虚拟交通系统（精选十篇）
虚拟交通系统 篇1
关键词：Agent,虚拟现实,道路交通管理,仿真
《道路交通管理》是公安学一级学科下属治安学专业的一门重要的专业必修课程,道路交通管理本身也是交通工程学的主要研究对象之一,是指依据道路交通法规,采用交通信号,对道路上的行车、停车、行人和道路使用进行控制,使之畅通有序地运行。[1]由于道路交通系统所特有的复杂性、随机性等特点,使得虚拟仿真技术成为开展研究的重要手段。《国家教育事业发展“十二五”规划纲要》,指出“要落实教学改革重大举措,推动建设虚拟仿真实训系统”。Agent技术与虚拟现实技术的出现为《道路交通管理》提供了理想的虚拟仿真教学方法。本文主要探讨如何设计基于Agent的城市道路智能交通虚拟仿真系统,并应用于《道路交通管理》教学。
1 系统的设计
1.1系统的设计目标
对计算机仿真而言,系统的仿真模型是其最核心的问题。[2]该项目以虚拟现实造型语言VRML为编写工具,以Agent(智能体)思想为核心,围绕交通管理工程专业课程《道路交通管理》为蓝本,开发一个具有高智能的三维虚拟现实仿真系统,能够让学生身临其境地,获取视象、声音、数据等多种要素,并与系统进行互动,完成一系列实验实训项目。
1.2城市道路智能交通虚拟现实仿真系统Agent的设计
基于Agent的城市智能交通虚拟现实仿真系统的目的是对城市复杂的交通主体、交通工具、交通方式等基本要素进行仿真,构造出无限逼近于现实的虚拟仿真环境。交通场景中各类基本要素的运动状态复杂、速度各异,在现实世界中是一个连续的过程,在虚拟现实世界里则是按照时序发展的离散过程。因此机动车、非机动车、行人、交叉口、交通信号灯等要素均可看作是具有高度智能性的Agent,在交互仿真环境中持续自主发挥作用,以探讨如何实现交通控制的目标。
1.2.1车辆Agent的设计
车辆Agent实为驾驶人与机动车共同组成的复合性智能体,一方面具有驾驶人的交通心理、交通法规认识等智能,另一方面具有机动车的制动智能,车辆Agent可以模拟驾驶人获取城市交通环境的各种信号,并自主或根据外部信号而实时反馈,调整行为模式。因此车辆Agent应分为驾驶人Agent与机动车Agent两大模块。
(1)驾驶人Agent的仿真设计
驾驶人Agent包括行车计划智能、交通心理智能、交通法规认知智能三大模块,行车计划智能类函数Driver_ Schedule ( )仿真驾驶人Agent原有的行车目的、路线与方式,可以通过随机函数随意组成其行车计划;交通心理智能类函数Driver_Psy ( )仿真驾驶人Agent的交通心理特点,根据驾驶人的交通心理状态的特点,可分为疲劳驾驶模式、正常驾驶模式、冲动驾驶模式;交通法规认知智能Driver_Law ( ) 仿真驾驶人Agent的交通规则认知能力,能够识别交通环境中的道路、交叉路口、交通控制信号灯等设施,并根据《道路交通安全法》的要求发出指定的机动车驾驶指令;
(2)机动车Agent的设计
机动车Agent包括速度控制、转弯控制、交叉口控制四大模块,速度控制类函数Car_Speed( )仿真机动车行驶过程中的加减速动作的控制;转弯控制类函数Car_Rot( )仿真机动车的转弯运动模式;交叉口控制类函数Car_Cross( )则仿真了机动车在交叉路口的路径选择运动模式。
1.2.2交通信号灯Agent的仿真设计
交通信号灯是控制城市道路交通系统中行人与机动车行为的重要交通控制设施,主要负责路口交通流的控制,在虚拟现实场景中以信号灯的颜色变化的方式工作。交通信号灯Agent由信号灯系统与信号机系统两大模块组成,信号灯系统类函数Signal_Light( )仿真交通信号灯的非闪灯即红、绿、黄灯的转换控制,并与驾驶人Agent的交通法规认知智能Driver_Law ( )建立通讯,使驾驶人Agent能够识别交通信号灯,并反馈相应的驾驶动作;信号机系统类函数Signal_Control( ) 仿真交通信号灯的控制方式,包括多时段定时控制法、自适应控制法,并可根据需要在自适应控制法添加神经网络控制、模糊控制等智能算法;
1.2.3道路Agent的仿真设计
道路Agent是整个系统中最基础的交通环境智能体,类函数Road_Queuing( )实现对车辆Agent的感知、排队、统计的功能,当车辆Agent进入某条道路时,类函数Road_Queuing( )将该车赋予队列编号,加入该路的队列中,离开时,该车队列编号即被注销。
1.2.4交叉路口Agent的仿真设计
交叉路口Agent是整个系统中最核心的交通环境智能体,类函数Cross()与车辆Agent与交通信号灯Agent各类函数发生实时通信,完成在交通信号灯Agent控制下的车辆Agent的动作,并实现车辆Agent完成道路间的位置转换;
1.2.5城市交通控制评价Agent的仿真设计
城市交通控制最重要的目标就是缓和交通拥挤、提高交通效益,也就是减少交通拥挤和堵塞现象,因此好的城市交通控制评价Agent就是衡量智能城市交通控制系统是否达到目标的关键。本系统的交通控制评价Agent包括各路段车流量评价与平均每车等待时评价。在现实世界里,长时间堵车与红绿灯等待所造成的每辆汽车的等待实际上是不可忍耐的,因此城市交通的控制者希望通过根据路段的车流量状况,调节各路段的红绿灯信号以达到平均每车等待时间最优的效果。[4]
1.3系统虚拟现实场景的设计
本系统的虚拟现实模型主要是仿真现实城市交通的各种实体,使其形象地表现出城市交通的状况,使观察者有身临其境的感觉。按照系统的仿真需求,可分为静态场景设计和动态场景构建、视点控制设计。
1.3.1静态场景构建
为表现城市交通的实景情况,同时也作为动态类虚拟现实模型的运动参照物,系统需要一些模仿现实物体的虚拟现实模型来进行表现,例如天空、大地、公路、建筑物、树木等物体。这类物体在系统中并不需要产生坐标、颜色、角度的变化,只需要通过VRML语言构建其外形,因此被称为静态类虚拟现实模型。以下阐述几个主要静态模型的构建
(1)天空与大地模型的构建
作为虚拟现实的主要参照物,天空与大地模型的构建相当重要,在VRML语言中,Background{}语句用于构建天空与大地模型,sky Color []用于定义天空不同层次的颜色,sky Angle []用于定义天空弯曲的弧度、ground Color[]用于定义大地不同层次的颜色,ground Angle []用于定义大地弯曲的弧度。
(2)道路与建筑物模型的构建
道路是系统动态类模型运动时的主要参照物,为了表现车辆Agent在道路上行进的动态情况,需要构建城市道路的虚拟模型,同时虚拟道路的长度与宽度数据也是车辆Agent的java控制模型的主要参量。
1.3.2动态场景构建
动态场景是虚拟现实仿真系统的灵魂,其包括静态表现与运动表现两部分。动态场景的静态表现与静态场景一样,其参数在整体仿真系统中并不发生变化,可通过VRML语言构建其形状,例如机动车的颜色、大小、形状等等;动态场景的运动表现的参数随着时序发生一定规律的变化,在虚拟现实系统里,通过VRML与JAVA的接口,利用JAVA控制程序来控制其参数变化,例如机动车的位移、方向、速度;交通信号灯的颜色;交通流量评价器的数字变化等。
1.3.3视点控制设计
基于VRML的虚拟现实系统在展示空间信息时,通过在虚拟世界中的替身来模拟观察者,便于其以第一人身的视角观察与浏览虚拟场景。替身的眼部相当于一个取景器,取景地点与方向、取景范围以及景深都是可以设置的。因此设计者可以在虚拟世界里根据需要设置多个视点,以便系统每次载入文件时,浏览器自动地将观察者置于预定的视点上,观察者可以从该地点的方位观察场景。本系统将利用VRML的视点节点:Viewpoint,节点代码如下:
该视点名称为View1,在系统中点击View1便可使替身自动切换至该视点所处的位置(0,40,140),在java类控制函数里可以用到该项节点描述,jump域的值表明在视点位置变化时,浏览器是否将观察者视点跳转到新位置,该域值为False表示视点跳到新位置时需要经过时空转换,给观察者一个连续跳跃的过程。
2仿真系统在《道路交通管理》实训教学中的应用
Agent技术与虚拟现实技术并不是为教育量身定做的,在复杂的学习过程中,应以教育的视角去审视新技术的应用[5],因此要充分利用Agent技术的智能性与虚拟现实技术的沉浸性、交互性、构想性等特点从学习的本质出发,用学习理论指导基于Agent的虚拟现实系统在《道路交通管理》教学中的应用,开发了以下实践教学项目。
2.1技能强化型仿真实训项目
2.1.1静态控制设施识别仿真实训
学生通过仿真系统可直观地观察并识别城市道路交通系统中的静态控制设施,包括道路交通标志的颜色、形状、字符图案及设置方式;各类道路交通标线的特征;道路交通安全设施的种类与形状。
2.1.2动态控制设施识别仿真实训
学生通过仿真系统可以观察到交通信号灯的外观,以及识别各种信号灯的动态特征,以及机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯的特征。
学生在仿真系统中,通过肉眼反复识别与训练,真实环境的模拟中不断接受环境的刺激, 不断地尝试与错误, 最终达到由感性知识上升到理性认识的目的,而且比起真实环境,教学组织者并不需要付出过多的教学成本既可达到目的。[6]
2.2验证性仿真实验项目
2.2.1驾驶员交通心理与机动车跟驰仿真实验
现实生活中对驾驶员的交通心理与机动车跟驰现象的实验难以开展,而仿真系统则提供了验证实验的可能。学生可以通过调整仿真系统的特定驾驶人Agent的交通心理智能类函数Driver_Psy ( )以观察到驾驶人Agent在疲劳驾驶模式、正常驾驶模式、冲动驾驶模式的行驶状态,并实时观察到各种交通心理模式下的特定车辆Agent与其他车辆Agent在各类交通环境中的机动车跟驰现象。
2.2.2交叉口单点交通信号控制实验
针对单个有控制信号的交叉路口的控制实验,由于不同方向交通流之间相互冲突的风险,这在真实的城市交通系统中难以开展。在仿真系统中,学生可以通过修改调整信号机系统类函数Signal_Control( )的信号周期、绿信比等参数,观察验证交叉口单点交通信号控制规律以及对交通流控制的效果。
2.3综合设计性仿真实验项目——城市区域交通信号控制仿真实验
学生对驾驶人Agent、机动车Agent、交通信号灯Agent进行综合设计,自行设计仿真系统中驾驶人Agent的行车计划、交通心理类型、机动车Agent制动性能以及交通信号灯Agent的控制方案,在如此复杂的仿真实验环境下验证结果,实验步骤如下:
2.3.1仿真环境概述
仿真系统以重庆市高新区科园一路至四路交通路网为仿真对象,该路网有12个入口路段,实验设置为每个入口路段随机进入虚拟汽车,车流量设定为5 辆——20辆/分钟,车速设定为低于40公里/小时;
2.3.2虚拟现实世界的时间设置
本系统采用VRML97的虚拟世界时,在VRML97的虚拟时间设置中,可以根据实验者的需要任意调整虚拟时间与现实时间比,本次实验将虚拟世界的时间与现实世界的时间调整为10:1,也就是虚拟现实世界的10 秒相当于现实世界的1 秒,如此能够在短时间内观察到更多实验结果。
2.3.3实验方法
学生根据教材要求设定驾驶人Agent、机动车Agent、交通信号灯Agent的各类参数,通过设定不同的仿真时间,经过反复实验,获取输入车流量(辆)与平均每车等待时(虚拟现实秒)的数据。仿真时间分别设置为1500 秒、3000 秒、5000 秒、10000秒。由于在系统初始运行状态,车流量有一个调整的峰值,因此仿真时间较短的1500秒、3000秒需要反复实验多次,以稳定数据。
2.3.4实验的限定条件
本次实验共有12 个路口,6 个路段,180 辆虚拟汽车模型、相邻路口间距为100米、36个车流量传感器。红绿灯信号设置方式见下表:
根据上述条件进行实验得到以下数据:
为确保系统的精确性,系统内植入了验证程序,该验证程序能够进行机动车Agent碰撞检测,一旦发现仿真性错误将立即报警并输出erro结果,也可以通过肉眼监视虚拟汽车队列紊乱、碰撞等非法情况,根据实验结果输出来看,虚拟汽车碰撞度低于0.1%,系统比较精确地反映现实交通。
3结论
Agent技术与虚拟现实技术在教育中的运用效果是十分明显的,以《道路交通管理》为例,传统的教育模式中,学生只能通过教科书、图片、视频单向的、抽象的去理解各类道路交通管理设施与交通信号控制体系,即使走上街头的实际环境,也因为交通流冲突的风险无法完成验证性实验,而Agent技术与虚拟现实技术则提供了一种全新的具有沉浸性、交互性、想象性的仿真环境,以满足《道路交通管理》从初级到高级、从静态到动态、从专科到研究生的一系列实验实训需求,提供了一种全新的双向交互的教育学习形式,极大提高学生的学习积极性与效率。
参考文献
[1]徐晓慧唐洪.道路交通管理[M].北京:中国人民公安大学出版社,2014.
