01

虛擬仿真技術

虛擬(ni)仿(fang)真技(ji)術(shu)(shu)是以計算機技(ji)術(shu)(shu)、網絡(luo)技(ji)術(shu)(shu)、先進傳感(gan)器技(ji)術(shu)(shu)、自動(dong)(dong)控(kong)制(zhi)技(ji)術(shu)(shu)為基(ji)礎，綜合多維圖(tu)形技(ji)術(shu)(shu)、激光(guang)立體成(cheng)像技(ji)術(shu)(shu)，對體驗者(zhe)的(de)(de)肢體動(dong)(dong)作信息實時跟蹤并(bing)反(fan)饋互動(dong)(dong)，對體驗者(zhe)的(de)(de)視覺形成(cheng)集圖(tu)像、動(dong)(dong)畫、聲(sheng)音或部分感(gan)官產生動(dong)(dong)作為一(yi)體的(de)(de)模(mo)擬(ni)現實世界的(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)。

虛擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)分為完全(quan)虛擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)和(he)半虛擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)。完全(quan)虛擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)主要通(tong)過計算機(ji)(ji)及其專用(yong)(yong)功能(neng)軟件(jian)進行仿(fang)真(zhen)(zhen)，如建筑設計常用(yong)(yong)的(de)(de)BIM軟件(jian)，基本不需(xu)要計算機(ji)(ji)以(yi)(yi)外(wai)其他硬(ying)件(jian)的(de)(de)配合。半虛擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)則(ze)除(chu)了(le)利用(yong)(yong)計算機(ji)(ji)及相應專用(yong)(yong)軟件(jian)以(yi)(yi)外(wai)，還需(xu)要其他專用(yong)(yong)硬(ying)件(jian)設備(bei)或計算機(ji)(ji)模(mo)(mo)擬(ni)相應輸入量(liang)或輸出量(liang)的(de)(de)模(mo)(mo)擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)。如飛(fei)(fei)行訓練系統(tong)由計算機(ji)(ji)系統(tong)、顯示系統(tong)以(yi)(yi)及模(mo)(mo)擬(ni)駕駛桿、油門(men)、航向舵(duo)的(de)(de)硬(ying)件(jian)組成，計算機(ji)(ji)接受學員操作傳來的(de)(de)信息，然(ran)后通(tong)過計算模(mo)(mo)擬(ni)顯示飛(fei)(fei)機(ji)(ji)姿態以(yi)(yi)及周圍變化的(de)(de)環境(jing)。

02

虛擬仿真實驗室及特點

虛擬仿(fang)真(zhen)實(shi)驗室(shi)(shi)是主(zhu)要(yao)以仿(fang)真(zhen)技(ji)術構建而成的(de)實(shi)驗室(shi)(shi)，仿(fang)真(zhen)實(shi)驗室(shi)(shi)主(zhu)要(yao)用于教學(xue)訓練、理論驗證以及新品開發。主(zhu)要(yao)特點是：

2.1直觀形象共享

虛(xu)擬(ni)仿真(zhen)技(ji)術因其可以全息化模(mo)擬(ni)實(shi)驗場景和(he)實(shi)驗過(guo)程，完成真(zhen)實(shi)實(shi)驗不(bu)具(ju)備或(huo)難(nan)以實(shi)現(xian)的(de)(de)(de)過(guo)程，對(dui)于(yu)復雜場景以及(ji)危險實(shi)驗、難(nan)以真(zhen)實(shi)看到的(de)(de)(de)事物或(huo)規(gui)律(lv)，用圖像或(huo)動畫的(de)(de)(de)形(xing)式(shi)直觀形(xing)象展示。例如人(ren)(ren)體(ti)器官的(de)(de)(de)組(zu)成及(ji)運(yun)動，由(you)于(yu)實(shi)體(ti)樣本數(shu)量受(shou)限(xian)，可以用三維軟件(jian)模(mo)擬(ni)各器官、系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)相互關(guan)系(xi)及(ji)運(yun)動規(gui)律(lv)，模(mo)擬(ni)對(dui)各器官的(de)(de)(de)外(wai)科操作。又(you)如，對(dui)于(yu)貴重儀(yi)器使用培訓，由(you)于(yu)難(nan)以觀察到儀(yi)器內(nei)(nei)(nei)部結(jie)構(gou)，不(bu)利于(yu)人(ren)(ren)員清晰了解內(nei)(nei)(nei)部構(gou)造(zao)及(ji)工作原理，仿真(zhen)軟件(jian)可對(dui)儀(yi)器進行全方位、立(li)體(ti)式(shi)的(de)(de)(de)展示，內(nei)(nei)(nei)部構(gou)造(zao)分布、組(zu)件(jian)拆解、組(zu)合(he)，便于(yu)人(ren)(ren)員了解儀(yi)器任一部件(jian)的(de)(de)(de)構(gou)造(zao)及(ji)功能。完全虛(xu)擬(ni)仿真(zhen)系(xi)統(tong)可以實(shi)現(xian)網(wang)絡(luo)共享(xiang)，不(bu)受(shou)時間、人(ren)(ren)員數(shu)量的(de)(de)(de)限(xian)制，多人(ren)(ren)同時在不(bu)同計算機上操作，實(shi)現(xian)資源(yuan)無限(xian)共享(xiang)。

