郭燕秋 朱遠(yuǎn)征 程平 曲松

摘 ?要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，在教育、醫(yī)療、建筑、化工、機(jī)械、航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，文章主要介紹了虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展、特點(diǎn)，以及在制造業(yè)、建筑業(yè)、化工行業(yè)和教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī);虛擬仿真技術(shù);應(yīng)用;展望;教育

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0149-03

Abstract： With the development of computer technology， virtual simulation technology has also been rapidly developed and have been widely usedin education， medical care， construction， chemical industry， machinery， aviation and other fields. This paper mainly introduces the development and characteristics of virtual simulation technology， as well as the application in manufacturing， construction， chemical industry and teaching and training.

Keywords： computer; virtual simulation technology; application; prospect; education

引言

早在20世紀(jì)40年代，仿真技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)了，在1962年，G W Morgenthater首次對仿真進(jìn)行技術(shù)上的定義，即實(shí)際系統(tǒng)不存在或比較復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)的情況下對系統(tǒng)或活動本質(zhì)上的實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真一詞最早是由計(jì)算機(jī)科學(xué)家杰倫·拉尼爾在1987年使用的，拉尼爾被認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的創(chuàng)始人之一。虛擬仿真是一種流行的信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域，通過創(chuàng)建與人類感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，克服現(xiàn)實(shí)世界的空間和物理約束，提供一種間接的體驗(yàn)[1]。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，仿真技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，可以幫助人類更加真切、直觀的體驗(yàn)，就像是真實(shí)的世界一樣。虛擬仿真技術(shù)是人類發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，是成為繼科學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)推理之后人類了解、發(fā)現(xiàn)自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法，它也是一種獲取信息和知識的新媒體，用以前不可能的方式來表達(dá)思想的概念，而且也正在全力發(fā)展成為人類認(rèn)識客觀規(guī)律、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項(xiàng)具有通用性、戰(zhàn)略性的技術(shù)。

虛擬仿真技術(shù)具有以下四個(gè)基本特征：（1）沉浸性：即在虛擬仿真系統(tǒng)中，用戶可以獲得聽覺、視覺、嗅覺、運(yùn)動、觸覺等各種感官上的感知，從而獲得沉浸其中、身臨其境的感受。（2）交互性：即在虛擬仿真系統(tǒng)中，不僅環(huán)境可以作用于人，而且人也可以對環(huán)境進(jìn)行控制，而人的行為幾乎是通過自然的、本能的行為（自己的語言、肢體動作等）來控制，虛擬環(huán)境還可以對人的操作做出實(shí)時(shí)的響應(yīng)。（3）虛幻性：即系統(tǒng)中的環(huán)境是虛幻的，是由人們利用計(jì)算機(jī)等工具模擬出來的。它可以模擬過去存在于客觀世界中的環(huán)境，也可以模擬現(xiàn)在實(shí)際存在的環(huán)境，還可以模擬現(xiàn)在不存在于客觀世界但是將來可能出現(xiàn)的環(huán)境，又可以模擬現(xiàn)在不存在于客觀世界但又僅僅是人們想象出來的環(huán)境。（4）逼真性：其逼真性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是虛擬出來的環(huán)境給人一種真實(shí)感，感覺就像是生活在現(xiàn)實(shí)世界中一樣;二是當(dāng)人們以自然的行為作用于系統(tǒng)環(huán)境中時(shí)，虛擬環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的相關(guān)規(guī)律。

目前，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到用戶可以脫離現(xiàn)實(shí)世界的地步，其發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新階段，在教育、醫(yī)療、機(jī)械、建筑、航空、工業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，用于研究、評估和可視化。