[2]Hong W C,Dong Y C,Zheng F F,et al.Fore-castingurbantraffic flow by SVR with continuous A-CO[J].Journal ofApplied Mathematics,2011.
[3]郏红雯,卢勇.交通心理学[M].北京:中国人民公安大学出版社,2010.
[4]Gunar Schorcht,Ulrich Freund,Horst Salzwedel,HaraldKeller.A Hierarchical Object-Oriented Global Traffic Modelfor Simulation of Mobile Satellite Communication Networks[J].IEEE,1997.288-292.
[5]鲍礼铭.基于虚拟现实技术在教育系统中的运用[J].电子测试,2015(6):130-132.
双系统共用虚拟内存 篇2
相关的Windows系统非常简单，比如Win98和WinMe，WinNT和Win2000，WinNT和WinXP只要将它们的路径设置成相同的即可。具体方法为：依次点击“开始→设置→控制面板→系统→性能→虚拟内存”，选中“用户自己指定虚拟内存设置”，将“硬盘”路径指定为空间大的分区如“C:2500MB可用”，并且将最大值和最小值设为相同即可。需要说明的是在第二个系统中设定时，最好删掉上一个系统的相同文件。
不相关的Windows系统共享的前提条件是：首先需要保证有相同的文件系统(Win9x/Me不识别NTFS分区)，其次这两个文件的大小必须设定一致，也就是说它们的最大值和最小值必须相同，最后这两个文件的位置应在同一个分区的同一个目录下。
我们可以有两种方法来共享虚拟内存文件：
1.共享WinNT的Pagefile.sys
启动Win98/Me系统，单击“开始→运行”，键入“systm.ini”，在[386enh]下做如下修改：“pagingDrive=c:pagefile.sys” (位置由自己设定)
“minpaging file size=x”(如果虚拟内存为192MB，则x=192×1024=196608，推荐设为物理内存的2.5倍)
接下来重新启动计算机，删掉“win386.swp”文件，不能删除表明设置失败，
2.共享Win98/Me的win386.swp
进入Win2000/XP，单击“开始→运行”，输入“regedit”，打开注册表，然后通过“查找”功能，查找关于“filepage.sys”的所有项，然后将所有的“filepage.sys”都更改为“win386.swp”。
相关键为：
[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet001ControlSessionManagerMemory Management]
[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet002ControlBackupRestoreFilesNotToBackup]
[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet002ControlSession ManagerMemory Management]
[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMControlSet003ControlBackupRestoreFilesNotToBackup]
[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlBackupRestoreFilesNotToBackup]
[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlSession ManagerMemory Management]
最后重新启动计算机，然后删掉“pagefile.sys”就可以了。
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虚拟交通系统 篇3
摘要：“一带一路”、中国高铁“走出去”等国家发展战略的实施，成渝西昆钻石经济圈、成渝经济区等区域发展战略的提出，以及智能型综合交通系统的构建要求交通运输专业人才具有较强的工程实践和科研创新能力。西南交通大学交通运输虚拟仿真实验教学平台建设以创新性工程应用与研究型交通运输专业人才培养为根本，立足科研成果转化、自主研发和产学研合作，整合优质虚拟实验教学资源，而优质实验教学资源的高度共享不仅能实现先进的实验教学理念、创新的实验教学方法、丰硕的实验教学改革成果等教学科研成果快速传播，而且为推动各区域各层次综合交通系统的建设奠定了良好的基础
中图分类号：F127； F512.3
文献标志码：A文章编号：1009-4474（2015）03-0021-06
发展紧密联系的地缘关系和加速经济发展的国际、国内需求，极大地推动着国际、区际和区内各层次综合交通系统的建设，这给交通运输专业的人才培养工作提出了新的和更高的要求。因此，应在深刻理解经济社会与交通运输行业发展新形势所提出的人才需求的基础上，充分利用先进的工程教育信息化技术，持续强化工程人才培养的实践动手能力和科研创新能力。而西南交通大学交通运输专业通过优势资源整合、工程应用与开发能力贯通培养为特色的交通运输虚拟仿真实验平台建设，为探索新形势下交通运输专业人才的培养奠定了良好的基础。
一、经济社会发展新形势对交通运输专业人才培养的需求
从经济社会发展的要求看，在国际层面，“一带一路”国家战略已获得了国际社会的广泛认可和积极参与，交通基础设施作为优先开展建设的领域，急需规划、设计、建设、管理和经营领域的大批高质量专业人才的支撑。以“中国创造”和高速铁路“走出去”为代表的高新技术在世界范围的快速推广，也要求交通运输专业人才具有较高的综合素质、扎实宽广的专业基础和较强的实践和创新能力。在区际层面，成渝西昆钻石经济圈的构建，既是对国家宏观规划的承接，也是西部各区域融合发展而形成新增长极的需要，这对西部交通基础设施的建设和运营管理必将产生巨大的推动作用，相应对人才培养的数量和质量也提出了具体要求。在区域层面，四川省建设综合交通枢纽的战略举措已取得了重大成果，成渝经济区和川南城市群的建设，提出了新一轮通道能力提升和路网结构优化的要求，对适应区域综合交通系统建设的交通运输专业人才的职业素养和专业能力也提出了较高要求。
从信息化技术在交通运输领域应用的要求看，智能型综合交通系统是完善交通基础设施、消除多方式壁垒、加强运输行业产业各环节协调配合的主要手段和发展趋势。智能型综合交通系统的构建涉及众多行业领域，由社会广泛参与，存在复杂的协调关系，需综合多学科领域的成果，由先进的交通信息系统、交通管理系统、公共交通系统、运行控制系统、运输组织系统、费用核算系统和紧急救援系统等组成。借助先进的信息技术和控制技术，以信息采集为基础，以智能控制为核心，以信息服务为导向构建智能型综合交通系统，正使得原有交通运输行业的技术装备和运营模式等发生较大的变化，因而更加强调交通运输专业人才对于现代高新技术的把握能力、系统集成能力、信息处理能力和综合管理能力。
从信息化技术在教育领域应用的要求看，云计算、移动学习、3D打印、虚拟现实以及远程实验等新技术快速发展，平板电脑、智能手机、可穿戴设备等新媒介运用普遍，学习分析、游戏和游戏化、开放教育资源等新概念的不断涌现，对传统的实验教学理念、模式、资源和手段提出了挑战。大规模开放网络课程（MOOC）的兴起，提倡将物理环境、数字化环境和虚拟世界有机结合，建立虚实结合、相互补充的虚拟仿真实验教学资源和环境，以实现信息技术与教育教学的深度融合。可以看出，基于信息技术和互联网络的全新教学方式、学习技术和自主学习环境的不断完善，有力地促进了交通运输领域实验教学的深刻变革，虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通讯等技术，构建逼真高效的实验操作环境，使得信息技术与交通运输领域实验教学的资源融合和平台建设成为可能。
二、交通运输虚拟仿真实验平台建设目标与思路
1.建设目标
以创新性工程应用与研究型交通运输专业人才培养为根本，立足科研成果转化、自主研发和产学研合作，整合优质虚拟实验教学资源，打造高水平实验教学和管理队伍，探索虚拟仿真实验教学保障机制和教学效果考核、评价、反馈机制，建成“大交通”特色鲜明、轨道交通优势突出、国内一流的交通运输虚拟仿真实验教学中心，实现优质实验教学资源的高度共享，为新形势下交通运输人才培养质量的持续提升提供坚实保障。
2.建设思路
首先，充分发挥全国排名第一的学科和国家重点专业、国家特色专业优势，以培养学生工程实践和创新能力为出发点，坚持“虚实结合、能实不虚、互为补充”的原则，按照“集人才培养、科学研究、学科建设、社会化服务等功能于一体，突出轨道交通优势，涵盖多种运输方式”的建设理念，建成高水平虚拟仿真实验教学中心。
其次，根据交通运输生产过程及作业环节的不同特征、实验要求和实验效果，明确网络虚拟仿真和虚实结合仿真的实验教学资源分类，建立科研成果向实验教学资源转化的激励机制，根据交通运输科学技术发展最新成果，不断优化、升级、扩充仿真实验教学资源。
再次，解析“跨时空、多环节、不可逆、高风险、大信息量”的交通运输生产过程及作业环节并进行原理抽象，应用现代信息技术，立足自主研发，构建高度仿真轨道交通、道路交通、交通运输安全、物流等系统作业组织与管理环节的实验教学平台。
最后，运用分布式资源存贮技术、应用虚拟化技术、流媒体处理技术、数据库技术等现代网络通信和共享技术，搭建具有扩展性、兼容性、前瞻性的虚拟仿真实验教学高效管理和共享平台。
三、交通运输虚拟仿真实验教学资源建设模式
