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数字化仿真技术范文精选

数字化仿真技术

数字化仿真技术范文第1篇

一、建设条件与基础

建立“校校联合、资源共享”的教学实践共同体运行机制。2020年1月,以“校校联合、资源共享”为指导,成立了以山东电力高等专科学校为牵头单位、各成员单位共同参与的教学实践共同体。共同体立足电气工程相关专业人才培养,以一线岗位实际工作的需求和意见为导向,制定实施联合培养协议,建立了基于岗位典型工作任务的教学资源开发机制,联合制定实施校校联合管理办法和资源共享管理办法,共同开展学生培养管理,共同承担教学成本和管理职责,建立了教学实践共同体稳定运行机制。培养“共建共享、远程指导”教学实践共同体师资队伍。教学实践共同体以“共建共享、远程指导”为指导,制定推进各成员单位在师资队伍方面的共建共享,共同开展远程学习指导工作,促进教师在成员单位之间交流任教、共享资源,共同指导学生开展仿真实训,共建共享一支结构合理、数量充足、素质过硬、专兼结合的教学实践共同体师资队伍。建设“虚拟仿真、贴近现场”的技能训练平台。教学实践共同体以“虚拟仿真、贴近现场”为指导,按照“服务现场实际、再现工艺流程、锤炼操作技能”的原则共同设计技能训练平台,先后建设了变电运维、电网调控、配电自动化等现场型、混合仿真型、纯软仿型实训室30余个,以真实的现场设备、实际的操作系统搭建了各专业岗位的工作实境。按照岗位工作规范和培养电力一线工人标准,联合开发技能实训作业指导书,严格依据现场工作步骤,标准化开展安全风险交底、工作准备、流程操作及现场恢复等工序,通过反复练习真实任务,不断强化学生规矩意识和规范化操作习惯。形成“对接生产、任务驱动”的仿真实训教学资源库。教学实践共同体按照现场实际生产流程,重新开发学生培养所需的教学资源。首先依据岗位工作标准提炼核心知识点和关键技能项,重构课程标准的知识目标和能力目标,通过设置若干工作情境予以支撑;其次按照新编课标开发行动式教材,整合大量企业现场操作任务和案例,在各情境设计若干学习任务,以实际的操作任务为载体,将必备的知识融入现场标准化的操作流程,并据此编制整体教学设计、单元教学设计。电气工程山东电力高等专科学校以教育资源数字化虚拟仿真共享为建设目标,推进电力工程专业全领相关专业已开发情境任务式课程标准40余门、行动式教材20余本,同时编制基于岗位标准的实训作业指导书40多部,网络课件100余个,建立了突出岗位特点、对接生产过程的教学资源库。

二、建设方案

通过虚拟仿真技术的应用,带动学校整体的数字化转型,系统整体规划,统筹分步实施。通过虚拟仿真技术应用,推动电气工程相关专业教育教学模式、业态和方式的“三个转变”,打造线上线下相融合的教学新业态、新模式。具体包括如下四方面内容:一是加强数字基础设施建设,推动虚拟仿真技术进一步深化落地。扩容网络链路带宽,实现万兆进楼宇、千兆到桌面。加强5G关键技术研究和网络建设,深化5G在培训教学、学生管理等核心业务领域的试点应用。建设物联管理平台,实现全部智能业务终端统一接入和管控,打造全面感知、高效处理、应用灵活的智慧物联体系。二是集成各专业虚拟仿真系统,建成公用仿真中心,打造虚拟仿真实训云平台。建设基于云端技术的电网运行虚拟仿真培训支撑平台,为各仿真应用提供网络化协同仿真运行环境,为远程网络化仿真培训学习提供技术支撑;部署电网运行人员学习自适应培训子系统,采用统一规范XAPI的学习行为采集技术,实现仿真学习行为数据的采集、存储与分析;构建电网运行专业自适应培训系统模型,研发自适应学习引擎,针对用户知识掌握情况和培训目标进行个性化精准化培训内容推荐,帮助用户快速提升专业技能;部署仿真培训智能引导和自动评价子系统,综合考虑操作仿真行为及电网运行状况指标,实现对网络化仿真学习行为的智能引导和自动量化评价;研发进阶化虚拟仿真学习功能,在仿真系统中增加闯关、多人对抗积分排行、道具、等级提升等元素,提高仿真系统学习趣味性。部署电气工程相关专业的线上虚拟仿真系统,实现传统实训资源的数字化、线上化转型。三是推动电气工程相关专业教育教学的数字化建设。落实学校“双高”建设方案,围绕“一体双育四化”职业教育新模式,主动适应“互联网+职业教育”发展需求。运用培训教学云服务平台及外网公用数字化平台,部署虚拟仿真云系统,探索应用线上教学、远程辅导等教学新方式。推进线上教学方式常态化,实现核心课程线上直播授课、在线测验。全面实施线上线下相结合,推进课堂授课与线上课前自学、在线学习,在线测试、课余辅导等灵活结合。四是强化基于虚拟化技术的培训教学数字资源建设。以职业能力为核心,加快涵盖课程、微课、课件、案例、试题库等教学资源的转化和建设。制定建模标准,构建电力设备模型标准库、电力行业标准运营框架,试点建设涵盖设计施工、运行检修、供电服务、品牌传媒的分布式虚拟仿真实训系统。深化系统集成和开发,推动虚拟仿真培训与生产环境密切结合,营造“时时能学、处处可练”的实训环境。

