導(dǎo)語：如何才能寫好一篇仿真引擎的關(guān)鍵技術(shù)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

1三維虛擬技術(shù)概念述

三維虛擬是指通過三維建模技術(shù)建立現(xiàn)實(shí)世界的三維場景,在一定軟件環(huán)境的影響下,驅(qū)動整個(gè)三維場景,響應(yīng)使用者的行為,并根據(jù)使用者的不同行為做出相應(yīng)的反應(yīng),最后通過三維環(huán)境顯示出來。其中動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等,屬于三維虛擬的關(guān)鍵技術(shù)。在三維虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境下,機(jī)械維修人員可以利用三維建模實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的仿真維修訓(xùn)練,真實(shí)感強(qiáng),可視化效果良好,能夠使維修人員對機(jī)械產(chǎn)品和維修場景產(chǎn)生最直接的感受與真實(shí)的操作體驗(yàn),掌握機(jī)械產(chǎn)品的正確使用、維修方法,提高維修人員的維修質(zhì)量和效率,降低訓(xùn)練成本,從而有效地推進(jìn)機(jī)械模擬訓(xùn)練的現(xiàn)代化發(fā)展。

2總體研究方案

在三維虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境下,機(jī)械人員可利用基于IETM式的三維虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)在一個(gè)通用虛擬維修訓(xùn)練仿真環(huán)境中對維修人員進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)和模擬訓(xùn)練,然后通過可視化仿真技術(shù)對機(jī)械產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行解析、導(dǎo)入和顯示,并將機(jī)械產(chǎn)品的各個(gè)模型部件放入仿真平臺中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),然后仿真平臺可通過實(shí)時(shí)的狀態(tài)記錄功能,記錄一個(gè)完整的虛擬裝配流程,此時(shí)維修人員可借助直觀的觀察方式對模型部件進(jìn)行交互控制,最后完成對模型部件的檢查、拆卸和裝配。三維模擬維修系統(tǒng)通過逼真的三維模型和交互式的顯示效果,為維修人員提供了一個(gè)可以進(jìn)行仿真維修訓(xùn)練的平臺,從而實(shí)現(xiàn)基于三維模擬設(shè)計(jì)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品模型部件的仿真維修訓(xùn)練過程。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

三維模擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)是由三維虛擬裝配軟件界面、三維動畫錄制、數(shù)據(jù)文件、三維模型渲染引擎、日志文件等功能構(gòu)成,以ActiveX形式嵌入TETM系統(tǒng),并在系統(tǒng)中設(shè)置鏈接信息,從而系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)交互式操作。在交互式界面中,用戶可利用界面選擇模型制作三維動畫、培訓(xùn)資料,并利用三維模型渲染引擎對三維模型進(jìn)行刷新和顯示。

從系統(tǒng)的使用方面來說,該系統(tǒng)大概有這六方面的功能:對三維模型進(jìn)行導(dǎo)入和解析、進(jìn)行三維繪制、進(jìn)行三維空間操作、錄制動畫、播放三維動畫、進(jìn)行三維培訓(xùn)。通過導(dǎo)入和解析模型文件能夠使系統(tǒng)獲取完整的數(shù)據(jù)信息,然后將模型文件放至仿真平臺進(jìn)行顯示控制,采用鼠標(biāo)、鍵盤等工具對模型文件進(jìn)行空間操作,并記錄每個(gè)操作的工作狀態(tài),連貫成完整的操作流程,利用三維動畫幀文件進(jìn)行動畫播放。另外在此過程中,操作人員可以利用三維培訓(xùn)加強(qiáng)對模型的仿真維修訓(xùn)練,加深對機(jī)械模型的理解和掌握。

4關(guān)鍵技術(shù)

在三維虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境下,基于IETM的三維虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有幾下關(guān)鍵技術(shù)。

(1)三維渲染引擎技術(shù)。

三維圖像渲染引擎是由多個(gè)圖像子系統(tǒng)組成,以實(shí)時(shí)計(jì)算、物理模擬、映射技術(shù)等方式為基礎(chǔ),為三維圖景中的場景、人物、動畫等視覺模型的圖形表現(xiàn)、運(yùn)行效率等提供技術(shù)支持,然后獲得多種圖形的一種表現(xiàn)形式。

該系統(tǒng)主要采用三維渲染引擎Ogre。這種圖形渲染引擎以C++程序?yàn)橐劳?可讓開發(fā)者更簡單直觀地開發(fā)出基于三維硬件設(shè)備的應(yīng)用程序和游戲。當(dāng)三維模型建立后,開發(fā)人員將渲染的對象放入渲染隊(duì)列,然后渲染隊(duì)列自動劃分渲染對象,排列模型的渲染次序。

(2)模型解析技術(shù)。

導(dǎo)入三維模型是進(jìn)行三維仿真維修訓(xùn)練工作的基礎(chǔ)工作,只有完全解析模型文件,才能正確將模型文件及該系統(tǒng)需要的模型資源導(dǎo)入到三維虛擬環(huán)境中,確保用戶對任意對象進(jìn)行自主控制,維持模型文件的顯示效果。等到模型解析完成后,該系統(tǒng)會自動輸出場景文件、資料文件、紋理貼圖、光源等,用戶就可以按照需要對模型文件進(jìn)行拆卸、維修和裝配。

(3)模型控制與動畫實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

在該系統(tǒng)下,用戶可通過操作鼠標(biāo)控制仿真平臺上顯示的模型,同時(shí)可通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運(yùn)動,生成對應(yīng)的動畫效果,然后用戶可通過關(guān)鍵幀的方式記錄自己的操作步驟和具體細(xì)節(jié),如模型部件位置變化、角度旋轉(zhuǎn)、視角轉(zhuǎn)換等,并保存為特定格式的動畫文件。在播放三維動畫的過程中,為了保證操作演示過程的清晰流暢,設(shè)計(jì)人員可在設(shè)計(jì)過程中添加相關(guān)的提示信息、問題設(shè)置等,并結(jié)合三維模型的相關(guān)演示實(shí)現(xiàn)完整復(fù)雜的邏輯流程。

5結(jié)語

綜上所述,在三維虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境下,可利用基于IETM式的三維虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械產(chǎn)品的仿真維修訓(xùn)練。與傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練相比,該系統(tǒng)從裝備維修訓(xùn)練的實(shí)際情況出發(fā),通過仿真平臺將三維模型直接運(yùn)用于機(jī)械產(chǎn)品的操作演示、維修維護(hù)和人員培訓(xùn)上,不僅可以提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量,而且可以降低機(jī)械產(chǎn)品維修使用的費(fèi)用成本,對機(jī)械維修有著積極的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮開平,左宗義．VRML外部程序的應(yīng)用研究[J]．工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2003(3):47～51．

[2] 王海洋,高欽和．大型裝置起豎過程視景仿真系統(tǒng)研究[J]．計(jì)算機(jī)仿真,2007(3):184～186．

[3] 王乘,周均清,李麗軍．Creator可視化仿真建模技術(shù)[M]．武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005．

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關(guān)鍵詞：3D打??；機(jī)械基礎(chǔ)

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1002-7661（2015）05-014-01

在機(jī)類基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)過程中，常用零部件、傳動機(jī)構(gòu)、常用機(jī)構(gòu)是教學(xué)的重要部分，需要學(xué)生知道其結(jié)構(gòu)、原理和常見故障排除。而在培訓(xùn)和教學(xué)過程中如何讓專業(yè)基礎(chǔ)課程更加緊貼專業(yè)課、更加緊貼生產(chǎn)實(shí)際，成為必須面對的問題。為提高《機(jī)械基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)水平，筆者提出了一種基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。

一、方案總體設(shè)想

機(jī)械基礎(chǔ)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)由3d打印模塊和仿真設(shè)計(jì)模塊組成。仿真設(shè)計(jì)模塊的主要作用是提供一個(gè)原理演示和仿真設(shè)計(jì)環(huán)境，逼真地再現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中看到的情況，并通過顯示系統(tǒng)達(dá)到與操作者實(shí)時(shí)互動，讓學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的作用，對系統(tǒng)提出如下功能要求：建立一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，包括自然環(huán)境、工作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境；能夠達(dá)到人機(jī)互動，并通過顯示終端實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；事件特殊效果的顯示和運(yùn)動碰撞檢測響應(yīng)與實(shí)際情況相符。3d打印模塊包含3d打印機(jī)硬件、驅(qū)動程序和模型優(yōu)化程序組成，可完成仿真設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)的零部件。在仿真設(shè)計(jì)模塊中用戶管理模塊完成對使用者（學(xué)生）和管理者基本信息、學(xué)習(xí)進(jìn)度、考核情況等基本信息進(jìn)行管理。原理學(xué)習(xí)模塊包含文字、圖片、視頻等多媒體素材，按照《機(jī)械基礎(chǔ)應(yīng)用》教材章節(jié)進(jìn)行編排。學(xué)生可通過目錄和關(guān)鍵詞檢索兩種方式學(xué)習(xí)、查閱相關(guān)知識。為開闊學(xué)生視野在原理學(xué)習(xí)模塊還將編排部分拓展內(nèi)容。在虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K中學(xué)生可以通過鼠標(biāo)拾取、點(diǎn)擊菜單等方式完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)。參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊將利用soliderworks提供的動態(tài)鏈接庫進(jìn)行二次開發(fā)，學(xué)生通過勾選、指定輸入等方式來完成常見機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和三維形體展示。在3d打印模塊中模型優(yōu)化程序完成3d模型格式的轉(zhuǎn)換和面數(shù)的優(yōu)化。系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體組成框圖

圖2 軟件功能組成框圖

機(jī)機(jī)械基礎(chǔ)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件部分依靠unity3d引擎采用Visual C#來進(jìn)行開發(fā)。其中界面部分利用Microsoft最新的界面技術(shù)WPF，采用XAML語言來進(jìn)行編寫，數(shù)據(jù)庫管理部分采用SQL2008來進(jìn)行存儲。為提高程序開發(fā)效率采用模塊化編程思想，軟件模塊劃分如圖二所示。

二、方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1、3D打印技術(shù)

3D打印（3D printing），即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

2、unity3d虛擬仿真技術(shù)

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關(guān)鍵詞：電力電纜；故障定位；仿真培訓(xùn)；Flex

