導語：如何才能寫好一篇虛擬現實技術發展方向，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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隨著科學技術的不斷發展，計算機科學對于人類生活的影響不斷加深，尤其是最近十分火爆的“虛擬現實”技術更是給人們的體驗帶來全新的認知，并且逐漸改變人們對于交互系統的體驗方式。所謂的虛擬現實技術，就是通過計算機的大量運算的高新技術集成，可以看成是未來對社會生活影響最為重大的科學技術之一。通過虛擬現實技術能夠與建筑環境設計的技術進行融合，從而創造出一個比真實環境還要真實的虛擬系統，在這個系統中，建筑師能夠通過虛擬現實技術來創造出具有可視、可感、可知等技術的三維虛擬世界。從而展現出建筑行業發展的新趨勢。

虛擬現實技術應用效果影響

虛擬現實技術與網絡技術相同，之所以能夠得到迅速發展的原因在于，虛擬現實技術通過綜合性的計算機信息處理，集成了計算機圖形、多媒體、人工智能、傳感器與互聯網之間共同協作的綜合處理系統，并且能夠為人們創造出一個虛擬的體驗世界，使得人們的感知能力由真實走向虛擬。因為虛擬的三維空間具有非常強悍的表現力，所以對于人機交互的操作系統就更能夠使人感受到身臨其境的感覺。在建筑環境設計技術方面應用虛擬現實技術，不僅能夠為建筑進行規劃與輔助的功能，而且還能夠使設計時時刻保持準確的預知自己的設計。虛擬現實技術的強大功能遠不止與此，由于其具有交互式三維體驗，所以通過虛擬現實技術的感知要遠遠強于傳統的表現方式。通過嶄新的信息交互方式，能夠使人親身的感受到三維空間的技術與魅力，進一步通過三維場景的實時調整，信息系統的不斷完善、集成多媒體技術等交互體驗能夠使得設計師針對建筑環境設計的各種方案都做到了如指掌，并且通過虛擬現實技術還能夠進行有效推敲。簡而言之，虛擬現實技術能夠使得建筑環境設計進入到全新的環境設計領域。

建筑環境模型與虛擬現實技術

虛擬現實技術能夠模擬出真實的物體，也可以創造出抽象的模型。比如房屋、家具、家電等物品或者分子結構、細胞結構等。這些物體都是我們世界中真實存在的，并且能夠通過各種各樣的工具與設備來被人類所接收，從而能夠進一步感受到我們的世界。在虛擬現實技術中，建筑師能夠將本來不存在的物體進行重構，而且也能夠隨心所欲的按照自己的設計來進行調節，包括各種各樣的家具材料、環境設計等。通過虛擬現實技術來確定建筑的尺寸與實際的設計，從而保證建筑建成之后與設計完全一致，從而避免出現偏差的情況。而且通過虛擬現實技術進行的設計能夠隨時改變視角與光線下所呈現出的不同景象，建筑師也能夠通過這樣的模型構建選擇出自己滿意的方案，如果不滿意還可以隨時進行修改。

虛擬現實技術在建筑環境設計中的應用

1.硬件系統

虛擬現實技術的硬件系統并不太復雜，只要能夠滿足設備的信息的輸入與輸出功能即可，通過計算機的桌面系統進行互動就能夠構建出建議的虛擬現實系統，但是如果想要進一步滿足虛擬現實技術的全部功能，即虛擬現實技術所具備的沉浸感等就必須要配備專業的虛擬現實設備。包括鍵盤、鼠標、數據手套、方向盤反饋器、手柄等外設。對于信息的輸出部分的硬件則需要更高性能的顯示器適配器、多通道投影儀、偏振片以及立體眼鏡。通過傳感設備能夠使用戶對于虛擬環境產生各種映射反應，而且用戶化身能夠在虛擬現實環境下對于自身的體驗進行疊加，從而產生雙重交互的功能。通過方位跟蹤器能夠確保用戶在使用虛擬現實環境下對于用戶的移動范圍進行精確的測量，從而避免用戶在使用的過程中出現各碰撞的危險。虛擬現實技術主要是根據幾何體的碰撞檢測算法來確定虛擬空間的測量信息，然后實時反饋給用戶，從而保證用戶對于虛擬空間進行身切實的體驗之外，還能夠具有良好的觸覺感知效果，這樣更加有助于建筑環境設計方案的實現。

2.軟件系統

如果光有硬件系統是無法滿足設計者或者用戶等人員真正完成虛擬現實技術體驗的，只有通過建設一個與現實世界相符合的虛擬模型就能夠進行準確的三維體驗，從而較為真實的構建出建筑、環境、室內等真實存在的事物。通過三維模型的建立，能夠更加真實的還原出虛擬現實空間內部的色彩、光影、材質等方面的特點。建設虛擬現實技術的軟件系統能夠分為三個部分，第一步是通過幾何模型的建立來構建出三維場景的幾何模型，從而實現用戶體驗基礎。第二步就是通過物理模型的構件來確定幾何模型的結構材質等，還能夠調整顏色、光照等外界影響因素。第三部就是建立行為模型，從而對于物體的運動和行為進行描述。

結束語：虛擬現實技術發展到現在這樣的階段，已經不再是科技方面的幻想，而是能夠真正為我們人類社會帶來巨大進步的影響力，可以說虛擬現實技術通過應用到社會各界以及各個領域之間的關系來取得明顯的社會經濟效益。伴隨著虛擬現實技術與建筑環境設計與技術的不斷結合，能夠為建筑設計提供更加創新的設計方法與方式，也必然對于建筑設計領域的發展起到改革的作用。

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關鍵詞：虛擬現實；頭戴式虛擬系統；汽車設計；應用

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0022-02

Abstract：This paper introduces the composition， classification and characteristics of virtual reality technology and head mounted virtual reality system， described the application of head mounted virtual reality system in automobile design， compared with the traditional virtual reality techniques in the area of automotive design， the head-mounted virtual reality system has both advantages and disadvantages. According to the corresponding problems， the corresponding solutions are put forward.

Key words：Virtual Reality； head-mounted virtual reality system； automotive design； adhibition

隨著汽車產業的快速發展，各個汽車制造公司的競爭也日趨激烈，這就要求在汽車研發及生產的各個環節都能夠保持高效快速應變，以適應市場環境的快速變化。汽車造型設計作為汽車研發的重要一環，面對外部市場環境快速變化的嚴峻挑戰，對新科學技術的應用就更為迫切。

虛擬現實技術作為近年來發展最為迅猛的技術手段，將可能成為改變人類生活方式的一種新技術，而作為虛擬現實技術最重要的其中一種形式存在的頭戴式虛擬現實技術自然是重中之重。

1 概述

虛擬現實的實質是“造個世界任我行”，它是以現代科學計算機技術為發展核心，融合相關學科技術，生成在視覺、聽覺、觸覺等方面逼近人類在真實世界中的感官感觸的數字化虛擬世界，使用者借助相應設備，可以走進生成的數字化虛擬世界，并且可以與虛擬世界中的對象進行交互作用，產生身臨其境的真實體驗和感受。

（1）桌面式虛擬現實，這類型的虛擬技術要求相對較低，他只需要利用工作站作為運行設備，將計算機顯示器作為用戶觀看虛擬數字世界的一個窗口，再通過鼠標等輸入設備實現與虛擬數字世界的交互，用戶可以通過輸入設備對虛擬世界進行指令操作，通過顯示設備進行對虛擬世界的觀察。

（2）沉浸式虛擬現實，這一類型虛擬現實技術對虛擬現實硬件設備的要求較高，他是利用一種中間設備，例如頭戴顯示器，觸覺手套等，將用戶的視覺、聽覺、觸覺等感官感覺封鎖起來，并通過中間傳輸設備，給用戶提供一種全新的虛擬感覺，讓用戶沉浸其中。

（3）增強現實型虛擬現實，這一類型的虛擬現實能給用戶提供平時或者是正常情況下難以觀察到難以感受到的狀態給呈現出來，是真實世界和虛擬世界的疊加，即“實中有虛”。

（4）分布式虛擬現實，他需要通過多個計算機設備連接在一起，共同建立一個虛擬世界，這時候的虛擬現實世界是一個真正意義上的多元世界，多個使用者可以對同一個虛擬世界進行操作。

1.1 什么是頭戴式虛擬現實

頭戴式虛擬現實是將數字化虛擬世界呈現給用戶的一個窗口，用戶可以通過頭戴式虛擬現實設備將其對現實世界的視覺、聽覺隔離起來，這時候就完全置身于虛擬世界了。頭戴式虛擬現實顯示根據人眼視覺原理左右眼成像不同，分別顯示相應的左右眼圖像，能讓人感覺到虛擬世界的物體時有立體有深度信息的，從而傳遞給大腦一個真實的信息，在視覺層面上達到以假亂真的目的。

1.2 構成

一套完整的頭戴式虛擬現實系統通常由以下幾方面組成[1～2]：

（1）計算機硬件設備，它必須能承載龐大的數據量運轉，快速生成圖形圖像并且能支持實時高速處理，高性能計算機設備是頭戴式虛擬現實系統構成的基礎也是關鍵。

（2）頭戴式虛擬現實設備，它是人機交互的接口，使用者通過它可以對虛擬世界進行操作，虛擬世界也可以根據使用者的各項指令進行反饋，借助頭戴式虛擬顯示器，使用者可以看得見虛擬世界，并且^戴虛擬顯示器中安裝有定位器，當使用者行走的位置或者方向進行改變的時候，虛擬世界會相應變化。

（3）虛擬現實生成軟件，它是虛擬世界得以實現的基礎，你可以利用它構建真實世界場景的再現或是你所構想的虛擬世界，現階段相關的虛擬現實生成軟件游戲領域運用的比較多的是Virtools、Quest 3D等，在汽車設計領域用的比較多的有Alias、RTT等。

（4）虛擬現實三維數字模型。它是虛擬現實的內容也是載體，他可以是現實世界的再造，也可以是人們虛構的世界，它的狀態決定是使用者所看到的內容。

1.3 成像原理

人們在觀察周邊世界的時候，能感受到物體的立體、遠近、景深等效果主要是依靠于人眼強大的成像原理，人們由于兩只眼睛的不同位置而產生眼距，在看同一件物體的時候得到兩幅略微不同的圖像，這兩幅圖像經過人的大腦的融合，形成一幅帶有空間立體、距離遠近等信息的景象，而頭戴式虛擬現實顯示器正是模仿人眼雙目立體成像原理進行設計，頭戴顯示器有兩個顯示鏡分別用來模擬人的左右眼，工作站根據后臺數據輸入指令，分別將左右眼畫面輸送給左右眼顯示器，用戶佩戴上頭戴式虛擬顯示器，就可以體驗到虛擬的真實。

