虚拟工程技术机械工程

虚拟工程技术机械工程（精选十篇）

虚拟工程技术机械工程 篇1

1 虚拟样机技术的概念及其特点

虚拟样机技术相对传统物理样机而言的显著特点是;虚拟, 即通过计算机借助特定的软件程序帮助工程师建立三维模型, 依靠先进的仿真模拟系统实施仿真模拟实验, 对机械在实际运行中的情况加以分析和评估, 帮助工程师及时找出设计不足和缺陷, 并采取针对性的措施加以改进, 提高机械设计的效率和质量[1]。简单地讲, 该技术是在计算机基础上, 运用CAD等设计制图模型, 借助仿真模拟技术进行机械设计的一种新技术。

该技术的特点是:在机械设计整个过程中借助高科技的设计和管理技术实施开发、分析和设计, 极大地缩短了研发设计周期, 提高了机械设计的质量和效率, 同时也降低了设计成本, 有助于提高企业的市场竞争力。

2 机械工程设计中虚拟样机技术的应用

2.1 模型建立

2.1.1 三维模型的建立

建立三维的实体模型是运用虚拟样机技术的基础和前提, 后续的仿真实验都要在这个基础上进行[2]。建立数字化的三维模型过程极其繁杂, 除了对诸如齿轮、扇叶等外形复杂的零部件进行详细的细部设计, 还要对各种机械内部的每种部件间的相关驱动联系予以充分考虑, 以此为基础再借助CAD等软件程序搭建完整的机械系统的虚拟样机。早期的CAD以二维为主, 这种方式的设计过程复杂且不容易操控, 在生产中不具有优势, 科技发展使得当前的三维CAD得到了普遍推广, 机械产品内部的每个部件的转动惯量、质心位置和搭接的细节都能得到详尽的设计和明确表述, 设计深度和效率都得到了显著提高, 软件应用更加便捷人性化。

2.1.2 添加约束

建成数字三维模型后, 为了规范和限制物体之间的相对运动, 在对各个部件进行连接时要添加适当的约束。添加约束时, 要从实际情况出发注意所添加约束条件的合理性。当前, 国内使用的三维CAD设计软件多配有相关的动力学插件, 通过这些插件对约束关系和装配关系加以映射, 可实现对虚拟装配和添加约束的过程相统一。另一种方式是, 借助三维CAD软件进行预装配, 继而在ADAMS运动分析软件中导入已经完成的数据模型, 通过ADAMS实现对产品运动情况的如实分析[3]。

2.1.3 对模型施加驱动

通过设置合理的约束在模型的各零部件之间实现连接, 在确定各种机械运用的情况后, 对模型施加驱动力及驱动转矩, 以使模型能够按照预先设计好的运动情况进行运动。

2.1.4 虚拟样机仿真

驱动施加完成后, 模型已基本建成, 已经具备仿真模拟的实验条件。进一步, 对产品模型实施模拟仿真的实验操作, 分析计算各项物理指标, 如速度和加速度、作用力和反作用力以及位移等, 为后续有限元的分析做准备。

2.2 有限元分析

有限元的分析方法能对机械内部各构件的强度和运动特性指标等进行全面、精准的分析, 其显著特点是通用性强[4]。另外, 有限元的分析方法还能实现对诸如边界条件和结构形状等力学问题的专业解答, 目前在机械设计中得到了比较广泛的应用。有限元的分析方法运算速度和可靠性都比较高, 在虚拟样机技术中是不可或缺的设计工具。

2.3 优化设计

为提高机械使用的工作效率, 在对机械模型进行必要的校验后, 还要对其设计进一步优化。目前, 国内在对机械模型进行优化时主要方法包括:在满足各项机械设计的条件、变量的变化区间也适宜的基础上, 通过自动选择系统来选择机械模型设计中涉及的变量;在求解目标函数的最大值时可以通过分析函数进行计算;通过计算机计算系统改变设计参数的变量范围并加以求解, 并可进行多次仿真[5]。特别是在每一次的仿真模拟完成后, 要对模型的参数变量进行多次更改, 通过反复的模拟实验, 求得待求物理量的最优解。

2.4 控制、机械系统联合仿真

在机械开发的传统模式中, 机械系统和控制系统不管是在设计还是测试上都是相互独立的, 二者之间并没有有效的互动, 从而导致机械设计的实际效果并不理想。虚拟样机技术可将机械系统和控制系统实现一体化控制, 将二者进行有效融合和统一, 切实解决了传统的机械开发中控制效能低下等问题。虚拟样机技术中机械和控制系统的联合仿真思路具体如下:借助仿真软件分析三维模型的力学及动力学特性, 再利用矩阵实验室等控制软件加以控制计算。这种设计思路中, 控制软件将控制命令作用于运动学的仿真软件, 后者将作用结果的反馈信息发送到虚拟的位置传感器, 从而实现对控制系统的有效控制。两者综合, 机械系统和控制系统的联合就能顺利实现。

3 例证分析

目前, 虚拟样机技术应用的范围和领域非常广, 例如船舶加工、武器制造和包装机械设计及农业机械设计等。下面以其在农业机械设计中的应用为例加以分析。

一方面是仿真技术和多柔体的系统建模相结合。由于多柔体系统中的动力学重在研究刚体运动和弹性变形之间的耦合性, 所包含的运动形式复杂多样, 动力学方面的计算难度大, 借助虚拟样机进行仿真研究是当下的一个重点。比如在联合收割机的改良实验中, 比较成熟的是对收割机的内部各种零件等刚体的建模和仿真技术, 而针对小麦、水稻和玉米等柔体作物进行完整模型的建立以及柔体模型与收割机内部各部件的综合仿真模拟则是研发的重点和难点。

另一方面是协同仿真技术, 即将各个学科的模拟仿真工具加以结合, 进而构建复杂多样的模拟仿真系统, 在充分发挥各模拟仿真系统的单独作用时, 协调不同领域的开发人员进行高效配合, 实现产品研发的多元化和复合化。现代化农业机械越来越注重减轻农民的操作难度, 也越来越注重多种作用的综合和集中, 农业机械设计中所涉及的学科及领域也越来越多、越来越广, 比如, 如何把农用拖拉机的控制系统和机械系统加以高效综合的系统模拟仿真一直是技术研发的重点。

4 结束语

综上, 虚拟样机技术在长期的研发和应用过程中以其设计周期短、效率高和产品性能稳定等优势在机械工程设计领域得到了普遍推广和普及, 但仍需进一步完善和改进, 从而更好地为机械工程设计及其他学科和领域提供更大的便捷和更优质的服务。

参考文献

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[2]张鸣, 任建平, 等.基于虚拟样机的机械设计方法[J].机械设计, 2006, 19 (11) :49-51.

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[4]李杰, 闫楚良, 等.农业机械设计中虚拟样机技术的应用与展望[J].中国农业机械协会, 2013, 13 (3) :820-821.

虚拟工程技术机械工程 篇2

关键词：:虚拟仿真;农业院校;实验平台;机械工程

随着经济社会的发展，各种精密机床和实验设备在高校实验室的使用越老越多。但与此同时，由于数控加工系统普遍设备昂贵，使用和维护成本高，而且带有一定的危险性，很难容纳多学生的学习。通过VR虚拟现实技术可以很好的避免这些问题。虚拟实验室是一种开放的网络虚拟实验教学系统，该系统是以教学为基础的网络技术，通过虚拟现实技术来构建，把现在实验教学中的实验资源虚拟和数字化，从而达到课程实验教学的目标。

1农业院校机械工程学科的特点

心灵世界：构建虚拟艺术工程 篇3

中国的动画之路也走了很长，在20世纪有很多艺术家参与进来，以中国独有的文化元素和艺术手法，创作了《大闹天宫》、《小蝌蚪找妈妈》等一批深受欢迎、蜚声国际的优秀动画作品。但以一种个体身份和观念表现为特征的独立动画是90年代以来的事情，我们强调这一点是因为这个时期才开始有艺术家不是为了集体叙事需要、为大众播映的产业动画来创作作品。这里的时代背景是艺术理念的拓展以及一个新的时代的艺术家的整体成长，他们越来越把动画这一形式语言看作是独立使用的可表达意图与观念的媒介。这是一个开放的时代，艺术家因此而获得艺术观念的开放，也获得创作艺术的自由精神。对中国艺术家而言，如何展示自己的艺术个性、如何强化自己对世界的敏感，都是他们选择艺术语言与形式的一个大前提。他们是在动画的动态空间里发现了一个非平面的虚拟三维世界，而这个虚拟的三维世界让艺术的自由得以淋漓尽致地发挥，让思维的空间无限放大。