交通运输系统是由固定设备子系统、移动设备子系统和运输组织与管理子系统构成的复杂大系统，具有生产过程连续性、作业环节跨时空、超区域等特点。运输组织与管理子系统正是通过对固定设备和移动设备子系统的合理运用与控制以及对生产作业环节的合理组织与优化实现交通运输系统的协调运转。随着现代网络信息与通信技术在交通运输行业的广泛应用，交通运输设备已经实现了虚拟仿真和远程控制，如铁路区间信号控制、车站接发列车进路排列与控制等；交通运输生产过程的组织优化也在生产计划的计算机编制及调整基础上，实现了人工辅助智能决策，如车站作业计划编制系统、车站调度指挥辅助决策系统、计算机编制列车运行图系统、列车调度集中系统等得到广泛应用。
而交通运输专业人才培养的能力标准要求学生掌握运输设备及其操作的基本原理与方法，掌握运输生产组织的基本技能并具备对系统管理与控制进行优化调整的综合能力。这就要求在交通运输实验手段方法及实验项目设置上，既要提供实体仿真或虚拟仿真运输设备及其控制原理的模型或计算机仿真系统、可重复操作且不受时空限制的生产作业环节虚拟仿真系统，又要求搭建高度仿真的多岗位、多工种、多环节生产现场实际的实验环境，提高对学生系统优化控制与调整的综合能力训练的效果。因此，依据交通运输系统结构特征、交通运输生产过程及作业环节特点、人才培养能力标准要求和实验效果需要，需确立网络虚拟仿真和虚实结合仿真的实验教学资源分类建设模式。
通过两类模式的实验教学资源建设，学生既能够利用虚拟仿真实验教学平台在网络虚拟仿真的实验环境中自由选择搭建实验项目，进行远程虚拟实验，也可以在虚实结合仿真的实验环境中进行综合技能和创新能力培养。
四、交通运输虚拟仿真实验教学资源整合
顺应新形势下交通运输专业人才培养在经济发展和信息化应用方面的要求，以“夯实基础、培养能力、突出创新、张扬个性、以学生工程实践能力和创新能力提高为核心”的实验教学理念为指导，根据交通运输专业人才实践与创新能力贯通式递进培养的要求，立足自主研发与科研成果转化，运用现代信息技术建设网络虚拟仿真和虚实结合仿真两类高水平实验教学资源。通过整合各类优势资源，形成“4+1+1”模块化优质实验教学资源群（见图1），实现对交通运输、交通工程、安全工程、物流工程、物流管理5个交通运输专业人才培养核心专业课程的全面覆盖，同时不断优化、升级、扩充虚拟仿真实验项目，丰富实验教学内容，实现学生综合设计、工程实践和创新能力的提升。
从图1可以看出，交通运输虚拟仿真实验教学平台具有扩展性、兼容性和前瞻性，表现出“大交通”的鲜明特色和轨道交通领域的突出优势，能够实现交通运输优质实验教学资源的高度共享。在资源整合过程中，针对运输生产系统的复杂性，运输作业过程多环节、跨区域、不可逆、涉及高危特殊环境等特点，通过解析实体模型、原理抽象、仿真建模，应用现代信息技术，建设了大型复杂远程控制实验系统、高水平软件系统、模拟仿真高危高成本实验系统、实体及实体模型实验系统等34个仿真实验教学系统。
其中，大型复杂远程控制实验系统包括分散自律调度集中仿真实验系统、高速铁路综合调度指挥仿真实验系统、编组站作业仿真实验系统、城市轨道交通调度指挥仿真实验系统、物流中心运作仿真实验系统等12个系统。其中，在“高速铁路调度指挥体系理论关键技术”科研成果转化基础上，由中心与广铁集团联合研发建成高速铁路综合调度指挥仿真实验系统（如图2所示），通过获取实际线路不同运行时间、不同线路区间的数据信息，仿真实现列车调度、计划管理、车站作业等岗位的运输生产过程，实现了高速铁路调度指挥多岗位、多工种、跨区域的协同作业的专业技能和团队合作能力的综合训练。
高水平软件系统包括计算机编制列车运行图实验系统（如图3所示）、交叉口仿真与虚拟设计实验系统、城市道路规划设计仿真实验系统、物流核心流程仿真实验系统、重大危险源区域定量风险评价系统等13个系统。其中，通过自主规划设计、软件引入及企业合作开发共建等方式建设的物流核心流程仿真实验系统，根据不同行业物流企业的情景数据，完成订单、采购、仓储、运输配送和报关等五项业务的不同组合实验，能有效地培养学生业务流程建模分析的能力、信息系统设计与开发的能力、多行业不同岗位物流主要业务管理能力。
模拟仿真高危高成本实验系统包括交通事故
再现仿真系统、交通行为安全仿真实验系统、高速铁路驾驶行为仿真系统等5个系统，可模拟高危和不可重复的真实环境。其中，自主开发建设的交通行为安全仿真实验系统采用运动模拟和视景仿真系统营造不同道路条件和不同气候条件下虚拟驾驶环境，采集驾驶员脑电波数据、眼球位置与运动、瞳孔大小数据、多道生理信号数据，分析驾驶员在不同环境下的驾驶行为特征，并评价道路设计安全性。
实体及实体模型实验系统包括交通运输基础设备系统、货物装载加固仿真实验系统、危险货物性质分析实验系统等4个系统。其中，危险货物性质分析实验系统利用实体分析设备可进行包括货物的爆炸、易燃、毒害、腐蚀、放射性等九类危险货物的性质鉴定与分类鉴别。
上述系统包括16个网络虚拟仿真资源和18个虚实结合仿真资源。在涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、大型综合训练等情况时，提供了可靠、安全的实验项目，丰富了实验教学内容，学生既能够利用虚拟仿真实验教学平台在网络虚拟仿真的实验环境中自由选择搭建实验项目，进行远程虚拟实验，也可以在虚实结合仿真的实验环境中培养综合技能和创新能力。
五、交通运输虚拟仿真实验教学平台构建
依托覆盖全校的稳定、高效、安全的校园网络环境，采用分布式资源存贮技术、应用虚拟化技术、流媒体处理技术、数据库技术等现代网络通信和共享技术，搭建“三系统、四功能、五层次”的具有开放性、互动性、前瞻性的虚拟仿真实验教学平台：三系统即信息化硬件支持系统、实验教学资源整合共享系统及远程虚拟仿真实验教学系统，四功能即公共信息管理功能、实验系统整合配置功能、实验教学资源管理共享功能及远程虚拟仿真实验功能，五层次即用户群层、网络层、管理共享层、资源群层和实验项目层。
虚拟仿真实验教学平台通过应用“软件即服务（SAAS）”、“平台即服务（PAAS）”、Cluster集群等信息技术，将仿真实验教学中心各实验教学资源整合、虚拟化并共享，实现了对虚拟仿真实验教学资源进行智能化、自动化及远程虚拟仿真实验教学的管理，将“有限的物理实验教学空间”拓展成为“无限的虚拟实验教学空间”，创新了虚实结合的实验教学模式，实现了多地、多校、多专业的实验教学资源整合和共享，形成了虚实结合、师生互动、自主学习的实验教学环境，增强了学生的实验兴趣，促进了学生工程实践与创新能力提升，人才培养效果显著。
六、交通运输虚拟仿真实验平台教学效果
交通运输虚拟仿真实验教学平台实现了优质实验教学资源网络共享，面向国内同类高校学生和交通运输与物流行业在职人员开放，满足了校内外多学科的虚拟仿真实验教学需求，能够全面提升交通运输与物流专业人才培养质量和行业在职人员业务水平。
1.教学资源网络虚拟共享效果突出
以分散自律调度集中实验系统、物流核心流程模拟实验系统等为代表的高水平仿真教学资源已面向校内其他专业等开放了多个实验项目。学生可以通过校园局域网访问中心虚拟仿真实验平台，进行自主实验，学生的工程实践能力和科研素质得到了显著提升。
通过整合校内土木工程学院的虚拟环境选线设计实验系统、电气工程学院的列车运行与牵引传动综合仿真平台等虚拟仿真实验教学资源，实现了校内实验教学资源高度共享。
面向中国铁路总公司高速铁路综合调度指挥技术人员培训，开放了高速铁路运营调度仿真与应急演练虚拟仿真实验系统。学员可远程登录中心虚拟仿真实验平台，进行高速铁路行车调度指挥、高速铁路接发列车、高速铁路列车调度应急演练等远程控制实训。
2.示范引领作用突出，推广应用成效显著
采取“网络虚拟仿真和虚实结合仿真”两种实验教学方式相结合，可以在时间、空间、过程、项目上全面向学生开放。学生能够充分自主的学习和掌握实验教学内容，受益学生包括全校交通运输类和电气工程、土木工程、车辆工程以及电子商务等23个专业的学生。
采用自主研发的软、硬件设备，援助西藏大学建成交通运输实验平台（综合调度指挥和机车驾驶模拟平台）和智能交通实验平台（交通仿真、交通管理与控制、交通环境等）。北京交通大学、同济大学、中南大学、东南大学、长安大学、大连交通大学、重庆交通大学、兰州交通大学、西华大学等全国20多所高校来我校交流学习交通运输虚拟仿真实验教学资源建设经验，部分高水平的实验系统在相关院校中得到了较好的推广和应用。
“计算机编制列车运行图系统”作为中国铁路总公司专用编图系统在全国所有铁路局得到推广应用，“大型客运站调度仿真实验系统”在成都、哈尔滨等大型客运站得到了推广应用，实验教学资源行业推广和应用成效显著。
3.社会化服务效果显著
近三年来，交通运输虚拟仿真实验平台为高速铁路调度指挥与运营管理、城市交通管理、交通安全、物流管理等培训高级管理人员和专门技术人才超过6000人次，已成为我国交通运输和物流领域特别是高速铁路运营管理人才培养的重要基地。该平台承担了中国铁路总公司高速客运专线综合调度指挥技术人员培训、中国铁路总公司所有路局运输处长、总调度长、调度中心主任等组成的运输安全高级干部培训；承担了成都铁路局CRH动车组客运培训班、成都铁路局职教干部高速铁路知识培训班、广铁集团青年科技拔尖人才培训班、广铁集团客运专线技术培训班、哈尔滨铁路局车务系统全部技术人员的培训、成都铁路局和昆明铁路局危险货物运输技术培训、四川省城市交通管理实用人才培训、贵州省城市交通管理实用人才培训等，社会化服务效果广受好评。
七、结论与展望
顺应新形势下交通运输专业人才培养对于工程实践和科研创新能力的要求，特别是针对交通运输领域大量需要高成本、高消耗的大型或综合性实验手段的教学活动情况，虚拟仿真实验教学具有明显的优势，是高等教育信息化建设的重要内容，体现出信息技术与交通运输专业教育教学融合发展，以及与交通运输学科专业深度融合带来的实验教学改革与创新。西南交通大学交通运输虚拟仿真实验教学平台建设的全面展开，必将推动信息技术、教育教学与产业发展的互相促进，也将强化实验教学平台的示范和引领作用，能够将先进的实验教学理念、创新的实验教学方法、丰硕的实验教学改革成果、优质的实验教学资源广为辐射，为推动各区域各层次综合交通系统的建设奠定良好的基础。参考文献：〔1〕
王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议〔J〕.实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.
