仿真技术论文范文

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信息学科教学中仿真技术的应用

目前，国内外众多高校在信息类课程的教学过程中，对计算机的仿真技术做了大量有意义的探索，并取得了相对丰硕的研究成果。

（1）通信专业教学中的仿真技术。近年来，随着通信技术和计算机技术的快速发展，传统的设计手段和设计方法通常不能够适应目前通信系统急剧增加的复杂性要求。在通信专业的实际教学过程中，基于相关常用的仿真软件，通信系统的仿真技术也已逐渐成为现代通信系统设计以及对其定性进行验证的重要手段[5,6]。例如，对通信系统整体设计并测试其性能；同时，在复杂的环境中无线电通信以及抗干扰通信系统的抵抗衰落和多径效应能力。但由于现代通信系统的实际测试设备价格高昂，而且系统也往往具有不可测试特性。例如，在日常的实验教学中教育单位不太可能对实际营运中的通信网络性能进行测试。因此，这使得高校相关信息专业的教学实践环节面临挑战。这样，基于相关软件与算法对其进行仿真就成为一种理想的选择。通常，通信系统中各个功能模块的软件实现、通信过程中各个节点之间的智能化性能分析等系统及其部分功能的模拟大都基于现代计算机仿真技术来完成。其中，仿真算法可以直接映射为系统设计中的硬件。而基于仿真工具的软件无线电技术使得通信信号处理方法得到广泛应用。此外，计算机仿真技术对通信系统不同模块的性能分析也有着不可替代的作用。例如，在基带信号处理过程中可以通过合适的仿真软件来实现传输信号的相应变换。从而得出预编码、自适应均衡、信道编解码、信源编解码以及信息安全算法等等。此外，在复杂、时变的信息传输环境中，现代通信系统的数字信号处理相关算法更将会趋于复杂[7,8]。例如，在科研和教学中涉及到的信道估计的自适应算法、MIMO技术、通信网络中的多用户检测算法、信道编解码算法等技术的实现，必须利用仿真技术对算法在实际通信环境中的适应性进行验证和评估。

（2）基于硬件设计教学中的仿真技术。实现微处理器和数字信号处理芯片是现代信息系统设计的硬件基础。系统中各个硬件模块的实现通常基于硬件仿真技术的理论与先进的微型计算机的相互结合进行分析。因此，仿真技术在信息专业教学过程中硬件的控制实现中也就有着重要的应用[7]。在实际硬件仿真教学中，基于不同仿真平台，例如Max+plus、QuartusII等软件,通过VHDL、VerilogHDL等语言对系统进行设计，同时对系统的物理器件性能进行仿真。在目前很多信息系统的电路设计中，这主要表现为从基于硬件的集成电路模式逐步转为一些硬件仿真软件编程来实现的映射模式。

（3）网络协议教学中的仿真技术应用。在通常信息学科的网络协议教学中，其复杂性已经很难通过传统的数学分析来完成。而在更高层的协议设计教学过程中，通信网络协议中所涉及的仿真代码可以将其设为相应通信协议可以实现的核心代码。因此，在信息学科教学中，仿真方法在网络及其协议的复杂性中也有着重要的应用[9，10]。为了准确、快速地对信息学科教学过程中的网络协议性能完成评估。同时，如果采用计算机仿真技术可以避免掉大量的理论性能分析过程中出现的障碍。另外，通过对实验室中网络系统进行建模，从而进一步实现参数的选择和调整，并能够快速模拟系统在真实环境中的行为表现。基于上述的仿真技术，可对教学中所应用的信号处理算法、信息传输协议等及其相关性能做出评估以便进一步改进。因此，算法和协议的仿真成为实际系统中功能实现的重要手段。为了考查网络系统信息传输的实时性和利用效率，在实际的现代信息系统中提出了各种复杂且具有层次结构的协议，进而构建结合无数节点的通信网络。可以看出，基于仿真平台的仿真技术对实际环境中网络协议仿真分析评估中有着不可分割的地位。

总之，在信息学科的教学实践中，基于平台的计算机仿真技术有着重要的应用。透过仿真技术，学生基于已有的理论可以对比传统信息理论技术所研究的对象深入学习和研究。此外，通过仿真技术可以在仿真过程中实时修改系统参数，同时能够评估参数变化对系统整体性能的影响，使其更加接近真实环境。

常用仿真软件

目前，在信息学科的实际教学中，适用于系统中各个功能模块的软件仿真软件较多，例如Matlab，Labview，SystemView等。其中，Matlab／Simulink是目前广泛应用于科研和教学中较为常见的仿真与计算平台。均可完成教学中所遇到的仿真实验和数值计算，例如可以通过Matlab实现信息系统仿真中的数值计算、算法验证等分析等领域。而Simulink是Matlab中最重要的组件之一，它对系统能够提供一个动态建模、仿真和综合分析的集成环境，并具有适应面广、效率高和灵活等优点。此外，Scilab也是一个开放源码的科学计算仿真软件。而常用的硬件仿真软件早些时候所常用的Max+plus、QuartusII；英国Labcenter公司开发的用来电路分析与实物仿真软件ProteusISIS；以及FPGA的仿真软件Foundation和ISE等。

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自20世纪80年代末至今，我国的仿真技术获得了极大的发展。在电力系统中，应用较多的培训仿真系统有电厂仿真、电网运行工况仿真和变电所仿真。一般说来，凡是需要有一个或一组熟练人员进行操作、控制、管理与决策的实际系统，都需要对这些人员进行培训、教育与培养。早期的培训大都是经过理论讲解和现场实习，通过实际操作经验的积累来完成的，这种培训方式因是在实际运行的系统上进行操作，不仅培训成本高、培训时间长，而且有些故障只能在实际发生时才能得到实际操作的机会，致使一部分知识只有感性认识，得不到实际操作的锻炼。随着系统规模的加大、复杂程度的提高，特别是造价日益昂贵，训练时因操作不当引起的破坏而带来的损失大大增加，因此，提高系统运行安全性、可靠性事关重大。为解决这些问题，出现了培训仿真系统，模拟实际系统的工作状况和运行环境，以避免运用实际系统时可能带来的危险性及高昂的代价。

变电所培训仿真系统集仿真技术、图形图象技术、数据库等技术于一体，依据变电所电力设备实物、一次设备和二次设备接线图进行设计，如主控室、控制屏、保护屏及设备连接状况，可在模拟设备和二次接线图上进行相应操作，采用鼠标点击的操作方式，简单、直观、易学(见图1)。这种方式使变电运行人员的培训手段大大更新，提高了培训效率，缩短了培训周期。也进一步提高了运行人员的正确判断和处理事故的能力，防止事故扩大化和缩短事故处理时间，从而确保电网安全、可靠、经济运行。

图1

1变电所仿真的现状

目前，我国农网中(110kV、35kV)变电所培训仿真系统主要有孤立变电所型变电培训仿真系统和考虑简单电网的变电培训仿真系统。前一种类型的变电培训仿真系统配置简单，造价相对较低；后一种不仅仿真了变电所的运行状况，而且考虑到电网和变电所之间的相互影响，该类型的变电培训仿真系统在功能上比孤立变电所型的仿真系统要强。此外，还有将无人值班变电所仿真、集控中心仿真、变电所运行管理系统结合于一体的110kV/35kV集控站培训仿真系统。考虑到仿真原理的相同性和孤立变电所型变电培训仿真系统较为简单，能够在单机上独立运行的特点，以下只对该系统进行简要介绍。

2硬件配置的基本要求

微机一台：主频PENTIUM200；32M内存；3.2G硬盘；16倍光驱；显示卡、声卡、音箱等。

3软件配置的基本要求

(1)中文视窗Windows95以上版本；

(2)多媒体仿真培训软件。

4主要功能

(1)正常操作训练：断路器操作、隔离开关操作、压板操作、保护投停、电压互感器的切换，电容器的投停等；

(2)故障演习训练：

断路器故障：拒动、误动、偷跳；

隔离开关故障：带负荷拉合隔离开关、带电合接地隔离开关；

变压器故障：包括相间短路、接地短路、匝间短路、变压器过负荷、变压器油温过高；

母线故障：母线短路、母线接地；

线路故障：近区短路、接地、断线等；

此外，还有电容器故障、继电保护故障以及其它故障等。

培训者可对设定操作任务或故障，依据系统标准操作票进行操作，系统也可在出现故障时，给予提示并指出错误要点。

(3)操作票生成与培训系统：可对线路、主变压器、母线、电容器等设备开操作票；可对学员的操作以操作票的形式记录；可对学员的操作票和标准操作票进行比较；

(4)理论知识的培训：可提供设备的图片和产品介绍；可进行二次回路图纸讲解：包括中央信号回路、电力变压器保护、电容器组保护、输电线路保护、低周减载装置等；还可进行运行规程问答、典型故障处理、经验介绍以及提供考试题库。

(5)系统维护功能：系统可根据110kV变电所的主接线方式(如：单母线接线方式、内桥接线方式、单元接线方式)和正常运行方式的差异及实际变电所的工作情况进行选择和修改，可对考试题目进行增加或修改，还可对二次接线图上的线路名称和隔离开关、断路器号进行更改，使其更加接近变电所的实际运行情况。

操作实例：

倒闸操作是变电所正常运行和检修中都涉及的操作，具有重要的作用，其操作过程如下：

①运行仿真软件，进行操作人员登陆。

②进行功能选择，进入倒闸操作模块，进行题目分类选择。如选择"10kV倒闸操作题目"后，屏幕上会出现一系列10kV倒闸操作题目的分项内容，用鼠标按钮进行选择，选择"纺织线002断路器停电，纺织线线路检修"(见图2)。选择题目后，可进行标准操作票预览，以便操作人员了解操作步骤后进行正确操作。可单击要点按钮，查看提示注意事项。操作练习既可在线路图上进行，也可在模拟图上进行。

图2

③依次拉开纺织线002断路器，拉开002-3隔离开关，拉开002-1隔离开关，在002-3隔离开关线路侧挂接地线(见图3)。遇到困难时，可查阅标准操作票和操作要点提示。操作完毕后，调出操作记录与标准操作票进行比较，如果在操作过程中发生误操作，系统会出现报警。

图3

④选择操作题目后，也可进入考试状态。在此状态下，系统不提供标准操作票和操作要点提示，考试时间到，系统不再进行操作记录。

5结束语

目前，110/35kV变电培训仿真系统在一些变电所已经得到应用，并取得实效。归纳起来，变电培训仿真系统具有如下的特点：

(1)计算机仿真程度高。仿真画面完全按照变电所的电力设备实物进行绘制，形象逼真。操作人员在模拟图或二次接线图上用鼠标点击元器件，即可激发元器件动作，元器件动作后仿真变电所同实际变电所情况一致。

(2)培训功能完善。不但可对变电所的正常和异常事故进行仿真，而且可提供完善的二次图讲解。对变电所的继电保护装置从动作原理到动作过程进行分步讲解，突出显示动作断路器和响应元器件，动画模仿电流轨迹。

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当前，仿真技术已经成为分析、研究各种复杂系统的重要工具教育学论文，它广泛用于工程领域和非工程领域。高职院校的物流实训中心大多数是基于软件模拟的物流实训室，这类实训室是以物流软件模拟来搭建物流模拟平台，如仓储管理软件、运输管理软件、ERP、MRP、国际货代软件、TPL软件或基于上述几个软件集成起来的供应链软件等；然而对于基于设备的物流实训室来说，由于资金等方面的限制，比较先进的设备还尚欠缺教育学论文，这就造成了学生对立体库、高速分拣机、巷道式堆垛机、AGV、码垛机器人等先进的物流设备缺乏足够的感性认识论文格式模板。三维虚拟仿真技术等够对仓库、配送中心、企业生产线等进行简单的建模，能够加深学生对各种物流设备的认识，帮助学生理解工业、企业、生产线的布置与产出平衡、物料需求计划、企业资源计划等相关知识，更好地找出生产瓶颈，加深对现代化立体仓库、配送中心的了解。因此三维虚拟仿真技术在教学中的应用教育学论文，对于学生更好地学习物流专业理论知识、培养相应的职业技能是大有裨益的。