2.2安全環保高效

仿真(zhen)(zhen)實(shi)驗(yan)室避免了(le)實(shi)驗(yan)人員因為理論知識不(bu)足(zu)、操(cao)作(zuo)不(bu)規范等產生的不(bu)安全因素，同(tong)時(shi)不(bu)需要試(shi)劑(ji)配制等對操(cao)作(zuo)人員產生危害，提高了(le)安全性。如虛(xu)擬(ni)仿真(zhen)(zhen)汽(qi)車駕駛系統，可(ke)讓(rang)學員體(ti)驗(yan)真(zhen)(zhen)實(shi)的駕駛感受(shou)，又能確保安全。用仿真(zhen)(zhen)技術(shu)展(zhan)示(shi)化學腐蝕、金(jin)屬加工(gong)、焊接(jie)等工(gong)藝，可(ke)以(yi)(yi)減少污染物、廢(fei)液廢(fei)渣對環(huan)境的污染。通過虛(xu)擬(ni)仿真(zhen)(zhen)技術(shu)，研(yan)究人員只要更改相(xiang)應的參數(shu)與設置(zhi)合適的實(shi)驗(yan)環(huan)境，就可(ke)以(yi)(yi)反復(fu)進行實(shi)驗(yan)活動，這樣(yang)提高了(le)工(gong)作(zuo)效率，縮短了(le)研(yan)究周期。

2.3維護成本較低

軟件系統沒有任何損(sun)耗，虛(xu)擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)系統減(jian)少(shao)了(le)(le)對計算機以(yi)外其他(ta)設備的(de)投(tou)入和(he)(he)維(wei)護保養費用，操作可(ke)以(yi)無限次重(zhong)復(fu)，不(bu)需要各種耗材，確保高質高效。如風洞仿(fang)真(zhen)(zhen)系統，可(ke)以(yi)仿(fang)真(zhen)(zhen)飛行器外部形狀以(yi)及不(bu)同(tong)姿態(tai)、不(bu)同(tong)相對速度情況下飛行器各部分(fen)受力(li)情況，減(jian)少(shao)了(le)(le)每小時耗資(zi)數萬元的(de)風洞真(zhen)(zhen)實(shi)實(shi)驗(yan)費用。又如電磁場仿(fang)真(zhen)(zhen)軟件系統，可(ke)以(yi)形象地(di)仿(fang)真(zhen)(zhen)出(chu)不(bu)同(tong)電磁場環境與激勵體(ti)之間的(de)電磁分(fen)布等。利用先進的(de)虛(xu)擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)技(ji)術可(ke)以(yi)真(zhen)(zhen)實(shi)模擬(ni)汽(qi)車碰撞效果，成本遠遠低(di)于真(zhen)(zhen)實(shi)實(shi)驗(yan)，從而減(jian)少(shao)了(le)(le)物資(zi)消(xiao)耗，也節約了(le)(le)研究資(zi)金。又如，機場、碼頭、公交樞紐的(de)人(ren)員(yuan)疏(shu)散，可(ke)以(yi)用虛(xu)擬(ni)仿(fang)真(zhen)(zhen)進行實(shi)驗(yan)和(he)(he)驗(yan)證(zheng)，減(jian)少(shao)大(da)規模動員(yuan)演練需要的(de)人(ren)力(li)、物力(li)和(he)(he)財力(li)。