三、预期成效和考核指标

数字化仿真技术范文第2篇

关键词:数字化设计;农业机械设计;设计需求;实物模型

农业生产机械对于我国的农业生产产值有着重要影响,只有使用更为先进的机械来完成农业生产任务,才能保证农业生产任务高效率地完成。为了保证机械产业发展的合理性,可以借助数字化设计技术来实现生产机械设备的基础设计。现阶段,社会已经进入信息化时代,信息化技术在各个领域呈现出稳定的发展态势。尤其在农业机械领域内,各项技术都正在逐步渗入,积极创新,信息化技术也得到了广泛应用。特别是数字化设计技术,在农业机械设计过程中发挥了重要作用,可以有效地实现设计理念的创新,进一步提高设计效果。

1数字化设计技术

数字化设计技术在各行各业得到了广泛应用,如设计行业在进行项目设计的过程中经常应用CAD软件。同时,随着科学技术的高速发展,计算机技术和设计技术都有着不同程度的发展,在对产品进行设计过程中,设计技术内涵有着较高的提升。在现阶段设计过程中,需要进行数字化平台搭建,进而可以在计算机技术支持下建立数字化产品模型,并在进行产品开发过程中起到重要作用。这种数字化技术方式能够有效地节省实物模型制造时间,以此达到较高的设计效率。

1.1基本概念

数字化设计技术有别于传统的二维CAD设计,数字化设计解决方案是以三维设计为核心,并结合产品设计过程具体需求所形成的一套解决方案,如风格曲面造型、设备空间布局、数字样机评审、人机工程校核等。它与数字化制造、数字化仿真共同构成了现代制造业的先进数字化研发平台。在进行设计的过程中,由于信息技术的高速发展和普及,计算机数字化技术有着较大的发展空间。为此,在设计中与计算机技术相结合,形成了数字化设计技术。在具体应用过程中需要在计算机系统里输入设计过程当中的信息数据,从而进行多元化处理。其中,包含数字编码、数字压缩以及调制解调等设计内容。

1.2技术特征

数字化设计技术随着技术的发展而逐渐发生变革,在计算机软件功能不断完善和优化之下,可以有效地绘制产品图纸。之后,在系统中可以进行模拟,对其仿真实验产品模型运行情况进行完整观察和分析,并针对运行过程中出现的问题,对设计方案进行有效优化,提升产品设计的合理性。在实践中,数字设计技术突出了产品定义、标准化模型等特点,可广泛应用于各个领域。1.2.1统一产品定义模型。在传统的产品设计过程中,同一个产品的定义模型往往会存在着一定的差异性。因此,在这样的设计过程中,其产品设计具有一定复杂性。在不同的定义模块中,转化过程增加了设计人员对其数据管理的工作量,容易导致时效性不足,并直接导致数据方面出现不同程度缺失,严重地影响到产品的设计质量。而数字化设计是一种基于数字化产品定义模型的设计和分析,在设计过程中有着明显的单一性特征,其在产品的生命周期管理方面有着一定基础。而在现阶段的信息集成化设计中,产品模型建设过程中始终保持一定的差异性,同时设计重心也不具体。因此,就需要严格依据产品模型进行有效协调,进一步提升数字化设计成效[1-2]。1.2.2满足设计需求。在进行设计的过程中,需要依据项目分工协作的实际需求,充分明确项目的不同分工,保障在每一个设计环节都能够让不同小组进行分别设计。而在这种分工设计过程中,可以有效地保障产品的数字模型得到良好构建,并形成质量较高的实物模型。分析时可以对模型进行制造性以及完整程度的分析,有效地提升设计过程中的质量,充分满足设计需求。1.2.3不需要实物模型。在数字化设计的过程中,由于是基于计算机系统进行仿真模型的建立和研究,并不需要进行实物方面的模型建立。这种方式便于控制各种不合理影响因素,有效地简化实物模型的建立,既可提高设计效率,还可控制设计成本。现阶段的设计过程中,数字化设计技术有着较高的可靠性。同时,数字化技术在实际设计过程中,可以有效地依靠计算机技术,在网络技术的支持下,对产品的开发进行全程控制,并且可以开展一些虚拟产品的设计和开发[3-4]。