一、三维虚拟仿真技术概述

三维虚拟仿真（3D Virtual Simulation）就是利用三维建模技术，构建现实世界的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景，响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应，并在三维环境中显示出来。三维仿真的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等论文格式模板。该软件提供了原始数据拟合、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真的实验、对结果进行优化、生产3D动画影像文件等功能。

利用三维虚拟仿真技术教学具有以下优点：

1、教学内容视觉化

2、学习中的交互性好

3、沉浸感真实感强

二、三维虚拟仿真技术在物流教学中的应用

基于青海交通职业技术学院物流实训中心3D实训室的应用系统及操作流程。

1．开机步骤

开机顺序依次为：

2 AP转换器（数量两台）：

按下电源按钮教育学论文，

2 工作站（数量两台）

2 投影机（数量四台）

进入控制工作站，进入中控程序，点击投影机控制，选择开

等投影机启动完毕后再进入下一步

2 边缘融合机（数量两台）：

按下电源按钮

关机顺序依次为：

立体图像工作站——边缘融合机——AP转换器——投影机——控制工作站

2．基本操作设置

立体图像工作站设置

（1）多显示器设置

鼠标在桌面上右键

进入NVIDIA控制面板

点击设置多个显示器

设置作为一个大水平桌面（水平平移模式）

显示的结果是，显卡双头输出两个通道的桌面。

（2）分辨率设置

单屏分辨率1024×768教育学论文，重叠像素为192

整体分辨率为1856×768（含边缘重叠区192个像素）

重叠像素设置图如下：

立体设置为管理3D设置里面，基本设置，选用立体启用

3 .基本演示操作

（1）立体电影

检查左右眼是否正确？

2 将图像移动分别移动到第一个通道和第二个通道进行检查论文格式模板。

如果第一个通道和第二个通道都不正常，点击一下软件里面L/R

2 如果图像只在第一个通道出现左右眼反的现象？

在第一台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼

2 如果图像只在第二个通道出现左右眼反的现象？

在第二台AP转换器后面的绿色按钮按两次切换左右眼

（绿色按钮按两次表示切换左右眼）

（2）NVSG演示软件

同样观看立体是否正常，可以通过软件切换左右眼

（3）VEGA演示软件

同样观看立体是否正常教育学论文，可以通过软件切换左右眼

4系统连接图如下

5投影机图像不正确的调试方法

（1）首先检查画面比例是否正确

再点击高级：

水平位置和垂直位置，如图所示。

6融合机出现故障处理方法

出现基本问题首先重新启动融合机来解决

如重新无法解决可以采取如下步骤：

（1）找到是那台融合机出现的问题，并接入键盘鼠标

（2）ALT+F4退出融合服务软件

（3）点击桌面上的blend文件夹

（4）复制setting.cfg文件到其他地方

（5）将备份的该文件copy到blend这个文件夹下面

（6）双击STEREO_CAP程序

（7）按ESC，再点击开始扑捉、全屏幕、下一次开机启动，保存设置、开始

（8）重新启动

7注意事项

（1）投影机开启后遥控器上的auto、aspect两个按键不能按教育学论文，正常使用情况下不需要遥控器；

（2）投影机机械结构不能轻易触碰

（3）屏幕位置不能挪动，屏幕表面不能触碰，灰尘可用干净的柔软布沾水擦；

（4）投影机关机后不能立即断电，同时投影机电源需接入UPS稳压电源，UPS后备电池时间不小于10分钟；

（5）不能随意拔插设备连接线缆；

（6）立体工作站显卡、立体、分辨率等设置不能改变

（7）控制工作站IP：192.168.1.10不能改变。

开机先后顺序要严格按照技术要求顺利

三、结束语

三维虚拟仿真技术软件在高职的教学中能发挥出积极的作用，一方面能提高学生的学习兴趣，学生在学习的过程中能够对仓储、运输、配送、生产加工等有一个感性的认识，同时也提高了学生分析问题、解决问题的能力，实践证明三维虚拟仿真技术软件的应用对于高职物流专业的教学具有积极的意义。

参考文献：

[1]吕明哲，物流系统仿真，东北财经大学出版社，2008.10。

[2]贺国先，现代物流系统仿真，中国铁道出版社，2008.12.1。

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中职电子技术的教学理论性较强，波形变化分析复杂，课程教学较为枯燥，一些理解能力较差或者基础较差的学生，可能会无法跟上电子技术课程教学的节奏。虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的应用，能够使学生在一个仿真的情境下，进行电子电路的实验和操作，这种模式能够为中职学生带来更多的电子技术学习体验，将学生的实践操作和理论知识的学习相结合，借助实践活动，不断丰富学生的理论知识体系，借助理论知识的学习，不断提升中职学生的实践操作能力。虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的应用，符合中职电子技术教学的特点，是时展和进步的必然要求。

(二)创新中职电子技术教学的模式

电子技术教学中应用仿真虚拟仿真技术，可以使学生将所学习的Windowsxp内容和仿真软件结合起来。虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的应用，能够改善传统的教学方式中单一的教学氛围，更加关注学生的实践体验，在实践中，使学生获得更多的知识，并使中职学生能够通过实践活动，形成一定的思维想法和创新意识，真正展现中职电子技术教学的价值和电子技术教学的意义。

(三)提升学生的电子技术综合能力

很多中职院校中的学生，普遍具有文化基础较差、学习积极性较差等方面的问题，中职学生的动手能力和实践能力较强，但是他们的学习热情较差，不愿意积极、主动参与到教学活动当中，无法感受中职电子技术学习的乐趣和电子技术的魅力之处。虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的应用，能够有效改善这一问题，通过有趣的情景创建，快速吸引中职学生的注意力，激发学生的学习兴趣和参与实践活动的热情，并使中职学生在参与实践活动的过程中，形成一定的电子技术实践操作能力和电子技术思维想法，改善传统电子技术教学中的缺点，更加关注学生思维的发展，为中职学生未来的工作和发展奠定良好的基础。

二、虚拟仿真技术在中职电子技术教学中应用的具体策略

虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的应用，可以通过将虚拟引进课堂，激发中职学生的学习兴趣、创设仿真电子技术教学实验，增强学生的实践操作能力与开展虚拟项目合作实验，提升中职学生的综合素养等方式来开展教学活动。

(一)将虚拟引进课堂，激发中职学生的学习兴趣

在传统的中职电子技术教学过程中，教师较为注重对学生理论知识的传授，而忽视了实践技能指导对中职学生电子技术操作能力提升的重要影响。单纯的电子技术理论知识讲解，多数是一些原理和公式推导，在这种教学模式下，中职学生可能会产生一定的厌学情绪，无法将注意力完全集中在电子技术学习活动当中。虚拟仿真技术在中职电子技术教学中的应用，能够改善传统的教学方式中单一的教学氛围，更加关注学生的实践体验，在实践中，使学生获得更多的知识，并使中职学生能够通过实践活动，形成一定的思维想法和创新意识。虚拟仿真技术能够使学生在一个仿真的情境下，进行电子电路的实验和操作，这种模式能够为中职学生带来更多的电子技术学习体验，使学生将实践操作和理论知识的学习结合起来，借助实践活动，不断丰富学生的理论知识体系;借助理论知识的学习，不断提升中职学生的实践操作能力。中职电子技术理论知识教学需要结合实际展示才能够加深学生对电子技术理论知识的深入理解，从而为接下来的课堂教学活动和实践教学活动奠定良好的基础。但是，如果一味通过实验操作展现，不仅浪费时间，同时也很浪费材料。虚拟仿真技术能够完美地解决这一问题，通过将虚拟仿真技术引入到中职电子技术教学中，通过多媒体等信息技术软件，进行仿真模拟实验，借助多媒体等信息技术软件，将抽象化的内容变得更加直观，使学生对抽象化的理论知识一目了然，深化学生对中职电子技术知识的理解与掌握。

(二)创设仿真电子技术教学实验，增强学生的实践操作能力

正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，在中职电子技术教学中，教师可以借助虚拟仿真技术，引导学生在模拟的场景中，进行电子电路的实验和操作，这种模式能够为中职学生带来更多的电子技术学习体验，在电子技术的实验过程当中，提升学生的实践操作能力。在中职电子技术教学实验中，教师可以结合学生的性格特点和中职电子技术教学的特点进行教学实验活动的创新，将虚拟仿真技术融入中职电子技术的教学活动当中。例如，在指导学生对《彩色电视机原理与维修》这一项内容的学习过程中，教师可以首先借助多媒体等信息技术软件，为学生展现70年代至今，电视机逐步发展的过程，为学生介绍全球彩电市场的特点。彩色电视机与学生的实际生活密切相关，是学生所熟悉的事物。在课堂教学中，教师可以结合实际生活，提问学生“家中所使用的是什么样的电视机”等问题，构建互动型的中职电子技术教学模式。在此基础上，教师可以通过多媒体等信息技术软件，为学生展现一个立体化的电视机模型，借助模型引导学生认识彩色电视机的整体结构以及具体的元器件。在教学指导完成之后，可以组织学生自行实验，借助虚拟仿真技术进行完整电视机零件和部件的整合。

(三)开展虚拟项目合作实验，提升中职学生的综合素养

一些仿真软件(例如加拿大IIT公司所开发的Multisim软件)能够为中职学生创建一个类似于真实的电子电路实验工作平台，学生可以在这个仿真的电子电路实验工作平台中，进行各种各样的电子电路实验。这些软件当前被应用于国内外的各大高等院校当中，并取得了较为理想的实践应用效果。电子技术教学中，教师不仅仅要指导学生学习电子技术，掌握电子技术，更加需要通过一定的电子技术教学活动，提升中职学生的综合能力和综合素养。在电子技术教学活动当中，教师可以借助一些虚拟的电子技术合作实验项目，引导学生通过电子技术实践活动，增进彼此之间的感情，形成良好的电子技术操作能力和合作意识。例如，在指导学生对《组合逻辑电路的分析与设计》相关内容的学习中，教师可以在完成教学指导的基础上，组织学生通过小组合作的方式，集中学习组合逻辑电路的分析方法。在共同合作和分析的过程中，增进彼此之间的感情，提升学生的综合能力和综合素养。

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通过仿真模拟教学平台的搭建，将学校教育方式转化为以学生为中心的教学模式。为学生提供全时段全方位的理论与实践学习资源，帮助提升岗位核心竞争力，为学校提供新的理实一体化教学模式，提高信息化教学水平，最终实现校企在人才培养上双向互助，提升社会服务能力。

1.2建设内容

高职建筑工程技术专业主要培养从事建筑工程施工与管理、工程测量、工程预决算及工程监理等工作，具有理论基础扎实、专业素质高、实践能力及可持续发展能力强，擅识图、能计算、懂技术、会管理的复合型、创新型、发展型技术技能人才。因此，我们从分析本专业所对应的核心职业岗位（施工员岗位）工作任务与专业能力的要求，按照虚拟企业、虚拟场景、虚拟设备以及虚拟工程项目、企业生产工具、生产对象、生产场景、基地管理制度等原则，构建专业仿真实践教学体系。

