三维仿真论文篇(1)

1电力仿真框架

电力安全培训的三维仿真系统要想真实地反映电气设备的外观结构和运行环境，就需要三维仿真系统能够展现规模庞大的现实虚拟场景，所以，在开发系统的逻辑控制程序时，就需要将三维仿真系统的整体架构分为电力仿真框架和通用三维仿真引擎两部分。在现实的操作过程中，操作人员是通过仪表设备操作控制电气设备的，而在三维仿真培训系统中，则是通过复杂的逻辑系统实现对其的控制，将现实中的电气设备和仪表转化为抽象的虚拟设备和操作逻辑。为了使各种动作状态在三维效果中显示得更加正确、合理，达到预定的视觉属性，往往需要重新组织节点名称和节点坐标。

2通用三维仿真引擎

通用三维仿真引擎的功能是达到图形渲染、交互控制和网络通信的目的。它是由资源管理、场景管理和动画系统三个子系统组成的。通用三维仿真引擎与逻辑操作无关，它主要是为了实现三维虚拟场景的重建和环境渲染。电力仿真系统与通用三维仿真引擎共同组成了一个完整的三维仿真培训系统。

二、系统实现的主要技术要求

1仿真对象和电气属性的同步

在三维虚拟环境下，为了保证虚拟对象和行为的一致性，往往需要借助事件、属性、对象的三位一体机制来实现。电气设备的虚拟设计是电力安全三维仿真培训系统的主要对象，除了颜色、缩放比例等常见的属性外，还需要对仿真对象的电气闭合状态和相关参数等重要的属性进行逻辑设计。当虚拟操作导致电气设备的闭合状态发生变化时，电气设备的相关属性就会发生变化，最终使得电气设备的参数发生变化。当信息传递到设备管理器时，就可以重新计算电网的参数来更新事件的状态。

2逻辑控制与复杂操作的对应关系

电力安全三维仿真培训系统的操作过程应当全面支持操作者的各种开放式操作行为。简单来讲，虚拟的操作逻辑应当及时地判断和反馈操作者的操作行为。开放式的操作控制逻辑与封闭式的操作控制逻辑相比，其应变能力和复杂程度都大幅提高了，在这种操作控制逻辑下，用户可以根据自己的操作习惯灵活操作，避免复杂的操作流程带来一定的操作压力。在错误的操作下，操作系统也会及时给予警告或提示，这样便可以更好地实现智能化培训的目的。

3大规模场景的情境渲染技术

由于电力安全培训的三维虚拟场景范围比较大，需要仿真对象根据培训人员的操作产生动态移动，这就要求在具体的逻辑设计中，不能把全部的仿真对象放置在同一个渲染列表中，以免影响操作过程控制。在实际设计中，可以将仿真对象分为可渲染对象和可移动对象两种。可渲染的仿真对象一般是指场景对象的模型数据，它只要求有显示的功能，而可移动仿真对象则需要能够在三维坐标中来回移动。当场景数量较大时，可以分别优化处理静态场景和动态场景。只更新动态场景的空间信息而忽略了静态场景的空间信息，不仅能够提高渲染速率，还可以有效地节约计算资源。

4三维交互模式的实现

三维交互模式的首要功能是当用户轻点三维场景中的某一个物体时，系统就可以快速地检测到该信息的传送情况，并快速反应，从而实现三维交互模式中的人机交互。三维物体是根据射线相交的原理实现的，当鼠标点击的位置发射一条平行于视线的射线与场景射线相交计算时，交点即该物体的位置标识。常用的三角形检测方式往往会占用较多的计算资源，影响定位速率。为了避免这种情况的发生，可以采取包围球体的检测方式与三角形检测方式混合使用的方法，提高检测速率。

三、三维仿真培训系统的应用

根据上面的整体架构设计和主要问题分析，可以初步实现包含场景编辑器、逻辑编辑器、地图编辑器在内的三维仿真培训系统。场景编辑器可以实现三维场景的构建功能，逻辑编辑器可以将复杂的逻辑语言转化为可视性的操作过程，实现虚拟设备的响应控制功能，而开发人员则可以通过地图编辑器实现三维场景的布置功能，并且可以及时查看编辑结果。

四、结论

三维仿真论文篇(2)

【文章编号】0450-9889（2017）04B-0027-03

计算机仿真是在计算机上建立形式化的数学模型，然后按一定的实验方案，利用系统的模型通过模型解算的方法来获得系统动态行为的一种研究系统的过程。计算机仿真技术是以计算机为工具，以相似原理、系统技术、控制理论、信息处理技术以及各种相关领域技术为基础，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，根据系统试验目的，建立系统模型，并在不同的条件下，对模型进行动态运行试验的一门综合性技术。随着计算机仿真技术的迅速发展，仿真技术由二维平面图形向三维虚拟现实逐步转化。三维仿真技术具有生动、形象、经济实用等优点，已广泛应用于科学研究、工业制造、交通运输、工程设计、教育培?、军事、医疗等众多领域之中。

一、三维仿真技术在职业教育领域的应用

仿真教学是利用实物或计算机创设各种虚拟环境来模拟真实环境，并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行、优化等的教学方式。它的出现对职业教育的发展产生了极大的推动作用，为新的教学手段开发奠定了基础，使教学方式、方法的改革和创新成为职业教育发展的必然趋势，结合互联网使用，可以使职业技术教育实现远程学习、在线学习，突破传统职业教育依赖于硬件设备进行教学的局限，促进职业教育跃上了一个新的台阶。目前，许多职业院校充分利用现代计算机技术和仿真技术开发了三维仿真教学软件、实验或实习仿真教学系统，开展仿真教学和实验、实训操作训练，如利用数控加工仿真教学系统，可以实现学生编程刀具路径轨迹校验、检查碰撞、工件过切、程序优化等教学过程，尽可能避免未经校验的程序在实机操作过程发生碰撞等危害事故。电梯技术实训仿真教学系统可实现电梯技术中的机械、电路、传感器、变频调速、PLC 控制等技术实训的仿真教学。建立与课程相对应的仿真实验室、仿真实训室、仿真实训车间、工厂，利用仿真实训室开展单项技能训练和综合项目实训，如数控仿真实训室、三维电子导游仿真实训室、财务仿真实训室、冶金仿真实训室、变电仿真实训室等仿真实训室，使学生直观地、低成本地体验生产环境，完整地、清晰地了解生产流程和各个岗位的工作任务等。

