導語：如何才能寫好一篇計算機仿真論文，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。

篇1

研究團隊、制藥產業及醫療服務業已經認可生命科學仿真系統的作用。在化學工程師和計算機輔助過程工程專家的幫助下，生物工程師可以運用這些手段解決諸多生理學和醫學問題。

2仿真技術的研究進展

系統生物學要使用定量分析來研究生命系統。起因于處理大量數據的需要。學者通過計算機仿真技術，利用定量分析來處理臨床問題，產生了名叫系統醫藥學的新學科。化學工程師長期參與生物學和生物醫學的定量分析。Peppas和Langer認為在20世紀60年代早期化學工程師就參與生物醫藥工程。Bailey和同事研究出一種控制新陳代謝的手段，這種手段不僅可用于生物制造技術，也可用于其他生物問題。2005年，Solis和Stephanopoulos指出了納米級的系統工程需要解決的問題。2006年，Doyle和Stelling回顧了用計算機仿真技術去分析代謝網絡的一些重要的成果。2009年，Eissing、Chaves和Allgower利用仿真模型來分析細胞死亡。近年來，有許多論文概述了計算機工程師和化學工程師在醫療系統中的作用。對化學工程師，尤其是工藝系統工程師來說，免疫系統是一個采用仿真技術的復雜系統，化學工程師能夠研究免疫系統和病毒之間的相互作用。2004-2005年，Deem開發了一種運用計算機仿真技術研究了病毒和疫苗造成的免疫反應的定量模型。Chakraborty在2003年用仿真技術研究了免疫系統的細胞間的通信，以及免疫反應。2006年，Joly和Pinto認為HIV-1發病機理的數學模型優化了藥物治療的方法。這種方法會導致藥物設計和配方設計的改進。Yin在2007年提議把病毒當作一種產品，研究病毒生長和傳播時需要考慮時空的影響。可以預見，將來人們會用生理學模型和計算機技術設計出最佳藥物配方。為了有效地進行仿真，需要根據生物具體的特性建立多種生理學計算模型。幾年前，學者啟動生理組計劃（PhysiomeProject），旨在尋找人和其他真核生物的計算模型。迄今為止，該計劃主要關注使用CellML標準的細胞電生理學的數學模型。CellML標準是一種使用細胞進程模型的生物物理學模型標準。另外SBML標準是一種能夠辨識生物進程的計算機可讀標準。最近，一個名為虛擬生理人的項目進一步促進了歐洲學者研究生物醫學的建模和仿真。學者開發了一些數據庫去存儲生物模型。細胞模型系統和生物模型數據庫是其中兩個重要的數據庫，兩個數據庫都建議使用CellML標準和SBML標準。學者可使用這兩個數據庫來探索復雜的生命系統。生物模型在藥物的使用方面有重要作用，這不僅是一個通用手段，而且對癌癥治療和眼病治療也有特殊的貢獻。2002年，Cstete和Doyle提出一種生物反饋系統的逆向工程分析原理。2003年，Tyson、Chen和Novak回顧一些生物控制模塊的設計原則。

3簡單系統的建模

2001年，Hangos和Cameron強調明確建立模型的目的，模型是在對現象總結的基礎上，用計算機能夠接受的方式反映規律，建模是下一步仿真計算的基礎。對復雜系統來說建模十分必要。復雜系統不可能設計出含所有現象的實驗，因為部分量不可測量，并且幾個現象間很難找到相互關系。盡管學者已經在測量基因與代謝領域取得巨大進展，但仍有許多生物量無法測量，即便能夠測量出一些，測量的準確性也不夠高。下面的例子是倫敦大學研究得到的一種模型，該模型模擬了血流改變時動脈壁內皮細胞的反應。血流改變刺激細胞產生化學信號，而這些化學信號拉長了內皮細胞，在某些條件下，巨噬細胞在動脈壁上增加了，最后導致動脈粥樣硬化。動脈粥樣硬化斑塊的位置與血流改變的區域息息相關。并造成影響。學者研究出兩個模型來探索這種影響。模型一是細胞表面的血液模型，首先把細胞表面分解成許多不同的小三角形區域（0.4um），這個模型可以看成一個斯托克斯公式的邊界積分表達式，通過該模型可以研究在血流作用下細胞的受力情況。模型二研究了力對細胞骨架的影響，細胞骨架保持細胞形狀，可以使用開爾文體模型研究這個問題，它是由1個緩沖器和2個平行的彈簧構成的黏性彈性系統，開爾文體代表一種將機械力轉化成生化信號的細胞成分，這種生化信號會導致Src激酶的活化，Src激酶會調節Rho激酶和GTP酶（Rac和Rho），而Rho激酶和GTP酶可以控制細胞結構和形態。簡單的展示了該過程。此模型可以解釋很多現象，但仍然有一些問題解釋不了，例如當涉及體內細胞間的通信時，該模型不適用。研究人員建立復雜的仿真模型，這些模型涉及化學和機械領域，可以使用這些模型來進一步研究各種生理學和臨床醫學現象。

4復雜系統的建模

生命系統具有很強的魯棒性，生命系統和多反饋的魯棒性系統相似。建模時要識別模型中的薄弱區域，在該薄弱區域模型可能不夠準確，需要用模型進行預測，這要求修改模型。在復雜模型中，特別要注意內部參數不能測量的區域，當處理涉及復雜生理問題時，這些區域變得很重要。原料中包括必要成分A，A和其它成分一起加到反應器。在該反應器上，一些原料反應生成副產物B。在這個過程中，在一定范圍內控制成分A的數量很重要。在反應器上，A在催化劑C的催化下生成B，B在催化劑D的催化下生成A。A的數量決定CSTR產生C或者D的數量。如果A加入很多，將會產生C催化正反應。如果A加入的很少，將產生D催化逆反應。與此同時，膜反應器過濾掉廢物。這個簡單的工藝流程初步反映了血液中葡萄糖調節機制。葡萄糖由腸道進入血液，并供給其它所有的器官。葡萄糖維持在一定濃度很重要，因為維持在一定濃度可以確保人類各種機能的良好反應，這種調節過程稱為葡萄糖穩態。如果葡萄糖糖濃度高，胰腺產生胰島素，指示肝臟把葡萄糖轉化成糖原，如果血液中的葡萄糖濃度低，胰腺產生胰高血糖素，將糖原轉化回葡萄糖。肝細胞還將血液中廢品送入膽汁，并通過膽管過濾并排泄。這是一個涉及多個器官的復雜系統，探索該系統需要考慮許多器官間的聯系，葡萄糖穩態系統可以用7個模型表示。

1）.胰高血糖素受體模型

通過胰高血糖素模擬肝細胞表面受體的活化，受體活化產生三磷酸肌醇。該模型由5個微分方程構成，分別描述受體的各種狀態、G蛋白的活化和三磷酸肌醇的產生。

2）.鈣模型

模擬由三磷酸肌醇活化產生的鈣信號通路。該模型由2個微分方程構成，分別涉及細胞質和內質網中鈣濃度。鈣模型的前提是Hill方程。

3）.環磷酸腺苷模型

模擬受體的活化和環磷酸腺苷的產生。該模型由5個微分方程構成，分別關于環磷酸腺苷的濃度、S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的濃度、受體的比例、不活動的比例以及核定位蛋白激酶A的比例。模型遵守Hill方程。