2模拟实训项目的开发

虚拟实训项目的开发以构建符合仿真教学实际的“教、学、管、评、控”的运行模式为原则，以深化学校理实一体的人才培养模式为指导，深入分析建筑技术应用与施工管理教学过程，通过虚拟技术紧扣施工工艺、直击教学难点，实现多维仿真和真实场景模拟，提高学生学习的主动性；通过网络技术辅助学生课下练习、及时巩固知识，实现单人训练、多人竞赛和互动交流，提高学生学习的积极性；同时，通过数据库技术跟踪学生学习轨迹，实现学生知识点掌握情况的统计与分析，提高教学评价的科学性。

2.1构建仿真教学“教、学、管、评、控”的运行模式

围绕“教”与“学”建立虚拟仿真教学系统、资源库系统、题库系统、数据管理系统；围绕“管、评、控”实现统一登录用户界面、数据信息系统的建立，实现教学信息的有效传递与分析反馈，合理安排和及时调整教学进度。实现平台功能与内容的嵌入。

2.2解决传统教学弊端，实现立体化的教与学

仿真虚拟教学系统的建设，着重规避传统教学的弊端，扩充专业教学和信息资源，利用技术优势，直击教学难点。结合实际的教学内容，设计仿真实训项目脚本的深度。以学校专业化的教学力量为依托，以企业成熟技术与先进技术应用为基础，通过项目的顶层设计、需求调研、规范专业教学基本要求、制订专业教学标准，开发核心课程，不断提高教学深度。

2.3依托专业教学管理数据库，合理安排教学

建立数据管理系统，实现教学安排的规范性及教学信息反馈的搜集，便于合理调整教学进度与方式。通过资源、课程的管理，让专业教师实现个性化、针对性的课程安排和设置；通过练习、考试、经验积分的管理，实现教学成果的考察及数据信息反馈搜集。

3仿真模拟实训的效果

3.1学生层面：提升知识整体贯穿能力，提高学生岗位核心竞争力

仿真虚拟实训项目的开展实现了信息化教学资源的任意调用，它以学生对建筑领域核心岗位项目的学习作为一个整体，以虚拟技术还原真实的施工场景，通过施工现场的三维展示和立体情境漫游，能够在课上、课下为学生提供系统化的技能知识点串联和全天候的校内实践操作机会，剔除了以往学生实践的时间和空间限制，将理论与实践相融合，让学生更好的掌握教学内容，熟悉技能实际应用需求，培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力，有效的提高了学生岗位核心竞争力，为职业发展奠定良好的基础。

3.2学校层面：以教学信息化建设带动教学改革，促进专业建设

在教学过程中引入计算机、虚拟仿真等现代技术，解决了专业教学理论课堂抽象生硬，施工细节讲解不到位、工艺操作方法难以演示的问题，其次，通过仿真模拟教学，将学生碎片化的知识进行系统性的整合，提高学生的专业知识和技能运用，为专业教学改革提供了全新的思路，有助于提升本专业的建设水平。

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HHT首先对信号进行EMD处理，得到信号的IMF及残差。EMD分解的思路是:对一原始信号x(t)，利用三次样条函数曲线插值的方法找出其上、下包络及包络的均值曲线m(t)，如果x(t)与m(t)之差h(t)不满足IMF分量的条件，则将h(t)视为新的原始信号，继续进行前述分解，直到找到本阶的IMF，记为c(t)。重复计算，可以将x(t)分解为多个IMF分量ci(t)和残差r(t)之和:x(t)=∑ici(t)+r(t)(1)对上述IMF分量ci(t)进行Hilbert变换，即可得到每个IMF分量的瞬时频谱，综合所有IMF分量的瞬时频谱就可得到一种新的时频描述方式，即Hilbert谱。Hilbert变换是一种线性变换，它强调局部性质，由它得到的瞬时频率是最好的定义，避免了Fourier变换产生的许多事实上不存在的高、低频成分，具有直观的物理意义。ci(t)的Hilbert变换为:H［ci(t)］=ci(t)•1πt=P．V．∫+∞－∞ci(t－τ)πtdτ(2)其中P．V．表示柯西主值积分。构造ci(t)的解析信号为:zi(t)=ci(t)+jH［ci(t)］=ai(t)e－i(t)(3)式中:ai(t)为瞬时幅值，ai(t)=c2i(t)+H2［ci(t槡)］;(t)为瞬时相位，i(t)=tan－1{H［ci(t)］/ci(t)}。可以看出，式(3)给出了幅值和相位的定义。定义瞬时频率为:fi(t)=12πd［i(t)］dt(4)定义ci(t)的Hilbert谱为:Hi(t，f)=ai(t)f=fi(t)0f≠fi(t{)(5)如果直接对信号x(t)进行整体Hilbert谱分析，可以表示为:x(t)=Re∑iai(t)ei2π∫fi(t)d[]t(6)式(6)表达了信号x(t)联合的时频变化关系。根据式(5)和(6)，可以得到x(t)的Hilbert谱:H(t，f)=∑iHi(t，f)(7)式(7)描述的Hilbert谱可看作是一种加权的联合幅值-频率-时间三维谱。又定义Hilbert边际谱为:h(f)=∫T0H(t，f)dt(8)在式(8)的Hilbert边际谱中，在某一频率上存在着能量就意味着具有该频率的振动存在的可能性，具有该频率的波在信号整个持续时间内的某一时刻出现了，而该振动出现的具体时刻在Hilbert谱中给出。定义Hilbert能量谱为:ES(f)=∫T0H2(t，f)df(9)在分析中，可能只对某些频率范围内的信号感兴趣，即对某几个IMF分量的组合进行Hilbert变换，结果成为局部Hilbert谱。

1．2Hilbert-Huang谱与Fourier功率谱的比较

对解析信号zi(t)两边做Fourier变换，可以得到：zi(jω)=ci(jω)+j^ci(jω)(10)式中:^c(jω)为ci(t)的Hilbert变换，^c(jω)=H［ci(jω)］，ω=2πf。如果只考虑正频率部分，那么式(10)可写为:zi(jω)=2ci(jω)=2∫+∞－∞ci(t)e－jωτdτω＞0(11)典型的Fourier功率谱的定义为:设x(t)为一平稳随机过程，若其自相关函数Rxx(τ)的傅立叶变换存在，即:Sxx(ω)=12π∫+∞－∞Rxx(τ)e－jωτdτ(12)则称Sxx(ω)为x(t)的功率谱密度，ω为频率。在工程中多用频率f作为功率谱密度的自变量，这时有下面关系成立:Sxx(f)=2πSxx(ω)(13)另外由于工程上负频率无意义，往往使用单边谱密度，其定义为:Gxx(f)=2Sxx(f)=4∫+∞－∞Rxx(τ)cos2πfτdτf≥0(14)功率谱密度描述了随机振动的频率结构，从物理意义角度上看，它是随机振动的能量按频率分析的度量，功率谱密度曲线下方的面积即为随机信号的均方值，即:∫+∞－∞Sxx(ω)dω=Rxx(0)=E［x2(t)］=φ2x(15)对比式(8)、式(11)和式(14)可以看出，由于IMF分量ci(t)是原始信号的某一个包络，其幅值大于对应的原始信号，因而计算边际谱的幅值与Fou-rier功率谱幅值是不一致的。

2公路运输振动数据分析

公路运输的振动响应一般随运输平台、公路路面等级、运输平台速度等不同而有一定差异。为了获取真实有效的振动响应数据，需要通过设计采集试验，获取在特定路面等级和运输速度组合下一定时间长度的振动数据。文中利用LMS振动采集系统，以400Hz的采样率，在不同的路面等级下以不同的速度，采集匀速运动的卡车上的产品振动情况。以某点位Z方向的振动为例，其中EMD分解将原始信号分为8个IMF和1个残余量。将c1(t)，r(t)略去，分别作c2(t)∶c8(t)的PSD并求和，得到P=∑8i=2PSD［ci(t)］，与原始信号的PSD对比。，IMF分量中剔除了最高频的c1(t)及残差，基于IMF分量的在低频部分有所加强，而在高频部分得到了抑制。显然，该计算对传统功率谱密度计算中“低频幅值偏低，高频部分偏高”进行了有效修正。边际谱的频率与功率谱的频率峰值点基本是一致的，表示边际谱对信号能量特征的识别度较好。

篇7

云南省曲靖市陆良县中枢镇地处陆良县城中心，全镇总面积82.05平方公里，平均海拔1840米，年均气温14.7℃，年降雨量976毫米。耕地面积1585.18公顷，农业生产以粮食、烤烟、蚕桑、畜牧、蔬菜、水果为主。

1.水稻生产情况

水稻是中枢镇主要粮食作物，2010年全镇种植水稻16119亩。水稻品种主要为合系39号、41号，楚粳3号、楚粳25、26、27号等为主。年产1114万公斤。

2.水稻纹枯病病变症状

水稻纹又称云纹病。苗期至穗期都可发病。叶鞘染病，在近水面处产生暗绿色水浸状边缘模糊小斑，后渐扩大呈椭圆形或云纹形，中部呈灰绿或灰褐色，湿度低时中部呈淡黄或灰白色，中部组织破坏呈半透明状，边缘暗褐。发病严重时数个病斑融合形成大病斑，呈不规则状云纹斑，常致叶片发黄枯死。叶片染病，病斑也呈云纹状，边缘褪黄，发病快时病斑呈污绿色，叶片很快腐烂，茎秆受害，症状似叶片，后期呈黄褐色，易折。穗颈部受害，初为污绿色，后变灰褐，常不能抽穗，抽穗的秕谷较多，千粒重下降。湿度大时，病部长出白色网状菌丝，后汇聚成白色菌丝团，形成菌核，菌核深褐色，易脱落。高温条件下病斑上产生一层白色粉霉层即病菌的担子和担孢子。

3.水稻纹枯病的发病条件

水稻纹枯病的发生和流行受菌源数量、气候条件（主要是温湿度）、品种抗原、水稻生育期以及栽培技术等因素综合影响。

3.1　菌源数量

菌核数量是引起发病的主要原因。每667平方米有6万粒以上菌核，遇适宜条件就可引发纹枯病流行。

3.2　气候条件

水稻纹枯病发病的轻重除受田间菌核数量多少影响，在气候条件中主要受温度和适度的影响。

3.2.1　温度

水稻纹枯病发病的适宜气温在18-34℃，以22-28℃最适。

3.2.2　湿度

湿度是导致水稻纹枯病发病的又一因素，水稻纹枯病发病的相对湿度是70-90%，并以80%以上为最适宜发病湿度。每年的6至7月份以后一方面气温偏高，另一方面相对湿度一般都在85%以上，水稻田间处于高温、高湿条件下，水稻纹枯病发病快，病情扩张迅速，危害严重。

3.3　水稻品种抗性

不同品种水稻对纹枯病的抗性不同。目前生产上早稻耐病品种有博优湛19号、中优早81号。中熟品种有豫粳6号、辐龙香糯。晚稻耐病品种有冀粳14号、花粳45号、辽粳244号、沈农43号等。

3.4　水稻栽培技术

水稻栽培密度、肥水管理均与水稻纹枯病的发病程度密切相关。水稻栽插过密、氮肥施用过量、长期深水灌田等，都能引发水稻纹枯病菌的侵入，引发疾病的发生。

3.5　水稻生育期

水稻纹枯病从水稻开始分蘖期开始发病，随着气温的升高与雨季来临，水稻在孕穗期、抽穗期和蜡熟期，水稻的叶鞘与茎秆之间相对松散，有利益病菌的侵入，同时稻田处于高温高湿条件下，病害易发生流行。

