虛擬仿真技術(shù)的應用進展

郭燕秋 朱遠征 程平 曲松

摘 ?要：隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，在教育、醫(yī)療、建筑、化工、機械、航空等領域得到了廣泛的應用，文章主要介紹了虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展、特點，以及在制造業(yè)、建筑業(yè)、化工行業(yè)和教學培訓中的應用。

關(guān)鍵詞：計算機;虛擬仿真技術(shù);應用;展望;教育

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0149-03

Abstract： With the development of computer technology， virtual simulation technology has also been rapidly developed and have been widely usedin education， medical care， construction， chemical industry， machinery， aviation and other fields. This paper mainly introduces the development and characteristics of virtual simulation technology， as well as the application in manufacturing， construction， chemical industry and teaching and training.

Keywords： computer; virtual simulation technology; application; prospect; education

引言

早在20世紀40年代，仿真技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)了，在1962年，G W Morgenthater首次對仿真進行技術(shù)上的定義，即實際系統(tǒng)不存在或比較復雜難以實現(xiàn)的情況下對系統(tǒng)或活動本質(zhì)上的實現(xiàn)。虛擬仿真一詞最早是由計算機科學家杰倫·拉尼爾在1987年使用的，拉尼爾被認為是虛擬現(xiàn)實領域的創(chuàng)始人之一。虛擬仿真是一種流行的信息技術(shù)（IT）領域，通過創(chuàng)建與人類感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，克服現(xiàn)實世界的空間和物理約束，提供一種間接的體驗[1]。隨著計算機的發(fā)展，仿真技術(shù)得到了進一步的發(fā)展，可以幫助人類更加真切、直觀的體驗，就像是真實的世界一樣。虛擬仿真技術(shù)是人類發(fā)展史上的一個里程碑，是成為繼科學實驗、數(shù)學推理之后人類了解、發(fā)現(xiàn)自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法，它也是一種獲取信息和知識的新媒體，用以前不可能的方式來表達思想的概念，而且也正在全力發(fā)展成為人類認識客觀規(guī)律、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項具有通用性、戰(zhàn)略性的技術(shù)。

虛擬仿真技術(shù)具有以下四個基本特征：（1）沉浸性：即在虛擬仿真系統(tǒng)中，用戶可以獲得聽覺、視覺、嗅覺、運動、觸覺等各種感官上的感知，從而獲得沉浸其中、身臨其境的感受。（2）交互性：即在虛擬仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境可以作用于人，而且人也可以對環(huán)境進行控制，而人的行為幾乎是通過自然的、本能的行為（自己的語言、肢體動作等）來控制，虛擬環(huán)境還可以對人的操作做出實時的響應。（3）虛幻性：即系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是由人們利用計算機等工具模擬出來的。它可以模擬過去存在于客觀世界中的環(huán)境，也可以模擬現(xiàn)在實際存在的環(huán)境，還可以模擬現(xiàn)在不存在于客觀世界但是將來可能出現(xiàn)的環(huán)境，又可以模擬現(xiàn)在不存在于客觀世界但又僅僅是人們想象出來的環(huán)境。（4）逼真性：其逼真性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是虛擬出來的環(huán)境給人一種真實感，感覺就像是生活在現(xiàn)實世界中一樣;二是當人們以自然的行為作用于系統(tǒng)環(huán)境中時，虛擬環(huán)境做出的反應也符合客觀世界的相關(guān)規(guī)律。

目前，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到用戶可以脫離現(xiàn)實世界的地步，其發(fā)展進入了一個嶄新階段，在教育、醫(yī)療、機械、建筑、航空、工業(yè)等領域得到了越來越廣泛的應用，用于研究、評估和可視化。

1 虛擬仿真技術(shù)在各方面的應用

1.1 虛擬仿真技術(shù)在制造業(yè)方面的應用

由于工業(yè)系統(tǒng)較為復雜和規(guī)模比較大，出于安全和經(jīng)濟的考慮，仿真技術(shù)已廣泛用于工業(yè)的各個領域中。而制造業(yè)為工業(yè)化國家的繁榮昌盛做出了巨大貢獻。但是，滿足客戶需求變得越來越困難，制造企業(yè)需要生產(chǎn)低成本、短時間交付市場的創(chuàng)新產(chǎn)品。在高質(zhì)量、低成本的情況下滿足個人的需求，制定經(jīng)濟可行的以快速反應、靈活多變?yōu)榛A的生產(chǎn)模式是非常有必要的[2]。因此，從概念化到生產(chǎn)的新需求和客戶需求迫使制造企業(yè)轉(zhuǎn)向新技術(shù)，即虛擬制造技術(shù)。虛擬制造是指能夠生成有關(guān)制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和行為的信息的計算機系統(tǒng)，這些信息可以在真實的制造環(huán)境中觀察到。虛擬仿真技術(shù)提供了一個強大的建模和仿真環(huán)境，任何產(chǎn)品的制造/裝配，包括相關(guān)的制造過程，都可以在計算機中進行仿真。在大型的設備中進行各種工程系統(tǒng)（項目）構(gòu)建之前的概念研究和開發(fā)中扮演著越來越重要的作用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展在各種工程應用中支持虛擬現(xiàn)實技術(shù)，包括產(chǎn)品設計、建模、制造控制、過程仿真、制造計劃、培訓、測試和驗證。虛擬仿真技術(shù)在制造應用中具有巨大潛力，可以解決安全和經(jīng)濟等方面的問題。