1、引言

由于電力電纜應(yīng)用成本的下降，以及電力電纜自身所具有的供電可靠性高、不受地面、空間建筑物的影響、不受惡劣氣候侵害、安全隱蔽耐用等特點(diǎn)，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。然而，與架空輸電線路相比，電力電纜的上述優(yōu)點(diǎn)卻為后期電纜的維護(hù)工作特別是故障測距與定位帶來了較大的難度，尤其電纜線路故障的不可觀測性等特點(diǎn)決定了電纜線路故障定位的復(fù)雜性。電力電纜作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，一旦發(fā)生故障將直接影響著整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，如故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，可能導(dǎo)致火災(zāi)、大規(guī)模停電等較大的事故后果。因此，如何快速、準(zhǔn)確地查找電纜故障，減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失，成為電力工程領(lǐng)域與研究界日益關(guān)注的問題。

電力電纜故障定位技術(shù)雖然經(jīng)歷了多年的研究，定位方法和定位技術(shù)不斷成熟，各個(gè)廠家、設(shè)備都有各自的定位方法，但每種方法都只能解決部分問題，行業(yè)內(nèi)也始終沒有形成系統(tǒng)的指導(dǎo)規(guī)范。另一方面，由于在某一特定區(qū)域內(nèi)，電力電纜發(fā)生故障的幾率較小，這就使電纜檢修工人很少有機(jī)會接觸真實(shí)的故障定位環(huán)境，從而容易導(dǎo)致其定位技術(shù)無法熟練掌握。

本文研究的課題是江蘇省電力公司2009年度的科技項(xiàng)目，旨在系統(tǒng)地總結(jié)電力電纜故障原因、故障類型及各階段所采用的定位方法，對各種定位方法從定位原理、適用性、技術(shù)特點(diǎn)、儀表選用和具體操作等進(jìn)行深入地比較，形成系統(tǒng)、全面的操作規(guī)程，為電力電纜故障定位工作提供電纜故障定位導(dǎo)則；另一方面，研發(fā)電力電纜故障定位仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，采用真實(shí)案例數(shù)據(jù)建立故障定位模擬環(huán)境，電纜檢修工人通過仿真培訓(xùn)系統(tǒng)演練各種故障定位的操作，從而加深其對定位知識的掌握，提高電力電纜故障定位的技能和業(yè)務(wù)熟練程度。

2、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.

2.

1.

1.1、

1.1、

2.1、 導(dǎo)則學(xué)習(xí)模塊

包括輔助學(xué)習(xí)模塊額多路徑學(xué)習(xí)模塊。

輔助學(xué)習(xí)模塊從不同的角度、不同的方式展現(xiàn)電力電纜故障原因、故障類型及各階段所采用的定位方法、測試儀器，對各種定位方法從定位原理、適用性、技術(shù)特點(diǎn)、儀器儀表選用和具體操作等故障定位技術(shù)的各個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行分類比較并提供查詢。生成電纜故障定位導(dǎo)則，故障定位導(dǎo)則可以打印、下載。

多路徑學(xué)習(xí)模塊系統(tǒng)以導(dǎo)則為依據(jù)，將輔助學(xué)習(xí)模塊中展現(xiàn)的知識點(diǎn)串聯(lián)起來，展示電纜故障定位技術(shù)的全貌。本模塊提供多個(gè)入口，分別是標(biāo)準(zhǔn)流程入口、定位階段入口、故障類型入口、定位方法入口。

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2.

2.1.

1.

2.

1.1、

2.2、 仿真演練模塊

針對每一個(gè)電纜故障定位案例，提供仿真模擬環(huán)境，供使用者在模擬環(huán)境中練習(xí)故障定位，加深定位業(yè)務(wù)知識的掌握能力。仿真培訓(xùn)遵循定位導(dǎo)則的要求，同時(shí)體現(xiàn)具體案例在定位過程中的特殊現(xiàn)象、特殊處理。

仿真演練的場所、儀器、接線采用3D技術(shù)，直觀、逼真；針對具體的操作仿真實(shí)際的儀器讀數(shù)、波形、聲音。系統(tǒng)記錄全部操作，標(biāo)識錯(cuò)誤的操作，給出錯(cuò)誤的原因并扣分。

2.3、 視頻教學(xué)

系統(tǒng)提供對故障定位教學(xué)視頻、實(shí)際故障定位過程中的錄像視頻等視頻文件的管理功能，使得用戶可以方便的上傳、維護(hù)、查詢、播放相關(guān)視頻。

1、

2、

3、 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

1.1、

2.1、

1.1.

2.1.

3.1、 基于Flex的RIA技術(shù)

RIA(Rich Internet Applications)，是集桌面應(yīng)用程序的最佳用戶界面功能、Web應(yīng)用程序的普遍采用和快速、低成本布署以及互動多媒體通信的實(shí)時(shí)快捷于一體的新一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。Flex技術(shù)是Adobe公司推出的開源RIA開發(fā)技術(shù)，它是開發(fā)Web及桌面應(yīng)用的有效工具，支持以現(xiàn)有的J2EE框架Struts、Spring、Hibernate為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)RIA應(yīng)用和J2EE應(yīng)用的有效整合，同時(shí)Flex能很好地支持多媒體和3D展現(xiàn)。

采用基于Flex的RIA技術(shù)可以很好地滿足仿真培訓(xùn)系統(tǒng)需要的大量的交互性操作、3D仿真、視頻聲音播放等需求。

3.2、 BlazeDS技術(shù)

為了將基于Flex的RIA應(yīng)用于J2EE,重點(diǎn)需解決兩個(gè)問題，一是怎樣建立客戶端flash與服務(wù)器端的通信，二是以現(xiàn)有的J2EE框架Struts、Spring、Hibernate 為基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)Flex技術(shù)與J2EE應(yīng)用的整合。本項(xiàng)目采用BlazeDS技術(shù)解決上述問題。

BlazeDS是一個(gè)基于服務(wù)器的Java遠(yuǎn)程控制和Web消息傳遞技術(shù)，它能夠使得后端的 Java 應(yīng)用程序和運(yùn)行在瀏覽器上的 Adobe Flex 應(yīng)用程序可以相互通信。應(yīng)用BlazeDS后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，一個(gè)BlazeDS應(yīng)用程序包括兩個(gè)部分：客戶端應(yīng)用程序和服務(wù)端J2EE應(yīng)用程序?？蛻舳藨?yīng)用程序可以是一個(gè)Flex 應(yīng)用程序也可以是一個(gè)Flex、HTML和JavaScript的結(jié)合。在客戶端，BlazeDS提供了RemoteObject、HttpServcie、WebService，Product和Comsumer等組件來提供訪問服務(wù)器端數(shù)據(jù)的能力，其中RemoteObject、Product和Comsumer是以AMF協(xié)議來交換數(shù)據(jù)的，而HttpServcie和WebService則采用的是比較通用的Http訪問協(xié)議，可以用來訪問非BlazeDS服務(wù)器，即普通的web服務(wù)器。在服務(wù)端，BlazeDS的服務(wù)器包含在一個(gè) J2EE Web應(yīng)用程序中，它以servlet的形式存在， 因此可以在任何標(biāo)準(zhǔn)J2EE應(yīng)用中運(yùn)用它。通過BlazeDS公開Spring管理的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了BlazeDS與Spring的整合，而無需額外的配置文件。

3.3、 規(guī)則引擎

組件重用和規(guī)則定制是軟件設(shè)計(jì)的重要概念。本系統(tǒng)的規(guī)則引擎由八部分構(gòu)成，分別是抽象行為（Action）、業(yè)務(wù)句柄（Handler）、節(jié)點(diǎn)定義（Definition）、路由變遷定義（Transition）、環(huán)境上下文（Context）、事件與消息（Events and Message）、規(guī)則定義（XML figuration file）以及由引擎外部實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展組件（Dialog）等。

抽象行為（Action），它為規(guī)則定義中的具有重用需求且抽象度較高的行為進(jìn)行抽象化封裝。業(yè)務(wù)句柄（Handler），它也是為了將組件重用，但業(yè)務(wù)句柄不具有抽象概念，并不是對具象事務(wù)的抽象處理，而是實(shí)實(shí)在在的業(yè)務(wù)耦合操作。節(jié)點(diǎn)定義（Definition），管理每一個(gè)抽象行為和業(yè)務(wù)句柄。環(huán)境上下文（Context），是一個(gè)在節(jié)點(diǎn)作用域外保存數(shù)據(jù)容器，它保存路由變 遷流轉(zhuǎn)于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)產(chǎn)生的上下文數(shù)據(jù)，另外，引擎中的帶外數(shù)據(jù)，即事件和消息也經(jīng)由環(huán)境上下文轉(zhuǎn)發(fā)。事件與消息（Events and Message），是規(guī)則引擎中的活性元素，是規(guī)則定義流轉(zhuǎn)的原動力。規(guī)則定義（XML configuration file），這是規(guī)則引擎生產(chǎn)的原材料，它實(shí)際上是個(gè)XML定義文件，外部環(huán)境加載XML文件來構(gòu)建一個(gè)規(guī)則引擎，所以系統(tǒng)使用者可以隨時(shí)修改這個(gè)定義文件并重新載入，以此來改變原有的規(guī)則定義。擴(kuò)展組件（Dialog），這是系統(tǒng)用戶最終看到的界面，由預(yù)先定義并注冊在引擎的窗體管理器控制的可重用UI組件。規(guī)則引擎實(shí)際上只定義了擴(kuò)展組件的基本行為和部分基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，規(guī)則引擎的客戶代碼（各種繼承擴(kuò)展組件基本定義的UI組件）負(fù)責(zé)具體的功能實(shí)現(xiàn)。

4、 結(jié)語

本項(xiàng)目一方面系統(tǒng)地總結(jié)了電力電纜故障原因、故障類型及各階段所采用的定位方法，對各種定位方法從定位原理、適用性、技術(shù)特點(diǎn)、儀表選用和具體操作等進(jìn)行深入地研究和分析，形成系統(tǒng)、全面的理論及操作規(guī)程，為電力電纜故障定位工作提供極具價(jià)值的指導(dǎo)性規(guī)范；另一方面，仿真培訓(xùn)采用真實(shí)案例數(shù)據(jù)建立故障定位模擬環(huán)境，電纜檢修工人在系統(tǒng)中依據(jù)仿真環(huán)境提供的各種數(shù)據(jù)，對定位階段、方法及操作進(jìn)行演練，從而加深其對定位知識的掌握，增強(qiáng)業(yè)務(wù)熟練程度。本系統(tǒng)的部署和應(yīng)用將為電力檢修部門提供實(shí)際現(xiàn)場操作之外的另一種學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累的方法，方便、有效地提升電纜檢修技術(shù)人員的理論水平和操作技能。