虚拟交通系统 篇4
目前, 省级交通运输统计分析监测和投资计划管理信息系统 (以下简称省级统计和投资系统) 工程正在我国各省份分批推进, 该系统旨在实现省内交通运输行业统计和计划信息的在线报送, 确保统计和投资系统与部级系统的无缝衔接, 实现部、省、市、县四级信息传输与业务协同, 并实现重点业务领域运行动态监测。
省级统计和投资计划系统工程原则上采用省级集中的方式建设, 支撑系统运行的主机及存储系统将统一部署在省级机房。主机系统可采用的部署方式包括传统的物理主机部署方式和虚拟化部署方式。本文将针对两种上述两种系统部署方式进行分析和比较。
1 传统物理主机部署方式
传统的物理主机部署方式, 每台服务器设备通常只部署单一的系统, 为了保障应用系统的高可靠性, 通常还需配备至少1台冗余服务器, 以保证在有设备宕机的情况下, 其余服务器能够支撑系统稳定运行。随着硬件技术的飞速发展, 当前主流的服务器配置已经能够提供很高的计算性能, 这时单服务器单系统的部署模式便无法使服务器的优越性能得到充分发挥, 导致大量计算资源浪费。而将多个应用系统部署在同一台服务器上, 虽然能够提高硬件资源利用率, 但也会带来应用系统的安全问题和计算资源分配不均衡等问题。因此目前主流的物理主机系统会采用服务器集群技术, 将系统部署在多台服务器构建的集群上。
2 主机虚拟化部署方式
通过主机虚拟化技术, 可以在把一台物理服务器虚拟成多个逻辑独立的虚拟机, 这些虚拟机之间彼此相互独立、互不干扰, 可以在其之上安装不同的操作系统, 对于绝大多数运行在其上的应用系统也“感觉”不到虚拟机与物理服务器设备的差异。图1所示为单台服务器应用系统物理主机部署方式和主机虚拟化方式的示意图。
依托虚拟化技术, 可以在多台物理服务器之上构建虚拟化主机资源池, 将系统分别部署在不同的虚拟机上。同时可以采用服务器集群技术, 建立虚拟机集群, 提高系统部署的灵活性、保障系统的高可靠性。
3 省级统计和投资系统的主机系统配置方案
本文以某省级统计和投资系统工程为例介绍其主机系统配置方案, 该工程中, 需要建设交通运输统计信息管理系统、投资计划管理系统、行业运行动态监测系统、综合分析系统和统计信息共享服务系统六大应用系统, 并建立统计和投资系统管理数据库群, 为上述各应用系统提供数据支撑。因此, 该工程的主机系统建设需要满足上述数据库系统和应用系统的部署需求。
根据系统的应用功能、数据管理、以及系统安全的需求, 经过对系统性能的测算, 本文按照传统物理主机和主机虚拟化两种部署方式确定了两套主机系统建设方案如下。
3.1 物理主机方案
采用2台4路服务器构建双机热备的数据库集群环境。配置5台应用服务器, 其中2台集群部署统计系统和投资系统, 3台集群部署动态监测系统、综合分析系统和统计信息共享系统, 应用系统主机配置必须保证一定资源冗余, 保证在1台服务器设备宕机时, 剩余设备仍能够支撑系统正常运行。配置2台Web服务器作为反向代理服务器, 进行用户访问请求分发, 保障后端应用服务器负载均衡。根据系统安全需求配置2台服务器分别部署防病毒软件的管理节点和数字证书管理平台。其主机系统部署示意图如图2所示。
3.2 主机虚拟化方案
采用6台2路虚拟化服务器构建主机虚拟化资源池, 在虚拟机上采用集群方式部署数据库系统和应用系统, 并可将防病毒软件和数字证书管理软件部署在虚拟机上, 服务器的负载均衡可通过虚拟化平台的应用交付组件实现。另外需要配置虚拟化管理服务器, 用于虚拟化平台的管理工作, 为避免单点故障, 应配置2台服务器作为管理节点。通过虚拟化管理平台, 可以在有物理服务器宕机情况下, 将其上的虚拟机自动迁移到其他服务器上, 保障应系统的高可靠性。其主机系统部署示意图如图3所示。
两套方案的具体主机系统硬件设备配置对比如表1所示。
4 主机系统方案比选
通过上节中表1中的对比可知, 在工程建设和设备运行维护成本方面, 采用主机虚拟化方案, 能够明显减少服务器采购数量, 节省机房机位, 降低设备维护费用和运行动力消耗费用。虽然需要额外采购虚拟化平台软件, 但一次投资所建设的虚拟化资源池, 能够为后续新增信息系统所使用, 并能够基于此平台进行扩展。而采用物理主机方案, 未来每增加一个新的系统都需要增配相应的服务器设备, 服务器设备规模将会越来越庞大, 设备购置、管理和维护成本将直线增加。在系统运维和管理方面, 采用主机虚拟化方案, 系统部署后运维人员可根据系统运行情况和需求变化情况随时增减虚拟机数量, 使得部署更加灵活, 管理更加便捷, 有利于该单位交通信息化方面的长期发展。
5 结语
本文探讨了省级交通运输统计分析监测和投资计划管理信息系统工程中主机系统的部署模式, 经分析对比得出:与传统物理主机部署方式相比, 主机虚拟化技术在提高硬件资源利用率、加强动态负载均衡、提升部署灵活性和管理便利性、降低系统运维管理难度、以及节约能源等方面均更具优势。因此, 针对本文中所述信息系统, 主机虚拟化技术将是更优选择。随着交通运输行业信息化水平的不断发展, 虚拟化技术势必得到越来广泛的应用。
摘要：以某省交通运输统计分析监测和投资计划管理信息系统为例, 根据系统性能需求, 分别从物理主机和主机虚拟化两种技术路线出发, 阐述了两套可行的主机系统部署方案, 并对两套配置方案进行比选, 分析了虚拟化技术在该系统主机系统建设中的优势。
装备虚拟维修训练系统综述 篇5
关键词：装备维修；虚拟维修技术；虚拟维修训练系统
中图分类号：TP391.9
装备维修是装备保障的重要组成部分，是装备保持战斗力的关键。当前，装备呈现出集成化高、技术先进和价格昂贵等特点。传统的采用真人修真物的维修训练方法很容易造成装备的人为故障，并且受训人员和用于维修训练装备的数量比例差距也较大，因此这样的训练方法显然已不能满足当前装备维修训练的需要。因此，迫切需要从维修训练的方法和手段上进行创新，开发能够满足装备维修训练需求，符合当前实际的维修训练方法和手段。随着计算机技术的快速发展，基于虚拟维修技术的虚拟维修训练系统可以为我们提供很好的解决办法。虚拟维修训练系统能培养基层部队的装备自主维修训练能力，促进基层部队维修保障能力的快速形成。
1 虚拟维修技术
虚拟维修技术是以计算机技术和虚拟现实技术为基础，通过构建包含装备的虚拟维修场景，为受训人员提供一个虚拟的维修时空，使受训人员能够“修到”装备。这种方法突破了时空的限制，能够真实展现装备的结构和故障排除过程。虚拟维修技术通过模拟维修过程，能测算装备的维修时间、预估装备维修作业的空间、预计装备维修的费用，还能使受训人员熟悉所需维修工具、熟悉装备拆卸顺序。
2 虚拟维修训练系统
虚拟维修训练系统是利用虚拟维修技术创建的装备虚拟维修环境进行训练的系统。在该系统中受训人员能够沉浸在虚拟的环境中，通过外部交互设备对虚拟维修环境中的虚拟装备进行分解、结合和故障排除作业，并记录其维修训练的步骤，最后还能评估维修训练的效果。通过虚拟维修训练系统的模拟训练使受训人员了解装备的构造原理和掌握装备的维修技能，从而实现如同在实装上进行维修训练的效果。针对目前各型复杂武器装备，开发虚拟维修训练系统具有如下重要意义：（1）可以解决受训人员和用于维修训练装备的数量比例悬殊的矛盾；（2）可以排除人为造成的装备故障；（3）可以减少训练费用，缩短训练时间；（4）可以使部队提前形成装备维修能力；（5）可以对受训人员提供维修指导和维修效果反馈。
为达到装备维修训练的目的与要求，虚拟维修训练系统应满足以下要求：（1）尽量真实地反映维修环境和维修过程；（2）能模拟真实装备的功能；（3）能对受训人员作出的维修动作进行反馈；（4）能够指导维修过程；（5）能够优化维修过程；（6）能够对受训人员进行考核。
为达到上述要求，装备虚拟维修训练系统至少应由以下四个部分组成。（1）原理结构。在这个部分，受训人员能够通过视频、音频、文字等手段对装备的原理进行学习。另外该部分还能展示装备的外部结构和透视图；（2）拆装训练。该部分主要训练受训人员对装备分系统或者零部件的正确分解结合，这当中又可以细分为自动的分解结合、带有引导的分解结合和考核性的分解结合；（3）故障排除。该部分要能演示装备常见的故障现象，指导受训人员找到故障原因并排除故障；（4）评估考核。该部分能对受训人员的整个维修过程进行评估，能够记录受训人员的错误操作，并给出正确的指导，从而起到提高和考核受训人员的作用。
3 虚拟维修训练系统涉及的关键技术
3.1 三维模型构建技术。虚拟维修训练系统需要根据真实装备和环境构建三维模型，通过对三维模型进行初始化设置，从而搭建虚拟维修环境和虚拟维修场景，使受训人员能够在逼真的环境下完成维修训练过程。在虚拟维修训练系统中，一般需要维修的三维实体模型都是利用各种建模软件事先构建好的，为了在具体开发虚拟维修训练系统的开发环境中应用，需要将不同格式的三维模型进行格式转换，利用视景驱动软件中的插件导入不同格式的三维模型，从而完成场景构建。但是三维模型构建的精细程度和三维模型的渲染速度是一个矛盾，这就需要在构建三维模型时进行优化，既要保证模型的完整度和精细程度，又能兼顾虚拟场景中三维模型的渲染速度。
