数字化仿真技术概念大全11篇

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1.引言

家畜解剖学是农业类高等学校动物医学专业的专业基础课，本课程主要讲授正常家畜、家禽的形态、结构、器官的位置关系和发生发展规律。本课程的特点是名词众多、结构复杂，对于首次接触动物医学专业的学生来说学习起来比较困难，不知道应该怎样学习。传统课堂讲授方式难以满足现代化教学发展需要，虚拟仿真技术正逐渐应用到各专业教学课程中，对教育行业产生了巨大影响。

2.虚拟仿真技术的优势及其在医学教育中的应用

虚拟仿真技术是用计算机虚拟场景逼真地模拟现实世界事物的技术，涉及计算机图形学、人工交互、人工智能和传感技术等。具有真实性、交互性和沉浸性的特点，逐渐成为现代教育技术领域的热点，应用于不同专业教学过程中。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术在人类医学上得到了广泛应用。虚拟仿真技术打破了传统实验空间和经费的限制，在充分保证教学效果的基础上，不仅节约了实验成本，而且大大提高了学生的学习兴趣。使学生通过虚拟场景的人机交互，由视觉、听觉、触觉等手段获取场景的反应，通过学生自我组织，制订并执行学习计划，进行自我评价，开展适应式学习。很多高校、科研院开发了人体解剖虚拟仿真实训平台、虚拟动画、三维网络课程等应用于理论和实践教学，充分发挥了现代教育技术的优势，提高了教学水平。

1989年美国首先开展了“可视虚拟人”的计划，并于1994年完成世界第一例男性“虚拟人”数据采集，1998年完成女性虚拟人数据采集，共采集到56GB的数据。随后，韩国“可视韩国人”项目于2000年完成第一例韩国人标本的数据采集；2003年，钟世镇主持的“虚拟中国人”项目完成中国人体数据的采集工作。以这些虚拟人数据集为基础，对人体器官进行了三维重建，精细逼真的三维结构为人体解剖学提供了大量素材。基于虚拟人体数据集产生了很多人体解剖三维虚拟仿真实验平台用于人体解剖学教学。在仿真平台上可以对人体结构进行任意角度旋转、缩放、标注等操作。便于教师教学及学生学习和课后复习。2010年10月在上海世博会期间，瑞典首次向公众展示了代表先进医学虚拟仿真技术的“虚拟解剖台”。此虚拟解剖台数据来源于人体的磁共振（MRI）和CT成像数据，利用计算机处理将这些数据从二维平面图变成真实感极强的三维模型，将人体内部的精细结构完整地展示出来。这款虚拟解剖台可用于人体解剖学教学，学生用手指通过触摸屏进行人体器官操作，能完整地展示骨骼、血管、肌肉等的不同形态，还可以移除或添加内脏器官、血管、神经等结构，从而理解各器官的形态结构和相互位置关系。

3.虚拟仿真技术在家畜解剖学的应用现状

家畜解剖学是一门实践性很强的学科，家畜的器官标本、模型等教学材料在本课学习中有重要作用。但是近些年随着招生规模扩大，一般理论授课时学生人数较多，不能发挥标本、模型的作用，学生只能在实验课上观察标本、模型。虚拟仿真技术在家畜解剖学中的报道较少，由于数字人的数据采集方法投资巨大，过程复杂，需要多领域专业人员合作完成，目前还没有完整的大家畜（牛、马等）虚拟解剖系统。很多科研机构利用数字人的数据采集方法对猪、兔、小鼠、大鼠等动物进行了数据采集和虚拟仿真工作。Maierl等在1999年报道了第一例“可视化狗”，但其数据不完整，没有四肢部分的结构，而且图像不精细。2005年9月，重庆理工大学、第三军医大学和重庆市畜牧科学研究院共同完成了世界第一例“数字可视化猪”数据集的采集工作，图像质量比较高，能够清晰显示内部结构[1]。2014年，连国云[2]采集完成了“数字化新西兰兔”的数据集。但是对于家畜解剖学重点讲授的牛、马等大家畜，还没有虚拟解剖数据集的报道。主要原因是牛、马的体型比较庞大，采用数字人运用的冷冻铣削设备无法完成铣削，牛、马等动物只能采用其他方法建立三维模型，虽然这些模型不如冰铣削得到的数据精确，但是仍然能够在家畜解剖学教学中发挥巨大作用。苏杨生[3]等报道了通过3D Max软件建立了牛的椎骨模型，并建立了交互程序，学生可随时随地进入程序观察解剖标本。张蕾[4]等采用Photoscan软件对动物头骨进行了三维重建。付大鹏等[5]采用三维激光扫描仪获得了动物股骨的三维点云数据，进行三维重建，得到了股骨的三维模型。以上研究成果为虚拟仿真技术在家畜解剖学中的应用提供了思路和教学资源。

4.虚拟仿真技术在家畜解剖学的应用前景

虚拟仿真技术在家畜解剖学及相关专业有着非常广阔的应用前景。三维模型能够形象清晰地展示动物的解剖结构和器官的相互位置关系。虚拟仿真技术的应用能够将理论授课中教师采用图片、照片等素材难以描述清楚的概念、结构给学生以感性认识，能够加深学生的理解程度，帮助学生学习和记忆。虚拟仿真技术的应用能够将抽象的结构变具体，使枯燥的概念形象生动，提高学生的学习兴趣和主动性，突破传统解剖学实验空间和时间的限制，学生可以通过网络自由地学习，方便自学。综上所述，虚拟仿真技术能够将家畜解剖学的抽象教学内容形象地展示出来，提高学生的学习积极性，使学生由被动接受转变为主动学习，极大增强家畜解剖学教学效果。

参考文献：

[1]张建勋，徐凯，邱宗国.世界首个三维可视化的数字猪.重庆理工大学学报（自然科学版），2011，（03）：69-73.

[2]连国云.数字化新西兰家兔的三维结构重建研究.计算机光盘软件与应用，2014，（12）：24-26.

[3]苏杨生，宋斯伟，李颖，等.牛骨骼模型三维数字化重建.黑龙江畜牧兽医，2015，（09）：249-250.

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中图分类号：TS664.01 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）07-0000-00

Abstract：Furniture manufacturing traditional design approach has been difficult to meet the globalization of markets， the demand for individual requirements. How to improve the quality of furniture products， shortening product life cycles furniture， furniture market to meet the needs of personalized custom furniture business is a common problem faced. Digital simulation platform furniture products through its vast library of standard parts， used parts library， variable type of products manufactured model library conceptual design and variant design， thereby enhancing the core competitiveness of enterprises radically. This article introduces a numerical simulation based platform and personalized custom furniture product design process， and the architecture and key technologies of digital simulation platform for a analysis.

Key words： furniture； digital simulation； personalized custom； rapid design

随着用户对家具的个性化要求不断提高，家具制造行业正在发生以下方面的变化：（1）激烈的市场竞争以及数字化生产技术的应用使家具产品的生命周期缩短；（2）传统家具市场逐渐呈饱和趋势，以整体衣柜、整体橱柜为代表的更具选择性的销售行为使家具市场朝着个性化、多样化的方向快速发展；（3）用户售前体验和使用质量已经成为用户购买的首要因素之一；（4）数字化制造可以大大加快产品的开发速度并降低开发风险。

1家具制造行业现状

近年来，自动化的家具制造装备普及应用使我国家具行业有了飞速发展，但是大多数企业仍然以工厂模式设计、生产传统家具，设计环节大部分也只是采用通用CAD软件。与德国等制造业强国相比，我国家具制造业存在的主要问题是：（1）家具产品以低端固定产品为主，缺乏原创性和定制化；（2）劳动力成本和材料价格上升等原因致使成本增加，传统家具企业竞争优势正在减弱，一大批小型家具企业面临倒闭。这些问题促使家具行业与其他相关产业相互渗透、交叉、重组，行业融合有深入发展趋势。当前，以“互联网+家具”的数字化家具设计与制造模式处于萌芽期，发展潜力巨大。与此同时，政府扶持下的产学研一体化进程加快，互联网制造和产品虚拟化设计受到空前重视。

如何能在高质量低成本的基础上缩短家具产品的生命周期，开发出具有市场竞争力的产品，是家具制造企业普遍面临的问题。企业能否根据用户的个性需求快速地设计制造出定制产品，已经成为企业能否占领市场、发展壮大的关键。数字仿真技术支撑下的快速设计方法，用户个性定制支撑下的快速设计理念将成为家具行业未来设计发展的主要方向。

2 定制化家具产品设计方法

传统的家具生产中，卖方主导市场，生产出标准产品供用户选择，消费者对商品没有选择的主动权，卖方只关心产品数量，很少考虑市场的个性化需求。传统的家具产品设计流程如图1所示。

在经融危机、劳动力成本上升、传统家具市场逐步饱和等因素的冲击下，家具制造企业必须转型升级。同时，面对消费者不断变化的个性化需求，制造过程需要不断缩短产品生命周期，降低生产成本，更加直接的面对用户需求设计家具产品。此时，更高效的家具产品设计流程如图2所示。

上述对比可知，数字化定制设计来源除了概念设计（分析用户需求生成概念产品的设计活动）外还有变形设计（修改参数或局部调整结构的设计活动）。与传统的概念设计相比，现在的概念设计来源不单单是用户需求下的重新设计，而是家具产品标准件、常用件标准库支撑下的组合设计，其设计效率更高。新增的变形设计则是根据用户的实际需求，对已有的可进行生产制造的产品模型进行合理改动并快速生成，新产品的设计周期更短。在庞大的由标准件库、常用件库、可变型制造的产品模型库组成的数据库支撑下，产品的开发设计时间会大幅缩短。同时，概念设计中补充进来的新数据将进一步的扩充标准数据库，从而促进后续的开发设计，使整个开发设计形成良性循环。

此外，与传统的基于通用CAD的家具产品设计流程相比更高效的家具产品设计流程中多了通过建立虚拟产品模型（样机），并对其做仿真测试与实验的步骤。一方面，设计人员通过虚拟家具产品能够更好的模拟其生产出来的效果，提升用户的售前体验，评估是否满足购买需求；另一方面，设计人员通过虚拟产品能够发现可能遇到的设计缺陷、制造缺陷等。

家具产品的虚拟设计可通过搭建家具产品数字仿真平台来实现。

3 数字化仿真平台研究

数字仿真技术，就是在数字化参数下运用一个虚拟的系统模拟真实系统的技术。数字仿真技术已经成功应用在航空航天、信息、生物、材料等领域，并在产品研制的全生命周期中得到广泛的使用。在家具设计领域，该技术尤其是在家具组建库的建立以及三维渲染效果方面有待进一步探索。图3给出了家具产品数字仿真平台的整体研究架构。

数字化仿真平台的研究构架中，通过基础项目的研究，完成各项数字化支撑技术进而开发出各类工具，最终完成整个平台的搭建。在虚拟现实技术VR（Virtual Reality）等设备的支持下，以家具行业工艺和知识库为基础，通过相关学科的优化算法来研究家具三维数据下的动态工艺生成、三维渲染、拆单排样等技术。并以三维引擎为核心研究仿真元模型建模技术、模板定制技术、组件模型装配技术、模型资源库中的家具产品分类标准技术。这些技术的互动则是通过虚拟交互动作规则与虚拟交互产品行为算法来实现的。在这些支撑技术的基础上，开发相应的管理工具、模型建模、装配仿真工具以及配套的数据Web交互系统和接口。