2数字化设计技术的研究重点

2.1计算机辅助设计

计算机辅助设计是基于现代化设计技术的一种方式。在具体使用过程中,可以有效地应用到农业机械设计中,多体现为图纸的绘制。在设计农业机械设备过程中,设计人员需要利用计算机系统,使用各种绘图软件进行机械设备图纸绘制,同时,相关技术人员还需要将其中的参数录入到系统当中,使用计算机程序功能并依据图纸上的具体信息,将图纸进行准确绘制。数字化设计技术的应用,可提高绘图软件功能和可靠性。在进行农业机械设计的过程中,能够有效地通过计算机辅助设计,提高设计的便捷性以及高效性。

2.2知识工程应用于数字化设计

知识工程在数字化设计技术的应用过程中是一个十分重要的组成部分,尤其是在现阶段数字化设计过程中,随着设计应用范围扩展,越发起到了关键作用。所谓知识工程,即KBE,是一种基于现代化的设计方式。相比传统的设计方式,在实施过程中有着较为明显的优势性。在应用过程中,主要在技术、市场这两方面。在全新的知识体系以及技术支持下,知识工程逐渐伴随技术的发展而形成。在过去的设计过程中,其知识建模技术应用在人工智能以及知识工程领域当中,能够有效地通过计算机技术,对于设计和研究的对象进行合理的分析和计算。在进行应用的过程中,还能够利用知识建模技术对其框架以及模型进行有效分析。之后还需要通过智能计算,进一步地提升计算机智能化的服务水平。

3数字化设计在农业机械设计中的应用

3.1具体应用

在传统的设计过程中,往往需要针对设计对象需求进行相关设计规划。但在应用数字化设计技术之后,由于数字化设计技术是一种基于计算机软件下实现的设计方式,为此在图纸绘制和输出过程中还需要利用CAD、CAE等技术,不仅可以考虑产品设计需求,同时能够结合产品的生命周期特征,对其设计过程中的要点进行合理调整,进一步提升设计过程的效率和质量,充分保障在设计过程中能够具有较高的质量性和经济性。同时,在日后的制造过程中,能够便于对产品维护。所以,对于数字化设计技术的使用,能够对设计方案进行整体性的优化。农业机械设备总体工作环境比较复杂,在实际使用中需要全面考虑土壤的基本条件和农作物的种类,在设计制造的过程中需要充分考虑各方面的因素,全面提高农业机械设备的实际应用性能。市场对于高性能的机械设备有着较高的需求,为此将其数字化设计技术应用的过程中,需要基于传统的设计方式,对其进行充分优化,避免在设计过程中出现质量问题,在实际设计过程中,还需要重视起对现阶段农业设计技术方面的运用,进而有效保障提升农业机械设备的设计效果,以及提升整个行业当中的设计水平。

3.2虚拟仿真技术的应用

虚拟仿真技术应用于农业机械设计过程中是未来发展重要趋势之一。虚拟仿真技术的应用过程中主要是利用综合应用的图像系统,与设计的各种设备接口连接,以此形成仿真的三维图像。这种类型的三维图像,具有较强的交互性特征。农业行业的特性决定了农业机械设备的使用场景,进而影响了农业机械设备很多的设计过程中需要设计人员身临其境,在设备工作现场进行设计元素的提取。基于虚拟仿真技术下的设计,能够较为真实的还原应用场景,使之现场仿真模型虚拟地呈现在设计者面前,从而还原了现实场景,形成良好的设计效果。同时在进行数字化设计过程中,也可以更加有效地进行设计方案的优化和调整,针对传统的设计方法无法实现的一些设计问题,进行有效处理。

3.3产品设计与制造的协同

在进行农业机械设备的设计过程中,其数字化设计技术方式有效地帮助设计人员在农业机械产品设计过程中更加准确地将产品设计和其接下来的制造需求进行了融合,从而让整体设计理念、生产制造和未来的设备调试进行了良好的协同和结合。通过计算机基础下的数字化设计技术方式,仿真使用场景下的不同工作方式,能够充分体现出农业机械设备产品设计和制造的协同和合理性。

3.4重视创新性设计

现阶段农业机械设备的设计,需要充分进行设计方面创新,来保障农业机械设计过程中不断提升的使用需求。这就需要农业机械设备从业设计人员能够严格依据设计当中发现的问题,进行创新研发,进一步提升农业机械设备设计过程的合理性。具体到产品设计过程中,就需要着重基于传统农业机械设备自身的可靠性、经济性、合理性的使用要求下,对每一款需要用到的机械型号,进行市场事先调查分析,在保障使用设备设计用途的前提下,再进行设计理念和设计技术的创新、优化、完善,从而有效保障在农业机械设备在设计过程中,满足个性化、替代化的使用需求,具有较高的应用价值。

