01

虛擬仿真技術

虛擬(ni)仿真技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)是以計算機技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、網絡技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、先進傳感(gan)器技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、自動(dong)(dong)控制(zhi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)為基礎(chu)，綜合多維圖形(xing)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、激(ji)光立體(ti)成(cheng)像技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)，對(dui)體(ti)驗者的(de)肢體(ti)動(dong)(dong)作信息實(shi)時(shi)跟蹤并反饋互(hu)動(dong)(dong)，對(dui)體(ti)驗者的(de)視覺形(xing)成(cheng)集(ji)圖像、動(dong)(dong)畫、聲音或部分感(gan)官產生動(dong)(dong)作為一(yi)體(ti)的(de)模(mo)擬(ni)現實(shi)世界(jie)的(de)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)。

虛(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿(fang)真(zhen)分為完全(quan)虛(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿(fang)真(zhen)和(he)半虛(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿(fang)真(zhen)。完全(quan)虛(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿(fang)真(zhen)主(zhu)要通(tong)過計算(suan)(suan)機(ji)及(ji)其專(zhuan)用(yong)(yong)(yong)功(gong)能(neng)軟件進(jin)行仿(fang)真(zhen)，如建筑設(she)(she)計常(chang)用(yong)(yong)(yong)的(de)BIM軟件，基本(ben)不(bu)需要計算(suan)(suan)機(ji)以(yi)外(wai)(wai)其他(ta)(ta)硬件的(de)配合。半虛(xu)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿(fang)真(zhen)則除了利用(yong)(yong)(yong)計算(suan)(suan)機(ji)及(ji)相應專(zhuan)用(yong)(yong)(yong)軟件以(yi)外(wai)(wai)，還需要其他(ta)(ta)專(zhuan)用(yong)(yong)(yong)硬件設(she)(she)備或(huo)計算(suan)(suan)機(ji)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)相應輸(shu)入量(liang)或(huo)輸(shu)出(chu)量(liang)的(de)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)仿(fang)真(zhen)。如飛(fei)行訓練系(xi)統(tong)(tong)由計算(suan)(suan)機(ji)系(xi)統(tong)(tong)、顯(xian)示(shi)系(xi)統(tong)(tong)以(yi)及(ji)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)駕(jia)駛桿、油門、航向舵的(de)硬件組成，計算(suan)(suan)機(ji)接(jie)受學(xue)員操(cao)作傳來的(de)信息，然后通(tong)過計算(suan)(suan)模(mo)擬(ni)(ni)(ni)(ni)顯(xian)示(shi)飛(fei)機(ji)姿態(tai)以(yi)及(ji)周圍(wei)變(bian)化的(de)環境(jing)。

02

虛擬仿真實驗室及特點

虛(xu)擬仿真實(shi)驗室是(shi)主要(yao)以仿真技(ji)術(shu)構建而成的(de)實(shi)驗室，仿真實(shi)驗室主要(yao)用(yong)于教學(xue)訓(xun)練、理(li)論驗證以及新品開(kai)發(fa)。主要(yao)特點是(shi)：