1 虛擬仿真技術(shù)在各方面的應(yīng)用

1.1 虛擬仿真技術(shù)在制造業(yè)方面的應(yīng)用

由于工業(yè)系統(tǒng)較為復(fù)雜和規(guī)模比較大，出于安全和經(jīng)濟(jì)的考慮，仿真技術(shù)已廣泛用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中。而制造業(yè)為工業(yè)化國家的繁榮昌盛做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，滿足客戶需求變得越來越困難，制造企業(yè)需要生產(chǎn)低成本、短時(shí)間交付市場的創(chuàng)新產(chǎn)品。在高質(zhì)量、低成本的情況下滿足個(gè)人的需求，制定經(jīng)濟(jì)可行的以快速反應(yīng)、靈活多變?yōu)榛A(chǔ)的生產(chǎn)模式是非常有必要的[2]。因此，從概念化到生產(chǎn)的新需求和客戶需求迫使制造企業(yè)轉(zhuǎn)向新技術(shù)，即虛擬制造技術(shù)。虛擬制造是指能夠生成有關(guān)制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和行為的信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些信息可以在真實(shí)的制造環(huán)境中觀察到。虛擬仿真技術(shù)提供了一個(gè)強(qiáng)大的建模和仿真環(huán)境，任何產(chǎn)品的制造/裝配，包括相關(guān)的制造過程，都可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真。在大型的設(shè)備中進(jìn)行各種工程系統(tǒng)（項(xiàng)目）構(gòu)建之前的概念研究和開發(fā)中扮演著越來越重要的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展在各種工程應(yīng)用中支持虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建模、制造控制、過程仿真、制造計(jì)劃、培訓(xùn)、測試和驗(yàn)證。虛擬仿真技術(shù)在制造應(yīng)用中具有巨大潛力，可以解決安全和經(jīng)濟(jì)等方面的問題。

許立[3]等給出了使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫驅(qū)動3D仿真模型的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，并將其應(yīng)用于制造車間布局的設(shè)計(jì)和分析，最終實(shí)現(xiàn)了開放式的、可視化的制造車間布局設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它還為舊車間的布置提供了解決方案。在虛擬制造環(huán)境中，艾武[4]等人對虛擬車間的制造資源進(jìn)行了三維建模，并對這些資源進(jìn)行了研究和分析，為基于多主體虛擬車間的敏捷調(diào)度的3D仿真提供了支持環(huán)境。姜立軍[5]等結(jié)合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法和虛擬建模技術(shù)，研究了裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行方式，提供了三維圖形建模機(jī)制和生產(chǎn)過程的實(shí)現(xiàn)方法。數(shù)控加工虛擬仿真培訓(xùn)軟件可以執(zhí)行實(shí)際數(shù)控設(shè)備的大部分功能，從而大大減少了資金投入，降低了培訓(xùn)成本，提高了學(xué)生效率并加快了培訓(xùn)效率。虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)培訓(xùn)設(shè)備的不足，節(jié)省了大量培訓(xùn)材料，減少了污染物的釋放，降低了培訓(xùn)風(fēng)險(xiǎn)，具有“五融合、四層次、三模式”的虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，解決了石油行業(yè)在高溫、高壓和危險(xiǎn)條件下不可視、難以接近的培訓(xùn)問題。鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)石油工業(yè)技術(shù)并提高他們的興趣，學(xué)生的實(shí)踐能力提高了學(xué)生的工程意識[6]。唐國兵[7]等人分析了在汽車裝配課中使用虛擬仿真應(yīng)結(jié)合實(shí)際的訓(xùn)練。Yoon Hyuk Kim[8]等人開發(fā)了一個(gè)涉及核電站的輻射工作的模擬程序，通過在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行輻射工作來預(yù)測輻射暴露水平，并通過以圖形方式可視化劑量率來直觀地表示高劑量危險(xiǎn)區(qū)域，從而可以預(yù)測虛擬工作人員的暴露率。Jeong， K.等人[9]開發(fā)了一種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法來模擬和評估核設(shè)施在對退役工人的暴露劑量。核聚變是解決人類能源問題的重要途徑之一，Lei， Ming Zhun等人[10]采用虛擬仿真技術(shù)對核聚變裝置進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，ITER反饋系統(tǒng)的電磁分析表明了虛擬仿真技術(shù)在核聚變工程中的具體應(yīng)用，以及ITER熱屏蔽的熱分析，驗(yàn)證了虛擬仿真技術(shù)的重要性。

1.2 虛擬仿真技術(shù)在建筑方面的應(yīng)用

隨著虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑動畫領(lǐng)域越來越多地應(yīng)用于對這種虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真，建筑動畫的虛擬仿真技術(shù)可以使我們對建筑有更深刻的體驗(yàn)和更真實(shí)的感受，具有廣闊的應(yīng)用前景。建筑工程施工是將一項(xiàng)設(shè)計(jì)在圖紙上的圖畫建造成實(shí)物的復(fù)雜、繁瑣、艱巨的任務(wù)。在施工過程中存在著多變性、復(fù)雜性、不確定性以及多樣性等特點(diǎn)。在目前看來，對于施工方法的優(yōu)化主要建立在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中，但是，主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工的優(yōu)化存在一定的局限以及不確定性，特別是在全新結(jié)構(gòu)或復(fù)雜條件下的施工，基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)來進(jìn)行控制優(yōu)化、事故預(yù)測和生產(chǎn)計(jì)劃等的優(yōu)化、可行性的分析和預(yù)測時(shí)，可能會由于慣性的思維方式而忽略重要結(jié)果而造成不可估量的后果。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)創(chuàng)建建筑物的幾何模型和施工過程模型，以交互方式和逼真方式模擬建筑結(jié)構(gòu)，以進(jìn)行驗(yàn)證并比較、優(yōu)化。