2.4模擬難以構建的現實環境

通過虛擬(ni)仿真(zhen)(zhen)可以(yi)展示難以(yi)在(zai)(zai)真(zhen)(zhen)實(shi)條件下(xia)復現(xian)的(de)(de)場景(jing)及各種(zhong)要素的(de)(de)相(xiang)互作用(yong)。這種(zhong)虛擬(ni)仿真(zhen)(zhen)已經應用(yong)于(yu)航空災難性(xing)(xing)事故、汽(qi)車(che)交(jiao)通事故、模擬(ni)案發現(xian)場等。例(li)如在(zai)(zai)汽(qi)車(che)行業(ye)當中，汽(qi)車(che)的(de)(de)安全性(xing)(xing)是重要的(de)(de)測試項目(mu)，一般會使用(yong)真(zhen)(zhen)實(shi)的(de)(de)車(che)輛做碰撞(zhuang)實(shi)驗(yan)，以(yi)獲得相(xiang)關數據。再如一些有危險性(xing)(xing)、復雜程(cheng)度(du)相(xiang)對較高或(huo)者(zhe)對于(yu)從(cong)業(ye)者(zhe)與作業(ye)環境有較高或(huo)特殊要求的(de)(de)行業(ye)，如化工(gong)(gong)、礦井、工(gong)(gong)程(cheng)、電力、核(he)能(neng)與醫(yi)療等，難以(yi)進行試驗(yan)，利(li)用(yong)虛擬(ni)現(xian)實(shi)與仿真(zhen)(zhen)技術，研究者(zhe)便可在(zai)(zai)安全的(de)(de)環境下(xia)開展實(shi)驗(yan)或(huo)教(jiao)學活動。

03

建立虛擬仿真實驗室步驟

虛擬(ni)仿(fang)真實(shi)驗(yan)室一(yi)般由計(ji)(ji)(ji)算機(ji)、模(mo)擬(ni)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、視覺(jue)(jue)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)以(yi)及(ji)(ji)感(gan)覺(jue)(jue)模(mo)擬(ni)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)組成。計(ji)(ji)(ji)算機(ji)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)包括計(ji)(ji)(ji)算機(ji)硬件和虛擬(ni)仿(fang)真系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)軟件，負責各實(shi)驗(yan)過程中物(wu)(wu)理量的(de)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)與(yu)變(bian)化，負責根據(ju)輸(shu)(shu)入(ru)(ru)的(de)物(wu)(wu)理量以(yi)及(ji)(ji)研(yan)究對象的(de)數學模(mo)型計(ji)(ji)(ji)算實(shi)驗(yan)結(jie)果。計(ji)(ji)(ji)算機(ji)輸(shu)(shu)出信(xin)號(hao)輸(shu)(shu)送到仿(fang)真系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)，顯示(shi)視覺(jue)(jue)圖像（包括動畫）以(yi)及(ji)(ji)感(gan)覺(jue)(jue)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)（如剎車后人員前傾的(de)感(gan)覺(jue)(jue)）。相互關系(xi)(xi)見(jian)下圖 。

虛擬仿(fang)真實驗(yan)室組成及各系統相互關系

建(jian)立仿(fang)(fang)真(zhen)實(shi)驗室除了(le)購置計算機系統、相應(ying)仿(fang)(fang)真(zhen)軟(ruan)件外，主要(yao)應(ying)制定虛擬(ni)仿(fang)(fang)真(zhen)方(fang)案(an)，仿(fang)(fang)真(zhen)方(fang)案(an)主要(yao)有以下(xia)內(nei)容。