4数字化技术在农业机械设计中的未来展望

4.1柔性化

在农业机械的设计过程中,柔性制造系统主要指的是信息系统和物质储存系统。柔性化制造是建立在现有技术基础上,柔性化制造系统模式可以变换加工对象,在实际应用中确定具体机械制造过程,对加工设备和物料进行合理选择。柔性化制造系统在我国农业机械中的应用范围不断扩大,在实际应用中也起到了重要作用。机电一体化系统柔性化制造模式不但可以满足多批次不同产品的需求,同时也可以有效结合市场的实际需求进行调整,确保人力资源和设备资源得到合理应用[5]。

4.2智能化

工业数字化、智能化发展的环境下,越来越多的信息化设备开始和机电工程融合,促进了农业机械工程事业的发展。机电一体化系统在机械工程中的应用,能够实现工程项目的智能化、全程化管控。在未来机械工程发展过程中,还将整合人工智能、计算机工程科学、心理学等多学科内容,更好地为农业机械发展服务。基于农业机械工程建设的需求不断创新发展,持续提高农业机械工程生产的质量及效率,强化管理效果,降低能源消耗量。

4.3微型化

近年来,我国农业机械工程技术水平不断提升,对技术研究的重视程度加大,且机电一体化系统逐渐趋向于微型化的方向发展。当前机电一体化系统技术的标准,一般电子机械的体积小于1cm3,随着半导体工艺的进一步提升,在未来的发展过程中会更加注重将经典的农业机械本体与先进的计算机控制技术融合为一体,通过更小的体积、更低的能源消耗的计算机控制来实现传统农业机械本体逐步智能化、微型化,使之具有更加灵活的应用能力和应用场景。所以微型化的发展方向在今后农业数字化机械设计中应当充分考虑,全面应用。

4.4模块化

当前农业机械一体化关联产品的类型、种类较多,需要考量的影响因素较多,无法构成统一性的标准,也会影响机电一体化系统具体应用的可行性[6],如在数字化设计农业过程要考虑机械传感器接口、电气传感器接口设计等。针对上述问题,未来需要强化在数字化设计农业机械中的系统化、标准化管理,加强新技术研究,且根据常见的农业机械生产需求等,制定模块化的产品,推动相关农业设备生产企业的规模扩展。

4.5网络化

数字化设计的网络化应用,将数字化设计考虑与网络连接,则能够实现农业机械的网络化的远程监管和自动化控制。比如可以通过现场监控总线、移动局域网监控技术等,为农业机械工作的开展创设便利条件。同时网络化的管理模式下,还能够实时与相关部门、技术人员沟通等,合理应用各类资源,加强信息沟通及技术研究[7-8]。

5总结

综上所述,在信息技术时代,将数字化设计技术运用于农业机械设计中已成为大势所趋。数字化设计技术的应用,不但有助于简化产品设计流程,而且还可使农业产品在设计时更符合农业生产的实际需要,有效保障设计的效率性,值得进一步应用和推广。

参考文献:

[1]蒲阳,詹和平.数字化设计共性技术下的设计与建造研究:以两次美术院校实验性教学为例[J].建筑与文化,2020(9):245-249.

[2]罗克伟.变电站电气二次数字化设计技术优化方案[J].能源与环境,2020(4):33-34+81.

[3]高广智,马铭彧.数字化设计技术及其在农业机械设计中的应用分析[J].现代农机,2020(4):50-51.

[4]姜雪.Stewart并联机构数字化设计技术研究[D].秦皇岛:燕山大学,2020.

[5]王军亚.探析机电一体化技术在智能制造中的发展与应用[J].中国设备工程,2020(20):27-28.

[6]郭振华.基于机电一体化系统在矿山机械工程中的应用分析[J].世界有色金属,2019(17):293+295.

[7]王延申,刘顺华.机电一体化系统在机械工程中的运用探讨[J].石河子科技,2021(4):17-18.

数字化仿真技术范文第3篇

一、充分认识城市仿真在城市规划管理中的现实意义

(一)实现对城市建筑的可视化管理,辅助城市规划管理。通过城市规划部门城市仿真技术建立的城市建筑虚拟模型,可以了解城市建筑的名称、属性、坐标等信息,并可对相关信息进行查询、修改、存储、分类、统计,总体把握辖区内城市建筑信息。例如在进行规划设计方案评审时,城市仿真系统可以显示方案与周边建筑群体的相互关系,真实再现规划建筑和现状建筑的空间关系,使评审专家和决策者可以从多个角度直观对比多个方案,合理作出评价和选择。

(二)实现对城市规划的可量化管理,促进城市和谐发展。运用城市仿真技术建立的数据库系统,包含大量的基础地理信息、遥感影像、测绘数据、电力电讯给排水等大量基础信息,在城市规划建设与运营管理中,利用数字化信息处理技术对数字信息资源加以整合,进行量化,综合分析。通过对城市规划的可量化管理,进一步提高城市规划管理工作水平,促进城市和谐发展。