综上所述，水稻纹枯病的发生流行受菌源、温度、湿度、品种、生育期、栽培技术等条件综合作用的结果。要做好水稻纹枯病的防治工作，必须针对以上因素采取措施。

4.防治对策及措施

减少田间菌源，合理密植，配方施肥。根据纹枯病的病情季节消长和发生为害田间变化规律，以及近年发生面大，危害重的现状，控制纹枯病重点是药剂控制。一改1次用药为2次，降低首次用药防治指标，重治孕穗期，坚持“压前、中控、后放”的药剂控制策略；二改孕穗期适当加大用药剂量；三改防治重点田块为旱（抛）秧水稻。

4.1　降低田间菌源

水稻纹枯病应引起高度重视，加大防治宣传，并从品种筛选、耕作制度改进及先进栽培技术应用等方面，进行综合防治。菌源基数的多少与稻田初期发病程度密切相关；因此，在生产中要有效降低菌源基数、减少初侵染源。首先，一是通过耕作制度调整，减少寄主菌源；即：尽量避免与玉米、麦类、豆类、花生、甘蔗等寄主作物连作；同时，铲除田间杂草，减少寄主菌源。二是打涝菌核。在秧田或大田灌水耕耙时，因大多数菌核浮在水面上，混在“浪渣”中，可用筛网、簸箕等工具，打涝“浪渣”并带到田外烧毁或深埋，以减少菌源、减轻前期发病。三是原来已发过病的稻田，其稻草不能直接还田，只能燃烧或垫厩；若需做肥料时，须经充分腐熟后才可施用。改1次用药为2次用药，坚持“压前、中控、后放”的药剂控制策略。

4.2　选用良种

根据中枢镇稻区生产特点，在注重高产、优质、熟期适中的前提下，宜选用分蘖能力适中、株型紧凑、叶型较窄的水稻品种；以降低田间荫蔽作用、增加通透性及降低空气相对湿度、提高稻株抗病能力。

4.3　合理密植

水稻纹枯病发生的程度与水稻群体的大小关系密切；群体越大，发病越重。因此，适当稀植可降低田间群体密度、提高植株间的通透性、降低田间湿度，从而达到有效减轻病害发生及防止倒伏的目的。

4.4　管好肥水

4.4.1　根据水稻的生育时期和气候状况，合理排灌，改变长期深水、高温环境，是以水控病的有效方法；尤其在水稻分蘖末期至拔节期前，适时搁田，后期采用干干湿湿的排灌管理，降低株间湿度，促进稻株健壮生长，能有效抑菌防病。

4.4.2　在施肥上，应坚持有机与无机结合；氮、磷、钾配合；并贯彻和力求做到配方施肥。切忌偏施氮肥和中后期大量施用氮肥。在施肥比例和时期上，提倡“施足基肥、控制蘖肥、增施穗肥”原则。

4.5　药剂防治

药剂防治，应掌握“初病早治”原则；一般在水稻分蘖末期、发病率达5%或拔节至孕穗期、发病率达10－15%时，就需要及时进行药剂喷治。一般水稻纹枯病的防治药剂。井冈霉素是目前生产上防治水稻纹枯病的主要药种，经多年使用，纹枯病菌对井冈霉素的抗药性并没有增强多少，抓住搁田复水后和发病初期等关键时间用药，必要时适当增加用药量，仍能取得良好的防治效果。

在纹枯病发生重的年份，因地制宜地选用一些持效期较长的药剂进行防治，有利于减少用药次数，提高病害防治效果。井冈霉素与枯草芽孢杆菌或蜡质芽孢杆菌的复配剂如纹曲宁等药剂，持效期比井冈霉素长，可以选用。丙环唑、烯唑醇、己唑醇等部分唑类杀菌剂对纹枯病防治效果好，持效期较长，也可以选用。烯唑醇、丙环唑等唑类杀菌剂对水稻体内的赤霉素形成有影响，能抑制水稻茎节拔长。这类药剂特别适合在水稻拔节前或拔节初期使用，在防治纹枯病的同时，还有抑制基部节间拔长，防止倒伏的作用。但这些杀菌农药在水稻（特别是有轻微包颈现象的粳稻品种）上部3个拔长节间拔长期使用，特别是超量使用，可能影响这些节间的拔长，严重的可造成水稻抽穗不良，出现包颈现象（不同水稻品种、不同药剂以及不同的用药量条件下，所造成的影响不一样），其中烯唑醇等药制的抑制作用更为明显。高科恶霉灵或苯醚甲环唑与丙环唑或腈菌唑等三唑类的复配剂在水稻抽穗前后可以使用，不仅能防治纹枯病等病害，还有利于提高结实率，并对杂交稻后期叶部病害有较好的兼治作用。

5.讨论

摸清陆良县中枢镇区域内的纹枯病致病的主要因子，掌握了纹枯病发生纪律，提高防治策略，有利于降低生产成本，提高防治效果，增加农民收入，促进社会效益具有积极的作用。

参考文献

[1]许彦林，孙艳，姜秀芝.水稻纹枯病的发病原因及防治对策[J].农民致富之友，2010（03）.

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关键词：三维空间结构；模拟仿真技术；课程教学；应用

Key words: three-dimensional structure；simulation technology；teaching；application

中图分类号：G42文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）05-0161-02

1工程造价课程的发展瓶颈

在实际的工程造价课程教学中，学生由于缺乏空间想象，对工程结构没有感性认识，无法理解抽象的理论，给教师教学及学生学习带来了瓶颈。因此，我们希望通过虚拟仿真系统来解决传统工程造价教学中存在的种种弊端。在教学中使用仿真技术，可以充分调动学习者的感觉和思维器官，使所观察的事物栩栩如生地展现在面前，任学习者正面、侧面、反面仔细观察仿真技术的发展被认为是解决传统工程造价教学瓶颈的一把利器。

本文正是从当前工程造价教学的基本情况以及教学难点出发，将仿真技术引入到开发工程造价教学软件的过程中。本研究选择隧道工程作为研究的案例，通过利用目前比较成熟的计算机模拟仿真技术，为老师和学生提供一个模型展示平台。

2模拟仿真技术的应用的效果

模拟是指用一个数据处理系统，来全部或部分地模仿某一数据处理系统，使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。有时也简称为仿真，是用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统，代替实际系统进行实验和研究，是产品设计和制造中的常用技术手段。

从国内外职业教育专业信息化可以看出，模拟仿真技术具有先进、便捷、安全等优点，仿真教学系统向工程类职业学校提供了培训学生的高技术工具，将专业课程和实习环节相结合，培养学生了解生产操作、熟悉生产原理的能力，提高了学生动手操作的兴趣与水平。以较少的投入满足了学生的实践需要。许多专业课程由于受到设备、场地和经费等条件的限制，可以选择采用模拟仿真技术。但模拟仿真技术应用于工程造价课程教学实践的研究很少，可参考的研究成果几乎没有。

3研究方法

3.1 文献研究法在研究中，通过对多种学习资料的阅读、分析，了解到了当前研究的发展状况，为论文的撰写奠定了必要的理论基础。

3.2 个案研究法在研究中，通过具体的案例，对工程造价教学进行研究，发现问题、解决问题、优化教学策略，设计教学软件开发方案，最终完成系统的设计与开发。（图1）

4模拟仿真技术在造价教学中的应用

重点是构建土木工程中公路、桥梁、隧道的立体全景展示。在三维仿真动画展示过程中，可自由控制观看角度及画面缩放，配合实景照片，效果直观。施工流程部分以简单的工程施工3D动画，配以实景图片及施工工艺文本说明，使学生能更直观地了解工程施工的流程步骤。公路、桥梁、隧道的分解结构模块通过点击结构图中的交互热点，显示该局部结构的名称、所在位置以及该结构的详细说明窗口，其中包含局部结构3d展示、工程量复核、定额、工程图纸。为了满足课堂教学的需要，支持文本和图纸的缩放、自由拖动功能，以增强课堂教学实际效果。人性化的人机交互界面及流程分类设计，学生在课余时间也能通过简单直观的软件操作进行学习。选题立足于公路工程造价专业，重点在于利用该模拟仿真技术将造价及工程量复核等内容更加形象地展示出来，使课程的实效性更强（表1）。

5隧道工程案例

在传统课程教学中，教师都会按照既定的教学过程来实施教学活动，那么在仿真公路系统中，学习者的学习活动应当如何开展？隧道模型概述为由以下几个部分：

5.1 用户界面呈现在工程仿真系统中，学习者必须是通过用户界面与仿真系统进行交互。因此，构建和谐友好、方便操作、逼近工程实体虚拟系统要解决的首要问题。仿真系统的真实性可以丰富学习者在虚拟情境中的体验，方便性主要表现在学习中按照学习者的进度，适时的为其提出指导性建议（图2）。

5.2 仿真情景设计仿真系统要依据学习者的经验、知识背景及需求，呈现具体的公路工程、桥梁工程、隧道工程等信息。设计工程实例，仿真场景和工程对象，通过情境设计，以激发学习者的兴趣（图3）。

5.3 工程造价数据分析通过仿真系统的现象观察，具体进行工程造价结果的分析，处理工程数据，并根据反馈信息及时调整策略，这有助于提高学习者对造价编制过程的反应能力以及对因果关系的敏感性。该过程中须关注在工程内容的一致性、工程过程的交互性等问题（图4）。

6实用价值和重要的现实意义

6.1 课件制作方法的探索使用直观的设计方法取代繁琐的传统编程式的课件制作，老师把更多精力放在课程本身的教学设计上，只需根据实际教学需求，设计课件，向学生展示工程结构；体现新一代课件的广阔应用前景。

6.2 促进学生探索性的学习现在的教学所采用的方法比较单一，学生在上课中往往很被动，面对各种各样的公路、桥梁、挡土墙，结构物感觉一片茫然，老师怎么说，学生就照着怎么做。很多时候上课只停留在不动脑的机械劳动阶段，达不到提高学生动手能力的目的，这样的知识传递过程较为单调，效果也不明显。在仿真平台上，学生可以摆脱了原有模型设备条件的约束,在更形象的知识领域内自主探索，促进了学生创新意识和创新能力的培养。

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实践教学是对教学理论的进一步加强，学生在此过程中也能够有效提升自身的创新精神与动手能力。过去大众化、讲学式的教育体系对实习实训的认识不够，因此很多学生面临毕业之后找工作难的窘境。通过加强实践教学、推动创新教育的方式，能够有效提升学生的综合素质，为现代社会培养更多实用型人才。

一、土木工程施工实习实训教学中仿真技术的问题

在我国有很多高校的土木工程专业在教学时依然没有创新，还是在按照已经过时的模式进行教学，虽然也涉及实习实训内容，但效果不佳，并且基本上只是流于形式，实际效果有限。通常高职院校会有近一年的实训期，在这么短的时间内是很难进行施工实训的。即使在训练过程中采用集中分散结合的方式，但施工效果仍旧不理想。由于单一教学模式的限制，并且对教学和实训的安排缺乏合理性，实训教学通常难以发挥应有的作用。进行实训教学存在以下几个问题:第一，不重视实践教学的重要性;第二，对课程体系的设置缺乏合理性;第三，缺乏实训教学资源;第四，缺乏足够的实训教学时间。

二、土木工程施工实习实训教学中仿真技术的实现

(一)虚拟场景建模

通过仿真设计软件能够设计出具有实际价值的虚拟场景，制作方法为:第一，用摄像头拍摄现实场景，然后利用仿真技术对所得影响进行全景图合成设计;第二，通过程序设计语言和编程软件生成场景［1］;第三，使用仿真设计软件制作虚拟三维场景。以上步骤需要用到的主要软件有3DSMAX软件和VRML软件，结合两款软件的使用方法为:首先，制作场景贴图、动画、造型等;其次，将场景导出至VRML;最后，修改源程序代码，添加所需文件，并进行相应操作。