以下5点是建立数字仿真平台的关键：（1）三维数据引擎。平台主要是面向设计与虚拟交互，其中存在大量的三维图像实时互动，这对系统的三维数据引擎提出了较高的要求。三维数据引擎作为底层开发工具支撑着高层的图形软件开发，它包含了基本图形的通用算法和工具的封装。三维引擎还包括仿真图形的三维渲染算法，使得用户能够观测到逼真的设计效果图。（2）零件族模型的信息模型描述。产品建模是变型设计的必要手段，而建模的核心任务是建立能够变型的产品和零件族模型。而零件族模型的变型能力（尺寸变型能力和局部结构变形能力）与所建立的信息模型描述息息相关。因此，零件族模型的信息模型即其数据结构的确定非常重要。（3）设计过程中的数据层次结构的建立与维护的算法。在产品设计过程中，需要确定一种数据结构类型来描述组件间的层次关系，并确定相关实现算法。（4）产品设计中的基于约束的选配算法。大批量定制设计是根据产品主体结构、零部件主模型和文档来进行，根据产品特性可将所要选配的模块分为：基础模块、必选模块和可选模块。在选配时，已被选配的模块可能对后者选配时有约束作用，因此需借助于关联矩阵，构建基于属性约束的选配算法。（5）产品设计中的装配建模技术。目前比较典型的装配方法有两种：自底向上和自顶向下的建模方法。但在大批量的定制设计中，装配的自动化程度决定了装配建模的速度，采取上述方法进行装配建模不能满足设计要求，因此需要研究基于特征约束的预定义的装配方式。

4 平台实现

定制家具数字化设计与仿真平台（图4）采用Visual Studio 2010环境开发，基于OpenGL三维图形引擎。平台构建了板式家具零件族模型和组建库，并建立了模型组件间的形变关系约束与装配参数约束，平台能够根据设定的家具外形尺寸自动生成组建尺寸和加工工艺，目前已经初步应用于衣柜等板式定制家具产品的仿真设计。

5结语

家具产品数字仿真平台革新了企业的产品设计和生产方式。一方面，在三维建模环境中，由家具行业标准件库、常用件库支撑的概念设计能有效的缩短家具产品的设计周期，平台能直接根据用户个性定制的需求完成家具产品的变形设计；另一方面，数字化设计平台能够与企业的自动化生产线进行对接，从而实现设计数据驱动生产的定制家具制造执行系统。平台有效提升了定制型家具企业的产品设计效率，显著缩短家具产品的生命周期，降低企业的生产成本，通过数字化的方式控制生产，还有效的降低了出错率。

参考文献

[1]董媛媛，刘文金.家具产品生命周期的细分与设计策略[J].家具与室内装饰，2007 （3）：30-31.

[2]蒋松林，陈祖建，何晓琴.基于消费者价值的家具产品设计策略[J].家具与室内装饰，2010（10）：11-13.

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Abstract: In this paper, from the change of city planning under the background of the digital city, introduces the characteristics and the key technology of city simulation technology, describes its plays in the city planning work in the role and significance of.

Key words: city planning; city simulation technology; virtual reality

中图分类号：TU984文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1 引言

随着城市社会科技的迅猛发展，社会对城市规划、建设和管理要求越来越高，这是由城市规划在城市发展中的战略地位所决定的。然而过去传统的城市规划中，主要以感性规划为主，存在自上而下命令式、强制控制等级式的管理体制，缺乏相应的客观性、独立性和权威性，公众参与的缺失，也影响了规划设计方案的科学性、前瞻性，影响了政府决策的宏观和全局性的把握。

随着计算机及网络技术的飞速发展和数字化潮流的掀起，基于数字城市平台上的虚拟学校、虚拟影院等应运而生。如何利用先进的计算机技术实现现代城市本身的数字化，是城市管理者、规划部门、公众所共同关心的问题，而城市仿真技术作为数字城市的支撑技术之一，也成为了当前各个领域所研究的热点。

2 数字城市背景下城市规划的变化

2.1城市规划设计理念的转变

随着数字化、信息化概念的不断深入，数字城市建设的不断发展，传统的城市规划理念也受到了强烈的冲击。传统老式的静态规划面临着向多阶段过程转化为一系列单阶段问题逐个求解的动态规划转变，从简单考虑资源配置的物质规划向全面考虑社会经济文化发展需要的精神规划转变，从集中式的由规划设计专家评审到规划设计人员、决策者和社会大众三者共同参与的协作式规划模式转变，从行政管理到法制化管理的转变。

数字城市的建立为城市规划提供了数字平台与技术基础。它一方面使城市规划所需要的一切信息通过数字技术表现出来，城市规划和管理人员能够从整体上了解和掌握城市各类信息，从更大和更广的范围研究和探讨城市发展的一般规律。另 一 方面，通过数字城市提供的多种分析手段和模型，对城市现象进行更多的定量分析，从而进一步提高规划的科学性、可操作性和前瞻性。规划和管理工作者的观念和逻辑思维也随之发生重大变化，从工业社会的物质生产方式转向信息社会和数字化社会的知识生产方式，思维从单一化转向了多元化。

2.2城市规划技术方法的转变

（1）获取信息的手段发生转变。数字城市具备了海量数据存储设备，高速宽带的信息传输系统和高效智能的处理系统，规划设计所需的大量数据也由传统的现场踏勘方式转变为室内数据处理方式，实现了城市规划的现代化。

（2）规划设计方案决策和表现方式发生转变。数字城市的建立，使得规划设计及规划成果的表现由原来的二维平面转变为可视化、动态化、形象化，使规划人员可以利用多种分析手段和模型对城市发展现象、过程、趋势进行量化分析和预测，使得规划方案更加科学、合理、准确。

（3）公众参与度发生转变。对于城市规划成果，利用可视化技术，通过网络展现虚拟城市景观，公众可以实时、在线参与城市规划，提出自己的意见和设想，在充分展现群众的参与权和监督权的同时，充分体现出了规划工作的公平、公正和客观性。

3 城市仿真技术

3.1 概念及特征

通俗地讲，城市仿真(Urban Simulation)就是将“虚拟现实”技术应用在城市规划、建筑设计等领域。而“虚拟现实”（Virtual Reality）又称为灵境技术，是一种用来构建和体验虚拟世界的计算机技术。它具有实时的三维空间表现能力，自然的人机交互式操作系统并能给人类带来身临其境的感受。虚拟现实技术广泛应用在军事模拟、视景仿真、虚拟制造等方面。

城市仿真具备三个特点：（1）良好的交互性。提供了任意角度、速度的漫游方式，可以快速替换不同的建筑；（2）形象直观，为专业人士和非专业人士之间提供了沟通的渠道；（3）利用数字化的手段，使得数据更新和维护变得非常容易。

3.2 关键技术

（1）3D建模技术

为了实现基于Web的三维虚拟城市，必须建立大量相应的3D模型和2D纹理素材。常用的建模方式有：常规的语言编写3D模型、3DS建模输出3D模型、规划成果经过格式转换生成3D模型、根据2D信息进行3D模型重建等等。

（2）真实感图形的实时绘制技术

场景造型是构造虚拟现实系统的第一步，不同于传统真实感图形绘制算法，它追求的是图形的真实感和高质量，我们往往需要通过一些算法在“真实”和“实时”之间寻求一种平衡，常用的包括光亮度计算、纹理映射技术和实时消隐技术等，以满足我们的需要。

（3）立体声合成和立体显示技术

在虚拟现实系统中，如何消除声音的方向与用户头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点；同时，虽然三维图形生成和立体图形生成技术已经较为成熟，但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研究内容。

（4）交互技术

交互性能的高低是衡量虚拟现实技术水平的重要标志。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式，三维交互技术、触觉反馈是虚拟现实技术的难点。此外，语音识别与语音输入也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。

4 城市仿真技术在城市规划中的应用

城市仿真技术应用于城市规划，可以为城市规划提供辅助设计、查询分析、成果展示、模型更新等技术手段。人们可以将城市设计方案放入虚拟世界，考虑这些规划方案对现实环境的影响，观察方案是否合理、与周边环境是否和谐，实现设计方案的推敲对比、评审，甚至实时地进行方案修改，同时结合城市规划、城市建设进程，通过进行方案评审和成果入库，动态更新城市模型，从而避免实际建造所消耗的资本和时间，对提高城市规划和生态环境，降低城市合理规划的成本，缩短城市合理规划的时间有着非常重要的意义。

（1）规划审批工作更具科学性。虚拟现实可视化，结合3D、GIS技术，具备了规划方案的多方案比较、对照分析、通视分析、空间信息分析服务，地下管网及城市网线布局控制显示功能，实现城市多维、多源、多尺度时态和动态数据的维护与更新管理，能解决规划审批工作中的诸多难题。

（2）多部门协同工作更具共享性。城市仿真应用系统可实现三维数据库动态应用与一体化管理，能为多部门提供便捷的城市立体空间数据信息共享，在根本上实现城市数字一体化管理进度。

（3）领导决策更具可依性。通过将具体项目在真实场景中进行多方案比较分析，提高了项目的可行性，也为领导层提供了直观、真实、科学的空间综合数据决策依据，提高了项目方案配比合理化水平。

（4） 规划建设更具民主性。虚拟现实可视化，能够实现网络与市民公示。市民通过在线浏览共享和查询分析，参与评论和投票，从而增加项目的民意性参与，树立良好的市政形象。

（5）城市在线宣传更具推广性。虚拟现实可视化，可以对特定场所进行高精度渲染，可以预设待开发项目的规划效果，为今后城市的在线宣传与投资政策起到了巨大的直观推动作用。

5 结束语

城市仿真技术作为信息技术中的一种新兴技术，正在逐渐成为帮助城市规划和管理的重要手段，它对于城市规划的影响不仅表现在对城市规划所需信息的采集、处理和利用方面，更为重要的是它改变了城市规划内部信息流程和规划部门与社会的信息交流与反馈机制，进而对城市规划管理体制产生深远的影响。随着网络技术和计算机软硬件的发展，城市仿真技术在城市规划管理中的应用将会更加广泛，同时，城市仿真技术还可以拓展到如市政管理、公共交通、环境保护、地产开发、公安消防等其他领域的应用，可以实现各种道路系统设计的三维立体仿真，包括高速公路线路选择、立交体系的仿真、城市交通仿真等，前景令人期待。

参考文献：

[1] 黄丽娜，庞前聪，费立凡.基于GIS的城市规划仿真系统开发与实现[J]. 国土资源科技管理，2006.

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建筑工程施工数字化管理的可实现性非常高。它可以有效的提高施工过程的管理水平，减少不必要的经济损失，使建筑施工过程更加具体化，具有很大的发展空间。首先，我们要准确了解建筑工程施工数字化管理的概念和具体的实行步骤。

1.1建筑工程施工数字化管理的概念

建设工程施工数字化管理是一种先进的管理手段。它利用计算机网络将建筑施工过程进行量化，从而实现系统化的管理。在施工过程中，要分析好出现的各种信息，并以报表的形式汇报。这样可以使数据简洁清晰。然后，管理者应将数据的结果进行分析，对每个环节进行评估，以控制施工过程。应该注意的是，数字化管理与信息化管理是两个不同的概念。数字化管理比信息化管理要更具有全面性。因此，建筑工程施工数字化管理是信息化管理的基石。另外，数字化管理对于施工的质量、成本、施工进度等也有较为全面的掌握，是优于信息化管理的一种管理模式。

1.2建筑工程施工数字化管理的步骤

建筑工程施工数字化管理大致上分为五个步骤。第一个步骤为建筑工程的结构分解。首先要分解建筑工程施工中工程量清单等相关性内容。其次要分解建筑工程施工中分布分项划分的规定。在分解后，要将得到的各个模块进行编码。如果出现矛盾，需要在清单编码的自编码中添加分位数。第二个步骤为分解模块特征目标的确定。主要的目标是造价、工期与质量。其中造价中包含成本、产值与利润等部分。工期又分为绝对工期和相对工期两个部分。而质量指的是标准质量数值。另外，如果数字不足以将内容准确表达时，可以使用文字进行补充说明。接下来的步骤是建筑工程施工过程的管理与检查，即建筑工程的施工管理阶段。在这个阶段里，要对数据进行收集，然后将收集得到的数据进行整理分类，再与目标值对比，找出数据差值，从而进行判断。但应注意，造价、质量和工期之间有着对立与统一的双重关系，切不可只通过一个方面就下结论。第四个步骤为对建筑工程施工的处置。处置的方法要根据具体的影响因素进行改变，但离不开以下两个方面。一是对结论的分析，即对通过数据分析来发现施工过程中存在的问题。二是措施的选择与实施。管理者应针对分析结选择有效的处理措施，使控制更具主动性。最后一个步骤是对建筑工程的持续管理。这一个步骤是不可或缺的。