(三)统一平台,提高公众在城市规划中的参与度。城市仿真应用系统打破了专业人士和非专业人士之间的沟通障碍,使城市规划管理部门、项目开发商、工程人员与公众能在一个统一的平台下进行交流,通过从任意角度,实时互动真实地看到规划效果,参与到城市规划中的相关环节。比如对于公众关心的大型规划项目,在项目方案设计过程中,城市仿真应用系统可以将现有的方案导出为视频文件来制作多媒体资料予以一定程度的公示,让公众真正地参与到项目中来。

(四)展示城市规划,提升城市形象。城市仿真应用系统根据城市的当前状况和对城市的未来规划,将城市的过去、现在和将来任意时间的情况展示在社会各届人士面前,有助于城市的特色宣传和对外形象,也有利于城市的招商引资。

(五)储存城市三维资料,记录城市历史。城市仿真应用系统能对城市每一阶段的三维资料进行有效储存,为城市的发展留下宝贵的历史资料,为今后研究城市的变迁与发展储备了真实的、科学的信息。

二、开展城市仿真工作的基本思路

为充分发挥城市仿真技术在城市规划管理中的作用,我局拟于2008年正式启动城市仿真工作,首期主要针对我市大型项目、重要公共建筑项目及重大市政景观规划等项目,今后要逐步展开。

三、城市仿真工作在城市规划管理中的实施

(一)实施目标:利用城市仿真技术,为城市规划管理提供规划审批辅助决策,为公众提供规划展示平台,为数字城市建设奠定基础。

(二)实施城市仿真三维评审:城市仿真三维评审是指在规划设计方案评审过程中,建设单位提供建设项目三维仿真模型,通过城市仿真平台,使建筑物的位置、高度、外观,内部结构等直观、真实地展示在评委和专家面前。

1、凡满足以下任意一项要求的项目建议进行三维评审:

(1)规划道路控制红线宽度在40米以上的城市主次干道两侧100米内的项目;

(2)主要道路交叉口周边的建设项目;

(3)沿景观街、商业街、沿江沿河风光带建设项目;

(4)大型及重要公共建筑项目;

(5)中心城区7层以上的建筑项目;

(6)用地面积在1公顷以上的建设项目;

(7)重大市政景观规划工程项目;

(8)其他应进行三维评审的项目和地段。

2、城市仿真三维评审实施流程:

3、城市仿真三维评审需要提供的资料:

(1)送审材料:包括建设项目总平面、剖面图、立面图、平面图等电子文件,文件格式为*.dwg;

(2)建设项目三维渲染效果图:文件格式为*.JPG;

(3)建设项目三维仿真模型:文件格式为*.3ds或*.max;

数字化仿真技术范文第4篇

1.1方案设计

运用3D虚拟仿真技术来对某矿工伤事故现场以及虚拟矿工等进行三维建模,对工伤事故进行分析,使该事故案例还原出逼真的事故场景,提高了仿真效果。方案设计思路如图1。方案设计思路过程:首先是案例资料搜集与整理,理清事故发生的地点、事故经过等;其次是预想摄像机镜头的摆放,包括场景的转换等,以便出现好的镜头效果;在电脑中进行仿真模型构建,包括人物、设备及环境等进行建模;进行静态、动态仿真环境设计,重点是照明、及光能传递设计;随后进行场景优化、渲染,碰撞检测后修改等三维动画开发;最终进行效果展示。

1.2事故案例整理

1)事故经过。某矿运输工区班长带领3名工人,从采区甩道向208外横管运送4辆装溜槽的平板车。约17:00,当车辆运至回风巷2道风门外车场时,某矿工将4辆车1次挂上(按规定1次应挂2辆),4辆车的总长度大于2道风门之间的距离。某矿工和另1人将第1道风门打开后,前3辆车进入风门之间,某矿工和工友又去推第2道风门,推风门过程中,车辆向下移动,某矿工躲闪不及被挤伤。2)事故主要原因。风门之间轨道存在向下的坡度,车辆下滑;矿工违章作业,违反措施规定1次挂4辆车;现场运输环境复杂,电绞钢丝绳过风门;违章同时推开第2道风门。

1.3仿真模型的构建

1)虚拟人物建模。对人体的运动结构的分析,基于人体骨架模型,并结合构造实体几何法(CSG)创建整个人体几何模型。最后采用蒙皮技术把人体骨骼和外形皮肤链接起来。2)设备建模。井下设备建模采用多边形建模,用图像处理软件作出材质贴图,贴在模型的外表面。对于复杂的模型,先做装置的精模,然后在精模的基础上再派生出一个简模;3)巷道建模。巷道模型根据巷道图、巷道照片数字化建模,以便表现矿井巷道的整个概貌。4)环境建模。环境建模需要根据实际地物之间的拓扑关系来完成,其中,巷道模型的精度等问题的解决可以大幅度提高数字化的效果,给人身临其境之感。