4）.胰島素模型

模擬肝臟對于胰島素的反應，該模型由1個描述糖原合成酶激酶（GSK）活化的微分方程構成。

5）.血液模型

模擬葡萄糖在血液、肝臟和胰腺之間的運輸，該模型由1個描述血液中葡萄糖濃度的微分方程構成。

6）.糖原分解模型

模擬控制糖原分解與合成的4個因素，葡萄糖及6磷酸葡萄糖的控制、鈣離子的控制、環磷酸腺苷的控制、胰島素的控制。該模型是一個模糊邏輯模型，該模型描述糖原合成酶（Sta，控制糖原合成速率）及糖原磷酸化酶（Pho，控制糖原分解速率）的活性水平。該模型由4個微分方程構成，分別關于糖原磷酸化酶（Pho）、糖原合成酶（Sta）、糖原和細胞內的葡萄糖。

7）.胰腺模型

模擬胰高血糖素或胰島素的釋放。該模型由2個微分方程構成，分別關于胰島素和胰高血糖素的血液濃度。每一個微分方程都要遵循Hill方程。上述7個模型共同構成葡萄糖的調控模型，需要軟件管理系統來協調它們。Saffrey等人在2007年描述一種模型管理系統。該管理系統用來存儲模型和數據。在該系統中，上述的7個模型互相聯系，共同模擬出葡萄糖穩態系統。Hetherington等人詳細描述這個葡萄糖穩態系統的模型。

5完善和應用模型

建立模型以后，需要進一步完善?？梢赃x擇各種不同的實驗者，將實驗者分成多個小組，分別觀察和記錄他們的數據，根據這些數據完善和調整模型，甚至改變模型，最終確定適合不同人的具體的模型。通過這些具體的模型可以預測未來的變化情況，為了達到某些目的也可以設計一些干預措施。在其他領域中，學者已經充分研究了基于模型工程的設計方法，利用這些設計方法可以達到一些想要的結果，雖然這些設計方法還不成熟，需要進一步完善，但值得借鑒。在生命科學中，要特別注意干預措施也可能會導致一些危害。這些干預措施包括環境干預、藥理學干預或基因干預。環境干預通過物理或化學因素，藥理學干預主要通過臨床干預。在上一部分描述的復合模型中，廣泛的使用了計算機輔助過程工程技術，和優化技術尋找最佳解決方案，如糖尿病患者的最佳胰島素劑量；使用隨機技術尋找高敏感度模型的解決方案；使用區間方法確定能夠接受的最壞情況。上述方法和模型已經被用來預防一些疾病。如糖尿病患者很可能患非酒精性脂肪肝（NAFLD），利用上述方法可以提出一些措施，有效地避免Ⅱ型糖尿病患者患非酒精性脂肪肝（NAFLD）?；谀Ｐ偷姆椒ǎɡ鐑灮?、隨機分析、間隔方法）將促進生物學和醫學的發展，并且隨著生物學和醫學的發展，這些方法將更完善。要在生物學和醫學領域中很好地使用這些方法和模型，必須要掌握生命科學的知識和計算機的知識，單個的研究者常常不具有這兩個領域的知識，因此合作很重要。那些希望從事相關研究工作的學者必須合作，例如通過短期或長期項目，建立一個促進合作的機制。

6結論

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現代控制理論近年來發展迅速，使得我們對各類控制對象有了更好的理解，能夠很好地刻畫實際對象中事件驅動的動態過程，提出了離散事件系統，它的動態行為是由一系列隨機出現的事件驅動的，而且控制理論界已經給出了很多建模方法和建模工具，如Gracefet圖、自動機和Petri網[2,3]。而現有的計算機仿真內容主要是面向連續動態系統，雖然也涉及離散事件系統，但是對離散事件系統建模和仿真方法少有涉獵。離散事件系統的模型大部分來自計算機科學研究領域，現代控制理論和控制工程都離不開計算機，對此類建模工具的了解可以拓寬自動化專業學生的知識結構，提升他們思考和解決計算機控制工程問題的能力。為此，在計算機仿真課程內容中，我們增加了自動機和Petri網的基本概念。考慮到學生缺乏離散數學的基礎，我們擬根據實際對象建模需要，結合Matlab中的stateflow工具箱，介紹離散事件系統的建模和仿真方法。具體內容包括：

(1)離散事件系統概念；

(2)自動機模型；

(3)Petri網模型；

(4)離散事件系統的自動機模型的建模方法；

(5)離散事件系統Petri網模型的建模方法；

(6)自動機的仿真模型的設計方法；

(7)Petri網的仿真模型的設計方法。

另外，現實工程領域大多數系統是混雜系統[4]，既有連續變化的特征，又有事件驅動的特征，而且連續變量子系統與事件系統之間相互作用相互影響。從20世紀60年代，學界就開始了混雜系統的研究，目前已經取得了豐富的成果，涉及混雜系統的建模、分析、控制、調度和優化等問題。其中，建模和分析方法對自動化專業知識體系的構建非常重要，事件驅動的思想能夠讓學生將控制理論與實際過程更好地建立聯系，因此在計算機仿真課程中，我們增加了對混合自動機和混合Petri網的介紹，并結合實例闡述如何給出混雜系統的數學模型以及仿真模型和仿真程序的設計方法。具體內容包括：

(1)混雜系統概念；

(2)混合自動機；

(3)混合Petri網；

(4)混雜系統的混合自動機建模方法；

(5)混雜系統的混合Petri網建模方法；

(6)混合自動機的仿真模型的設計方法；

(7)混合Petri網的仿真模型的設計方法。

二、計算機仿真實踐教學內容改革

計算機仿真是一門實踐性很強的課程，利用代碼將實際對象虛擬到計算機中，這就要求自動化專業的學生不僅要掌握知識概念，還要能夠編寫代碼用計算機實現抽象的概念。如果實驗課內容設計合理，可以很好地鍛煉學生解決實際問題的能力。鑒于自動控制原理大量內容屬于動態系統的分析方法，而仿真是分析系統不可或缺的手段，仿真實踐課程可以鞏固控制原理的抽象的知識。如何設計仿真課程的實驗項目對自動化專業的計算機仿真課程非常重要，圍繞自動化專業課程體系，我們擬設定如下實驗項目：

(1)二階電路的C程序仿真實驗；

(2)單容水箱的C程序仿真實驗；

(3)電機拖動控制系統的C程序仿真實驗；

(4)一階倒立擺的C程序仿真實驗；

(5)立體倉庫系統的自動機模型仿真實驗；

(6)立體倉庫系統的Petri網模型仿真實驗；

(7)Bang-bang控制液位系統的混雜自動機、Petri網模型的仿真實驗；

(8)反應釜復雜控制系統的Matlab仿真。

三、結束語

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1．1信息一體化平臺

信息一體化平臺采用一體化模式，集監控和五防功能于一體。一方面作為后臺監控系統軟件，模擬數據采集處理、運行監控、正常操作、事件和報警處理等，實現常規站監控系統功能，同時新增加智能變電站特有的高級應用功能:一鍵順序控制、告警信息分類、智能告警等;另一方面作為五防系統軟件，嵌入到信息一體化平臺中，不僅保留就地間隔內電氣設備的電氣聯鎖，同時還通過以太網實現相互通信，交換設備的狀態，實現智能變電站站控層、間隔層、過程層3級防誤閉鎖功能。