2 頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域的影響

虛擬現實技術作為能夠準確體現汽車造型設計、加快汽車研發進程的一種有效手段，自誕生以來就受到了各大主流汽車公司的廣泛關注與應用，并且其帶來的巨大效益也得到了行業內的廣泛認可[3]。放眼國外主流的汽車廠商像奔馳、保時捷等，都建立有自己的虛擬現實實驗室。在近兩年頭戴式虛擬現實技術風潮瘋狂席卷全球態勢下，很多汽車公司都紛紛加入了頭戴式虛擬現實技術的研究，在美國通用公司的虛擬現實中心的虛擬現實設計實驗室里，當用戶進入該實驗室，佩戴上頭戴式虛擬現實顯示器，預先設置好的虛擬現實世界就會呈現在用戶身邊，用戶可以看到和真實汽車一樣的包括尺寸大小、顏色、紋理一樣的虛擬汽車，用戶可以像實際觀察汽車一樣前后來回觀察，可以查看車體的造型輪廓及線條流暢性，也可以坐到汽車座椅上觀察儀表、方向盤、娛樂面板等細節的效果，以及模擬駕駛員視野的觀察。

3 頭戴式虛擬現實系統在汽車設計中的應用探索

頭戴式虛擬現實技術的出現，對汽車設計領域的原有設計流程及驗證方法有了很大改進，在汽車研發過程中，汽車造型設計是很重要一環，汽車設計師的造型構想如何快速的讓用戶看得見并且喜愛是決定造型設計成敗的關鍵。一個產品的設計流程往往需要經過幾輪甚至十幾輪反復推敲，時間成本比較高，難以跟上快速變化的市場環境，因此在設計過程中如何簡化設計流程并且客觀真實的反應汽車造型狀態尤為重要，而頭戴式虛擬現實系統能夠在造型效果圖之后就迅速加入設計流程，并且用虛擬的環境客觀真實的還原實際狀態，讓用戶所看即所得，而完成一套虛擬現實系統不僅需要硬件系統的支持，也需要軟件的配合，而所觀察到的內容則需要設計師前期虛擬現實數據的制作。

4 面臨的問題與發展方向

頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域中的運用，讓使用者能夠以比較真實自然的方式與虛擬世界進行交互，提高了人機交互的真實性，但受限于當下科技水平、計算機仿真技術、人機交互技術等各方面的影響，仍存在一定程度上的虛擬世界不真實、人機交互程度不夠以及用戶共享性不足等題[4]。目前來看，一套頭戴式虛擬現實設備同時只能支持一位用戶觀察使用，因此在用戶共享體驗上不夠。

在將來科學技術水平、計算機仿真技術等各方面技術發展越來越成熟的時候，頭戴式虛擬現實技術可以朝分布式虛擬現實技術發展，通過多個計算機設備共同建立一個虛擬現實世界，多個使用者可以對同一個虛擬世界進行操作，這時候的虛擬現實世界是一個真正意義上的多元世界。

5 結語

隨著科技水平的發展，虛擬現實技術的發展也隨之日漸成熟，并且由于其為人類生活生產方面帶來的巨大效益越來越被接受，頭戴式虛擬現實技術在汽車設計領域的運用作為即Powerwall桌面式虛擬現實之后的另一先進技術，能極大的優化汽車設計流程、縮短研發時間、有效提高汽車設計水平 ，給使用者提供真實的用戶反饋，也越來越被汽車設計公司所青睞，雖然受限于當下科技發展水平等各方面因素的影響，頭戴式虛擬現實技術在使用體驗上仍有些不足，但隨著科技的進步以及巨大市場資金的投入必定能推動這一技術的長足發展。

參考文獻

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[2]孟俊煥，王衛東.基于虛擬現實技術的汽車開發應用研究[J].農業裝備與車輛工程，2006，2：11～14.

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發展土木工程信息化的著眼點以及關鍵點在于管理者，管理者必須打破傳統的思想，從思想上進行改變，構建信息化的框架，推動行業的變革。

1.1土木工程信息網絡它主要包括四個方面，首先是信息的遠程提供者、信息的傳播媒介，這是土木工程信息化的重點。然后是信息的接收端，有臺式和手持式兩種形式，手持式是未來的發展方向，它的作用是用它隨時隨地地與土木工程信息網進行互換信息，獲得技術上的支持。其次是網絡傳輸，既要保證土木工程的信息與電訊移動通訊網絡相互兼容，又要土木工程信息網與各種接收端進行互換信息。最后是土木集成和交互系統，這一系統是有一系列比較大型的程序構成，只有遵循土木工程信息網絡傳輸標準才可以進行信息的整合，土木工程信息制造商也可以通過這個平臺精準、便捷的給工程提供不同信息，保證信息也通過這個平臺進行傳輸。

1.2學科建設、信息產業化發展土木信息學科是將傳統土木工程與現代信息技術相結合而形成的一個邊緣交叉學科，任務是在土木信息技術發展的基礎上，整合社會資源，進行學科建設，從技術、政治、經濟、法制等角度對土木工程信息化的建設提供學科支撐，并培養大量專業人才[2]。土木工程信息技術的發展會引起土木工程行業整個結構的調整與資源整合。

1.3整合資源土木工程信息化建設必須遵循國家提出的原則———“國家主導、統籌規劃、統一標準、互聯互通、資源共享”。要想保證土木工程信息化工作能夠順利開展，必須調動各方力量，整合政府、土木工程相關部門，調動工作積極性，進而提高其配合力。積極地與國外進行技術合作，相互學習，形成健全的機制。

1.4商務貿易信息系統逐步融入互聯網的土木工程，在提供信息服務上發揮巨大作用，又可比較設計方案、施工方案、技術合作方案等，提高效率，提高企業的決策能力。電子郵件的使用，可以改變建筑項目、承建商以及供應商之間信息溝通有誤情況，增加工作透明度，進行網絡投標可以從另一角度規范市場行為，減少成本。

2土木工程信息化發展前景

2.1虛擬現實技術的運用虛擬現實技術對圖像處理技術、多媒體技術以及傳感技術等多個信息技術進行整合運用，將抽象而又復雜的數據空間轉化成用戶比較熟知的事物。虛擬現實技術，可建立建筑物周圍場景、機械設備等虛擬的三維立體模型，而且可以使其中的模型具有動態性能，對模型進行模擬配置，這樣在虛擬環境中就可以對施工方案進行改動，這種改動完全可以用到現實中。隨著土木工程耐久性的問題的日益突出[3]，通過虛擬現實技術，解決上述問題，是未來發展方向之一。

2.23S系統3S系統由遙感技術、全球定位系統、地理信息系統構成，它可以選擇地進行觀測、分析應用，這在土木工程中某些方面已發揮巨大作用，未來具有廣闊的發展前景。近幾年談及的“數字城市”，是以“3S”技術為基礎，綜合運用各種因素對城市基礎設施、各種功能機制進行采集。“數字城市”是在數字化信息處理技術的通信技術背景下的系統，這一技術的運用將會提升我國的城市規劃建設。

2.3智能化智能化是信息化背景下土木工程發展的大方向，信息化的發展推動了智能建筑的發展，智能建筑融合了計算機、多媒體、現代通訊、環境監控，對機械設備的自動監控、使用者的信息服務和建筑進行優化，適合信息型社會的需要。

2.4數字信息集成系統工程中的數字信息集成系統由計算機集成制造系統、施工系統、運輸系統三大系統構成，它們分別連接設計、制造工廠和現場。很多工作都可以通過施工網絡進度計劃以及項目管理整合到數字信息系統中，引入建筑設計信息、產品制造數字化集成、三級輔助等方法引入，這可以在很大程度上減少土木施工現場的工作容量以及強度，在現場施工的組織與管理方面，智能化管理系統可以使用專家系統、知識工程與人工神經網絡等現代科學技術，利用集成、協調以及智能手段實現計算機管理系統。計算機輔助檢測目前在結構定位檢測方面已經發揮了越來越重要的作用，現場材料的性能測試、破壞性以及開發性測試，可以成為計算機集成系統的關鍵部分，可以有效地保證現場建造施工質量。

2.5電子數據和項目管理方向工程的施工在土木工程計算機技術應用中是一個重要方面，由于施工的復雜性，工程的投標報價、預算、合同的管理以及最后的驗收都需要大量的數據與信息[4]，整個工程項目的管理都將會成為計算機輔助施工技術的一個方面。國際上已經開發出用于工地聯系、人機通訊設備的雙向無線電通訊設備。土木工程信息化的發展，使國際承包商跨越國界進行施工承包。

3結語

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關鍵字：VRML 虛擬儀器 虛擬機床

1. 引言

智能化、自動化、集成化的先進制造模式是現代機械制造業的發展方向。目前，虛擬現實技術憑借自身的直觀性和自然的人機交互性等特征，在傳統的加工仿真技術中的人機交互方面的薄弱環節中提供了全新的思維和解決方式，對數控機床虛擬操作的實現奠定了堅實的基礎。對于數控機床來說，其虛擬操作主要包括實際的數控加工過程中相仿的各項手工操作，而且必須借助于人機交互技術，才能實現用戶指令的接收和傳遞等問題，解決了進行多頁面的信息傳遞問題。

虛擬現實技術（VRML）主要是利用計算機并且通過多種傳感器借口來制造出一種逼真的技術所要求的模擬環境，用戶可以與此虛擬環境進行交互并且可以融入到此模擬環境中的一種技術。虛擬現實技術是一個跨多門學科的技術，包括眾多的計算機、媒體技術等，像傳感器技術、計算機圖形學、網絡技術以及多媒體技術等都和虛擬現實技術有關聯，虛擬現實技術是以上技術的集成和滲透，沉浸性、交互性和想象性是虛擬現實技術最主要的三個特性。

2. 數控機床虛擬加工的關鍵技術分析

所謂數控機床虛擬操作功能實質上是一種人機交互方式，是加工仿真系統中的一種。它具有操作便捷，操作過程更直觀、更具體的特點。通過數控加工操作習慣的形式，進而實現各項參數的人機交互功能。數控機床的虛擬加工技術主要有三個關鍵技術，分別是數控程序的檢查與翻譯、刀補的計算和工件切除過程的顯示。在下面的文章中，將對數控機床虛擬操作和實現方法進行詳細的介紹。

首先，數控程序是指控制機床進行加工作業的特定代碼，其中包含著各項運行的信息，主要是刀位信息和工藝信息。數控程序是數控機床在加工過程中的信息來源，所以在進行具體的運行時，必須先對已知的數控程序進行一些處理，提取出數據中的關鍵數據即數控程序中的工藝信息和刀位信息，進而生成數控程序鎖描述的具體加工過程。數控程序包括預處理和翻譯兩大過程，在數控程序的預處理過程中要進行詞法分析和語法檢查兩個工作；數控程序的翻譯過程主要包括工藝及刀位信息提取過程和運動控制指令生成過程兩個方面。

其次，對于刀補的計算方面。在編寫數控程序時，必須明確數控機床所控制的事刀具中心的運動軌跡，也就是說在加工過程中是使用刀尖和刀刃來完成的，而不能僅僅按照所需零件的外貌輪廓進行加工程序的編寫。如若沒有對此加以明確，而僅僅依靠零件的輪廓進行程序編寫，往往會出現加工軌跡和零件的實際輪廓不一致的情況。為了解決這一問題，在編寫數控程序時，必須明確數控機床所控制的對象是刀尖或刀刃，在刀具中心與刀具切削點之間進行位置偏置。根據所需零件輪廓和刀具中心偏移量，計算出刀具中心運行軌跡的功能即是刀具的補償功能。