1.4静态和动态环境仿真

静态环境仿真,根据巷道参数和风门、矿车等设备外观尺寸来构造事故现场;动态环境仿真,对矿车运行、人员行走等效果采用先进的物理模块及反应堆动力学技术,更自然真实的反应模拟事故案例过程,本系统用Bullfrog环境特效编辑器进行编辑。照明技术是3D三维虚拟仿真技术的重中之重,采用全局光照明技术,提高光斑特效的表现范围;采用体积光技术,表现诸如机械装置的照明设备、井下工人头灯对周围环境的影响等,运用了光线追踪(LightTracer)和光能传递(Radiosity)技术。

1.5三维仿真动画的开发制作

在建模和仿真的基础上,进行展示策划,运用仿真软件开发平台,对事故案例进行开发和集成,制做完成事故案例的还原再现动画软件。

1.6技术关键

1)场景优化技术。通过动态加载、场景分割与拼接、遮挡剔除场景优化等技术可以一定程度上解决硬件资源和高质量场景要求矛盾的问题。2)模型分割技术。使用模型分割技术,观察者离物体近时,使用第1级最多细节的物体模型,当观察者离物体较远时,渲染出第2级LOD图形,并由此类推,渲染出不同细节的LOD图形。3)碰撞检测技术。为了使虚拟场景更逼真,避免产生运动物体相互发生穿透现象,采用碰撞检测技术,进行碰撞效果反应,并进行调整和修改。

1.7还原效果展示

经过精心的研究制作,该事故三维动画视频播放时间为3min56s,逼真地再现了事故的全部过程,画面清晰,给人一种身临其境的感觉,图2,图3为视频部分截图。

2效果分析

从事故仿真应用效果来看,3D虚拟仿真技术以比较逼真、形象、容易理解的方式描述和显现事故场景和过程,让观者有身临其境之感,清楚的看到了事故发生整个过程。事故直接原因、事故产生的隐患等,也能形象的展现在观者眼前。工作人员能够通过现场情景再现,清楚的进行施工安全评价、安全价值分析,从而确定施工过程中可能出现的危险行为和预防措施,进行针对性超前预控管理。受安全教育的人员直观地了解事故经过,对人的不安全行为、不良安全习惯导致事故的原因深有体会。同时,这种方式增强了安全教育的趣味性,提高了职工参与安全教育的积极性,真实的提高了职工的安全教育效果。3D虚拟仿真技术,汇集可视化技术、采矿工程虚拟现实技术、安全科学与技术等,建立煤矿的安全生产虚拟环境,将不可见的一些不安全行为操作及其造成后果展现出来,即以虚拟现实形式形象、直观地表现出来,在安全管理工作方面发挥独特的作用。

3结语

数字化仿真技术范文第5篇

关键词:可视化仿真GIS地下洞室群施工导截流大坝施工总布置

一、研究背景

水利水电工程往往规模大、投资多、施工难度大,因而在工程设计和管理过程中,确定合理的施工方法,优化选择施工机械及配套组合,制订切合实际的施工进度计划,高效简便地对施工信息进行管理,直观形象地反映复杂施工过程,对于确保工程建设如期完成和降低工程造价都是至关重要的。为达到上述目的,除了在施工组织设计中要充分考虑工程特点和具体施工各种条件外,若能在事先对工程施工的运行发展过程和施工中各项活动的协调关系等状况进行预测和评价,将对工程施工组织计划的正确决策提供可靠的依据。可视化仿真技术的产生与发展正好适应了这种客观需要,它为解决施工中上述问题开辟了新的途径。

国外从20世纪70年代开始提出循环网络仿真技术(CYCLONE),至今已发展了一系列的工程仿真应用软件,但这些研究成果及仿真软件主要应用于土木工程施工如高层建筑施工、土石方工程等。20世纪80年代初,天津大学率先在全国开展水利水电工程施工过程仿真方法研究,在近20年的发展中取得了大量开拓性的成果和社会效益。近年来,又在推动水利水电工程设计和管理向可视化、数字化方向发展方面做了大量研究工作。借助于计算机科学、系统科学和工程科学与技术的迅速发展,重点研究了三维动态可视化仿真理论与方法及其在水利水电工程中的应用,获得了一系列富有创新性的理论方法与应用研究成果。

在开展可视化仿真及其在水利水电工程中的应用研究工作中,存在以下三个关键技术问题:

1.可视化技术与系统仿真技术结合的途径

建立基于GIS的交互式可视化仿真系统框架,将可视化技术与系统仿真的各个环节相结合,实现仿真建模可视化、仿真计算可视化、仿真结果可视化。

2.可视化仿真技术在水利水电工程中的应用问题

根据水利水电工程的特点和实际需要,将可视化仿真技术与具体的工程问题相结合,提出可视化仿真技术在水利水电工程中应用的具体途径。

3.可视化仿真软件的通用化问题

水利水电工程施工系统仿真软件的通用化不仅是关键技术问题之一,而且是推广应用的前提。

二、基于GIS的三维动态可视化仿真技术

1.可视化仿真涵义

可视化仿真(VisualSimulationVS)是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术,其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理,同时实现仿真软件界面的可视化,具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后,系统的子模块用形象的图形来表示,并可通过鼠标在屏幕上直观形象的操作,就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节,即仿真计算过程可视化、仿真结果可视化、仿真建模过程的可视化。