3.2 交互技术。虚拟维修环境中的交互任务主要包括目标模型的选择、操纵及控制。这些任务需要通过一定的交互设备来完成。最简单的交互设备就是键盘和鼠标，比如通过鼠标点击完成三维实体模型的选取、运动和释放等操作，通过键盘事件完成一些既定任务的快速演示等。受训人员能够通过交互技术获得虚拟维修训练系统的效果信息，而虚拟维修训练系统也能通过交互技术对维修人员的操作做出响应，完成动作。
3.3 碰撞检测技术。碰撞检测是任何虚拟维修训练系统都必须要解决的重要问题。要想使创建的虚拟环境尽量逼真，就必须要考虑某一零部件三维模型在虚拟场景中移动时与其他三维模型发生碰撞的情况。当碰撞发生时，三维模型之间不能发生互相穿透的现象，只能与真实情况一致，也就是发生碰撞的三维模型应另外选择路径。因此，在开发虚拟维修系统时，需要考虑到每一个可以移动的零部件三维模型的碰撞检测功能，从而使系统更加完善。
3.4 脚本封装技术。目前开发虚拟维修训练系统的软件很多，其中法国达索公司的Virtools是一个应用较为普遍的软件，在Virtools中对三维模型的控制和管理是通过编辑交互动作脚本来完成的。由于系统中零部件的动作有很多相似甚至相同之处，为了提高开发效率，通常我们希望将已编辑好的交互动作脚本能够移植到其他地方。而传统的脚本封装方式导入的新脚本后，很多参数及逻辑连线会出现缺失现象。但是为了保证封装脚本功能一致，我们不得不重新检查涉及的所有行为控制模块组、连线和參数，以恢复脚本模块功能。如果很多个交互控制脚本都需要做这样的修改工作，将会大大降低系统的开发效率。究其原因，变量的快捷方式、行为逻辑连线及参数缺失是由于参数未保存至脚本行为图中所致，因此，封装脚本不但需要构建行为图，还要对行为图做封装处理，也就是对其参数进行封装处理。为了保证行为图中的所有行为控制模块始终有参数指向，保存过程中不会出现缺失现象，应该将参数封装到行为图上，而具体参数的设置封装至行为图的外部，其初始化工作在行为图外部完成，即行为图内部参数只需连接到行为图的参数输入端，不需要设置具体参数，进而完成行为图的封装。这样的封装方式大大提高了虚拟维修训练系统的开发效率。
4 结束语
基于虚拟维修技术开发的虚拟维修训练系统，能生动、形象、直观地展示装备的原理、结构、分解结合步骤和故障排除过程，并能指导维修人员进行训练，使受训人员能够达到在实装上进行维修训练的效果，这是今后装备维修训练发展的趋势。
参考文献：
[1]周栋，霍琳，王美慧.虚拟维修技术研究与应用[J].北京航空航天大学学报，2011（37）：231-236.
[2]谭继帅，郝建平，王松山.装备虚拟维修训练研究与发展综述[J].兵工自动化，2007（26）：105-109.
[3]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术[M].北京：国防工业出版社，2008.
虚拟交通系统 篇6
随着中国经济的快速发展, 城市交通矛盾也越来越突出, 给经济的发展造成了一定的影响。因此, 当前从国家层面以及各级地方政府和交通部门都在研究对应的措施和策略, 用于缓解日趋拥挤的城市道路。如何对道路中的车辆类别分析, 也成为研究的热点。
到目前为止, 已经通过红外线、物理线圈和雷达感应等方式对道路车辆进行统计。借助于这些传统的方法, 原理简单, 但存在着实现硬件复杂, 破坏道路, 以及环境适应效果差, 硬件稳定性差等特点, 难以适应当前的发展需要。
为了解决这些问题, 进入21世纪以来, 视频技术的普遍使用, 以及计算机图像处理技术的快速发展。用运动检测技术[1]对车型进行分类识别的研究, 现已取得了一些成果。本文提出了一种通过将图像处理技术和虚拟线圈相结合, 从而获取车辆轮廓大小, 然后通过轮廓面积与虚拟线圈面积计算面积比的方法。
2 虚拟线圈技术原理
所谓虚拟线圈[2]技术是一种视频技术, 与实际的物理线圈是一个相对的概念, 主要是在视频窗口中设定一个一定范围大小的区域与车道中的指定区域对应, 本质是让通过道路的车辆能在该检测区域通过的视频检测技术。虚拟线圈如同视频序列中的一个窗口, 这个窗口可以是整个图像区域, 也可以是某个局部区域范围, 长和宽可以自行设置和调整。虚拟线圈最终实现的目的还是检测车辆, 与传统的物理方法一样。但是在具体的实现方法上差异非常大, 其一实现的原理上:传统方法用物理检测线圈来检测通过压力、磁感应等方式检测是否有车辆的重量带来的物理信号;虚拟线圈则使用视频技术利用数字图像处理来分析目标区域的对象特征。其二在安装上:传统方法施工复杂, 影响正常交通;虚拟线圈技术施工简单, 不影响正常地交通通行。因此, 虚拟线圈完全具备良好工作的题条件和基础, 应用于交通车辆的分类统计中。
3 车辆分类统计
利用虚拟线圈技术进行车型分类的方法包含三个重要环节:一图像的预处理, 包含建立图像背景, 标定虚拟线圈;二提取车辆轮廓;三利用面积占比分类计算。
3.1 建立自适应背景模型
(1) 图像预处理, 首先将图像灰度化, 进行降噪处理。
(2) 背景减法就是前景的图像减背景图像, 根据设定的阈值, 再求绝对值。背景图像的选择非常关键, 在摄像机对应的位置, 没有车辆目标的时候, 拍摄一张图像作为背景图像。
(3) 我们有了背景图像, 需要考虑背景里的干扰因素, 因为这些干扰因素会直接影响图像目标的识别效率。影响我们识别的虚拟线圈区域的车辆目标的因子有:光照的因素, 光的强弱直接会在虚拟线圈里体现出来, 光照会产生影子就会让识别算法误认为是车辆目标信息;遮挡的因素, 大车挡住小车, 会产生小车区域识别不完整, 导致识别错误;非机动车的因素, 非机动车进入机动车道, 也会误认为是有效目标, 导致错误计算。
(4) 为了突出目标的轮廓边缘, 需要增强图像, 我们采用了Canny算子增强图像的轮廓, 使轮廓边缘明确。最后通过Hough变换在垂直和水平方向提取轮廓, 求一个闭合的区间。
3.2 标定虚拟线圈
架设在道路上的CCD位置确定之后, 可以在CCD拍摄的区域内设置一个合适的区域。CCD的镜头安装高度与位置根道路有一定的角度, 这个区域范围与车辆在镜头中的成像相比要大得多。因而需要在拍摄的范围内, 在车道的区域, 选择划定一个合适的有效区域, 作为车辆通过检测的有效位置。这个区域一般设置在镜头范围的中间, 选取一个矩形的区域。这个虚拟线圈的宽度是规定的参数, 车道宽度范围可确定, 高度需要作一定的估计分析, 设定, 一般为宽度的四分之一长度。
3.3 提取车辆轮廓
由经过虚拟线圈的车辆视频序列, 用数字图像处理的方法来检测车辆的轮廓, 以下是车辆轮廓获取的步骤方法。
(1) 拍摄的虚拟线圈内的照片, 先图像灰度化;
(2) 图像灰度化, 还保留了256级的灰度, 需要进行图像二值化;
(3) 为了对图像的一些细节进行恢复, 用直方图均衡化算法增强图像边缘;
(4) 以上都是图像降噪增强的过程;
(5) 经过上述处理的图像与原先的背景图像做差分处理, 分离出前景目标对象;
(6) 用金字塔[3]分割方法分割出前景图像;
(7) 通过形态学的开闭方法提取出车辆轮廓。
3.4 面积占比进行车型分类
根据提取的车辆轮廓, 设定虚拟线圈的宽度W, 高度是H, 面积为W*H。车辆轮廓的宽度是W1, 高度是H1, 则面积为W1*H1。面积占比的系数为a, a系数做如下划分:a=0, 无效的分割;a>0且a<0.5小型车辆;a>0.5且a<1大型车辆。因为虚拟线圈的长和宽是确定的参数, 分割出的车辆长和宽也是确定的, 因而计算面积占比就变得简单方便。
利用面积占比计算, 主要是这个占比系数确定的问题。因为设置的虚拟线圈长和宽确定, 车道中分割出的车辆长和宽的比例是个不确定因素。按照我们现在的车辆划分, 大客车的面积最大, 中等客车第二, 小客车面积最小。这是大的划分, 大客车还根据车型大小略有变化, 包括中等客车也有这样的情况。最终在用面积占比进行分类时, 还需要叠加一个比例值, 由镜头与车道的距离决定。为了能够保证对车辆类别较为明确的划分, 需要将a这个系数作更详细的规定, a=0无效的分割;a>0且a<0.2为小型车里的紧凑型车;a>02且<0.5为一般小型车;a>=0.5且a<0.6为商务车;a>=0.6且a<0.8为中等面包车;a>=0.8且a<1为大型车辆。实际应用中, 还需要根据车道线, 光照影响等作一些调整。
4结论
总之, 车道中的不同车型的分类研究对于当前城市交通的发展有着非常重大的影响, 本文用面积占比的算法进行了详细阐述与研究, 通过标定的虚拟线圈, 在设定的目标位置上有车辆通过后, 能够有效提取车辆轮廓大小, 然后使用面积占比计算进行分类统计。
应用这种方法原理直观简单, 能够将各种车型非常精确的计算分类出来。
因此, 在未来城市车辆类型分析中, 使用和推广虚拟线圈技术非常重要, 需要我们重点关注。
参考文献
[1]张星明.视频图像捕获及运动检测技术的实现[J].计算机工程, 2002 (8)
[2]张宁, 施毅, 何铁军.基于虚拟线圈的车型识别研究[J].交通与计算机, 2014 (2)
虚拟交通系统 篇7