(二)实现物理建模

通过Export命令，对建模得到的max文件进行导出，导出后的文件为wr1文件，然后对导出的文件进行建模。这一过程可以通过VRML的传感器节点完成，同时通过事件及路由器实现。

(三)实现行为建模

以Script节点定义及改变场景对象的外观及行为，当Script节点开始初始化，某个程序脚本就会被调用。该事件在VRML场景中会被检测出来，并传递至JAVA，通过JAVA对其作出相应的响应，也可以进行反向传递。

(四)构建网络系统

虚拟的仿真教学环境可以对网络中的信息资源进行高效利用，确保实训教学具有动态有效性。例如Flashmx等工具能够进行在线虚拟实习活动，具有十分广泛的教学覆盖面，在当前常用的辅助实训教学工具中，最具发展前景。通过信息技术能够建立远程服务系统，实现对虚拟仿真实训教学的系统资源共享，这也是虚拟仿真教学系统未来进展的主要方向之一［2］。利用虚拟仿真实训教学系统能够给学生提供大量学习资料，保证学习效率和学习效果。网络虚拟实训可以运用web三层结构建立B/S架构的虚拟仿真实训教学体系。

三、土木工程施工实习实训中应用仿真技术的方法

(一)在教学中建立规范化的仿真技术

虚拟仿真技术具有人机互动的特点，娱乐性强并且能够形象直观地表现画面，有助于学生的记忆同互联网联系，能够营造出逼真的场景，增加体验乐趣。在学生开始土木工程施工实习的后，采用标准化的虚拟仿真技术能够在很大程度上激发学生的学习兴趣，从而提升其学习主动性，而这一点，在传统的教条主义教学模式下是难以实现的。通过规范的仿真模拟技术，能够很好地重现施工场景，使学生完美地融入其中。

(二)在教学中安全控制仿真技术实施

仿真技术通过虚拟成像的方式营造一个看起来真实的环境，但由于其特有的虚拟性，因此情境知识看起来和真实环境无异，但却很好地避免了真实环境中才会出现的各种危险因素。学生可以在课堂中融入真实的施工环境中去，在实践中应用理论知识，在虚拟的环境中对施工过程进行安全控制操作，即使存在不规范问题或其它缺陷，由于不具有危险性并且并非真实，学生仅仅会感觉到紧张，但并不会造成危险和损失。虚拟仿真技术能够加强学生规范化管理建筑施工流程，提高施工的安全水平，降低事故发生率。

(三)重视仿真技术的设计及师资培养

在教学中引入并应用仿真技术，也是加强土木工程师资力量的重要因素。土木工程是一门以实践为主的专业，培养的也主要是实用型人才。因此无论是学生还是教师，都需要具备一定的施工经验，才能在将来的工作或教学活动中，占据主动。教师在进行仿真技术实训之前，应首先做好完善的准备工作。在实现实践教学的科学化和精细化规划设计过程中，教师也应具有一定的创新能力。另外，学校方面也可以积极引入或自行开发一些具有实训价值的综合仿真技术的土木工程实习软件，充分满足学生需求。

(四)在实习开展前做好充分准备工作

在开展实训之前，教师会根据实习的基本纲要给学生安排各种实习任务，此外土木工程专业教师也会专门给学生安排一些工作，学生需要根据自己实习的内容做一份答辩论文。这种方法有助于培养学生总结施工实践经验的能力并培养学生养成良好的团队意识。并且表现优秀的学生所上交的论文内容也能够为教师日后教学水平的提升打下良好基础，教师也能从中找到各种有价值的案例以供教学使用。

结束语

土木工程施工实习实训是非常有必要的，这也符合其侧重实践应用的专业特点。在实训中应用仿真技术，学校在降低成本的同时，也能够很好地培养学生的实践能力和创新能力。

参考文献

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主管单位：航天科工集团总公司

主办单位：中国系统仿真学会

出版周期：月刊

出版地址：北京市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1004-731X

国内刊号：11-3092/V

邮发代号：82-9

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1989

期刊收录：

SA 科学文摘(英)(2009)

CBST 科学技术文献速报(日)(2009)

中国科学引文数据库(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2004)

期刊荣誉：

Caj-cd规范获奖期刊

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1、论文研究背景及意义

近多年来，由于计算机及网络相关技术的迅猛发展，世界经济发展的必然趋势就是数字化，数字城市也逐渐引起了人们的注意。那么怎样应用计算机技术来构建数字城市，近而实现城市的数字化已经引起城市规划及管理人员和城市居民的共同关注。城市仿真技术在构造数字城市过程中发挥着非常重要的作用，因此成为当前一个新的研究热点。仿真(Simulation)技术是利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形界面，使之在感知行为的逼真体验中获得直接参与和探索仿真技术对象在所处环境中的作用和变化。城市仿真(Urban Simulation)技术就是仿真技术在城市规划、建筑设计等领域中的应用，表现为人机交互、真实建筑空间感与大面积三维地形仿真，即交互式实时三维(Interactive Realtime 3D)。采用虚拟现实技术构造出来的城市视景仿真系统是数字地球的重要组成部分和支撑手段，已经被广泛应用在城市的规划、建设以及管理当中，对于城市发展规划的各个方面都具有相当重要的意义。

2、国内、外的视景仿真工具

MultiGen-Paradigm公司的MultiGen Creator的各版本三维建模软件是世界上流行的实时三维数据库生成系统的软件环境，在仿真系统中得到广泛的应用。Vega Prime是MultiGen-Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的世界领先的软件环境。Urbansim是基于城市交通需求模拟分析和城市土地综合分析的新型城市发展仿真软件。MagicCity属于WinTel架构基础上的虚拟现实和视景仿真系统。我国在视景仿真系统开发的同时，也在进行仿真系统软件平台的开发。TrueSim v2.0 三维实时仿真软件平台是深圳市创想科技发展有限公司在综合了国内外多项最新三维仿真技术的研究成果以及多年来从事三维仿真研究所积累的多种经验的基础之上推出的具有自主知识产权的仿真平台。神州视景信息技术有限公司自主研发了“基于普通PC和Internet的大规模场景实时漫游引擎系统――SCVR”。 Virtools是一个实时三维虚拟现实编辑软件，可将多种常用文件格式（三维模型、二维图表、声音等）整合到一起，并具备交互功能，能够开发出电脑游戏、建筑仿真、交互娱乐等多种3D产品。

3、本文的研究目的及重要内容

本文通过研究虚拟现实视景仿真技术的相关知识，实现以我们学院校园为虚拟环境的视景漫游系统。通过对虚拟场景的构建，能够实现视景漫游中的自动漫游和交互漫游等效果。本系统应用建筑草图大师Sketchup和MultiGen Creator软件工具来构建虚拟场景中地形及建筑物的三维模型，并建立道路、树木、路灯等虚拟景物，借助Vega Prime软件平台和工具集对校园虚拟场景进行仿真，在VC++开发平台下实现三维景观及模型的交互式（以鼠标、键盘等交互方式）控制，实现了虚拟校园景观的视景仿真漫游系统。

本文主要研究内容和所做工作总结如下：

(1)了解视景漫游技术以及虚拟现实的发展，对国内外虚拟现实技术应用现状进行调研。

(2)对黑龙江农垦科技职业学院的视景环境数据进行搜集和整理，包括地形数据的获取、建筑物数据的获取、纹理数据的获取等等。

(3)研究用虚拟现实建模软件Sketchup、Creator以及三维建模技术、模型真实感技术以及模型优化技术等对地形、道路、教学楼和图书馆等建筑以及校园之中的花草树木等进行建模，构建出虚拟场景模型库，然后用视景漫游软件Vega Prime和VC++对虚拟场景进行漫游和交互控制。

(4)研究模型数据库建模和优化技术问题，模型数据库的建构、调整和优化对提高实时仿真系统中运行的速度和流畅性起着至关重要的作用，成为目前重要的研究课题。

(5)碰撞检测技术。开发虚拟现实仿真系统有一个主要目标就是能够让用户以尽可能接近自然的方式与构建的虚拟场景中的物体直接进行交互。要实现自然的、精确的人机交互功能首先要解决的是碰撞检测的问题。碰撞检测是虚拟场景中动态物体与静态物体之间或动态物体与动态物体之间进行交互的基础。在碰撞检测中有两个问题需要解决，一是检测到碰撞的发生和碰撞的位置，二是计算碰撞后的反应。而碰撞检测是计算碰撞反应的先决条件，因此，碰撞检测是虚拟环境中一个必不可少的部分。

(6)为保证虚拟场景的真实性、生动性及其对用户的感染力，对基于粒子系统的虚拟场景环境特效技术进行研究。

校园视景仿真就是在计算机环境中对真实校园的景观进行虚拟再现，采用虚拟现实相关技术，生成一个实时的、能给用户各种真实感受的三维虚拟环境。利用计算机软硬件及其相关输入输出设备，使用户可以在虚拟的校园场景中进行浏览和交互漫游，感受校园中的风景。利用这种方法可以让更多的人来了解我们的学校，对本校园的环境及交通现状等方面有更深刻的认识。

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KEYWORDS: simulation technology、production line、Flexsim、optimize

正文目录

第一章 引言 1

第一节 研究背景与现状 1

第二节 选题的意义 2

第二章 生产线概论 3

第一节 生产线的基本理念 3

一、生产线的概念 3

二、流水式生产线的概念 3

第二节 生产瓶颈 4

一、生产线上的约束 4

二、节拍和瓶颈 4

第三节 生产线评价指标 5

一、生产线最终产量 5

二、操作器的利用率 5

第四节 生产线物流系统仿真方法的优势 6

一、传统生产线物流分析方法 6

二、仿真方法的优势 6

第三章 仿真技术的发展和应用 7

第一节 仿真技术的发展历史及其特点 7

一、仿真技术的发展历史 7

二.仿真技术的特点 7

第二节 仿真技术在生产系统中的应用与分类 8

一.仿真技术的应用 8

二.仿真技术的分类 9

第三节 物流相关仿真软件介绍 10

一、AUTOMOD 10

二、ARENA 10

三、EXTEND 11

四、FLEXSIM 11

第四章 生产线仿真建模 13

第一节 生产线仿真的基本过程 13

一  明确仿真目的 13

二  收集数据 14

三  建立系统的物理模型 14

四  建立系统的逻辑模型 14

五  模型确认 14

六  仿真模型运行 14

七  模型运行结果分析 14

第二节 模型介绍 15

一、圣奥沙发流水线简介 15

二、沙发制造部工艺流程图 15

三、模型实体 16

第三节 模型运行及其结果 23

一、仿真模型 23

二、仿真结果 25

第四节 结果分析以及模型改造 31

一、结果分析 31

二、模型改造 32

三、模型改进后的分析 38

第五章 结论与展望 39

参考文献 40

致 　谢 42

 

第一章 引言

第一节 研究背景与现状

近年来，随着国内外市场竞争的激烈，我国加入WTO，企业面临巨大的挑战。物流的现代化越来越受到人们的关注。传统物流是一个流通与制造过程的附属品，其基本任务仅仅是完成商品流通或制造过程中物料的物理位置的转移，以确保流通或生产过程的正常运行，因此，物流的各个功能环节长期以来是相互分散和孤立的。现代流通与生产过程则是更加注重整体的效益。物流作为一个多因素、多目标的复杂系统，追求其整体的优化是一个复杂的系统分析问题。现代物流越来越多的强调物流的系统化合综合化，现代物流和传统物流的本质区别逐渐显现出来。正式由于现代物流的这一特点，尤其需要运用系统分析的方法对其进行分析研究。