二、三维仿真教学软件的开发方式

教育部的《教育信息化十年发展规划（2011―2020年）》明确提出：加快职业教育信息化建设，建设职业教育虚拟仿真实训基地。由此可见，虚拟仿真实训基地是专业实训基地的一个重要组成部分，职业院校要积极建设仿真实训基地等信息化教学设施，组织力量开发适合学校发展需要的仿真教学软件，以满足信息化教学的需要和专业建设的需求。三维仿真教学软件的开发通常有学校自主开发、校企合作开发、软件购置三种方式。学校组织教师自主开发虚拟仿真教学软件，主要是解决教师教学中特定的教学问题，这是提高教师信息技术水平的一个重要举措，也是解决学校信息化教学资源不足的主要途径。例如，广西机电工业学校教师自主开发的基于单片机技能大赛的三维虚拟仿真软件，仿真度高，可以根据训练项目进行编程和调试程序实训操作，包括单片机控制的机械手进行实时仿真等。校企合作开发的虚拟仿真教学软件主要是学校根据自身需要定制的产品，学校根据自身教学需要提出仿真软件系统的总体要求、技术要求、教学模块功能、产品的指标等需求，成立由学校专业教师和企业专家组成的开发小组，教师根据教学目标、教学内容、教学方法、教学认知规律和企业的岗位要求及工作过程进行教学设计，再由软件技术开发公司来负责技术实现。例如，广西机电工业学校开发的基于工作过程的模拟电路分析与制作三维仿真、地质灾害三维仿真等与教材配套、具有学校特色的教学软件。软件购置是学校根据教学需要和使用场所，购置易于实现与其他设备、软件衔接的行业中具有代表性的教学软件系统。

三、三维仿真教学软件开发的流程

教学软件是为实现特定的教学目标、实施特定的教学过程而设计开发的应用软件，教学性是它固有的属性。在开发过程中应将教学设计和软件工程二者有机结合，软件开发团队应该由职教专家和专业技术专家等组成。自主开发和校企合作开发仿真教学软件一般由分析、论证、设计、实现、测试、验收这六个阶段组成，而软件购置则省略了设计和实现这两个阶段，三维仿真教学软件开发的流程如图 1 所示。

（一）需求分析。教学软件的需求分析是保证教学软件开发质量的重要前提。其主要任务是回答“软件必须做什么”，从而确定软件开发的目标和预期效果，并在使用条件分析、软件功能分析和教学特性分析的基础上，确定软件的使用条件、教学功能、教学特性等其他方面的要求。

（二）方案论证。根据软件开发的目标和预期效果，对所要开发的软件产品现状进行比较分析，明确已有教学软件同类产品可以解决的问题和不能解决的问题。依据教学需求分析和已有产品现状分析的结论论证教学软件开发的必要性，从教学软件开发的经费、开发团队的组成及其成员的技术水平、教学功能实现的技术手段等方面论证教学软件开发的可行性，进一步确定开发软件的总目标。

（三）软件设计。为了保证教学软件的教学性、科学性和可操作性，软件设计很重要的一部分工作就是进行教学设计，围绕教学软件的教学目标、教学内容、教学策略和评价方式分别进行分析设计，确定教学软件整体框架结构，功能模块等。

（四）软件实现。软件实现是教学软件开发流程中最能体现教学软件特色的重要环节。首先要进行技术预研，选择合理的开发平台以及软件工具，然后根据软件设计的结果，围绕教学软件的界面、数据库、功能模块等详细规划。比如，对机械部件的实物原型进行三维建模、运动功能、驱动控制、外部数据接口等功能设计。最后，使用 Unity3D 软件作为开发平台，实行仿真环境的场景、环游功能和人机交互功能。具体实现步骤包括：先测量实物的实际尺寸，使用 CAD 软件绘制二维图像（.DWG 格式），然后利用二维图像在 3DsMax 软件中建立三维模型（.FBX格式），最后在 Unity3D 软件中导入三维模型，针对三维模型的碰撞检测以及人机交互功能进行代码的编写。

（五）软件测试。软件测试是确保教学软件?|量的重要环节，分为单元测试、整体测试。由教育专家、技术专家、教师和学生对所开发的软件产品进行功能和效果等测试，及时发现软件产品存在的问题，再根据存在的问题和修改建议进行修改优化。

（六）评审验收。教学软件的评审验收需要专家、同行和用户三方结合进行。专家和同行的评审可以保证教学软件的教学功能和技术性功能，用户评审有利于积累教学软件的开发经验。

四、三维仿真教学软件的应用机制

仿真教学软件（系统）应用的主体是教师、学生和在职培训者。应用仿真教学软件的目的主要有三个方面：一是通过仿真教学软件的虚拟交互，使抽象内容形象化，学习活动变得生动有趣味，降低学习难度，调动学习者的学习积极性，从而提高教学效果；二是利用仿真软件开展教学，可以弥补场地、设备和师资的不足，实现理论与实践的同步教学，提高教学效率；三是利用仿真教学软件和网络搭建的平台，打破地域和时间的限制，实现网络教学和远程培训。为更好实现上述目标，必须建立相应的仿真软件运行管理机制、学习者学习机制、教师培训机制、仿真软件应用的考评机制、仿真软件使用评价机制，如图 2 所示。

（一）仿真软件运行管理机制。为教师、学生和培训者提供便捷的教学使用平台是仿真教学软件应用的基本前提，因此教学软件运行管理机制是教学软件应用中最重要的机制。经评审验收后仿真教学软件由学校信息中心或相应的部门进行集中管理，负责教学平台的运行管理和维护。相关的专业教学部门或开发部门负责开发与之对应的教材、学习指导等教学资料，并建立相应的教学平台，为仿真教学软件的应用提供基本的保障。可通过建立完善相关管理制度和明确工作职责来建设仿真教学软件运行管理机制。