2010年5月，系統(tǒng)在江蘇常州供電公司部署、試運(yùn)行，運(yùn)行至今，RIA端展現(xiàn)滿足用戶需求的規(guī)定，服務(wù)器端運(yùn)行穩(wěn)定，對客戶端用戶響應(yīng)快速及時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí) 適度仿真 低成本化

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(簡稱vr技術(shù))是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的沉浸式交互技術(shù)，也就是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代科技，人為產(chǎn)生的可以綜合感知以模擬特定環(huán)境的虛擬交互技術(shù)。用戶可以借助相應(yīng)的設(shè)備以人類自然的方式與虛擬環(huán)境對象進(jìn)行交互影響，從而產(chǎn)生類似真實(shí)環(huán)境的體驗(yàn)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)須涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制等多個(gè)學(xué)科，一般來說完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：

1.傳感器模塊：是用戶與虛擬環(huán)境的接口，一方面接受用戶的操作并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作結(jié)果以綜合形式反饋給用戶，使用戶形成對虛擬環(huán)境的感知。

2.檢測模塊：用于檢測分析由傳感器模塊接收到的用戶操作，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)操作指令傳輸給控制模塊操控虛擬環(huán)境。

控制模塊：是仿真系統(tǒng)的核心部分，既可以仿真控制虛擬環(huán)境以應(yīng)對用戶操作，又可以將虛擬環(huán)境的反饋通過反饋模塊控制傳感器使用戶獲得仿真體驗(yàn)。

3.反饋模塊：接收來自控制模塊的處理信息為用戶提供實(shí)時(shí)反饋。

4.建模模塊：獲得現(xiàn)實(shí)世界的三維表示，并由此構(gòu)成對應(yīng)的虛擬環(huán)境。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及成本構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及成本構(gòu)成主要包括以下幾個(gè)方面：

1.動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)：虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用cad技術(shù)（有規(guī)則的環(huán)境），而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術(shù)，兩者的有機(jī)結(jié)合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。這里的開發(fā)成本主要表現(xiàn)為環(huán)境三維模型和貼圖帶來的系統(tǒng)空間及時(shí)間占用，如果不能較好的優(yōu)化模型和貼圖將會嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的視覺效果及運(yùn)行速度，大量浪費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，甚至導(dǎo)致復(fù)雜場景環(huán)境無法實(shí)現(xiàn)。

2.實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)：三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”生成。為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15楨/秒，最好是高于30楨/秒。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究內(nèi)容。隨著新一代高性能圖形處理器三維渲染技術(shù)的實(shí)用化，經(jīng)過適當(dāng)優(yōu)化模型貼圖的虛擬環(huán)境實(shí)時(shí)生成已不再是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本瓶頸了—大多數(shù)主流圖形處理器已可以輕松勝任此項(xiàng)任務(wù)，不必再增加額外的開發(fā)成本。

3.立體顯示和傳感器技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的傳感器技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要。例如，數(shù)據(jù)手套有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn)；虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的跟蹤精度和跟蹤范圍也有待提高，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。由此可見，現(xiàn)有的立體顯示和傳感器技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高仿真度虛擬環(huán)境的構(gòu)建要求，并且由于技術(shù)的不成熟性還極大的提高了系統(tǒng)開發(fā)的成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)成本的40%以上將消耗在該方面，因此是低成本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)必須解決的問題。

3.仿真控制技術(shù)：自然環(huán)境中的各物體之間是有相互作用的，簡單的說就是各種力場的存在特性。幾乎所有的運(yùn)動和交互動作都要涉及到約束力學(xué)，這意味著仿真環(huán)境及身處其中的用戶應(yīng)該在合理的作用力影響下活動。因此虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要模擬環(huán)境中出現(xiàn)的大量物體的材料及物理力學(xué)特性，單從需要仿真的數(shù)量及類型上看就會極大地增加系統(tǒng)實(shí)際的工作量及成本，更何況虛擬環(huán)境中物體之間紛繁復(fù)雜的相互影響關(guān)系了。事實(shí)上針對這些問題現(xiàn)代工程物理學(xué)也沒有一種簡單有效的解決方法，故而要想找到合理簡單的數(shù)學(xué)模型并最終形成算法是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要研究方向。就目前的情況來看仿真度要求越高算法的實(shí)現(xiàn)就越困難，系統(tǒng)開發(fā)成本就越巨大。

4.系統(tǒng)集成技術(shù)：由于虛擬現(xiàn)實(shí)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別和合成技術(shù)等等。目前的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)通常都是單獨(dú)開發(fā)相關(guān)的部分，致使系統(tǒng)存在開發(fā)難度及工作量巨大、可重復(fù)利用率低、通用性差等缺陷，這也是系統(tǒng)開發(fā)中成本高昂的重要原因之一。

三、低成本化虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)解決方案分析

使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)方面無法大規(guī)模應(yīng)用的高昂開發(fā)成本，主要來源于高精度三維環(huán)境模擬，高度真實(shí)的動力學(xué)仿真設(shè)計(jì)及高度沉浸感的交互式感覺器及三維顯示技術(shù)等幾個(gè)方面。綜合來看，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對虛擬環(huán)境及虛擬交互的仿真度要求越高則系統(tǒng)的開發(fā)成本就越大，因此有必要提出適度仿真的概念，以解決當(dāng)前高成本阻礙應(yīng)用的問題，至于完善的問題盡可以在應(yīng)用擴(kuò)展的同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展逐漸解決。

首先，合理的選擇虛擬三維環(huán)境模型的建模方式和優(yōu)化方法就可以大大節(jié)省對系統(tǒng)資源的消耗，如手工建模方式中的可編輯多邊形建模，就可以在環(huán)境或物體尺寸精度要求不高的情況下，以少量的多邊形網(wǎng)格和極少的代價(jià)獲得非常精致的視覺效果，而使用有效的優(yōu)化方法還可以進(jìn)一步提高網(wǎng)格的效率。同時(shí)選擇通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原來用編輯手段實(shí)現(xiàn)的效果開發(fā)變得簡單、快捷，這就大大降低了相應(yīng)的成本消耗。

其次，在工業(yè)產(chǎn)品的大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，降低對傳感器及立體顯示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相對較好的環(huán)境沉浸感，比如，技術(shù)比較成熟的環(huán)幕顯示技術(shù)，虛擬洞穴顯示技術(shù)雖然還不是立體顯示技術(shù)，但其視覺效果已可以滿足大多數(shù)的沉浸交互應(yīng)用了，而使用傳統(tǒng)的鼠標(biāo)指點(diǎn)設(shè)備代替復(fù)雜的數(shù)據(jù)手套等高技術(shù)傳感器，雖然對用戶的沉浸體驗(yàn)有很大的影響，但依然可以滿足大多數(shù)的低成本系統(tǒng)的要求，而開發(fā)成本卻可以極大下降。

篇5

關(guān)鍵詞： 嵌入式； 測試引擎； 測試平臺； 實(shí)時(shí)性

中圖分類號： TP31156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：2095-2163（2013）03-0095-05

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境一般是獨(dú)立的，因此完成相應(yīng)的測試也要在開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境下分別執(zhí)行，如此，在實(shí)施過程中就產(chǎn)生了兩個(gè)問題，即增加了系統(tǒng)的測試成本；也由于分開測試降低了測試的自動化程度，為此影響了測試的執(zhí)行效率，同時(shí)也帶來了測試策略的選擇問題。一般的嵌入式軟件的仿真測試有三種方式，分為宿主機(jī)軟件仿真、在線仿真器和目標(biāo)機(jī)仿真[1]，從嵌入式測試效率、自動化程度及測試成本的角度分析，這三種測試方案各有優(yōu)勢和劣勢。其中，基于PC宿主機(jī)軟件仿真方式，由于受到網(wǎng)絡(luò)通訊等硬件環(huán)境因素的影響，不可能模擬真實(shí)設(shè)備環(huán)境；而在線仿真系統(tǒng)又對硬件的依賴性比較高，測試領(lǐng)域較窄；目標(biāo)機(jī)仿真雖然測試結(jié)果較真實(shí)，但卻由于目標(biāo)機(jī)硬件條件的限制而無法正確區(qū)分測試的錯(cuò)誤是來自被測試目標(biāo)機(jī)的軟件系統(tǒng)還是硬件系統(tǒng)。

當(dāng)前，常用的嵌入式軟件仿真平臺一般是面向嵌入式測試系統(tǒng)的，測試人員根據(jù)被測試的嵌入式系統(tǒng)的要求和規(guī)定對其進(jìn)行軟硬件環(huán)境配置，并通過組織該系統(tǒng)軟件的各種輸入數(shù)據(jù)來驅(qū)動測試系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)輸出結(jié)果并加以分析，因此針對測試工作的自動性、實(shí)時(shí)性、非入侵的閉環(huán)測試性的特點(diǎn)[2，3]，就要求現(xiàn)有嵌入式測試平臺必須具備實(shí)時(shí)性和一定的環(huán)境仿真能力。

從上述分析可知，傳統(tǒng)的測試平臺一般是利用PC機(jī)的仿真軟件來模擬硬件的功能，也就是利用PC機(jī)的仿真軟件作為測試主體，在測試過程中使用標(biāo)準(zhǔn)總線和專用測試語言，這樣做的目的是保證測試程序與測試硬件彼此獨(dú)立，具備測試的可移植性。如現(xiàn)有嵌入式軟件仿真測試單機(jī)平臺、慣導(dǎo)軟件可靠性仿真測試平臺等。此類測試基本是依據(jù)開發(fā)方案來制定，其測試環(huán)境要么由宿主PC機(jī)提供，要么由宿主PC機(jī)及目標(biāo)機(jī)共同提供，并從最小的單元測試級開始運(yùn)行，只是這種測試平臺主要是針對某類測試軟件墻；有些則面向某些專用的微處理器，因此這種測試平臺具有較強(qiáng)的針對性和專用性，使得這種測試方案的可移植性和可擴(kuò)展性都比較差，也不具備通用性；同時(shí)，利用仿真軟件在分布式測試平臺方面也會由于通訊的實(shí)時(shí)性和調(diào)度的即時(shí)性而存在不足[4]?；诖?，如何提高測試平臺的通用性及自動化程度即成為當(dāng)今嵌入式測試領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。

從嵌入式系統(tǒng)測試角度，針對嵌入式開發(fā)測試或者嵌入式運(yùn)行測試的不足，本文設(shè)計(jì)了一套具有一定通用性的、基于WEB結(jié)構(gòu)的、自動化的嵌入式測試平臺，實(shí)驗(yàn)證明，該測試平臺具有更好的測試效率和可移植性，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性測試要求。