2建筑工程施工数字化管理的运用

在明确了建筑工程施工数字化管理的概念与具体实施步骤之后，管理者应该深入了解管理的内容及建筑施工数字化管理的优势与现状，并在此基础上对存在的问题进行分析和解决，使管理者能够能高效的运用建筑工程施工数字化管理模式。

2.1建筑工程施工数字化管理的内容

建筑工程施工数字化管理的主要内容为：空间信息技术、可视化与虚拟现实、系统仿真技术和多智能体施工等。空间信息技术是利用遥感技术RS，地理信息系统GIS等一些新型的技术对于工程施工的地形、地质情况、地貌、建筑物等所有的空间信息进行搜集和处理。由于这些数据都是科学管理与分析的，因此可以成为建筑工程施工数字化的依据和决策前提。例如地理信息系统就可以准确反应建筑工程施工的具体情况，这是人工所做不到的。另外，三维甚至四维技术的不断发展，可以将新兴技术与系统仿真技术相结合，做到建筑工程施工过程可视化，这种逼真的视图有利于管理者对于施工情况的整体把握。在出现问题时，管理者能够及时改变建筑工程施工的具体计划和安排，对于增进施工各部门的协调程度具有重大意义。可视化与虚拟现实的应用也具有很大的作用。可视化就是指利用图像处理信息，将数据和信息转化为可直观观测到的图像和图形，使之在屏幕上显现出来。而虚拟现实则是利用计算机网络的强大技术形成集视觉、触觉、听觉等各种感官为一体的虚拟环境。用户可以在传感设备的辅助下形成身临其境之感。传感设备包括立体眼镜和头盔显示器等。这种技术可以避免一些高风险的操作，保证操作人员的生命安全，减少伤亡。系统仿真技术则是以相似性远离为核心，以计算机网络为主要设备，利用系统模型研究动态系统的一门综合性较强的技术。现代仿真技术可以使设计蓝图更加具体形象，是不可或缺的一项现代化技术，也是研究复杂的建筑工程的重要手段。

2.2建筑工程施工数字化管理的优势及现状

如今，建筑工程施工数字化管理在计算机网络的帮助下愈加成熟。其主要优势有以下几点。首先，建筑工程施工数字化管理的科学性很强。减少人为因素的影响。其智能化的整合分析取代了传统的经验论，使工程施工更加精准。其次，建筑工程施工数字化管理的反馈灵敏度很高。数据即时处理的这一大特点能够使运转模式动态化，即依据计划、实施、检验和处理的四个步骤处理信息，将数据及时反馈给管理者。再次，建筑施工数字化管理的效率远远高于传统的管理模式，因为其利用计算机网络，将人工处理转变为智能处理，而且数据库的建立也大大提高了工作效率。最后，建筑工程施工数字化管理分析的目的性很强。它对于目标的控制性十分强，并具有控制流程。但是，当今的建筑工程施工数字化管理依旧存在很多问题。首先，建筑工程施工数字化还缺少普遍性和创新意识，大多还处在摸索状态，并没有拥有科学的管理手段，而只是单纯的模仿。其次，建筑工程施工数字化的框架还不够完善，各个模块的联系不强，没有形成一个统一的整理，缺少统一的管理与指挥，从而降低了这种新型管理模式的高效性。这是十分可惜的。再次，建筑工程施工数字化管理的相关法律还不够完善。企业也缺少相关的自我保护意识和法律维权意识。这种忽视会导致数据被盗用，从而给企业带来祸患。因此，为解决这些问题，企业应做到以下几点：第一，大力培养建筑工程施工数字化管理人才，使管理系统更具系统化和专业化。第二，建立完善的建筑工程施工数字化管理平台。第三，加强管理者的数字化意识，采用先进的管理技术，推动数字化管理的进程。

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中图分类号：G710 文献标识码：A 文章编号：1003-2851（2012）04-0236-03

一、虚拟现实技术的介绍

1.什么是虚拟现实技术

随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术成为近年来计算机软件技术的一项新兴技术。由于虚拟现实技术的直观性很强，能在电脑上进行模拟仿真，比平面图像更能说明问题，并且更具有经济性，即省时间由省人力，能够广泛的为各个领域所运用。可以说虚拟现实技术给社会发展带来的便捷将使其能够大显其道，虚拟现实技术的运用也是近年来的发展方向。

虚拟现实技术按照维度虚拟程度的不同分为三维虚拟技术和全维度虚拟技术。全维度虚拟技术是目前国外在虚拟仿真领域的研究，其研究内容是使虚拟技术完全脱离三位维度而向一个全立体虚拟环境发展。中国目前运用最为广泛的是三维虚拟技术。而三维虚拟技术的运用正是本文重点论述的内容。

三维虚拟技术属于三维图形技术行列。三维图形技术分为两大类，一是三维虚拟技术；二是三维动画技术，两者都用于模拟真实世界和想象世界。由于两者的应用原理不同，其应用领域也大不相同。

三维动画技术采用的是传统的计算机动画，采用关键帧的方式制作，先进行三维预渲染，得到了完整的三维动画视频之后利用播放器将动画播放出来，所以三维动画技术被广泛运用于电影、广告等预先设计好的演示。

在此我将重点论述三维虚拟技术在城市规划领域的应用和研究，之所以以此作为论题是由于三维虚拟技术在城市规划上的应用最为广泛，随着时代的不断进步，社会对城市建设、城市规划的要求越来越高。网络社会的概念不断加强，三维虚拟技术能够更好更便捷的为我们城市规划建设服务。这种技术适应了社会现代化的要求，使虚拟仿真技术很好地运用在城市规划设计上，为我们的城市建设工作更加省时省力并且能更加全方位思考。在计算机平台上进行虚拟操作可以从各个方位多个角度思考规划方案，能从早期发现问题解决问题。

由于三维虚拟技术的虚拟仿真性，使其更多运用在城市规划建设的工作中。这一技术的扩充性和延展性很强，通过我们的不断研究能使其在城市建设领域以及城市建设的其他领域起到的作用不断加大，为城市建设事业带来更多收获。

2.三维虚拟技术的发展历程

三维虚拟技术属三维行业领域。三维行业在中国的起步时间是上世纪九十年代。自98年看是到现今其经历了一个扩张时期，这是三维行业在中国市场大放异彩。目前在中国的三维行业可以分为以下几个分支：1、电影、广告；2、游戏；3、电视包装；4、城市建筑，其中以城市建筑领域的运用最早也最为广泛。

最早的三维技术实现平台是由美国的Autodesk公司开发的3d Studio Max软件。此软件是一款基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。早期的三维技术在中国建筑领域的运用由于技术原因有很大的局限性，三维技术只能实现建筑效果图的绘制以及部分简单的跑相机似的建筑动画。随着3D技术的不断完善以及日益多元化的创作手段的出现，三维技术在建筑业所起的作用也日益增强。目前实现三维技术的主流软件主要有：3ds Max、Maya、Softimage/XSI、Lightwave3D、Cinema4D、PRO-E、Rhino（Rhinoceros犀牛）等。由于三维技术的日益完善以及它所带来的强大的经济效应，三维虚拟技术的概念也日渐成熟。

三维虚拟技术是三维动画技术的一种，与三维动画技术的区别在于三维虚拟技术还具备三维动画技术所没有的实时性和交互性。三维虚拟技术是虚拟仿真技术的一种，是局限在三维空间之下的一种虚拟仿真，而虚拟仿真技术的另一种全维度虚拟仿真也被称之为虚拟现实技术。这种技术出现在20世纪末期，它的出现引起了人们的广泛关注。目前国外正在对此领域进行深入研究，我将在国外研究部分做出论述。

3.国内在虚拟仿真领域的研究以及存在问题

三维虚拟技术目前在建筑领域的运用有城市漫游动画、建筑漫游动画、房地产漫游动画、小区浏览动画、楼盘漫游动画、三维虚拟样板房、楼盘3D动画宣传片、地产工程投标动画、建筑概念动画、房地产电子楼书、房地产虚拟现实等动画制作。

三维虚拟技术在我国城市规划、城市建设的发展前景是不可估量的。由于三维虚拟技术的不断发展，它既能带给观赏者身临其境的感觉；又能模拟尚未实现或准备实施的项目的完成效果。从单一的几何模型到复杂的动态形象，不论是道路、桥梁、隧道、立交桥、街景、夜景、景点、市政规划、乡村规划、乡村形象展示、数字化乡村、虚拟乡村、乡村数字化工程、园区规划、场馆建设、机场、车站、公园、广场、报亭、邮局、银行、医院、数字校园建设等都可以通过三维虚拟技术得以实现。

由三维虚拟技术和现代信息科学技术带给中国经济的发展空间正在不断壮大；由它们所带来的科技化、信息化、智能化的城市虚拟空间将成为21世纪的信息主流源。

二、虚拟现实技术在城市规划领域的应用

1.城市规划简述

城市规划指的是一个城市在一段时期内的发展计划的设定，它研究的是一个城市在未来的一个发展动向，这其中包含了对城市地区的合理布局、城市的各项工程建设的合理部署。它是城市建设和城市管理的重要组成部分，也是城市建设和城市管理的重要依据。一个城市的三个重要管理阶段是:城市规划、城市建设和城市运行，而城市规划则是三个管理阶段中的龙头。

2.城市规划领域使用三维虚拟技术的必要性

在这个以知识经济为核心的信息时代，计算机科学技术已成为全世界公认的本世纪最主要和最核心的科学技术，它已渗透到社会生活的各个方面，影响和改变着人类的思维模式和行为模式。它在城市规划和城市建筑领域的作用更是不容小觑，随着网络技术的不断发展与成熟，计算机辅助设计技术在建筑行业中的应用得到了进一步普及。

在城市规划领域使用三维虚拟技术的必要性将从两个方面进行：①是从城市规划建设方面来看对三维虚拟术应用的必要；②是从城市规划管理方面来看对三维虚拟技术应用的必要。

①是从城市规划建设方面来看对三维虚拟技术应用的必要首先，我们必须要了解城市规划建设在设计上的设计内容。城市建设设计内容主要有：城市宏观设计、城市中观设计、城市微观设计三个层次。

城市的宏观设计指的是对城市的格局和形态的设计，具体为城市的整体分布、城市的功能组团、环境保护、土地利用等。在设计上更加注重城市的关键性特征和自然景观构成。在进行城市宏观设计时，评估的重点是看能否创造高素质城市环境和优美的城市视野，以此来鉴定城市宏观设计的成功与否。

城市中观设计是指设计城市空间与城市建筑之间的关系；具体内容有：用地布局、建筑设计、地标物建设、街道分等等，也就是城市的连接度与整体性、城市的体量与高度的设计。城市中观设计的内容与宏观设计的内容相辅相成，是中观设计更加注重城市的视觉质量、人工建造物的城市角度和适宜度、城市整体轮廓与体量的协调、具体环境的设计与美化等。

在计算机运用上要解决城市建设视景的要求就必须要能再计算机上感官看见以上所说的宏观、中观、微观三个层次的内容，具体而言就是：一是三维地形的显现；二是城市密度、容积率的显现；三是大面积三维建筑的显现。四是能速重绘画面进行实时仿真。而针对以上的要求，三维虚拟仿真技术都能够一一实现，文章在前面具体分析了三维虚拟技术的技术性能。并且可以看出，目前来看运用三维虚拟技术进行城市规划设计适应了时代性和科技性的趋势。