因此，在整体意义上去研究当代的艺术，独立动画艺术是不可忽略的一个新枝，对它进行艺术意义与社会文化意义的研究和评价就需要认真对待。通过对这一类型的独立动画艺术进行研究和分析，我们认为可以将它们的艺术特质概括为“虚拟艺术工程”。它可以促使我们对独立动画的内在属性、构成机制、思考空间、发展潜力等内涵进行探讨，从独立动画的艺术性、观念性和个体性上进行批评建树。

从独立动画的属性上看，它的制作完全依赖艺术家的创作，或手绘、或塑形、或数字，都是不以物理世界的现实场景为直接再现对象，从而自由地构建自身独立的想象世界，这也是“虚拟”的艺术属性。其次，任何一部独立的动画都是耗费了无数的时间、精力、脚本、合成、协作等而完成的一项工作，虽然其复杂程度有多有少，但都是建立在一套理性规范操作之上的系统工程，而传统的架上绘画、雕塑则体现为个体性、单一性，以“工程”命名“动画艺术”就显示了这个时代的艺术的科学性和系统性。因此，以“虚拟艺术工程”来称谓这样的独立动画艺术可以使我们不断地去丰富、深入、扩展它的内在属性和特质，也从当代的社会文化思想上去有机地深化它的内涵和内容。

在当代，动画是一种喜闻乐见的综合艺术，它集合了文学、电影、音乐、摄影、绘画、制作等手段，充分展示了人类的非凡想象力，特别是发明数字技术以来，它变得更加神幻多彩，打造了时空无限的奇观故事。但是独立动画在这方面的特殊性，则在于艺术家不仅仅是为了某个叙事，更是着力于探索某些严肃的话题和问题，它极力让自身的世界成为一种提出问题、展示想象、呈现未知的心灵视觉。

独立动画不是一般的商业化动画大片，而是小制作、独立制作的艺术动画，也即艺术家个体或小组以独立的艺术观念来创作的一类动画作品。它的创作基础是艺术观念，它的功能定位是艺术，它的精神实质是前卫探索，它的学术地位是个人美学。因此，它们是商业动画之外并与之相异的创作，从这些独立动画影像的观看与阅读中，会透露出中国及这个世界的个体性价值的端倪，只有这些独立的动画影像才是没有大规模市场化的个体财富。一个成熟的社会应当珍视、爱护这些独立的个体价值，社会化与商业化已经将人类的眼光、经验与存在同质化、格式化，所以我们要更加强调个体的、个性的、异质的独立动画影像，它是社会前沿嗅觉的触点，拨动着我们的思绪、激发着我们的世界想象。所以，作为艺术的动画就成为独立动画，进而言之，其动画之意义并非满足视觉消费的娱乐、意识形态的说教，而是展示睿智、幽默、辛辣、深刻、陌生、异质、批判的品格，是以动画影像的方式在对世界进行艺术的思考、观念的解读。这一类独立动画能够使我们看到中国这一代动画艺术家的智慧和心境，他们展示了不一样的思维和世界观，他们走出了单一静态的艺术行为，走向了多种思维能力的艺术；他们的动画叙事赋予各种情感色彩，包含了丰富的生命睿智和幽默，可以润物细无声地塑造我们的心灵。

动画以往是作为电影的补充、作为娱乐消遣的一种形式，甚至作为一种商业模式。这正如摄影作为实用工具，曾经是社会考察、科学研究、新闻故事的图像记录手段一样，但随着当代艺术的开展，摄影作为方法越来越成为独立的艺术媒介，不再等同于原来的“摄影”。同样，video也是如此—有录像机，不等于有了video艺术，而只有獨立的、前卫的艺术家借用了video的媒介形式，才使得video成为一门艺术，而不是电视台的播报节目。动画在当今也处在这样的一种变革中，即动画作为一种表现媒介和手段，越来越被独立的艺术家所采用，而日益呈现为独立而观念的艺术形式，其内在的独立性和艺术的新视角都使之有别于电影、动画片、动漫剧。而能否自觉地、观念地对待动画这样的媒介形式，就成为是否是独立动画的一个标志。中国近十年来产生了这样的艺术创作者，以动画为媒介来传达、表达、再现内心世界的想象。其作品不仅是心灵的故事述说，世界观念的展开，也是当代文化情境的产物。

对独立动画的发展线索进行梳理和集中展示，即意味着将这样的艺术媒介形式再次凸显为一门独立的艺术，也强调了独立动画是艺术，而不是商业和产业。独立动画—或更进一步地说是“观念动画”—已经成为中国当代艺术发展的一个新领域，严格地说，目前这方面的优秀艺术家不是很多，而他们得到的社会认同与支持也不多，持续发展并不均衡。正因如此，这方面的艺术家多是以个体的能力在做创作表达，真正地具有了“独立”的英雄色彩。

所以，对这样一种不同凡响的综合性媒介艺术，由于其特殊性、创作的耗时、制作的复杂，要有足够的社会资源的支持和推动，而且更要认知其新的艺术史意义，使这个方兴未艾的独立动画发展得更好，这样，学术研究就是不可或缺的重要一环，越是多的学术关注，越是能够更加确立其应有的艺术史价值和社会影响。今天的中国艺术家是与国际的艺术家同步的，在技术的掌握上、在观念的创新上，都有时代感，这是尤为重要的一个方面，因为在这个领域有很多新知识、新技术需要介入进来，恰恰这一代新艺术家可以从全球的范围内，来思考全球化时代的共同命题，以独立动画的特殊方式感知、回应或思索、再造一个世界。

中国的巨变需要表达，需要多元的形式去表达何以变、如何变、变到哪里去，对于独立动画而言，这样一种极具创想的媒介就为这种表达提供充足的空间，虽然要付出艰辛和毅力，但只要我们做了，就是在续写一种历史，就是在言明一种态度。独立动画之路，充满魅力和前景。

虚拟工程技术机械工程 篇4

随着计算机技术的迅速发展,其在工程领域的应用和研究越来越广泛。计算机在机械工程设计方面的应用日益显示出传统设计方法所无法比拟的优越性。例如,在计算机上使用虚拟技术可以利用软件建立机械系统的三维实体模型和多体力学模型,分析和评估系统的性能,从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。也就是说,借助于虚拟技术,机械设计人员可以在计算机上建立和处理机械系统的三维可视化模型,模拟在现实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真结果细化和优化系统的设计过程。

1 虚拟仪器技术介绍

1.1 虚拟仪器的基本概念

虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义,具有虚拟面板、测试功能,且由测试软件实现的一种计算机仪器系统。“虚拟”一方面是指虚拟仪器的面板是虚拟的,另一方面是指虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面,模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成,标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求[1,2]。虚拟仪器就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件编程设计来完成各种测试和测量的应用的。

1.2 虚拟仪器的组成

虚拟仪器由计算机和I/O接口设备、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。计算机是硬件平台的核心,它可以是各种计算机,如PC机、便捷式计算机、嵌入式计算机等,它管理着虚拟仪器的软硬件资源,是虚拟仪器的硬件支撑。I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。根据实际情况可采用不同的I/O接口硬件设备,如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器和串口总线仪器等。虚拟仪器的核心思想是利用计算机的软件和硬件资源,使本来需要硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化,硬件仅是为了解决信号的输入输出问题,软件才是整个系统的关键[3]。只有同时拥有高效的软件、模块化的I/O硬件和用于集成的软硬件平台这3大组成部分,才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间短以及集成出色这4大优势。

1.3 基于LabVIEW的虚拟仪器技术

LabVIEW是由NI公司所开发的图形化程序编译平台,它用图形语言、图标和连线代替文本的形式编写程序,为用户提供了简单、易学的图形编程方式[4]。LabVIEW率先引入了虚拟仪器的概念,用户可通过人机界面直接控制自行开发仪器,通过一组软件和硬件建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板,完成对仪器的控制、数据分析与显示。基于LabVIEW的虚拟仪器技术利用了计算机在图形显示、数据处理、智能化等方面的优势,通过软件将计算机软件与仪器硬件有机结合在一起,这种虚拟仪器既可利用PC机的智能资源,又有高档仪器的优质测量品质,能满足测量需求的多样性,具有极大的优越性。

2 虚拟仪器技术在机械工程领域中的应用

在机械工程领域中,经常需要对一些常见的机械传动性能参数和机械零部件几何量参数进行测试与分析。这些都涉及到大量数据的处理工作,而对此传统的测量手段通常是依靠体积庞大、功能单一、价格昂贵的硬件仪器来完成。虚拟仪器的出现为机械工程领域的测试技术引入了崭新的测量概念,应用虚拟仪器进行机械工程参量的测试,已成为现代测试技术发展的一个必然趋势[5]。下面就以机械工程领域的液压系统状态监测为例,来说明虚拟仪器技术在这方面的应用情况。