2.1直觀形象共享

虛(xu)擬仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)技術因其(qi)可(ke)(ke)以(yi)全(quan)息化(hua)模(mo)(mo)擬實(shi)(shi)驗(yan)場景和實(shi)(shi)驗(yan)過程，完(wan)成真(zhen)實(shi)(shi)實(shi)(shi)驗(yan)不具備(bei)或(huo)難以(yi)實(shi)(shi)現(xian)的(de)過程，對于(yu)(yu)(yu)復雜(za)場景以(yi)及(ji)危險實(shi)(shi)驗(yan)、難以(yi)真(zhen)實(shi)(shi)看到的(de)事(shi)物或(huo)規律，用圖像或(huo)動畫的(de)形(xing)式直觀形(xing)象展示。例如(ru)(ru)人體器(qi)官(guan)的(de)組(zu)成及(ji)運(yun)動，由于(yu)(yu)(yu)實(shi)(shi)體樣本數(shu)量受(shou)限(xian)(xian)，可(ke)(ke)以(yi)用三(san)維(wei)軟件(jian)模(mo)(mo)擬各器(qi)官(guan)、系(xi)統的(de)相互關系(xi)及(ji)運(yun)動規律，模(mo)(mo)擬對各器(qi)官(guan)的(de)外(wai)科操(cao)作(zuo)。又如(ru)(ru)，對于(yu)(yu)(yu)貴重儀(yi)器(qi)使(shi)用培(pei)訓(xun)，由于(yu)(yu)(yu)難以(yi)觀察到儀(yi)器(qi)內(nei)部結構(gou)(gou)，不利于(yu)(yu)(yu)人員(yuan)清(qing)晰了解(jie)內(nei)部構(gou)(gou)造(zao)及(ji)工作(zuo)原理，仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)軟件(jian)可(ke)(ke)對儀(yi)器(qi)進行(xing)全(quan)方位、立體式的(de)展示，內(nei)部構(gou)(gou)造(zao)分布、組(zu)件(jian)拆(chai)解(jie)、組(zu)合，便于(yu)(yu)(yu)人員(yuan)了解(jie)儀(yi)器(qi)任一部件(jian)的(de)構(gou)(gou)造(zao)及(ji)功能(neng)。完(wan)全(quan)虛(xu)擬仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)系(xi)統可(ke)(ke)以(yi)實(shi)(shi)現(xian)網(wang)絡共(gong)享(xiang)，不受(shou)時間(jian)、人員(yuan)數(shu)量的(de)限(xian)(xian)制，多人同(tong)時在不同(tong)計算(suan)機(ji)上操(cao)作(zuo)，實(shi)(shi)現(xian)資源無(wu)限(xian)(xian)共(gong)享(xiang)。

2.2安全環保高效

仿真實(shi)驗(yan)(yan)室避免了實(shi)驗(yan)(yan)人(ren)員因(yin)為理論知識不(bu)(bu)足(zu)、操作(zuo)不(bu)(bu)規范等(deng)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)不(bu)(bu)安全因(yin)素，同時不(bu)(bu)需要試劑配制等(deng)對(dui)操作(zuo)人(ren)員產(chan)(chan)生(sheng)危害(hai)，提高了安全性。如虛擬仿真汽車駕駛(shi)(shi)系統，可讓學員體驗(yan)(yan)真實(shi)的(de)駕駛(shi)(shi)感受，又(you)能確(que)保安全。用仿真技(ji)術展示化學腐(fu)蝕(shi)、金(jin)屬加工(gong)、焊接等(deng)工(gong)藝，可以(yi)減少污(wu)染物、廢液廢渣對(dui)環境的(de)污(wu)染。通(tong)過虛擬仿真技(ji)術，研究(jiu)人(ren)員只要更改相應的(de)參(can)數與設置合適的(de)實(shi)驗(yan)(yan)環境，就(jiu)可以(yi)反復(fu)進行(xing)實(shi)驗(yan)(yan)活動，這樣(yang)提高了工(gong)作(zuo)效率，縮短(duan)了研究(jiu)周期(qi)。

2.3維護成本較低

軟件(jian)系(xi)(xi)統(tong)沒有(you)任何損耗，虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)仿真(zhen)(zhen)系(xi)(xi)統(tong)減(jian)少(shao)了(le)(le)(le)對(dui)計算(suan)機(ji)以外其他設備的(de)(de)投(tou)入和(he)維護(hu)保(bao)養費用，操作可(ke)(ke)以無(wu)限次重復，不需(xu)要(yao)(yao)各(ge)(ge)種耗材，確保(bao)高質高效(xiao)。如(ru)風洞仿真(zhen)(zhen)系(xi)(xi)統(tong)，可(ke)(ke)以仿真(zhen)(zhen)飛行(xing)器外部(bu)形(xing)狀以及(ji)不同姿態(tai)、不同相對(dui)速(su)度情況下(xia)飛行(xing)器各(ge)(ge)部(bu)分(fen)(fen)受力(li)情況，減(jian)少(shao)了(le)(le)(le)每小時耗資(zi)數萬元(yuan)的(de)(de)風洞真(zhen)(zhen)實實驗費用。又(you)如(ru)電磁場(chang)仿真(zhen)(zhen)軟件(jian)系(xi)(xi)統(tong)，可(ke)(ke)以形(xing)象地仿真(zhen)(zhen)出不同電磁場(chang)環(huan)境與激勵體之間的(de)(de)電磁分(fen)(fen)布等。利(li)用先進的(de)(de)虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)仿真(zhen)(zhen)技術(shu)可(ke)(ke)以真(zhen)(zhen)實模擬(ni)(ni)汽車(che)碰撞效(xiao)果，成本遠遠低于真(zhen)(zhen)實實驗，從而(er)減(jian)少(shao)了(le)(le)(le)物(wu)資(zi)消耗，也(ye)節約(yue)了(le)(le)(le)研究資(zi)金。又(you)如(ru)，機(ji)場(chang)、碼頭、公交(jiao)樞紐的(de)(de)人員(yuan)疏散(san)，可(ke)(ke)以用虛(xu)(xu)擬(ni)(ni)仿真(zhen)(zhen)進行(xing)實驗和(he)驗證(zheng)，減(jian)少(shao)大(da)規模動員(yuan)演練需(xu)要(yao)(yao)的(de)(de)人力(li)、物(wu)力(li)和(he)財力(li)。