下面我们看看三维虚拟技术在城市规划建设上的具体应用。

三维虚拟技术在城市规划建设上的具体应用按地形而分可以归为三类：一是局部地区城市设计研究；二是大范围城市问题研究；三是区域规划研究。

一是局部地区城市设计研究

城市设计的核心是研究建筑形体和空间要素之间的关系协调，从对城市的环境表现、具体建筑形体刻画、整体模型处理和后续功能研发等方面来看运用三维虚拟仿真技术在制作时再合适不过了。

我们针对城市商务中心区的设计研究来具体说明问题，城市商务中心区设计是属于典型的城市局部地区设计，由于范围不大，我们在选择计算机种类时可以选择中高档PC机进行制作。

然后，我们再根据现有照片、地形原有的平面、立面等图纸资料进行交通设施、环境小品的建模，在三维虚拟技术环境下能够高仿真建模，并且设置VEGA的漫游环境、添加动态模型等工作，最后将制作出的模型文件调入VEGA完成漫游。

二是大范围城市问题研究

以新城区建设为例，新城区的建设规划范围更加广泛，在建立三维仿真时重点应在规划功能的设计开发上。

针对新城区三维仿真的主要功能应该有：方案替换、模型修改（ 高度修改、位置调整等）、矢量规划数据叠加分析、日照阴影分析。其中还包括目前的仿真软件无法实现在漫游过程中的动态阴影的实现。

值得庆幸的是目前国内的以遥感为基础的仿真软件弥补了技术上的不足，运用此软件不仅可以实现在固定观测点上表现建筑在不同时间阴影变化的功能，而且也能够实现地理属性查询。

三是区域规划研究

在进行区域规划的仿真时我们将遥感应用和三维仿真技术结合运用，这样我们就可以实现建立以卫星影像为数据的城区漫游，在数字高程模型的基础上进行区域地区漫游的制作，这样既不影响对区域原有面貌的观看，又能再此基础上进行区域建设和改造，并且能实时对比，运作时即高效又准确，这样的技术结合给我们的城市规划提供了直观而又客观的分析手段。

②是从城市规划管理方面来看对三维虚拟技术应用的必要

三维虚拟技术已经运用到城市建设的方方面面，城市规划作为可视化技术需求最为迫切的领域之一,虚拟现实技术在其诸多方面有着广泛的应用和发展前景，三维虚拟技术提供了非常直观、准确、现时性强的城市规划资料，这为城市建设发展、提高城市管理水平、提升城市规划设计提供了强而有力的依据。

可以说，在城市规划领域对三维虚拟技术的应用是时代的召唤、是技术的支持，三维虚拟技术是城市建设所必不可少的关键性技术。

三、从上海世博会对虚拟现实技术的运用来看未来虚拟现实技术在城市规划领域的发展

1.上海世博会网上世博简介

2010年的上海世博会区别于往届世博会的最大不同就是此次上海世博会运用了虚拟现实技术实现了网络同步的网上世博会。通过2008年中国北京奥运会场馆的建设，中国的建筑漫游动画创作的发展速度越来越快，并且在国内得到了广泛的传播。2010年上海世博会再次使中国的建筑漫游动画得到发展和创新的机会。世博会的主题是：“城市，让生活更美好”，伴着世博会的推广，中国的建筑漫游动画引起了社会各界的广泛重视，使其得到飞速发展。更由于此次世博会的一大亮点是首次举办网上世博会，通过网上媒介，全面引入互联网的传播方式，采用交互设计和多媒体技术等手段，这更加体现出当下互联网的强大以及建筑动画漫游的进步神速。

2.网上世博会的缘起与构架

网上世博会，全称网上中国2010年上海世博会，它是指通过互联网技术、三维技术、多媒体技术，通过虚拟和现实相结合的方式把上海世博会上展示的内容呈现于互联网上，搭建出一个能够进行网络体验和实时互动的世博会网络平台。网上世博会是上海世博会的重要组成部分，是实体世博会的导引、补充与延伸，是上海世博会的两大亮点之一。

能够实现网上世博会这样的创举是由于网络科技时代的蓬勃发展以及三维数字技术的不断进步。网络和三位数字技术的完美结合给予上海世博会全新的展现舞台，使全球公众突破了时空界限，使他们能够全面参与世博，使我们中国的上海世博会实现了真正意义上的全球化。

首届网络世博会的三大主要特色是：三维展示、互动体验以及全球共建。通过网上平台吸引全球公众参与世博会，使无法亲临食博会现场的观众借由网上平台体验世博会的精彩以及希望将上海世博会的盛举作为非物质文化遗产长期保留，是举办此界网上世博会的三大原因。

网上世博会的架构由基础平台和网上展馆两部分构成。基础平台由组织者搭建，内容包括门户网站、网上园区、基本功能等，网上展馆则分为浏览型和体验型两类展馆。浏览馆具备基本浏览和展示的功能，它是以实体展馆为原型，通过文字、图片、音频、视频、动画等方式进行三维展示，浏览型展馆由组织者为需要援助的参展方免费开发。体验馆是浏览馆的增强版，浏览型展馆在以浏览和展示为基本功能的基础上，可实现其它更加丰富的功能和特效，网上参观者可以得到更生动的互动和体验。参展者还可以建设实体世博会中不具有的虚拟拓展空间和展项，利用更丰富的虚拟技术及手段延伸和拓展参展方网上展馆所希望表达的意境和理念。二者相辅相成，完美呈现网上的世博会。

与普通网站相比，网上世博会的区别在于它能够提供给观众全面的三维视觉体验，网页游客能够主动操控三维图像的角度。网上世博会的整个展示内容其中包括，世博园区、世博园片区、展馆外观、展馆内景以及主要展项等都将进行三维数字化的制作。

与普通网站的最大区别在于网上世博会可以将组织者的建设内容和参展者的建设内容二者共存于一个平台之上。也就是说网上世博会具有“全球共建”的特点。

3.三维数字化技术实现了网上世博

由于虚拟现实技术的先进性，使实体世博园区中的建筑、道路、绿化、设施等通过三维虚拟技术在网络上实现了虚拟再现。在网上模拟的天空、云彩、太阳、灯光、装饰、材质等效果通过CG技术在制作，使模拟效果很好地接近真实场馆的场景。展现在网上游客眼中的每一个场景都是一个三维的空间，参观者只需要通过鼠标和键盘操作就能够轻松实现旋转、升高降低的操作，在进行鸟瞰时也也可以通过放大、缩小来调整的场景范围，获得全方位的空间体验。展项展示是网上世博会的有一大亮点，通过网络，游客能够进入场馆和展项发生近距离的互动，游客可以多角度观察或“触摸”展项，特别是一些实体世博会现场不能触碰的展项，在网络上可以实现参观者的触碰愿望。参观者还可以自由的旋转缩放感兴趣的物品，同时还可以通过图片文字、动画、FLASH等多种数字媒体形式了解到对展项的知识性介绍。不仅如此，游客可以在C/S上通过系统提供的部件，组装个性化的展项，让其它游客看到自己的作品，并且发表点评。

网上世博会的虚拟拓展空间可以由参展者根据自己的意念记性无限制的设计开发，由于不受现实空间的限制，参观者可以延伸和拓展实体展馆所希望表达的理念和意境，虚拟展项为参展者的主题演绎提供了进一步发挥的空间。

网上世博会由于运用了数字化技术作为包装，它展示了数字化技术神奇的魅力，也使我们的实体世博会区别以往世博会的不同，使其大放异彩，网上世博会成为上海世博会乃至世博会历史上的一个至高点。

四、结论和展望

从2000年的悉尼奥运会场馆设计到2008年北京奥运会的成功举办再到2010年上海世博会的网上世博会亮点的产生，三维仿真虚拟现实技术正在朝向越来越先进的领域发展，特别是它在城市建设及城市规划上的运用可以说是越来越广泛，所起作用也是越来越突出。以2000年悉尼举办奥运会为例，悉尼在2000年时为了奥运会的顺利召开以及加强对城市的推广，悉尼市建立了全市三维仿真平台，目的用于城市的信息服务、交通分析指挥、城市建设管理等方面，由此取得了巨大的成功。为了能够顺利申办2008年的奥运会，加拿大的多伦多城市也使用了虚拟现实技术对城市进行管理和规划。

在我国，北京、上海、深圳等大型城市在利用三维虚拟仿真技术运用于城市建设方面也已经取得了一定的研究成果，而利用三维虚拟仿真技术的方面是辅助城市重要地段的建设以及大范围的城市设计研究。例如在北京商务中心区、上海浦东开发区、深圳福田中心区的规划中均进行了城市三维仿真技术的初步尝试，并取得了较好的效果。

三维虚拟仿真技术的主要作用在于以城市现貌为基点，融合规划方案后模拟项目实现后的城市景观，并且能够进行多角度动态审视，全面评估城市设计的规划方案，这为城市规划建设和领导决策提供了更为直观、可靠、科学的技术手段。

将三维虚拟仿真技术运用于城市规划建设的优点与好处在于：

①提高了城市设计规划方案的设计和修正效率；

②丰富了城市问题的研究角度；

③提高了城市建设项目的评估质量；

④提高了城市建设项目的管理能力及效率；

⑤提高了为市民公开展示宣传城市形象的效果。

目前，国外虚拟仿真技术显出其极大的优势，国内正在迎头赶上。从目前我国对三维虚拟仿真技术的运用而言，可以看出我国的三维仿真技术发展水平已经有相当不错的程度。从三维仿真技术在我国城市规划上的运用的效果来看，三维仿真技术在我国城市规划中的应用前景是非常广阔的，而且我们相信，三维仿真技术会使城市规划产生技术性的革新，会极大地拓展和丰富城市规划的工作思路。

参考文献

[1]张建伟，陆亨立.虚拟现实技术及其应用[J].电子科技导报，1999.

[2]陈友华，城市规划概论[M].上海：科学技术文献出版社，2000

[3]杨保民，分布式虚拟现实技术与应用[M].北京：科学出版社，2000.

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关键词:仿真技术;建筑施工;新校区;高校

Key words: simulation technology;building construction;new campus;university

中图分类号:TU74 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0131-01

1虚拟仿真技术的概念

系统仿真是以多种学科理论为基础,以计算机及其软件为工具进行试验研究的理论和方法论体系[1]。仿真技术顾名思义,是把自然界中的物理现象通过一定的物理和数学模型在计算机上模拟来得到实际场变量的分析,有助于预知关心的物理现象[2]。简单的说,仿真技术是对系统模型的一种试验技术(是对系统动态模型的一种实验手段),在安全性和经济性方面有较大的优越性。

2高校新校区建筑施工的特点

2.1 项目占地规模大、现代化水平高高校建设新校区已成为我国高校发展的重要特征,其占地规模之大是前所未有的(少则千余亩,多则几千亩)。新校区建设,坚持现代化、数字化、智能化的技术取向。新校区建设在硬件设施、软件平台、应用系统等全方位实现数字化管理,使学校的校园建设与管理工作实现真正意义上的现代化[4]。

2.2 项目建设工期紧、周期长新校区建设工程不同于一般工程,随着招生规模的迅速扩增以及高水平大学创建工作的展开,工期要求很紧,从项目的前期决策阶段、实施阶段到工程项目的使用阶段,需要三到五年甚至更长的时间才能完成。

2.3 项目建设投资大、技术复杂高校的新校区建设从立项、可研、计划规划、勘探、设计、审批、招投标等前期准备工作直至施工期间的监督、检测、监理审计等事项,耗时费资;校园占地规模大,土地征用及迁移补偿费用可观;项目基本建设费用及设备、工器具购置费用大,贷款利息包袱沉重。同时由于项目工程量大,基本建设专业性强,现代化水平高,技术难度加大,施工过程复杂。