1．2智能化保護測控系統

智能化保護測控系統按照保護測控裝置的物理原理建立數學模型，采用定值驅動法，當故障發生后計算的故障電流結果到達定值要求時自動啟動保護測控裝置，按照其工作原理進行判別，相關保護動作，報出故障信息報文，有關指示燈點亮，與變電站真實設備保持一致。

2系統功能

智能變電站高級應用功能的仿真是以智能變電站仿真系統為基礎，將智能站高級應用集成于信息一體化平臺中，實現了智能變電站特有的一鍵順序控制、智能告警信息分類、故障綜合分析決策功能的仿真。該系統從其功能上可以作為培訓和測試的平臺。

1)培訓功能。智能變電站高級應用功能是智能站特有的新應用，對運行人員來說是全新的知識，需要進行培訓學習。該系統真實再現了智能變電站場景，可以為運行人員提供一種有效的培訓手段，使運行人員能夠學習智能變電站中的新知識、新技術，提升專業素質。該系統已經投入培訓使用，系統運行穩定，人機界面友好，培訓功能完善，培訓效果逼真。

2)測試平臺功能。智能變電站高級應用功能的仿真還可以為高級應用功能的研究提供測試平臺。由于電力系統的特殊性，不能在真實運行設備上進行任意操作，而該仿真系統通過為其他系統或軟件提供開放的數據接口，可以反復進行操作和設置故障，對被測系統或軟件運行情況進行測試，通過與某公司合作，能夠正確地實現測試功能，為研究智能站高級應用功能提供了一種有效的測試平臺。

3智能告警信息分類的仿真

通過建立故障信息的邏輯推理模型，對故障告警信息分類過濾，并對變電站運行狀態進行實時在線分析推理，能夠實現智能告警功能，可以自動報告站內異常狀態，并根據需求提供分層分類的故障告警信息。智能變電站各種運行告警信息量非常大，包括3類:

1)提示性信息。這類信息不需要特別關注;

2)告警信號。這類信息雖然沒有直接引發事故跳閘，但實際隱含著可能的故障，若不進行綜合分析，消除異常，持續發展會導致事故發生，需要給予重點關注;

3)事故信息。事故信號產生一般都會有保護動作、開關跳閘，要求在盡可能短的時間判斷故障原因，以便上報，并依據調度指導進行故障隔離和恢復操作。因此，需要對故障告警信息進行過濾，提供分層分類的告警信息，以方便運行人員工作。智能告警信息分類的仿真包括以下幾個方面:

1)圖形界面仿真。智能告警信息分類通過信息一體化平臺進行展示，信息告警圖形界面是信息分類結果的直觀展現。在進行仿真開發時，按照智能變電站信息分類的原則，根據告警信號重要性，告警實時顯示窗口由多個頁面組成，包括:全部告警、嚴重保護事件、一般保護事件、SOE、開關刀閘動作和智能告警6類，所示同時還會根據告警信息的級別，通過聲音的方式發出告警。

2)數據庫仿真。智能告警信息量非常大，其仿真時所需的數據量也很多。仿真時全站采集信息采用統一的命名格式。變量命名格式包括:變量名、變量描述、變量單位、變量標識、變量數據指向。變量名是信息的代表，當變量為1時，其變量描述才有意義，該描述會在智能告警圖形界面中顯示出來;變量單位的作用是區分告警信息變量的間隔，是實現變量篩選分類的基礎;變量標識的作用是區分告警信息變量的重要程度，以便于告警信息的分類;變量數據指向主要用于數據通信。

3)告警信息篩選分類功能。由于告警信息總量很大，為滿足不同的關注需求，在告警顯示窗口設置信息篩選的功能，在窗口中選擇某一設備間隔，根據告警信息變量的標識，可以在告警窗口各頁面中自動顯示出有關該間隔的所有信息，將不關注的信息屏蔽?？梢酝ㄟ^左上角下拉列表選擇變電站間隔來顯示不同間隔的告警信息，使運行人員更有針對性地查看所需的信息。

4故障綜合分析決策的仿真

故障綜合分析決策是指在故障情況下對事件順序記錄、保護裝置動作及信號、故障錄波數據等進行深入挖掘，通過多專業綜合分析，并將變電站故障分析結果以簡潔明了的可視化界面綜合展示。通常當變電站發生異?；蚴鹿蕰r，其處理過程是運行人員按照現場情況、規程及經驗進行判斷處理，這種方式不僅要求值班員非常熟悉變電運行規程、規范及設備運行要求，而且需要較長的分析判斷時間。故障綜合分析決策功能可自動為運行人員提供一個或多個可能的事故分析報告，便于迅速確定事故原因和應采取的措施。

4．1故障仿真

故障仿真是進行故障綜合分析決策仿真的基礎，該仿真系統中對真實系統中可能發生的故障類型進行了分析總結，可實現真實系統中常見故障的仿真。在仿真中故障類型，分為4類，一百多個故障:

1)一次設備故障及異常，包括線路、母線、主變壓器、電容器、所用變、斷路器操作機構、SF6泄露等;

2)保護與測控裝置故障;

3)智能組件故障，包括智能終端、合并單元、網絡故障;

4)低壓交直流故障。其中，一次故障可以進行故障相別、故障距離、故障性質(瞬時/永久)進行分別設置。在仿真中既可以單獨設置一次、二次故障或網絡故障，也可組合一次、二次故障和網絡故障。故障仿真范圍全面，效果逼真。通過仿真系統在培訓中的應用，該系統能夠在故障和異常發生時，能夠真實反應故障現象和保護動作情況，故障信息詳細，為故障綜合分析決策提供分析依據。

4．2故障綜合分析決策仿真的基本結構

故障綜合分析決策仿真的基本結構，以仿真支撐系統為服務器，進行故障模擬、采集信息、建立推理知識庫、故障綜合分析推理，并將分析結果以可視化的形式在信息一體化平臺中展示出來。信息采集是對設備實際狀態信息和故障信息的采集，在仿真時通過支撐系統完成數據的采集;推理知識庫存放專家提供的告警及故障分析知識，推理機完成故障信息的綜合分析，給出推理結果，推理知識庫和推理機以數學模型的形式存放于支撐系統中;推理結果展示是將推理結果以一條條報文的形式展示在信息一體化平臺的告警窗口中。

4．3建立推理知識庫

推理知識庫的知識源自變電運行規程、規范及運行人員的經驗總結，通過分類歸納總結，形成一定的知識規則，在仿真過程中其規則內容包括設備名稱、事件、原因、推理相關信息等。它采用統一建模方式，可以通過修改、完善知識庫中的推理邏輯來提高綜合分析決策的功能。

4．4推理機

推理機是利用類似專家解決問題的思維方式，通過推理機來實現知識庫的價值。在故障發生后，推理機將采集到的告警信息、設備狀態信息與知識庫中的推理建立起關聯關系，采用正向推理策略，按照推理規則進行反復匹配和判斷，最終給出一個或多個合理的推理結果以供參考。