目前，國內(nèi)外的研究基本上都停留在理論上，而真正將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑上的工程是上海正大廣場[11]，該系統(tǒng)包含了三部分：（1）建筑的外觀和建筑周圍環(huán)境漫游;（2）建筑內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)的實(shí)施方案和優(yōu)化;（3）桅桿起重機(jī)以及鋼構(gòu)件承受力、焊接變形分析。陳正華等人[6]介紹了虛擬仿真技術(shù)在城市規(guī)劃、建筑裝修工程這兩個(gè)方面的應(yīng)用，可以大幅度的降低成本，減少不必要的支出。以德國的弗蘭克福市為例：它使用虛擬仿真技術(shù)模擬整個(gè)城市模型，并使用該技術(shù)在城市中設(shè)計(jì)大型商業(yè)銀行，使用3D模型和CAD技術(shù)來實(shí)現(xiàn)銀行的特定規(guī)劃，并通過不斷更改特定參數(shù)的形式來不斷創(chuàng)建合理的城市商業(yè)銀行，從而使銀行的設(shè)計(jì)計(jì)劃更加合理，該項(xiàng)目成功建設(shè)后，得到了政府和公眾的高度認(rèn)可，節(jié)省了大量人力和物力，實(shí)現(xiàn)了城市發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展。

1.3 虛擬仿真技術(shù)在化工和教學(xué)方面的應(yīng)用

在實(shí)際的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，許多化學(xué)藥品具有易爆炸、易燃燒、毒性大、具有腐蝕性和輻射等危險(xiǎn)特性。在某些情況下，它們還有可能會引起灼傷和爆炸，并造成人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失和其他事故。而在化學(xué)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，許多主觀因素，例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場地、時(shí)間等都會在實(shí)際的教學(xué)中受到限制。建立虛擬仿真訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)平臺，根據(jù)工程改革與發(fā)展的方向，以及工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)，將課程信息技術(shù)與傳統(tǒng)化學(xué)教育和實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合，通過虛擬仿真培訓(xùn)平臺，可以使化學(xué)操作過程（如不可視性、不可及性、高風(fēng)險(xiǎn)和高污染）更加直觀和易于接受，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)。學(xué)校以實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，鞏固了化學(xué)工程的理論知識，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力?；ゎI(lǐng)域的虛擬仿真教育研究和理論研究也可以分為兩部分：一是儀器分析實(shí)驗(yàn)和有機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，主要指大型復(fù)雜的分析儀器。儀器分析課程通常會用到大型分析測試設(shè)備，例如氣相色譜法，液相色譜法，傅立葉變換紅外光譜法和紫外光譜法。而在實(shí)際的教學(xué)過程中，例如氣相色譜法由于儀器價(jià)格昂貴，學(xué)生人數(shù)眾多，管理繁瑣等因素，而致使氣相色譜的操作主要是由老師進(jìn)行，因此用于氣相色譜模擬的軟件可以彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)際上無法工作的問題。二是與化學(xué)原理實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來。3D化學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)室可以模擬實(shí)驗(yàn)過程，包括閥門切換，流量控制等。它可用于在現(xiàn)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。隨著信息和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)過程中的風(fēng)險(xiǎn)評估、風(fēng)險(xiǎn)識別、安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作人員培訓(xùn)、故障診斷等方面，使用虛擬仿真技術(shù)模擬在化工過程中的作用越來越大。該方法不需要設(shè)計(jì)特定于問題的觀測器來估計(jì)未測狀態(tài)變量，并且可以同時(shí)識別和診斷故障，通過在線修正更新了化學(xué)過程的參數(shù)。