（二）学习者学习机制。网络课程在线学习和远程培训的主要对象是在校学生和在职职工。可通过把学生利用网络课程学习或职工参加远程学习的情况与对应课程考核成绩挂钩的方式建立学习者的学习机制。

（三）教师培训机制。教师是仿真教学软件的主要用户之一。教师要对软件的使用方法、应用场合及其主要功能、教学性能要十分清楚，并能熟练演示和操作仿真软件，才有可能在教学实施过程中应用仿真软件进行教学。可采取企业培训、校本培训和开展相关教学教研活动的方式对教师开展培训，并建立教师学习培训跟踪考核评价制度，确保教师会用、想用，使之成为教学中不可缺少的重要手段，提高教师信息化教学应用水平。

（四）仿真教学软件应用的考评机制。教师是教学的组织实施者。要充分调动教师利用仿真软件开展课堂教学或组织实施项目的积极性，改革教学方式、方法和教学模式，（下转第38页）（上接第28页）更好地利用仿真软件辅助教学，提高教学效率和教学质量。建立教师应用仿真软件的考评机制可以从以下几个方面入手。一是将教师应用仿真软件（信息化）教学明确为工作职责之一；二是把教师应用仿真软件（信息化）教学的考评机制纳入教师学期业务考核内容；三是与教师的专业技术职务晋升挂钩，将教师运用应用仿真软件（信息化）教学的能力作为教师的岗位能力，作为资格晋升的必要条件之一；四是建立奖励制度，对教师开发仿真软件和应用仿真软件参加信息化教学比赛给予业务考核加分和物质奖励。

三维仿真论文篇(3)

关键词：车辆；活性碳罐；三维数值模拟；CFD

中图分类号：U464.149文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.06.05

碳罐是属于汽油蒸发控制系统（EVAP）的一部分，该系统是为了避免发动机停止运转后燃油蒸汽逸入大气而引入的。自1995年起，我国规定所有新出厂的汽车必须具备此系统。在整个汽油蒸发控制系统中，活性碳罐具有至关重要的作用。其主要工作原理为：当发动机不工作时，汽油箱内的燃油蒸汽进入碳罐，在碳罐内部被活性碳吸附并储存起来；当发动机起动后，由于进气歧管的负压作用使脱附口的电磁阀打开，同时碳罐内所储存的汽油蒸汽与大气口所进的空气一起进入缸内并燃烧，从而可在降低汽车蒸发排放的同时降低油耗[1]。当前，在部分小型车上，碳罐的安装方式是在车的大梁上开孔安装，这样对车身的强度势必造成影响，而对车身强度影响的大小主要取决于大气口孔径。因此本文根据工程项目实际要求在满足碳罐性能的前提下，通过尽量减小碳罐大气口的孔径从而尽可能地降低碳罐安装时对车身强度的影响。

目前，国内对于碳罐的研究一般都是通过试验研究与经验相结合来使碳罐满足相关行业的要求，但传统的试验费时费力。随着计算机处理能力的增强，利用计算机进行数值模拟的方法，可以较快地得到碳罐内部流场的速度、压力、流动迹线等分布的具体情况，为碳罐的性能分析和改进设计提供了很好的依据，可以大大缩短开发的周期，降低研究成本，提高开发效率[2]。此外，国外也曾采用计算流体力学进行过碳罐内部流场的模拟，并得到了碳罐内部的流场分布，但据查阅的相关文献未曾结合具体的项目进行过相关研究[3-4]。

本文根据项目实际要求，首先结合碳罐的相应国家标准要求以及进行的相应稳态试验所得数据进行理论计算，得出该要求下大气口孔径可修改的极限尺寸；再通过FLUENT采用多孔区域模型进行碳罐的三维流动仿真以验证在该极限尺寸下碳罐能否满足其它要求；最后将试验数据、理论计算以及CFD仿真三者结合，进行通大气口孔径尺寸可修改范围研究，得出碳罐大气口孔径的可修改范围，并证明三维CFD仿真在碳罐研发中的可行性。

1 试验方法及理论计算

某型号碳罐结构如图1所示。

1.1 试验方法

试验是通过该型号碳罐生产商采用空气压缩机从吸附口充入空气，堵住脱附口，使空气从通大气口流出，采用流量传感器分别测量流过大气口和吸附口的空气流量，并调整流量控制阀，使流量稳定在10?L/min，再通过压差传感器测量吸附口与通大气口两端的压差，试验如图2所示。

试验测得数据如下（本文涉及压力均为表压）。

空气压缩机所提供的压力为0.7?MPa，两端空气流量均稳定为10?L/min，在未修改孔径时吸附口与通大气口压差由压差传感器可测得为0.6??kPa。

1.2 理论计算

由国家环境保护总局2007年的汽油车燃油蒸发污染物控制系统技术要求中对碳罐的通气阻力、吸脱附性能等都有明确规定。其中国家标准要求为：

（1）空气从碳罐的吸附口流入，从大气口流出，脱附口堵住。当流量稳定在10?L/min时，吸附口和大气口的压力差不大于0.98 kPa。

（2）同时还应保证碳罐在车辆使用生命周期内正常脱附负压下（10～101 kPa）吸附口内部压力（负压绝对值）不大于 6 kPa。

这两点主要是用来限制通大气口的孔径不能太小,其中第2点涉及到碳罐内部压力的求取，但是由于计算量较大，普通方法难以求得吸附口内部的压力，因此本文根据要求中第1点结合试验测得的数据先进行理论计算，得出该要求下的极限尺寸，再结合CFD仿真计算求得在该极限尺寸下是否满足第2点要求。主要理论计算过程如下。

该过程中由于空气是可压缩的，所以应采用可压缩气体流动的伯努利方程进行计算，计算过程如下[5] 。

据可压缩流体的伯努利方程

，

式中：空气绝热系数k=1.4 ； P 为压力，Pa；ρ为该压力与温度下空气密度，kg/m3；V为流动速度 ，

m/s；C为常数。查空气在不同温度和压力下的密度表得空气密度ρ为8.253 kg/m3（T=300?K），由试验数据知压差P1-P2=600?Pa，其中P1为吸附口压力，P2为大气口压力。