3.1厘清研究對象

虛(xu)擬(ni)仿真的核心(xin)是(shi)仿真，手(shou)段是(shi)虛(xu)擬(ni)，通(tong)過虛(xu)擬(ni)實現實現仿真。必(bi)(bi)須(xu)弄清研究(jiu)(jiu)對象(xiang)(xiang)本身，弄清研究(jiu)(jiu)對象(xiang)(xiang)的特點和運動(dong)規律(lv)。例(li)如研究(jiu)(jiu)液壓傳遞原(yuan)理(li)，就必(bi)(bi)須(xu)明確液體等(deng)量(liang)傳遞壓強(qiang)的原(yuan)理(li)，才能模擬(ni)不同截(jie)面(mian)產(chan)生不同壓力。又如數控加工仿真，必(bi)(bi)須(xu)弄清切削力、切削溫度、振動(dong)、切屑(xie)形成、工件表面(mian)質(zhi)量(liang)、刀具(ju)磨損等(deng)規律(lv)，才能利用有限元手(shou)段進行仿真。

3.2弄清要素關系

在(zai)建(jian)(jian)設虛擬仿(fang)真(zhen)實(shi)驗室時，必須弄清(qing)影響研究(jiu)對象的(de)(de)各(ge)物(wu)理(li)量(liang)(liang)，以及相(xiang)(xiang)應物(wu)理(li)量(liang)(liang)產(chan)生的(de)(de)激勵，弄清(qing)各(ge)量(liang)(liang)值之(zhi)間的(de)(de)數(shu)(shu)量(liang)(liang)關(guan)系，建(jian)(jian)立相(xiang)(xiang)應數(shu)(shu)學模型。這樣才(cai)(cai)能通過改變輸入(ru)量(liang)(liang)，產(chan)生相(xiang)(xiang)應輸出(chu)量(liang)(liang)，展示相(xiang)(xiang)應實(shi)驗效果。例如電(dian)磁仿(fang)真(zhen)就要弄清(qing)信號(hao)源、被激勵物(wu)體的(de)(de)材質、形狀、距離，才(cai)(cai)能計算出(chu)在(zai)信號(hao)源作(zuo)用下，物(wu)體周圍(wei)不(bu)同位置的(de)(de)電(dian)磁場強度(du)和方向。又如，飛(fei)行器(qi)飛(fei)行狀態仿(fang)真(zhen)，必須弄清(qing)飛(fei)行器(qi)外部空氣動(dong)力外形、飛(fei)行姿態、發動(dong)機(ji)推力等(deng)與(yu)飛(fei)行器(qi)阻力、加速度(du)、速度(du)、高度(du)的(de)(de)關(guan)系，才(cai)(cai)能虛擬仿(fang)真(zhen)飛(fei)機(ji)的(de)(de)操作(zuo)過程。

3.3明確對話內容

在(zai)虛擬(ni)仿真(zhen)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)室建設過(guo)程中(zhong)，應(ying)明(ming)確(que)哪(na)些物理量需要(yao)改變，需要(yao)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)人員通過(guo)電腦輸(shu)入或通過(guo)硬件模擬(ni)輸(shu)入。明(ming)確(que)哪(na)些實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果的參數應(ying)當發生改變，并通過(guo)圖像或動(dong)畫(hua)形(xing)式實(shi)(shi)(shi)施表現出來(lai)，甚至(zhi)通過(guo)模擬(ni)系統產生相(xiang)應(ying)動(dong)作，刺激實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)人員的感官，實(shi)(shi)(shi)現現實(shi)(shi)(shi)體驗(yan)(yan)。

3.4仿真系統研發

根(gen)據研究對(dui)象的規(gui)律和特點(dian)，以及研究對(dui)象受(shou)(shou)影響的參量（因變(bian)量）和變(bian)量發(fa)生(sheng)變(bian)化時(shi)參變(bian)量的變(bian)化規(gui)律，用實驗(yan)室人員的視覺或感官習(xi)慣接受(shou)(shou)的圖(tu)像或動畫展示。通過有代表性的任務剖(pou)面(mian)進行實驗(yan)驗(yan)證，直(zhi)至實驗(yan)結(jie)果(guo)是正確(que)的或可接受(shou)(shou)的。