Di Peng[12]在一篇文章中介紹了基于真實(shí)地形建立了工業(yè)園區(qū)3D場景，使用虛擬仿真技術(shù)模擬了化學(xué)工業(yè)園區(qū)內(nèi)氣體擴(kuò)散。以氨泄漏和擴(kuò)散為例，通過將有毒氣體擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型嵌入3D場景，在虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)了泄漏事故的發(fā)生。事故的整個(gè)過程可以從不同的角度來看。3D場景中包括實(shí)體模型的創(chuàng)建、事故場景和渲染的構(gòu)建。借助虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場的特殊效果，研究結(jié)果表明，虛擬仿真方法可以有效地模擬3D場景中的事故，在應(yīng)急預(yù)案演練和事故過程分析中具有重要意義。沈華明[13]利用虛擬仿真技術(shù)，對常減壓裝置和減壓塔進(jìn)行了靈敏度的分析，并研究了溫度和輕油回收率的關(guān)系。使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行不斷地優(yōu)化，并且取得巨大的成功。Model Chemlab[14]是美國Model Science公司研制的一款交互式化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M軟件，具有良好的用戶操作界面和操作性能，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以模擬常見的實(shí)驗(yàn)以及不常見的實(shí)驗(yàn)，操作用戶還可以根據(jù)自己的理論想法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，它能夠滿足教學(xué)內(nèi)容的不同類型的需求，同時(shí)對于一些具有危險(xiǎn)性或費(fèi)用比較高以及耗時(shí)較長的實(shí)驗(yàn)都可以起到很好的輔助作用。COREL Chemlab[15]是美國Corel公司研制出來的一個(gè)可進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的軟件，形象逼真，有聲有色，可以在軟件上進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)，在一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)際實(shí)驗(yàn)的不足。

2 展望

虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)、建筑施工、化工原理、教學(xué)培訓(xùn)等領(lǐng)域內(nèi)已取得了較為成熟的發(fā)展，但在航天航空、軍事、電力、石油化工、通信、核工業(yè)等領(lǐng)域還處于剛剛起步階段，其價(jià)值和應(yīng)用前景將不可限量。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ah C.S.， Ahn J.， Ahn C. Electronics and Telecommunications Research Institute[J]. 2015，XVII：548-551.

[2]Nee A.Y.C.， Ong S.K.， Chryssolouris G.， et al. Augmented reality applications in design and manufacturing[J]. 2012，61（2）：657-679.

[3]許立，李偉峰，施志輝，等.三維仿真技術(shù)在車間布局設(shè)計(jì)中應(yīng)用的研究[J].機(jī)床與液壓，2004，（8）：63-65.

[4]艾武，劉家福，王洪海，等.虛擬車間三維仿真環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39（9）：32-34，94.

[5]姜立軍，李哲林.裝配型制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的三維圖形仿真建模[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（3）：47-52.

[6]劉振東，李曉東，馬建民，等.虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（3）：160-163.

[7]康國兵，馮南山.仿真技術(shù)在汽車裝配教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，18（01）：78-81.

[8]Kim Y.H.， Park W.M. Use of Simulation Technology for Prediction of Radiation Dose in Nuclear Power Plant[J]. Lecture Notes in Computer Science， 2004， 3314： 413-418.

[9]Jeong K.， Choi B.， Moon J.， etal. Real-time assessment of exposure dose to workers in radiological environments during decommissioning of nuclear facilities[J]. Annals of Nuclear Energy， 2014， 73： 441-445.

[10]Lei M.Z.， Song Y.T.， Wang S.K. Application of Virtual Simulation Technology in Fusion Engineering[J]. Management， Manufacturing and Materials Engineering， Pts 1 and 2，2012，452-453：228-232.

[11]張利，張希黔，陶全軍，等.虛擬建造技術(shù)及其應(yīng)用展望[J].建筑技術(shù)，2003，34（5）：334-337.

[12]Di P.， Qi L.， Bing W.， et al. Study on Virtual Simulation Method of Toxic Gas Diffusion Accidents in CIP[C]. 2013.

[13]S H. The Application of Process Simulation Technology in Optimizing Atmospheric and Vacuum Distillation Unit[J]. Sino-Global Energy， 2011：17-20.

[14]楊松耀.Model_ChemLab-化學(xué)實(shí)驗(yàn)的好幫手[J].浙江現(xiàn)代教育，2012（04）：37-38.

[15]C B. Really reappearing of chemical experiments application of Corel ChemLab[J]. Computers & Applied Chemistry， 2006，23（10）：1038-1040.