2.4 项目组成多样化、复杂化从建设项目组成来看,它主要包括:公共教学楼、专业教学楼、实验实训楼、图书馆、体育馆、运动场、餐厅、教师公寓、学生公寓以及道路建设、各种供电、供水、供气的地下管线、景观绿化等基础设施建设等。建设项目从立项、选址定位、地质勘探、初步设计、施工图设计、工程招标投标、工程施工到竣工验收,整个过程要经过多道程序。

2.5 项目建设生态化、人文化生态化、人文化是新校区建设突出的特点。新校区绿地面积大,绿化率高,因地制宜地栽上了各种花卉和树木。形成自然亲水空间、绿色共享空间,高低自然错落,保证春、夏、秋三季有鲜花,四季有绿色的效果。校园环境中的休息、服务设施充分考虑了所在环境的特点,造型别致,提高了环境的景观效果;又充分考虑使用人的要求,分布面广,数量众多,便于学生寻找和随时利用。

2.6 项目管理业主化、高效化为了更好地协调组织和推进学校的新校区建设工作,各高校都成立了新校区建设领导组织机构,如新校区建设指挥部,或是新校区建设领导小组等,抽调高素质、专业化的人员组成基建管理队伍。细化内部工作职责,责任到个人,加强内部管理,建立良好的约束机制,使基建管理工作健康运转。

3新校区建筑施工中应用虚拟仿真系统的意义

使用虚拟仿真系统对新校区建筑施工过程进行模拟,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系,实验多种施工方法,计算相应工况应力,对方案进行优化,这对以下几方面将产生重大意义[3][5]。

3.1 利于施工方案优选现代校园建筑基本都具有鲜明的个性,建筑工程施工成为不可完全重复的过程。使用施工虚拟仿真技术将可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果,可以定量地完成方案的对比,有助于施工方案的选择和优化,真正实现最优施工。

3.2 利于施工技术革新施工虚拟仿真技术一方面能使广大施工技术人员低成本地试验施工新工艺和革新思路,有助于创造性的充分发挥,同时能真切展示新技术的成效,缩短建筑业新技术的引入期和推广期,降低新技术、新工艺的实验风险。

3.3 利于施工过程管理施工虚拟仿真技术能事先模拟施工全过程,能提前发现施工管理中质量、安全等方面存在的隐患,因而可以采取有效的预防和强化措施,提高工程施工质量和施工现场管理效果。

3.4 利于项目总体设计施工虚拟仿真技术可以考察新校区校园建筑设计是否合理,可以方便地对拟改进部位进行修改,从而得到满意的设计结果。设计的仿真也有利于设计单位与业主、施工单位进行设计交底。

3.5 利于建筑技术进步开发施工虚拟仿真技术必然带动虚拟现实技术广泛地应用于建筑业其它方面,带动以下几方面的进步:①城市和市政规划的优化;②投资者的投资意图及市场推销;③建筑机械设计;④仿真和虚拟现实技术。

4结语与展望

随着仿真技术在建筑施工中的应用,施工虚拟仿真系统将会不断完善和发展,对建筑工程施工技术和计算机仿真技术的发展将会起到巨大的推动作用。我国是一个发展中国家,是一个受教育大国,高校有着大量繁重的基本建设任务,要充分发挥高等院校科研实力和人才优势,立足当前、着眼长远,积极开发和应用虚拟仿真系统,科学、高效地推动新校区建设工作。

参考文献:

[1]谢行皓.建筑工程系统仿真[M].北京:科学出版社,2001.

[2]杨富春.第九届建筑业企业信息化应用发展研讨会论文集[C]//北京:中国建筑工业出社,2005.

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中图分类号：U673 文献标识码：A

1.什么是船舶建造数字化

船舶建造数字化是以数据处理、图形图像、虚拟现实、数据库、网络通信、数字控制等数字化技术为基础，将数字化技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程，使船舶产品的设计和生产向着自动化、精细化、柔性化、智能化的方向发展。通过数字化技术与现代管理思想和先进工程方法的融合，形成船舶制造业信息化的完整体系，实现对造船业的信息化改造，使得造船企业全面提升产品的研发、生产能力，降低生产成本，缩短设计、生产周期，提高产品质量。

2.船舶建造数字化技术的内涵

船舶建造数字化技术主要体现在如下3个方面：

2.1 CAX（计算机辅助技术）

CAX（计算机辅助技术）是CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）和CAPP（计算机辅助工艺计划）的统称。

（1）CAD（计算机辅助设计）指在计算机及可视化设备为基础的专业化计算机系统的支持下，帮助设计人员进行设计工作。可以在CAD系统的辅助下完成从合同设计开始的一系列设计工作，建立产品数字模型，进行工程计算和分析，生成和绘制工程图，生成物料清单等。

（2）CAE（计算机辅助工程）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

（3）CAM（计算机辅助制造）是将计算机应用于生产制造的过程或系统，其核心是计算机数值控制（简称数控NC）。有狭义和广义两个概念。CAM的狭义概念指的是数控，包括数控机床、数控加工中心、数控生产流水线、数控火焰或等离子切割、激光束加工、自动绘图仪、焊机、机器人等；广义概念还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。

（4）CAPP（计算机辅助工艺计划）是通过计算机进行产品加工的工艺路线制定、工序设计、加工方法选择、工时定额计算，包括工装、夹具设计、刀具和切削用量选择等，生成必要的工艺卡和工艺文件等。CAPP是连接产品设计CAD信息和加工制造CAM信息之间工艺信息的桥梁，是生成各种加工制造，管理信息的重要环节。

2.2 企业业务技术过程与信息管理

通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即产品数据管理PDM、产品生命周期管理PLM、企业资源计划ERP、制造执行系统MES、计算机集成制造系统CIMS等。它们通过信息技术与现代管理理念的融合，使人、资源、技术、管理等要素有机地结合起来，从而实现设计及生产过程管理的精细化和企业资源利用的优化。

2.3 数字化装备

软硬件相结合的数字化装备，如NC（数控设备）、FMS（柔性制造系统）、Robot（机器人）等通过数字控制形成的生产自动化装备。这些设备通过离散的数字信息控制设备或传动装置的运行，实现生产加工的自动化。

3.船舶建造数字化技术的发展历程

3.1 单项技术的企业部门级应用阶段

该阶段主要是单项技术，如数值计算技术、CAD/CAE/CAM技术、数控技术以及各种部门级的管理信息系统，如财务、人事、OA、物资等管理系统在企业部门的局部范围内的应用。部门级数字化技术的应用作为一种技术手段对提高设计和生产效率、提高产品质量发挥着重要作用。

3.2 企业内综合应用集成阶段

这一阶段是由企业内的信息集成、过程集成到应用集成。通过信息集成保证了系统间信息的一致性，通过应用集成使企业内部的各种信息系统组成了一个有机的整体，大幅提高了数字化技术应用的整体效益，使得企业设计、生产、经营、管理的各种业务活动得以协调运行，大大提高了企业的生产能力。

3.3 企业间的应用集成阶段

由于互联网技术的快速发展，促使电子商务、供应链管理、协同设计、敏捷制造等一些基于互联网技术的新型管理思想和管理方法得以实施，使得船舶这种具有大量配套设施的高度复杂产品的制造能够实现跨地域的专业化企业间的协同运作，使产品能够快速地、柔性地应对用户的需求。

自20世纪60年代末将计算机用于船舶线型放样开始，我国船舶行业信息化已历经40多年，国内造船业经过不懈的努力，使得造船数字化技术已逐步渗透到造船业价值链的每一个环节，引进或自主开发了各种各样的信息系统，已广泛应用于船舶设计、建造和管理过程中。国内一些骨干造船企业和研究院所已开始引进虚拟仿真技术，开展船舶和海洋工程的产品虚拟设计和建造过程模拟等研究。

4.船舶建造数字化技术体系

制造业数字化技术是以现代设计制造的工程方法和先进制造理论为依据，以数字化技术为手段，面向产品全生命周期，理论方法与应用技术相结合的一个复杂的技术体系。

4.1 现代制造理论与数字化技术基础

主要有计算机集成制造、并行工程、精益生产、敏捷制造、大批量定制等现代制造理论，以及建模技术、仿真技术、优化技术、集成技术等数字化技术紧密结合，形成了其技术理论基础。

4.2 数字化基础环境

主要包括计算机系统及系统软件、数据库管理系统及相关技术、网络系统及相关技术、信息安全体系、信息标准化体系等。

4.3 数字化产品开发设计技术

主要包括产品需求分析、设计开发、生产制造等各个阶段中，为分析和解决产品设计和制造过程中的各种问题而提供的数字化的技术方法和应用工具，如单项应用技术CAD、CAE、CAM、VR等，过程管理和集成平台PDM、仿真及优化应用等。

4.4 数字化制造技术

主要有数字化生产计划与制造执行控制、数字化工艺过程、数字化装备、数字化制造单元、基于数字化的生产系统综合集成等。

4.5 数字化管理技术

主要包括现代企业管理模式、集成化管理与决策信息系统、企业资源计划与管理系统、企业生产项目管理系统、企业间协作的供应链管理与电子商务技术、企业质量管理的相关技术及企业管理系统的应用实施过程及方法等。

船舶建造数字化技术是制造业数字化技术针对船舶制造的特点和具体要求的实际应用。船舶建造数字化技术体系包括现代制造与数字化技术基础、船舶产品的数字化设计技术、数字化制造技术、数字化管理技术和一体化集成技术，此外，还有数字化基础支撑环境与相关技术等。

（1）船舶产品数字化设计技术以三维建模技术、数值计算技术、CAD、PDM、并行协同技术等数字化技术为基础，按照船舶设计不同阶段及不同专业的规范和技术要求，形成船舶各设计阶段的数字化技术。

（2）船舶产品数字化制造技术以MES、CAPP、NC、过程仿真等数字化技术为基础，根据现代造船模式的要求，形成制造执行层面的船舶数字化制造技术。

（3）船舶产品数字化管理技术则是将制造业先进的管理理念和方法与数字化技术相融合，按照船舶生产管理特点，形成船舶制造数字化管理技术。

（4）一体化集成技术则是进一步在设计、制造、管理等数字化技术应用的基础上，实现信息的集成和应用的集成，达到工程的并行和协同。

上述数字化技术的研究、开发和应用需具备相应的基础环境，需要解决一些相关的关键技术，如信息标准化、编码体系、产品数据库、企业资源数据库、集成平台、信息安全体系等。

5.船舶建造集成系统

船舶建造集成系统涵盖船舶建造企业的设计、制造、管理的主要业务过程：

（1）设计方面主要包含船、机、电、舾装、涂装等专业门类的设计CAD系统、船舶设计虚拟仿真系统，以及结合生产工艺要求的各个专业的生产设计系统。设计系统生成的设计数据通过PDM（船舶产品数据管理系统）存放并管理，以PDM作为平台，为船舶制造系统和管理系统提供有关产品信息的共享。

（2）船舶建造和管理系统通常包含工程计划管理、物资与物流管理、成本管理、财务管理、质量管理、企业资源（设备与人力资源）管理，以及MES（制造执行系统）等。

（3）制造执行系统控制车间级的生产制造执行过程，如造船精度管理、资源日程计划、作业安排与执行实绩反馈等。制造和管理系统根据企业经管计划和产品生产设计的要求制订工程计划、采购计划、生产计划和其他生产准备工作，通过制造执行系统贯彻实施生产作业过程。

结语

随着信息技术的飞速发展，制造业的新思想、新方法、新技术层出不穷、日新月异，船舶建造业应该紧跟现代科技潮流，不断创新，以实现船舶建造技术的跨越式发展。

参考文献

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前言

航空技术的不断发展和完善，使一些民用飞机逐渐露出弊端，其制造成本高、运行效率低、人工技术差等问题提出了一些改进设计，采用数字化设计技术，提高民用飞机的性能特点，加大了市场竞争力。