1 關(guān)鍵技術(shù)和平臺架構(gòu)

1.1 自動化測試引擎

自動化測試系統(tǒng)主要是通過自動化測試描述測試引擎實(shí)現(xiàn)自動化測試功能，測試描述執(zhí)行引擎是整個(gè)測試平臺的核心模塊，并運(yùn)行在實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)（如vxWorks）上的，該模塊負(fù)責(zé)理解和描述測試人員的測試意圖，進(jìn)行調(diào)度，同時(shí)負(fù)責(zé)環(huán)境模擬器的配置，使系統(tǒng)能條理清晰地完成自動測試。本文測試系統(tǒng)的測試引擎采用分階段執(zhí)行完成，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示，其執(zhí)行過程如下：

（1）在測試前，由測試描述執(zhí)行引擎來完成測試描述源代碼的翻譯過程，對要處理的測試請求進(jìn)行詞法及語法語義分析，將測試說明或者測試請求翻譯為高效簡捷的測試指令系列。

（2）測試過程中，由測試描述執(zhí)行引擎負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對中間指令序列的實(shí)時(shí)調(diào)度， 并完成指令的編譯解析執(zhí)行， 同時(shí)根據(jù)任務(wù)流的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對環(huán)境模擬器的配置，最終完成整個(gè)測試工作。

引擎是工作流技術(shù)的關(guān)鍵單元[5]，其質(zhì)量直接關(guān)系到自動化程度的高低，而本文所使用工作流引擎為輕量級工作引擎[6]。本文在測試系統(tǒng)引入工作流技術(shù)，可以提高測試系統(tǒng)的自動化程度。

1.2 基于WEB自動測試平臺構(gòu)建

基于WEB結(jié)構(gòu)的自動化嵌入式測試平臺是由Server（服務(wù)器）與Browser（瀏覽器）兩部分構(gòu)成的，Server主要完成測試設(shè)計(jì)的相關(guān)工作，其中包括測試用例的設(shè)計(jì)與管理、測試任務(wù)設(shè)計(jì)與管理、自動測試引擎管理、用戶權(quán)限管理、測試任務(wù)流的生成及測試結(jié)果記錄等；而客戶端Browser則主要實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程登陸、下載及上傳等功能，并通過任務(wù)流引擎完成測試執(zhí)行的相關(guān)活動，任務(wù)流引擎可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境模擬器進(jìn)行配置和管理，驅(qū)動環(huán)境被測系統(tǒng)與環(huán)境模擬器相連。服務(wù)器通過完善數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以利于整合現(xiàn)有的測試工具，方便實(shí)施測試資源利用的最大化，并藉此保證測試平臺的可擴(kuò)展性、可利用性及通用性。由于測試執(zhí)行是在客戶端進(jìn)行的，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，架構(gòu)如圖2所示。

WEB架構(gòu)中的Server是整個(gè)測試系統(tǒng)的主體，其功能包括自動化測試引擎、環(huán)境模擬器、測試腳本、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、遠(yuǎn)程服務(wù)等。其中，數(shù)據(jù)庫服務(wù)是用來存儲測試軟件所需要的測試用例和測試結(jié)果，以及任務(wù)流中的任務(wù)、用戶權(quán)限等等。同時(shí)該服務(wù)器還支持性能測試、可信測試（可用性和可靠性）、實(shí)時(shí)測試等功能，而數(shù)據(jù)庫包括測試用例數(shù)據(jù)庫、腳本數(shù)據(jù)庫、結(jié)果數(shù)據(jù)庫，以及用于支持工作流技術(shù)的各種數(shù)據(jù)庫，其中任務(wù)流數(shù)據(jù)庫、任務(wù)模板庫、用戶權(quán)限庫為輕量級工作流技術(shù)的關(guān)鍵庫，整個(gè)庫結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。各種數(shù)據(jù)庫功能如下：

（1）用例數(shù)據(jù)庫中存放了針對開發(fā)方案的事先設(shè)計(jì)完成的各種測試用例。

（2）結(jié)果數(shù)據(jù)庫中記錄了測試過程中各種測試信息及測試后的各種結(jié)果。

（3）工作流數(shù)據(jù)庫包括任務(wù)流數(shù)據(jù)庫、任務(wù)模板數(shù)據(jù)庫及用戶權(quán)限數(shù)據(jù)庫等，該數(shù)據(jù)庫支持嵌入式測試系統(tǒng)的自動執(zhí)行。

（4）腳本數(shù)據(jù)庫中存放了針對于可信測試及性能測試等方面的測試腳本，該腳本由測試人員事先設(shè)計(jì)以用于測試，在測試過程中僅供測試驅(qū)動程序讀取。

Server可通過Browser進(jìn)行遠(yuǎn)程登陸訪問，用戶在客戶端通過不同的權(quán)限登陸之后系統(tǒng)自動執(zhí)行工作流測試，通過執(zhí)行不同任務(wù)流中的相應(yīng)任務(wù)，調(diào)用各自的測試腳本和測試環(huán)境以完成自動測試。

1.2.2 Browser

客戶端的Browser主要實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程登陸及完成上傳和下載等任務(wù)，用戶可以通過Browser方便地上傳測試信息及用戶信息，系統(tǒng)驗(yàn)證用戶信息及權(quán)限，并根據(jù)輸入信息驅(qū)動自動測試引擎，從而完成相應(yīng)的測試任務(wù)，同時(shí)從Server處下載相應(yīng)的測試任務(wù)和相應(yīng)的測試工具包。再根據(jù)相應(yīng)的測試要求在Browser客戶端完成測試環(huán)境的相應(yīng)搭建和配置。

1.2.3 環(huán)境模擬器

在嵌入式測試系統(tǒng)中，搭建測試模擬環(huán)境是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，這個(gè)工作也是由自動測試引擎通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)并完成的。在測試環(huán)境配置過程中，也要其他組件來協(xié)助和輔佐，如測試工具包、測試環(huán)境模擬器及測試用例集和其他幫文檔等。測試模擬器是依靠自動測試引擎驅(qū)動方式工作的，在整個(gè)測試過程中擔(dān)負(fù)了重要任務(wù)，是所有測試任務(wù)驅(qū)動引擎，主要包括測試用例的讀取、數(shù)據(jù)包的發(fā)送、測試記錄等工作。其中的自動測試引擎及環(huán)境模擬器在整個(gè)測試平臺中的邏輯地位如圖4所示，測試環(huán)境分為三層：

（1）最上層為環(huán)境模擬器的輸入輸出層（簡稱I/O層）。該層主要負(fù)責(zé)各類測試用例的輸入，包括測試用例的讀取及其他輸入，也連同手工輸入等，還包括測試數(shù)據(jù)結(jié)果的記錄及存儲等。

（2）中間層為環(huán)境模擬器及自動測試引擎系統(tǒng)層，包括自動測試引擎、環(huán)境模擬器及中心控制器。自動測試引擎負(fù)責(zé)所有任務(wù)的驅(qū)動，包括對環(huán)境中心模擬控制器的驅(qū)動，而環(huán)境模擬中心控制器則主要負(fù)責(zé)對整個(gè)模擬環(huán)境的驅(qū)動和調(diào)度，并在整個(gè)測試過程中起到主導(dǎo)作用，輔助自動測試引擎完成對各個(gè)測試任務(wù)的指揮和控制，同時(shí)將返回測試結(jié)果并保存在數(shù)據(jù)庫中，因而是整個(gè)測試任務(wù)管理與組織者。

（3）最低層為環(huán)境模擬器與被測系統(tǒng)的交互通訊層，可以通過核實(shí)的通信機(jī)制來完成。

1.3 基于WEB結(jié)構(gòu)自動嵌入式測試平臺的測試過程

第一步 申請測試工具包，用戶通過向服務(wù)器提出測試請求，服務(wù)器根據(jù)用戶的相應(yīng)權(quán)限開放相應(yīng)的服務(wù)，并根據(jù)用戶的測試請求查詢相應(yīng)的任務(wù)流ID，再根據(jù)任務(wù)流ID，驅(qū)動相應(yīng)的自動化測試引擎，完成相應(yīng)的測試任務(wù)。整個(gè)測試獲取測試工具包過程如圖5所示。

通過向服務(wù)器提供測試請求或測試說明，服務(wù)器的自動測試引擎根據(jù)用戶提供的測試請求生成相應(yīng)的測試指令序列即測試任務(wù)流，任務(wù)流是由任務(wù)模板庫中的任務(wù)構(gòu)成的，是若干個(gè)測試步驟，而任務(wù)即是每個(gè)測試步驟，每個(gè)測試步驟對應(yīng)指定的測試工具包，因此根據(jù)相應(yīng)的任務(wù)要求查找滿足用戶條件的測試工具包，并將用戶需要的相應(yīng)的測試工具包下載到客戶端；若在數(shù)據(jù)庫中沒有得到相應(yīng)的測試工具包，系統(tǒng)允許用戶提交自己的測試說明，以便開發(fā)人員根據(jù)測試需求開發(fā)相應(yīng)的測試工具包。

第二步 用戶在客戶端通過Browser登陸Server，啟動自動測試引擎，驅(qū)動環(huán)境模擬器完成相應(yīng)的測試工作，具體包括：

（1）用戶成功登陸Server，啟動自動測試引擎，進(jìn)一步驅(qū)動環(huán)境模擬器，同時(shí)下載測試用例，并自動將該用例轉(zhuǎn)換為被測目標(biāo)機(jī)能接受的數(shù)據(jù)，再將其用到被測試的目標(biāo)機(jī)。

（2）記錄測試過程并將從目標(biāo)機(jī)接收的消息及時(shí)傳給Server。

第三步 服務(wù)器對測試結(jié)果分析，即對通過客戶端回傳的所有信息進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果返回給用戶，其測試過程如圖6所示。

2 基于WEB架構(gòu)的測試平臺驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本測試平臺的實(shí)用性，本文將該測試平臺應(yīng)用于深圳市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)的測試。為實(shí)現(xiàn)上述測試過程，對即將驗(yàn)收的軌道交通自動售檢票系統(tǒng)在VxWorks，WINCE和Linux等不同的操作系統(tǒng)平臺進(jìn)行分別測試。通過對不同系統(tǒng)平臺的合理應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對本測試平臺的有效檢驗(yàn)，并得到一批科學(xué)的數(shù)據(jù)，為將來進(jìn)行嵌入式設(shè)備的有效驗(yàn)收提供一定的參考。