最后，對于工件切除過程的顯示。工件切除過程的顯示，即消隱算法的實現，在進行虛擬機床仿真設計時，我們不僅要保證虛擬過程的高效性、易實現性和穩定性，同時還要確保VRML的某一內部節點能對工件模型進行描述。在這里可以采用基于Z-map結構的材料切除方法，這種方法不僅簡單易行，實現方便，而且占用內存少，不用重新設計原型節點。Z-map是一種非參數化的表示方法，采用離散的方式對三維模型的特征進行記錄，所以為了實現Z-map結構模型的仿真過程，工件的實體模型必須要轉換成Z-map結構表述的離散化的模型。

3. 系統仿真設計分析

對于整個系統的設計，我們可以采用VRML+JavaApplet+JavaScript的一種整合型的系統，這樣可以把VRML構造的三維虛擬場景以及虛擬機床、虛擬場景控制中心的JavaApplet以及JavaScript共同整合到同一個Html文件里面，這樣不僅能實現平臺的獨立性，而且對網絡環境下來說更為適合。整個的數控機床虛擬仿真系統包括三個模塊：人機交互模塊、三維場景模塊和三維場景監聽模塊。

首先，人機交互模塊。這一部分主要是接收用戶發送的指令，對于接收后的制定進行一系列的處理，然后把處理后的數據、結果等返回給用戶。

其次，三維場景控制模塊。這是系統中最重要的核心部分，人機交互模塊接收到的NC代碼、手動操控指令等的各種信息會在這一模塊中進行解釋，然后向人機交互模塊發出相應的指令進行控制，這樣就可以實現虛擬場景視角切換和機床運動控制等的功能。

最后，三維場景監聽模塊。對于這一模塊來說，主要是獲得VRML場景的刀具位置、冷卻液狀態以及刀具的進給速度等的數據信息，然后對所獲得的數據進行分析變換在返回給人機交互模塊，通過這一步驟，用戶可以知道虛擬機床目前的運行狀態。

4. 總結

對于VRML虛擬制造來說，數控加工仿真技術是其關鍵技術之一，采用數控加工仿真技術不僅能降縮短產品開發周期，降低開發成本，而且還能避免或者降低在數控機工過程中出現的欠切、碰撞以及過切、碰撞等情況。在以后的研究中，我們可以對數控機床的虛擬操作進行更深入的研究，可以把真實的數控機床系統和虛擬操作系統連接起來，這樣就可以通過虛擬的系統對真實的數控系統進行遠程控制，及時發現運行過程中的錯誤信息等。

參考文獻：

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關鍵詞：民機設計；數字化技術；三維模型設計；可視化后處理；數字化平面藝術

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)24-6029-03

The Application and Research of Digital Technology in Civil Aircraft Design

LIU Ning

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 200232, China)

Abstract: To analyze digital technology in respect of virtual reality, three-dimensional modeling, visualized post-processing, digitalized management platform. The development of computer digital technology brings new research method and way of working to the progress of design, technology demonstration and marketing. It also brings the process rationality, humanity and efficiency. Civil aircraft, as the representative of the high-end product, shows the future of the technology development. The greatest value of civil aircraft is marketing promotion, recognition and reputation by customs and clients. These are the keys to improve the international competitiveness of China.

Key words: civil aircraft design; digital technology; virtual reality; three-dimensional modeling; visualized post-processing; digital graphic art and design

1 數字化技術的定義

數字化技術指在一定的硬件基礎上，通過計算機軟件的運算方式來實現產品的設計研發、可視化術分析、虛擬產品展示等過程。這種過程可以簡單稱之為數字化技術。數字化技術以其豐富全面的功能在航空航天、科技、制造、多媒體等領域中得到了廣泛的應用。

2 國內外航空業數字化技術的發展

2.1 國外數字化發展現狀

國外數字化技術是隨著信息技術、互聯網技術、計算機硬件技術、CAD/CAE/CAM等技術的發展而逐漸發展起來。它主要以產品的數字化設計、協同平臺管理、虛擬現實等技術為主要標志，促進了傳統工作模式到數字化工作模式的根本性轉變。隨著產品制造模式的變化，這種工作模式在國外民機設計領域也得到了廣泛的應用，極大提高了工作效率，節省了人力成本和硬件成本。

2.2 國內數字化發展現狀

國內航空業近年逐漸開始應用數字化技術，經過近數年的努力取得了顯著成效,集中體現在以下幾個方面：

1）虛擬現實技術：利用數字化技術實現三維模型的可視化、建立數字樣機。在詳細設計階段進行結構件和部分系統件的三維數字模型、預裝配、干涉檢查與運動模擬效果，并利用渲染技術體現了產品的外形輪廓、材質的表達、環境的渲染等。模擬效果逼真。

3）數字化管理平臺：絕大多數飛機制造企業引進了產品數據管理（PDM）平臺。部分企業還制定了數字化設計/制造管理標準。

4）在數字化技術推廣應用：各航空企業對數字化設備均有著較大的投入，從整個行業來看，數字化類固定資產已占到固定資產原值的三分之一以上；工作站、服務器已達幾千臺；CAD等各類軟件已達千余套；數控設備五百余臺；產品數據管理（PDM）終端用戶超過500個。

5）以數字化技術為前提的數字化藝術：利用三維設計軟件(如Pro Engineer、Caxa、Alias studio、Maya等)，展示了優美的飛機外形、優雅的飛行姿態、美觀的噴涂設計等。利用三維軟件結合虛擬現實軟件(如Division Mockup)對飛機的內部結構、管路、電氣等的設計情況進行分析、利用數字化平面設計軟件展現飛機舒適的內飾環境和美輪美奐的燈光效果等。這種全新的視覺效果對飛機的宣傳工作都起到了至關重要的作用。

3 虛擬現實技術

3.1 虛擬現實技術的定義

虛擬現實技術是近年信息技術迅速發展的產物, 是一種創建和體驗虛擬世界的計算機系統。它通過計算機硬件和軟件系統共同實現。虛擬現實是在虛擬的數字空間中模擬現實世界中的事物,這是現實世界的事物在數字空間中的可視化和感官化的表現。

3.2 虛擬現實技術的特點

1）Immersion（沉浸感）、Interaction（交互性）：對于產品展示，傳統表現模式無疑受到了空間和時間的條件的束縛。而想要在真實產品前就可以評估其設計的合理性，需要的時間和人力成本將是十分巨大的，而虛擬展示設計具有感官上的真實性的特點。一個受測試者置身其中，通過操作一定的設備如手套、頭盔、立體眼鏡等，不僅能獲得身臨其境的感覺，而且其交互性使用戶有著強烈的主動式的體驗。在人工虛擬建成的數字世界中，用戶的得到了類似置身實際場景的真實體驗。

2）準確性：虛擬的展示設計一般通過純數字化、模型化、圖表化的來展示。依托于數據生成的模型、數據結果保證了可視化結果的準確性。各相關領域的專業人員通過行業認可的計算手段進行數據計算、分析。通過可視化分析結果，分析產品設計的合理性。例如飛機模型展示、模擬裝配、場景展示，使研發工作人員及市場研究人員對飛機的設計的進展情況有著充分的了解，可以做到及時發現問題，解決問題。為設計人員節省了繁瑣的人工勞動。

3.3 虛擬現實技術發展趨勢

如今，虛擬現實技術的發展成為數字技術發展最為迅速的領域之一，也是目前信息技術產業的熱點之一。全世界很多發達國家虛擬現實技術在很多行業都得到了廣泛的應用并取得了很大的發展，給企業帶來了良好的社會效益和經濟效益。未來，虛擬現實技術將從借助外部設備式的被動立體實現裸眼式的主動立體，效果將更加逼真、運算過程更加迅速；利用全球協作，將輕松做到分地實時渲染、數據同步更新。目前已有國內航空企業開始使用虛擬現實技術進行研發設計、技術分析。如Division Mockup。

4 數字化三維建模技術

4.1 數字化建模技術定義

基于數字化模型的建模技術是由專業人員通過使用專業CAD/CAE/CAM技術的應用，運用計算機圖形學、幾何學以及自身的專業知識，搭建出物體的三維模型。三維建模技術給工程設計領域帶來了根本性的變革，幫助設計師從傳統的、枯燥的繪圖方式中解脫出來，設計師可以不再花費大量的時間和精力去測量模型的尺寸、公差等設計特征本身，更好的理解和觀察設計對象，優化產品設計。

4.2 數字化建模的原理

三維設計軟件模塊眾多，覆蓋面廣泛，軟件功能強大，界面友好、操作方便。軟件提供最基本的單元幾何造型模型庫，如球體、圓柱、圓錐等。創立簡單的零件，可通過對其結構進行分析，將其分解成若干基本體，再對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。對于較復雜的圖形，軟件提供草圖工具，設計人員可以通過它先勾勒出截面，再拉伸出較復雜的幾何形體。為了滿足人們不斷提高的審美要求，目前主要流行的幾款三維設計軟件基本都提供面片模塊，該模塊為設計人員提供了非常方便的曲面設計工具。對于具有大塊曲面的零件，設計師可以方便地對單個面或片體進行變形處理，以達到需要的曲面。

4.3 數字化建模的應用

三維數字化模型可以更準確地對產品的數據進行定義，幫助相關專業人員對產品設計進行評估，并行地完成相關工作。更重要的是三維數字模型可以實現產品信息的數字量傳遞，直接作為制造加工的依據。

如今的航空領域，數字化技術中的建模技術已經應用的非常廣泛。利用CAD軟件，飛機的設計完全可以實現無紙化設計。為民機研發設計人員提供了極大的方便。

三維數字化模型同樣可以與虛擬現實技術相結合，它是產品設計過程中最基本、最重要的工作之一。如圖1、圖2所示。

5 工程可視化后處理軟件

5.1 可視化后處理軟件

目前在航空領域可視化后處理軟件有很多。其中Ensight為其中之一，它是一套適用于各種工程和科學的后處理與計算結果可視化與協同軟件。在工業、科研、產品設計等領域應用廣泛。可支持各種類型的工程分析數據。全球眾多工程師、科學家及科研工作者都使用其來查看、理解、交流各種計算機處理數據結果。可處理百萬甚至上億的結點單元，具有并行處理與渲染的優勢，并支持VR 系統環境以及實時協同等功能。通過Ensight可以將模擬計算飛機各種運算的數據進行可視化。

5.2 可視化后處理軟件的特點

1）支持圖形質量和輸出選擇

2）動畫功能

3）不限制的腳本實現批處理模式

4）虛擬現實的功適合演示

5）深度的右鍵單擊選項，能夠交互操作視圖

5.3 可視化后處理軟件的應用

可視化后處理軟件在航空業的起步較晚，在汽車行業，后處理軟件已較多的運動在氣動外形分析、動力分析等方面。國內航空業已有企業利用可視化后處理軟件對飛機設計的進行計算、分析（如圖4）。今后可視化后處理軟件將越來越多的應用航空領域。