4．5推理結果展示

推理結果展示既是將推理結果以報文的形式展示在信息一體化平臺的告警窗口中，告警窗口“推理信息”頁面提供簡單的故障分析結果報文信息，包括故障發生時間、設備名稱及簡單推理結論，通過雙擊該報文信息調用具體故障分析報告的展示窗口，分析報告顯示的內容包括故障發生的時間和間隔、動作事件、故障原因、故障相關信息分析的結果。通過推理結果展示，可以直觀的看到故障綜合分析決策的結果。

5結束語

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關鍵詞：計算機仿真；教學改革；合作創新

作者簡介：華民剛（1980-），男，江蘇無錫人，河海大學常州校區計算機與信息學院，講師；陳俊風（1979-），女，江蘇句容人，河海大學常州校區計算機與信息學院，講師。（江蘇　常州　213022）

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）31-0082-02

計算機仿真技術的應用已經滲透到工程技術的各個領域。最近幾年高校紛紛開設計算機仿真類課程，由于此類課程開設的時間尚短，名稱和內容也不統一，如“計算機仿真”，“控制系統計算機仿真”，“建模與仿真”等，一般大類歸屬于電子信息類，小類歸屬于不同專業，如自動化專業、電子信息專業、測控專業和通信專業等。[1-4]因此針對不同的專業，“計算機仿真”課程的內容需有所側重，要突出專業特點和專業知識的連貫性。該課程課時短，理論性強，且需一定前續的專業課程和高級編程語言的基礎知識，在多年的教學實踐中發現，計算機仿真技術入門難，學生學習熱情不高，且現行的課堂教學模式制約了“計算機仿真”課程的發展。由此認識到，要適應時展的需要，從根本上提高教學質量和學生仿真設計的能力，做到學以致用，所以有必要在“計算機仿真”教學中引入合作創新。

一、現行教學模式存在的問題

“計算機仿真”課程教學的主要目標使學生了解仿真技術的發展與應用，能建立系統的仿真模型，學會用MATLAB進行系統仿真，對相關學科有進一步的認識或拓寬知識面，為從事電類不同專業技術的分析與設計和后續課程提供必要的仿真實驗技能。

1.教學模式與仿真課程獨特性之間的矛盾

（1）要想學好“計算機仿真”課程，學生必須具備扎實的基礎知識?！坝嬎銠C仿真”課程內容包括：仿真的基本概念和基本流程；仿真模型的建立以及相互之間的轉換；連續系統和離散系統仿真的基本算法與方法；建模與仿真的常用計算機軟件，并能聯系專業特色，解決具體問題。這其中涉及應用數學、仿真高級語言（典型如C++，MATLAB）和要仿真的對象的相關專業知識等多門交叉課程。計算機仿真技術離開這些基礎知識，就成了無源之水，無本之木。目前學生基礎參差不齊，普遍存在偏科和厭學的現象，因此在學生一無所知的情形下，講解“計算機仿真”課程就更是費時、費力，且效果差。

（2）學習“計算機仿真”課程需要充分發揮出計算機仿真的實踐性。計算機仿真的學習過程也是應用程序使用的訓練過程。僅僅以課堂講解為主，輔以較少的實驗教學，理論生澀枯燥，難以激發學生學習興趣，更無法充分發揮學生的學習主觀能動性。課堂講解教學無法訓練學生的操作動手能力，也無法使學生理論聯系實際，應用課本中的理論知識來解決實際操作問題。

（3）現在的考核方式難以考核學生的學習情況?，F在的考試方法偏重基本知識的測試，而忽視能力的考核，單純以期末考試分數作為學生水平高低的評價標準，不但嚴重扼殺了學生的創新能力，而且不能全面反映學生的學習情況。

2.理論教學與實踐教學難以協調[5，6]

目前“計算機仿真”課程基本上采用課堂教學與上機實踐分開進行的模式。以課堂講解為主，輔以較少的實驗教學。教師會根據自身的具體情況先進行理論知識的講授，而一般上機實踐的機會比較少。與此同時，由于授課與上機是分開進行的，學生在課堂上學到的理論知識不能馬上在上機時加以應用；此外，上機實踐中一般學生多教師少，學生在上機過程中所遇到的問題，教師無法一一解答，很難保證每個學生都認真獨立地完成上機任務。

因此“計算機仿真”僅通過課堂講授是不能達到教學效果的，這樣既吸引不了學生的興趣，也無法讓學生真正理解知識、掌握相關技能。“上機實踐是學習“計算機仿真”課程的重要環節，如何做好兩者之間的銜接，是目前急需解決的問題。

3.專業特色不突出，工程背景不足

“計算機仿真”與不同專業的典型課程都有聯系，如“現代控制理論”、“電力電子技術”、“電機與電力拖動基礎”、“通信原理”、“信號分析與處理”、“過程控制系統”、“電力系統分析”、“自動控制原理”，結合專業課程進行仿真訓練，選擇上述課程的一些內容作為教學例題。然而目前在講解“計算機仿真”課程時，未能結合專業特點，沒有體現出專業特色。

此外“計算機仿真”課程的實踐題目絕大多數都是工程背景不是很明確，題目數量也比較少，對象多為通用的數學模型。因此，要想讓學生學會用MATLAB分析和解決實際工程問題，很難實現。

二、“計算機仿真”教學改革方案

1.理論與實踐相結合教學方式

（1）在“計算機仿真”課程里選用MATLAB語言。該語言簡單易用，有友好的工作平臺和編程環境，具有強大的科學計算機數據處理能力和出色的圖形處理功能。更值得一提的是，MATLAB的應用范圍非常廣泛，應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等各個領域。

（2）將“計算機仿真”課程移至機房，每個學生一臺計算機，邊講邊練。這不但方便學生消化新知識，現場練習，也便于教師現場指導。通過對課程內容和授課地點的調整，學生更能快速地掌握計算機仿真設計的基本思想，并加深對電類學科專業知識的理解，對提高學生分析問題和解決問題的能力，進一步培養學生的科研能力，具有很好的效果。

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論文摘要：針對電子信息類專業實驗教學中存在的問題，結合實際的教學條件，對實驗教學提出了改革，將仿真技術應用到實驗體系中，避免了實驗條件的空間和時間限制，充分發揮了學生能動性，提高了實驗教學質量。

實驗是電子信息類專業學生課程教學的一個重要環節，是對理論教學的補充和深化，其開設方式關系到學生對理論知識的掌握和應用，直接影響著學生的操作技能、主觀能動性和實際動手能力的提高，也決定著理論和實驗的教學水平。因此，在教學過程中一定要加強實驗這個實踐性教學環節，充分利用實驗資源來培養和提高學生解決問題的能力和創新能力，使學生能夠更加快速地適應于將來的工作。加強實驗教學環節，最大限度地利用學校的實驗教學資源，對提高教學水平，培養學生的實際應用能力和綜合素質具有重要的意義。

1 實驗教學的傳統模式和問題

在我國高校工科教育中，實驗教學硬件條件普遍不足，或者是硬件實驗條件的發展跟不上技術的要求，同時各高校大幅度擴大招生，實驗教學硬件條件更顯不足。加大對實踐教學條件的投入，加強培養實踐教學科技人才，強化實踐教學內容和條件的改革與建設，在當前來說具有特殊重要性[1]。我國教育主管部門也在積極得進行著推進實踐教學的改革與建設。例如：在全國高校本科教學水平評估中，實驗室建設基地和建設經費以及實驗教學改革就是一項重要的指標內容。越來越多的高校開始響應教育部的號召，實行了“雙基”實驗室，并在此基礎上進一步建設“實驗教學示范中心”。