對于嵌入式系統(tǒng)測試，首先應(yīng)該從嵌入式操作系統(tǒng)測試開始，并利用得到的操作系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，再對嵌入式軟件進(jìn)行多方面的測試，主要包括功能測試、效率測試及可靠性測試等。

現(xiàn)在對健壯性測試通過舉例做以說明。為了測試嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用是否符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，對其健壯性進(jìn)行測試，在測試的工具包中整合了基于Ballista測試思想的測試健壯性的各類測試套件。用戶通過在測試PC機(jī)上運(yùn)行自動測試系統(tǒng)對整個(gè)健壯性的測試套件進(jìn)行有效的控制，任務(wù)流庫中的每一條記錄對應(yīng)一個(gè)測試任務(wù)流，單個(gè)任務(wù)流由若干任務(wù)構(gòu)成，一個(gè)任務(wù)對應(yīng)一個(gè)測試用例，在用例庫中的每一條記錄也對應(yīng)著一個(gè)測試用例。整個(gè)測試過程如下，首先主控制啟動監(jiān)聽測試對目標(biāo)機(jī)進(jìn)行監(jiān)聽，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)鏈接成功，主控制程序即獲取測試任務(wù)流，然后根據(jù)測試任務(wù)流中的任務(wù)獲取相應(yīng)的測試用例，獲取的測試用例通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊將發(fā)送給被測系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，由此完成目標(biāo)機(jī)的系統(tǒng)測試。當(dāng)測試完成后，目標(biāo)機(jī)將測試結(jié)果傳遞給測試機(jī)，主控制程序便對結(jié)果進(jìn)行分析，并將測試結(jié)果保存在測試機(jī)結(jié)果記錄庫中。其健壯性的整個(gè)測試過程如圖7所示。

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)測試

關(guān)于操作系統(tǒng)級的測試，本文主要對嵌入式操作系統(tǒng)開展一致性、健壯性及實(shí)時(shí)性的測試。一致性測試的主要工作就是測試VxWorks系統(tǒng)調(diào)用與POSIX規(guī)范的一致性。文中主要將POSIX規(guī)范轉(zhuǎn)化為測試用例，并對系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行功能測試，因而測試VxWorks常用的18個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。而健壯性測試的方法在圖7中已經(jīng)闡述，而測試對象為VxWorks操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)的部分文件類和時(shí)間類的POSIX的系統(tǒng)調(diào)用[7，8]。實(shí)時(shí)性主要是針對任務(wù)切換時(shí)間、任務(wù)搶占時(shí)間、終端延遲時(shí)間、死鎖解除時(shí)間、消息傳遞時(shí)間及信號量的混洗時(shí)間等指標(biāo)性能上進(jìn)行測試[9]。

2.2 功能測試

功能測試主要面向城市軌道交通自動售檢票系統(tǒng)終端中的嵌入式軟件。測試的嵌入式設(shè)備為自動檢票機(jī)、自動售票機(jī)。運(yùn)行的測試環(huán)境操作系統(tǒng)為VxWorks、Linux及Wince。在測試現(xiàn)場測試PC機(jī)將配置環(huán)境模擬器，模擬嵌入式軟件的硬件工作環(huán)境，并將該測試PC機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)總線與被測試機(jī)相連，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)測試并保存測試結(jié)果。本文分別要完成售票機(jī)和檢票機(jī)的21項(xiàng)和6項(xiàng)功能測試工作。

2.3 系統(tǒng)效率測試

系統(tǒng)效率測試主要是為了獲得嵌入式軟件在不同操作系統(tǒng)上的時(shí)間參數(shù)。相關(guān)的嵌入式軟件的運(yùn)行環(huán)境分別為WINCE、VxWorks和Linux。效率測試的步驟為，在現(xiàn)場的測試PC機(jī)上首先配置環(huán)境模擬器，模擬嵌入式軟件工作的硬件環(huán)境，該測試PC機(jī)是通過標(biāo)準(zhǔn)總線連接到被測系統(tǒng)上，然后啟動測試。下面通過自動測試引擎為例進(jìn)行說明，為了驗(yàn)證平臺執(zhí)行引擎是否滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，從檢票機(jī)中選取一部分請求測試代碼，并借助于CodeTEST測試工具包，通過自動測試引擎驅(qū)動環(huán)境模擬器配置測試環(huán)境，具體設(shè)置為：CPU P4/3.0 GHz，內(nèi)存2GB，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)vxWorks。自動測試平臺的效率分析主要從兩方面開展與實(shí)現(xiàn)：

（1）考慮不同規(guī)模的單個(gè)測試請求文件的執(zhí)行時(shí)間；

（2）考察給定的中等規(guī)模的測試請求代碼（40行）下的多個(gè)測試請求的并發(fā)執(zhí)行時(shí)間。

分析結(jié)果如表1所示。

分析測試結(jié)果可以看出，自動測試引擎處理中等規(guī)模（測試請求或者測試描述小于50行）的執(zhí)行腳本時(shí)間不超過1毫秒，并且由于自動測試引擎支持多個(gè)測試請求的順序和并發(fā)執(zhí)行機(jī)制，因此，若能合理控制測試請求的規(guī)模和并發(fā)的執(zhí)行程度，完全可以滿足本測試系統(tǒng)對嵌入式實(shí)時(shí)性的要求。

2.4 可靠性測試

嵌入式軟件的可靠性測試采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，通常一個(gè)模型設(shè)計(jì)對應(yīng)一個(gè)模塊，所有的模塊均有數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出及評估，完成嵌入式可靠性測試主要依托當(dāng)今流行的故障注入技術(shù)來完成，具體細(xì)節(jié)可以參考相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)及完成[10]。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于WEB架構(gòu)的自動嵌入式測試平臺，該平臺將開發(fā)與擴(kuò)充置于server端，而將測試的運(yùn)行設(shè)在Browser端，這樣做的目的解決了開發(fā)環(huán)境測試與運(yùn)行環(huán)境測試雙重測試問題，節(jié)省了測試資源，同時(shí)在該平臺中引入了工作流技術(shù)，由此而提高了測試效率。最后將該平臺應(yīng)用于實(shí)際，應(yīng)用表明該平臺具有一定的實(shí)際參考意義。

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篇6

為在虛擬環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品異地實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)和裝配，提出一種基于Web的三維協(xié)同設(shè)計(jì)模型.該模型使用戶既可以通過瀏覽器在客戶端的虛擬場景中進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，也可以與其他用戶進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì).通過詳細(xì)分析協(xié)同設(shè)計(jì)過程，研究任意形狀基本實(shí)體的表征、零件擴(kuò)展屬性的描述、基本操作的表示、零件之間裝配關(guān)系和部件運(yùn)動仿真屬性等的建立.基于ACIS和ECSG的三維造型技術(shù)和層次細(xì)節(jié)模型的生成算法，研發(fā)以某產(chǎn)品為對象的原型系統(tǒng)，證實(shí)該三維協(xié)同設(shè)計(jì)模型的可行性和先進(jìn)性.

關(guān)鍵詞：

三維協(xié)同設(shè)計(jì)； 虛擬場景； 三維造型； 層次細(xì)節(jié)

中圖分類號： TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

全球化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化已成為當(dāng)今制造業(yè)發(fā)展的重要特征，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬設(shè)計(jì)是制造業(yè)虛擬化的重要內(nèi)容.近年來，為縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本，提出各種各樣的設(shè)計(jì)模式.[13]利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模技術(shù)、仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在Internet/intranet上建立起的虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境是一種更接近人們自然活動的模式.人們在這樣的環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，可以充分發(fā)揮個(gè)人的想象力和創(chuàng)造能力，相互協(xié)作，發(fā)揮集體智慧，實(shí)現(xiàn)制造資源最大程度的優(yōu)化配置，提高產(chǎn)品開發(fā)能力，快速響應(yīng)市場變化.

三維協(xié)同設(shè)計(jì)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，以三維設(shè)計(jì)軟件為載體，不同專業(yè)人員組成設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，為實(shí)現(xiàn)和完成一個(gè)共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)或項(xiàng)目在一起開展工作，是知識共享和集成的過程，共同設(shè)計(jì)這一目標(biāo)的所有專家必須共享數(shù)據(jù)、信息和知識等.三維協(xié)同設(shè)計(jì)將指向設(shè)計(jì)圖紙為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)為指向設(shè)計(jì)內(nèi)容.設(shè)計(jì)師只需將設(shè)計(jì)精力和資源用于建立合理的三維模型，通過三維協(xié)同軟件和平臺，直接對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一儲存和輸出，并且直接生成設(shè)計(jì)圖，無須像以往一樣，將大量的精力花費(fèi)在圖紙的繪制和修改上.

簡而言之，三維協(xié)同設(shè)計(jì)就是在三維設(shè)計(jì)架構(gòu)中對資源實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化配置的工程.三維協(xié)同設(shè)計(jì)重在解決三維設(shè)計(jì)中的信息溝通和知識共享等問題.開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)有助于提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，是未來CAD設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢.

產(chǎn)品的三維模型是虛擬設(shè)計(jì)中各方人員組成的多功能團(tuán)隊(duì)進(jìn)行產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.設(shè)計(jì)人員（包括客戶）在虛擬環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品異地實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)和裝配，即在三維造型軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同設(shè)計(jì)，也是協(xié)同CAD發(fā)展的趨勢和熱點(diǎn)之一.基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的形狀特征模型，不僅包括一般特征模型的優(yōu)點(diǎn)，而且集共享性、可實(shí)時(shí)交互性以及數(shù)據(jù)可訪問性和一致性于一體.[4]網(wǎng)絡(luò)帶寬和實(shí)時(shí)性要求會限制極大信息量的三維造型計(jì)算機(jī)協(xié)同操作（Computer Supported Cooperation Work，CSCW）技術(shù)在基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同CAD技術(shù)中的應(yīng)用，所以，改進(jìn)協(xié)同方式，采用新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型，以支持高效率的網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同操作，成為進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)時(shí)三維協(xié)同設(shè)計(jì)的必由之路.

針對上述問題，提出基于Web的三維產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)模型，重點(diǎn)研究協(xié)同設(shè)計(jì)模型、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)過程及其關(guān)鍵技術(shù)等，并以某型號產(chǎn)品為例給出原型系統(tǒng).