6 數字化管理平臺

目前國內航空業主流的數字化平臺品包括PTC公司和法國Dassault Systemes公司的PLM系統。其中美國PTC公司的產品是基于Windchill內核技術，該平臺的主要作用是管理飛機產品數據及流程，用于進行主制造商與供應商之間有實現在線協同設計等，該公司具備多年豐富的技術積淀和航空領域項目實施經驗，全球很多航空企業是其合作伙伴。VPM是基于ENOVIA技術，用于管理飛機初步設計階段的數模，與CATIA的無縫集成，是其在全球航空領域得到廣泛應用的重要因素之一。

達索為各種企業提供電子商務解決方案，幫助企業實施數字化戰略。ENOVIA專注于幫助企業管理數字化產品、流程和資源的綜合性模型、協作模型及分布式模型。其核心優勢主要是在數字化制造解決方案，不僅僅提供了生產過程的仿真，同時還提供了車間和生產線的仿真，人機工程等。

6.1 PLM產品的發展趨勢

1）進一步和CAD/CAM集成實現數字化生命周期管理；2）貫穿從市場開發到后續產品運維的整個產品生命周期管理；3）進一步加強PLM產品研發和SCM供應鏈管理兩大核心業務的集成和協同；4）真正的將前端的市場和產品規劃，組合計劃過程和后續的產品研發集成起來。

7 數字化平面藝術

如今，數字化技術越來越廣泛的被運用在平面設計上，電子數碼產品、多媒體產業、電子信息處理系統成為新技術的核心，平面設計成為數字化革命的實驗田之一。數字化的平面技術帶了藝術形式的新的表達形式，產生了數字化的平面藝術。

在航空領域飛機的外觀和內飾中，平面設計已經是不可或缺的一部分，飛機的外觀形象在飛機的宣傳和銷售過程中其實是非常重要的，國內以往整體效果偏向保守穩重，而近年國內民機的飛機噴涂有了新的變化，如上海世博會期間東航公司的“世博號”噴涂，積極的運用了新穎的圖案設計元素，給飛機的整體外觀注入了新的活力。國內某支線客機的藍色圖案和紅色彩虹主題圖案，也分別象征了該型號飛機的大氣和活力。給我國自主研發的飛機的宣傳起到了積極的作用。內飾方面，國產大型客機展示樣機也同樣大量的運用了平面設計元素。結合了中國祥云、龍的傳統元素，搭配大氣端莊的色彩，大型客機展示樣機在2010年亮相珠海航展時，得到了國內外一致的好評。

8 結論

數字化技術的應用，為飛機的研制提供高效可靠的設計手段；提高了飛機設計的可靠性和可維護性；通過有效的平臺管理，確保了研制過程的高效化、無紙化、保證了數據源的唯一；設計過程清晰可追溯，便于協調；通過工程可視化和后處理軟件，測試產品零件的合理性，減少零件間的干涉；減少了因為設計不合理所造成的設計更改，縮短新機研制周期，節省飛機的研制成本；展現了飛機外觀內飾的美學設計，提高了飛機的國內外知名度。

因此，數字化技術將有助于我國民機事業的發展。飛機的研發和制造是一項復雜龐大的系統工程，在技術上，未來飛機研制的趨勢將更多地運用數字化技術為之服務。在人力上，掌握數字化技術的人才將為飛機設計的研制周期、質量、安全性帶來保證。

參考文獻：

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[3] 劉芒果.機械CAD三維設計的應用研究[J].煤礦機械,2005(9).

篇6

關鍵詞：隧道工程；監測；信息系統；數據庫；GIS；可視化；

作者：李元海等

中國是世界上隧道最多、發展速度最快、地質及結構形式最為復雜的國家，在建和待建的山嶺隧道、地鐵隧道、水底隧道、水電壓力隧道等不計其數[1-2]。眾所周知，隧道工程與地面工程的一個重要區別在于其處于特殊的巖土地質環境中，工程設計和施工中存在很多尚不完全清楚的問題，主要原因在于：(1)巖土地質條件千變萬化，難以把握；(2)巖土結構與人工支護系統的相互作用關系尚不明確；(3)大量城市隧道工程周圍環境影響十分復雜。由于巖土力學理論與技術發展和經濟條件的限制，要準確預測隧道及周圍環境在施工過程中的動態響應幾乎是不可能的。當前一個有效的手段就是在施工中加強過程監測，以巖土層、隧道結構與周圍建、構筑物的變形和受力以及地下水的變化信息為依據來優化或修改設計與施工方案，即信息化施工，它在隧道工程施工的安全和風險控制方面起著重要作用，尤其是對于繁華城市地鐵或長大復雜隧道，信息化施工是必不可少的關鍵施工技術[3-4]。

然而，信息化施工在早期實施過程中存在的一些問題[5]現在似乎依然沒有得到多少改觀，特別是施工安全監測是否完全發揮了應有的作用還值得反思。在信息化施工中，施工監測存在的一些問題主要集中在2個方面：一是數據采集；二是信息管理，本文主要討論后者。我們知道，地下工程的監測目標都具有一個共同的地理特征，它們總是位于某個空間位置，監測目標和監控測點之間都有一個相對空間位置關系，工程師對于安全問題的關心主要是發生在什么時間和什么地點，而地點與空間地理信息緊密相關，因此，在對隧道工程監測信息管理方面，融合地理信息與數據庫管理的GIS技術應是一個最佳的選擇[6]，它以地圖的形式形象直觀地將工程、監測點與地面上下環境信息統一集成，能夠對施工監測及其相關信息進行高效管理與快速分析，從而可提高施工監測的工作效率和信息化施工的技術水平。GIS在空間維度上包括二維和三維應用，在應用環境方面涵蓋桌面、網絡和移動終端，能夠滿足監測時空信息管理的多方面和多層次需求。基于GIS的隧道施工監測信息管理是信息化施工技術發展的必然趨勢，筆者主要對其研究與應用現狀、存在問題及發展方向進行綜合分析與探討。

1隧道工程監測信息分類與管理方法

現有隧道施工監測管理工作中的信息傳遞方式通常是在項目參與各方(如業主、設計、監理、施工和監測單位)之間進行，采用的形式有表格、單據、文件等紙質形式和電話、會議等傳播形式，因此，信息收集、整理、加工、傳遞、檢索和使用等整個周期較長，甚至出現重復和交叉工作，效率較低。這里，借鑒孫玉國[7]提出的以“數據”為中心的理念，筆者提出施工監測管理應以“信息”為中心的原則，加強信息分類與組織，借助網絡技術實現信息管理平臺的創建和應用，有利于提高監測信息管理的工作效率，充分發揮監測信息對設計與施工的指導作用。

1.1安全監測信息分類組織

信息的合理分類是為了高效管理，隧道施工監測及其相關信息種類繁多且來源廣泛，按不同的分類標準有不同的分類方法，分類既不必過于精細，也不能過于簡單，應從滿足工程應用和便于信息管理的角度來適度劃分。這里，建議以監測項目為中心，考慮重要影響因素，將監測信息劃分為：(1)監測項目；(2)工程信息；(3)周圍環境；(4)施工工況；(5)控制基準；(6)工程措施(類似知識庫)；(7)其他信息。根據信息隨著時間是否變化，又可分為靜態信息與動態信息兩大類。其中，測點數據與施工工況是與時間有關的典型動態信息，而控制基準、工程地質和環境等可近似認為是基本不變的靜態信息。

1)監測項目：

有的根據監測對象分為地表沉降、地層位移、地下水位、凈空收斂、拱頂沉降、土壓力、鋼筋軸力、混凝土應變、樁柱結構沉降與受力等；有的根據監測目標的受力和變形簡單劃分為A項和B項兩大類。

2)工程信息：

包括工程基本概況、施工方法以及工程水文地質等，這些內容有助于了解工程的基本情況。

3)周圍環境：

分為地面建(構)筑物、道路、橋梁、河流、地下管線及地下硐室等，這些與施工監測的目標和環境影響分析緊密相關。

4)施工工況：

這是結合施工情況來分析監測數據變化規律及原因的必需信息，主要包括施工進度、開挖與支護情況及周圍場地環境變化(如超載)，通常以文字、數據、圖片和影像等形式表達，是分析監測數據最重要的動態關聯信息。

5)工程措施：

可以針對具體工程出現的常見事故或問題，建立一個對應的技術措施數據庫，以便在為安全監測進行分析時能初步給出工程建議，供施工和設計單位參考；目前多數監測工作都會在監測報告，如日報、周報或月報表中包含這一項內容，但缺少一個全面、系統的數據庫或知識庫支持。

6)控制基準：

這是安全預警的重要依據，一般采用規范中的標準，但實際上，很多具體工程有一個自己的設定標準，依據工程條件的不同，或嚴格或寬松，所以，在控制基準設計時應充分考慮這2種情況。

7)其他信息：

上述內容之外的與監測有關的信息。

1.2監測信息的分析與預測

數據整理分析的目的是從平靜中找出變化、從變化中找出規律、由規律預測未來，防患于未然是施工安全控制的核心目標，因此，基于監測信息的科學分析與有效預測至關重要。但眾所周知，隧道及地下工程圍巖與地質水文條件千變萬化，非常復雜，即便是一個區段、一個工程獲得的施工監測數據及由此得到的規律，很多情況下，也不能直接用于其他類似區段或工程。一個簡單且有效的方法是采用回歸分析，但回歸分析目前多是獲得了足夠數據(即包括了穩定階段的數據)，在后期進行數據整理時經常做的一項工作，而在施工過程中，尤其是變形初期(數據量有限)似乎仍然不能解決后期變形的預測問題。除此之外，還有一些比較復雜也有著先進理論基礎的預測方法，如人工神經網絡、模糊數學、時間序列和粒子群優化理論等[8]，這些方法似乎還主要停留在研究層面上，盡管很多文獻給出的預測結果和實測結果曲線吻合得非常完美，但真正在實際復雜工程條件下的應用可靠性恐怕還存在很多疑問，應做進一步研究，此外，未來類似于聯機分析處理(OLAP)等數據挖掘(DM)和知識發現(KDD)的綜合智能分析技術的應用值得關注[9]。

1.3監測信息管理支撐技術

隧道施工監測工作包括信息采集與信息管理兩部分。信息采集是信息系統的數據來源，當前，基于普通水準儀和收斂計等常規隧道凈空位移量測雖然簡單實用，但不能滿足實時監測的要求，因此，一些具有實時與遠程傳輸功能的諸如全站儀、靜力水準儀在隧道監測中被作為一種新技術進行研究、應用和推廣[10-11]。早期的隧道施工監測信息管理基本上停留在文字、表格和圖形文檔方面，這些信息往往都是分散的，查詢和統計分析都要花費很多時間，管理工作的效率很低，而計算機信息技術的發展，特別是數據庫、GIS、網絡以及移動通信技術，使得監測信息的集成化和網絡化管理日漸成為基本需求，同時基于三維空間與虛擬現實技術的形象化與可視化管理對工程師產生了很大的吸引力。可以說，計算機與信息技術是大步提升監測信息管理技術的重要支撐，其應用水平也是衡量信息化施工技術水平高低的重要標志，充分利用信息技術是未來隧道安全監測信息管理的技術發展方向。