2.4模擬難以構建的現實環境

通過虛擬仿真可以(yi)展示難以(yi)在(zai)真實條件下(xia)復(fu)現的(de)場(chang)景及各(ge)種(zhong)要素(su)的(de)相(xiang)互作用(yong)。這(zhe)種(zhong)虛擬仿真已經應(ying)用(yong)于(yu)航(hang)空災(zai)難性事(shi)故、汽車交通事(shi)故、模(mo)擬案發現場(chang)等(deng)(deng)。例(li)如(ru)在(zai)汽車行業(ye)當中(zhong)，汽車的(de)安(an)全性是(shi)重要的(de)測試項目，一般會使(shi)用(yong)真實的(de)車輛做碰(peng)撞實驗，以(yi)獲得相(xiang)關數(shu)據(ju)。再如(ru)一些有(you)危(wei)險(xian)性、復(fu)雜程度相(xiang)對較高或(huo)者(zhe)(zhe)對于(yu)從(cong)業(ye)者(zhe)(zhe)與作業(ye)環境有(you)較高或(huo)特(te)殊要求(qiu)的(de)行業(ye)，如(ru)化(hua)工、礦井、工程、電力、核(he)能與醫療等(deng)(deng)，難以(yi)進行試驗，利用(yong)虛擬現實與仿真技術，研究者(zhe)(zhe)便可在(zai)安(an)全的(de)環境下(xia)開展實驗或(huo)教學活動。

03

建立虛擬仿真實驗室步驟

虛(xu)擬(ni)仿真(zhen)實(shi)驗室(shi)一般由計(ji)算(suan)(suan)機(ji)、模(mo)擬(ni)輸(shu)(shu)(shu)入系(xi)統、視覺(jue)系(xi)統以(yi)及感覺(jue)模(mo)擬(ni)系(xi)統組成。計(ji)算(suan)(suan)機(ji)系(xi)統包括計(ji)算(suan)(suan)機(ji)硬件和虛(xu)擬(ni)仿真(zhen)系(xi)統軟件，負(fu)責(ze)(ze)各實(shi)驗過(guo)程中物理(li)量(liang)的(de)輸(shu)(shu)(shu)入與變化，負(fu)責(ze)(ze)根據輸(shu)(shu)(shu)入的(de)物理(li)量(liang)以(yi)及研(yan)究對(dui)象的(de)數(shu)學模(mo)型計(ji)算(suan)(suan)實(shi)驗結果。計(ji)算(suan)(suan)機(ji)輸(shu)(shu)(shu)出信號輸(shu)(shu)(shu)送到仿真(zhen)系(xi)統，顯示視覺(jue)圖像（包括動畫(hua)）以(yi)及感覺(jue)模(mo)擬(ni)信號（如(ru)剎車后人員(yuan)前傾的(de)感覺(jue)）。相互關系(xi)見下(xia)圖 。

虛擬仿(fang)真實驗室組成及(ji)各(ge)系統相互關系

建立仿(fang)真實(shi)驗室除了(le)購置計算機系統(tong)、相應仿(fang)真軟件外，主要(yao)應制定(ding)虛擬仿(fang)真方案，仿(fang)真方案主要(yao)有以下內容。