1協(xié)同設(shè)計(jì)模型

為提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)同操作效率，需要摒棄傳統(tǒng)的模型傳輸格式，轉(zhuǎn)而探索和設(shè)計(jì)一種適用于表征產(chǎn)品三維模型和設(shè)計(jì)全過程的新的數(shù)據(jù)模型ECSG[56].該模型既可轉(zhuǎn)換成用于設(shè)計(jì)需要的快速顯示模型，又可轉(zhuǎn)換成用于CAM的完全型數(shù)據(jù)模型.在幾何造型方面，盡可能利用成熟技術(shù)，如已有的ACIS幾何引擎等，集中精力探索和研究關(guān)鍵問題.

（1）設(shè)計(jì)界面.用于接收客戶端的設(shè)計(jì)信息，并將其轉(zhuǎn)換成ECSG格式，傳回服務(wù)器待處理.

（2）ECSG模型格式.用于表征產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)全過程的模型格式，不僅記錄產(chǎn)品靜態(tài)設(shè)計(jì)信息，如幾何屬性、位置屬性和表面屬性等，還記錄產(chǎn)品設(shè)計(jì)的動態(tài)信息，如功能屬性、裝配屬性和運(yùn)動屬性等.

（3）三維建模.Web虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的三維建模部件位于服務(wù)器端，通過調(diào)用ACIS幾何引擎實(shí)現(xiàn)高級幾何造型功能.將從客戶端接收的三維實(shí)體表征模型ECSG轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體細(xì)節(jié)表示模型SAT.

（4）VRML轉(zhuǎn)換器.實(shí)現(xiàn)由邊界表示模型SAT到面片擬合表示模型VRML的轉(zhuǎn)換.

（5）細(xì)節(jié)分層和局部數(shù)據(jù)接口.對VRML模型進(jìn)行細(xì)節(jié)分層處理和局部數(shù)據(jù)提取操作，在滿足視覺要求的前提下盡量減少網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示.

（6）顯示界面.在客戶端的瀏覽器中利用插件顯示服務(wù)器端傳來的VRML模型文件.

2協(xié)同設(shè)計(jì)流程

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)模型，基于Web的產(chǎn)品三維協(xié)同設(shè)計(jì)過程見圖2.

對于首次訪問系統(tǒng)的用戶，進(jìn)入系統(tǒng)前需要通過Web瀏覽器注冊個(gè)人信息.已注冊的用戶在開始一個(gè)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)首先調(diào)用“開始會議”操作新建一個(gè)會議場景，瀏覽器接收用戶輸入的會議初始化參數(shù)，通過EAI和Java Applet將信息傳到協(xié)同設(shè)計(jì)會議管理系統(tǒng)；然后由“開始會議”功能模塊在會議數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一條新的會議記錄，同時(shí)在訪問權(quán)限數(shù)據(jù)庫中為當(dāng)前會議發(fā)起者與會議建立一條連接記錄，并賦予用戶管理員權(quán)限；最后系統(tǒng)根據(jù)用戶的初始化參數(shù)，從設(shè)計(jì)資料庫中調(diào)用相關(guān)VRML格式的虛擬場景數(shù)據(jù)反饋給Java Applet，并通過

EAI傳回瀏覽器進(jìn)行顯示.對于希望參加已有會議的協(xié)同設(shè)計(jì)用戶，只需要協(xié)同會議管理系統(tǒng)在訪問權(quán)限數(shù)據(jù)庫中新建一條記錄，然后將所登錄會議的設(shè)計(jì)場景傳至客戶端瀏覽器即可.

圖 2協(xié)同設(shè)計(jì)過程

Fig.2Collaborative design process

本系統(tǒng)最重要的功能是用戶在客戶端進(jìn)行的交互設(shè)計(jì)操作，當(dāng)一個(gè)用戶通過瀏覽器提交一個(gè)設(shè)計(jì)操作后，系統(tǒng)通過VRML場景的節(jié)點(diǎn)事件eventOut將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳給Java Applet程序.如果當(dāng)前的設(shè)計(jì)操作只涉及實(shí)體的修改和刪除，那么Java Applet僅將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過Internet傳給協(xié)同設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，修改相應(yīng)數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)以廣播的形式將修改信息傳給所有協(xié)同用戶的Java Applet程序（見圖2），然后采用EAI技術(shù)，通過節(jié)點(diǎn)事件eventIn修改VRML模型數(shù)據(jù)，最后將修改結(jié)果傳回瀏覽器進(jìn)行更新顯示；如果當(dāng)前用戶的設(shè)計(jì)操作需要從設(shè)計(jì)實(shí)例庫中調(diào)用一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的最佳實(shí)例進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，那么系統(tǒng)在執(zhí)行上述操作前，需要通過PDM采用一定的推理機(jī)制從數(shù)據(jù)庫中提取設(shè)計(jì)實(shí)例.

3關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）任意形狀基本實(shí)體的表征.沿用標(biāo)準(zhǔn)CSG樹各節(jié)點(diǎn)的表示方法，葉節(jié)點(diǎn)表示面、線和點(diǎn)等基本擴(kuò)展元素，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)表示擴(kuò)展的造型運(yùn)算，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣和覆蓋等.由于這些造型運(yùn)算包括單目、雙目和多目等情況，需要將標(biāo)準(zhǔn)CSG的二叉樹表示擴(kuò)展為樹形結(jié)構(gòu)表示.

（2）零件擴(kuò)展屬性的描述和基本操作的表示.采用面向?qū)ο蟮姆椒▽U(kuò)展屬性和基本操作進(jìn)行描述，每個(gè)零件作為一個(gè)對象，零件的擴(kuò)展屬性用對象的屬性表示，零件的基本操作用對象的方法模擬.

（3）零件之間裝配關(guān)系和部件運(yùn)動仿真屬性的建立.采用面向?qū)ο蟮姆椒ū硎玖慵g的裝配關(guān)系，每個(gè)裝配關(guān)系用一個(gè)對象描述，與裝配相關(guān)的參

數(shù)用對象的屬性表示，而裝配操作和運(yùn)動仿真操作則由對象的方法模擬.

（4）基于ACIS和ECSG的三維造型技術(shù).針對以ECSG格式表示的模型文件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，調(diào)用幾何引擎ACIS的造型函數(shù)進(jìn)行三維實(shí)體造型，得到SAT格式的中間文件；運(yùn)用三角網(wǎng)格劃分和優(yōu)化算法，將SAT文件轉(zhuǎn)換為VRML格式文件.

（5）層次細(xì)節(jié)模型的生成算法.以面刪除算法為基礎(chǔ)，提出一種漸進(jìn)網(wǎng)格模型的生成算法，以面刪除簡化方法實(shí)現(xiàn)原模型的簡化.為避免復(fù)雜的三角化過程，選擇與被刪除面共邊的所有三角面形成的區(qū)域重新進(jìn)行局部三角劃分，同時(shí)，以一定的格式記錄模型簡化的過程，得到一種新的漸進(jìn)網(wǎng)格模型的表示.對于不連續(xù)表面，采用小波變換方法實(shí)現(xiàn)層次細(xì)節(jié)網(wǎng)格的自動生成.

4應(yīng)用實(shí)例

基于上述協(xié)同設(shè)計(jì)模型，研發(fā)出一套支持某產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)，客戶端操作界面見圖3.整個(gè)操作界面基于瀏覽器實(shí)現(xiàn)，共包括3個(gè)交互區(qū)域.左側(cè)區(qū)域①由一個(gè)VRML插件組成，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)結(jié)果的三維顯示和瀏覽，同時(shí)也提供用戶直接與虛擬環(huán)境中三維實(shí)體的交互功能；右上方區(qū)域②由一個(gè)Java Applet實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的設(shè)計(jì)命令，并通過底層的EAI接口實(shí)現(xiàn)對虛擬環(huán)境的操作，同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)會議的管理；右下方區(qū)域③主要向在線用戶提供設(shè)計(jì)交流場所，其實(shí)現(xiàn)方法與網(wǎng)絡(luò)聊天室類似.

圖 3原型系統(tǒng)客戶端操作界面

Fig.3Operation interface of prototype system client

5結(jié)束語

開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)有助于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，

降低工程成本，而且效果直觀，是工程設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢.基于Web的產(chǎn)品三維協(xié)同設(shè)計(jì)既是一個(gè)剛剛起步的研究領(lǐng)域，也是制造業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向.

本文通過基于ECSG的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端三維實(shí)體表征模型與客戶端三維顯示模型之間的有機(jī)結(jié)合和轉(zhuǎn)換；通過對關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)基于Web瀏覽器的高級幾何造型、運(yùn)動學(xué)仿真和裝配模擬等功能；通過ECSG模型的引入和層次細(xì)節(jié)技術(shù)的研究大大減少網(wǎng)絡(luò)流量，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示；通過一個(gè)典型產(chǎn)品的Web虛擬設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)的開發(fā)，對上述研究成果進(jìn)行驗(yàn)證.本文的研究可為實(shí)現(xiàn)真正意義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)

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中圖分類號:TN919-34;TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0176-04

Design of Anti-aircraft Gun Driving System Operation Simulation

Platform Based on HLA and Virtools

WANG Peng,ZHU Yuan-chang,DI Yan-qiang

(Department of Optical & Electrical Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract: To solve the problems existing in the simulation training system such as large amount of work, low development efficiency and low quality, a design method of the simulation training system based on Virtools and HLA is put forward. After providing a design system structure of the anti-aircraft gun driving control system,four key technologies (development of RTI BB module, motion simulation, visual display, model physical zing and collision detection) are investigation. An operation simulation platform of a certain anti-aircraft gun driving control system was designed based on this method.Keywords: Virtools; distributed mutual simulation; high level architecture (HLA); driving control system; visual display

0 引 言

分布交互仿真技術(shù)從產(chǎn)生(SIMNET計(jì)劃)到DIS2.X,IEEE1278.X系列協(xié)議和ALSP協(xié)議,進(jìn)而發(fā)展到今天的HLA,都是為了解決建模與仿真(Modeling and Simulation,M&S)領(lǐng)域存在的問題。如:絕大多數(shù)仿真平臺的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較為獨(dú)立;仿真平臺之間的互操作性和重用性差;開發(fā)、維護(hù)和使用費(fèi)時(shí)間,而且成本高;可驗(yàn)證性、有效性和置信度較差[1]。當(dāng)前,形式、功能單一的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已不能滿足部隊(duì)的需求,因此如何越好越快地設(shè)計(jì)出能夠面向全系統(tǒng)、全任務(wù)空間、全領(lǐng)域的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已成為當(dāng)前一個(gè)迫切需要解決的問題。