目前，實驗教學的傳統模式的缺點主要表現有：

1）實驗設備陳舊，實驗模式單一；

2）驗證性實驗分量大，與設計性、綜合性和創新性實驗之間的比例失調；

3）先進的實驗教學手段在實驗教學中的引入還不夠；等。

2 實驗教學方法改革勢在必行

隨著計算機的普及和應用，在教學中也越來越多地借助計算機來輔助設計方法，同樣，在實驗中借助計算機仿真技術具有很大優點：減少實驗中所需的耗材、降低對實驗器材的破壞性、完成更復雜更高難度的設計性實驗、更加全面地分析實驗對象以及結果的性能指標等，具有高效、快速、直觀、完整的優勢。開展仿真實驗作為一種新型的實驗教學方法是在現有實驗室設備的基礎上采用計算機新型軟件對實驗進行模擬，大大提高了學生對本專業知識的應用能力和科研創新能力。因此，在當今的實驗教學中，仿真實驗的引入勢在必行。

對當今高校來說，學生人數不斷增加，實驗室設備和資金滿足不了大學中學生的試驗要求，為了不斷提高實驗教學的質量，又進一步解決實驗設備少、不好維護、建設費用高等問題。將仿真技術引入實驗教學中來，學生一方面可以利用計算機實現實驗方案的設計，又可以直觀地驗證仿真過程和結果，不受實驗室條件和空間的限制，可將實驗設計帶入到課余生活中來進行，大大提高了學生對實驗的操作興趣。利用仿真實驗由于方法的靈活性可以充分發揮學生的想像力和創造力，比起傳統的實驗教學更利于培養科技創新人才，且有利于降低實驗成本，能夠使得實驗室的建設和發展進入一個良性循環中。

3 實驗教學改革方案

3.1 實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗

在實驗教學中引入計算機仿真技術，一方面，充分發揮學生的主觀能動性，激發學生學習興趣，另一方面，老師可以利用計算機技術來觀察學生的實驗過程，采集學生的實驗結果，更好地跟蹤和指導學生，先進的教學理念和教學手段有助于提高實驗教學效果，提高教師的教學水平。而計算機的引入可把實驗設備、理論教學、教師指導和學生的思考、操作有機地融合為一體，克服了傳統實驗教學過程中受到課堂、課時、實驗設備等的限制，使實驗教學內容進一步靈活化，在時間和空間上得到延伸，也進一步激發了學生的實驗熱情。

在實驗中引入相應的仿真技術來進行虛擬實驗，可以使得學生在進行實驗的過程中培養獨立思考能力，激發學生的學習興趣，提高學生的創新意識，同時為學生提供了更加開放靈活的實驗條件。對實驗內容和實驗教材來說，采用仿真技術把將虛擬實驗和真實的電路實驗有機地整合起來，充實了實驗內容，增強了實驗的能動性和趣味性，有利于實現培養學生綜合實踐和探索創新能力[2]。目前，越來越多的高校重新對實驗室建設進行了規劃，利用計算機仿真技術改革實驗教學是一個新的發展方向。在高校實驗室中引入計算機以及相應的軟件技術不僅可改善實驗條件、改革實驗教學方法、充實實驗教學內容，還可大大提高實驗效率，降低實驗成本，增強學生學習的積極性和創新性，為實驗教學和科研提供良好的實驗平臺[3]。

以單片機實驗教學為例，在實驗過程中我們引入proteus仿真軟件，用它來模擬單片機硬件系統。由于軟件的靈活性，可以克服實驗箱硬件電路固定、實驗內容難于改動等局限。整個實驗設計都是基于計算機仿真技術的，除了計算機外不再需要任何硬件即可進行實驗，這樣有利于促成課程和教學改革，更有利于人才的培養。仿真技術的另一應用表現在學生的業余愛好上，比如目前的電子設計大賽，挑戰杯等，學生完全可以利用計算機來進行仿真，先用計算機仿真出相應的實驗模型，在計算機上進行模擬調試，最后用硬件實現。在整個過程中，學生可充分發揮自己的才能，通過大量仿真對比，達到設計目的，學生也可以大膽地反復調試，避免了損壞器件。在電子設計競賽中，我們使用proteus開發環境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用proteus進行系統仿真開發成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統設計效率。 轉貼于

另外，開展仿真教學對于我國的遠程教學也是一種很好的嘗試，有著重要的意義。

3.2 重新安排各類性質的實驗，適量增加綜合性、設計性實驗

驗證性實驗是實驗中最基本的，可以使學生鞏固理論知識，它的實驗內容相對簡單，重點培養學生的基本操作、數據處理和計算技能，驗證和加深對課本知識的掌握和理解。綜合性實驗則要求學生必須具有一定的專業基礎知識和基本操作技能，能夠運用某一課程或多門課程的綜合知識，進而對實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性實驗。目前工科高校中越來越多地提出課程設計也是為了加強學生對綜合知識的運用。為充分調動學生的學習積極性和主觀能動性，設計性實驗也必不可少。設計性實驗能加深學生對理論知識的認識，由學生自己負責計劃和執行，充分提高了學生的思維能力、動手能力、分析和解決工程實際問題的能力[3]，發揮了學生的主觀能動性，設計性實驗的完成可以充分借助于計算機仿真技術來完成。

驗證性、綜合性、設計性實驗相結合，培養了學生基本的實驗技能和方法，同時又促進了學生的創新思維，打破了原有實驗教學附屬于理論教學的模式，建立與理論教學并行的，既相對獨立、又相互聯系的實驗教學體系。在某些應用性強的實驗教學中，綜合性和設計性實驗的比例至少要達到60%以上，同時設計性實驗最好要跟得上科學技術的發展。一方面保證基本實驗技能訓練，另一方面，實驗內容應與當今先進技術的發展相結合，適應社會發展的需要，將科研成果轉化為實驗內容，提高實驗的先進性和代表性。那么，工科院校中一方面加大實驗器材的投入，提高實驗教學條件，開設先進的實驗內容，提高學生的積極性，使學生適應當今社會的發展；另一方面，要充分利用現有的條件，引進先進的仿真技術，使得實驗條件進一步升華，充分發揮教師和學生的主觀能動性和創新能力。

3.3 硬件軟件都要抓，都要硬

計算機仿真實驗雖然可以準確地反映整個實驗過程， 是一種新型的應用技術，十分有效，但是仿真技術不是萬能的，它畢竟不是真正的實驗，在許多場合仿真只能起輔助作用。也就是說不能用仿真實驗來全部代替硬件電路實驗，而是將仿真試驗和傳統的硬件實驗相互結合，根據學校的實際情況和實驗的情況靈活運用，虛擬實驗不是萬能的，如果所有的實驗都用虛擬實驗替代的話，學生在虛擬環境中實驗會產生或多或少的不踏實的虛擬感，實踐能力也不可能得到真正的提高。