許立[3]等給出了使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫驅(qū)動3D仿真模型的設計思想和實現(xiàn)方法，并將其應用于制造車間布局的設計和分析，最終實現(xiàn)了開放式的、可視化的制造車間布局設計系統(tǒng)，它還為舊車間的布置提供了解決方案。在虛擬制造環(huán)境中，艾武[4]等人對虛擬車間的制造資源進行了三維建模，并對這些資源進行了研究和分析，為基于多主體虛擬車間的敏捷調(diào)度的3D仿真提供了支持環(huán)境。姜立軍[5]等結(jié)合面向?qū)ο蟮脑O計方法和虛擬建模技術(shù)，研究了裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和運行方式，提供了三維圖形建模機制和生產(chǎn)過程的實現(xiàn)方法。數(shù)控加工虛擬仿真培訓軟件可以執(zhí)行實際數(shù)控設備的大部分功能，從而大大減少了資金投入，降低了培訓成本，提高了學生效率并加快了培訓效率。虛擬仿真培訓系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)培訓設備的不足，節(jié)省了大量培訓材料，減少了污染物的釋放，降低了培訓風險，具有“五融合、四層次、三模式”的虛擬仿真的實驗教學體系，解決了石油行業(yè)在高溫、高壓和危險條件下不可視、難以接近的培訓問題。鼓勵學生學習石油工業(yè)技術(shù)并提高他們的興趣，學生的實踐能力提高了學生的工程意識[6]。唐國兵[7]等人分析了在汽車裝配課中使用虛擬仿真應結(jié)合實際的訓練。Yoon Hyuk Kim[8]等人開發(fā)了一個涉及核電站的輻射工作的模擬程序，通過在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行輻射工作來預測輻射暴露水平，并通過以圖形方式可視化劑量率來直觀地表示高劑量危險區(qū)域，從而可以預測虛擬工作人員的暴露率。Jeong， K.等人[9]開發(fā)了一種虛擬仿真實驗方法來模擬和評估核設施在對退役工人的暴露劑量。核聚變是解決人類能源問題的重要途徑之一，Lei， Ming Zhun等人[10]采用虛擬仿真技術(shù)對核聚變裝置進行概念設計、詳細設計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，ITER反饋系統(tǒng)的電磁分析表明了虛擬仿真技術(shù)在核聚變工程中的具體應用，以及ITER熱屏蔽的熱分析，驗證了虛擬仿真技術(shù)的重要性。

1.2 虛擬仿真技術(shù)在建筑方面的應用

隨著虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑動畫領域越來越多地應用于對這種虛擬現(xiàn)實的仿真，建筑動畫的虛擬仿真技術(shù)可以使我們對建筑有更深刻的體驗和更真實的感受，具有廣闊的應用前景。建筑工程施工是將一項設計在圖紙上的圖畫建造成實物的復雜、繁瑣、艱巨的任務。在施工過程中存在著多變性、復雜性、不確定性以及多樣性等特點。在目前看來，對于施工方法的優(yōu)化主要建立在實踐經(jīng)驗中，但是，主要依靠經(jīng)驗進行施工的優(yōu)化存在一定的局限以及不確定性，特別是在全新結(jié)構(gòu)或復雜條件下的施工，基于經(jīng)驗的設計來進行控制優(yōu)化、事故預測和生產(chǎn)計劃等的優(yōu)化、可行性的分析和預測時，可能會由于慣性的思維方式而忽略重要結(jié)果而造成不可估量的后果。將虛擬仿真技術(shù)應用于建筑領域，可以進行實時創(chuàng)建建筑物的幾何模型和施工過程模型，以交互方式和逼真方式模擬建筑結(jié)構(gòu)，以進行驗證并比較、優(yōu)化。

目前，國內(nèi)外的研究基本上都停留在理論上，而真正將虛擬仿真技術(shù)應用于建筑上的工程是上海正大廣場[11]，該系統(tǒng)包含了三部分：（1）建筑的外觀和建筑周圍環(huán)境漫游;（2）建筑內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)的實施方案和優(yōu)化;（3）桅桿起重機以及鋼構(gòu)件承受力、焊接變形分析。陳正華等人[6]介紹了虛擬仿真技術(shù)在城市規(guī)劃、建筑裝修工程這兩個方面的應用，可以大幅度的降低成本，減少不必要的支出。以德國的弗蘭克福市為例：它使用虛擬仿真技術(shù)模擬整個城市模型，并使用該技術(shù)在城市中設計大型商業(yè)銀行，使用3D模型和CAD技術(shù)來實現(xiàn)銀行的特定規(guī)劃，并通過不斷更改特定參數(shù)的形式來不斷創(chuàng)建合理的城市商業(yè)銀行，從而使銀行的設計計劃更加合理，該項目成功建設后，得到了政府和公眾的高度認可，節(jié)省了大量人力和物力，實現(xiàn)了城市發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展。