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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(fang)真實(shi)驗建設(she)應具備很(hen)強的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)研究，弄清研究對象特點及(ji)相關要(yao)素的(de)(de)(de)(de)(de)相互影響的(de)(de)(de)(de)(de)規律，在(zai)大量實(shi)驗的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)上，形(xing)成理論，建立(li)完善的(de)(de)(de)(de)(de)數學模型(xing)，才能(neng)實(shi)現仿(fang)真。目前成熟的(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)用仿(fang)真軟件(jian)，主要(yao)依據深(shen)入的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)理論研究。如ANSYS HFSS軟件(jian)，提供了簡(jian)潔(jie)直觀(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)用戶(hu)設(she)計(ji)接口、精確自適應的(de)(de)(de)(de)(de)場解、擁有空前電性(xing)能(neng)分析(xi)能(neng)力的(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)強大后處理器，能(neng)計(ji)算任意形(xing)狀三維無源結構的(de)(de)(de)(de)(de)S參數和全(quan)波(bo)電磁場。

4.2長期積累摸索

有些事物的(de)規律(lv)難(nan)以用數(shu)學模型來描述，必(bi)須經(jing)(jing)過大量(liang)的(de)實驗(yan)，通(tong)過數(shu)據(ju)積累形成經(jing)(jing)驗(yan)公(gong)(gong)式或(huo)數(shu)據(ju)庫(ku)，這需要(yao)實驗(yan)室長期積累和摸索的(de)過程，例如金屬材(cai)料(liao)的(de)高溫蠕變性(xing)能(neng)，每(mei)一種材(cai)料(liao)均(jun)要(yao)經(jing)(jing)過數(shu)年甚至十幾(ji)年的(de)實驗(yan)才(cai)能(neng)得(de)出實驗(yan)數(shu)據(ju)，得(de)出經(jing)(jing)驗(yan)公(gong)(gong)式。

4.3行業共同實施

建立仿真(zhen)實(shi)(shi)驗室是某(mou)一行業(ye)甚至整個(ge)國家(jia)(jia)的任務，例(li)(li)如(ru)芯片性能(neng)設計實(shi)(shi)驗室，單靠(kao)一個(ge)企業(ye)是難以完成的，必須集中(zhong)行業(ye)或(huo)國家(jia)(jia)之力(li)，統(tong)(tong)籌(chou)規劃，集中(zhong)研究各實(shi)(shi)驗室掌握的數(shu)據，形成共性理論，研發行業(ye)仿真(zhen)系統(tong)(tong)軟件(jian)。例(li)(li)如(ru)國家(jia)(jia)發布(bu)了《信(xin)息技術學習、教(jiao)育和培(pei)訓 虛擬實(shi)(shi)驗 》系列標準(zhun)，這是行業(ye)共同(tong)努力(li)的結果。

4.4實施開放共享

對(dui)于一(yi)個單位(wei)或(huo)行業的(de)(de)仿真(zhen)(zhen)實驗(yan)室在(zai)確保保密要求的(de)(de)情(qing)況下，應當對(dui)外開放共享，減少不(bu)必(bi)要的(de)(de)重復建設(she)，同時(shi)可以強化人員(yuan)交(jiao)流，不(bu)斷完善仿真(zhen)(zhen)實驗(yan)室的(de)(de)理(li)論(lun)水平與仿真(zhen)(zhen)效果。

虛擬(ni)仿真(zhen)實(shi)(shi)驗(yan)室隨著技術(shu)的不斷突破與創(chuang)新(xin)，隨著對事物本(ben)質規律研究的逐步深入(ru)，將會在教(jiao)育訓(xun)練(lian)、理論驗(yan)證、新(xin)品開發(fa)(fa)方(fang)面發(fa)(fa)揮(hui)更大的作用。有條件的研究機(ji)構、企業應當開發(fa)(fa)相應專業的虛擬(ni)仿真(zhen)系統，并持續豐富發(fa)(fa)展(zhan)，確保虛擬(ni)仿真(zhen)無限接(jie)近真(zhen)實(shi)(shi)實(shi)(shi)驗(yan)過程(cheng)和結果，縮(suo)短實(shi)(shi)驗(yan)周期，提高(gao)實(shi)(shi)驗(yan)效(xiao)率，降低實(shi)(shi)驗(yan)成本(ben)，提高(gao)實(shi)(shi)驗(yan)室效(xiao)益。

文章來源未來實驗室學苑