3.4 加強對實驗課教師的培訓，通過培訓交流更多地了解新的實驗技術

在實驗教學改革的同時，必然對教師提出更高的要求：一是教師也應加強專業知識和技能的學習，來提高自己的業務能力和綜合素質，另外，不斷更新專業知識的結構，了解前沿技術的發展也是必需的；二是高校中要大力創造條件促進教師經常參加基礎理論知識的培訓和實驗的培訓以及學術研討會，從而擴大視野，更新教學觀念，及時了解嵌入式系統發展趨勢和動態，促進電子類實驗技術的發展；三是要大力組織專業教師去積極申報相關的創新實驗和科研項目，提倡以科研資金來促進實驗室的建設，用科研成果去改進實驗內容，同時可以提高教師的科研能力，在科研中更好地去鍛煉自己，為實驗教學服務。

4 結論

隨著社會對人才要求的提高，大力推進實驗教學改革迫在眉睫，而大學實驗教學的改革又直接影響到學生的動手和創新能力。實驗教學必須能夠跟得上時代的腳步，將仿真技術應用到實驗教學中可以充分調動學生的主觀能動性，激發學生的創新能力，加快學生適應社會的能力，同時學習了先進的新技術。

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論文闡述了針對TDOA窄帶信號時延估計的發展現狀和背景，并分析了噪聲對時延估計結果的影響。在互相關算法的基礎上，提出了一種適用于窄帶時延估計的新方法。該算法通過對互相關波形進行帶閾值的平方加權重心計算，有效避免了波峰處噪聲的影響，具有較好的抗擾性能。通過理論分析和計算機仿真表明了該算法的有效性，并通過與其他算法比較，驗證了本文算法在達到同等計算精度的情況下，具有極少的計算量，適合工程應用。

【關鍵詞】時延估計 窄帶信號 信號重心 閾值確定

針對TDOA時延估計方法，已經由簡單的互相關算法發展到廣義互相關算法，從時域估計也發展到了頻率估計，由非參數估計發展到參數估計[1]。其中互相關方法依舊是工程上廣泛應用的方法，常用的方法有二次互相關法[2]、廣義互相關法、循環相關法、譜相關法和波形比較法[3]以及Music算法[4]。在很多情況下，由于無線電系統接收到的信號多為窄帶信號，系統的采樣頻率也很高 ，這就導致采集到的信號歸一化帶寬（即絕對帶寬與采樣頻率之比）很窄[5]。

本文在研究多種相關時延估計方法的基礎上，將互相關算法與信號重心計算相結合，提出了一種新的時延估計。該方法利用對主瓣波峰處的計算，有效避免的峰值點不夠準確的問題，提高了時延估計的精度。并與快速Music算法等多種算法進行比較，具有較好的抗擾性能。本文對新算法進行實驗、分析，并通過計算機仿真驗證了該算法的有效性。

1 相關時延估計方法

3 實驗結果

4 結語

論文將信號重心計算推廣應用于TDOA窄帶信號時延估計中，利用重心計算的穩定性有效避免了錯誤波峰對時延結果的影響，并且計算量大大減少。實驗表明，使用該算法同樣可以在低信噪比、窄帶寬的情況下使用，在與Music算法、波形比較法等其他算法相比，其具有更好的工程應用價值，更利于工程實現，

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作者簡介

鄧可為（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：無線電信號監測，計算機控制與管理。

龔曉峰（1963-），男，博士，副教授，主要研究方向：無線電信號監控，計算機控制與管理。

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關鍵詞三維建模技術；結構優化；模型優化；層次模型

中圖分類號TP301文獻標識碼A文章編號1000-2537（2014）02-0090-05

為了在計算機的虛擬環境中生動形象地模擬自然環境之中人的視覺、聽覺、嗅覺以及運動等行為，虛擬現實技術應運而生[1].經過近幾年的發展，該項技術已成為計算機領域的一個新型研究方向，獲得國內外學者以及企業的廣泛關注并引起濃厚的研究興趣[2-3].在虛擬現實技術中，三維建模是該技術的一個關鍵步驟和核心技術，也是實現虛擬現實系統的基礎[4].由于虛擬現實系統需要較高的實時性，而三維建模的優劣直接影響整個這類系統的實時性[5]，這使得三維建模成為了此項技術的研究熱點，而三維建模流程的優化又成為了重中之重.

目前，關于三維建模流程的優化研究主要集中在模型階段，其中部分研究取得了較好的實際應用效果[6-7].然而，如果在三維建模之前各模型分塊不合理的話，就會導致建模過程耗時較大，從而大大降低系統的實時性.針對這種情況，論文基于過程的思想，從結構優化、模型優化兩方面對整個三維建模流程進行優化.同時，論文還提出了一個新型層次模型簡化算法以進一步縮減三維建模流程中模型間優化的時間間隔.

6結束語

論文對三維建模進行研究，基于過程優化思想，提出了一個新的三維建模流程優化方法.同時，針對其中的模型簡化也進行了研究，提出了一個層次性模型簡化算法.通過模擬聯合站系統實驗表明，所提三維建模流程優化方法在建?？傮w效果和實時性兩個方面，都具有一定的優越性.

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【關鍵詞】 突發危機事件 人員疏散仿真 Swarm 元胞自動機 多智能體

現今世界上主流的人員疏散的計算機仿真模型分為宏觀仿真模型和微觀仿真模型。前者相對后者模型簡單，計算量小，但是由于忽略了個體的特性和個體與周圍環境、其他個體的作用，所以仿真精度不高。元胞自動機具有時間、空間和狀態上的離散性，并按照一定局部規則在離散的時間維上演化，很容易動態演化出復雜的現象；但是缺乏智能性和自治性。然而多智能體體系統研究多主體之間智能行為的協作、競爭等相互作用，系統中的每個主體代表了現實世界中一個自治的實體或個體。因此本文將多智能體的自治性與智能性融入到元胞自動機中，結合二者的優點進行突發危機事件下人員疏散的模型仿真研究[1]。

1 理論描述

1.1 元胞自動機

1.1.1 起源

元胞自動機（CA）的基本思想源于著名的計算機科學家Von Neumann。隨著偉大科學家wolfram的名著《一種新科學》的出版，元胞自動機作為一門新的科學逐漸被認可和接受，并得到了快速發展，并被廣泛地應用于物理、生物、數學、計算機等眾多領域研究。

1.1.2 定義及基本組成部分

元胞自動機是定義在具有離散和有限狀態的元胞組成的一定的局部規則，在離散的時間緯度上演化的動力學系統。通過系統內局部元胞的微觀行為特征之間的相互作用實現系統整體宏觀行為特征涌現的演化模型。元胞、元胞空間、鄰居、規則是組成元胞自動機的最基本的四個組成單位。元胞分布在離散的一維、二維或多維空間的格點上或者格子中央，在演化的每一時刻，每個元胞都具有各自的狀態，狀態集一般是整數形式的離散集。元胞空間實際上是一個包含空間上所有元胞的集合。任意元胞A于某一時刻的狀態只與本身及其鄰近元胞的前一時刻的狀態有關。這些鄰近元胞被稱為元胞A的鄰居。鄰居與本身的當前狀態對自身下一時刻狀態的決定就是規則。元胞自動機的鄰居也具有多樣性，其中典型的有Von Neumann型、Moore型和擴展的Moore型[2]。