2.1 虚拟测试系统硬件组成及测试过程

对机械液压系统进行状态监测,主要包含系统状态测试和动态特性测试。虚拟液压系统状态监测系统硬件组成如图1所示。

系统的硬件由机械液压系统、传感器、信号调理器、数据采集卡和计算机组成。传感器可采用压电式传感器,信号调制的作用是将传感器输出的信号进行放大、滤波等预处理,处理完毕后再接入数据采集卡。数据采集卡的功能是将现场数据采集到计算机或将计算机数据输出给受控对象[6]。测试过程是:由虚拟仪器系统的虚拟信号源产生一个虚拟激励信号,通过数据采集卡D/A转换被测试物理量信号,压电式传感器将液压系统物理量信号转变成电流或电压信号,然后通过信号调理接口电路进行滤波、光电隔离、放大等处理,产生的模拟量经A/D卡转换成数字量,通过PC机I/O接口进入底层设备驱动模块。计算机通过数据采集,再进一步调用信号处理程序,完成测试物理量信号的处理以及测量结果的显示[2]。

2.2 虚拟仪器系统的软件结构

软件是虚拟仪器的核心部分,主要包括3大模块:虚拟信号源模块、数据采集和显示模块、数据处理与分析模块。虚拟仪器系统利用LabVIEW提供的开发环境生成逼真的测试仪器面板,实现各功能模块的功能。虚拟信号源模块的功能是产生标准的信号激励源,通过信号采集卡的D/A转换通道输出。数据采集和显示模块可以进行采集的设置,例如采集方式、采样率、是否触发等,并显示采集数据。数据处理与分析模块可以对采集到的数据进行时域和频域分析,其中,时域分析又包括统计信息、自相关分析和互相关分析,频域分析又包括幅值谱、自功率谱、互功率谱的分析等。用户可以通过操作界面上的开关和按钮来模拟传统仪器的各种操作,从而实现对虚拟仪器的操作。目前,很多虚拟仪器产品已经问世并投入使用。例如,重庆大学开发的虚拟实时噪声倍频程分析仪,它实现了噪声总声压级、各种计权声压级及相应倍频程的实时测量和分析[7]。又如,清华大学利用虚拟仪器技术开发了汽车发电机检修装置,用于汽车发电机出厂前的自动检测[8]。

3 结语

对虚拟液压测试系统的模拟,证明了虚拟仪器技术取代传统仪器手段在机械工程领域应用方面的先进性和实用性,对构建其他测量、测试系统具有很好的借鉴作用。建立在虚拟仪器技术基础上的各种功能强大、性能优良的先进仪器将层出不穷,使用虚拟仪器进行研究、设计、测试将成为一种趋势,虚拟仪器技术必将得到更为长足的发展,并更加广泛地应用于各个领域。

参考文献

[1]周文委.虚拟仪器技术及其教学应用[J].浙江工业大学学报,2007 (1)

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[6]瞿叶高,卜长根,等.虚拟样机技术在地质工程机械领域的应用研究[J].探矿工程,2006(11)

[7]杨昌棋,秦树人,等.基于FFT的虚拟实时噪声倍频程分析仪[J].测控技术,2000(9)

石油工程虚拟仿真实验教学实践论文 篇5

长江大学以全面提高高校学生自主创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，通过与优势学科、特色专业相结合，以现代油气开采过程为主线，通过四结合(理论教学与实验教学相结合、基本训练与能力培养相结合、校内实验与企业实践相结合、科研成果与教学实践相结合)，着力构建满足三个教学层次(基础训练、综合设计和研究创新)要求的包含四大模块(钻井工程、采油工程、油藏工程和油气储运虚拟仿真模块)的虚拟仿真实验教学体系。

(二)模块构成

1.认识实践及基础训练。专业课程的理论知识系统性不强，知识点多且零散，研究对象及涉及原理抽象难以直观展示，学生缺乏理论知识整体构建能力。为解决这个问题，将理论教学中的重、难点知识，常用的钻井、采油、集输设备和工具，施工过程和工艺等，制作成多媒体、视频和仿真动画，辅以习题库和实验前小测试。共研发了118种典型的井下作业工具、油气集输设备及运行机理、油气渗流原理和实验仪器设备的结构等演示型虚拟仿真动画，提高实验教学的直观性、形象性，激发学生对实验课的兴趣，加深对专业基础知识的理解，提高学习效率，让学生有更多时间参与实践创新。2.虚拟仿真操作。四大虚拟仿真模块共研发了16个综合设计和科研创新训练类虚拟仿真实验。井下作业模拟培训系统、长输管道虚拟仿真培训系统、裂缝导流能力虚拟仿真、抽油机原理和泵效测定等虚拟仿真实验项目，通过虚实结合，可产生与现场情况相似的视觉效果，配以逼真的现场声音，给人身临其境的感觉。通过自行设计作业参数，反复操作实物，观察仿真仪表参数变化，掌握作业系统的运行、控制技能，作业流程各环节的操作及常见事故判断与处理的知识与技能，弥补生产实习中“只能有限制的看，绝对不能摸”的不足，提高学生的动手能力。基于虚拟仿真实验平台，学生能深入油藏内部，观察储层参数、流体参数实时动态变化，进行油田开发动态分析、开发方案设计、钻井工程设计、井身结构虚拟设计等综合实践，满足学科竞赛、创业创新大赛等的需要，激发学生的科研兴趣、启发学生的科研思维，培养学生的科研创新能力。石油工程课程设计系统、石油工程毕业设计与生产现场实训相结合，提高学生的操作能力和实践能力。虚拟仿真操作教学环节系统、全面的虚拟仿真实践训练可大大提高学生的动手能力和工程实践技能，成为企业欢迎的人才。3.实践技能考核。石油工程虚拟仿真教学平台的考核体系包括实验前、实验中和实验后三大板块。实验前在功能上提供知识辅助学习、课前预测等。平台提供交互式练习、答疑、模拟测试、课件点播等功能，便于学生掌握实验项目涉及的知识点、实验原理、实验流程及实验操作等，检查学生理论知识和应知应会的掌握情况，提高实验效率。实验中在功能上提供智能指导、过程监控等。平台可监控学生的实验过程，对学生在实验过程中的.不当操作进行智能化和人性化的指导。实验后在功能上提供自动批改、成绩分析和评价等。平台记录学生的实验报告、实验数据和结果，通过数据处理，利用教师预先录入的批改规则进行分析，给出评价结果。石油工程虚拟仿真实验教学中心有满足课堂教学展示和验证性实验操作训练，也有利用科研项目及成果转化的系统软件和仪器设备，开拓学生视野、提升知识结构，培养学生综合设计和创新能力。

三虚拟仿真实验教学成效

(一)丰富实验教学资源

通过发挥学校学科专业优势，利用企业开发实力和支持服务能力，充分整合学院信息化实验教学资源，不断转化科研成果为虚拟仿真实验项目，拓宽实验项目的深度和广度，石油工程虚拟仿真实验教学中心共构建了10门实验课程，65个实验项目，面向全校6个专业并对全校其他专业开放，年平均实验学生人数近1500人，年实验人时数近30000(人时)。实验开出率达100%，综合性、设计性和创新性实验比例达到86.2%，引导学生自主学习、研究探索和设计创新。

(二)整合和共享优质资源

虚拟仿真实验教学中心本着“产、学、研”合作办学理念，与多个油田企业建立校企联合实验室、实习基地，开展虚拟仿真实验项目的开发与应用。为相关石油企业的职工技能培训及应急处理实训提供服务，承担周边兄弟院校实验任务，作为社会公共教育共享资源，普及油气钻、采、输的风险及应急防范和逃生知识，起到了良好的示范和辐射作用。

(三)提升专业建设水平

虚拟仿真实验教学中心依托石油工程专业国家级特色专业建设点、石油工程专业省级品牌专业建设、省级重点学科、省级油气勘探教学示范中心、省部级重点实验室、教育部重点实验室等，通过虚实结合的实验教学资源，支撑了三门省级精品课程，三门校级精品课程。

(四)增强创新实践能力

石油工程虚拟仿真实验教学中心重视培养学生创新实践能力，已成为学生进行科学研究和实践创新的基地。近三年来中心指导学生参加省级、国家级比赛获奖80多项，获批省校级、级、国家级大学生创新创业训练计划项目30多项，获得专利10多项，在国内外学术期刊上发表论文130多篇。学生的工程综合素质和创新能力得到提高。毕业生得到用人单位“综合素质好、基础扎实、动手能力强，具有很强的工程实践能力和创新能力”的好评，相关专业大学生就业率一直保持在96%以上。

四结语

石油工程虚拟仿真实验教学中心以培养学生工程实践综合素质和创新能力为核心，构建了高度仿真的虚拟实验项目，建立了“四结合、四模块、三层次”的教学体系。虚拟仿真实验教学通过优化整合实验资源，工程实践结合、科研成果转化、学科前沿引入，拓展了实验教学内容的深度和广度，推动了实验教学改革与创新，培养了学生的实践创新能力，提高了实验教学质量。

参考文献

[1]徐剑坤,习丹阳,马文顶,等.采矿工程专业虚拟仿真实验教学资源库建设[J].教育现代化，(13):67-68.