1 飞机制造中的问题分析

1.1 模拟技术在应用中的问题

模拟仿真技术在飞机的研发中占据重要地位，需要从最开始的产品设计中便开始使用，并且需要在制作的整个过程中存在，但目前发现的问题多数都出现在运用时间上。飞机的研发过程中与各环节出现了时间不协调，忽略了飞机设计初期对仿真的重要性，所以容易发生时间错误等问题。

在民用飞机的研发过程中，需要与产品设计、工装设计、工艺设计等方面的工作人员协调到互相合作模式，进行流水工程，改善在工作时间上的浪费。但就我国目前来看，并没有做到以上相互合作模式，还需要从外国发展中吸取更多宝贵经验，结合我国企业情况，快速奠定飞机制造业的基础。另外，我国飞机制造行业的数字化设计与仿真模拟技术的本身也具有一定程度的不足，还需重点关注，加大技术的创新力量。

目前国际上民用飞机使用最多的软件是日本索尼公司的DELM IA软件，此软件应用量大，但仍存在不足，比如，此软件不具备实现重力仿真技术，在模拟仿真中的三维软件都是模拟存在，在模拟仿真中，无法正面的反映出应用部件的刚性及柔韧性。因此，在使用DELM IA软件时，仍然需要对该软件产生的缺陷进行分析，减少设计中的错误。

在实际工作中，通常只会通过技术人员的工作经验和产品来确定仿真模拟的情况，并没有建立起数字化设计与仿真设计应用的统一，造成的结果不一致，严重影响了飞机模拟制造时的质量。因此，在设计制作过程中，需要制定一定标准的规范体制，按照相应标准，从设计初期便统一执行。

1.2 仿真使用系统的问题

飞机制造中，使用的系统之间相差较大，非常容易使效果产生变化，因此，在扩大数字化技术应用的使用范围时，还需要对系统界面进行合理设计，并对工作人员进行技术培训，提高数字化设计系统的实用性和安全性。

1.3 现场数据的采集和反馈问题

设计中最主要的工作是对现场环境的数据采集和反馈，能够为接下来的工作提供有效依据，对现场生产过程的实时监控，并制定合理的制造计划、安排合理的制造进度，但目前所应用的民用飞机制造应用系统中不具备这项功能，因此也无法全面的实现现场环境的数据采集等工作[1]。

民航企业中还未普及数字化管理系统软件，仍然采用纸质数据报表，容易产生漏洞或信息错误，也无法对产品数据进行统一的划分。目前多家测量软件均可以直接生成表格，应用到系统中，可以将数据存储，为以后的设计质量监控和安全生产做出指导意义。

2 数字化设计与制造的意义

数字化设计是基于多种形式媒体的支持下产生的，能够达到用户的需求。将虚拟显示、计算机网络、数据库和多媒体统一在一个系统下，为满足用户需求建立的一种数字化设计和制造的系统。对产品信息、工艺信息和资源信息进行统一分析、统一规划和统一组建等，达到快速生产出能够满足用户需求的整个设计与制造的过程。民用飞机制造行业的大力发展也带动了计算机技术、制造设计技术、信息管理技术的不断发展，因此，数字化设计与制造是现代民用飞机制造行业的发展趋势。

民用飞机制造企业使用数字化设计技术，能够有效提高企业竞争力，结合其他相关技术，使数字化设计融合计算机、网络信息，再采用数据库平台，完成飞机的设计制造。由此可见，民用飞机行业的发展需要以科技技术为主，以提高飞机设计、制造、管理、售后服务的目标努力，全面实行数字化管理流程，建立起数字化的设计制造体系，完全实现民用飞机制造业的真正数字化意义[2]。

3 数字化设计与制造的特点分析

飞机制造行业的传统设计方法从概念设计到初步设计，最后到生产设计的三个阶段，每一阶段都有相关的设计绘制模型，工作人员需要按照相应的绘制模型的样机对飞机内部配置进行设计。飞机制造行业融合的各项技术，发挥了先进科学技术的优势，改善了企业的整体经济运营[3]。

4 最新技术在民用飞机设计中的发展

4.1 加大对数字化设计仿真技术的开发应用

产品研发设计中，单一使用DELM IA软件无法将信息传递到各个环节，因此需要引入不同的数字仿真设计技术，从最初的研发工作开始，各部门工作人员的高度配合，利用数字化的工作设计研究理论，提高研发的质量，建立起一个集成系统软件平台。在产品设计中，将DELM IA软件与PDM软件相结合，能够将数据存储和调用，实现数据资料的及时性和准确性；若将DELM IA软件与CAPP软件相结合，可以具有较强的文本处理功能，使系统更加具有实用性[4]。

4.2 建立数字化的组织管理体系

采用最新的管理方式，建设专业的管理团队，将数字化系统的组织建立成为管理平台，利用各部门之间的资源，将产业链条的结构作为各企业间的链条，达到国际供应商的标准规模，在产品设计研发中，需要对每一项工作进行严格的监督审查，改变传统的管理方式，与制造商和使用商的良好沟通，组建管理小组，及时解决产品研发过程中的技术问题，争取缩短工期、提高工作效率、降低成本、实现经济效益。

4.3 提高系统的价值

民用飞机的客户群广泛，民用飞机制造企业在制造过程中需要运用系统软件，将文件格式及签订模式个性化，满足一些客户对工艺文件的格式签订的需求。实际管理中，将物料资源进行条码管理，降低管理人员的劳动力度，也能防止人工带来的错误操作，同时结合人性化的管理模式，将系统的功能特点得到充分发挥[5]。

5 结束语

综上所述，民用飞机制造业的竞争力主要受控于时间、成本、质量和服务四个方面，这几方面已经成为航空航天领域的发展目标。数字化的设计与制造技术改善了航空制造业，提高了民用飞机的质量、缩短了研制周期、降低了成本投入，达到了客户的满意度。民用飞机制造业的整体技术改革，领导者需要建立起专业的工作团队，全面提高企业在本行业中的竞争地位。

参考文献

[1]李湘芝，史善华.数字化背景下民用飞机设计制造竞争力提升[J].科技创新导报，2013，05（14）：92-93.

[2]吴晓宇.探讨供应商管理在中国民用飞机制造产业中的发展方向[J].科技信息，2013，03（21）：61+44.

篇（9）

Abstract: design technology is a variety of ways and means that we in the design process to solve the specific design issues. Traditional design using the static, experience, passive, manual methods, the design efficiency and accuracy has been unable to meet the higher requirements of social development. Computer technology in the design of large-scale application is the integrated technology on the based of the traditional design technique interdisciplinary and multiple disciplines development. Along with the computer technology development, scientific, dynamic, active, modern design technology development and application, the design efficiency and accuracy are greatly improved.

Key words: computer technology; digital design; CAD; design; application

一、设计技术概述

设计技术是我们在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。传统设计我们采用的是静态、经验、被动、手工式的方法，其设计的效率和准确性已无法满足社会发展的更高要求。随着计算机技术的大发展，动态、科学、主动、现代化的设计技术不断发展和应用，使得设计的效率和精确性得到了最大程度的提高。计算机技术在设计中的大规模应用是在传统设计技术的基础上多专业和多学科交叉发展的综合性技术。现代设计技术由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术4个不同层次的技术所组成。基础技术主要指传统设计理论与方法。计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术。支撑技术则主要是可信式设计技术、试验设计技术和现代设计方法学。应用技术则是各产品领域的知识和技术。

二、数字化设计与数字化产品开发

数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域。数字化设计是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。 产品设计过程本质上是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程，其中包含了两种重要的活动：设计活动和仿真活动。因此产品设计也可以看作是一个设计活动和仿真活动彼此交织相互作用的过程。设计活动推动信息流程向前演进，而仿真则是验证设计结果的重要手段。2.1数字化设计的特点

1）实现并行设计一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。

2）设计过程中减少或避免实物模型的制造传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产―样机测试―修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除[1]某些设计不合理性。2.2数字化设计技术及应用

（1）参数化、变量化、模块化设计

参数化、变量化技术也是配置设计和按定单设计的基础。产品设计大多数是从已有产品进化而来的，据统计，典型定单产品中的标准件、外购件或变型件占90%，全新零件只占10%左右 利用参数化、变量化、模块化建模技术，可方便地修改设计，提高设计的效率，保证设计的质量和可靠性。CAD中的尺寸驱动法是利用参数化、变量化技术修改设计的有力工具利用广义相似理论，通过对功能单元、结构单元的重组可以获得不同结构形式的系列化产品（2）反求工程和快速原型技术复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线。数字化的核心是离散化，快速原型技术通过产品数据的分层和离散，将材料按需要添加到零件上，通过对材料配比的变化及烧结路径的变化，可有效地控制零件的性能和变形。反求工程和快速原型技术的巧妙结合为加快产品开发过程和在实物原型的基础上，深入探讨和选择设计方案奠定了基础。

（3）虚拟产品开发方法

虚拟产品即存储在计算机内部的产品数据模型，亦称数字化原型或数字化样机（Digital Mock-up）。虚拟产品开发不是简单的数字化建模和仿真，它更强调虚拟技术的应用，通过虚拟现实的交互性，沉浸性和想象性达到虚拟产品开发环境的高速逼真化，并可对虚拟原型直接进行操作，产生身临其境的感觉。数字化样机是描述产品功能和行为特性的产品数字化模型，它支持产品的多学科优化设计及产品运动学、动力学和使用性能仿真，通过对模型的评估、测试和优化，可以预先了解相应物理样机的特性。随着虚拟现实技术的发展，在数字化样机的基础上提出了虚拟样机的概念，它更强调仿真技术和VR技术的应用，通过VR环境中人对虚拟原型的操作，可有效地发挥人的创造性，提高了概念设计和总体设计中的分析、决策能力。虚拟产品开发技术（Virtual Product Development）是在信息技术、网络技术、仿真技术和虚拟现实技术基础上出现的最新数字化产品开发技术。虚拟产品开发是实际产品开发、制造、使用、维护在计算机上的本质表现，虚拟产品开发要求全面的产品数据描述和各种可视化的仿真工具及人机交互操作工具。数字化样机和虚拟样机技术不仅可以减少和替代部分实物实验，降低产品开发费用和缩短产品的研制周期，而且也是提高产品创新能力的有利工具。虚拟产品演示可以在一般计算机环境下进行，也可以在虚拟实境环境下进行，它不仅可显示产品的外观、内部结构以及工作原理，还可改变金属表面涂装的颜色和光泽，以及皮革的纹理等。虚拟产品既可用于设计交流，还可作为设计者与销售人员、销售人员与客户之间的交流。

三、CAD技术及应用

CAD技术的主要功能：零件造型、产品装配、产品渲染、动态显示、运动仿真；工程分析如有限元分析、优化设计、可靠性设计；绘制工程图样、编制物料清单等。

任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设计活动组成。这些活动既有串行的设计活动，也有并行的设计活动。目前，设计中的大多数活动都可以用CAD技术来实现，但也有一些活动尚难用CAD技术来实现，如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程。CAD的真髓不是绘图，而是建模和仿真[2]。数字原型（DMU）就是在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。数字原型可用于检验零部件之间的装配关系[3]，以防止相互干涉，从而可进行运动仿真。数字原型可用于透视复杂产品的内部结构，从而可进行装配、维修等人机工程的研究。它还可用于产品的外观艺术渲染，制作广告。在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。

计算机辅助工程是借助计算机强大的计算和图像处理能力解决工程技术中的各种问题，包括有限元分析、优化技术等。有限元分析FEA（Finite Element Analysis）是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程[4]。有限元法的基本思想是将问题的求解区域划分离散为一组有限个单元，单元之间按一定方式仅靠节点相互连接在一起的组合体。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组求解。节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。单元则是一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。信息通过单元之间的公共节点传递的。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。

集成化、网络化和智能化是现代CAD技术所追求的功能目标。集成化要能支持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换、CAX工具、DFX工具等[5]；网络化要能支持动态联盟中协同设计所需的环境与设计技术；智能化是指在实现集成化与网络化时所采用的智能技术，如人工智能、专家系统技术等。现代CAD技术的最终目的是要尽可能采用自动化设计技术使所设计的产品达到质量高、成本低、周期短，以便在先进制造模式下赢得市场竞争。随着现代CAD技术的发展，设计过程中越来越多的活动都能用CAD工具加以实现，因此 CAD技术的覆盖面将越来越宽，以至整个设计过程就是 CAD过程。

参考文献

[1]阎楚良,杨方飞.农业机械数字化设计技术研究与展望[C].//中国农业机械学会2006年学术年会论文集.2006:797-801.

