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虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)是以計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合多維圖形技術(shù)、激光立體成像技術(shù)，對體驗者的肢體動作信息實時跟蹤并反饋互動，對體驗者的視覺形成集圖像、動畫、聲音或部分感官產(chǎn)生動作為一體的模擬現(xiàn)實世界的技術(shù)。

虛擬仿真分為完全虛擬仿真和半虛擬仿真。完全虛擬仿真主要通過計算機(jī)及其專用功能軟件進(jìn)行仿真，如建筑設(shè)計常用的BIM軟件，基本不需要計算機(jī)以外其他硬件的配合。半虛擬仿真則除了利用計算機(jī)及相應(yīng)專用軟件以外，還需要其他專用硬件設(shè)備或計算機(jī)模擬相應(yīng)輸入量或輸出量的模擬仿真。如飛行訓(xùn)練系統(tǒng)由計算機(jī)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)以及模擬駕駛桿、油門、航向舵的硬件組成，計算機(jī)接受學(xué)員操作傳來的信息，然后通過計算模擬顯示飛機(jī)姿態(tài)以及周圍變化的環(huán)境。

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虛擬仿真實驗室及特點

虛擬仿真實驗室是主要以仿真技術(shù)構(gòu)建而成的實驗室，仿真實驗室主要用于教學(xué)訓(xùn)練、理論驗證以及新品開發(fā)。主要特點是：

2.1直觀形象共享

虛擬仿真技術(shù)因其可以全息化模擬實驗場景和實驗過程，完成真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的過程，對于復(fù)雜場景以及危險實驗、難以真實看到的事物或規(guī)律，用圖像或動畫的形式直觀形象展示。例如人體器官的組成及運動，由于實體樣本數(shù)量受限，可以用三維軟件模擬各器官、系統(tǒng)的相互關(guān)系及運動規(guī)律，模擬對各器官的外科操作。又如，對于貴重儀器使用培訓(xùn)，由于難以觀察到儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于人員清晰了解內(nèi)部構(gòu)造及工作原理，仿真軟件可對儀器進(jìn)行全方位、立體式的展示，內(nèi)部構(gòu)造分布、組件拆解、組合，便于人員了解儀器任一部件的構(gòu)造及功能。完全虛擬仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，不受時間、人員數(shù)量的限制，多人同時在不同計算機(jī)上操作，實現(xiàn)資源無限共享。

2.2安全環(huán)保高效

仿真實驗室避免了實驗人員因為理論知識不足、操作不規(guī)范等產(chǎn)生的不安全因素，同時不需要試劑配制等對操作人員產(chǎn)生危害，提高了安全性。如虛擬仿真汽車駕駛系統(tǒng)，可讓學(xué)員體驗真實的駕駛感受，又能確保安全。用仿真技術(shù)展示化學(xué)腐蝕、金屬加工、焊接等工藝，可以減少污染物、廢液廢渣對環(huán)境的污染。通過虛擬仿真技術(shù)，研究人員只要更改相應(yīng)的參數(shù)與設(shè)置合適的實驗環(huán)境，就可以反復(fù)進(jìn)行實驗活動，這樣提高了工作效率，縮短了研究周期。

2.3維護(hù)成本較低

軟件系統(tǒng)沒有任何損耗，虛擬仿真系統(tǒng)減少了對計算機(jī)以外其他設(shè)備的投入和維護(hù)保養(yǎng)費用，操作可以無限次重復(fù)，不需要各種耗材，確保高質(zhì)高效。如風(fēng)洞仿真系統(tǒng)，可以仿真飛行器外部形狀以及不同姿態(tài)、不同相對速度情況下飛行器各部分受力情況，減少了每小時耗資數(shù)萬元的風(fēng)洞真實實驗費用。又如電磁場仿真軟件系統(tǒng)，可以形象地仿真出不同電磁場環(huán)境與激勵體之間的電磁分布等。利用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)可以真實模擬汽車碰撞效果，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于真實實驗，從而減少了物資消耗，也節(jié)約了研究資金。又如，機(jī)場、碼頭、公交樞紐的人員疏散，可以用虛擬仿真進(jìn)行實驗和驗證，減少大規(guī)模動員演練需要的人力、物力和財力。

2.4模擬難以構(gòu)建的現(xiàn)實環(huán)境

通過虛擬仿真可以展示難以在真實條件下復(fù)現(xiàn)的場景及各種要素的相互作用。這種虛擬仿真已經(jīng)應(yīng)用于航空災(zāi)難性事故、汽車交通事故、模擬案發(fā)現(xiàn)場等。例如在汽車行業(yè)當(dāng)中，汽車的安全性是重要的測試項目，一般會使用真實的車輛做碰撞實驗，以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。再如一些有危險性、復(fù)雜程度相對較高或者對于從業(yè)者與作業(yè)環(huán)境有較高或特殊要求的行業(yè)，如化工、礦井、工程、電力、核能與醫(yī)療等，難以進(jìn)行試驗，利用虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)，研究者便可在安全的環(huán)境下開展實驗或教學(xué)活動。

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建立虛擬仿真實驗室步驟

虛擬仿真實驗室一般由計算機(jī)、模擬輸入系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)以及感覺模擬系統(tǒng)組成。計算機(jī)系統(tǒng)包括計算機(jī)硬件和虛擬仿真系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)各實驗過程中物理量的輸入與變化，負(fù)責(zé)根據(jù)輸入的物理量以及研究對象的數(shù)學(xué)模型計算實驗結(jié)果。計算機(jī)輸出信號輸送到仿真系統(tǒng)，顯示視覺圖像（包括動畫）以及感覺模擬信號（如剎車后人員前傾的感覺）。相互關(guān)系見下圖 。