3.1厘清研究對象

虛(xu)(xu)(xu)擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)的核心是(shi)(shi)仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)，手段是(shi)(shi)虛(xu)(xu)(xu)擬(ni)，通過虛(xu)(xu)(xu)擬(ni)實現(xian)實現(xian)仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)。必(bi)須(xu)弄(nong)清研究(jiu)對象本身，弄(nong)清研究(jiu)對象的特點和(he)運動(dong)規律。例如(ru)研究(jiu)液壓傳遞原理，就必(bi)須(xu)明確液體(ti)等量(liang)(liang)傳遞壓強的原理，才能模擬(ni)不同(tong)截面產生不同(tong)壓力。又如(ru)數控加工(gong)仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)，必(bi)須(xu)弄(nong)清切削力、切削溫度、振(zhen)動(dong)、切屑(xie)形成(cheng)、工(gong)件表面質量(liang)(liang)、刀具磨損等規律，才能利用有限(xian)元手段進行仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)。

3.2弄清要素關系

在(zai)建(jian)設虛(xu)擬(ni)仿(fang)(fang)真(zhen)實驗室(shi)時，必須(xu)弄(nong)清影響研究對象的(de)各物(wu)(wu)理量(liang)，以及相應物(wu)(wu)理量(liang)產生的(de)激勵(li)，弄(nong)清各量(liang)值之間的(de)數量(liang)關系，建(jian)立(li)相應數學(xue)模型。這樣才(cai)能通過改變輸入量(liang)，產生相應輸出量(liang)，展示相應實驗效果。例如電磁(ci)仿(fang)(fang)真(zhen)就要弄(nong)清信號源、被激勵(li)物(wu)(wu)體(ti)的(de)材質(zhi)、形(xing)狀、距離(li)，才(cai)能計算(suan)出在(zai)信號源作用下，物(wu)(wu)體(ti)周(zhou)圍不同位置(zhi)的(de)電磁(ci)場強度(du)(du)和方向。又如，飛(fei)行(xing)器飛(fei)行(xing)狀態仿(fang)(fang)真(zhen)，必須(xu)弄(nong)清飛(fei)行(xing)器外部空氣動力外形(xing)、飛(fei)行(xing)姿態、發(fa)動機推(tui)力等與飛(fei)行(xing)器阻力、加速(su)度(du)(du)、速(su)度(du)(du)、高度(du)(du)的(de)關系，才(cai)能虛(xu)擬(ni)仿(fang)(fang)真(zhen)飛(fei)機的(de)操作過程(cheng)。

3.3明確對話內容

在虛擬仿(fang)真實(shi)(shi)(shi)驗(yan)室建設過(guo)程中，應(ying)明(ming)確哪(na)些物理量需(xu)要(yao)改(gai)變，需(xu)要(yao)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)人員(yuan)通過(guo)電腦輸入或通過(guo)硬件(jian)模擬輸入。明(ming)確哪(na)些實(shi)(shi)(shi)驗(yan)結果的(de)參(can)數應(ying)當發生(sheng)改(gai)變，并(bing)通過(guo)圖像或動(dong)畫形(xing)式實(shi)(shi)(shi)施(shi)表現出(chu)來，甚至通過(guo)模擬系統產生(sheng)相應(ying)動(dong)作(zuo)，刺激實(shi)(shi)(shi)驗(yan)人員(yuan)的(de)感官(guan)，實(shi)(shi)(shi)現現實(shi)(shi)(shi)體驗(yan)。

3.4仿真系統研發

根據研究(jiu)對象(xiang)的(de)規律和特點，以及(ji)研究(jiu)對象(xiang)受影響的(de)參量(liang)（因變(bian)(bian)(bian)量(liang)）和變(bian)(bian)(bian)量(liang)發生變(bian)(bian)(bian)化時參變(bian)(bian)(bian)量(liang)的(de)變(bian)(bian)(bian)化規律，用實(shi)驗室人員(yuan)的(de)視覺或感官習慣接受的(de)圖像(xiang)或動畫展示。通(tong)過有代表性的(de)任(ren)務(wu)剖面進行(xing)實(shi)驗驗證，直(zhi)至(zhi)實(shi)驗結果(guo)是(shi)正確的(de)或可接受的(de)。