[2]倪桂功.CAD/CAM技术在球头立铣刀设计制造中的应用[D].天津理工大学,2006.

篇（10）

中图分类号：TM933文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0015-04

变电站作为电力系统的一个重要部分，其运行状况好坏直接影响到整个电网运行的安全，变电站事故中有相当一部分是由人为操作不当造成的。这其中既有由于电网调度员误发调度令、对异常处理措施不当造成的事故，也有由于变电运行人员走错间隔导致的误操作事故、安全措施不到位误入带电间隔的人身伤亡事故、带电误合接地刀闸、带接地刀闸误合开关、带负荷拉合刀闸、设备缺陷和异常未能及时发现造成的事故。对事故判断不准和向调度汇报不清楚而延误故障处理时间、事故发生后处理不当使事故范围扩大化、对二次设备误操作而引发的事故等情况较多，造成了人身伤亡、设备损坏，甚至发生电网解列、电网崩溃等大面积停电事故。

因此，为保证电网安全、可靠、经济地运行，就必须提高电网调度员、变电站运行人员的技术素质和技能水平，加强变电站运行人员和电网调度员的培训。近年来，随着电力行业培训仿真技术的发展，各类培训仿真系统在电力行业应用越来越广，在提高生产运行人员的生产技能方面发挥了重要的作用。

一、变电站培训系统仿真的发展现状

近十几年来，我国变电站培训仿真系统获得了很大的发展。仿真范围逐步扩大、仿真的逼真度逐步提高。现存的变电站培训仿真系统，根据变电站一次部分控制操作以及保护屏柜实现方式，主要可分为三类：有硬件屏盘模式、软仿真模式、混合仿真模式。

（一）带盘台模式

带盘台模式是指用外观与实际变电站1：1的开关控制屏和保护屏硬件组成变电站仿真培训系统的主控室和保护室，主要由后台计算机支持这些硬件的操作和显示。该系统的硬件配置主要有模拟控制盘、模拟继电器保护盘、变电站配电装置、变电站主接线操作模拟盘、计算机控制仿真系统。其中计算机控制仿真系统是变电站培训仿真系统的核心，它担负模拟变电站的仿真，复现变电站主控室现象的任务。接收模拟盘的信息，控制模拟盘的动作和信号。这种带有硬件盘台的变电站仿真培训系统是最早应用的培训系统模式。带硬件盘台的仿真培训系统需要配备大量的硬件装置、设备，扩展性差，升级改造困难，同时硬件盘台并没有包括变电站中保护、测控柜等实际装置，与现场相比逼真度存在差距，培训效果不够理想。

（二）纯软件仿真培训模式

纯软件仿真培训模式是指变电站内的开关控制屏、保护屏、模拟屏、室外和室内的主设备及主接线等所有设备全都用软件仿真，除计算机外没有任何硬件，该系统采用多媒体仿真模式，仿真变电站的有关电气设备，包括一次设备、控制系统、中央信号系统以及继电保护和自动装置的面板均可在计算机屏幕上动态显示。软件模式的仿真培训系统很快便以其便捷、经济等优点受到电力部门的青睐，目前应用较广。在这种模式中传统控制室中的保护屏、控制屏、中央信号屏等物理设备均被计算机监控平台所代替，所有监控功能都通过人机交互界面实现与培训人员的互动。省去了大量硬件设备，大大提高了可靠性，并且有利于系统更新升级。但是软仿真模式的培训仿真系统由于所有的操作和显示都是在微机屏幕上进行，与实际现场环境差距大，真实感较差，培训效果也不太理想。

（三）混合仿真培训模式

混合仿真培训模式将数字化的电网仿真与变电站中全部真实的二次设备（包括监控系统、保护柜、测控柜、音响、灯光等）有机结合成为的混合仿真培训系统。目前，该类系统主要采用将数字化电网仿真与部分真实设备相结合的仿真模式，将数字化电网仿真结果通过数字模拟量转换卡转换为-3.53~3.53V的弱电交流量，再输出到经过改造的保护装置的内部采样插件上，并通过开关量输入卡采集模拟断路器的位置，从而实现断路器的动作的仿真，这种仿真方式只采用部分真实设备，并且需要对实际的保护柜进行改造才能以适应该仿真系统，并且可扩展性较差，新增加的保护设备无法直接接入（必须经过改造）培训仿真系统，该类系统的仿真效果与现场的一致性仍存在差距。

二、变电站数字物理混合仿真培训系统概述

变电站数字物理混合仿真培训系统是将数字化的电网一次设备仿真与实际变电站二次设备相结合的数字物理混合仿真技术。即监控系统、保护及测控装置、五防系统、灯光、音响等采用现场真实物理设备，而该变电站一次设备、邻近电网及其一次设备、二次设备等采用数字仿真。其中数字仿真部分采用变电站实时仿真与全动态电网混合仿真技术，即详细仿真的变电站采用实时仿真技术，变电站所在电网采用暂态、中期、长过程一体化仿真计算技术，实现电网的全动态仿真，从而既能详细而真实再现变电站一次设备的行为，也能逼真地再现大电网的各类动态过程对变电站的影响。数字仿真电网再通过高速的通信系统，高速的开关量采集、输出系统，高速、高精度的数字模拟量转换系统和仿真功率放大器与真实的变电站二次设备有机结合，实现了变电站软仿真子系统、数字电网仿真的一次、真实的二次设备仿真放置于同一个仿真系统中，有机连接、灵活配置，营造了十分逼真的变电站运行环境。从而实现对现场各类运行人员的培训需求：如变电站运行人员、继电保护人员、检修人员及相关的管理人员等，同时能完成人员培训、技能鉴定、岗位考核等各项工作。

三、变电站数字物理混合仿真培训系统架构

图1给出了变电站数字物理混合仿真系统的总体架构。其中电网及变电站的数字仿真部分通过接口系统实现变电站电磁暂态仿真与电网全动态仿真的有机结合，其他变电站软仿真也是基于同一个的电网仿真，从而可以实现变电站软仿真、混合仿真的一体化。数字电网仿真结果的瞬时值通过高速通信系统传送到高速、高精度同步数字模拟转换器形成0～10V的模拟交流量，该模拟量通过电流或电压功率放大器得到放大的电流或电压电气量驱动变电站的实际二次设备。数字仿真系统通过高速开关量采集系统实时检测到变电站开关和刀闸的状态，从而将数字仿真和实际二次设备有机结合起来，实现了数字仿真与变电站实际二次设备的无缝闭环连接。仿真培训系统通过开关量输出系统驱动非电气量保护动作模拟硬接点、变压器有载调压模拟硬接点、风冷控制模拟硬接点等，实现变压器的非电气量保护动作的模拟。

四、变电站数字物理混合仿真培训系统功能

变电站数字物理混合仿真培训系统是将电网仿真、变电站实时仿真、变电站综合自动化系统仿真和教员与学员系统有机结合为一体化的系统，不但实现了地区电网生产运行过程的全仿真，也可以正确反映变电站、变电站综合自动化系统和电网的相互作用、相互影响，可以对运行人员进行全方位的仿真培训。系统的主要应用功能如下：

（一）培训运行人员和相关管理人员

培训基本的运行技能。对新员工进行上岗培训，对老员工的基本运行能力进行培训及考核，使其熟悉变电站一二次设备、变电站综合自动化系统、集控站监控系统、电网结构、运行方式、电网潮流，掌握基本运行操作及运行规程，熟练使用实时监控系统（变电站综合自动化系统和电网调度自动化系统）及其他应用软件。

事故分析及处理。可进行开关、刀闸、变压器、母线、线路、发电机组、电容器等各种设备及其相关的故障处理培训，训练变电站运行人员发现事故、异常，依据仿真的电网环境判断故障和处理故障，并在训练结束后对事故进行分析，重放事故发生和处理的全过程。通过仿真训练可以使运行人员了解各种事故发生的现象、原因及变化过程，总结积累处理经验，增强他们事故处理时的自信心。

变电站一次设备正常和特殊巡视训练。通过变电站一次设备三维交互式漫游巡视系统，实现变电站一次设备的三维重现和虚拟操作，受训人员感到富有直观性、形象性，有助于其熟悉了解现场情况，更好地将理论知识与实践经验相结合。

对于管理人员进行电网及变电站运行的概念性培训。管理人员通过仿真培训可以了解电网及变电站的现状、运行方式、操作规程及电网和变电站运行的特性。

（二）联合反事故演习

本系统可用于研究电网、变电站特点，对薄弱环节做好事故预想工作，完善各种事故应对方案，从而提高事故情况下的应对能力，克服以往反事故演习纸上谈兵的局限性。仿真电网设置的常见事故及复杂事故发生后，将引起继电保护的连锁动作和电网潮流的变化，并显示越限设备的报警提示，对此研究后可以总结事故处理经验，制订出合理的事故处理预案。做到事前有分析，事后有反馈，切实提高电网安全运行能力。

五、硬件系统

变电站数字物理混合仿真培训系统的硬件系统由以下几部分组成：教员台，学员台，仿真主机，变电站实际二次设备，电流、电压功率放大器，高速、高精度同步输出数字模拟转换器，高速通信及开关量输入输出系统，混合仿真集成支撑平台。

（一）教员台

可以用仿真主机，运行教员子系统为教员管理和控制培训过程提供支撑平台。

（二）学员台

使用与现场完全一致的监控系统工程画面，保留所有现场监控系统功能，并与仿真模型建立通信连接。使学员在监控系统仿真界面上获得在现场监控系统上相同的操作。

（三）仿真主机

运行全动态电网仿真子系统，是仿真系统的核心和中枢。仿真系统模型包括：邻近电网的全动态电网计算模型、包括一次、二次设备模型、故障模型和异常模型。

（四）变电站实际二次设备

保护、测控、音响、灯光等装置采用与现场完全相同的硬件设备，可以为受训者提供真实的操作、监视手段，使得仿真机不仅可以培训变电站运行人员的常规操作和监视，同时还能使他们熟悉和了解变电站重要二次保护装置和屏面设备。

（五）电压、电流功率放大器

功率放大器接收DA输出的弱电模拟信号，进行功率放大使电流信号放大至0～20A、使电压信号放大至0～100V，以驱动实际二次设备。放大器在与仿真信号连接是采用高阻差分方式，无公共连接点，这样可保证仿真系统的安全工作，又可长线连接抗干扰，提高系统的小信号精度。仿真培训专用的功率放大器多路的电流或电压输出，从而能保证更好的同步输出精度，同时降低电流功率放大器的最大输出电流。

（六）高速、高精度同步输出数字模拟转换器

将变电站实时仿真计算出的电压和电流的数字量转化为模拟量，是决定仿真精度的重要环节，其关键技术是实现各路数字模拟转化（DA）的同步输出，同时为了保证输出波形的质量，每工频周波的输出点数大于60点，DA向功率放大器输入模拟弱电信号。为了保证混合仿真系统的可扩展性，更好地适应变电站规模的变化，采用分布式同步实时仿真技术，即根据变电站电气量需要严格同步的程度对各电气量进行分组，每组电气量在同一块DA转换器进行输出保持严格的同步，多组DA转换器通过高速PCI总线分布式工作，因此降低了以前依赖专用的DA转换器的程度，这样既可以保证仿真培训的效果，又可以保证系统的高可扩展性和系统造价。