船舶工程虚拟现实应用平台设计研究 篇6

【关键词】船舶工程；虚拟现实；应用平台；研究

【中图分类号】U664【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0034-01

虚拟现实技术作为一种高新技术，可以通过计算机将复杂的数据进行可视化，比传统的人机界面有着质的飞跃。在船舶工程中有很多方面都使用了虚拟现实技术，包括系统仿真、虚拟模拟器等，在教学和设计工作中十分受欢迎。通过虚拟现实的应用平台模拟复杂的海洋航行环境和仪器设备操作效果，实现崭新的人机交互，使用户更加直观、准确的实现操作者的意图。

一、虚拟现实系统在船舶工程中的应用现状

虚拟现实系统的主要特征包括交互性、构想性、感知性以及浸没感，通过在计算机的作用下生成三维的虚拟环境，使参与者能够感受到仿真的模拟环境，增强对事物的认识能力。

在船舶的机舱内有各种复杂的设备，所以制作出来的图像比较繁琐，使用轮机模拟器不能将机舱的整体设备结构图制作出来，只能实现对推进装置的运转工况参数仪表指示的仿真。在教学的过程中由于看不到机舱的实物，只能够通过按钮或者手柄实现相应的运转情况，在故障的判断方面还是存在一定的技术误差。随着计算机技术的不断发展，在船舶工程中使用多媒体、虚拟现实以及三维动态仿真等技术在机舱动感视景方面已经小有成就，但是从国内外的船舶工程虚拟现实的应用研究方面，都没有形成完整的体系，处于将半物理的仿真平台转向虚拟化的阶段，所以还存在很大的进步空间。

二、船舶工程虚拟现实系统的构成

1、系统构成

1）系统结构

船舶工程虚拟现实应用平台，是基于计算机模拟仿真技术的基础上实现对船舶的虚拟操作、拆装等过程。所以计算机虚拟现实系统给参与者提供了虚拟环境，整个系统包括三个方面：虚拟元器件库、设备库、实验单元和管理维护模块。虚拟现实应用平台主要为用户提供一个网络访问的服务器，在进行虚拟硬件实验的时候可以通过虚拟现实应用平台来实现程序的编辑、设计等。在虚拟仿真模块主要进行虚拟程序的编译、运行以及信号的检测等。

2）虚拟现实应用平台设计

主要有以下几种类别：①虚拟器件类。可以通过虚拟器件对IC元件的功能进行模拟。②虚拟仪表类。主要模拟对虚拟试验中的仪器仪表进行仿真的模拟，比如探测器、信号发生器、LED等。③虚拟面包板类。可以对面包板的功能进行模拟，通过虚拟引脚可以实现器件在面包板上的连接、信号传播等。④虚拟实验台类。可以对虚拟的实验平台进行模拟，主要负责各类仪表以及虚拟系统的管理。

2、功能的实现

1）元器件之间的连接

在虚拟元器件中主要通过引脚来实现不同器件之间的连接，虚拟现实系统中连线工作是信号传递的介质，是独立的一个整体，主要以Active控件的形式存在，在外观上由连线的点与线共同控制，实现了连线的工作运行。对于一对一的连线形式，在Sender函数的作用下，能够控制信号的接收和发送，整个过程中不会产生信号的冲突。但是在多种对接的连线类型中，会发送很多的信号，由于系统的抗干扰能力有限，所以会产生一定的冲突。由于虚拟现实系统有自身的特征，不同的信号在发送时，可以进行相应的逻辑处理，在信号源之间能够将它们的不同关系分析出来，然后在逻辑处理的过程中将多种对接类型的连线转化为一一对接的类型。具体的方法为：先分析各端点之间的关系，确定属于哪种类型的连线，如果只有一个信号的发送，不同点的接收，就可以判断为一对多的接收关系；有多个信号发送，不同点的接收，属于多对多的类型的连线，判断完之后在电路中安装一个逻辑门电路，可以作为信号发送的输入端，在门电路的作用下就能够实现一对一的连接关系。

2）虚拟现实系统对信号的控制

虚拟现实应用平台要对船舶进行设计，所以要对计算机传输的信号进行有效的控制。在计算机虚拟硬件电路中，经常把数字信号作为数据处理的对象，分析虚拟元件与电路的关系。在虚拟机实验系统中，虚拟连线作为主要的信号介质，如果在虚拟元器件的内部关系发生变化时，引脚值也会相应的改变，导致信号连接的连线值发生变化，这种情况叫做电路的触发，是通过Sender的方式来完成的。

3）多缓冲区多线程技术

在虚拟机中主要通过多个线程来完成不同的系统操作，提高了线程间通信的效率，使操作变得简单便捷。虚拟机通过数据缓冲的方式，可以将不同的模块同步的运行，占用系统最长时间的是虚拟机仿真运行模块，所以为了实现不同模块的同步要求，对多终端及网络系统进行了系统设计，同时虚拟机实验系统采用了缓存机制，将四个模块设置相应的缓存区，实现了线程的同步控制。

三、船舶工程虚拟现实应用平台系统模块及功能

1、主要的系统模块

1）CHSVL仿真运行模块

CHSBL作为虚拟机的现实应用平台，可以将其分为四个模块，包括虚拟机仿真运行模块、引脚模块、编译模块以及信号输出模块。在这四个模块相互作用之后实现了虚拟机系统的仿真运行。在整个系统的运行中必须要实现数据检测、编译、输出的并行操作，这样才能保证虚拟实验环境不受影响。

2）软件模型及数据库的建设

建立完相关的功能模块后，船舶工程虚拟现实应用平台能够模拟出整条船的工作状况，在实际的应用中要对各种设备模型和数据库进行研究，在建设软件模型及数据库的过程中要避免使用市场上的封闭式的应用系统，比如虚拟轮机模拟器器模型、机舱设备模型等，同时还要保证数据模型具备二次开发功能，给用户提供接口功能，而且对于不同低端的应用软件要组成将开放性的协同设计体系，设计结果可相互或转换，这样就能够在最大程度上扩展虚拟现实系统的应用。数据库的建设要独立于硬件平台，抢占式多任务管理，系统功能完善，而且容易维护。利用S Q L Server2000管理数据很容易就能够实现C/S模式数据管理，使用该系统能够对数据的访问进行修改，实现了产品的协同设计。

2、虚拟现实应用平台的主要功能

船舶工程虚拟现实系统的建设功能主要是从以下三个方面体现出来：第一，在教学的过程中系统可以将整条船进行虚拟的漫游，然后再交互设备的基础上实现对船舶设备的虚拟操作，进行动态的模拟，同时还可以对设备和机器进行虚拟的拆卸和装配，满足实验教学的需求；第二，在科研方面，虚拟现实应用平台能够对设备进行虚拟的设计、演示，在设备的使用前可以预演运作的过程，如果运行有问题，可以进行及时的修改；第三，在生产应用方面，可以提供船舶的设计、运行等虚拟的环境，并对船舶设备的运作进行虚拟的演示，实现产品设计的零投入。

总而言之，船舶工程虚拟现实应用平台通过在不断的研究下已经形成了特定的体系，实现了对船舶设备的三维空间模拟操作，但是在它的开发和使用中还存在一些问题，比如在虚拟机的使用中互动性差、连贯性不高，而且在软件的使用上比较复杂，功能太多不容易操作，所以在实践中要不断的完善虚拟现实应用平台，提高工作效率，让用户更加直观的了解操作者的意图。