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04

建設虛擬仿真實驗室建議

4.1強化基礎研究

仿真實驗(yan)建設(she)應具備很強的(de)(de)(de)基礎(chu)研(yan)究(jiu)，弄(nong)清研(yan)究(jiu)對象特點及相關(guan)要素的(de)(de)(de)相互影(ying)響的(de)(de)(de)規律，在大(da)量實驗(yan)的(de)(de)(de)基礎(chu)上，形成(cheng)理(li)論，建立完(wan)善的(de)(de)(de)數學模型，才能(neng)實現仿真。目(mu)前成(cheng)熟的(de)(de)(de)實用(yong)(yong)仿真軟(ruan)件，主要依據深(shen)入的(de)(de)(de)基礎(chu)理(li)論研(yan)究(jiu)。如ANSYS HFSS軟(ruan)件，提供了簡潔直觀(guan)的(de)(de)(de)用(yong)(yong)戶設(she)計接口、精確自適應的(de)(de)(de)場解(jie)、擁有空前電性能(neng)分析能(neng)力的(de)(de)(de)功能(neng)強大(da)后(hou)處理(li)器，能(neng)計算(suan)任意形狀三維無(wu)源結構的(de)(de)(de)S參(can)數和全波電磁場。

4.2長期積累摸索

有些事物的(de)(de)規律難以用數(shu)學(xue)模型來(lai)描述，必須經(jing)過(guo)大量的(de)(de)實(shi)驗，通過(guo)數(shu)據積累形(xing)成經(jing)驗公式或數(shu)據庫，這需要(yao)實(shi)驗室長(chang)期積累和摸索(suo)的(de)(de)過(guo)程，例如金屬材(cai)料(liao)的(de)(de)高溫蠕變(bian)性能，每一種(zhong)材(cai)料(liao)均(jun)要(yao)經(jing)過(guo)數(shu)年(nian)甚至(zhi)十幾年(nian)的(de)(de)實(shi)驗才能得出實(shi)驗數(shu)據，得出經(jing)驗公式。

4.3行業共同實施

建立仿真實驗(yan)室是(shi)某一行業(ye)甚至整個(ge)國家(jia)的(de)(de)任(ren)務，例(li)如芯片性能設計實驗(yan)室，單靠(kao)一個(ge)企業(ye)是(shi)難以(yi)完成(cheng)的(de)(de)，必須集中(zhong)(zhong)行業(ye)或國家(jia)之力，統籌(chou)規劃，集中(zhong)(zhong)研究各(ge)實驗(yan)室掌握(wo)的(de)(de)數(shu)據，形成(cheng)共(gong)性理論，研發行業(ye)仿真系統軟件。例(li)如國家(jia)發布了(le)《信息(xi)技術學習、教育和培訓 虛擬實驗(yan) 》系列標準，這是(shi)行業(ye)共(gong)同努力的(de)(de)結果。

4.4實施開放共享

對于一個單位或行(xing)業的(de)仿(fang)(fang)真實驗室在確保保密要求的(de)情況下，應當(dang)對外開放共享，減少不必要的(de)重(zhong)復建設，同時可以強(qiang)化人(ren)員交(jiao)流(liu)，不斷完(wan)善仿(fang)(fang)真實驗室的(de)理論水平與仿(fang)(fang)真效(xiao)果。

虛(xu)擬仿(fang)真實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室隨(sui)著技術的(de)不斷突破與創新(xin)，隨(sui)著對事(shi)物(wu)本質規律研究(jiu)的(de)逐步深入，將會(hui)在教(jiao)育訓練、理論驗(yan)(yan)證、新(xin)品開(kai)發(fa)方面發(fa)揮更大的(de)作用。有條件(jian)的(de)研究(jiu)機(ji)構、企業(ye)應當開(kai)發(fa)相應專業(ye)的(de)虛(xu)擬仿(fang)真系統，并持續豐(feng)富(fu)發(fa)展，確(que)保虛(xu)擬仿(fang)真無(wu)限接(jie)近真實(shi)(shi)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)過程和結(jie)果，縮短實(shi)(shi)驗(yan)(yan)周(zhou)期，提高實(shi)(shi)驗(yan)(yan)效率(lv)，降(jiang)低實(shi)(shi)驗(yan)(yan)成本，提高實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室效益。

文章來源未來實驗室學苑