數字混合仿真培訓系統，使受訓的變電站運行人員、繼電保護人員、檢修人員及相關的管理人員在完全真實的變電站環境內接受訓練，同時能夠完成人員培訓、技能鑒定、崗位考核等各項工作，能有效地提高現場運行人員素質水平。該系統已在石家莊電力培訓學校220kV教學變電站培訓仿真系統中，取得了很好的培訓效果。

參考文獻

[1]陳禮義，顧強．電力系統數字仿真及其發展[J]．電力系統自動化，1999，（23）．

[2]黃家裕，陳禮義，孫德昌．電力系統數字仿真[M]．北京：水利電力出版社，1995．

[3]鄭三立，雷，D.Retzmann，韓英鐸．電力系統計算機及實時數字仿真（上、下）――電力系統計算機仿真[J]．電力系統自動化，2001，（25）．

[4]柳勇軍，梁旭，閡勇.電力系統實時數字仿真技術[J]．中國電力，2004，（4）．

[5]周鑫，董雷.變電站仿真培訓系統數字物理混合仿真的一種新方法[J]．內蒙古電力技術．

[6]井寅坡．110KV無人值班變電站及控制中心仿真培訓功能[J]．四川電力技術，1999，（2）．

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1虛擬仿真技術在基礎醫學教育中的應用

基礎醫學教育中的教學方式一般分為理論授課和實驗操作兩部分。其中理論教學的方式是課堂講授加傳統醫學插圖，學生大多感覺學習過程枯燥、不好理解、不好記憶。而利用虛擬仿真技術可以在虛擬的環境下，將人體各器官的解剖、生理學、病理學的數學模型存在數據庫中，利用計算機顯示屏上有意識地顯示某些細節，學生可以將病人的各種病變部位分開或合在一起觀察病變情況，同時可以利用此技術培養學生的人體解剖理論的認知能力。舉例來說，目前解剖教學上應用的虛擬仿真人體解剖圖的數字化的解剖圖譜，利用這一圖譜，學習者在虛擬的環境中可以自由地選擇、觀察、移動虛擬對象，并且虛擬的組織器官還能及時給予學習者感官上的反饋，這樣就更容易理解和掌握解剖結構。比較典型的應用實例就是利用“虛擬人”數字化數據集進行三維重建，即“人體數字化解剖學”研究，創立虛擬仿真解剖學，同時提供CT、MRI及PET等方面的斷層圖像，進行一系列醫學臨床、教學及研究的虛擬模擬。具體步驟就是利用一臺人體虛擬解剖電腦，教師可以講授人體各部分結構的解剖知識，學生也可以在虛擬的組織和器官間的模擬操作感受觸覺反饋，使學生更快地掌握手術要領和技術。學生在課堂上能以三維的形式看到人體數千個解剖結構的形狀、位置及器官間的相互空間關系等，學習興趣和效果顯著提高。

2虛擬仿真技術在臨床醫學教育中的應用

在臨床醫學教育中，臨床實踐是重要的教學方式，臨床實踐是對醫學學生動手能力培養的重要環節，加強實踐技能訓練已成為醫學教育改革的重點。虛擬仿真技術引入醫學臨床實踐教學是非常行之有效的教學方式。虛擬仿真技術在臨床醫學教育中最顯著的應用是虛擬手術教學，即通過虛擬臨床手術技術讓學生在手術之前學習新的手術方法和流程，練習所制定的手術計劃，在虛擬仿真手術之后，也能讓學生溫習或重復全部手術過程，并且能夠對學生的臨床技能進行一個客觀的評定。現今醫學院校的學生和教師都不能只是局限于書本的知識，必須不斷地學習和提高自己的臨床技能，而在實踐中常會遇到教育資源有限的問題，解決這一問題行之有效的手段就是利用虛擬仿真技術模擬復制手術場景，讓學生不斷在虛擬現實場景中進行實踐訓練。這種應用虛擬仿真技術的臨床實踐教育方式不僅可以讓教師在教學中演示不同策略的手術流程，教授學生應對各種突況、避免手術失誤、降低手術風險、減少病人損傷、提高手術成功率，而且同時還節約了教育資源，具有零風險、可反復操作等優勢，學生可利用它完成手術的各個操作步驟，并對操作的過程和結果進行分析和總結，達到更多地積累臨床實踐技巧和經驗的目的。虛擬仿真技術應用于醫學臨床實踐教學能使學生有更多接觸臨床的經驗，可以提高學生臨床技能操作的能力、臨床綜合診斷思維能力，還可以激發學生的學習熱情和潛力，使他們能夠運用課堂上所學的臨床理論知識較快地掌握臨床診療實踐規律，還有利于學生職業道德和行為規范的養成。