参考文献

[1] 蒋革，宗晓晓；船舶虚拟设计技术综述[J]；江苏船舶；2004年01期

[2] 姜学智，李忠华；国内外虚拟现实技术的研究现状[J]；辽宁工程技术大学学报；2004年02期

虚拟工程技术机械工程 篇7

关键词：虚拟制造,现代化机械,工程设计,技术

传统机械设计时主要考虑的是产品的使用性能, 往往在实际设计过程中比较难以控制, 而且装配和设计等方面会存在较大的缺陷。因此为了保证机械产品的质量问题, 提高生产效率, 降低生产成本和能源消, 虚拟制造技术在现代化社会发展中显得尤为重要。

1虚拟制造技术及其过程

1.1 虚拟制造技术特点

虚拟制造技术建立比较虚拟的环境下, 利用计算机技术对其进行分析。而且工作人员也可以根据建立的模型进行虚拟装配, 在装配过程中发现其中存在错误, 并及时进行改正, 确保造实际应用中零件装配的精确性。同时对零件装改正时可以在计算机中进行, 比较方便, 易于操作, 并且在更改之后能够自动形成一个新的模型。虚拟技术的应用改变了因零件装配出错而导致的质量问题, 实现了设计和装配以及检验一个比较协调的过程, 提高了产品的质量, 在现代化社会发展中更具竞争力。

1.2 虚拟制造技术过程分析

虚拟设计的模型设计, 主要是围绕着产品的生命周期展开的, 因此设计人员在进行设计时主要根据客户的要求或是建议。然后进行详细的分析和探讨, 进一步的认识产品的主要功能, 性能等, 最后利用虚拟技术进行虚拟设计和工艺设计, 再经过虚拟进行加工生产, 客户如果满意就可以实施实际生产, 如果出现问题就要及时尽心修改。元模型和建模要通过一系列的理论计算, 循环修改和实验推理等的过程, 然后才能实现在计算机中设计和优化设计。零件在设计过程中要有一个小的专家系统, 根据不同零件的特点们进行不同特征的数据设定。根据这些确定的数据建立一个正确的模型, 形成一个零件的元模型。结构模型设计建立在元模型零件基础上, 对其进行实际机构分类分级, 经过一系列的推论实现独立产品。产品模型设计是虚拟设计中虚拟设计制造的计主要目标, 通常系统中会产生不同的领域, 因此不同的产品类型就要建立一个不同类型的模型, 保证最高层次产品类型模型的实际作用。

2现代化机械工程设计

机械设计的主要目的是实现在实际应用中的使用功能, 让机械产品具有一定的创新性, 实现功能强大, 经济低廉等的优势。传统机械工程在设计过程中主要是受当时条件的影响, 在许多方面有局限性。设计时需要要的数据要通过大量的计算分析之后得以确定, 不能体现其精确性, 整体设计不够严谨。并且传统的机械设计主要依靠的是设计人员的经验和自己的能力, 因此质量高效, 生产合理等无法到理想的效果。与传统机械设计不同的是现代化机械工程设计充分利用了当前社会科学发展的技术条件, 如先进的计算机技术, 在一些列分析过程中运用了有关力学和数学等学科知识。从传统的比较随意性的设计中, 逐渐转化为以计算数据为基础的设计, 拥有的知识体系比较完整, 其中涉及到动态现代化设计, 使机械设计更符合现代化发展的需要。

3机械工程设计中的虚拟制造技术

机械工程设计中的虚拟制造技术机械虚拟样机技术, 也是计算机技术不断发展和提高的辅助技术, 具有重要的意义和作用。机械工程师可以利用计算机, 在上面建立一个样机模型, 在分析过程中能对设计方案进行修改, 实现数字化应用。虚拟样机在机械工程设计过程中的应用, 大大减少了一些列比较繁琐的计算过程, 简化了其开发过程, 降低了产品开发的成本, 提高了产品使用的生命周期和经济效益。机械工程设计过程中, 计算机技术的应用, 数字化虚拟样机的建立是创新设计的体现, 数字化虚拟机也是一个企业新产品开发的基础, 是传统设计模式的转变。虚拟样机能在机械工程设计中完成结构分析, 装配仿真等。能够通过CAE系统对机械设计过程中进行仿真分析。

4虚拟样机技术在机械工程设计中的优势

虚拟样机技术在机械工程设计中具有强大的通用性, 能够对设计过程中非常复的问题进行处理或解决。虚拟样机技术主要是在力学和动力学基础上不断发展和提高, 也是实现对复杂问题简单化处理的有效途径和重要手段。大多数虚拟样机都采用的是代数混合方程方式将复杂问题转化为简单化, 虚拟样机中的每个构件多有6个自由度, 并且相互之间约束, 能够实现其通用性优势, 方便建立不同类型的模型。同时虚拟样机能够使机械系统建模更加方便, 使软件更具有强大的后期处理功能。传统的机械系统工程要根据运动分析, 然后建立模型, 虽然步骤不多, 但是中间涉及到的大量数据计算和图形分析等过程比较复杂, 往往会在经意间出现差错, 还会浪费大量的人力、物力和财力, 才能进一步的确保模型的建立的准确性。但是如果在设计过程中采用虚拟样机技术, 相应的在人力物力等方面减少了很多, 而且提高了工作效率。在建模之前的数据计算等求解过程中有是通过计算机完成, 不但简单, 而且精确度高, 也使得设计人员在设计过程中有更新的思路和想法, 让机械工程设计更具有时代意义。传统分析方法主要是利用大量的数据, 在丰富的经验基础上得出结果。虚拟样机技术在结果分析上有了更多的表达形式, 关于机械性能和效果显示也比较直观, 便于工作人员分析和理解, 实现了其强大的技术功能。

5结束语

随着科学技术的提高, 我国工业领域中的技术发展和先进工艺技术的应用也越来越广泛。虚拟制造技术的发展和应用, 将会改变现代化机械工程设计过程中传统的制造模式。能在产品制造出来之前对出现错误的地方进行修改, 实现对产品性能的预测等优势, 提高了产品质量和生产效率以及制造周期, 具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]陶表达, 姚桂玲.虚拟技术在现代机械产品研发中的应用[J].湖北第二师范学院学报.2010 (2) .

[2]高嘉爽, 方洪渊, 杨建国.虚拟制造环境下焊接结构有限元分析体系的研究[J].电焊机.2008 (3) .

[3]范秀敏, 马登哲, 严隽琪.面向生产工程的虚拟制造三视图体系及工程应用[J].机械工程学报.2002 (1) .

[4]杨国哲, 许锋, 巩亚东, 王宛山.虚拟车床动力响应系统的建模与实验[J].东北大学学报.2004 (1) .

虚拟仿真技术与建筑施工安全工程 篇8

1 仿真科学的发展和形成

仿真系统的发展首先从仿真器开始, 第一台美国空军的林克机练习器是1929年诞生的。二战后期, 火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展。最初还只是用于军事方面。70年代后, 仿真技术不但在军事领域得到迅速发展, 而且扩展到了许多工业领域, 如汽车模拟器等。这是发展的初级阶段。20世纪80年代美国国防部高级研究计划局和美国陆军共同制定和执行了SIMNET研究计划, 美国空军建立了先进的半实物仿真实验室, 随后各部门继续设分布式交互方针系统、并行分布式交互仿真系统、聚合级仿真系统。这是仿真技术发展的高级阶段。上个世纪末和本世纪初, 对广泛领域的复杂性问题进行科学研究的热潮正在兴起。复杂性是对简单性的否定, 复杂问题的提出, 推动了整体论、系统论的发展。仿真技术进入了今天的研究复杂系统仿真的新阶段。

2 仿真技术的应用领域

仿真技术最早主要应用于军事方面, 比如航天器、航海模拟、高能武器等。随着国民经济的发展, 仿真技术被迅速地推广应用到国民经济的每个领域, 成为系统工程中的科学方法和有力工具。最广泛地应用在军事领域, 比如美国的综合战区演练 (STOW) 计划、欧洲大型军事演习 (代号JPOW) 、美国在科威特进行的战区导弹作战仿真等;仿真技术在工业系统的多种应用取得了巨大的社会和经济效益;近几年来仿真技术在制造业中的应用和发展在我国取得很好的成果。仿真技术将设计、试制、生产、销售一体化;利用模拟现实仿真技术医生可以在虚拟病人身上进行手术训练, 通过训练可以提高手术成功率;仿真技术已经应用到游乐产业中, 出现的高科技仿真设备有:“仿真太空船”、“仿真高尔夫球”、“赛车”、“飞机格斗”等;当前仿真技术还用于房地产业中, 开发商利用虚拟仿真技术把预售房子的结构、布置等效果用3D实现, 让购房者可以体验到真实的情景以产生美好憧憬;虚拟仿真技术与建筑施工的有机结合, 使工程师在建筑尚未开工之前便漫游其中。许多重大工程 (比如三峡工程、南水北调工程) 项目的失误都将是灾难性的, 而且也是不允许失败的。对于这类工程预先应用仿真技术排除设计错误、优化设计、预示完成后的工作状况已经成为工程界的共识。