2隧道工程施工監測信息管理系統研究與應用

2.1研究現狀

隧道施工監測信息管理系統主要以程序或軟件開發為核心，目前國內有眾多研究人員開展了大量的研發工作，并取得了很多成果，當然也存在一些問題。

信息管理系統研發主要涉及系統運行的環境、系統功能的設計、系統的可視化功能和預測分析方法等幾個方面。施工監測信息管理的發展可以分為早期替代手工計算的計算機數據計算與分析、采用數據庫進行簡單管理、以GIS(含WebGIS)技術應用為代表的集成多源信息的可視化管理等幾個階段；程序或軟件應用從早期的DOS環境到當前的Windows(或Linux、OS)，從單機到網絡，從二維可視化發展到三維空間，可以說，監測信息管理技術的進步與計算機信息技術的發展和應用密不可分。

作為我國隧道信息化施工技術研究的前輩，王建宇[12]對信息化設計的原理以及監測數據的處理與分析方法較早進行了全面研究，此后，有不少研究人員相繼開展了相關監測信息系統的研發工作。如鄺明[13]開發的隧道施工信息監測及計算機輔助系統，基于FoxPro平臺開發，在MS-DOS下運行，主要包括建立觀測檔案、量測數據輸入、數據回歸分析、超限報警及查詢、輸出打印等功能，同時創建有規范數據庫，可作為早期系統開發特點的代表之一。張強勇等[14]采用VisualC++和SQLServer作為開發工具，考慮了網絡運用，設計了基于C/S架構的網絡版系統；崔健等[15]采用基于C#的面向對象方法和GIS二次開發組件MapX開發的系統，引入了GIS技術，利用Oracle進行數據庫管理，考慮了數據遠程傳輸和離線更新模式。杜年春[16]研究設計的監測信息系統也是基于網絡應用環境，其中，WebGIS信息管理利用基于跨平臺的Java語言進行開發的。蔣樹屏等[17]研究建立的隧道現場監控量測數據管理系統能夠生成圍巖和支護結構的應變、應力在隧道開挖過程中的時間-空間分布曲線以及深孔量測項目在圍巖內部的分布圖，由此判斷圍巖與支護結構的穩定情況，系統包含基于擴張卡爾曼濾波器有限元耦合算法的反演分析是其主要特色。陸軼[18]、孫中偉[19]采用ArcGIS提供的二次開發組件包ArcEngine和ArcView創建了隧道監測GIS信息系統，是ArcGIS的典型應用之一。賀躍光等[20]研制開發的基于WebGIS的城市地鐵施工監測信息管理系統提供以下功能：數據入庫、數據處理及精度評定，報表與圖形生成，回歸分析與變形預報預警，網上信息及信息交流；系統分為系統應用、基礎數據庫、電子地圖3個服務器節點；從功能結構上劃分為6個子系統：地鐵線路、站點基坑管理，監測數據管理，預警、預報信息管理，WebGIS信息管理，系統用戶及日志管理以及信息交流平臺，功能設計相對比較齊全。此外，王浩等[21]以采用全站儀進行洞室圍巖表面三維收斂變形非接觸監測為例，建立了一個功能相對專一的施工期監測信息管理系統。李天斌等[22]結合川-藏公路二郎山隧道圍巖穩定性研究，初步建立了隧道信息化監測、預測和決策系統(TMFS)，提出了圍巖穩定性“綜合集成分析”的理念，系統的基本功能組成體現了公路隧道新奧法信息化施工的工作流程，即施工跟蹤測試與監測—評價與預測預報—信息反饋—信息化決策。國外有以意大利GeoDATA公司為代表的地下工程施工風險信息化管理平臺GDMS，它包括監測數據管理系統以及文件管理系統，但該系統并不完全適合國情。

上述研究成果都考慮了隧道監測數據管理的基本功能需求，如數據計算、回歸分析和圖表繪制、預測預報等，主要區別在于開發方法、系統的結構、功能的多少、運行的環境、可視化的強弱以及實用性等幾個方面。

筆者在隧道監測信息管理系統方面的研發歷程，似乎也可作為該項技術階段發展的一個小小縮影。在1995年采用Pascal編制了一個DOS環境下運行的簡單程序[23]，實現了監測數據計算與圖表繪制的自動化；隨后采用具有快速開發和數據庫特色功能的Delphi[24-25]，在1997年開發了一個Windows下運行的監測數據庫管理程序，實現了菜單操作，將數據庫(Foxbase)技術應用于監測數據的管理，這些系統的功能相對簡單，但在日常數據計算、圖表繪制和報表自動生成方面都明顯提高了工作效率；在以可視化為顯著特征的GIS開始盛行時，借鑒GIS思想，使用高級語言從底層(未采用GIS軟件)初步開發了一個圖形平臺[26]，具備類似AutoCAD的二維基本功能，包括點、線、面的繪制和復制、平移、鏡像、捕捉等功能，實現了在監測地圖上測點與監測數據的鏈接關系，底層開發的優點是系統獨立于GIS、AutoCAD等相關平臺軟件，靈活性強、升級方便；缺點是研發與系統維護的工作量大，研發周期長。為解決這一問題，基于專業人員重在解決專業問題的思路，可以選擇合適的通用GIS軟件[6]為基礎平臺來進行二次開發，這樣綜合數據集成管理的效率高，開發出來的系統可視化功能強。近年來，筆者借助于商業GIS軟件提供的SDK，基于桌面與網絡環境進行了一些新的研發，并在工程現場中進行了應用，研究成果有待發表。

GIS無疑是隧道監測信息可視化的重要技術，此外，未來虛擬現實技術(VR)的應用也將是提升監測信息管理可視化的一個重要方向[27-28]，引入VR和網絡技術，通過對隧道現實環境的計算機再現，實現本地或遠程隧道虛擬漫游、實時監測、信息管理于一體的隧道施工監測信息反饋系統，可以使用戶能夠運用鼠標和鍵盤突破物理、空間和時間的限制，直觀方便地查看監測儀器與監測目標及周圍環境的位置、范圍和數據，在虛擬場景中監控管理監測目標，提高監測的直觀性和臨場感。

現在，移動通信終端設備的發展將為隧道監測信息的快速傳輸和高效服務提供技術支撐，盡管相關研究很少，但也有少數人員開始了一些探索，如鄒進貴等[29]基于WindowsCE掌上電腦開發了一個沉降監測與管理信息系統，實現了數據移動傳輸和終端查詢。移動通信設備上的信息系統開發也許不能理解為從PC到移動設備上的簡單移植，隧道監測移動信息管理系統在開發工具、開發平臺、信息系統框架設計、信息存儲與傳輸等方面與PC系統都有所不同。目前流行于智能手機上的Android系統[30]未來在隧道監測信息移動管理方面的應用潛力很大，值得研究。

2.2現狀分析

2.2.1研究開發方法

軟件系統設計應遵循以下原則：功能實用性、可擴展性、靈活性、可重用性、可靠性和安全性。系統開發要解決的關鍵問題是數據信息的組織與管理，以及為用戶提供一個友好的人機界面和滿足網絡化和可視化的需求。當前，數據管理平臺或引擎通常采用MicrosoftAccess、SQLServer或Oracle等數據庫，在Windows操作系統環境下，采用開放數據庫互連(ODBC)方法，利用開發工具提供的應用數據接口ADO技術實現對數據庫的創建、訪問、編輯和查詢等功能。具體選擇何種數據庫支撐軟件，與數據量的大小和應用成本考慮有關。數據量小、應用簡單可用Access，反之，可選用SQLServer等大型數據庫。軟件系統的人機交互界面一般采用通用高級開發語言(如Delphi、C#、VB和Java)進行設計開發，具體選擇根據個人喜好或對軟件的熟悉掌握情況。因為，一些開發工具在功能和軟件界面設計效率方面區別不大，軟件界面設計難度不在于工具本身的復雜性，而在于開發者一個良好的用戶界面框架結構設計，良好的用戶界面體現出對系統功能合理的層次組織，是便于系統應用推廣的關鍵。網絡化主要是滿足監測信息的共享與遠程監測兩個需求，可以通過建立網站借助于Internet來實現監測信息的遠程傳輸與查詢；可視化除了簡單的數據圖形、影像與視頻外，更重要的是GIS技術的廣泛應用，通常借助于GIS基礎軟件的二次開發功能，如國外的ArcGIS[18-19]和國內的SuperMapGIS軟件[31]都提供了相應的SDK(二次開發工具包)，供開發人員采用通用開發工具來創建一個反應測點空間位置與周圍環境的類似電子地圖的圖形平臺[31]，在此平臺上集成多源信息，可以提高復雜信息的管理工作效率。

2.2.2系統功能結構

根據隧道工程監測信息管理的功能需求和綜合現有研究成果，加上個人的認識與理解，筆者認為一個功能相對完整齊全的信息管理系統框架結構如圖1所示。系統應以“信息”為中心，通過研發與應用，使得任何一位相關技術人員或主管領導(Anybody)在任何時間(Anytime)、任意地點(Anywhere)，只要能夠接入互聯網即可訪問本系統，完成系統中涵蓋的所有管理工作(Anything)，從而實現基于WebGIS的隧道工程施工監測的4A服務[32]。

需要說明的是，一個具體的監測信息管理系統不一定要包括圖1所示的所有功能，可以針對工程應用的具體要求進行開發。當前很多相關系統大多也只是實現其中的部分功能，要建立圖1所示的隧道施工監測信息管理的完整技術體系，還有很多工作需要做，其中，未來在移動終端、實時監測和虛擬現實仿真應用以及監測數據的可靠性預測分析方面都需要進一步研究。

2.2.3可視化技術

可視化是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來并進行交互處理的方法，它已成為研究數據表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術。對于施工監測信息來說，根據文本數據繪制出監測歷時曲線是最早實現的簡單可視化，當然，簡單并不意味著沒有繼續研究的必要，實際上在可視化靈活操作方面，還可以做些細致的工作，例如在監測曲線圖上，移動鼠標就能即時顯示監測相關數據信息的豐富變化，就是一個非常實用的功能。當前GIS已經成為信息可視化的重要手段，可以采用GIS創建一個集成管理多源監測信息的圖形平臺，將具有空間屬性的監測點與周圍環境集成到一張電子地圖上，實現測點信息與周圍監控對象管理的可視化。目前GIS應用可以分為二維、二維半及三維，三維應用主要強調地上、地面以及地層的三維集成可視化，其中地面以上主要包括房屋、橋梁等建構筑物，地面主要包括道路、河流、綠地等，地下則包括地層以及地下管線等。地下部分的可視化能夠直觀地反映工程所在區域的地質情況，而施工監測信息的變化則與地質條件緊密相關，三維地層建模技術為此提供了技術支撐[33]。地面及地上三維可視化，可以應用目前廣泛應用的三維地圖技術。除此之外，VR也可作為隧道施工監測信息管理的三維虛擬現實平臺，以更加直觀、形象地顯示監測信息與周圍工程環境的空間立體關系，增強對于監測信息與安全風險控制的深入理解。VR與三維電子地圖的一個重要區別是其具有臨場真實感，例如，在隧道施工中如果地面房屋建筑結構的沉降監測超限，可以采用房屋出現開裂、傾斜，甚至倒塌再配合聲音來模擬可能出現的風險，并發出預警，感同身受。VR應用系統也可以獨立于GIS技術，這樣做的好處是系統研發與維護都相對簡單，也便于應用推廣。但目前虛擬現實在隧道監測信息管理方面的應用研究還不多見。