1.1.3 主要特征

（1）同質性：元胞空間內所有元胞按照同一演化規則變化；（2）并行性：元胞自動機的系統演化是并行的；（3）局限性：任意一個元胞下一時刻的狀態只取決于本身及其鄰居當前時刻的狀態；（4）離散型：大小形狀相同的元胞按照同一規則整齊劃分在離散空間內，按照離散的時間步演化，且元胞狀態只能在有限的離散空間內取值。

1.2 多智能體系統

1.2.1 定義

多智能體系統是分布式人工智能的一個重要分支。它由多個智能體組成，涉及智能體的知識、目標、技能、規劃以及如何使智能體采取協調行動解決問題等，研究目的在于解決大型、復雜的現實問題建成小的、彼此互相通信和協調的，易于管理的系統。

1.2.2 優點

多智能體系統具有自主性、分布性、協調性，具有較高的問題求解效率。主要有以下幾點：

（1）獨立自主性；（2）支持分布式應用；（3）異質和分布性：由于各智能體是自治的，每個智能體都有自己的進程，可以按照自己的運行方式異步地進行；作為開發人員可以采用不同的設計方法和計算機語言開發[1]。

除此之外，多智能體技術打破了人工智能領域僅僅使用一個專家系統的限制，各領域的不同專家可能協作求解某一個專家無法解決或無法很好解決的問題，提高了系統解決問題的能力[5]。

2 仿真模型建立

2.1 工具介紹

本文使用Eclipse下的Swarm庫編寫。Eclipse是著名的跨平臺的自由集成開發環境（IDE），主要用Java語言開發，其本身只是一個框架平臺，但是擴充性極好，在插件的支持下，Eclipse擁有上佳的靈活性。Swarm由Chris Langton于1994年在新墨西哥州的圣塔菲研究所啟動，目的是為基于多主體仿真模型的開發提供一系列標準的計算機工具[3]。

2.2 疏散場景的設定

根據過往學者的研究，人的平均肩寬為0.4m[4]，所以本文將疏散場景設定在一個長20m，寬20m的圖書館內，圖書館有6個長12m、寬1.2m的書架，1個長2.4m、寬1.2m的借書臺，一個寬度為2.4m的出口。設定單元格為0.4m*0.4m，平均劃分成2500個單元格。每個單元格就是一個元胞，用坐標表示，如第i行、第j列的元胞的坐標為（i，j）。每個元胞具有兩種狀態：空和被占據（被其他個體占據或者被障礙物占據）。元胞的狀態用布爾函數表示，當元胞為空時，其值為true；反之，其值為false。

2.3 行人模型的設定

（1）行人初始化；利用隨機函數math.random（）定義區域內人口密度dens，隨機分布區域內個體的數量。依據模型，設定個體的初始速度[3]，感應半徑r=3m。（2）通過距離函數判斷行人是否逃出危險區（當行人距離出口為0時視為逃出），程序中的體現則利用remove（）函數在space中消除該個體。

2.4 行人行為規則

（1）最短距離。即個體每一步行為的決策首先考慮的因素是候選元胞到達目的地的距離，其中距離最短的元胞為“最佳元胞”。（2）道路通暢。當執行規則（1）后，如果出現兩個或者兩個以上“最佳元胞”時，定義其中感應半徑內包含個體最少的元胞為“最佳元胞”。（3）優先“向前”。當執行規則（2）后，若仍存在多個“最佳元胞”時，我們定義“向前”為最佳決策。

2.5 危險源（火災）的設定

利用鼠標單擊事件由人決定火災發生的時間和地點。這樣的設計便于多次仿真消除計算機本身計算帶來的誤差，更加靈活、有效。

3 仿真結果與分析

3.1 恐慌情緒與疏散時間的關系

一般而言，危急時刻，人會不由自主的產生恐慌，恐慌致使我們不能夠冷靜看待周圍環境，做出不理智的行為，有礙安全疏散。本組實驗研究恐慌情緒對疏散時間的影響。設定待疏散人員為200人，一個出口，出口寬度為1.6m本次實驗中每種恐慌情緒實驗5次，取5次平均值作為實驗的統計數據，結果如圖1。

由圖1可知，隨著恐慌情緒的增加，疏散需要的時間也不斷增加?？梢?，心理狀態對群體行為有著重要的影響作用。

3.2 專業素質與疏散時間的關系

在群體行為中，個體的自作用力也發揮著顯著的作用。問卷調查的結果顯示個體在具備相關專業素質的情形下，其行為表現更多的自作用的結果。本組實驗通過調整群體中具備疏散相關專業知識的人員比例，來研究專業素質與疏散時間的關系。設定待疏散的人數為200人，一個出口，出口寬度為1.6m。實驗中不同比例實驗5次，取5次平均值作為實驗的統計數據，結果如圖2。

由圖2可知，疏散時間隨著群體中具備專業素質的人員比例的增加而下降，看來，具備一定的專業素質有助于疏散，專業素質在一定程度上影響群體行為。

4 展望

由于時間和精力有限，本論文還有些許不足，有待進一步的研究。

（1）本論文研究了影響群體行為的一些因素，如情緒、專業素質和客觀環境等，總結出消極情緒對群體行為有負作用，專業素質對群體行為有積極的影響，通過改善客觀環境可以引導群體行為向最大效益的方向發展。但是沒能驗證本論文的數學模型是否具有唯一性和通用價值，以及該數學模型是否還能通過某種修正方法，得到更完善的模型，這將是今后的研究方向。（2）本論文只針對圖書館進行了應急疏散的仿真，這只是群體行為的一種。要研究群體行為，應當仿真多種場景下的多種群體行為，這樣得出的結論更具說服力。

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論文摘要:本文闡述了虛擬現實技術的基本特征，以及在各個領域的應用進展情況，并對虛擬現實技術的發展和應用前景做了展望。

0．引 言

虛擬現實技術是2O世紀末興起的一門嶄新的綜合性信息技術，作為一項尖端科技．虛擬現實集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機生成的高技術模擬系統。它的實時三維空間表現能力、自然的人機交互式操作環境以及給人帶來的身臨其境感受，將從根本上改變人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀，為人機交互技術開創一個全新的研究領域。從虛擬現實技術誕生以來，已經在航空航天、船舶建造與設計、軍事模擬、機械工程、先進制造、城市規劃、地理信息系統、醫學生物等領域中顯示出巨大的經濟、軍事和社會效益，虛擬現實技術與網絡、多媒體技術并稱為2l世紀最具應用前景的三大技術。

1．虛擬現實技術特征

虛擬現實技術是一種先進的、數字化的人機接口技術，其特點在于計算機產生一種人為虛擬的環境，生成一個以視覺感受為主，包括聽覺、觸覺的綜合感知的人工環境，系統可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化 ．操作者能夠真正進入一個由計算機生成的交互式三維虛擬環境中，并能與之發生“交互”作用，進行交流。通過參與者與仿真環境的相互作用，并借助人本身對所接觸事物的感知和認知能力，幫助啟發參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環境所蘊涵的各種空間信息和邏輯信息。