（七）高速通信及开关量输入输出系统

通过开关量输入系统采集开关、刀闸动作情况、有载调压接点，实现开关、刀闸状态及变压器抽头位置的高速采集，将实际设备的状态实时发送给变电站实时仿真计算。通过开关量输出和继电器模拟非电量保护动作、变压器风冷控制硬接点等。

（八）混合仿真集成支撑平台

混合仿真集成支撑平台采用PCI总线技术将高速、高精度同步输出数字模拟转换器、高速通信系统和开关量输入输出系统紧密集成。变电站实时仿真子系统和实时操作系统均运行在混合仿真集成支撑平台，实时操作系统通过硬件系统驱动软件驱动数字模拟转换器、高速通信系统和开关量输入输出系统（即用于对DA转换器、开关量输出和开关量输入板卡的控制）是实现数字一次设备与二次物理设备有机联系的接口系统，将变电站实时仿真计算结果实时刷新DA卡、将接口系统的自身状态定时刷新DA转换器的某个通道、通过开关量输入系统采集开关、刀闸

的状态、通过开关量输出系统向实际设备发送指令。

六、软件系统

混合仿真培训系统的软件系统主要由以下几部分组成：交互式、分布式仿真软件支撑平台，全动态电网仿真子系统，教员与学员子系统，变电站实时仿真子系统，实时操作系统，硬件系统驱动子系统。

全动态电网仿真子系统、变电站软仿真子系统、变电站实时仿真子系统、教员与学员系统软件通过交互式、分布式仿真软件支撑平台的运行管理系统有机结合在一起组成整个数字仿真培训系统，变电站实时仿真子系统通过实时操作系统的内核级调用与硬件系统驱动软件集成，与物理设备完成无缝连接。

交互式、分布式仿真软件支撑平台是混合仿真培训系统基础，包括数据库管理系统、仿真运行管理系统、人机界面系统、变电站一二次设备人机界面系统和仿真建模系统。数据库管理系统采用商用数据库与实时数据库相结合的方式，实时数据库是常驻内存数据库，用来支持数据的快速访问、处理。实时数据库与商用数据库有机结合的方式保证了数据库的实时性和高效性，商用数据库作为实时数据库的持久存储，较好地解决了分布式系统中数据库系统的开放性、实时性和一致性问题，从而充分发挥了实时数据库和商用数据库各自的优势。仿真运行管理系统，作为分布式仿真的运行支撑系统，实现了各个仿真应用之间的交互操作，是联系各仿真子系统（软仿真、电网仿真、混合仿真）各部分的纽带，是分布式仿真系统的核心，为各个仿真应用软件提供了位置透明、高效的虚拟运行环境，向子系统提供交互对象管理服务、时间管理服务、数据分发管理服务和应用程序接口。人机界面系统是全图形人机接口，为教员和学员提供交互式操作媒介。变电站一二次设备人机界面系统采用了虚拟仪器技术、组件技术、3D建模技术和虚拟现实技术，可以构建各种电压等级的虚拟变电站，包括变电站主控制室、控制屏、保护屏、中央信号屏、交直流屏等二次设备和现场一次设备，分为变电站一二次设备人机界面编辑系统、在线系统及变电站一次设备三维交互式虚拟场景系统。仿真建模系统通过图形、模型和数据库一体化建模技术，在画面编辑时能够提供特定电气元件的计算模型，在生成画面同时，能够自动地生成或人为输入电气元件计算模型的参数，并插入到数据库相关表格中，为电网仿真、变电站实时仿真等子系统提供拓扑数据和运行数据。

全动态电网仿真子系统采用暂态、中期、长过程一体化计算再现真实的电力系统的动态响应过程，采用了固定结构的稀疏矩阵、微分方程隐式梯形差分方程与网络代数方程的联立求解、强鲁棒性牛顿―拉夫逊法非线性方程求解、自动变步长等技术保证电网仿真计算的快速性和稳定性。

教员与学员子系统为教员管理和控制培训过程提供支撑平台，功能由四部分组成，即：系统管理功能、培训前运行方式和教案准备、培训中的操作和进度控制、培训后分析和评估。系统管理功能包括时间管理、用户管理、运行方式管理等；培训前运行方式和教案准备包括选择运行方式数据、整定初始方式、预设故障和事件；培训中的操作和进度控制是指教员对培训进程的控制、对电力系统模型的操作、设置故障和事件、管理和监视学员的操作；培训后分析和评估包括使用事件记录、曲线、报表等工具分析学员操作的效果，利用事故追忆再现学员的处理过程和系统的变化过程，利用评价工具对学员的操作进行评价。

变电站实时仿真子系统在变电站中一次设备的三相暂态模型及外网动态等值模型基础上，采用电磁暂态计算理论实现变电站的详细仿真计算。通过接口算法实现变电站实时仿真与全动态仿真的在线交互，保证变电站的动态响应的准确性。变电站实时仿真子系统运行在实时操作系统基础上，实时操作系统可配置成单任务模型，保证实时仿真子系统的最高优先级的运行级别，实时操作系统运行于混合仿真集成支撑平台，并通过硬件系统驱动软件驱动硬件系统。

七、结论

本文研究开发的变电站数字物理混合仿真培训系统是在软仿真模式的变电站仿真技术基础上，结合电力系统的实时仿真技术，将数字化的电网仿真与变电站中全部真实的二次设备有机结合成为的物理与数字混合仿真培训系统，使受训的变电站运行人员、继电保护人员、检修人员及相关的管理人员在完全真实的变电站环境内接受训练，同时能够完成人员培训、技能鉴定、岗位考核等各项工作，能有效地提高现场运行人员素质水平。该系统已在石家庄电力培训学校220kV教学变电站培训仿真系统中，取得了很好的培训效果。

参考文献

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篇（11）

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）24-0215-02

0 引言

起始于上个世纪，有科学家提出了“数字校园”的概念。这一概念源于1990年的一项科研项目――“信息化校园计划”，此项目的发起人是美国克莱蒙特大学的凯尼斯・格林（Kenneth Green）教授，自此“数字校园”这一概念被提出来。在后期发展过程中，逐步地改进和扩展了“数字化校园”的概念。数字校园（digital campus）是一种集数字化、信息化、可视化等多种技术为一体的计算机管理应用系统[1]。从数字校园的发展来看，人们逐步地将目光从二维数字校园转移到三维数字校园，二维数字校园主要给人以引导和指示的作用，而三维数字校园的整体效果更为震撼，它不光是能够利用强大的网络功能将整个校园的风貌展现出来，而且可以通过三维漫游的形式让观众仿佛置身其中。这种三维功能的实现，对校企合作交流、学校对外展示校貌、招生等方面都有很重要的现实意义。就目前看来，构建三维数字化校园模型的软件有不少，并且能够创建出相当好的三维场景，在本文中，使用AutoCAD、PS图像处理

软件、3DMAX、Creator等软件建立三维数字校园模型

方法。

1 三维数字化校园的建模

1.1 建模平台的选择 随着地理信息系统（GIS）这一行业的迅速崛起，各种GIS的产品逐渐被使用和商业化，人们的认识也逐步从使用二维产品转向对三维产品的需求，随之而来的是开发各种制作三维产品的软件，国外的GIS软件如美国ESRI公司的ArcGIS、ERDAS公司的Imagine Virtual GIS模块；国内主要有：适普公司的

IMAGIS、北京灵图公司的VRMap、北京超图的Supermap等都具可以完成三维可视化的效果。

1.2 基本数据的收集 该项目的数据包括两部分，一部分是使用差分GPS、全站仪等仪器设备采集的外业数据；另一部分是校园规划数据来自于学校基建处。所用的数据一般分为具有空间性的和不具有空间性的，前者例如各种贴图数据，地形图数据；而后者如各种属性信息，建筑物高度等信息[2]。使用的数据主要有三种：一是地表数据，即兰州资源环境职业技术学院主校区平面图，包括主要建筑物、校园道路、学校操场、花坛草地等信息，通过对学院的地形进行测量，在AutoCAD软件环境下进行输入和编辑，一般采用CAD（*.DXF）格式、ArcGIS使用的Shape格式的地形图；二是实体属性数据，也就是建筑物模型数据，收集整理建筑物相关的属性数据，即建筑物的名称、高度及外观信息等；三是纹理数据，这部分数据主要是对校园内的建筑物各个不同纹理的表面、对纹理不同的道路、铺设有不同板砖的地面、种植有不同植被的草坪和树林等根据实际情况拍摄照片，利用PS等图像处理软件对拍摄的照片进行裁剪、变换等处理，为了方便三维建模过程中进行实物的贴图。

1.3 三维模型的建立 使用所收集的外业测量数据和经PS处理的纹理贴图数据，利用Creator软件构建三维模型，对主要建筑物、道路、草地等进行纹理贴图和映射，使用地形图提供的坐标，逐个对不同的地物进行建模，由于所使用的基础数据都利用了原坐标，所以对于所有模型的整合有很大作用。再添加花园、草地、林地等。最后在建立完成的场景下调整好灯光、像素等，在3DMAX下面进行渲染烘焙。

2 三维数字建模实现的关键步骤

2.1 贴图采集和处理 纹理质量和大小直接影响到存储空间，速度和真实程度的模拟。利用PS图像处理软件进行贴图处理，处理工作包括自由变换、裁剪、对比度的调整，以实现贴图真实，外观漂亮，数据量小的结果。处理墙纹、栅栏等图片使其更具有对称性并成为无缝平铺的纹理，以保证其在三维场景中进行绘制和漫游时不发生变形和缺失，图片的像素一般要达到2的N次方，分辨率为

72dpi，纹理图像存储为一个高压缩比的PNG格式或JPG格式。

2.2 实体建模和优化 整个数字化校园的主要内容为三维模型的建立，建筑物模型的建立是重点，考虑到渲染烘焙速度、仿真效果、交互难度和实时的响应速度，应当尽量减少模型的数量，为了减少数据量和工作量，使模型更简单。

2.2.1 校园分区 按整个场景的空间位置进行分割，根据学校的整个布局，将校区分成5个部分，分别是主要建筑物、花园、草地、后山林地、大片的水泥地，之后利用校园主要的通行道路来确定别的目标的方位来整合模型。

2.2.2 模型的简化 构建模型需要的面有1100个，复杂程度不同的建筑物要分别处理，对形状规则的建筑物而言，需要降低精度，将建筑物的顶部和底部等不需要的面删除；对于外形相似的建筑物，选择有相似性的模型，对其进行简单修改，即可得到相应的模型；对于复杂的模型，用简单的模型结合构建面片来完成。

2.3 纹理映射 纹理是指映射到三维物体表面的二维图像[3]。获取的贴图都是利用相机实际拍摄，并利用

Photoshop处理过的图片，使得贴图效果更加仿真，为了使贴图效果更加细腻，尽量使用小纹理的贴图，并且可以重复使用贴图和延伸；贴图种类也不可过多，应尽量统一。利用Creator软件纹理贴图、修改功能给实物赋纹理；加载纹理贴图要注意次序的安排，避免重复加载数据造成冗余[4]。

3 小结

本文采用1：500数字化地形图和CAD数据，以及各种地物的纹理数据，利用ArcGIS，Photoshop，AutoCAD，3DMAX和Creator等软件制作数字地图，获取和编辑各种地物的属性信息和位置信息，对地表数据进行编辑和处理，并将纹理数据进行映射，利用原坐标地形数据构建三维数字模型，如图1所示。

随着招生宣传竞争步伐的加速膨胀，简单的导航功能已不能满足校园信息化的要求，利用三维数字化模型系统，呈现校园的整体校容校貌、展现校园的风采，对学校的整体形象和招生工作等方面有很大的作用。

参考文献：

[1]李芳，肖洪，杨波，周亮，刘宇鹏.三维数字校园的设计与实现[J].系统仿真技术，2010，6（1）.

[2]张鹏林，胡文敏.基于Vega的三维GIS开发技术研究[J]. 测绘信息工程，2006，31（4）：36-37.