虛擬仿真實驗室組成及各系統(tǒng)相互關(guān)系

建立仿真實驗室除了購置計算機(jī)系統(tǒng)、相應(yīng)仿真軟件外，主要應(yīng)制定虛擬仿真方案，仿真方案主要有以下內(nèi)容。

3.1厘清研究對象

虛擬仿真的核心是仿真，手段是虛擬，通過虛擬實現(xiàn)實現(xiàn)仿真。必須弄清研究對象本身，弄清研究對象的特點和運動規(guī)律。例如研究液壓傳遞原理，就必須明確液體等量傳遞壓強(qiáng)的原理，才能模擬不同截面產(chǎn)生不同壓力。又如數(shù)控加工仿真，必須弄清切削力、切削溫度、振動、切屑形成、工件表面質(zhì)量、刀具磨損等規(guī)律，才能利用有限元手段進(jìn)行仿真。

3.2弄清要素關(guān)系

在建設(shè)虛擬仿真實驗室時，必須弄清影響研究對象的各物理量，以及相應(yīng)物理量產(chǎn)生的激勵，弄清各量值之間的數(shù)量關(guān)系，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。這樣才能通過改變輸入量，產(chǎn)生相應(yīng)輸出量，展示相應(yīng)實驗效果。例如電磁仿真就要弄清信號源、被激勵物體的材質(zhì)、形狀、距離，才能計算出在信號源作用下，物體周圍不同位置的電磁場強(qiáng)度和方向。又如，飛行器飛行狀態(tài)仿真，必須弄清飛行器外部空氣動力外形、飛行姿態(tài)、發(fā)動機(jī)推力等與飛行器阻力、加速度、速度、高度的關(guān)系，才能虛擬仿真飛機(jī)的操作過程。

3.3明確對話內(nèi)容

在虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中，應(yīng)明確哪些物理量需要改變，需要實驗人員通過電腦輸入或通過硬件模擬輸入。明確哪些實驗結(jié)果的參數(shù)應(yīng)當(dāng)發(fā)生改變，并通過圖像或動畫形式實施表現(xiàn)出來，甚至通過模擬系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)動作，刺激實驗人員的感官，實現(xiàn)現(xiàn)實體驗。

3.4仿真系統(tǒng)研發(fā)

根據(jù)研究對象的規(guī)律和特點，以及研究對象受影響的參量（因變量）和變量發(fā)生變化時參變量的變化規(guī)律，用實驗室人員的視覺或感官習(xí)慣接受的圖像或動畫展示。通過有代表性的任務(wù)剖面進(jìn)行實驗驗證，直至實驗結(jié)果是正確的或可接受的。

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建設(shè)虛擬仿真實驗室建議

4.1強(qiáng)化基礎(chǔ)研究

仿真實驗建設(shè)應(yīng)具備很強(qiáng)的基礎(chǔ)研究，弄清研究對象特點及相關(guān)要素的相互影響的規(guī)律，在大量實驗的基礎(chǔ)上，形成理論，建立完善的數(shù)學(xué)模型，才能實現(xiàn)仿真。目前成熟的實用仿真軟件，主要依據(jù)深入的基礎(chǔ)理論研究。如ANSYS HFSS軟件，提供了簡潔直觀的用戶設(shè)計接口、精確自適應(yīng)的場解、擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。

4.2長期積累摸索

有些事物的規(guī)律難以用數(shù)學(xué)模型來描述，必須經(jīng)過大量的實驗，通過數(shù)據(jù)積累形成經(jīng)驗公式或數(shù)據(jù)庫，這需要實驗室長期積累和摸索的過程，例如金屬材料的高溫蠕變性能，每一種材料均要經(jīng)過數(shù)年甚至十幾年的實驗才能得出實驗數(shù)據(jù)，得出經(jīng)驗公式。

4.3行業(yè)共同實施

建立仿真實驗室是某一行業(yè)甚至整個國家的任務(wù)，例如芯片性能設(shè)計實驗室，單靠一個企業(yè)是難以完成的，必須集中行業(yè)或國家之力，統(tǒng)籌規(guī)劃，集中研究各實驗室掌握的數(shù)據(jù)，形成共性理論，研發(fā)行業(yè)仿真系統(tǒng)軟件。例如國家發(fā)布了《信息技術(shù)學(xué)習(xí)、教育和培訓(xùn) 虛擬實驗 》系列標(biāo)準(zhǔn)，這是行業(yè)共同努力的結(jié)果。

4.4實施開放共享

對于一個單位或行業(yè)的仿真實驗室在確保保密要求的情況下，應(yīng)當(dāng)對外開放共享，減少不必要的重復(fù)建設(shè)，同時可以強(qiáng)化人員交流，不斷完善仿真實驗室的理論水平與仿真效果。

虛擬仿真實驗室隨著技術(shù)的不斷突破與創(chuàng)新，隨著對事物本質(zhì)規(guī)律研究的逐步深入，將會在教育訓(xùn)練、理論驗證、新品開發(fā)方面發(fā)揮更大的作用。有條件的研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)應(yīng)當(dāng)開發(fā)相應(yīng)專業(yè)的虛擬仿真系統(tǒng)，并持續(xù)豐富發(fā)展，確保虛擬仿真無限接近真實實驗過程和結(jié)果，縮短實驗周期，提高實驗效率，降低實驗成本，提高實驗室效益。

文章來源未來實驗室學(xué)苑