2.全过程动态仿真理论与方法

全过程动态仿真理论融合了面向对象的图形辅助建模、动态仿真、网络计划分析与优化、动态演示、数据库等技术,把整个施工过程作为一个整体,对施工全过程进行跟踪模拟。

全过程动态仿真理论的特点就是体现了系统工程的思想。它是针对整个水利水电工程施工系统进行的,所有的优化及调配目标是使整个系统达到最优,而不是局部达到最优。它把整个施工过程作为一个大的系统,综合考虑系统中各个单项工程之间、各个工作面之间相互影响、相互制约的关系,分析整体的施工进度、施工强度等关键问题,获得更为真实的施工情况,从而达到为施工组织设计提供科学依据的目的。仿真流程图见图1。

3.面向对象的图形辅助仿真建模技术

仿真是一种基于模型的活动,建模是仿真过程中十分重要的一个环节。如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题。

面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观,用户可以把被仿真系统的各种活动都看成对象,并根据这些对象的类属关系和本身特性直接构造仿真模型。这种建模过程十分类似于人类所习惯的对客观世界中事件分类的思维过程,所以使仿真用户感到由物理模型到计算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性,使仿真系统十分容易扩充。同时,利用对象类层次结构的合理设计,可以达到最高的代码重用率。

在系统仿真中应用图形技术,能够描述许多用语言难以表达的信息,图形辅助建模就是利用鼠标在计算机屏幕上绘制系统模型或用模型库中已有的系统元件拼合系统模型。

面向对象的图形辅助建模的基础是系统的可分性,即认为系统是由子系统组成的,而子系统又可分解成更原始的子系统。由于这种性质的存在,构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型(子模型)来建造总体模型。对于一个复杂的施工系统而言,按施工系统的层次性,可将其分解为相对简单和独立的子系统,而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以协调,这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。根据上述,便形成了面向对象的图形辅助仿真建模思想。

4.基于GIS的较全面的仿真三维动态数字模型构造及其可视化方法

(1)数字地形模型建立

地表数字地形模型(DigitalTerrainModelDTM)是整个工程施工三维数字模型的重要组成部分,这里既是所有工程建筑物布置及施工活动的场所,也是施工过程中地形动态填挖的受体。水利水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区,因此施工区地表DTM采用TIN模型来实现。建立工程地表DTM由地形等高线原始数据按一定的算法生成TIN模型。

(2)动态实体参数化数字建模

按照实体对象的属性,可将其分别用点、线、面、体等四类图形数据结构来表达。动态实体的数字模型尚需反映其属性信息,几何图形与其属性的一一对应关系建立可利用GIS的空间数据组织结构来实现。同时为反映工程施工的动态过程,在其数据结构中除了描述几何特征及属性外,还体现时间特征。

实体建模若采用参数化建模方法,可大大简化建模过程。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程,而每个部件都由一些关键的参数来定义。

(3)地形动态填挖

地形填挖表现为DTM模型的修改,实质上是对地形TIN模型进行操作。即用足够大的开挖(填筑)初始形体面转化的TIN模型,与地形TIN两者生成相交边界,再从地形TIN上沿相交线切去填挖初始形体面所包含的地形区域,同时从填挖形体TIN模型中以相交线为边界切去多余的开挖(填筑)边坡区域,最后把两个修正后的TIN合并构成一个经填挖后的地形DTM。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。

5.基于GIS的三维动态演示方法

基于GIS的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现,它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程。利用仿真模块得到工程系统的动态信息,包括时间、建筑物几何形状及其属性等,生成工程施工系统各环节某一动态变化单元i对应的图元(施工、水位单元等)任意时刻t的面貌Vi(t),则t时刻的工程整体面貌可表示为V(t)=Σvi(t),n为总的图元数。其中,vi(t)=fi(Xi,Yi,Xi,t),表示在动态施工过程中,包含时间信息的图元的几何形状,它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中,并与其一一对应的属性数据建立联系,从而在动画演示时,按时间顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息,不断更新绘图变量和属性变量赋值,同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。

6.基于GIS的交互式可视化仿真系统结构

基于GIS系统仿真的可视化表现在建模过程中利用GIS的信息可视化采集,以及在仿真可视化操作过程中利用GIS的动态信息可视化表达。由于GIS特有的空间信息组织机制,使得其实现这些功能有着先天的优势。同时,在可视化仿真系统中,用户可根据显示的图像交互控制仿真的各个阶段,直到对所模拟的现象获得理解与洞察。在这一过程中,用户可以通过系统提供的操作界面随着可视化仿真系统反馈的结果来同步保持交互对仿真过程的控制。