利用汽车驾驶模拟器呈现实际道路交通环境中易发的危险交通情景,使用汽车驾驶模拟器对驾驶人进行培训,通过模拟危险的交通环境,让驾驶人体验不安全的驾驶行为可能引发的后果,通过这种信息刺激的方法来提高驾驶人安全驾驶技能和安全意识水平,能够有效的减少在道路通行过程中由于人的因素而造成的交通事故。本研究通过对2000～2010年[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]的道路交通事故数据进行统计分析,提取危险特征并设计典型的交通情景,实现视景后利用汽车驾驶模拟器与被培训的驾驶人的交互,通过设定虚拟交通环境和动态交通场景,在保证驾驶人的人身安全的前提下,让驾驶人感受不谨慎驾驶可能带来的危险后果,提高其安全意识水平和驾驶操作技能。
1 动态交通场景的特征提取与分析
动态交通场景是由交通环境中的交通行为引发,没有动态交通场景的虚拟情景不会对驾驶行为形成干扰,缺乏真实性,达不到提高驾驶人安全意识的目的。动态场景指交通系统中所有动态的交通活动,主要指机动车以及其他道路使用者的运动对交通安全的影响。而道路交通环境是1个由人、车、路和环境组成的系统,要提取动态交通场景的特征必须从人、车、路以及事故形态等几个方面对其进行分析研究。
公路和城市道路是交通事故发生的主要地点,根据道路交通事故数据统计结果,全国发生的交通事故中,58%发生在公路上,42%发生在城市道路上[1]。按照道路等级和道路类型的不同,分别统计公路和城市道路中的交通事故发生地点,分析发现二级、三级公路以及一般城市道路发生的事故起数最多,此外在一级、四级公路和城市快速路上也发生较多的道路交通事故。
同时,由于大约90%道路交通事故是由驾驶人违规行为造成的[12,13],因此有必要对驾驶人的违规形式进行统计分析。对机动车司机不同违规行为造成的事故死亡人数进行统计发现超速行驶、未按规定让行以及无证驾驶引发的死亡人数最多。统计分析机动车在不同行驶状态下的事故起数不考虑直行情况下,机动车在左转弯的时候发生的事故起数最多,其次是右转弯,另外在变更车道的时候也比较容易引发交通事故[14]。可见车辆在进行转向运动的过程中最容易引发事故。
最后,事故形态是事故发生前引发事故的车辆或行人等运动趋势的结果,它可以作为事故致因分析研究以及事故责任的划分依据。通过对道路交通事故形态的统计分析,可以提取典型常见的事故动态特征,也为典型交通情景的设计提供依据。根据对2000～2010年不同道路交通事故形态事故量的统计分析发现,事故量最多的事故形态是车辆之间侧面相撞,其次是正面相撞和尾随相撞,而车辆与行人之间的碰撞也较多,发生刮擦行人的事故量仅次于车辆之间的追尾,可见道路交通事故主要为机动车与机动车之间的碰撞,其次为机动车与行人之间的碰撞。
根据近年来道路交通事故的事故形态、不同道路类型的事故统计等的分析结果,发现车辆影响安全的主要性能是制动,车辆在转弯换道的时候最容易引发交通事故,且机动车驾驶人的违规行为主要为超速和未减速让行,可见车速过快是威胁交通安全的主要原因,而合理制动和控制车速是驾驶人必须遵守的行车准则。道路交通的事故形态主要为车辆之间的碰撞(包括正面相撞、侧面相撞和尾随相撞)以及刮擦行人。具体动态特征见表1。
2 动态交通场景的设计
本文结合典型交通情景的静态环境和动态场景设计,对“机动车-行人冲突” 这种类型的动态场景设计1个典型的例子。由于城市场景较为复杂,场景冲突种类和数量较多,并且城市道路可以更丰富地包含危险静态特征提取的结果,因此本研究典型交通静态环境以城市道路场景为例。在城市道路环境中布置可能发生的动态场景,这些场景所在的静态环境也需要相应的设计。下面以发生在城市道路场景中的1种类型的动态场景为例进行说明。
机动车和行人的冲突一般发生在行人过街时,城市公交站台处的上下车乘客过街是城市道路环境中常见的现象,假设有行人从公交站台前方的人行横道上行走,而公交站台有停靠的公交车,则主车驾驶人在行驶中需要减速注意,避免由于公交车的遮挡,而在行驶中与突然出现在视线中的行人相撞。具体情况见图1。该场景中对应静态交通环境为双向四车道城市次干道,路侧设有公交站台,公交站台前方有供行人过街的人行横道,公交站台有到站停靠的公交车。各道路设计参数以及相关交通设施参考相关规范。
动态交通场景为行人过街场景。通过主车的行驶路径和行人在人行横道上过街时横穿马路的轨迹,确定预计冲突点。当驾驶人驾驶主车行驶至距冲突点距离X满足触发条件时,行人开始过街,当行人行走经过公交车以后发现主车朝他行驶,犹豫以后加快速度过街。如果驾驶人没有注意道路环境放慢速度,并在发现行人以后及时采取制动,则主车极有可能与行人发生严重冲突甚至碰撞,即主车制动停止以后与行人的距离小于安全距离S0,或者车辆与行人碰撞发生事故。
这个场景的触发条件为,当主车距离冲突点距离X满足式(1)。行人过街,到达冲突点的时间为:
式中:v人1为行人初始过街速度; v人2为行人犹豫以后过街的速度;L1为行人开始过街到行人驻足犹豫期间行走的距离,本场景中定义为行人出发点与公交车左前角之间的距离;t0为行人发现主车以后犹豫过街的犹豫时间;L为行人过街出发点到冲突点之间的距离。
这里参数t0、v人1、 v人2和L1都是可以灵活设置,不同的组合可以展现出行人的不同运动状态,但前提是需要与真实情况相符。并且根据动态场景的第2条假设前提条件,这个时间与主车制动场景相等,因此在设置参数的时候需要满足前提条件T=t1+t2+t3+t4,其中t1为司机反应时间,约为0.6～0.8 s;t2为制动系统延迟时间,气压约为0.2～0.5 s,液压0.03～0.05 s;t3为制动系统压力升高时间,气压约为0.4～1 s,液压约为0.15～0.2 s;t4为车轮抱死滑动滑动经过的时间。 结合国内外相关研究结果,经过程序中的不断尝试和修改,确定行人过街动态场景中的参数取值分别为v人1为4 km/h;v人2为7 km/h;L1为3 m;L为15 m。由于行人的行走速度较低,行人在距机动车相对较大距离内是安全的,本场景中行人的安全距离选取为2 m。
3 动态交通场景的实现
3.1 动态交通场景算法设计
将有限状态机的思想用于动态交通场景的实现,交通场景中的每1个冲突对象作为1个状态机,设置状态条件,一旦满足某个条件则转换到该条件对应的状态上。以行人过街的动态场景为例,行人作为动态场景中与主车冲突的对象,其动作直接影响场景的效果。使用有限状态机对行人的动作分解为多个状态,每个状态对应不同的状态条件,通过条件的转换,状态之间切换连贯起来就形成行人过街的整个动作。
将行人过街的动作分解为“沿人行道行走”、“行走过街”、“驻足犹豫”、“奔跑过街”、4个状态,见图2。
该场景过程是:
1) 行人在街边以v1=4 km/h的速度行走,但是被公交站台停靠的公交车辆遮挡,主车驾驶人可能看不见街边行人。
2) 当主车行驶过来,根据主车的即时行驶速度v车,计算主车距预计冲突点的距离X满足触发条件X=S+2 m时,行人状态改变为以v2=7 km/h的速度步行匀速直线过街。
3) 当行人经过路边停靠公交车前方时,即行人的位置在公交车的左前方时,发现主车行驶过来,在街边驻足犹豫是否过街。
4) 当行人犹豫时间达到1 s以后,决定强行过街,行人的状态改为以v2=7 km/h的速度向街对面奔跑。
5) 当行人到达街道对面,完成过街的动作以后,行人的状态恢复到以v1=4 km/h的速度沿人行道行走。
该场景的状态变换表可以清楚反映状态之间的切换关系,见表2。
根据表2的状态和变换状态的条件,可以实现行人过街的动态场景。在这些动态交通场景中,每个与主车相冲突的对象利用有限状态机的原理进行状态划分,根据状态变换条件来确定不同情况下的状态,最终形成冲突对象的连贯运动。利用Lua动态脚本语言来设定动态交通情景,脚本被模拟器主程序加载以后在驾驶模拟器中呈现。
在利用脚本语言实现动态场景之前,需要首先分析脚本格式与模拟器软件进行交互的信息。对脚本中的对象模块内容进行需求分析,该模块主要负责对象的定义以及对象初始状态等相关参数的设置,而脚本中对象的运动状态和视景呈现,都是需要借助模拟器软件实现的。因此脚本中定义的对象需要能被模拟器软件识别,而目前开发的模拟器软件中已经具备了完整的对象类定义、对象属性和操作行为的接口,因此脚本中对象的部分属性设置,可以通过访问模拟器软件相关接口来实现。
在模拟器中开放好接口后,Lua中就可以直接利用这些接口来进行动态情景的表述[14]。对象运动的函数以及相关参数的调用需要通过对象来获取,而在模拟器中相关接口已经开放了这些对象的接口,所以只需要在脚本中添加函数来获取模拟器中对象。对虚拟交通场景中的运动对象进行定义如下。
完成脚本语言的定义以后,模拟器软件需要对脚本进行加载才能完成动态情景的视景呈现。
3.2 动态交通场景实现的结果
通过对交通静态环境中道路、道路交通工程设施、周边环境等模型的制作和渲染,通过有限状态机的原理对交通动态场景的描述和Lua脚本语言的表达,完成典型动态交通场景在驾驶模拟器中的呈现。“机动车-行人冲突”动态交通场景实现以后效果见图3。通过实验测试发现该动态交通场景能够有效的模拟出驾驶过程中对驾驶行为形成干扰的交通场景,互动效果良好并且能够让驾驶员在模拟驾驶过程中产生类似于实际驾驶的感受,能够达到提高驾驶人安全意识的目的。
4 结束语