3 虚拟仿真技术在建筑施工中的应用与现实意义

虚拟仿真技术在建筑施工的应用有很重大的意义:首先有助于建筑市场的管理、完善管理制度。施工虚拟工程在招投标过程中能主观对比投标各方的施工工艺、方法和成效, 增加评标的透明度和公正性, 减少各种不正当行为的发生。有利于建筑市场的规范化管理;还可以考察建筑设计是否合理, 从而指出不合理的部位进行修改, 达到优化设计的目标。这对重大工程尤为重要;有助于施工方案的选择和优化。因为建筑施工方案的选择有一定的局限性, 它主要取决于决策者的施工经验和知识水平, 而且施工过程又都没有可模性, 决定了建筑施工过程的各异性。而施工虚拟仿真技术可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果, 可以定量地完成方案的对比, 真正实现施工优化;该技术还可以模拟新技术、新材料、新工艺应用后的效果;有助于施工管理:施工虚拟仿真技术能模拟施工全工程, 能够提前发现施工管理中质量、安全等方面存在的隐患。管理人员可以采取有效的预防、加强措施, 提高工程施工质量和管理效果;施工虚拟仿真技术能实时、直观地显示施工全过程, 这样有助于操作人员全面了解作业过程, 安全地完成施工任务。建筑业是高危险行业, 加强安全工作是施工单位的工作重点, 也是政府和人民群众关注的重点。

4 建筑施工安全与安全价值工程

目前我国正在进行历史上也是世界上最大规模的基本建设。建筑业完成产值年年持续增长。建筑也从业人员数目庞大, 据不完全统计人数为3893万人, 已占全国工业总从业人数的约1/3, 建筑产业已成为国家的支柱产业。工程建设的巨大投资和从业人员的庞大规模使得安全事故的后果异常严重和巨大。我国工程建设中的安全管理水平一直很低, 每年由于安全事故丧生的从业人员超过千人, 直接经济损失百亿元。特别是近年来重大恶性事故频频发生, 引起全国上下的普遍关注。

随着社会的进步科技的发展, 人们对安全认识水平也逐步提高, 从安全事故发生原因的偶然性到必然性的过程。这些必然原因中, 最主要的原因是人的原因、物的原因、环境的原因、管理失败的原因。在我国建筑行业中, 尤其要注意人的原因, 因为建筑安全事故的核心是“人”, 而“人”又是具有特定的文化背景和处于特定的国情之中。一方面是作为管理者的“人”重生产轻安全的思想普遍存在, 安全管理缺陷几乎存在每一起安全事故中;另一方面是建筑活动主体的“人”———农民工, 自身文化素质及职业安全素质较低;有限的场地上集中大量的人员、建筑材料、设备和施工机具等进行立体交叉作业, 相互干扰难免发生危险;建筑施工高空、露天作业多, 工作环境差;工人工作时间长, 劳动强度大, 容易出现疲劳、注意力不集中造成安全事故;建筑产品复杂, 材料堆放不符合要求也是造成安全事故的原因。而且我国建筑安全管理制度理念滞后, 建筑业竞争激烈, 安全投入严重不足等等也是导致危险事故发生的重要因素。所以说安全控制是很有必要的, 安全控制是通过对生产过程中涉及到的计划、组织、监控、调节和改进等一系列致力于满足生产安全所进行的管理活动。施工安全监控的程序如图1。

施工现场的安全控制是必不可少的, 但是安全投入不足还将导致事故的发生。而且好多施工单位甚至建设管理部门没有考虑到安全的经济价值, 把安全工作与经济利益对立起来, 认为安全投入是企业负担, 没有把各项安全措施落实到位。价值工程 (Value Engineering) 是一门新兴的管理技术, 是减低成本提高经济效益的有效方法。定义为:

V=F∕C

式中:

V——价值;

F——研究对象的功能;

C——成本, 即寿命周期成本。

以价值理论为基础, 可以定义安全价值工程, 可以对所研究的系统进行安全分析与评价。主要思想就是对系统的各个单元进行安全价值分析, 通过制定相应的整改措施和方案, 使各个打援实现最大安全价值, 最终实现整个系统的安全值最大, 达到安全、高效的生产目的。安全价值定义为:

SV=S∕C

式中:

SV——安全价值;

S——研究对象的安全程度;

C——研究对象的安全成本。

将安全工程与价值工程结合, 利用价值工程的原理使得安全价值最大化。安全价值工程的工作顺序是:确定安全研究的对象;综合研究;制定创新方案与评价。施工安全也可以利用安全机智工程来评价, 以达到安全值最优。

5 虚拟现实在建筑施工安全工程中的应用

虚拟现实技术可以用在建筑施工安全的以下方面:

⑴首先可以用在评价施工安全价值工程中。在施工过程中出现危险事故的原因主要有人的不安全行为、物的不安全状态、环境隐患和组织管理不力等。可以根据这四个因素的重要程度进行各个方面的安全价值分析, 指定不同的安全方案。可以达到资金与安全程度的最大优化。

⑵各种施工设备的操作训练。尤其是某些重要工程中要采用先进的特种设备, 而这些设备是不允许出现失误且需要不断反复的操作训练。即使一般的起重机、挖掘机、塔吊也需要熟练的操作, 还有混凝土搅拌站等等。采用虚拟现实技术开发相应的设备模型用户通过各种传感及输入装置与虚拟场景的交互, 使之通过虚拟的设备得到“真实”地训练。还可以观察操作过程中存在那些不规范的操作, 可以提前改正, 还可以观察一些设备的操作隐患。以此好采取相应的措施预防和加强。

⑶可以进行按事故过程模拟。有经验的工程师了解工程当中那些部位容易出现隐患, 那些部位容易发生事故。比如爆炸、坍塌、坠落、交通事故等。利用虚拟现实技术可协助建立安全事故发生过程三维动态仿真模型, 为以后类似的事故的分析、职工安全教育停工有力的工具支撑。

⑷可以模拟紧急逃生演练。三维交互系统的沉浸性使用户和系统之间可以交换信息。通过建立建筑物的事故模型, 可以训练现场人员在事故发生上的自救、逃生路线的选择和应急行动的实施, 以次来降低事故发生时的损失。

⑸还可以进行安全教育。由于农民工的文化素质普遍较低, 进行书本安全知识讲解是比较困难的, 我应该采用各种真实的或者能引起人们兴趣的手段来保证学习的效果, 比如安全事故过程的仿真, 设备操作的虚拟等。让人们在愉快的气氛中受益。

图2为虚拟安全仿真系统的运行模式。

6 结语

仿真技术的不断发展将应用于国民经济的各个领域。不仅仅施工安全要应用虚拟现实技术, 规划、交通、房地产、设计、施工管理、物业管理等都将迈向仿真技术。仿真技术的应用范围将越来越广阔。

参考文献

[1]王子才.仿真科学的发展及形成.[J].系统仿真学报, 2005, 7.

[2]张希黔, 张利.虚拟仿真技术在建筑工程中的应用现状和展望.[J]施工技术, 2001, 8

[3]李明, 吴超.关于安全价值工程理论的思考.[J]中国安全生产科学技术, 2006, 8

[4]游景玉.论仿真技术在知识经济发展中的地位.[J]系统仿真学报, 2001, 1.

[5]全国一级建造师资格考试用书编写委员会.建设工程项目管理。

[6]全国一级建造师资格考试用书编写委员会.建设工程经济.

[7]田元福.建筑安全控制及其应用研究.[D]中国学位论文全文数据库.