根据已知的进出口截面参数可知：

吸附口截面积 A1=1.134×10-7?m2 ；

大气口截面积 A2=1.246?3×10-8?m2 。

所以，吸附口空气流速

，

大气口空气流速

．

根据能量守恒方程，将上述所求的参数代入下式。

，

式中：hf是沿程能量损失，其它参数同式（1）。

通过式（4），将试验测得的压差600?Pa代入，可以求出在原尺寸下的沿程能量损失hf=319.19，再根据国家标准要求P1-P2＜980?Pa，故将P1-P2=980?Pa代入式（4）可求出极限的大气口空气流速

V3＜14.3?m/s．

将V3代入式（3），可得极限截面积从而求出极限直径

d＞3.85?mm．

所以根据试验的数据以及理论计算的结果可以得出结论：据要求中第1点，该大气口的孔径可以在3.85～12.7?mm之间选取。

2 三维模型建立及边界条件设置

由于上述理论计算仅针对国家标准中的第1项要求进行计算，要进一步验证上述理论计算所得的极限尺寸是否能够满足国家标准中的所有要求则需进行进一步的仿真计算。其中碳罐三维模型采用PROE建模，具体过程在此不详细介绍。采用gambit导入三维模型并划分六面体混合网格，总计网格单元数为960?582个。将所生成的网格文件导入FLUENT中进行分析，其中活性碳及无纺布区域设置为多孔区域，吸附过程时分别设置吸附口为速度入口，通大气口为压力出口，因为脱附口是堵住的所以设置为壁面。脱附过程时则设置通大气口为压力入口，脱附口为压力出口，吸附口堵住设置为壁面，由于不考虑吸脱附过程中空气分别与碳粉和碳罐壳体之间的热交换，壁面设置为绝热，壁面边界采用固壁条件。流体材料选取空气[6-7]。

活性碳区域采用多孔区域进行设置，由该型号活性碳的物性表查得活性碳孔隙率为0.3，粒子直径平均值为1.6?um。根据下面公式可以计算[8]。

，

，

式中：为粘性阻力系数；DP为粒子直径，um；

为孔隙率；C2为惯性阻力系数。

代入参数计算可得粘性阻力系数设为8.26e+08，惯性阻力系数设为45?400。

无纺布区域也采用多孔介质类型，孔隙率以及阻力系数分别采用经验值，其中孔隙率设为0.7，粘性阻力系数和惯性阻力系数分别设置为10?000和1?000[4] 。

3 三维仿真结果分析

3.1 原尺寸吸附过程

原大气口的孔径为12.7?mm，吸附过程流域的压力分布如图3所示。

由图3可看出，压力梯度分布明显，在通大气口处压力接近大气压（0?Pa），吸附口处表压为571.08?Pa，因此吸附口与大气口压差为571.08?Pa，与所提供的试验数据600?Pa相接近。同时也证明仿真结果与实际较吻合。

图4、图5、图6分别为脱附口、吸附口、通大气口截面的压力分布云图，图7为中心截面速度分布矢量图。

由图4-图7可以看出，各流通截面的压力分布梯度非常明显，说明仿真结果较为合理。同时仿真所得的结果为571?Pa比实际的压力600?Pa要小一些，这是因为在仿真过程中忽略了一些内部的阻力因素如活性碳托板、弹簧、内部传热及摩擦损失等。速度分布在吸附口处最大为14.7?m/s，通大气口处速度较大接近1.1?m/s，流场内其它区域的流速都不高，碳粉区域的流速很低，这些数据都与实际测得的以及计算所得的数据具有很好的一致性。结果表明，该仿真结果可以较好地仿真碳罐内部的流动及速度和压力分布情况，且具有较高的准确性。

3.2 极限尺寸吸附过程

根据计算所得的极限尺寸进行仿真验证，即大气口孔径取极限值3.9?mm时，吸附过程流域的压力分布如图8所示，?速度分布如图9所示。

由图8和图9可以看出，大气口压力为大气压，吸附口处压力为917.50?Pa，压力差为917.50?Pa，整个碳罐内部流场区域的压力分布比较均匀，具有明显的压力梯度。速度分布在吸附口处最大为14.7?m/s，通大气口处速度较大接近13.6?m/s，流场内其它区域的流速都不高，碳粉区域的流速很低。上述仿真结果与计算结果接近而且与理论分析的变化趋势符合，因此可以较准确地得出碳罐修改大气口孔径后的内部流场特性，同时吸附口和大气口的压差为917.50?Pa小于980?Pa，满足国家标准。

3.3 极限尺寸脱附过程

针对要求中第2点，通大气口孔径取极限值3.9?mm时，分别在工作压力为10?kPa和101?kPa时进行脱附过程仿真，所得的压力云图如图10和图11所示。

由图10可以看出，在脱附过程中，当工作压力为10?kPa时，即在脱附口处压力为-10?000?Pa，仿真得到大气口处压力为-1?726?Pa，吸附口处压力为-4?908?Pa，满足要求2。

由图11可以看出当工作压力为101?kpa时（通大气口孔径为3.9?mm），在脱附口处压力为-101?000?Pa，大气口处压力为-19?138?Pa，吸附口处大气口极限尺寸3.9?mm，已不能满足要求2，所以需通过适当增大碳罐通大气口孔径以满足正常脱附情况下吸附口的负压值不能大于6?kPa的要求。

3.4 符合国家标准要求的脱附过程

通过调整尺寸进行FLUENT仿真，分别试算了5?mm、6?mm、7?mm几组数据后可以得出在通大气口的孔径为7?mm时可以满足该要求，其仿真的压力分布云图如图12所示。

由图12可以看出，在脱附过程中，当工作压力为101?kPa时（通大气口孔径为7?mm），即在脱附口处压力为-101?000?Pa，仿真得到大气口处压力为-2?208?Pa，吸附口处压力为-5?054?Pa，吸附口处压力绝对值小于6?000?Pa。所以通过该仿真过程可以得出结论：在通大气口的孔径为7?mm时可以满足第2点的要求。