這里值得說明的是，對于技術的先進性與實用性問題的平衡考慮和認識，二維GIS的技術發展最為成熟，功能最實用，成本最經濟；真、假三維GIS(2.5維通常也稱為假三維)立體感強，更形象、更逼真，在技術方面代表進步和提升，因此，來自現場的應用需求比較強烈，但并不能完全取代二維GIS技術的成熟性、穩定性、簡便性和經濟性。三維GIS代表隧道監測信息管理圖形平臺可視化的發展方向，但二維GIS現在和將來也都值得進一步研究與應用，不能也不應厚此薄彼，理想的可視化集成平臺模式是二、三維GIS的一體化應用。

2.2.4系統運行環境

按系統運行環境的不同，可以把基于GIS的隧道施工監測信息管理系統分為兩大類：一類是桌面系統(單機版)；另一類是基于Internet的網絡系統(網絡版)。這兩類系統各有優缺點，網絡系統顯然能夠最大限度地實現監測信息共享，同時方便遠程查詢與管理，但是系統運行環境的構建比較復雜，比如要進行專門的網站創建和網頁系統設計，需要服務器支持，此外，基于網絡的數據實時分析能力要比桌面系統低很多；相反，桌面系統可以充分利用本地計算機進行強度較大的計算，數據處理與分析能力強，同時，對于工程現場應用，例如，現在很多城市地鐵工程項目現場都設有監控室，安裝這樣一套系統作為安全監控系統的一部分，很簡單也很實用。因此，在施工監測信息系統網絡版開發越來越多的情況下，單機版的系統在日常監測數據的處理、分析與管理方面，仍然起著不可替代的作用。實際上，單機版和網絡版可以聯合并用，如單機版作為網絡版的數據信息加工處理工廠，而網絡版作為單機版處理后的信息集散地，當然，它們也可以針對不同的需求獨立應用。

2.2.5系統的實用性

如果單從研究的角度來說，系統研發更注重技術的先進性和創新性，然而，系統研究的目的最終是為了應用，系統的實用性對工程應用更為重要。在隧道施工監測信息系統研發方面，雖然有不少成果公開發表，但是從一般的文獻中，很難了解和判別相關系統的實用性到底如何。監測信息管理系統的核心是軟件，如果以軟件商業化作為系統成熟和實用標志的話，遺憾的是，當前還沒有看到相關通用商業軟件系統，換句話說，迄今為止，實用性很強的系統可能很少。原因可能很多，其中一個方面應該和系統研發應用的持續性有關，不少系統由高校和科研院所研制開發，以一些政府部門或企業委托的科研項目作為支撐。如果把系統類型按發展階段分為研究型、試用型和實用型，往往在項目結束之際，很多系統研發最多還處于試用型階段，有的甚至還在研究階段，隨著項目的結題、驗收或鑒定，完成相關科研成果報獎等使命，其改進、完善和推廣由于得不到進一步的后續研發支持而中斷。原因有兩方面：一是對于研發人員來說，初步取得的成果不盡理想未能引起委托單位進一步投入的興趣；二是委托單位可能對于系統持續研發投入的必要性認識不足，從而導致在系統從研究到應用的發展過程中，半途而廢，實際上這是對前期人、財、物等投入的一個很大浪費。軟件系統從研發到實用是一個持續不斷投入和長期不斷升級的過程。

3存在問題及發展趨勢

3.1存在問題

綜合現有研究現狀分析可以看出，當前隧道施工監測信息管理主要存在以下幾個問題：

1)監測信息以及與其相關信息種類繁多，信息的特性與處理方法不盡相同，基礎數據庫信息的有效分類、組織需要加強，這是整個信息系統研發和運轉是否高效的重要基礎。

2)科學預測旨在防患于未然，當前無論是簡單或復雜的預測方法在真正應用于實際工程的有效性方面還存在一些問題，盡管相關文獻展示的預測與實測符合完美，但工程應用的真實性和可靠性還存在疑問。

3)施工監測信息在快速反饋與及時指導施工方面，存在不足，依賴信息管理系統不能完全解決這一問題，但應通過集成實時監測功能、快速數據分析和科學預測、及時預警來提供足夠的輔助決策技術支持。

4)從技術的先進性來說，隧道施工監測信息管理三維可視化平臺目前并不多見，尤其是三維GIS和虛擬現實技術的應用開發，還處在初步研究階段。

5)從技術的實用性來看，隧道監測信息系統在軟件功能的完備性、易用性、健壯性和安全性等實用性方面距離成熟商業軟件標準還存在明顯差距。

針對上述問題，需要緊密結合隧道工程信息化施工的技術需求，按照軟件系統的基本要求和研發規律，充分利用現代計算機信息技術，進行持續不斷地研究、開發和應用。

3.2發展趨勢

未來的發展趨勢筆者認為有以下幾個方面：

1)在數據庫合理組織和科學預測分析前提下，借助于可視化技術，創建運行穩定、易用和安全可靠的實用性系統，至關重要。

2)結合不同的應用需求，系統在單機版、網絡版、二維GIS可視化和三維GIS可視化等研發方面，齊頭并進，不應厚此薄彼。

3)隧道施工監測信息系統如豐富監測信息的管理功能，可考慮對于實時監測設備和元器件采集數據的實時接收、顯示與分析，以及對于相關施工工況(如施工進度)的輔助顯示，通過適度擴大相關應用功能，增強其工程實用價值。

4)利用虛擬現實技術，開發出隧道施工監測信息管理的虛擬現實平臺，能夠提升隧道監測信息管理可視化水平和管理工作效率。

5)未來基于手機、PDA等移動通信終端和類似Android、iOS等移動操作系統的移動監測信息管理技術值得研究開發，有望真正實現施工監測信息的隨時、隨地一切盡在“掌握”之中，有助于對隧道工程施工安全風險的管理與控制。

4結論

1)隧道工程施工監測信息管理技術發展經歷了從紙質文本與圖形文檔管理、計算機簡單數據處理、數據庫管理、GIS與網絡應用到虛擬現實技術應用等幾個重要階段，系統應用已從單機逐步擴展到網絡，信息管理的可視化從簡單的圖形圖像發展到二維和三維GIS空間。

2)當前隧道工程施工監測信息管理系統存在的主要問題包括多源相關信息的有效分類組織、數據預測與預警方法的可靠性、對工程的實際指導作用和應用軟件系統的實用性，都有待于進一步提高。

篇7

隨著經濟的全球化與信息的社會化，市場競爭日益激烈，產品競爭已經由傳統的價格競爭轉化為技術含量的競爭，高科技產品成為市場的主流，創新成為企業發展的靈魂。為了適應新的市場變化，企業必須以最快的上市速度、最好的質量、最低的成本和最優的服務來滿足不同用戶的需求。面對不可預測、持續發展、快速多變的市場需求，企業的生產活動必須具有高度的柔性，對市場需求的變化做出快速反應。為此，探索新的設計制造方法是企業生存的最重要手段。

隨著信息技術的迅猛發展，出現了一些先進的設計制造技術，現代設計制造技術的發展方向就是不斷吸收現代科學技術，實現設計制造技術的數字化、功能化、智能化和網絡化。虛擬技術已成為當今最活躍的制造業設計技術，它的發展，促進了虛擬制造(VitrualManufacturing)的形成和發展，為機械產品的設計、加工、分析以及生產的組織和管理提供了一個虛擬的仿真環境，從而在計算機上“組織”和“實現”生產，在實際投產前對產品的可制造性等方面進行評估，保證一次成功生產，從而降低生產成本，減少上市時間，快速響應市場，提高企業競爭能力。

1虛擬制造的內涵及其分類

1.1虛擬制造的內涵

隨著制造業技術的飛速發展，人們對制造的內涵也有了全新的、更全面的認識。制造是指按照市場需求，運用知識和技能、借助工具、采用有效的方法、將原材料轉化為最終產品并投放市場的全過程。虛擬制造(VitrulaManufacturingVM)是指利用計算機模型和仿真來實現產品的設計和生產的技術，它以信息技術、仿真技術、虛擬現實技術和高性能的計算機、高速網絡為支持，在計算機上群組協調工作，實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業各級過程管理與控制等產品制造的本質過程。“虛擬制造”雖不是實際的制造，但卻實現實際制造的本質過程，它在產品設計或制造系統的物理實現之前，就能通過模型來模擬和預估未來產品的形態、功能、性能以及可加工性等方面可能存在的問題，從而可以做出前瞻性的決策和優化實施方案，從而使制造技術發展到全方位預報階段。虛擬制造是實際制造在計算機上的本質實現，它是各種計算機輔助技術面向產品全生命周期的集成化綜合運用。

實際制造具有對物質、信息、能源進行轉換的功能，即投人原材料、生產、信息、電力等能源，制造出所需的產品及與產品相關的信息。虛擬制造是將實際生產中的“物質”和“能源”信息化，針對實際生產系統中的信息及被信息化的“物質”和“能源”實現與實際生產在信息上的等價交換，虛擬制造雖然沒有制造出實際產品，但卻生成了有關產品的信息以及制造產品所需的信息。

1.2虛擬制造的分類

虛擬制造既涉及到與產品開發制造有關的活動，又包含與企業組織經營有關的管理活動。根據所涉及的范圍及工程活動類型，可將虛擬制造分為三類：以設計為核心的虛擬制造；以生產為核心的虛擬制造；以控制為核心的虛擬制造。

1）.以設計為核心的虛擬制造。以設計為核心的虛擬制造將制造信息引人設計過程，利用仿真來優化產品設計，從而在設計階段就可以對零件甚至整機進行可制造性分析，包括加工工藝分析、熱力學分析、動力學以及運動學分析等。主要解決“設計出來的產品是什么樣”的問題，以便對產品各方面性能進行仿真與評估；

2）.以生產為核心的虛擬制造。以生產為核心的虛擬制造將仿真技術溶人生產過程模型，以此來評估和優化生產過程，以低費用快速評價不同的工藝方案、資源需求計劃、生產計劃等。主要解決“這樣組織生產是否合理”的問題，以便對生產過程進行仿真，對各個生產計劃進行評估；

3）.以控制為核心的虛擬制造。以控制為核心的虛擬制造將仿真技術加到控制模型和實際處理中，實現基于仿真的最優控制。充分利用計算機的強大功能將傳統的各種控制儀表、檢測儀表的功能數字化，對生產線的優化等生產組織和管理活動進行仿真。主要解決“如何去控制”的問題。