3虛擬仿真技術在遠程醫學教育中的應用

在遠程醫學教學中，經常會由于教學設備、試驗場地或教學經費等方面的原因，使得一些應該開設的教學內容無法進行。利用虛擬仿真技術可以彌補這些方面的不足，學生足不出戶便可以學習各種各樣的知識，獲得與現場學習一樣的效果，從而加深對教學內容的理解。以往對于一些醫學實驗，在遠程醫學教學過程中一般采用電視錄像的方式來取代實驗課程，學生無法直接參與實驗，利用虛擬仿真技術進行虛擬遠程醫學實驗，則可以增加學生動手學習的機會。虛擬仿真技術應用于遠程醫學教育的基礎是基于遠程醫療的分支網真醫學，即遠程呈現醫學，它把專家的知識通過通訊網絡傳輸到需要的遠程位置，在遠程醫療應用領域發揮其獨特的優勢。網真醫學是虛擬仿真技術的一個全新領域，它結合了高清視頻、音頻和交互式組件（計算機軟件和硬件），在網絡上創建獨特的“面對面”體驗的新型技術。使用者可以進入某個共享網絡空間的圖形環境，以遠程控制操作或觀察為目的的進行人機通信和交互，用這個方法幫助醫生有效地進行手術和診療。網真醫學應用與遠程教育可以確保醫學生以更有效的方式進行培訓，例如記錄操作過程、讓學生探討操作細節并擁有沉浸于運作房間的感覺。醫學學生可以進入虛擬的手術是或實驗室，在虛擬環境下激勵一個完整的操作過程，教師也可以將操作中常見問題反饋給學生，從而提高每個人對某個問題的訓練。利用虛擬仿真技術可以創建大量的三維人體組織結構，用于醫學教學。隨著網絡技術的飛速發展，把創建的三維醫學教學資源應用與遠程醫學教育，可以使學習者隨時隨地的學習，是資源得到充分利用。虛擬仿真技術應用于遠程醫學教育可以將生動的動態三維場景展現給學習者，提高了教學的質量和效果。

4虛擬仿真技術在醫學教育中應用的意義

醫學教育注重的是直觀、形象、生動，傳統的醫學教學往往不夠生動，難以具體化，難以直接展示人體的結構，疾病發生及發展過程等教學內容，同時又存在著醫學教學成本大，不可重復執行的問題，這些弊端對學生更好的掌握醫學知識極為不利。為了改善原有醫學教學模式中存在的這些問題，使虛擬仿真技術應用于醫學教學中的教學模式意義重大，該教學模式不僅調動了學生的學習興趣，而且將抽象的內容具體化、形象化，給學生留下深刻的記憶，也給教師在教學中提供方便，從而達到提高教學水平和科研水平的目的。

作者:姜燕 李亢 單位:湖北醫藥學院

參考文獻:

[1]趙群,婁巖主編.醫學虛擬現實技術及應用[M].北京:人民郵電出版社,2014:200-203

[2]王曉,姜燕.計算機技術在醫學領域中的應用[J].科技世界,2013(18):15,30

[3]張晗.虛擬現實技術在醫學教育中的應用研[D].濟南:山東師范大學,2011:39-43

[4]范敏,戴培山.人體解剖生理學課程引入虛擬現實技術的教改探索[J].科技文匯,2014(10):103-104,111