综合上述4点分析可以得出仿真结果对比，见表1。

由表1可以得出：在大气口孔径为12.7?mm时吸、脱附过程均可以满足技术要求，在大气口孔径为7?mm时吸、脱附过程也均可以满足技术要求，在3.9?mm时吸附过程可以满足，但是脱附过程时压力值却是远大于技术要求的值。所以综合上述分析的结果，在满足行业标准所有技术要求的前提下，可以得出大气口孔径的最终可修改尺寸范围为7～12.7?mm。

4 结论

（1）本文所针对的某型号碳罐根据国家标准相关要求，通过结合试验数据、理论计算及CFD仿真，得出结论：该碳罐的大气口孔径可以在7～12.7?mm之间选择。

三维仿真论文篇(4)

[关键词]机场；环境影响评价；系统仿真；

中图分类号：X593 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0320-01

随着我国航空事业不断发展，机场噪声问题日益突出，如何合理地评价机场航空噪声污染程度，利用何种有效的治理方法对噪声污染进行控制已成为摆在环保部门、民航管理部门以及机场规划人员面前的重要课题，针对机场进行噪声污染模拟分析及周边环境影响防控研究是十分必要的，因此，本研究以桃仙机场为例进行机场噪声环境影响评价系统仿真研究。

1 机场噪声的特点

航空噪声是对航班起、降、滑、试过程中产生的不规则声响，尽管在飞机的飞行过程中，机身会产生一些空气动力噪声，但航空噪声主要还是来源机的发动机，特别是各种喷气式飞机的发动机[1-2]。航空噪声最显著的特点是独立且间断噪声的不规则发生，具有声级高、频率低、影响范围大、间断性、非稳态等特点[3]。

2 噪声预测

3 仿真方法

（1） 桃仙机场建模方法

搜集有关的素材，它包括表示地形的海拔数据，表示河流山川道路等的文化特征数据，仿真中所需要地形的尺寸以及地形纹理等。然后，构建地形原始数据的高度场，通过Global Mapper整合3S数据和DEM等高程数据，进而生成三维数字化地形，项目将通过收集的相关数据实现对研究区域的三维模型的仿真。

（2） 飞机实体及飞机噪声建模

研究采用Deep Exploration将生成的数据采用文件格式转换为ads格式，然后再在Creator中转换成flt格式。将飞机作为点源，依据预测模型LWECPNL构建三维立体噪声源。

4 机场噪声环境影响评价仿真系统

根据以上建模方法，针对桃仙机场进行仿真模型构建的机场噪声环境影响评价仿真系统见图1。

5 结论

（1） 飞机噪声综合仿真结果表明富家屯、桃仙镇、达子堡三个村屯均位于《沈阳桃仙国际机场远期规划》和《沈阳民用航空产业园区规划》用地范围内，富家屯、桃仙镇、达子堡三个村屯均有部分住宅LWECPN超过75 dB。

（2） 噪声污染模拟模型还需要根据实际工作进行不断的修正。3D建模技术在机场噪声污染模拟中的应用，能够更加直观的反映出机场噪声影响范围和程度，有利于机场噪声环境影响评价的分析。目前，国内还没有成熟的用于机场环境影响评价的大型三维仿真软件系统，本研究将为此类软件系统的研究提供一定的借鉴。

参考文献

[1] 田婴.民用机场航空噪声控制及其标准研究[D]：硕士学位论文，天津：中国民航大学交通工程学院，2005：1-63.

[2] 中国民航学院航空港工程系课题组.民用机场航空噪声影响控制研究报告[R].国机场噪声影响控制研究及相关参考资料汇编，2001.

[3] 刘皙皙. 沈阳桃仙国际机场扩建噪声模拟及噪声防控规划[D]：硕士学位论文，沈阳：东北大学，2014：1-58.

三维仿真论文篇(5)

关键词:集装箱码头; 三维仿真; 组件平台; 组件划分粒度

中图分类号:U656.1; TP391.9

文献标志码:A

Component platform of container terminal

3D simulation system

LU Houjun, CHANG Daofang, MI Weijian

(Container Supply Chain Eng. Research Center, Ministry of Edu., Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract: To study the production optimization of container terminal intuitively and vividly, 3D simulation approach is applied to implement the visualization of logistics information and operation of container terminal. Based on the simulation requirements of different business flow, the granularity of the components such as static layout, stevedoring machine, stevedoring object, terminal operation, kinematics calculation, data access, communication interface, graphic renderingand so on is partitioned reasonably; A hierarchy component platform is built to indicate the logic relationship among the objective targets; The main 3D components of container terminal such as shore container crane, gantry crane, container truck and so on are implemented according to COM+ rules. The automatic container terminal of Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd. is taken as an example to validate the maneuverability of the component platform and the result shows that the approach can provide practical references for the improvement of container terminal stevedoring process and management level.

Key words: container terminal; 3D simulation; component platform; component partition granularityな崭迦掌:2009-10-14 修回日期:2009-12-04

基金项目:上海市科委重点项目(08210510500, 071705207);上海市科委工程研究中心建设项目(08DZ2210104);

上海海事大学科研基金项目(032238)

作者简介: 陆后军(1985―),男,安徽全椒人,助教,硕士,研究方向为虚拟现实,(E-mail);