HLA就是從體系結(jié)構(gòu)上建立的這樣一個(gè)框架,它能盡量涵蓋M&S領(lǐng)域中涉及各種不同類型的仿真系統(tǒng),并利于相互間的互操作和重用性,同時(shí)能夠利用不斷發(fā)展的新技術(shù)來滿足復(fù)雜大系統(tǒng)的仿真需求。采用HLA的技術(shù)體制,可以將單個(gè)仿真應(yīng)用連接起來組成一個(gè)大型的虛擬世界。在這個(gè)虛擬世界中,可以進(jìn)行大規(guī)模多對多/部隊(duì)對部隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略的原則研究和演練仿真。

Virtools一款3D/VR軟件由法國全球交互三維開發(fā)解決方案VIRTOOLS公司開發(fā),主要由5個(gè)組件的開發(fā)平臺和6個(gè)可選模塊組成[2]。它采用模塊化思想將原先由程序代碼實(shí)現(xiàn)的功能封裝入行為模塊(building blocks),然后對行為模塊進(jìn)行相關(guān)的編排鏈接,就可驅(qū)動三維場景,顯示相應(yīng)的輸出?；赩irtools的這種設(shè)計(jì)模式,本文提出了基于HLA/RTI和Virtools的高炮駕駛仿真平臺設(shè)計(jì)方法。

1 駕駛系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)

1.1 基于HLA/Virtools模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

HLA的核心思想是互操作和重用,其顯著特點(diǎn)是通過運(yùn)行支撐環(huán)境RTI(run time infrastructure)提供通用的、相對獨(dú)立的支撐服務(wù)程序,將仿真應(yīng)用與底層的支撐環(huán)境分開,也就是將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信傳輸三者分離,隱蔽了各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),從而使各部分可以相對獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā),并能充分利用各自領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。鑒于HLA的特點(diǎn),分布式駕駛系統(tǒng)仿真平臺采用HLA的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

分布式仿真系統(tǒng)離不開模型渲染和場景驅(qū)動,在這方面,目前常用的有2種方法:一種是直接基于OpenGL技術(shù)進(jìn)行模型的渲染和場景的驅(qū)動;另一種是使用場景管理/驅(qū)動軟件,如Vega,Vega Prime等,但是這種方法同樣也離不開對OpenGL底層技術(shù)的了解,在進(jìn)行場景驅(qū)動時(shí)仍然離不開編輯環(huán)境,如VC++等的支持。本文所述的3D/VR軟件Virtools則將相關(guān)底層技術(shù)封裝入行為模塊,使開發(fā)者不需要了解和直接利用底層的OpenGL或Direx技術(shù)等就能得到開發(fā)應(yīng)用,而且也使資源的重用性大大增強(qiáng)。除此之外,Virtools還有三維可視化編輯環(huán)境和流程圖似的腳本編輯環(huán)境。基于此,開發(fā)者只需基于相應(yīng)的邏輯關(guān)系對相關(guān)對象進(jìn)行腳本編排,就能驅(qū)動可視化編輯環(huán)境中的對象和場景發(fā)生相應(yīng)的變動。在這種設(shè)計(jì)思路和模式下,在對開發(fā)者的要求和工程開發(fā)周期大為降低的同時(shí),虛擬場景在逼真度、沉浸感和交互性方面都得到了加強(qiáng)[3]。

為此,本文提出了基于Virtools與HLA的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,為了使HLA/RTI能夠與Virtools相兼容,對HLA/RTI的相關(guān)功能進(jìn)行了二次封裝,并通過Virtools SDK將其功能封裝進(jìn)Virtools特有的BB中,這樣當(dāng)聯(lián)邦成員要與聯(lián)邦或其他成員進(jìn)行信息交互時(shí),只需調(diào)用相應(yīng)的HLA/RTI BB,就可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能;不同的聯(lián)邦成員只需修改相關(guān)的輸入?yún)?shù),就可使用相同的HLA/RTI BB,這樣就使模塊的重用性得到了較大的增強(qiáng)[4]。開發(fā)RTI BB的步驟如下:首先將RTI Ambassador和Federate Ambassador相關(guān)的功能服務(wù)封裝成Win32形式的dll,然后將Win32 dll在環(huán)境下封裝成RTI BB模塊。

1.2 高炮外觀模型的建立

高炮外觀模型指模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對某自行高炮外觀的模擬,本文采用3dMax與Virtools相結(jié)合的方式對裝備進(jìn)行外觀建模。首先,根據(jù)裝備實(shí)物及相關(guān)資源在3ds Max中創(chuàng)建高炮模型和3D場景。為了提高模型的逼真度,可采用紋理映射、多通道等技術(shù)對模型加以優(yōu)化,然后將模型導(dǎo)入Virtools中進(jìn)行渲染以及做最終的處理。導(dǎo)入裝備和地形模型之前,需要在3ds Max中安裝程序3dMax Exporter.exe;導(dǎo)出時(shí),首先是把建立在3dMax中的裝備和地形模型以.nmo文件的形式進(jìn)行輸出。.nmo文件是Virtools Dev默認(rèn)的用于存儲角色和場景以及物體等信息的文件格式。然后,需要把相應(yīng)的.nmo文件導(dǎo)入Virtools Dev中,添加實(shí)行交互的模塊腳本。在項(xiàng)目保存成可編輯的工程文件.cmo文件或者只讀的工程文件.vmo后,可以通過Virtools Dev自帶的程序開發(fā)包(即SDK)進(jìn)行.exe應(yīng)用文件的開發(fā)。

1.3 聯(lián)邦成員的程序框架

RTI對聯(lián)邦執(zhí)行的創(chuàng)建/撤銷、聯(lián)邦成員的加入/退出以及對象實(shí)例的注冊/刪除等操作,都是根據(jù)聯(lián)邦成員的請求來完成的[5]。

因此,聯(lián)邦執(zhí)行的生命周期與聯(lián)邦成員是息息相關(guān)的。根據(jù)HLA/Virtools的聯(lián)邦成員結(jié)構(gòu),采用雙線程結(jié)構(gòu)。一個(gè)是窗口界面線程,主要用于管理用戶和窗口的交互;另一個(gè)是仿真線程,主要用于完成仿真模型的執(zhí)行和聯(lián)邦交互。聯(lián)邦成員的程序流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)邦成員的程序流程

2 駕駛系統(tǒng)仿真平臺開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 駕駛員RTI BB模塊的開發(fā)

高炮武器系統(tǒng)仿真平臺的互聯(lián)分布通過RTI BB來實(shí)現(xiàn),本仿真平臺設(shè)計(jì)RTI BB時(shí),主要考慮BB模塊輸入/輸出參數(shù)端口的設(shè)計(jì)[6]。對于輸入輸出參數(shù),分為一般參數(shù)和特殊參數(shù),其中一般參數(shù)主要包括:創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行、加邦執(zhí)行、初始化時(shí)間管理、公布與訂購、時(shí)間推進(jìn)等;特殊參數(shù)對不同聯(lián)邦成員的需求各異,主要包括:啟動RTI進(jìn)程、需要更新的信息、需接收的信息等。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)本文設(shè)計(jì)的RTI BB,是通過將HLA/RTI 中與本地聯(lián)邦成員相關(guān)的本地RTI大使(RTI ambassador)和聯(lián)邦成員大使(federate ambassador)的相關(guān)RTI BB服務(wù)進(jìn)行封裝調(diào)用,使得基于Virtools設(shè)計(jì)的腳本在驅(qū)動RTI BB時(shí),就可執(zhí)行聯(lián)邦成員相應(yīng)地創(chuàng)建聯(lián)邦、加邦、公布訂購、時(shí)間推進(jìn)、更新成員信息、獲取聯(lián)邦或其他成員信息等功能。本仿真平臺開發(fā)的RTI BB如圖2所示。

圖2 駕駛員聯(lián)邦成員的RTI BB

2.2 高炮運(yùn)動控制的仿真

人機(jī)交互模型的目的在于將人的操作轉(zhuǎn)換為裝備機(jī)理模型的輸入。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中人機(jī)交互設(shè)備主要有兩種:計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)、實(shí)裝部件。對于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)如鼠標(biāo)、鍵盤等,由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)核有特有的接口,在Virtools中也有相應(yīng)的已封裝好的行為模塊,故可以直接進(jìn)行仿真應(yīng)用;在一些情況下,為了使沉浸感更強(qiáng),經(jīng)常需要用到虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)設(shè)備,如方向盤、剎車、油門等[7]。為了支持這個(gè)功能,Virtools開發(fā)了VR Pack,該模塊含有完備的虛擬實(shí)境硬件驅(qū)動程序,而且包含有先進(jìn)的顯示、聲音同步技術(shù),如Game lock等,這樣對于VR設(shè)備就可以方便地進(jìn)行仿真應(yīng)用,整個(gè)平臺從功能上可以分為以下幾個(gè)模塊[8]:

(1) 虛擬高炮在虛擬戰(zhàn)場中的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止等動作;

(2) 配合指揮車及其他高炮進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn),包括完成要求的各種集結(jié)、編隊(duì)行進(jìn)等功能;

(3) 實(shí)時(shí)地將高炮的車體姿態(tài)信息傳輸給其他各個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖3所示。

2.3 駕駛員視角的視景顯示

高炮駕駛員通過眼睛獲得90%以上的信息,所以,視景系統(tǒng)是駕駛模擬技術(shù)中非常重要的部分[9]。實(shí)現(xiàn)視景系統(tǒng)的關(guān)鍵就是如何制作出真實(shí)、實(shí)時(shí)、高水平的圖像,使得路面和交通環(huán)境就像真實(shí)的一樣。分析比較了幾種常用生成視景系統(tǒng)圖像的方法,提出了基于圖像的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),它不依賴于幾何模型,而是通過在Virtools虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)獲取的一組圖像,通過這些圖像的適當(dāng)組合來生成位于不同試點(diǎn)的新視圖。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于生成的環(huán)境是這組圖像所反映的客觀真實(shí)場景,而且獨(dú)立于場景復(fù)雜性。本駕駛系統(tǒng)中,基于此方法設(shè)計(jì)了駕駛員視角的視景顯示系統(tǒng),首先將相機(jī)獲取的圖像拼接為寬角度圖像實(shí)現(xiàn)的單視點(diǎn)漫游,再通過圖像插值和視圖變形技術(shù)實(shí)現(xiàn)各視點(diǎn)間的平滑過渡,最終完成駕駛員視角區(qū)域內(nèi)的連續(xù)漫游。圖4給出某時(shí)刻,炮車駕駛艙三個(gè)潛望鏡視窗的三維視景截屏仿真圖。