1.3 虛擬仿真技術(shù)在化工和教學方面的應用

在實際的教學實驗中，許多化學藥品具有易爆炸、易燃燒、毒性大、具有腐蝕性和輻射等危險特性。在某些情況下，它們還有可能會引起灼傷和爆炸，并造成人身傷害、財產(chǎn)損失和其他事故。而在化學課程的教學和實驗中，許多主觀因素，例如實驗設備、場地、時間等都會在實際的教學中受到限制。建立虛擬仿真訓練實驗平臺，根據(jù)工程改革與發(fā)展的方向，以及工程人才的培養(yǎng)目標，將課程信息技術(shù)與傳統(tǒng)化學教育和實踐訓練相結(jié)合，通過虛擬仿真培訓平臺，可以使化學操作過程（如不可視性、不可及性、高風險和高污染）更加直觀和易于接受，同時促進了學生的工程設計。學校以實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，對虛擬仿真實驗的教學進行了詳細的研究，鞏固了化學工程的理論知識，提高了學生的實踐能力?；ゎI域的虛擬仿真教育研究和理論研究也可以分為兩部分：一是儀器分析實驗和有機實驗的結(jié)合，主要指大型復雜的分析儀器。儀器分析課程通常會用到大型分析測試設備，例如氣相色譜法，液相色譜法，傅立葉變換紅外光譜法和紫外光譜法。而在實際的教學過程中，例如氣相色譜法由于儀器價格昂貴，學生人數(shù)眾多，管理繁瑣等因素，而致使氣相色譜的操作主要是由老師進行，因此用于氣相色譜模擬的軟件可以彌補學生實際上無法工作的問題。二是與化學原理實驗聯(lián)系起來。3D化學模擬實驗室可以模擬實驗過程，包括閥門切換，流量控制等。它可用于在現(xiàn)有化學實驗的基礎上增加實驗培訓和學習。隨著信息和計算技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在化學過程中的風險評估、風險識別、安全控制系統(tǒng)設計、操作人員培訓、故障診斷等方面，使用虛擬仿真技術(shù)模擬在化工過程中的作用越來越大。該方法不需要設計特定于問題的觀測器來估計未測狀態(tài)變量，并且可以同時識別和診斷故障，通過在線修正更新了化學過程的參數(shù)。

Di Peng[12]在一篇文章中介紹了基于真實地形建立了工業(yè)園區(qū)3D場景，使用虛擬仿真技術(shù)模擬了化學工業(yè)園區(qū)內(nèi)氣體擴散。以氨泄漏和擴散為例，通過將有毒氣體擴散數(shù)學模型嵌入3D場景，在虛擬現(xiàn)實中實現(xiàn)了泄漏事故的發(fā)生。事故的整個過程可以從不同的角度來看。3D場景中包括實體模型的創(chuàng)建、事故場景和渲染的構(gòu)建。借助虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場的特殊效果，研究結(jié)果表明，虛擬仿真方法可以有效地模擬3D場景中的事故，在應急預案演練和事故過程分析中具有重要意義。沈華明[13]利用虛擬仿真技術(shù)，對常減壓裝置和減壓塔進行了靈敏度的分析，并研究了溫度和輕油回收率的關(guān)系。使用虛擬仿真技術(shù)進行不斷地優(yōu)化，并且取得巨大的成功。Model Chemlab[14]是美國Model Science公司研制的一款交互式化學實驗模擬軟件，具有良好的用戶操作界面和操作性能，虛擬實驗室可以模擬常見的實驗以及不常見的實驗，操作用戶還可以根據(jù)自己的理論想法設計實驗，它能夠滿足教學內(nèi)容的不同類型的需求，同時對于一些具有危險性或費用比較高以及耗時較長的實驗都可以起到很好的輔助作用。COREL Chemlab[15]是美國Corel公司研制出來的一個可進行化學實驗模擬的軟件，形象逼真，有聲有色，可以在軟件上進行設計和操作實驗，在一定程度上彌補了實際實驗的不足。

2 展望

虛擬仿真技術(shù)在機械制造業(yè)、建筑施工、化工原理、教學培訓等領域內(nèi)已取得了較為成熟的發(fā)展，但在航天航空、軍事、電力、石油化工、通信、核工業(yè)等領域還處于剛剛起步階段，其價值和應用前景將不可限量。

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