計(jì)算機(jī)技術(shù)在企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用分析

張永樂(lè)

摘要：基于企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際案例，從理論分析體系、實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系及工程現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合等方面，對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)在企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及發(fā)展前景進(jìn)行了全面分析，有利于促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)技術(shù)；企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；科研體系；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）24-5790-03

Applied Analysis of Computer Technology in State Key Laboratory of Enterprise

ZHANG Yong-le

（State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： Based on characteristic of state key laboratory of enterprise， the application status， existing problem， and development prospect of computer technology used in scientific innovation activity were analyzed overall， from the aspects of theoretical analysis system， experiment technology system， engineering field application， and so on.

Key words： computer technology； state key laboratory of enterprise； scientific research system； applied analysis

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其已被廣泛地應(yīng)用到社會(huì)活動(dòng)的各個(gè)方面、各個(gè)領(lǐng)域，如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用程度，已被作為衡量企業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也得到了一定的推廣應(yīng)用，如科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科研管理、操作培訓(xùn)、人員辦公、財(cái)務(wù)管理、人事管理等方面都應(yīng)用了自動(dòng)化管理軟件，大大提高了工作效率[1]。計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用越廣泛，科研成果質(zhì)量的提高就越快，企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展也就越快。但我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)整體應(yīng)用廣度、深度均不足，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在10年左右的差距。因此，有必要系統(tǒng)、深入研究計(jì)算機(jī)技術(shù)在企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研體系中的應(yīng)用。該文從理論分析體系、實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系、操作培訓(xùn)體系、工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等角度出發(fā)，全面分析了計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程建設(shè)類企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研活動(dòng)中應(yīng)用的現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及應(yīng)用前景。

2 理論分析體系

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是科學(xué)研究發(fā)展的必然世勢(shì)，它不但能提高實(shí)驗(yàn)效率、改善實(shí)驗(yàn)效果，還能提高實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)性。計(jì)算機(jī)技術(shù)主要分為硬件平臺(tái)和軟件技術(shù)，此處著重從工程設(shè)計(jì)、數(shù)值分析、虛擬仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，分析CAD、Matlab、Adams、Ansys等計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在科研理論分析體系中的應(yīng)用。

2.1 工程設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)自20世紀(jì)90年代初期開(kāi)始在工程設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用，目前設(shè)計(jì)行業(yè)利用CAD制圖比例達(dá)到95%以上。利用CAD技術(shù)輔助工程設(shè)計(jì)，不僅可以使工程設(shè)計(jì)人員從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖中解放出來(lái)，減少工作量，還可以提高設(shè)計(jì)精度和可靠性，進(jìn)而明顯提高設(shè)計(jì)項(xiàng)目的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。工程設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域基本已被CAD技術(shù)覆蓋，從研發(fā)、制造到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)了信息共享。企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室處于研發(fā)環(huán)節(jié)，基于目前競(jìng)爭(zhēng)合作的社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境，要注意加強(qiáng)專業(yè)間尤其是企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室間通用信息的共享，以提高總體工作效率，同時(shí)避免重復(fù)性工作。

雖然CAD軟件技術(shù)已具有較廣的使用范圍，但其應(yīng)用深度存在很大的局限，相當(dāng)一部分企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室仍停留在出圖上。三維CAD、CAD/CAM、CIMS、仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能應(yīng)用很少，未將結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算及仿真優(yōu)化作為方案設(shè)計(jì)的必備步驟。

2.2 虛擬仿真

多學(xué)科和理論是計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)，建立結(jié)構(gòu)模型、尋找分析方法及開(kāi)發(fā)仿真系統(tǒng)是進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬仿真研究的主要內(nèi)容。與傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)、裝備制造、工程施工相比，虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬制造、虛擬施工，不僅不消耗物質(zhì)資源和能源，而且可在產(chǎn)品生產(chǎn)前，對(duì)產(chǎn)品的不同實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，降低產(chǎn)品制造成本；在工程施工前，進(jìn)行模擬施工，對(duì)工程施工中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，降低施工風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，利用虛擬試驗(yàn)的方式，大大簡(jiǎn)化了物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可在降低工程試驗(yàn)成本的前提下，很好地分析和解決裝備制造、工程施工中的一系列難題。目前虛擬仿真技術(shù)已在有限元分析、人機(jī)工程分析、干涉分析和加工過(guò)程分析等、施工過(guò)程分析等方面得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。以盾構(gòu)裝備施工為例，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的、具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多感知的三維虛擬環(huán)境，通過(guò)使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)三維機(jī)械結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真、盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)流程仿真、交互式虛擬裝配仿真等，并可進(jìn)行工程施工減災(zāi)、防災(zāi)等實(shí)驗(yàn)，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、應(yīng)急預(yù)案制定等工作提供參考。

2.3 優(yōu)化分析

如何較好地解決多因素、多技術(shù)指標(biāo)要求的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，這就需要采用優(yōu)化分析手段，常用的優(yōu)化分析方法有罰函數(shù)法、復(fù)合形法、約束變尺度法、隨機(jī)方向法、簡(jiǎn)約梯度法、可行方向法等[6]，常用結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析軟件有Matlab、Ansys等。

3 實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系

平臺(tái)搭建、系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與處理是企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系的主要組成部分，下文將結(jié)合具體案例分析計(jì)算機(jī)技術(shù)在各方面的應(yīng)用。