工程物流虚拟企业成员选择模型研究 篇9

构建虚拟企业是发展工程物流的有效途径,其中成员选择是虚拟企业构建的关键环节。国内外学者对此展开了大量研究,提出了AHP和DEA[1]、模糊数学[2]、遗传算法[3]、聚类算法[4]等研究方法。其中大部分是以制造企业为研究对象的,也有少量的以物流企业为研究对象,但还没有对工程物流运作企业进行研究的。而工程物流运作与常规物流运作完全不同,具有极强的特殊性,不能照搬一般物流企业的相关理论;随着工程物流需求的不断扩大,工程物流逐渐成为物流业的一个专业化的发展方向,与工程物流相关的理论研究亟待进行。作者通过深入工程物流运作A企业,对工程物流虚拟企业的成员选择进行了研究,针对企业中几个典型工程物流项目需求,建立了工程物流虚拟企业成员的评价指标体系;并应用BP神经网络构建了成员选择的模块化双层智能决策模型,模块化的双层结构使模型更新迅速,在快速多变的工程物流市场机遇中,可实现对成员企业的有效选择,为虚拟企业的及时构建提供保证。

1 工程物流虚拟企业的成员选择评价指标体系

1.1 工程物流的内涵与特点

工程物流是一个较专业的领域,近几年才逐渐受到关注,相关的理论研究目前还不多,甚至还没有统一的定义。作者通过深入工程物流运作A企业、跟踪工程物流项目并研究相关文献,提出了工程物流的定义。

定义工程物流(project lonistics)是一种非常规的物流活动,是一项复杂的系统工程。它是对工程关键物资的流动过程进行专门的规划、设计、组织、实施、控制和管理的,以安全为第一目标的系统活动,是对社会资源的整合过程。具有单次性、系统性、动态性、高技术、高风险等特征。

1.2 成员选择评价指标体系的建立

1.2.1评价指标选择准则确定

评价指标是成员选择评价的依据,评价指标的科学有效性决定着成员选择的成败。因此本文在设计评价指标体系中遵循以下原则:

A:系统性评价指标要求能够从工程物流项目的实际需要出发,系统全面的反应成员企业的综合素质。

B:灵活性由于工程物流的单次性特征,不同项目需求的重点会多变,因此,相应的评价指标也要具有一定的灵活性,能够根据需要快速扩展和重构。

C:有效性评价指标要能够真实、有效的反应出工程物流项目的实际需求,保证评价指标的客观合理性和可操作性,使评价指标真正发挥效力。

1.2.2成员选择评价指标体系构建

在应用德尔菲Delphi法进行循环调查的基础上,通过分析A企业做过的石化、电力、冶金、市政等几种典型的工程物流运作项目,结合工程物流的运作特点和评价指标的设计原则,识别出科学有效的评价指标,构建出工程物流虚拟企业的成员选择评价指标体系,如图1所示。

2 工程物流虚拟企业的成员选择智能决策模型构建

2.1 智能决策模型的总体设计

2.1.1模型选择

针对工程物流的单次性、动态性等特征,本文选择采用具有自适应性、学习能力、计算能力的神经网络模型[5]。在神经网络模型中,选用了应用最广泛的BP神经网络模型,该模型具有思路清晰、结构严谨、工作状态稳定、可操作性强等特点[6],能够满足工程物流虚拟企业的成员选择需要。

2.1.2结构选择

在虚拟企业的成员选择指标体系中,指标层相对于各准则指标基本稳定,而准则层相对于目标层根据工程项目的不同需要灵活多变。现有的应用BP神经网络选择成员的模型都采用指标层输入,目标层输出的单层结构。这样的结构无法适应工程物流的动态灵活性。

本文采用模块化的方式,针对准则层先构建起4个BP神经网络模型模块,组建成准则层智能决策模型。然后以准则层为起点,构建出目标层的决策模型。通过学习训练满足要求,共同组建成工程物流虚拟企业的成员选择的双层智能决策模型。具体的构建过程如图2所示。

2.2 智能决策模型的构建

2.2.1 BP神经网络模型结构设计

A:层数确定根据图2的构建过程,先针对4个准则层指标分别建立BP神经网络模型,然后再构建一个目标层BP神经网络模型,共5个BP神经网络模型。根据需要5模型都选用含有一个隐层的双层BP网络结构;

B:传递函数选用由于输出的总目标决策值处于0和1之间,隐层和输出层的传递函数都选用对数S型函数logsigmoid;

C:单元数确定输入层单元数取自于各输入向量的维数,即指标下的分指标数。目标层决策模型的输入由准则层指标数确定。输出层的单元数都取1。隐层的单元数经验公式,其中,n为输入单元数,m为输出单元数,a为[1,10]之间的常数[7]。参考经验公式,结合试验结果,确定出各网络模型结构为net1:5-15-1,net2:5-14-1,net3:4-3-1,net4:2-5-1,net:4-7-1。图3为基于可靠性指标建立的BP神经网络模块Net1的内部结构图,其它模块与之相似。

2.2.2智能决策模型的构建

根据评价指标体系,将准则层各模块组建成准则层决策模型,与目标层决策模型一起构建出双层的智能决策模型,其内部结构如图4所示。

2.2.3决策模型的学习训练

网络模型的学习训练过程为:

A:样本获取从样本企业库中提取12个企业,将经过专家评审的样本企业的各指标评价数据进行预处理,处理为0-1的数据。取10个样本作为训练样本,剩余2个作为检验样本。将各[Z1j]T、[Z2j]T、[Z3j]T、[Z4j]T分别作为输入向量,将Z1、Z2、Z3、Z4的评价值作为对应的目标Ti对Net1-Net4进行训练;将Net1-Net4的输出值[Yi]T作为输入向量,将M作为目标对Net进行训练;

B:训练函数及参数确定选用LevenbergMarquardt算法对应的trainlm作为训练函数对各网络模型进行训练。对应的参数设定为epochs=400;goal=10-7;show=5;其余参数如rem_reduc,max_fail,min_grad等采用缺省值;

C:训练应用MATLAB软件的神经网络工具箱,按照上面的参数设定,输入样本对各神经网络模型进行训练;

D:检验将准备好的检验样本输入训练好的网络模型进行检验。

2.2.4 训练和检验结果分析

网络训练结束后,应用sim函数仿真网络的输出,与目标输出进行对比,同时应用MATLAB提供的函数postreg,利用线性回归的方法分析了网络输出变化相对于目标输出的变化率,从而评估了网络的训练结果[8]。

图5给出了由函数postreg显示的Net1-Net4及Net的网络模型的训练结果分析图,横坐标为目标输出,纵坐标为网络输出,“。”表示数据,理想回归直线由实线表示,最优回归直线由虚线表示。图中可以看出虚线和实线几乎重合,说明网络具有非常好的性能。

将网络的检测结果与目标输出值进行比较,分析列表如表1所示。

通过准则层和目标层决策模型训练和检测结果分析图可以看出,决策模型具有很高的精度,检验结果误差最大为3.14%,完全满足工程物流虚拟企业的成员选择需求。

2.2.5智能决策模型的更新和扩展

文章的选择决策模型是针对几个具体的工程物流项目需求构建的,但模型的模块化双层结构可以实现模型的快速更新和扩展。在不同的工程物流项目需求中,将不同的模块重新组合即可生成准则层决策模型;当准则指标增加时只需构建所增加准则指标的BP神经网络模型模块,与其他模块进行组合即可实现模型的快速扩展,因而实现对市场机遇的快速把握。

3 结束语

工程物流与传统物流相比,从资源设备、人员技能、追求目标等方面都有很大的不同,不同的项目之间也存在很大差别。本文构建的模块化双层智能决策模型,能够在虚拟企业的成员选择中迅速再现专家的知识和经验,及时作出准确决策。模块化的双层结构有利于模型的快速更新与扩展,从而满足动态多变的工程物流项目需求,实现对工程物流市场机遇的有效把握。

摘要：文章针对工程物流项目的实际需要,建立了工程物流虚拟企业成员的评价指标体系;采用模块化的方式分别建立了该体系的准则层和目标层的BP神经网络模型,进而构建了一种成员选择的双层智能决策模型;模块化的双层结构有利于模型的快速更新和扩展,应用MATLAB软件对此决策模型进行训练和检测,检测结果满足要求。

关键词：工程物流,虚拟企业,模块化,BP神经网络,智能决策模型

参考文献

[1]戴勇.基于AHP的DEA分析基础上的虚拟物流企业联盟伙伴选择[J].系统工程,2002,20(5):47-51.

[2]陈雯,张强.基于模糊模式识别的动态联盟伙伴选择模型[J].模糊系统与数学,2006,20(4):146-152.

[3]仝凌云,陈增强,袁著祉,安利平.虚拟企业伙伴选择的双种群自适应遗传算法[J].计算机工程,2006,32(4):192-194.

[4]沈立新,陈燕,崔春雷,王军,李玖晖.基于网格的聚类算法的虚拟物流企业伙伴选择选择方法研究[J].计算机科学,2005,32(8):114-117.

[5]Chiassi M,Saidane H,Zimbra D K.A dynamic artificial neuralnetwork model for forecasting time series events[J].Interna-tional Journal of Forecasting,2005,21(2):341-362.

[6]Fish K E,Johnson J D,Dorsey R E,Blodgett J G.Using an arti-ficial neural network trained with a genetic algorithm tomodel brand share[J].Journal of Business Research,2004,57(1):79-85.