苌道方(1978―),男,河南新乡人,博士,讲师,研究方向为虚拟现实,(E-mail)0 引 言

集装箱码头作业效率的高低直接影响集装箱供应链物流系统的整体服务水平.随着集装箱码头作业机械逐渐大型化、作业类型逐渐复杂化,使得通过定量分析的方法去研究和分析码头营运过程中产生的大量随机性数据变得异常复杂.因此,国内外学者针对如何分析和优化集装箱码头动态物流系统作了大量研究.真虹[1]提出采用离散事件仿真技术构建集装箱码头装卸工艺优化仿真平台,重点讨论集装箱码头装卸工艺设计方案的评价及指标获取;SHABAYEK等[2]采用Witness仿真软件实现香港Kwai Chung集装箱码头二维仿真系统,通过统计码头营运数据,对其物流预测准确度进行仿真验证.相对于集装箱码头二维平面仿真结果数据的抽象性和非直观性,KLAASSENS等[3]提出基于三维仿真技术的码头作业仿真系统;另外,HORSTHEMKE等[4]论述三维图形技术在港口仿真中的应用与意义.国内很多学者也对特定领域内组件式仿真方法展开研究.段作义等[5]提出基于构件的航空工业分布式虚拟现实系统,研究各组件之间的通信语义和语法;李春雁[6]阐述应用已有可视化组件进行仿真的方法,采用Arena软件实现大窑湾集装箱码头二维仿真系统.显然,上述研究或实现大多是针对某一集装箱码头的仿真系统,没有说明不同装卸工艺下集装箱码头三维仿真系统的组件体系结构,不仅开发周期长、总体成本高,且不能满足不同码头三维仿真系统的快速构建需求.

通过对不同集装箱码头功能节点的分析,本文提出1种可快速构建集装箱码头三维仿真系统的软件体系结构,允许通过多个具有不同功能的仿真组件协同实现特定业务的仿真需求,从而大大提高集装箱码头三维仿真系统的开发效率.

2 集装箱码头三维仿真组件模型

2.1 集装箱码头业务描述

集装箱码头物流系统由集装箱、船舶、装卸设备、泊位、堆场和通信设施等客观对象组成.按照集装箱流通的方向,集装箱码头作业过程主要包括进口卸船、进口提箱、出口集港和出口装船等4种作业类型.[7]不同集装箱装卸工艺下集装箱物流的表达形式与仿真过程存在较大差别.图1为自动化集装箱码头,与常规集装箱码头相比,其装卸工艺由岸桥、低架桥和地面平板小车等自动化装卸设备构成,不同装卸工艺决定集装箱码头三维仿真对象及其相ね 1 自动化集装箱码头

示意图

互之间协作机制的不同.因此,有必要设计1种可灵活组装且适合不同装卸工艺要求下的柔性三维仿真系统构建方法,从而满足自动化装卸工艺和混合装卸工艺等不同类型集装箱码头的三维实时仿真要求.

2.2 仿真组件粒度划分

组件是应用系统可分离的部分.[8]仿真组件是指能够通过互换和搭配完成仿真系统特定功能模块的封装部分.集装箱码头三维仿真组件在满足仿真功能性要求的前提下,必须同时满足高内聚、低耦合的组件设计原则.仿真组件的合理划分是仿真软件实现过程中可操作性的决定性因素.划分粒度过小容易导致仿真组件装配过程复杂,不利于开发效率的提高;划分粒度过大则会使仿真组件的柔性变小,失去可复用的设计目标.每类组件可以派生或者泛化其子类组件,最终给出集装箱码头三维仿真组件体系结构,见图2.

图 2 集装箱码头三维仿真组件体系

(1)静态布局组件.该组件可派生出静态非资源组件和静态资源组件2类.前者指构成集装箱码头三维静态虚拟场景的对象,但不参与仿真过程计算,如码头内部路灯、路障及候工楼等,并且用户可通过拖拽实现快速虚拟场景搭建;后者用于描述构成集装箱码头三维静态虚拟场景但参与仿真过程计算的对象,如箱区、泊位及集卡车道等资源设施.

(2)码头装卸设备组件.该组件包含与集装箱码头各种装卸工艺相关的装卸搬运设备,其直接派生出子类岸边装卸设备组件、堆场装卸设备组件和水平运输设备组件,而其中的堆场装卸设备组件又可派生出轮胎吊和轨道吊等组件,其关系见图2.

(3)码头装卸对象组件.用于描述码头内部流通的集装箱,如20英尺箱和40英尺箱等.

(4)码头操作组件.对集装箱码头管理与决策的功能性封装,通过对集装箱码头业务的分析,将业务逻辑大致划分为调度与计划2类.该组件描述的是非可见对象,因此必须允许设计时设置可视化属性.

(5)运动学解算组件.集装箱码头虚拟现实系统涉及大量动态元素的实时运动仿真,如桥吊吊箱过程中的大小车运动状态描述与控制、着箱碰撞分析等.

(6)数据访问组件.将对Access,SQL Server和Oracle等数据库的访问进行封装,隐藏其实现细节,只提供功能接口;同时该组件提供其他组件读取不同数据格式三维模型文件功能.

(7)通信接口组件.提供不同应用程序之间的数据互访功能,其他组件可利用该组件获取外部数据,从而驱动仿真系统.

(8)图形渲染组件.对三维仿真中必须的三维空间进行渲染输出,允许平移、旋转和缩放等基本三维空间操作,为更好适应二维平面仿真需求,图形渲染组件重载部分图形输出函数,达到平面二维仿真的目的.可以通过基于Vega的漫游引擎[9]实现该组件.

2.3 仿真组件实现

遵循将数据和功能封装的原则,仿真组件的核心是提供三维仿真系统所需功能的接口,且各仿真组件之间可以通过接口相互操作.仿真组件实现的关键在于接口与实现分离,其本质是提供集装箱码头物流系统各节点的功能和服务,满足用户的可视化仿真需求.仿真组件对其他仿真组件或者外部程序提供统一的功能接口,但无法访问组件的内部结构.被封装的仿真对象以组件标准提供特定的仿真功能,并通过自身接口与外部程序实现数据交互协作,具体形式如函数、属性和方法等.图3为集装箱码头装卸设备三维仿真组件体系.设备组件成员变量包括Id,位置(x,y,z)和运载集装箱(ContainerArray);方法包括大车移动(WMove)和小车移动等(HMove)等.岸桥、场桥和集卡作为集装箱码头作业的3种主要设备,既继承其父类部分变量、方法,又根据物理特性增加相应成员,如岸桥成员变量同时说明岸桥所处泊位号和场桥所在的场箱贝.