驾驶人是影响道路交通安全的主要原因,为了减少和预防道路交通事故的发生,提高驾驶人的安全意识水平有着重要意义。由于驾驶人在真实的交通环境中体验危险无法保障人身安全,所以使用汽车驾驶模拟器模拟危险的交通环境,使驾驶人在虚拟的交通情景中体验由于大意、违规驾车带来的危害,通过对驾驶人的安全意识培训,可以有效提高驾驶人的安全意识水平。笔者通过对2000-2010年的道路交通事故数据进行统计分析,分别从人、车、路、环境以及事故形态进行统计分析,选取对道路安全影响最大的因素。将这些因素进行提取总结,并且以公交站台行人过街为例进行了动态场景的设计并实现。为提高驾驶员行车安全、减少交通事故提供技术支持。
虚拟交通系统 篇8
伴随我国现代化建设进入工业化、信息化、国际化的新阶段,我国高职教育提出“培养高素质技能型的专门人才”的新要求,即高职教育的培养目标要“培养生产、管理、服务、建设的高素质技术技能型人才”。技术技能型人才是具有一定技术应用能力的高技能人才,这对高校教学提出了更高要求,强调在学校里也能真刀真枪地进行技能训练,校内就要进行生产实训教学。
1 实训教学问题与虚拟实训优势
高校实训基地是在高等职业技术教育中配合理论教学而设置的为学生提供实践教学、保证学生掌握一定职业技能、培养职业素质的一系列要素的统一体。高职实训基地是学生就业之前了解企业、体验岗位的重要窗口,其工作目标决定了它应当具有学校教学和企业运营的双重属性。但是目前校内实训面临着诸多问题问题,例如建设定位不准,目标不明确;实训指导教师相对薄弱;实训教材建设相对落后等;其中实训基地建设投入不足;专业实训教学所需的“高、精、尖”教学仪器设备匮乏;实训场地不足、生产性环境和企业氛围缺乏等方面,严重滞后于现代企业和用人单位的发展要求。当前,越来越多的高校认识到单纯依靠资金投入解决不了教学日益增长的实训需求,虚拟技术在实训教学中的优势越发凸显,在实训教学中虚拟技术具有如下特点:(1)虚拟构建实训环境方便、易用,降低了教育成本;(2)教学效果明显,吸引学生主动学习;(3)可构建在校园内无法建设的实训室;(4)可实现情境式教学、互动式教学、协同工作式教学;(5)虚拟实训让学生学习与就业市场结合更为紧密,可时时更新换代。
利用虚拟现实技术进行城市地面轨道结构施工技术的虚拟实训开发研究,由于其“设备”与“部件”是虚拟的,可以根据需要生成新的设备,最大程度降低购置昂贵的轨道交通实训设备、设施。教学内容也可以不断更新,使实践训练及时跟上技术的发展。同时,虚拟现实的交互性,使学生沉浸在“真实的”虚拟环境中,与虚拟环境进行各种交互作用,从定性和定量综合集成的环境中得到感性和理性认识,从而可以深化概念,萌发新意,产生认识上飞跃。这有利于学生的技能训练,学生可以反复练习、认知轨道结构地面施工工艺,直至掌握地面轨道结构施工专业知识和施工工序为止。可以大大节省实训的资金与培训教师人员的投入,解决实训投入大、场地有限等不利因素。
2 城市轨道交通工程实训虚拟开发
在城市地面轨道结构施工技术的虚拟实训开发研究中,采用三维建模软件Cinema 4D,将轨道结构构件建立虚拟模型,按FBX格式保存,通过uvw贴图手段对模型进行渲染。Cinema 4D软件具有强大的3D建模功能,软件运行稳定,有良好兼容性,包含建模、动画、渲染、角色、粒子等模块,它是一款功能强大的三维图像设计工具。经过修饰渲染的模型通过导入Unity 3D,进行场景的虚拟。Unity软件是一款轻松创作的多平台的动画开发工具,主要特点是开发简单,易上手;开发周期相对较短、生成效果好。Unity 3D的特性包括整合的编辑器、跨平台发布、地形编辑、着色器,脚本,网络,物理,版本控制等特性。本虚拟开发研究利用Unity 3D软件实现3D模型的导入,编辑场景动画,模拟机械设备、操作员等。最后利用Java 3D软件编制对虚拟设备、操作员的控制,编译生成可执行性文件。Java3D是Java语言在三维图形领域的扩展,利用其提供的API,可以编写出基于网页的三维动画、各种计算机辅助教学软件和三维游戏等等。Java 3D对场景有很强的动态控制能力,易于同模型数据库集成,便于在网络上传输和屏幕上浏览,具有不需要安装插件的优点。在本虚拟开发过程中需要的3D模型(轨道结构构件、地面轨道施工工艺等)首先用Cinema 4D来构建,通过Java 3D技术对其进行可视化的操作。虚拟开发模块如图1所示。
虚拟实训项目开发的优劣主要体现在对真实实训场景的再现和对真实实训的加强和补充。学生参与实验的目不仅仅是对实验设备操作的熟悉掌握,同时也可以加强结构或构件的各类性能的感知,要求虚拟实不仅要满足虚拟现实的特征要求,同时也要反映现实工艺的工序和技术要求。在轨道结构模块中,虚拟现实程序功能主要是实现建立虚拟构件模型,响应用户的操作,对轨道结构(钢轨、轨枕、道床、道岔等)进行实时的360°三维显示,同时对结构主要参数或技术要点配以文字介绍。对城市轨道各构件的虚拟开发主要包括钢轨、轨枕、扣件、道岔、道床的三维可交互式虚拟,以及可以人机互动的地面轨道结构施工技术的虚拟开发。
3 结论
虚拟技术优越的实时性、强大的交互性、超强的沉浸感都可以逼真反应现实事物。城市轨道交通专业可以通过虚拟技术将学生实训带入生产实际氛围,既可以满足不断发展的企业人才标准、符合高校教学需求,同时节省教育经费、重复利用,甚至根据需要继续开发、扩展功能,虚拟技术是解决高校实训难题的很好解决方案。
摘要：总结目前高职院校实训教学存在的问题,阐述了虚拟技术的优势,将虚拟现实技术与城市轨道交通工程结合,提供基于虚拟技术的虚拟城市地面轨道交通工程方法,对高校实训教学有借鉴意义。
关键词：虚拟,仿真,轨道交通
参考文献
[1]张璇.虚拟现实技术在实验教学中应用的探讨[J].邢台职业技术学院学报,2009,26,(3):6-8.
[2]汪德江,叶志明.结构工程虚拟实验室的开发探索[J].力学与实践,2004,26:78-79.
电路虚拟实验系统 篇9
1 系统结构
系统就各单元内容分别设计若干典型的实验题目,并提供一个开放的实验平台,也可以进行其他相关的一些实验。其结构包括5个部分:实验准备、实验原理、实验步骤、仿真实验平台和实验报告,如图1所示。其中,“实验准备”充分利用多媒体技术介绍与实验相关的知识,例如,基本原理、注意事项以及实验中所用到的相关仪器的功能及使用方法等;“实验原理”详细介绍该实验的电路连接和工作原理等;“实验步骤”包括实验内容及实验操作的具体步骤;“仿真实验平台”就是一个虚拟的实验系统,虚拟了一个逼真的实验环境,元件及仪器都是以实物形式重现的;“实验报告”能自动记录实验过程,绘制各种图表,并对结果进行分析,最终生成实验报告。
2 系统构建
系统首先建立相应的虚拟模型,然后按照一定的规律用计算机程序语言模拟实际运行状况,并根据大量模拟结果对系统或过程进行分析,重点是利用一定的工具实现模拟实验环境,大大增加实验的自由度和灵活性。
2.1 实验仿真脚本的建立
系统的脚本决定了实验内容和完成实验的大概模样。与传统实验一样,虚拟实验系统在设置实验时首先解决该实验是“做什么”的问题。这就要求教学人员不仅要对课程内容和教学任务做系统深入的研究,掌握课程的特点,划分知识点,并充分考虑学生的学习特点,在此基础上确定实验内容。除了考虑实验的主题外,还必须尽可能利用多媒体效果提高实验的活泼性和趣味性,使学生在愉悦的气氛中掌握知识。脚本规划如下:
(1) 提取知识点,分析各点之间的联系,并建立相应的模型;
(2) 确定界面的形式;
(3) 确定程序系统。
2.2 虚拟模型的建立
系统采用面向对象的方式建模。以直、交流电路实验为例,面向对象的建模一般从以下4个方面对系统进行描述。
(1) 系统的组成部分。
他是构成系统的实体,包括:物理对象:实验电路以及各种测量仪器等;数学对象:产生实验结果的数据集、电路功能分析;人机界面对象:虚拟实验平台、显示结果的电压、电流及波形。
(2) 描述变量。
他是系统各实体的属性,例如,实验电路各组成部分的电气性能描述及其取值范围。
(3) 参数。
他也是系统属性,不过这种属性不随仿真的进行而发生变化,包括取值范围、符号及其作用,例如:反映实验结果的电压、电流等。
(4) 相互关系。
相互关系规定各种不同变量间是如何相互关联的,用数学或逻辑语言来描述。可通过传递消息建立,反映若干对象之间的动态协作关系。
2.3 实验平台
实验平台的操作是用编程来实现的,包括各种颜色导线的连接、元件的取放和插拔、开关和按钮的操作等。可根据不同的实验内容和要求,使用系统提供的各种元件、芯片和仪器仪表等,任意搭接连线。大多数电路都可在其上完成。实验结果和现象利用“虚拟仪器”,如万用表、示波器等进行检测和观察,实验操作及过程与实际的感受几乎相同。
2.4 系统的特点
虚拟实验系统实现了两个目的:一是利用多媒体技术最大限度地虚拟实际实验的场景,包括实验仪器、元器件等,并提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验;二是运用仿真技术建立相应的模型,能准确地给出任意搭接电路的现象和结果。系统具有如下优点:
(1) 在一台多媒体计算机上即可完成电路的电气连接及电气性能的检测,例如,显示检测点的电压、电流波形,即时获得实验结果;