生产线即产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。生产线需要接收和处理大量的产品设计、加工、制造资源等信息，合理调度加工零件。传统的经验分析和人工调度不能适应复杂系统和现代管理的要求。过去，一个企业有十几辆、几十辆车负责产成品的运输。车辆的调度完全依靠管理人员、调度人员的已有经验。今后，企业物流逐步走向社会化。企业要降低成本，缩短供货期，对物流提出了更高的要求。不仅仅满足于车辆的调配，更需要合理选择运输路线、合理配载和返程货物搭载等。而且，由于生产的逐渐多样化，服务的客户化，不再有一成不变的计划生产，市场不断变化的生产和供货，需要管理人员动态调整计划。人工的、经验式的管理必须用科学的控制管理方式代替。系统仿真正是适应了物流系统的复杂化、物流目标的多样化的发展需要。 人们在研究一个较为复杂的系统时，通常可以采用两种办法:一种是直接在实际系统上进行研究;另一种就是在系统的模型上进行研究。在实际系统上研究固然有其真实可信的有点，但是很多情况下是不合适甚至不可行的。这主要有以下几方面的原因:

(1)、需要考虑安全性。在研究重要的，涉及人身安全或设备安全的系统时，不允许在实际系统上进行试验，例如宇航系统，核能系统，航空系统等。

(2)、系统具有不可逆性。有很多系统是不可逆的，例如已经发生的灾害，生态系统等。

(3)、投资风险过大。一些重大的工程项目，重大设备系统很复杂，投资巨大，不允许在实际系统上进行破坏性的实验。

(4)、研究时间过长。多数情况下，在实际系统上研究问题往往需要较长的时间。例如研究复杂的生态系统一般需要数十年;研究一个交通运输系统也至少需要数天甚至数月。

(5)、真实的系统尚未建成。如果希望在系统规划设计阶段评价方案的优劣，显然无法在真实系统上进行。

出于以上主要原因，利用模型来研究系统不仅是必要的甚至在某些情况下是唯一可行的方法。

第二节 选题的意义

生产物流系统是企业物流系统的子系统，同时也是制造系统的重要组成部分。生产物流系统的优化不但可以提高企业生产中物流的顺畅程度、提高生产效率，还可以降低物料搬运成本；进而提高企业的成本、质量、交货期等各项系统性能指标。由于生产系统的复杂性、动态性和随机性，数学解析方法无法对整个生产系统的诸多特征进行建模，也就无法准确地进行投产方案的计算和优化。而系统仿真以相似论、计算机科学、概率论、数理统计和时间序列分析等为理论基础，能够真实地仿真随即时间，实时模拟生产系统的动态特性[1]，再现或预测所需的生产系统特征。

而Flexsim是一套系统仿真模型设计、制作与分析工具软件。它集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体，专门面向制造、物流等领域。运用Flexsim系列仿真软件，可在计算机内建立研究对象的系统三位模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计或改造方案。

本文以圣奥有限公司沙发生产线为例，通过仿 真软件Flexsim建立生产线仿真模型，进行物流和调度仿真，瓶颈设备和故障分析与生产线能力评估，为生产线规划与布局及生产调度计划制定提供可靠的科学依据。而用仿真软件做生产线优化还可以可以减少成本，三维效果好，最重要的是仿真优化结果明显。第二章 生产线概论

第一节 生产线的基本理念

一、生产线的概念

产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的路线。狭义的生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。

生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效益。

二、流水式生产线的概念

流水线是指劳动对象按照一定的工艺路线，顺序的通过各个工作地，并按照统一的生产速度(节拍)完成工艺作业连续的、重复的生产过程。

流水生产方式是把高度的对象专业化生产和劳动对象的平行移动方式有机结合起来的一种先进的生产组织方式。

单品种流水生产线又称不变流水线，指流水线上只固定生产一种制品。要求制品的数量足够大，以保证流水线上的设备有足够的复合。

多对象流水生产有两种基本形式。一种是可变流水线，其特点是在计划期内，按照一定的间隔期，成批轮番生产多种产品;在间隔期内，只生产一种产品;在完成规定的批量后，转生产另一种产品。另一种是混合流水线，其特点是:在同一时间内，流水线上混合生产多种产品。按固定的混合产品组组织生产，即将不同的产品按固定的比例和生产顺序编程产品组。一个组一个组地在流水线上进行生产。

第二节 生产瓶颈

一、生产线上的约束

生产线的生产过程是一个按照生产工艺安排的有序过程。因此，可完成生产作业要素受到一定程度上的限制。例如，在安装仪器或者设备外壳前需要装上电动机。进行生产线平衡时，除了考虑优先约束之外还应考虑非生产工艺的约束：      

(1)区域约束。它时与生产工位布置有关的限制，分为正区域约束和负区域约束。正区域约束是指某些确定的作业要素应该彼此就近设置;负区域约束是指作业要素之间相互干涉，在位置上不应靠近的限制条件。

(2)位置约束。在大型的生产线上，如汽车的装配线上，由于产品比作业人员可完成的装配作业空间大，不能完成其周边的装配作业，产品装配作业受到空间的限制。

二、节拍和瓶颈

流程的“节拍 ”（Cycle time）是指连续完成相同的两个产品（或两次服务，或两批产品）之间的间隔时间。换句话说，即指完成一个产品所需的平均时间。节拍通常只是用于定义一个流程中某一具体工序或环节的单位产出时间。如果产品必须是成批制作的，则节拍指两批产品之间的间隔时间。在流程设计中，如果预先给定了一个流程每天（或其它单位时间段）必须的产出，首先需要考虑的是流程的节拍。

而通常把一个流程中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈”（Bottleneck）。流程中存在的瓶颈不仅限制了一个流程的产出速度，而且影响了其它环节生产能力的发挥。更广义地讲，所谓瓶颈是指整个流程中制约产出的各种因素。例如，在有些情况下，可能利用的人力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障、信息流阻滞等，都有可能成为瓶颈。正如“瓶颈”的字面含义，一个瓶子瓶口大小决定着液体从中流出的速度，生产运作流程中的瓶颈则制约着整个流程的产出速度。瓶颈还有可能“漂移”，取决于在特定时间段内生产的产品或使用的人力和设备。因此在流程设计中和日后的日常生产运作中都需要引起足够的重视， 注意生产线平衡的持续改善。

与节拍和瓶颈相关联的另一个概念是流程中的“空闲时间”（idle time）。空闲时间是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间，可以指设备或人的时间。当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以外的其它工序就会产生空闲时间。这就需要对生产工艺进行平衡。制造业的生产线多半是在进行了细分之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工作业，简化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。然而经过了这样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，现实上都不能完全相同，这就势必存在工序间节拍不一致出现瓶颈的现象。除了造成的无谓的工时损失外，还造成大量的工序堆积即存滞品发生，严重的还会造成生产的中止。

为了解决以上问题就必须对各工序的作业时间平均化，同时对作业进行标准化，以使生产线能顺畅活动。“生产线工艺平衡”即是对生产的全部工序进行平均化，调整各作业负荷，以使各作业时间尽可能相近。是生产流程设计与作业标准化必须考虑的最重要的问题。生产线工艺平衡的目的是通过平衡生产线使用现场更加容易理解“一个流”的必要性及“小单元生产”（Cell production）的编制方法，它是一切新理论新方法的基础。

第三节 生产线评价指标

在生产线平衡中，通常可以使用生产线最终产量、工作时间、利用率、空闲率、阻塞率等几个指标来比较和评价生产线平衡的结果，而本文中主要用到生产线最终产量和操作器利用率这两个指标。

一、生产线最终产量

生产线的评价指标之一为该条生产线最终的产量。一般而言，最终产量越多越好，本文中模型改进前后对比的评价指标之一就是生产线的最终产量。不过，现实生活中，企业还是要考虑到生产成本问题。如果生产成本投入很大，相对而言，最终产量增加不多，那么就不一定值得投入更多的生产成本的。

二、操作器的利用率

生产线中机器的利用率也是一个很重要的生产线评价指标，一般利用率较高的生产线比较好。试想，如果一条生产线上的机器大多时间都处于空闲或等待之类的 非处理状态，那就说明这条生产线的利用率不高，存在很大的浪费。本文中模型的第二个评价指标就是机器的利用率，通过模型改造，使得生产线上的各个机器的利用率有大大的提高，充分的使用了其生产能力，没有造成浪费。

第四节 生产线物流系统仿真方法的优势

一、传统生产线物流分析方法

传统对企业的生产流程的优化，主要集中在生产流程、生产节拍和工艺流程方面的优化，且主要由工艺员根据企业现有的规模，建立实体模型，通过改变其中几个瓶颈设备来达到优化的目的。这种优化在很大程度上来说，没有相关理论为指导，多是从生产实际中总结出的一些经验中得出的，常常是局部的优化，可以说只是些修修补补，并不能从根本上解决企业整体存在的问题。针对企业优化问题，目前用的较多的传统生产线物流分析方法是对所研究系统建立起相关数学模型，通过数学工具对系统进行优化。

而对生产线进行分析的数学方法包括有运筹学、系统工程等学科。其内容包含有排队论、目标规划法、模糊综合评判法、层次分析法、关系矩阵法等等。不过类似于这些方法，计算量过大，而且有些时候不一定能得出结果，所以存在一定的弊端。随着生产系统越来越复杂，越来越多采用仿真方法。

二、仿真方法的优势

对于比较复杂的工艺流程，仅用数学方法往往不能发现工艺流程中的瓶颈，因而也无法为系统优化提供依据。因此，需要通过仿真技术的应用，对工艺流程建立仿真模型、设置参数，来实现工艺流程的仿真，从而找到瓶颈，再通过优化方法消除流程中的瓶颈。因为对物流系统的仿真能将制造厂内生产的实际情况逼真的再现出来，并结合虚拟制造、虚拟物流的思想，通过对各种模型设备的工作时间、利用率、空闲率、阻塞率等的分析，找出制约整个系统物流的瓶颈因素，再通过改变相关制约因素来达到系统整体的最优，这不仅有效的解决了传统的数学模型优化不能真实、具体、全面地反映系统运作情况的缺陷，又巧妙的回避了大量不必要的计算，操作起来十分经济方便。

仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制的多个高新科技领域的知识，是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合性技术。可有效的解决这种多因素、多目标、多层次的系统优化问题。

第三章 仿真技术的发展和应用

第一节 真技术的发展历史及其特点

一、仿真技术的发展历史

系统仿真是建立在系统理论、控制理论、相似理论、数理统计、信息技术和计算机技术等理论基础之上，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和系统资料对实验结果进行分析研究，做出决策的一门综合性和实验性的学科。

早在几千年前，我们的先人就懂得了系统仿真的基本原理。中国象棋就是用于仿真古代战争的游戏;军事沙盘用来仿真两军对战的战略;建筑中用木模研究实际建筑物的结构与承载性能等。知道20世纪40年代，冯。诺依曼正式提出了系统仿真的概念，随后1952年美国成立了仿真学会，1963年出版了仿真领域最具权威性的学术刊物《SIMULATION》后，系统仿真之间变成了一门独立的学科。

二、仿真技术的特点

系统仿真技术是模型(物理的、数学的或非数学的)的建立、验证和实验运行技术。现代仿真技术的特点可以归纳为以下几点:

(1)、系统仿真技术是一门通用的支撑性的技术。在决策者们面对一些重大的，棘手的问题时， 能以其他方法无法代替的特殊功能， 为其提供关键性的见解和创新的观点

(2)、系统仿真技术学科的发展具有相对的独立性， 同时又与光、机、电、声， 特别是信息等众多专业技术领域的发展互为促进。因此系统仿真技术具有学科面广、综合性强、应用领域宽、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、不受气候条件和场地空间的限制等独特优点， 这是其他技术无法比拟的。

(3)、系统仿真技术的发展与应用紧密相关。应用需求倩影、系统带技术、技术促系统、系统服务于应用，这是一个辩证的关系。应用需求是推动系统仿真技术发展的原动力， 系统仿真技术应用效益不但与其技术水平的高低有关， 还与应用领域的发展密切相关。大量实例证明， 系统仿真技术的有效应用必须依托于先进的仿真系统， 只有服务于应用的仿真系统向前发展了， 才能带动系统仿真技术的发展。

(4)、系统仿真技术应用正向全系统、系统全生命周期、系统全方位管理发展， 这些都给予仿真技术的发展。

第二节 仿真技术在生产系统中的应用与分类

一、仿真技术的应用

仿真在生产中的应用，主要依赖于生产力发展水平的提高。对简单的生产过程和系统， 以人工操作为主的生产，仿真显示不出其突出的优点。然而，随着生产自动化水平不断提高， 生产系统越来越复杂。生产节奏越来越快，生产管理者对生产改进的每一决策，都需谨慎考虑。措施不当，往往需付出高昂的代价。而正是由于系统的复杂性、快节奏和柔性，要想预测每一种决策给系统带来的后果。已是人的大脑无法胜任的了。仿真技术正是弥补了这一不足，成为现代生产系统的有用工具，成为生产管理人员的得力助手。仿真在制造业中的应用，主要有以下几方面：

1．生产系统的规划设计

在一个新的生产系统建立时，往往要对该生产系统的方案设计进行评价。除了其它的系统设计与评价方法外，仿真是最常用的一种方法。对新系统建立模型，动态运行此模型，从而找到系统方案存在的问题。多次修改参数与运行，可以寻求一个较优的设计方案。

2．物料的管理

复杂、快节奏的生产系统。物料的管理往往是十分复杂的。不同的物料管理策略，会产生不同的效果。策略得当，可以保证生产系统均衡的生产，保证物料适时、适量的供应。反之，会造成生产物流的失调，或出现积压浪费，或出现供料不足。通过物料管理策略仿真， 可以确定出最恰当的物料管理方案。

3．生产系统的协调

多工序、多设备的复杂生产线。各加工工序生产节奏一般是不协调的。这种不协调会严重影响生产系统整体效率。协调各工序的生产节拍，充分发挥所有生产设备和人力资源的潜力， 力求系统生产的总体高效率，是生产中最常见的难题。仿真可以帮助人们迅速 找到生产的瓶颈，通过采取相应措旖，消除瓶颈，协调生产。

4．生产计划摸拟

企业、公司在制订计划时，为了预测计划下达后的效果，一般都采用定量分析的方法，通过分析来评价计划的合理性。仿真是定量分析方法中应用最广泛的。

5．生产成本分析

仿真可以模拟生产的动态过程。如果将成本作为一个基本变量，生产过程的模拟可以得到生产成本的统计性能。改变参数，多次仿真可以寻求降低成本提高生产率的较优方案。

生产线作为生产系统的重要组成部分，仿真技术在其中的应用同样十分广阔，从原料管理，工具管理，生产设备规划，控制生产吞吐等。

二、仿真技术的分类

系统仿真可以有很多种分类方法。

①．按模型的类型可以分为连续系统仿真、离散事件系统仿真、连续/离散混合系统仿真和定性系统仿真;

②．按仿真的实现方法和手段及模型的种类，可以分为物理仿真和数学仿真;

③．根据人和设备的真实程度，可以分为实况仿真、虚拟仿真和构造仿真等;

连续系统仿真和离散时间系统仿真是根据系统状态变化的不同而进行分类的。连续系统仿真是指系统状态随时间连续变化的系统的方针;离散事件系统仿真则是指系统状态值在一些时间点上发生变化的系统的方针。在系统仿真技术的发展历史中，连续系统仿真较早得到发展和成熟的应用。最为成熟的领域包括自动控制，电力系统，宇航，航空等。离散事件系统仿真是随着管理科学的不断发展和先进制造系统的发展而逐渐被重视和发展起来的。目前，在交通运输管理，诚实规划设计，库存控制，制造物流等领域都开展了离散事件系统仿真的理论和应用研究。

物理仿真是建立系统的物理模型。最早的仿真起源于物理仿真，例如航空飞行用空洞实验研究气流对飞机飞行的影响。数字仿真则是通过建立系统的数学模型进行研究。数学仿真又分为模拟仿真和数字仿真。数字仿真就是建立系统的数字模型。由于数字仿真依赖于计算机，并需要处理大量数据，要求能快速计算，因此数字仿真是随着计算机的发展而形成和不断成熟起来的。随着计算机的发展，数字仿真的研究和应用在系统仿真中占有越来越大的比重。

国外工业发达国家系统仿真技术的应用非常普遍。20世纪90年代初，美国提出了22项国家关键技术，系统仿真技术被列为16项;美国国防部提出了21项国防关键技术，系统仿真技术被列为第6项。美国已经严格规定所有重要的武器研究，必须进行仿真实验后才可投入正式生产和使用。

根据20世纪80年代末的统计，比人企业运用系统工程解决管理和决策问题时，采用系统仿真方法的已经超过80%。英国制造业也普遍采用系统仿真方法解决无聊控制、人力配置、调度评估、投资策略以及均衡生产等问题。根据国外应用统计，运用系统仿真油画系统设计规划可减少投资约30%，在库存控制方面科减少库存约15%。

第三节 物流相关仿真软件介绍

一、AutoMod

AutoMod仿真软件是由美国Brooks Automation公司出品，目前最新版本是11.2。 其研发基地位于犹他州的盐湖城，于上世纪80年代开始研发，目前已成为国际上产品较成熟、应用较广泛的仿真软件之一。 AutoMod的应用覆及汽车、家电、造船、化工、烟草、图书等制造业领域，军事、核工业等国防领域，以及邮政通信、港口、航空、仓储、配送、物料操作等物流及其他服务行业和领域。AutoMod是一款比较成熟的离散事件系统仿真软件，可完成对制造系统、仓储系统、物料处理、企业内部物流、港口、车站、空港、配送中心，以及控制系统等的仿真分析、评价和优化设计等。

二、Arena

Arena是美国System Modeling公司于1993年开始就基于仿真语言SIMAN

及可视化环境CINEMA研制开发的可视化交互级城市商业化仿真软件，为不同需求的用户开发有多种产品类型。

作为通用的可视化仿真环境，Arena的应用范围十分广泛，集合覆盖了可视化仿真的所有领域。在物流领域，Arena的应用涉及从供应商到客户的整个供应链，包括供应商管理、库存管理、制造过程、分销物流、商务过程以及客户服务等。在制造过程仿真应用中，Arena常用来进行四个方面的仿真分析:①生产过程中的工艺过程计划、设备布置等;②生产管理中的生产计划、库存管理(如库存规划、库存控制机制)等;③制造过程的经济性、风险性分析，降低成本或辅助企业投资决策等;④各种先进制造模式如虚拟组织与敏捷供应链管理的可视化仿真等。

三、Extend

Extend系统仿真软件是由美国Imagine That公司开发的通用仿真平台。Extend目前有连续、离散、工业和套装四个版本的商业产品。Extend提供了自成一体的集成环境，为不同层次的用户提供了多种工具，并且Extend的模块可以很容易地搭建并组合在一起，大大方便了建模。Extend在众多行业得到企业、学校和政府的广泛认可。其应用领域包括通讯、制造、服务、卫生、物流和军事等行业。

Extend提供了输入建模、运行仿真模型、数据分析等基本功能。Extend提供了模块化的建模功能，用户可以采用软件提供的基本模块，或者自己建立的模块搭建模型。此外，Extend包含了以个基于消息传递的仿真引擎，提供迅速的模型运行机制和灵活建模机制。Extend采用2D的建模与仿真显示功能，建立的模型和方针运行都显示二维的画面。Extend的方针运行支持及时的参数修改，能够及时看到修改参数后的运行情况。Extend也停工了专门的StatFit数据你和功能，辅助用户进行各种类型的输入数据的处理和分析。

四、Flexsim

Flexsim是一款通用离散仿真软件，被用来对若干不同行业不同系统进行建模和仿真。据粗略估计，大约500个Fortune企业中的一般为Flexsim的客户，包括General Mills， Daimler Chrysler， FedEx等一些著名企业。

Flexsim是一套系统仿真模型设计、制作与分析工具软件。它集计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、数据处理技术为一体，专门面向制造、物流等领域。运用Flexsim系列仿真软件，可在计算机内建立研究对象的系统三位模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，最终获得优化设计或改造方案。

Flexsim是新一代离散时间系统仿真的有效工具。面向对象的建模方式使得建模过程更为快捷，只需通过图形的拖动和必要的附加程序就可以快速的建立起系统的模型。软件提供了丰富的物理单元，如处理器、操作员、堆垛机、货架等，大大方便了用户的建模。所建立的物理仿真模 型可以用三维动画方式表现出来。

目前，Flexsim软件已经在物流及生产制造领域里成功的进行了多种系统的建模与仿真分析，如配送中心的拣选仿真、仓储出入库仿真、产品库分拣仿真、生产物流系统仿真、高速公路交通仿真、集装箱码头仿真、机场仿真、城市应急系统仿真等。

以下是运用Flexsim成功解决的一些问题：

• 提高设备的利用率

• 减小等待时间和排队长度

• 有效分配资源

• 消除缺货问题

• 把故障的负面影响减至最低

• 把废弃物的负面影响减至最低

• 研究可替换的投资概念

• 决定零件经过的时间

• 研究降低成本计划

• 建立最优批量和工件排序

• 解决物料发送问题

• 研究设备预置时间和改换工具的影响

• 优化货物和服务的优先次序与分派逻辑

• 在系统全部行为和相关作业中训练操作人员

• 展示新的工具设计和性能

• 管理日常运作决策

Flexsim采用面向对象技术，并具有3D显示功能。建模快捷方便和显示能力强是Flexsim仿真软件的重要特点。该软件提供了原始数据拟合、输入建模、图形化的模型构建、虚拟现实显示、运行模型进行仿真实验、对结果进行优化、生成3D动画影像文件等的功能，也提供了与其他工具软件的方便接口。第四章 生产线仿真建模

第一节 生产线仿真的基本过程

        生产线仿真的基本流程如图4-1:

 

图4-1 生产线仿真基本流程

一、明确仿真目的

建立生产线仿真首先要明确仿真的目的，这样才能避免对仿真过程中不必要细节的纠缠，突出问题的重点。

二、收集数据

数据收集包括收集与系统输入输出有关的数据以及反应系统各部分之间关系的数据:包括各个生产线的相互关系、生产时间、准备时间、加工零件路径关系等。这是保证以后Flexsim生产线模型能真正反映真实生产线模型的必要条件。

三、建立系统的物理模型

由Flexsim 中提供的各类资源来模拟生产线设备及产品。

四、建立系统的逻辑模型

通过connect 属性连接各实体， 以及对各实体参数的设置及编程， 实现一定产品加工顺序及不同品种的生产顺序。

五、模型确认

确认是确定模型是否正确代表实际系统，把模型及其特性与现实的系统及其特性比较的全过程。对模型的确认工作往往是通过对模型的矫正来完成，比较模型和实际系统的特性是一个迭代的过程。这个过程重复进行直到认为模型准确为止。