ね 3 集装箱码头装卸设备三维仿真组件体系

3 集装箱码头三维仿真组件平台

3.1 组件协作机制

为实现复杂的集装箱码头三维仿真系统,必须设计正确的组件调用机制,合理部署上述仿真组件.各组件作为客户端调用其他组件定义好的接口进行数据交互操作.根据不同装卸工艺下仿真系统功能上的实际需求,选择相关仿真组件进行相互协作实现集装箱码头整体仿真流程,组件协作机制见图4.图 4 仿真组件协作机制

さ图芷桨逍〕怠⒌图芷鹬匦〕岛偷孛嫫桨逍〕档人有装卸设备都需要引用装卸对象组件,通过与装卸对象组件的协作实现各自状态参数的改变,最终以动态元素运动仿真的形式反映到仿真中.

3.2 三维仿真组件部署结构

合理部署组件对成功开发集装箱码头三维仿真系统至关重要.通过抽象分析系统功能,将组件体系划分为3个层次,见图5.数据获取层包含数据访问组件和通信接口组件,用于获得仿真所需的驱动数据支持业务逻辑层相应的调度计算;业务逻辑层包含码头操作组件、静态布局组件、码头装卸设备组件和码头装卸对象组件,通过业务逻辑组件中的计划和调度等组件实现驱动装卸设备、资源计算等三维仿真驱动功能;用户表示层用于向用户呈现可视化的虚拟场景,如三维图形、仿真统计等,同时允许用户进行必要的人机交互,形成人在回路的实时仿真系统.

图 5 三维仿真组件部署结构

4 三维仿真实例

4.1 基本数据准备

在自主研发的集装箱码头三维仿真组件基础上,结合本文所述仿真系统体系结构,以某公司自动化集装箱码头三维仿真系统构件过程为例说明本文所述方法的具体实现.该码头岸线长度372 m,其设备配置见表1.

表 1 自动化码头设备表编号类型数量/台1岸桥42地面平板小车143低架桥起重小车104低架桥平板小车105轮胎吊146低架桥64.2 组件应用部署

依据该码头实际装卸工艺要求选择合理的组件,按照正确调用机制进行组件部署,以可视化方式设置不同组件对象的仿真参数(见图6),最后按照营运数据驱动和调用各虚拟场景对象的方法函数及事件响应,完成各仿真对象之间的协作运行,当然仿真对象的各参数在运行过程会实时变化.

三维仿真论文篇(6)

1．1当前实物模拟训练存在的局限

培养装甲装备维修技术人才，加强动手能力的训练是一个重要方面，但采用什么样的训练手段，对提高训练质量至关重要。目前的模拟训练，主要是通过模拟真实的装甲装备各组成系统如底盘、火控系统、通信系统等来培养学员的作业和维修操作技能，技术上师徒相传，受场地、师资、实车、实物等条件的制约，训练周期长，教学难度大。装甲装备作业和维修训练是一种师生双向沟通的教学过程，无论教与学哪方面存在问题，其教学效果都要受一定影响。因此，以实物模拟为主要手段的模拟训练，有很大的局限性。

1．2计算机模拟仿真系统的优势

随着多媒体技术的发展，计算机模拟仿真技术日益成熟，计算机模拟仿真系统中的装甲车辆和零配件，采用三维动画制作，图像的仿真程度和实物实景相差无几，它可以通过视觉、听觉、触觉等多种方式对学员的感官进行综合刺激，其效果是单靠实车、实物训练所无法比拟的。学员可以通过键盘、鼠标或操作杆，在计算机操作平台上进行拆装练习、维护保养、排除故障，利用模拟操作台，在模拟战争环境中进行作业、抢修。模拟仿真系统还可以实现信息共享、人机交互和及时反馈，根据学员的具体情况，自行安排难度适中的训练内容，实现因材施教。计算机模拟仿真系统与真实装甲装备相比具有体积小、造价低、功能全等特点，硬件一次性投资以后，软件更新换代快，便于很快普及。因此，装甲装备维修训练由实物模拟向计算机模拟仿真系统转变是一种必然趋势。

2模拟训练的时空由同地向异地网络化发展

过去的实物模拟训练局限在二间教室、一个车间或一个车场，参加学习的人数受到场地、师资、设备等条件的限制，教学效果很难保证。随着计算机及通信技术的发展，计算机网络技术的普及，模拟仿真训练将会开辟出一片新天地，可实现校内联网、院校和部队联网。

2．1校内联网

学员在不同的教室，可以同时运用模拟仿真系统进行操作训练，打破了场地设备等因素的限制，同时展开相同科目的多个专业的教学。校内不同地点的模拟器(如多种车型的武器系统、火控系统、底盘、通信系统)互联，学员还可以按照战术想定进行编组作业。

2．2院校和部队联网

院校的模拟仿真系统还可以同全军各训练机构的训练模拟仿真系统异地互联，实现远程技术教育、数据共享，为装甲装备维修专业的函授教育提供了强有力的技术支持。

3模拟训练的主要形式由实物模拟向虚拟现实技术转变

近几年来，虚拟现实技术成为一项十分热门的技术，越来越多的人员投身到这个研究领域，致力于虚拟现实技术研究、开发及应用推广。虚假现实技术、理论分析和科学实验已成为人类探索客观世界规律的三大手段。虚拟现实技术带来的变化从以前的“以计算机为中心”变为“人是信息技术的主体”：由过去人机之间枯燥、被动的方式变成了人通过手和声音等自然的交互方式与机器交流，人机融为一体。据权威人士断言，虚拟现实技术将是21世纪信息技术的代表，由此可见其重要性。目前，一些发达国家已开始将其应用于军事训练模拟。利用虚拟现实技术进行装甲装备维修技术训练，受训者不是被动地观察计算机中的模拟图像，而是居于一个虚拟的十分逼真的三维世界，在视觉、声觉、触觉等感觉的作用下，尤如身临其境的全身心地投入到“真实”的训练中。又因虚拟现实技术与真实的技术训练相比，没有多大差别，同时还具有交互性、可重复性和训练超前陛等特点，从而使教学效果更好。在未来的十几年内，类似的模拟训练系统，必将大批量生产和广泛普及。