图2表示的是一个基于GIS的系统交互式可视化仿真的框架模型,在此模型中清晰地反映了GIS在系统仿真中结合的具体环节,以及用户控制仿真进程的实现手段。

三、可视化仿真技术在水利水电工程中的应用研究

1.复杂地下洞室群施工动态可视化仿真与优化方法研究

地下厂房系统施工开挖量大,施工强度高,施工条件复杂,是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性,容易产生随机排队现象而影响其他作业;由于地下洞室系统纵横交错,布置密集,高差大,施工通道少,使得各工序配合与相互干扰错综复杂;在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时,需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂,传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算,难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案,难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。

基于上述问题,提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法,并研制开发了相应的计算机软件ESAS,其基本构成见图3。通过地下洞室群施工全过程动态仿真,可以对施工过程进行定量计算与分析,进行多方案的比较和优化,直到得出满意方案。

2.水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工导流设计和管理过程,往往需要涉及大量的数据及图形信息,如坝区的水文、地形、地质资料以及枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各种数据及图纸。高效、简便地对这些信息进行管理,是提高设计效率及施工管理水平的关键之一。同时,施工导流方案设计是施工组织设计的重要环节,其设计过程复杂,对不同的导流方案很难进行直观的比较,所以实现施工导流形象直观的表达具有重大的现实意义。

为此,提出水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真理论与方法,并实现施工导截流可视化信息管理与三维动态演示系统CDMIS。此系统充分利用地理信息系统(GIS强大的空间数据分析与处理能力,建立三维施工导截流场地布置模型,以及在此基础上实现可视化的信息查询及管理等功能,从而实现设计过程中信息的可视化管理,同时实现施工导截流三维动态演示。水电工程施工导截流三维动态可视化仿真系统(CDMIS)结构图见图4。

3.混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真与优化方法研究

混凝土坝施工,考虑到温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的影响,需将混凝土坝体按一定的原则进行分缝分块浇筑。由于混凝土坝浇筑量大,浇筑块数以千、万计,浇筑块之间的施工约束条件十分复杂,这就给安排浇筑顺序和进度带来极大闲难,使人工安排浇筑块、浇筑顺序几乎成为不可能。目前在制定混凝土坝施工组织计划时,传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇筑强度等指标来控制施工计划的进程。这种方法由于缺乏系统的定量计算分析,在论证施工各阶段的筑坝进度以及各混凝土坝段升高过程是否能满足大坝施工各方面的要求时总感到论据不足。

随着计算机和系统仿真技术的迅速发展,尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用,使得有可能在计算机上实现对混凝上坝施工的动态过程的仿真实验。事先拟定不同的混凝土坝施工方案,并对施工动态过程进行仿真,可预测不同施工方案下混凝土施工进程的各项定量指标,这对制定合理的混凝土坝施工进度计划将提供科学可靠的决策依据。在充分考虑各种浇筑施工影响因素的情况下,建立混凝土坝施工系统的数学逻辑模型,并在此模型基础上编制计算机仿真软件。通过选取各种可能的机械配套方案及输入不同的施工技术参数进行大坝施工过程的仿真计算,可得到最优机械配套的数量、机械的利用率、混凝土月浇筑强度、逐月累计混凝土浇筑方量过程曲线。同时还可得到相应某施工方案下大坝浇筑施工的详细进度计划、各控制阶段的筑坝进程面貌等。而且通过混凝土坝浇筑仿真还可对其不同的浇筑规则对坝体上升进程的影响进行分析和研究。

同时,利用基于GIS的三维动态演示系统来表现复杂混凝土坝施工过程。通过建立坐标系,把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来,建立实体的数字模型,并按照一定方式将实体与其属性一一对应,从而反映实体的静态空间特征。同时利用过程信息,生成三维动画,为描述复杂的施工过程提供可视化手段。

4.水利水电工程施工总布置三维动态可视化仿真方法研究

水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了一切地上、地下已有的、拟建的建筑物,一切为施工服务的临时性建筑物(包括砂石加工系统、混凝土系统等),因此布置过程非常复杂。

对枢纽主要建筑物施工全过程进行分析,并在此基础上实现各建筑物施工关系之间的协调,以实现直观的施工总布置形象全过程三维动态仿真,使施工场地布置随工程进度计划尽可能形象、直观、迅速地演示现场施工场地变化过程。不仅能直观显示枢纽施工组织设计的成果,而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。水电站施工总布置可视化仿真系统(CLMIS)的总体结构见图5。

四、结束语

可视化仿真的理论和方法包括全过程动态仿真理论、图形辅助仿真建模方法、基于GIS的三维动态数字模型构造及其可视化方法、基于GIS的三维动态演示方法及基于GIS的交互式可视化仿真系统结构等,实现了仿真建模、仿真计算过程及成果的可视化。

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