六、仿真模型运行

仿真运行就是将系统的仿真模型放在计算机上运行。在运行过程中了解模型对各种不同的输入数据以及不同的仿真机制输出响应的情况。

七、模型运行结果分析

对仿真结果分析是确定仿真实验中所获得的数据是否合理和充分，是否满足系统的目标要求，同时将仿真结果整理成报告，确定比较系统不同方案的准则、实验结果、数据的评价标准和问题可能的解，为系统方案的最终决策提供辅助支持。

第二节 模型介绍

一、圣奥沙发流水线简介

本模型以圣奥集团有限公司旗下的沙发流水线为实体模型。圣奥现有各类沙发共33款，其中6款为外购产品，25款为自行研发生产，淘汰2款。主要产品类别有: 厚重、气派沙发系列；高层主管(皮质) 稳重、时尚、简约沙发系列；各阶层(皮质及仿皮)贵宾、休闲沙发系列:访客、会客(布艺及皮质)。

二、沙发制造部工艺流程图

  

图4-2  沙发制造工艺流程图

    该生产线的流程为图4-2所示。主要步骤有来料检验、材料入库、开料、钉架、打带、裁绵、裁剪、车缝、喷胶贴绵、成型安装、包装。而开料、钉架和打带是对板材进行处理的。裁绵和车缝是对皮料进行处理的。而各流程的先后顺序以及组合方式就如图4-2所示。

三、模型实体

表4-1 模型实体介绍

模型元素 系统元素 备注

Flowitem 原料 默认生成原料

Processor 

机器 进行不同的参数定义以表征不同机器组中的机器

Queue 暂存区 暂时存放货物的区域

Conveyor 传送带 用来传送被加工对象

Source 原材料库 原材料的始发处

Sink 成品库 原料加工后的最终去向

(一)加工工艺及设备:

开料------根据产品、设计、工艺技术要求画板、用开料锯、带锯将板材锯成所需求规格形状(数量、品质)，机械设备及工具:带锯机、推台锯、横截锯、压刨机。

开绵------根据设计技术、样板要求，用电剪将海绵简称所需求规格的产品部件，机械设备及工具:电剪

裁剪------根据技术设计要求，用裁剪工具将皮料和面料裁成所需规格的产品部件，机械设备及工具:电剪，剪刀

车缝------根据设计技术要求，对各型号的产品进行缝合，机械设备及工具:缝纫机、锁边机、双针机

钉架------根据工艺技术要求，对已开好的料进行拼接，机械设备及工具:马钉枪、直钉枪

贴绵------根据设计技术要求，对已钉好的沙发架加贴海绵、造型

成型------对已贴好绵的沙发进行们皮和组装，对沙发进行初步的成型

安装------根据工艺要求对需要组装的产品进行安装固定以达到工艺要求

包装------根据工艺要求对检验合格的产品进行包装以达到工艺需求。

(二)模型假定:

由于工序较多，所以我将生产线中对板材的操作步骤(开料-钉架-打带)合并为一个过程，简称为板材操作，假定存在一板材处理器，能完成此三个程序。同理，将对皮料进行操作的步骤(剪裁-车缝)合并为一个过程，简称为皮料处理器。由于贴绵过程只有一道，所以就不需要合并。此外，圣奥沙发生产流水线上是一个流程一个人负责的。所以因为我把对板材的处理合并为一个流程，所以设定有1个操作员操作该流程。同理可得，裁绵区1人操作，皮料处理区1人操作。综上，整条沙发生产线所需的操作员共有6人。

表4-2  车间生产线机器与操作人员明细表

机器名称 数量 操作人员数

板材处理器 1 1

裁绵器 1 1

皮料处理器 1 1

喷胶器 1 1

成型安装器 1 1

包装器 1 1

沙发生产线首先从原料仓库取材料。由于生产线流程中有来料检验这一步骤，我假设原材料的产品合格率为99%，即只有1%的产品，由发生器随机发送。而与发生器连接的第一个暂存区是存放合格品的，第二个暂存区是存放不合格品的，进入生产线的原材料是由第一个暂存区发出的，因此就不存在有出现有次品进入生产线的问题。板材处理的总时间为各步骤的总和(即开料时间+钉架时间+打带时间)为702s。裁绵时间为78s，皮料处理时间(即裁剪时间+车缝时间)为367s。当板材和绵料都处理完毕后，以1:1的比例进 行喷胶贴绵操作，该过程处理时间为345s。完成后，与处理完毕的皮料进行成型安装，需要时间380s。最后进行成品包装，需时256s。当上述步骤都完成后，将成品入库。

模型的布局如图4-3:

 

图4-3 模型布局图

 

图4-4  模型透视图

(三)运行时间:

假定沙发生产线是一周7天都工作，每天工作时间为24个小时，采用班组轮换制度进行运作。总计一次仿真时间为168小时(7*24=168)，即604800s(168*60*60=604800s)。

(四)参数设置:

1.发生器source的参数设置为服从正态分布，均值为50，方差为2。

2.操作器处理时间服从常数分布。

3.除了装载废品的暂存区最大容量为1000，其他暂存区最大容量均为100。

4.由于有来料检验环节，我假定来自原料仓库的材料合格率为99%，所以在发生器的临时实体流分页中的送往端进行设定。如图4-5:

 

图4-5  发生器参数设置图

5.设定第一台合成器操作之后实体颜色改为黄色，自定义颜色为(R=255，G=255，B=0)。

6.第一台合成器设置:

 

图4-6  合成器一设置图

 

图4-7合成器一参数设置图

7.第二台合成器处理过后颜色设置为白色，即(R=255，G=255，B=255)。

 

图4-8 合成器二参数设置图

第三节 模型运行及其结果

一、仿真模型

由于本文的模型是以一周为一个模型周期的，因此我们用到Flexsim实验控制器的这个功能，实验控制器的参数设定如图4-9:

 

图4-9  实验控制器设置图

运行中的模型截图4-10。

 

图4-10  运行中的模型立体图

仿真结束时间为604813.30s。

 

图4-11  运行中的模型俯视图

该模型场景运行五次之后，观察的最终产量为860。如图4-12:

 

图4-12  最终产量图

二、仿真结果

(一)板材处理器:

由于在该生产线仿真模型中，我们假设的原料供应是得到充分保证的。如图4-13所示，板材处理器基本上处于满负荷状态，即一直在进行操作。

 

图4-13 板材处理器状态图

(二)裁绵器:

从图4-14可以看出裁绵器有大量空闲，空闲率超过50%。

 

图4-14 裁绵器状态图

(三)皮料处理器:

皮料处理器利用率也不高，大部分时间还是处于空闲状态。

 

图4-15 皮料处理器状态图

(四)喷胶贴绵器:

喷胶贴绵器的工作效率也不高，处理率只有近50%，大部分时间都是在收集。有前面几个操作器的状态可知，由于板材操作器的工作时间过长，导致裁绵器已经工作完成而它还没有操作完成。此外，喷胶贴绵器又是要由板材操作器和裁绵器都工作完后才能将处理过后的材料进行合成，所以它大部分时间都在等待经板材操作器处理过后的材料。

   

图4-16 喷胶贴绵器状态图

 

(五)成型安装器:

成型安装器的状态和上一个喷胶贴绵器状态相差不多，原因也相似。由于皮料处理器工作时间相对不是特别长，且工序只有一道，而喷胶贴绵器以及之前的操作不仅操作时间久，而且工序也有两道，所以成型安装器这里大部分时间都在等待喷胶处理过后的材料。皮料处理过后的材料也得闲置着，等待着进行合并。

 

图4-17 成型安装器状态图

(六)包装器:

由于成型安装器那里大部分时间都在等待，所以会造成包装器大部分时间都是空闲的，只有等待成型安装器安装完成之后才能进行操作，所以利用率不高，空闲率过高。

 

图4-18包装器状态图

第四节 结果分析以及模型改造

一、结果分析

由上述状态图可以看出，由于板材操作器的处理时间相对于裁绵器和皮料处理器的时间过长，所以导致同一层次的裁绵器和皮料处理器的空闲时间太大，操作率不高。而且，由于板材操作器的处理时间过长，导致喷胶贴绵器的大部分时间都在等待它操作完成。连锁反应，最后的成型安装器大部分时间久在等喷胶贴绵器操作结束。这样以来，最后的包装器大多时间都是空闲的。只有前一步骤的成型包装器完成了之后它才运作。

    因此，这条生产线的生产瓶颈就在板材操作器那里。由于生产时间过长，导致整条生产线的利用率不高。其他操作器空闲率过大，利用率很低，而且合成器的大部分时间都是在等待。因此，本文的模型改造主要对板材操作器进行改造的。

下图就可以看出裁绵器后的暂存区十分拥堵。 

图4-19运行中的模型图

二、模型改造

针对上述的结果分析，本文对模型进行以下改造:

(一)由于板材操作器是生产瓶颈，所以在模型中增加一台同类型操作器。此外进行技术革新，使其操作时间简短，改造后每台机器的操作时间为300s。

(二)在皮料处理器之后使用一跳传送带，并设定速度为1m/s。这样就使得皮料处理完成之后不会马上拥堵到暂存区。

模型改造后的立体图如下:

 

图4-20改造后的模型立体图

改造后的模型运行中的图:

 

图4-21改造后的模型运行图

模型运行结果中各操作器的状态:

板材操作器1:

 

图4-22改造后的板材操作器一的状态图

板材操作器2:

 

图4-23改造后的板材操作器二的状态图

裁棉器:

 

图4-24改造后的裁绵作器的状态图

皮料处理器:

 

图4-25改造后的皮料器的状态图

喷胶贴绵器器:

 

图4-26改造后的合成器一的状态图

成型安装器:

 

图4-27改造后的合成器二的状态图

包装器:

 

图4-28改造后的包装器的状态图

最终产量:

 

图4-29改造后的最终产量图

三、 模型改进后的分析

    从上面的状态图中可以发现，各操作器的操作率有明显提高，并且最终产量提高了将近一倍。原先一次仿真结果产量为860。增加一台板材处理器之后仿真后的产量为1586，产量增加了84.4%。这个结果十分理想。因此，在设备和人员方面增加投入，换来产量的飞速增长是很值得的。

改造前后的产量比较:

 

图4-30改造前的最终产量图

 

图4-31改造后的最终产量图

第五章 结论与展望

通过对中国圣奥有限公司的沙发制造车间的生产线调查，运用Flexsim软件进行该生产线的模拟仿真，并设置参数，从最终的仿真结果中发现该生产线的不足。如板材处理器的生产瓶颈，经过仔细分析，最终在板材处理该环节上提高其生产能力，即增加一台板材处理器，分担部分原材料，并且进行技术革新，使得单板材处理环节的处理时间有所剪断。改造后的模型运行结果十分理想，不仅各个操作器的忙闲率有所提高，处理率增加了，空闲率降低了，最明显的改进结果就是其最终产量，由原先的860增加到1586，将近增加了一倍，表明使用仿真软件能够用方便的找出瓶颈，并且可以明显的对比改造前后的结果。

实体制造企业的生产线是一个十分复杂的系统，其决 策变量十分多，并且一般不是单一目标的系统，而是个多目标的系统。此外，会有很多不定性因素，所以单纯的数学方法很难对其进行准确分析并且找出不足。因而对生产线的建模和仿真是必不可少的。Flexsim的特点就是三位可视化效果好，操作也比较简便，实体类型丰富，数据选择也比较齐全，对于生产线仿真十分适合。

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致 　谢