[7]江卫东.基于AHP和BP神经网络的企业R_D人员胜任力评价[J].系统工程理论与实践,2007,(6):56-63.

工程物流及其虚拟企业运作模式研究 篇10

关键词：工程物流,运作模式,虚拟企业,博弈论

0 引言

近年来,随着我国大型基建项目不断涌现,工程物流需求不断扩大。工程物流表现出极大的发展潜力。同时,工程物流运作的特殊性也对工程物流运作企业提出了特殊的高要求。本文从工程物流运作的特殊性出发,提出了工程物流的纵向虚拟企业运作模式。

1 工程物流及其运作特性

1.1 工程物流

工程物流是一个较专业的领域,近几年才逐渐受到关注,相关的理论研究目前还不多,甚至还没有统一的定义。有学者认为广义上的工程物流,就是指具有工程特性的一切物流活动。它所研究的范围可涉及工程项目物流、会展物流、搬家物流、应急物流和战时物流等。狭义上指工程项目物流(project logistics),即围绕工程项目,由物流企业提供某一环节或全过程的服务,目的是通过物流的专业技术服务,给予投资方最安全的保障和最大的便利,大幅度地降低工程成本,保证工程项目的如期完成[1]。

从工程概念考虑,所谓工程就是为实现某种功能去创造或改造一个系统。而在创造系统的过程中要用到大量的物资,这些物资所包含的一切物流活动就是工程物流。这里的系统所涉及的范围几乎囊括社会生产、生活的各个领域。工程物流中的物资可归纳为两类,一类是常规物资,即比较常见的,用常规的成熟方式实现其物流活动的物资,例如建筑施工中的沙石等;另一类是非常规物资,即比较特殊的,要用特殊的设备和方法实现其物流活动的物资,例如电力项目中的变压器、石化项目中的反应器等。

由于非常规物资的物流运作具有极强的特殊性,实现起来难度较大,因此将它作为本文的研究对象。本文的工程物流是狭义的工程物流,主要是指能源、电力、石油化工、冶金等行业中的项目设备的运输过程。

1.2 工程物流运作的特性

工程物流运作与常规物流相比有着很强的特点,主要表现为以下三方面。

1)操作对象的特殊性

工程物流运作的特殊性主要是由于其操作对象的特殊性引起的。工程物流操作的对象主要都是非常规物资,多为超长、超宽、超高、超重、不规则的大件设备。要实现经济有效的物流过程,必须对物流设备、运输方式、工具和线路等的确定进行专业和专门化的设计和管理。

2)运作的不可重复性

由于工程项目一般都是一次性的,这就决定了工程项目运作过程中的非常规物资的物流活动通常也是一次性的。制定方案时既没有成形的理论和实践依据作为参考,也不能为今后的工程所利用。因此制定方案时既要能够满足工程需要,安全实施,又要尽量避免造成浪费。

3)安全的特别重要性

工程物流项目通常投资巨大,有些还具有重要的社会意义。而其中非常规物资对项目的顺利实施具有重大意义。因此,工程物流的安全问题是其首要问题。同时由于工程物流的一次性特征,在运作的过程中有很多不确定的风险因素。这就要求工程物流服务商充分考虑每个环节中的风险要素,并做好各项应急预案,以保证项目的安全顺利实施。

1.3 工程物流运作模式的特殊性

工程物流运作的特殊性与复杂性,对技术和资源的要求都很高。通常要求公路、水路、铁路等的联运。而我国物流企业大多是从专一的如公路运输、仓储、船务公司等转型而成,不具有工程物流的综合服务能力。通过实践跟踪工程物流项目、大量阅读相关资料,总结提炼出传统工程物流运作模式如图1所示。

从图1中可以看出,传统的工程物流运作模式,通常是在关键环节上出现问题时企业再通过收集信息,选择满足条件的企业,将一部分工程外包出去,通过交易解决问题。但这样的运作模式存在着风险集中、交易成本高、交易时间长、缺乏整体性等问题。这些问题制约着工程物流及其运作企业的发展。

同时随着市场经济的发展和我国加入WTO后与国际经济接轨,市场竞争格局发生根本性变化,企业为了实现长远发展,就要谋求合作与共同发展,树立“合作、共赢”的经营理念。因此,本论文首次提出适应工程物流运作需求与市场发展需要的纵向虚拟企业运作模式。

2 工程物流的纵向虚拟企业运作模式

2.1 虚拟企业

作为一种新生的组织与管理模式,虚拟企业的产生与发展经历了一个不断成熟的过程。1991年,美国人首次提出了虚拟企业(virtual enterprises,VE)的概念[2],随后有关虚拟企业的理论便不断发展。可以认为,虚拟企业是当企业自身的资源与能力难以把握快速变化的市场机遇时,多个企业进行基于企业核心能力的战略资源整合,组建具有足够弹性和自适应性的风险共担、利益共享的灵活的联合体。它是寻求资源最佳配置的一种整合方式。是以共有的市场发展机会为基础的。一旦共同发展的市场机会终结,虚拟企业便随之解体,等待下一次商机,再寻求新的组合。因此,虚拟企业是一种动态的联盟[3]。

2.2 工程物流的虚拟企业运作模式

通过研究工程物流的运作特点以及传统运作模式存在的弊端,利用虚拟企业的思想,在工程物流运作企业中建立虚拟企业联盟,形成一个虚拟企业资源库,通过信息网络,充分整合和利用社会资源,组成工程物流的虚拟企业运作模式,可参见图2。

当市场机会一出现,企业可以根据需要从虚拟企业资源库中提取相关信息,组建项目需要的虚拟企业。虚拟企业作为整体取代原模式中的单独的企业,在项目运作过程中的资源都是通过虚拟企业资源库直接获取。工作以虚拟企业资源库为依据统筹安排,并行进行。这样在资源得到合理利用的同时,分散了工程物流运作的风险,同时通过发挥各自的核心竞争力,相互取长补短,节省了交易时间和成本,大大提高运作效率。从项目的整体运作上达到最优,实现整体效益最大化,合理分配收益,实现共同发展。

3 可行性博弈论验证

合作博弈论中认为,变和博弈具有超可加性,有形成联盟的必要。即:博弈特征函数意义下,如果所有,满足下式,则称博弈(N,v)是本质的,是变和博弈,有形成联盟的动机和必要;反之为非本质的,没有形成联盟的动机。[4]现假设A、B两家物流服务公司分别为由公路运输、水路运输公司转型而成。对于他们的物流服务指标能力如表1所示。

假设有一工程物流项目,需要水陆联运,公路运输能力要求为3,水路运输能力要求为2。设公路运输能力为每单位a万元,一次转包后为每单位8/9a万元,成本为每单位2/3a万元;水路运输能力为每单位3/2a万元,一次转包后为每单位6/5a万元,成本为4/5a万元。若中间发生交易,交易成本为运输成本的1/4。则对于企业A和企业B,采取合作构建虚拟企业和进行外包的收益矩阵如表2所示(单位:万元)。

由表2可得,A、B合作后所得支付v(AB)=2.4a万元,A、B单独承担后外包所得支付分别为:v(A、B)=2a万元,v(B、A)=1.91a万元,A、B分别接收外包所得支付为:v(A;B)=1.47a万元。满足v(AB)〉v(A)+v(B),具有超可加性,因此,A、B企业组成的虚拟企业是一个变和博弈,具有联盟的动机和必要性。

同时根据纳什均衡概念,我们可以看出表2中的(合作,合作)是这个博弈的纳什均衡,因此说明由A、B企业组成的虚拟企业具有稳定性。

由此可见,对于缺乏足够的资源和能力的物流企业来说,相互合作,构建纵向虚拟企业的运作模式,是快速进入工程物流领域,取得竞争优势,保持企业长期稳定发展的有效途径。

4 结束语

在工程物流运作中应用纵向虚拟企业模式,企业能够根据工程物流的特殊要求迅速挑选出合作伙伴,系统地分析和整合资源,从而构建出能够发挥各自核心竞争力的虚拟企业,共同完成工程物流运作任务,在有效地利用各企业资源的同时使各企业达到“共赢”。本文做了理论上的研究,由于实际运作的复杂性,还将进一步的去探讨。

参考文献

[1]王诺,崔英会.现代物流的新领域—工程物流理论的创建及其研究[J].商场现代化,2007(3):156.

[2]Kenneth Preiss,Steven L,Goldman&Roger N Nagel.21st Century Manufacturing Enterprises Strategy:An Industry–Led View.Iacocca Institute,Lehigh University,1991.

[3]张旭梅,黄河,刘飞.敏捷虚拟企业——21世纪领先企业的经营模式[J].科学出版社,2003,(3):70-75.