信息技术和计算机的突飞猛进，必将带来训练观念、训练方式、训练手段的变革。运用计算机模拟仿真系统进行装甲装备的作业和维修训练，虽不能完全取代真车实件，但这种方式，有利于提高训练质量和效率，具有无限广阔的发展前景。

参考文献

[1]张超越．工程机械维修训练方式的发展趋势[J]．通用装备保障，2006，8

[2]齐欢，王小平．系统建模与仿真[M]．北京：清华大学出版社，2005．

三维仿真论文篇(7)

【关键词】视景仿真 三维模型 管理系统 标准化

视景仿真技术在军事和生产领域都有广泛的应用。如通过仿真技术布景可以到底模仿实战训练的目的，最常用的是军用航空训练和民用航空训练，通过视景仿真技术可以模仿真实的训练场景，达到降低训练时带来的风险问题，而且它还可以用来减少训练成本和训练设备短缺的矛盾。

1 三维模型库系统的结构

三维模型库系统采用的是多个客户端与一根总数据电缆相连，总数据电缆再与总服务器相连，做到客户端可以相互交流，各个客户端又与总服务器交流的链接。总服务器可以控制整个系统，同时可以接收各个客户端发送来的消息和数据。然而，运用MuliGen Creator的管理方法，在系统结构中预设中总服务器也是一个客户端，只要把其中任何一台客户端作为总服务器，其他客户端就将成为客户端，而这些客户端就会自动指向总服务器，这样就可以运用任何一台客户端作为总服务器，这样可以做到总服务器的随意性和每台机器的数据不泄露的现象。

2 三维数据库的组成

本文中的三维数据库和其他数据库的组成是不同的，它不但包含一般三维数据库所拥有的数据，其中还包含纹理、数据信息等复杂的信息。视景仿真的三维数据库的模型库是一个储存模型的具体信息的地方，它包括模型的图形、名称、具体信息等。三维模型的元件储存库中储存的是用于构建模型的库，这些元件用于构建模型的最小单位，就像用于构建飞机的轮子、窗户、座子等。三维数据的纹理库是储存用来构建模型的具体纹理的数据，在军事模拟来等真实训练中，图形的纹理在训练中起到了更加真实模拟训练环境的作用。

3 三维数据的标准化

对于建设一个视景仿真的三维模型来讲，其中的模型数据进行标准化至关重要，所以要对模型数据的最小单位到模型都要进行统一的标准化。首先，在模型和最小的元件的标准化中，我们常常先把它的命名进行标准化，通过方便合理的命名，使得不论还是小小的元件，在我们在构建视景仿真模型中会更加方便。其次，我们通过将统一的尺寸进行模型的构建，将所有的模型在建设之初的无论是小单位还是大的模型都统一它的构建标准，如预先设定1：1。再次，统一的坐标系，在我们建设一个模型之前，就将其的坐标系设定好，以后在建设的坐标系就要遵循这个原始的坐标系，若要模拟一个海港的模型，我们在建设之初就要设定好坐标，然后所有的建设就要遵循这个坐标。最后，我们在建设模型中要用统一的分辨率，在模型的建设时，每个设计人员所用的计算机很有可能是不一样的，那么他们的分辨率很有可能就会不一样，即使是同一款的计算机，它的分辨率有可能因为人为的设置而不相同，所以在设计之初就要统一分辨率。

4 用户界面的实现

视景仿真的三维模型构建很重要，但是如果无法进行用户界面的实现就会带来无法进行操作的地步，所以说在视景仿真三维模型构建中，用户界面的实现也起到了至关重要的位置。在视景仿真的三维模型构建中，它的用户界面构建都需要windows API的底层进行开发，所以这就给开发带来了很多不便，这也成为视景仿真三维模型构建的一个难点。在现实创建用户界面时，编辑人员还要根据不同的行业和不同的工作习惯来设置用户界面。

5 三维数据库的管理功能

在三维数据库中，所有的图形、纹理等的打开都需要数据源的操作，这样对于数据的管理是非常重要的，数据库的管理完善和整理会给模型的创建带来很多的便捷，相反，如果数据库没有管理好，那么会给数据的采集和编辑带来不便。三维数据库的管理还包括对三维数据库的数据进行适时的整合和分区管理，经过对数据库的管理，可以使数据更加便捷的运用到三维模型中来。

在一个模型的数据库中，小到一个小小的元件都有它的名称和数据，如果想要对一个元件进行编辑加工，只要在查询界面上，对一个数据进行搜索，就会搜索到相应的元件，之后就可以随意的编辑加工。在数据编辑时编辑员还要对编辑的数据进行适时的保存，以免数据丢失。

5.2 数据删除与追加

在三维模型的构建中很容易发生一个元件不适合该场景的应用，那么，就要对这个元件进行删除，而在现实的删除中是有两个层面的，一个是将元件本身的数据进行删除，另一个就是对元件所在的磁盘进行删除，如果选用磁盘删除就会给元件带来永久性的删除，而一般的删除则只是对元件在本三维模型的位置进行删除，在其他位置还会保留，这就要我们在实际操作时多加注意。与删除相对的是元件的追加，在实际模型建设中，我们难免对一个设计进行修改，在修改过程中，就会对之前建设的整个元件不满意，那么就要删除这个元件在追加一个事先建设好的，合乎意愿的元件。

6 结语

本文以视景仿真的起点对三维模型库的管理系统的研究和开发进行了分别介绍，对三维模型库系统的结构进行了简单的介绍，围绕三维数据库的组成和数据标准化进行阐述，最终给用户的实现进行分析，希望通过本文的介绍给读者更加直观更加方便的方法进行三维模型的研究。

参考文献

[1]顾景文，张桦，谢光辉.基于AutoCAD的开放式图形DBMS的开发[J].计算机辅助设计与图形学学报，2001，6（13）：02-04.

[2]宋晓，李伯虎，柴旭东.复杂产品虚拟样机工程中模型库管理系统的研究与实现[J].计算机集成制造系统，2004，12（23）：12-14.

[3]林金杰，韦伟，杨育彬.面向内容的三维模型数据库设计及其检索系统的实现[J].计算机科学，2008，10（12）：23-26.

作者单位