虛擬現實技術具有以下三個基本特征：

1．1沉浸性。虛擬現實技術是根據人類視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像．使用者戴上頭盔顯示器和數據手套交互設備，便可將自己置身于虛擬環境中，成為虛擬環境中的一員，有一種身臨其境的感覺。

1．2交互性。虛擬現實系統中的人機交互是一種近乎自然的交互可通過鍵盤、鼠標、頭盔、數據手套等設備進行交互。使用者通過自身的語言、身體運動或 動作等自然技能，對虛擬環境中的對象進行觸摸或操作。

1．3多感知性。虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應裝置，因此，使用者在虛擬環境中可獲得多種感知，親身體驗交互操作的反應與感受。

2．虛擬現實技術的應用前景

虛擬現實技術在船舶建造與設計、企業產品的研發與設計、人力資源 網絡培訓、房產 開發與展示、城市規劃、室內設計、工業仿真、文物古跡仿真、軍事模擬等方面有廣闊的應用前景。分析如下：

2．1企業產品的開發與設計．特別是一些勞動密集型產品的設計，采用虛擬現實技術進行設計與開發，在減少重復設計、開模損失、廢品率等方面有著非常明顯的效果。虛擬現實技術開發的產品能夠在產品投入制造前先看到產品，在運行前先感受過程或親歷過程，在設計與開發過程無須代價可不斷修改產品直到滿意，這是一種完全的低投入、嶄新的產品設計制造理念；可利用虛擬三維網絡技術，對同一設計產品，在不同設計部門進行分布式設計，快速、方便地融合各方技術優勢．減少產品的設計時間與設計周期：采用虛擬現實技術可以為許多科研項目、提供虛擬實驗，減少真實實驗的次數和付出，增加真實 實驗的可靠性?？傊?，虛擬現實技術的開發與應用研究能為產品設計、加工、制造提供相當優秀的開發平臺、實驗與測試環境。減少產品的測試成本，縮短投放市場的時間，這對于促進高科技產業和制造業的快速發展有著極大的作用。

2．2通過虛擬現實技術構建的三維虛擬裝置及沒施．操縱者可以身臨其境地融入到整個裝置的運動環境與運動過程．可以對三維虛擬設備進行仿真操縱，可以查看生產過程、實驗與測試過程 、施工過程、供應過程、物流生產過程等活動的過程中各種技術參數的動態值．從而確認現實的系統是否有能力完成預定的任務和如何去完成，也可從中發現運動過程的缺陷和問題，予以改進。在低成本的條件下，發現實際產品或設施的缺陷與不足，為產品投入生產提供時間和質量上的保證。

2.3隨著物流的遠程化和國際化，物流的流程跨越若干國家、若干種運輸工具，客戶根本不可能對這個系統進行實地考查，客戶在進行業務外包時．又不能只聽一些情況介紹或者錄像演示的過程做 出最后的判斷，在這種情況下，采用虛擬現實技術模擬現實環境，客戶可以直接進入計算機系統虛擬的世界，對關鍵環節進行操縱、演示、觀察和分析有關過程的動態數據，以判定此項業務是否可以外包給這個系統；另一方面，第三方物流公司，也需要借助于模擬現實系統，來分析物流時間、物流成本等，以對是否可以接受客戶的要求做出決策。因此，虛擬現實技術在物流行業的應用將拓展該行業的國際合作空間，節約成本，做大做強物流業，促進海西經濟的快速發展。

2．4在數字化城市建設與研究方面，利用虛擬現實技術，結合傳感器技術、多媒體技術，綜合應用全數字攝影測量技術、GIS技術、仿真技術等，在提供相關城市數據的基礎上可構建虛擬數字化城市。在此基礎上建立虛擬城 市的仿真環境，實現城市 的真實環境的再現 以及對規劃環境的預見，從而建立可交互操作、集成化和人機和諧的虛擬城市系統。

2．5制造業方面，從制造技術及制造業的發展過程來看，我國在21世紀將長期把信息技術、計算機技術、網絡技術融人 AMT的理念中，大規模地采用集成制造、并行工程、計算機仿真、虛擬制造、動態聯盟和電子商務等舉措，用虛擬現實的方法，將產品的設計階段和制造階段融為一體，在設計中就能發現制造中的問題。此外，這一階段的另一個特點就是可聚集全世界的制造資源來進行全世界范圍的合作生產．縮短上市時間，提高產品質量。

2．6人力資源培訓方面，隨著勞務市場規模不斷擴大．大量的人員需要進行培訓方能上崗工作，由于培訓地點、培訓設備的限制，加之培訓人員的爆滿，培訓質量受到很大的影響。推動和加強人力資源的培訓，可提升各工種人員的個人素質．保證企業的穩定發展，促進地方經濟的又好又快的發展。采用三維虛擬仿真平臺，可實現各種人員取得上崗資格必須的培訓，同時，也可對企事業單位在職人員進行本專業模擬真實環境的知識更新培訓，也方便對新聘人員進行崗前培訓，這些培訓的最大特色是模擬真實培訓環境，實現無需場地、無限次數、無限時問的培訓，在提高人員素質的同時，最大化地節約成本。具有非常高的性價比。虛擬 現實技術作為多媒體技術發展的高級階段，在組織學習中的應用將促使目前組織管理過程中的領導者、員工、媒體之間的關系與地位發生重大變化。在對組織成員進行知識傳播、技能訓練等方面會得到顯著的教學效果。特別是隨著計算機網絡化的進程．虛擬網絡的建設，這一新的學習媒體將在個別化教學、企業教學、學校教學、遠距離教學及終身教育中展示巨大的應用前景。

虛擬現實技術與多媒體技術、網絡技術并稱為三大前景最好的計算機技術，其應用場合非常廣泛．特別在工程和人員培訓領域中的應用所產生的經濟效益和社會效益、所節約資源是非常大的。

3．虛擬現實技術發展及應用展望

近年來，虛擬現實技術有了很大的發展，如增強現實(AugmentedReality1，將真實環境和虛擬現實的景象結合起來，既便于生成復雜環境，又便于對實際物體的操作；大型網絡分布式虛擬現實環境，將分布于多個地點的 VR系統或仿真器通過 局域 網或廣域網聯結起來．采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫形成一個在時間和空間上互相耦合的虛擬合成環境，參與者可自由地進行交互作用；多通道人機交互技術，即采用人體多種自然交互手段向系統輸入．如手勢、語音、頭部或身體動作等。

虛擬現實技術潛力巨大，應用前景十分廣闊，人類在許多領域面臨著越來 越多前所未有 或前所難為而 又必 須解決 和突破 的問題，例如，載人航天、核試驗、核反應堆維護，包括新武器系統在內的大型產品的設計研究、氣象及自然災害預報、醫療手術的模擬與訓練以及多兵種軍事聯合訓練與演練等。將 vR技術應用于教育可以使學生能夠游覽海底、遨游太空、觀摩歷史城饅，甚至深入原予內部觀察電子的運動軌跡和體驗愛 因斯坦的相對論世界，從而更形象地獲取知識，激發思維。虛擬現實設備的價格還過于昂貴，虛擬現實的應用主要處在科學研究和某些商業領域。隨著虛擬現實技 術的進一步發展，成本的降低，虛擬技術必定會走向實用化、平民化。

參考文獻

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[2]石教英，虛擬現實基礎及實用方法[M]，科學出版社，2000．