3.1 平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)支撐條件，其性能的優(yōu)劣將直接影響科研成果質(zhì)量，系統(tǒng)集成技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)等是提升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能的關(guān)鍵技術(shù)。以盾構(gòu)自動(dòng)化控制平臺(tái)為例，其主要由信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、負(fù)載模擬系統(tǒng)等組成。信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)由操作臺(tái)、工控機(jī)、S7-300PLC組成的控制系統(tǒng)組成，自動(dòng)控制系統(tǒng)由操作臺(tái)、工控機(jī)、基于S7-400H PLC組成的冗余控制系統(tǒng)組成，負(fù)載模擬系統(tǒng)由西門(mén)子單軸、雙軸伺服控制器S120、電抗器、伺服電機(jī)等組成[7]。將三個(gè)系統(tǒng)集成在一起便構(gòu)成了盾構(gòu)自動(dòng)化控制平臺(tái)。

平臺(tái)控制軟件采用西門(mén)子組態(tài)軟件WinCC7.2和PLC編程軟件STEP 7 V5.5進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了自動(dòng)控制系統(tǒng)人機(jī)界面和控制軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生該系統(tǒng)模擬測(cè)試需要的控制信號(hào)及模擬信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)試及優(yōu)化，能夠滿足進(jìn)行盾構(gòu)控制系統(tǒng)性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)需要及對(duì)盾構(gòu)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)教學(xué)的需求。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將趨于向智能化方向發(fā)展。

3.2 監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集技術(shù)

以盾構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例說(shuō)明監(jiān)控技術(shù)在科研實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的應(yīng)用?；诙軜?gòu)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，充分考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性及可擴(kuò)展性，進(jìn)而采用監(jiān)控系統(tǒng)由PLC、工控機(jī)及組態(tài)軟件等構(gòu)成的技術(shù)方案。系統(tǒng)底層控制由PLC完成，人機(jī)界面接口、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的功能均由組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)（圖1） 。

盾構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制軟件使用Labview 2010編程語(yǔ)言編制，具有友好的人機(jī)操作界面，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)能對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示及存儲(chǔ)。另外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制軟件為開(kāi)源軟件，可以在該軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，搭建多種實(shí)驗(yàn)控制程序，十分方便快捷。

平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、儀器控制模塊三部分（圖2） ，共需32個(gè)模擬量輸出通道、53個(gè)模擬量輸入通道、39個(gè)數(shù)字量輸出通道、12個(gè)數(shù)字量輸入通道，根據(jù)實(shí)際需求選用了7個(gè)數(shù)據(jù)采集板卡。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

Excel軟件是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理常用的一種技術(shù)手段，但當(dāng)參數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，或Excel系統(tǒng)中無(wú)對(duì)應(yīng)模型時(shí)，則需要實(shí)驗(yàn)人員自行編寫(xiě)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。前人已有較多關(guān)于利用VB等計(jì)算分析語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的研究，如利用VB語(yǔ)言編制計(jì)算機(jī)程序，對(duì)機(jī)構(gòu)定位誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8]、利用VB和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，建立了礦井通風(fēng)阻力測(cè)定數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[9]、利用MATLAB對(duì)地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、利用MATLAB對(duì)復(fù)合材料成型過(guò)程中的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值插值及擬合[10]。、利用VC++完成對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度測(cè)量和結(jié)果數(shù)據(jù)的二次處理。

每個(gè)企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室日常需進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目至少數(shù)十個(gè)，其中絕大部分實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以或必須利用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可選用的計(jì)算分析語(yǔ)言也有很多種，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理具有較大的創(chuàng)新空間，這對(duì)完善實(shí)驗(yàn)結(jié)論、提升實(shí)驗(yàn)人員創(chuàng)新能力都是受益無(wú)窮的。

4 工程現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合

圍繞行業(yè)前沿、共性問(wèn)題和重大工程應(yīng)用，面向社會(huì)和行業(yè)未來(lái)發(fā)展需求，開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和競(jìng)爭(zhēng)前共性技術(shù)研究，是企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)之一，因此其除了進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)前共性技術(shù)研究之外，還需能夠解決工程實(shí)際中遇到的問(wèn)題，真正做到理論與實(shí)際相結(jié)合。

以盾構(gòu)施工遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，其由被監(jiān)控端、數(shù)據(jù)服務(wù)中端、監(jiān)控端三部分組成。本系統(tǒng)以及時(shí)獲取相關(guān)項(xiàng)目盾構(gòu)基本信息、施工參數(shù)以及設(shè)備參數(shù)等為目的，具備統(tǒng)一監(jiān)控、集中管理的功能，具有開(kāi)放性、可靠性、操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好的特點(diǎn)。利用該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工進(jìn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)管及技術(shù)監(jiān)察，有效降低現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)施工全過(guò)程的管控能力。

5 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類逐步邁進(jìn)了信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)已深入到人們工作、生活中的方方面面，成為促進(jìn)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的重要技術(shù)手段與力量。計(jì)算機(jī)技術(shù)給科學(xué)研究體系帶來(lái)了巨大變革，在大大簡(jiǎn)化各個(gè)環(huán)節(jié)工作的同時(shí)，提高了科研工作的效率、確保了科研成果的科學(xué)性、可靠性。在這一時(shí)代背景下，我國(guó)企業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室要想跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，必須把握好計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，基于多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、協(xié)同工作環(huán)境等，全面、深入地將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)等應(yīng)用到科研活動(dòng)的各個(gè)方面，進(jìn)而使得實(shí)驗(yàn)室的整體科研水平得到全面提升。

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