(2) 评估元器件参数变化(包括故障) 对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性,如噪声、频谱、温漂等;
(3) 可以在有限的实验课时里快速完成较复杂的电路连接、测试工作;
(4) 易实现对学生实验情况的量化评估。
2.5 举例:虚拟实验仿真的步骤
一般电路的频域综合设计的完整过程是:网络函数的逼近,电路的综合实现和频响特性的分析等三部分内容。对一个复杂的网络来说,这三个内容都涉及大量而繁杂的数据计算。人工手算方法实际上对此无能为力,而且容易出错,因此只能借助电子计算机这个现代手段。计算机辅助实现是利用虚拟测量仪器、实时交互控制元件和多种受控信号源模型,除了可以给出以数值和曲线表示的分析结果外,还可以用类似于真实实验室工作台的环境和交互操作方法,由使用者控制分析过程,随时改变电路参数,用虚拟仪器实时监测显示电路的变量值和波形。虚拟实验仿真的步骤为:
(1) 输入原理图,即在工作区放置元件的原理图符号,联接导线,设置元件参数;
(2) 放置和联接测量仪器,设置测量仪器参数;
(3) 启动仿真开关,在仪器上读取仿真结果
3 应用举例
3.1 直流电路的仿真
图2所示为一直流电路原理图,若要求其中各支路的电流和电压,则可根据电路原理图,按照仿真步骤,即可在电流表和电压表上读取支路电流和支路电压数值,如图3所示。结果分析显示如图4所示。
3.2 正弦交流电路的仿真
对于交流电路,求取结点电压和支路电流的有效值时,和直流电路一样,可以将电流表串入支路中,将电压表与需测电压的部分并联,只是电流表和电压表要设置为交流,启动仿真开关后,即可从表计上读取电流和电压数值。图5所示为交流移相电路,通过接入交流电流表和电压表可测得电路的电流和电阻上的电压,并且还可从示波器显示的波形观察到,电阻上电压的相位(即电流的相位)超前电源电压60°,如图6所示;幅频特性和相频特性如图7所示。
4 结 语
虚拟实验系统通过多媒体技术和仿真技术的有机结合,虚拟出逼真的实验场景,通过相应数学模型的建立,提供与实际实验的操作方法相类似的实践体验,尤其适于原理验证性实验。作为实验教学的重要辅助手段,一方面,可以大大提高实验效率和效果,拓宽学生由感性认识上升到理性认识的途径,使学生在愉悦和主动的思维中牢固地掌握知识;另一方面,能更好地完善实验教学的结构,激发学生的创造性思维。电路虚拟实验的实践表明,虚拟实验不受时间及空间的限制,学生可以自主地完成实验。但虚拟实验的实现是一项非常复杂的工作,目前仅仅涉及简单数学模型的构建,还有许多理论和技术问题有待进一步的探讨,因此,在现有条件下,虚拟实验是不可能完全代替实物实验的。实物实验过程中的元件参数分散性、误差、噪声等现象是客观存在的,这对于培养学生的真切感受和创造性思维是至关重要的,必须给予足够的重视。
摘要：虚拟实验是应用多媒体技术和虚拟技术来仿真实验的计算机应用系统,可以大大提高实验效率和效果,拓宽学生由感性认识上升到理性认识的途径,能更好地完善实验教学的结构,激发学生的创造性思维。电路虚拟实验系统的建立和实践表明,虚拟实验不受时间及空间的限制,学生可以自主地完成实验,巩固理论学习成果,提高理论联系实际的能力。对电路虚拟实验系统进行了探讨,并以两个实际电路仿真进行了讨论。
关键词：电路,多媒体技术,虚拟实验,直流电路,正弦交流电路
参考文献
[1]张占松.电路与系统仿真实践[M].北京:科学出版社,2000.
[2]高伟涛.PSPICE8.0电路设计实例精粹[M].北京:国防工业出版社,2001.
飞机维修虚拟训练系统的应用 篇10
关键词： 虚拟训练系统 飞机维修 教学应用
飞机维修虚拟训练系统是基于飞机系统仿真技术、三维数字模型技术、虚拟现实交互技术等搭建的一种训练平台。传统的维修培训对大范围的维修训练效果不佳，不仅费时而且费用昂贵。然而该系统能把实装飞机上机械、电子、特设等各个专业的相关知识通过计算机直观地呈现给维修训练人员，尤其是在大范围系统培训中表现得相当有效。
1.飞机维修虚拟训练系统的组成
1.1飞机虚拟驾驶舱
通过绘图软件绘制飞机驾驶舱各类仪表、开关、多功能显示器等，再由C++、VC、OpenGL等编程软件对系统逻辑加以控制，实现飞机驾驶舱的虚拟仿真。它能够在通电检查、发动机试车、故障设置时模拟真实飞机驾驶舱内相应的控制和显示。
1.2三维虚拟飞机
通过3Dmax、Catia等三维建模软件制作飞机三维模型，并提供人机交互程序模块，以动画形式实现飞机绕飞检查、部附件识别与拆装、飞行操纵检查、发动机反推等多项功能。
1.3动态原理图
通过flash绘制系统原理图，利用程序控制动画，实现原理图与飞机虚拟系统联动，方便训练人员在操作时观察相应系统的状态和变化，进而掌握飞机各系统的功能原理和工作逻辑。
1.4飞机维修培训手册
通过程序加载飞机维修手册、全套电子文档，学生在学习某个章节时电子手册能自动跳转到对应章节。
1.5网络系统
通过TCP/IP协议在训练教室中组建局域网络，配备一台教师机和十二台学生机，实现授课教师对训练人员学习状态的监控与指导。
2.飞机维修虚拟训练系统在飞机维修教学中的应用
2.1飞机维修理论教学
飞机维修理论繁多且复杂，其中的概念原理更是抽象难懂，学生在学习时多半是靠死记硬背，并没有真正理解其中系统原理，所以在以后的实际操作中也会不知所措。飞机维修虚拟训练系统通过动态原理图直观地反映了飞机维修理论，学生可以在学习过程中一边操作虚拟驾驶舱中的开关一边观察原理图的实时变化，把枯燥的理论知识转化成形象生动的二维动画，加深学生对理论知识的理解。电子版的飞机维修培训手册与虚拟训练系统关联，方便查阅，在老师进行理论教学时起到很好的辅助作用。
2.2飞机发动机试车教学
飞机的发动机试车工作历来都是一项高风险、高技术含量的活，多年以来由于操作错误引起的事故不少，甚至会导致人员伤亡，发动机损坏等严重后果。所以飞机发动机试车是航空维修教学很重要的一个环节，它主要用于检查发动机参数是否正常，也可以看发动机操纵系统、机舱增压系统、液压系统的工作情况。虚拟驾驶舱中提供了实装飞机的所有开关组件，训练人员对其进行操作，虚拟多功能显示器上就会出现相应的参数变化。当出现操作错误时，系统会报警提醒训练人员，这样即便在训练过程中出现操作不当也不会导致上述事故。一套虚拟训练系统可同时容纳两名学生进行学习训练，一人读卡一人操作，更规范试车程序。
2.3部附件识别拆装教学
飞机维修人员在维修过程中只有认识相关的部附件，才能对飞机进行维修。所以，部附件的识别与拆装在航空维修教学中相当重要。然而在传统教学模式中，老师只能通过拍摄的照片，甚至是抽象的线框图对学生进行部附件识别的教学。然而，飞机各个舱室内结构何其复杂，拍摄难度很大，缺少部附件图片的情况时常发生。仅通过文字的讲解很难让学生对部附件的外形结构有一个清楚认识。虚拟训练系统中的三维数字模型很好地解决了这一难题，它能将部附件全方位地展示在学生面前，方便学生多角度观察该部件，从而对其形态结构有清楚认识。做部附件拆装训练时，系统中配套的拆装演示动画可以将拆装步骤一步一步地展示出来，人机交互系统还能让学生自己动手做模拟拆装训练，真正做到讲、学、练一体化教学。
2.4飞机故障排除教学
一说到航空维修肯定就少不了飞机排故。故障排除教学最好的教学方法就是让学生亲手实践，熟悉并掌握故障排除的流程和方法。然而，在实装飞机上很难做到设置故障，分析故障，排除故障这一过程，而且稍有不当还容易损坏飞机。但这一难题在虚拟训练系统上就迎刃而解，老师通过教师机设置故障，由网络系统传输给学生，学生在学生机上分析、排除故障。同时，老师能清楚地看到学生的排故流程，掌握学生的学习情况。该系统的故障隔离功能非常强大，在做波音737NG型飞机左发点火失效排故教学时，运行EEC自检程序，查看“0”航段是否有故障代码，如果没有故障代码则可以判断为瞬时故障，如果有74-X096 代码出现，则进行故障隔离。然后分析故障点，对该机左发右点火进行声音检查程序，如果只有一声点火声音，说明EEC内部有一个点火继电器失效，更换EEC，如果没有点火声，检查电咀的情况，如电咀烧蚀超标，则更换电咀，操作流程简单明了，便于学生学习训练。
3.存在的问题及思考
飞机维修虚拟训练系统虽然相比传统航空维修教学优势巨大，但并非完美无缺。虚拟终究还是模仿，虽然现在的科技使虚拟训练越来越逼真，但是很多地方还是模拟不出来的。实装飞机上各种开关仪器的操作方法、部附件拆装的技巧在虚拟训练系统中纯粹依靠鼠标键盘的点击、拖动无法真实地体现出来。而且，现如今军事技术发展迅猛，机型更新换代快，虚拟训练系统开发需要较长的周期，无法做到与当前实装机型配套，从而给培训机务人员造成很多困难。但是目前，世界上许多发达国家已经将飞机维修实际操作部分转移至虚拟训练系统上完成，我国多家航空公司也同样采用这种先进的教学方法。综合考虑到训练成本和训练成果看，这种利用计算机仿真及虚拟现实技术搭建的航空维修训练平台已经成为当代航空维修教学和培训的大势所趋。相信在中国日渐强盛的发展下，我国自主研发的虚拟训练系统必将在未来航空维修教学中占有一席之地。
参考文献：
[1]郑东良.航空维修理论[M].国防工业出版社，2006.
[2]蔡红霞.虚拟仿真原理与应用[M].上海大学出版社，2010.