2虛擬制造的特點

與實際制造相比，虛擬制造具有其本身的特點：

1）.虛擬性。虛擬制造不是真實的制造過程，不生產實際的產品、不消耗真實的材料與能源，是通過數字化手段來對真實制造過程進行動態模擬以實現制造的本質過程；

2）.基于數字化模型的集成。虛擬制造過程依賴于模型，涉及到的模型有產品模型、過程模型、活動模型和資源模型。通過這些數字化模型在計算機上的集成，實現對產品的設計、制造、測試、裝配等操作，而不再做對傳統的原型樣機的反復修改；

3）.支持敏捷制造。由于整個過程的信息存儲在計算機內，能夠根據用戶需求或市場的變化快速改型設計，快速投人生產，能夠大幅度壓縮開發新產品的時間、提高質量、降低成本；

4）.分布合作。借助于計算機網絡，虛擬制造可使分不在不同地點、不同部門的不同專業人員對同一個產品模型同時工作，相互交流，實現信息共享，減少大量文檔生成及其傳遞的時間和誤差，從而使產品開發更快捷、優質、低耗地響應市場變化；

5）.仿真結果的高可信度。虛擬制造就是通過模型的驗證、效驗等仿真技術來檢測設計出的產品或制訂出的生產規劃，使得產品開發或生產組織一次成功，所以它能真實地反應實際對象。

3虛擬制造的關鍵支撐技術

虛擬制造借助于虛擬環境中獲取的各種信息，集成和綜合了可運行制造的環境，用來改善從裝配產品的概念設計到動態仿真的各個階段。虛擬制造技術涉及面很廣，如環境構成技術、過程特征抽取、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、多學科交叉功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現實技術、建模與仿真技術等。其中后三項是虛擬制造的核心技術。

3.1虛擬現實技術

虛擬現實(VirtualRealityVR)技術是美國JaronLanier于1989年首次提出的，該技術的內涵是由計算機直接把視覺、聽覺和觸覺等多種信息合成，并提示給人的感覺器官，在人的周圍生成一個三維的虛擬環境。從而把人、現實世界和虛擬空間結合起來，融為一體，相互間進行信息的交流和反饋。虛擬現實技術或由它構建的系統，最重要的特征在于沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)和構想性(Imagination)。

虛擬現實技術綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維虛擬環境。虛擬現實系統(VRS)由人機接口、軟件技術、虛擬實現的計算平臺等部分組成。利用VRS可以對真實世界進行動態模擬，通過用戶的交互輸人，并及時按輸出修改虛擬環境，使人產生身臨其境的沉浸感覺。

3.2建模技術

虛擬制造系統是現實制造系統在虛擬環境下的映射，是現實制造系統的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。虛擬制造系統的建模包括生產模型、產品模型和工藝模型。

(1)生產模型。可歸納為靜態描述和動態描述兩個方面。靜態描述是對系統生產能力和生產特性的描述，給出產品設計方案的可能性；動態描述是對系統動態行為和狀態的描述，進而預測產品生產的全過程；

(2)產品模型。產品模型是制造過程中，各類實體對象模型的集合。對虛擬制造系統來說，要使產品實施過程中的全部活動集成，就必須具有完備的產品模型，即產品模型描述的信息既包含產品結構、產品形狀特征等靜態信息，還包含能夠進行干涉檢查，各項性能分析等方面的動態信息，是能夠通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需所有信息的模型；

(3)工藝模型。將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來，以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數據表、制造規劃、統計模型以及物理和數學模型。

3.3仿真技術

仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統一系列的統計性能。由于仿真是以系統模型為對象的研究方法，借助于計算機的快速運算能力，可以用很短時間模擬實際生產中需要很長時間的生產周期，因而可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費，并可重復仿真，優化實施方案。

仿真的基本步驟為：研究系統、收集數據一建立系統模型*確定仿真算法*建立仿真模型神運行仿真模型*輸出結果并分析。虛擬制造系統中的產品開發涉及到產品建模仿真、設計過程規劃仿真、實際生產過程行為仿真、裝配過程仿真、檢驗過程仿真等，以便對設計結果進行評價，實現設計過程早期反饋，減少或避免產品設計錯誤。

4虛擬制造技術的現狀分析

盡管虛擬制造技術近年來在國際上取得了迅速的發展，但是目前還缺乏從產品設計全過程的高度開展虛擬制造的研究，集中體現在以下方面。

4.1基于集成的數字化產品模型技術尚處于概念階段

(1)CAD模型中的產品信息含量太低。CAD模型是在產品的設計過程中形成的，很多信息(幾何的非幾何的)需要記錄在其中，它是重要的數據源。在虛擬制造中，很多分析模型需要從CAD模型中提取相應信息。然而目前的CAD模型主要是從幾何實體的角度描述產品，遠不能全面的描述產品，能夠提供的共享信息太少；

(2)現有的CAD模型無法支持產品的概念設計。產品的全新設計要經過概念設計、詳細設計、產品工藝規劃及制造幾個過程，而CAD模型只支持產品的詳細設計；

(3)缺乏良好的產品信息重用機制。由于目前各應用軟件間的產品數據交換主要是通過專用的數據接口來實現，這種轉換也是同一問題數據的簡單映射，無法實現模型間數據的自動轉換和衍生，無疑增加了虛擬制造產品開發的復雜性。

4.2產品創新支持工具尚不充分

(1)缺少創新設計支持系統。產品創新設計是一門綜合性科學，需要新技術、新材料、新工藝的支持。虛擬制造的環境為創新設計提供了很好的運行機制，但是還需進一步組織開發創新設計的支持系統；

(2)缺乏將知識與虛擬制造結合的工具。知識可以創造革新產品和新技術，產品創新注重知識。但是由于知識表達與組織的復雜性與重要性，如何將其與虛擬制造的數字化產品結合起來是一個有待解決的難題；

(3)缺少交互式外形設計技術與虛擬制造的集成工具。

目前，虛擬制造被認為是最有發展前景的產品創新技術。如何解決將有關產品整體定位、外觀設計的交互式外形設計技術引人到產品虛擬制造中并與之有機地集成起來尚需進一步研究。

4.3產品數字化技術

(1)基于產品數據管理(PDM)與其他軟件的集成問題。產品數字化的核心是PDM技術的應用，目前，出現了各種版本的PDM軟件，但是缺乏標準，由此造成了PDM軟件與其他應用系統的集成問題。在虛擬環境下，各專業、各部門人員基于同一產品模型協同工作，必須解決PDM與其他應用軟件的集成；

(2)虛擬產品開發的產品數據組織體系。虛擬產品開發方式生成的產品數字樣機的產品結構樹既要反映產品設計階段的構造層次結構、產品的裝配順序，還要反映生產流程，制造部門可以直接根據產品數字樣機進行制造。因此，研究適合虛擬產品開發的產品數據組織體系是切實必要的；

(3)與數字化產品模型相關數據的組織和管理。

產品的數字化包括建立產品的數字模型及其相關的性能指標，包括結構分析、運動學分析、動力學分析、熱力學分析的結果，為產品的定型提供理論依據，并對產品性能進行改造。如何有效地解決數據的組織和管理，使之有效地適合虛擬制造的需要是目前研究的熱點。

4.4制造過程仿真建模方法和技術

基于物理模型的制造過程仿真技術已經得到廣泛應用，但建模方法與建模技術仍未有突破性進展。

(1)虛擬加工工具有待完善。目前已有很多商品化軟件可以進行“可加工性”評價，但虛擬制造還需研究開發大量的虛擬加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工過程仿真系統等；

(2)虛擬裝配的基礎理論研究。虛擬制造對虛擬配中的公差分析與綜合技術還缺乏理論基礎，在模型的生成以及對ISO公差標準、形位公差的支持方面還存在很多問題，迫切需要解決；

(3)裝配工藝規劃的進一步研究。目前基于虛擬裝配工藝規劃的研究存在很大的局限性，主要是指:僅考慮沿坐標軸方向的平移，裝配運動方式過于簡單；偏重于幾何計算，工程語意知識的利用有待加強；裝配順序的選擇標準不夠廣泛和統一；

(4)虛擬測試技術研究。虛擬測試是成功運用“虛擬產品開發”技術的關鍵環節，也是必不可少的。當所有環節計算機化后，測試和效驗環節就成為影響效率的重要因素。

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【關鍵詞】地理信息系統;空間信息技術;技術融合;GIS應用

1.引言

近些年，我國電信事業迅猛發展，電信市場也經過了幾次變革，現形成了三家全業務運營商為主體的市場格局。隨著人民生活水平的提高，客戶需求也日益多樣化，從最初較為單一的通話及短信業務發展到現有的上網、購物、休閑娛樂等多樣化的服務。因此想要在激烈的競爭中站穩腳跟，電信運營商必須提供更高的服務質量和服務效率來提高自身的競爭力。

電信行業所涉及數據的主要特點之一是量大而且與地圖的關系十分密切，所以面對電信行業發展需求，GIS由于其具有數據采集與編輯、數據庫管理、空間查詢和分析、地形分析、制圖等強大功能而被應用于電信行業，充分發揮GIS在空間地理數據的分析能力， 建立通信資源的可視化電信管理系統，用以提高業務的服務水平和競爭能力。

2.GIS技術發展現狀

2.1 地理信息系統（GIS）

地理信息系統（GIS），有時也稱為“地理咨詢系統”和“資源與環境信息系統”，它是在計算機軟、硬件系統支持下，對現實世界的研究和變遷的各類空間數據及描述這些空間數據的屬性進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。隨著計算機和信息技術的快速發展， GIS技術與其它一些信息技術融合，為GIS技術的應用奠定了堅實的基礎。

2.2 技術融合

GIS具有很高的融合能力，它與其它信息技術融合，拓展了整體信息技術的應用。

2.2.1 GIS與Internet結合

隨著Internet 技術的不斷發展和對地理信息系統的需求，將GIS 與網絡技術相融合，利用Internet技術在Web 上空間數據，為用戶提供空間數據瀏覽、查詢和分析的功能，建立網絡化的地理空間集成平臺，成為GIS 的一個新發展方向。基于Web的GIS系統綜合利用了信息處理、計算機圖形學、數據庫、Internet、地理信息系統（GIS）、軟件工程等先進技術，具有訪問范圍更廣泛，平立，系統成本低，操作簡單，計算負載平衡高效等優點。

2.2.2 GIS與多媒體結合

GIS與多媒體技術融合為多媒體地理信息系統（MGIS），實現了GIS最為直觀的表達方式，提供了更加形象化、具體化的視聽手段。GIS與多媒體、Internet的結合，可以實現資源環境制圖的信息共享及快速動態制圖研究，在地理學中得到應用。

2.2.3 GIS與RS、GPS結合

GIS具有強大的對空間數據的處理和對現實世界的模擬能力，以及在空間要素的疊置過程中能夠產生與這些要素相關的綜合新信息，其趨勢是走向集成化和智能化。GIS與RS、GPS結合，實現了以地理信息系統（GIS）為核心的2S技術集成，構成了對空間數據適時進行采集、更新、處理、分析及各種應用提供科學決策的強大技術體系。2S的應用改變人類觀測地球和信息處理的方式，大大開拓了人類的視野。

2.2.4 GIS與CAD結合

GIS與CAD結合為人們提供了一種設計和管理于一體的工具。GIS與DTM、CAD結合，使專題地圖的立體顯示成為可能，并為地理學的分析應用開拓了新領域。

2.2.5 GIS與VR結合

GIS與虛擬技術（VR）融合為VRGIS技術，是GIS技術、可視化技術和虛擬現實技術結合而形成的新一代虛擬現實系統。該系統在提供較強的多維數據建模能力和多維空間數據管理能力的同時，更能支持復雜虛擬圖形空間的生成和支持用戶采用多種交互設備與圖形空間進行交互。

2.2.6 GIS與EMIS結合

環境管理信息系統（EMIS）是以現代數據庫技術為核心，將環境信息存儲于電子計算機中，在計算機軟硬件的支持下，能夠實現對環境信息的管理、查詢、統計、優化處理和輸出的系統。GIS和EMIS在概念和研究對象上具有相似性、互補性，這使得二者的結合是自然的、合理又具有潛力的。“數字環保”就是基于二者結合實現的。

2.3 移動GIS

移動GIS是建立在移動計算環境、有限處理能力的移動終端處理條件下，提供移動中的、分布式、隨機性的移動地理信息服務的GIS，是一個集GIS、GPS、GSM/GPRS/CDMA三大技術于一體的系統。是以移動互聯網為支撐、以智能手機或平板電腦為終端、結合北斗、GPS或基站為定位手段的GIS系統，是繼桌面GIS、WEBGIS之后又一新的技術熱點。

3.Web GIS技術

基于Web的GIS系統綜合利用了信息處理、計算機圖形學、數據庫、Internet、地理信息系統（GIS）、軟件工程等先進技術，借助現代網絡通信設備，使各類數據能夠很方便的到網絡上。達到了由用戶自定義數據檢索方式、自定義圖形層次結構、在網絡上直接處理數據，顯示各類圖形等目標。

圖1 三層體系結構

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在現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。當前，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體。機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。

2智能化技術發展趨勢

2.1性能發展方向

(1)高速高精度高效化。

速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。

(2)柔性化。

包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大。可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群拉系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。

(3)工藝復合性和多軸化。

以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工。正朝著多軸、多系列控制功能方向發展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。

(4)實時智能化。

早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境，其作用是如何調度任務，以確保任務在規定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。科學技術發展到今天，實時系統和人工智能相互結合，人工智能正向著具有實時響應的、更現實的領域發展，而實時系統也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發展。由此產生了實時智能控制這一新的領域。

2.2功能發展方向

(1)用戶界面圖形化。

用戶界面是數控系統與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前Internet、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術，也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業用戶的使用。人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。

(2)科學計算可視化。

科學計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語育表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環境技術相結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術等，這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM，如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。

(3)插補和補償方式多樣化。

多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償等。

(4)內裝高性能PLC。

數控系統內裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圈或高級語言編程，具有直觀的在線調試和在線幫助功能，編程工具中包含用于車床銑床的標準PLC用戶程序實側，用戶可在標準PLC用戶程序基礎上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應用程序。

(5)多媒體技術應用。

多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控技術領域。應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等方面有著重大的應用價值。

2.3體系結構的發展

(1)集成化。

采用高度集成化CPU，RISC芯片和大規模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度，應用LED平板顯示技術，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優點。可實現超大尺寸顯示。應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數量來降低產品價格，改進性能，減小組件尺寸，掘高系統的可靠性。

(2)模塊化

硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化，根據不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服，PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。

(3)網絡化

機床聯網可進行遠程控制和無人化操作，通過機床聯網，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行。不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。

篇10

關鍵字：礦山測量；繪圖技術；具體方法；

中圖分類號：O741+.2 文獻標識碼：A 文章編號：

一、繪圖技術的種類

（一）CAD繪圖技術

在CAD繪圖技術支持下，相關工作人員能夠由原始的生產測量數據或是地質探測數據生成相應的采礦生產計劃圖。特別值得注意的是：礦山開采項目作業中諸如地質構造、人員配備、施工技術等客觀條件均會在采礦作業不斷推進的過程中發生一定的變化，要想使CAD繪圖技術下所得出的采礦生產計劃圖及時有效，就勢必需要建立起相應的數據庫管理系統專門負責對這些動態原始數據的檢測與管理工作，注重數據信息的定期更新與設計系統響應時效。筆者認為．具體到貫通測量當中，以三心拱斷面圖的繪制為例．這種形式巷道斷面層的繪圖需要首先建立起有關礦車、電纜鉤以及風筒的數據模型，在數據庫信息系統接收并響應CAD繪圖任務的時候能夠直接根據參數指標調用該數據模型，并及時生成相應的計算機圖形。

（二）數字繪圖技術

數字化繪圖技術從本質上來說是現代礦山測繪技術與計算機信息處理技術相結合的一種產物。它能夠將地球表面的各規模、各類型空間要素信息資料以數字化的形式進行高度抽象。并在這些要素之間建立起一種坐標或是圖像的關系．進而將其儲存在棚應的關系數據文件當中。計算機信息處理系統及其應用技術的大范圍研究與推廣使得新時期的礦山測量作業面臨著前所未有的發展機遇與挑戰。在當前的礦山測量工作中，地形圖的測繪、礦巖量的測繪、臺階分層圖的測繪等關鍵工作都明確了數字化的發展方向，數字化繪圖技術也因而在礦山測量中具備了極為深遠的發展意義與價值。筆者在下面（礦山測量在各種繪圖技術中的具體應用中的第二點）將會介紹現從兩個方面來對這一繪圖技術在礦山測量工作中的應用情況做詳細分析與說明。

（三）虛擬現實繪圖技術

筆者翻閱大量有關礦采企業安全事故報告資料發現，近幾年以來，井下安全事故成為了礦采過程中最頻發的安全事故，究其原因，往往是由開采技術不合規范、工程質量缺乏保證以及采礦作業中管理制度的缺失這幾方面問題所造成的。其中，工程質量缺乏保證這一問題表現得尤為突出，是我們在礦山安全生產體系構建中的關注重點。筆者認為，結合新型繪圖技術來說，虛擬現實技術與礦山井下開采作業的融合能夠使得整個礦采作業環境變得更加逼真與形象。

二、礦山測量在各種繪圖技術中的具體應用

（一）CAD繪圖技術在礦山測量中的應用

1.首先，全站儀在礦山測量中的廣泛應用使得傳統意義上的經緯儀偏角測量技術不再使用，坐標放樣法成為了礦山測量的關鍵。我們必須明確一點，在坐標放樣技術支持下，礦山測量的關鍵點出現在了內業方向，這也就意味著測量預測點坐標位置的確定變得更加復雜。在考慮傳統地形、地質構造的同時它還需要注重曲線要素與構造物特點對于坐標點的特殊要求。而AUTO CAD繪圖軟件與

坐標放樣法的融合則很好地解決了這一問題，它將世界坐標系統設定為默認坐標，進而使得預測點坐標位置的確定變得簡單有效。

2.其次，全站儀在礦山測量中的應用形成了一種新的放線方式，H口極坐標放線方式，然而這種放線方式在坐標計算上一直存在很大的缺陷。AUTOCAD繪圖軟件與其坐標計算功能的融合，可以使坐標計算在CAD預設坐標系與繪圖取點等功能的應用中，根據礦采過程中所規劃的點、線、面以及圓弧等渚多元素繪制出精確的礦采圖形，并利用AUTOCAD繪圖軟件所特有的取點功能去除倒球點上的夾角、坐標等等。進而正確放線。

3.在整個AUTO CAD繪圖系統當中最值得一提的當屬AUTO CAD2010。這一繪圖軟件所特有的二次開發與指令接收功能，能夠使相關工作人員依據礦山測最工作的需要，指定AUTO CAD2000自動進行人工模擬作業，在及時提供精確礦山測量數據的同時，節約大量的人力、物力開支。

4.在當前技術條件支持下的礦山測量工作當中，相關工作人員在AUTO CAD繪圖軟件的支持下不僅能夠完成一系列有關測鼉信息輸入、輸出、記錄以及模擬的工作任務．還能夠按照一定的順序建立起—個較為完整的基礎信息庫系統。這一系統最大的特點在于它將各種礦山測量數據，如圖件信息數據庫、生產進度控制數據庫以及邊坡監測信息數據庫等子數據庫系統聚為一體。便于查閱與匯總。

(二)數字化繪圖技術在礦山測量工作中的應用

首先是控制測最。在GPS技術發展日趨完善以及全站儀測量儀器性能不斷提升的推動作用下．傳統意義上的三角測量已不再適應于當前礦采企業的測量工作，一種較為靈活的GPS網測量技術悄然興起。在確保檢測質量精度的同時大大減輕了礦山測量的工作強度。筆者認為這一改變使得傳統礦山測量中地面點平面位置的測量誤差得到了有效控制。數字化的繪圖技術在計算機自動展點功能的作用下。實現了地物點與圖根點的“零誤差”，更確保了礦采作業的安全穩定運行；其次是碎步測量。在當前技術條件支持下，應用比較廣泛的碎步測量技術可以劃分為全站儀極坐標法與GPS—RTK測量技術這兩種。當外業測量工作順利完成之后，相關工作人員可以將實測的多數碎步點坐標輸入計算機終端儲存系統，計算機處理程序根據預設指令將這些坐標點以展會編碼的形式呈現出來，使得相關工作人員有關各個碎步點的連接工作變得更加簡便與精確。

（三）虛擬現實技術在礦山測量中的應用

近幾年以來，井下安全事故成為了礦采過程中最頻發的安全事故，究其原因，往往是由開采技術不合規范、工程質量缺乏保證以及采礦作業中管理制度的缺失這幾方面問題所造成的。其中，工程質量缺乏保證這一問題表現得尤為突出，是我們在礦山安全生產體系構建中的關注重點。筆者認為，結合新型繪圖技術來說，虛擬現實技術與礦山井下開采作業的融合能夠使得整個礦采作業環境變得更加逼真與形象。計算機軟件系統支持下的三維圖像構建與加工技術能夠在計算機終端平面中再現各種安全事故的發展過程。相關工作人員能夠接收到最真實，最全面的事故信息，從而分析出井下事故的最根本原因，這些原因中涵蓋了傳統意義上事故分析技術所無法分析到的現場工作人員動作行為原因。虛擬現實技術能夠面向數據庫系統服務終端為礦采企業管理者及上級領導部門提供各種地測數據遠程查詢與管理軟件支持。可以說，虛擬現實技術與礦山測量工作的融合對于迸一步推動礦山管理信息化、現代化乃至數字化發展都有著極為深遠且重要的意義。

三、結語

在我國社會主義經濟建設中，礦業所占的地位是非常重要的。隨著現代電子技術在礦山開采中應用,以及礦山建設與生產標準的提升,礦山測繪中逐漸應用了一系列先進的測量儀器,測量方法也有了科學的發展。礦山測量中繪圖技術的應用是現代電子技術與傳統井下測量技術完美結合,在不同規模、類型的礦山中都能發揮重要的作用。但是在貫通測量對于任何疏忽或誤差都要嚴格控制,以實現測量結果的精確性和科學性,進而保障礦山生產的安全性。

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