圖3 炮車行駛控制的仿真

圖4 以第一視角操縱炮車在虛擬環(huán)境中運(yùn)行

2.4 模型的物理化及碰撞檢測

碰撞檢測是構(gòu)造模擬訓(xùn)練系統(tǒng)不可或缺的一個(gè)重要部分,在高炮駕駛仿真系統(tǒng)中,場景物體的碰撞處理,主要涉及到高炮與地面、高炮與地上景物(樹木、柵欄等)、高炮與運(yùn)動物體之間的碰撞[10]。當(dāng)虛擬角色或者攝像機(jī)闖入地下或者走進(jìn)樹林的時(shí),即使模型建造得多么逼真,也會給用戶一種不真實(shí)的感覺,嚴(yán)重地影響了整個(gè)系統(tǒng)的效果和價(jià)值。

導(dǎo)入Virtools的高炮模型為組合模型,所以首先得賦予虛擬物體的物理屬性,Virtools中物理化虛擬物體,要調(diào)用Physicalize行為模塊給虛擬物體賦予重力、摩擦力、彈力等屬性,使其具有真實(shí)物體的一些特性,這時(shí)Virtools會在模型周圍按照選擇的包圍盒生成一個(gè)碰撞檢測面,以便對模型進(jìn)行交互測試。此外,還需給部件添加空間和邏輯上的約束機(jī)制,使高炮模型可以合理、正常的協(xié)同運(yùn)作。在Virtools中碰撞檢測使用的主要是層次包圍盒方法,功能主要由標(biāo)準(zhǔn)外部構(gòu)件管理應(yīng)用程序接口(standard external managers API)中的碰撞管理接口(collision manager API)來實(shí)現(xiàn)。通常層次包圍盒合上一些特殊的碰撞檢測應(yīng)用,就能按照實(shí)際需求,實(shí)時(shí)、精確地實(shí)現(xiàn)物體之間的交互測試,極大程度地增強(qiáng)用戶操作模型時(shí)的真實(shí)感和交互感。┩5給出高炮在仿真環(huán)境中發(fā)生碰撞檢測,無法穿透障礙物的仿真示意圖。

圖5 碰撞檢測發(fā)生,高炮無法穿透障礙物

3 高炮駕駛系統(tǒng)平臺開發(fā)應(yīng)用

基于上文提到的開發(fā)設(shè)計(jì)方法,本文設(shè)計(jì)了如圖6的某自行高炮單炮的聯(lián)邦系統(tǒng)。

圖6 某自行高炮駕駛系統(tǒng)訓(xùn)練平臺

通過模擬高炮在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中逼真的動力學(xué)、動力學(xué)特征,對高炮在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的各種運(yùn)動行為進(jìn)行仿真,以產(chǎn)生逼真度高的建模仿真效果。其中,仿真導(dǎo)演臺就是通過人機(jī)交互界面,對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化,同時(shí)控制整個(gè)仿真過程,包括啟動、暫停、停止和控制仿真推進(jìn)的快慢;機(jī)理解算成員節(jié)點(diǎn)由VC++和Matlab共同編輯完成。其中,解算由Simulink負(fù)責(zé)完成,主要用來對仿真系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,以實(shí)現(xiàn)裝備機(jī)理仿真,并為外觀模型提供數(shù)據(jù)支撐; 三維視景顯示成員利用Virtools 軟件進(jìn)行仿真,用于實(shí)時(shí)顯示整個(gè)三維仿真場景;成員間的交互則由RTI來實(shí)現(xiàn)。通過測試,整個(gè)高炮駕駛系統(tǒng)的渲染幀速率為50~60 f/s,完全可以滿足虛擬場景交互的實(shí)時(shí)性和逼真度要求。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合當(dāng)前仿真需要,在構(gòu)建高炮駕駛系統(tǒng)仿真平臺時(shí),提出了一種新的仿真平臺設(shè)計(jì)方法,即將Virtools與HLA相結(jié)合,針對平臺開發(fā)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,并提出了解決方案,解決了高炮作為聯(lián)邦成員在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動等問題。此法既科學(xué)又易于實(shí)現(xiàn),對今后相關(guān)的開發(fā)工作具有較好的參考價(jià)值。

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篇8

關(guān)鍵詞：無源光網(wǎng)絡(luò)；鏈路仿真；動態(tài)帶寬分配；IEEE802.3

隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展和國內(nèi)電信運(yùn)營商的增多，目前國內(nèi)的骨干網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)光纖化、數(shù)字化、寬帶化。當(dāng)前，擺在電信運(yùn)營商面前的主要問題是如何建立一個(gè)寬帶高速、數(shù)字化的接入網(wǎng)。由于光纖的傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)、容量大，因此成為接入網(wǎng)傳輸介質(zhì)的首選。無源光網(wǎng)絡(luò)（PON，Passive Optical Network）在光纖接入方式中相對成本低，能平滑升級、帶寬高、覆蓋范圍大、節(jié)省光纖資源、傳輸距離遠(yuǎn)、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它打破了傳統(tǒng)點(diǎn)到點(diǎn)的解決方法，是解決寬帶接入的一種既經(jīng)濟(jì)、又面向未來多業(yè)務(wù)的用戶接入技術(shù)，因而將是未來的發(fā)展方向。

1、EPON的技術(shù)原理

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與所有的PON系統(tǒng)一樣，EPON系統(tǒng)由OLT、ONU和ODN組成。OLT位于局端，是整個(gè)EPON系統(tǒng)的核心部件，向上提供接入網(wǎng)與核心網(wǎng)／城域網(wǎng)的高速接口，向下提供一點(diǎn)對多點(diǎn)的PON接口；ONU位于用戶端，終結(jié)光纖鏈路，并提供對用戶業(yè)務(wù)的各種適配功能；ODN是由無源光分支分配器組成的光纖分配網(wǎng)絡(luò)，使得一個(gè)PON接口的光纖傳輸帶寬可以由多個(gè)ONU共享，節(jié)省了大量的光纖鋪設(shè)成本。EPON技術(shù)利用這種點(diǎn)對多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以以太網(wǎng)為承載協(xié)議，因此而得名。

（2）EPON的關(guān)鍵技術(shù)―――MPCP

EPON以MAC控制子層的MPCP（multipointcontrolprotocol）機(jī)制為基礎(chǔ)，MPCP通過消息、狀態(tài)機(jī)和定時(shí)器來控制訪問P2MP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MPCP涉及的內(nèi)容包括ONU發(fā)送時(shí)隙的分配、ONU的自動發(fā)現(xiàn)和加入、向高層報(bào)告擁塞情況以便動態(tài)分配帶寬。P2MP拓?fù)渲械拿總€(gè)ONU都包含一個(gè)MPCP實(shí)體，它可以和OLT中的MPCP實(shí)體進(jìn)行消息交互。MPCP在OLT和ONU之間規(guī)定了一種控制機(jī)制來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的有效發(fā)送和接收：系統(tǒng)運(yùn)行過程中上行方向在一個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)ONU發(fā)送，位于OLT的高層負(fù)責(zé)處理發(fā)送的定時(shí)、不同ONU的擁塞報(bào)告從而優(yōu)化PON系統(tǒng)內(nèi)部的帶寬分配。

（3）EPON的主要OAM功能

遠(yuǎn)端故障指示

＊控制ONU的開與關(guān)，如果ONU被關(guān)閉，該ONU不能注冊到PON網(wǎng)絡(luò)和注冊；

＊在下行方向上OLT向ONU該ONU的組播成員信息；

＊用戶接入物理設(shè)備在故障期間可支持OLT至ONU的單向OAM遠(yuǎn)端故障指示；

＊交換ONU的產(chǎn)商代碼／型號信息以及用戶端口配置信息

＊ping測試，檢查網(wǎng)絡(luò)的連通性＊遠(yuǎn)端環(huán)回：提供了環(huán)回模式的機(jī)制。

＊遠(yuǎn)端統(tǒng)計(jì)查詢b、鏈路管理＊支持包括診斷信息的事件通知；＊支持輪詢MIB變量。

（4）EPON的增強(qiáng)特性―――DBA

需要說明的是DBA（動態(tài)帶寬分配）的實(shí)現(xiàn)方式并不在EPON規(guī)范內(nèi)要求，而現(xiàn)在DBA主要有兩種實(shí)現(xiàn)機(jī)制Report方式和Idle幀檢測方式。

DBA是由OLT全局控制的，不同于以太網(wǎng)的帶寬爭用機(jī)制。

2、EPON技術(shù)的關(guān)鍵架構(gòu)

EPON開放式接入系統(tǒng)架構(gòu)有2種業(yè)務(wù)模型：一種是通過L3業(yè)務(wù)復(fù)用交換設(shè)備與一個(gè)集成的業(yè)務(wù)提供商相連，同時(shí)提供多種寬帶接入業(yè)務(wù)；另一種是通過L2帶寬集中器直接與各業(yè)務(wù)提供商的IP router、VoIP Gateway、Video Server等相連，提供靈活的業(yè)務(wù)選擇。此種架構(gòu)可以最大限度提高EPON系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，降低設(shè)備成本，保護(hù)現(xiàn)有投資，具有強(qiáng)大的擴(kuò)容和升級能力，便于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)平面與承載平面的分離，易于開展多項(xiàng)增值業(yè)務(wù)。

在IEEE802.3ah中，定義了EPON系統(tǒng)的ISO／OSI參考模型。其中，與高層接口的是傳統(tǒng)的MAC客戶子層，負(fù)責(zé)將高層的業(yè)務(wù)流映射進(jìn)EPON中進(jìn)行傳送；OAM子層是新增加的一項(xiàng)可選功能模塊，主要用于傳遞OLT與ONU間的操作、維護(hù)和管理（OAM）消息；多點(diǎn)MAC控制子層則是EPON的核心功能層，負(fù)責(zé)一個(gè)OLT與多個(gè)ONU的通信控制和協(xié)調(diào)，利用MAC控制幀（如Gate、Re－port等）實(shí)現(xiàn)控制信息的交互；MAC子層則是通信的主體，與普通以太網(wǎng)MAC沒有區(qū)別；適配子層（RS子層）則被用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的仿真（P2PE：Point to Point Emulation），用于對EPON內(nèi)部的邏輯鏈路標(biāo)識（LLID）進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)鏈路層與物理層通過GMII接口通信；物理編碼子層（PCS）則在完成傳統(tǒng)PCS子層8B／10B編解碼和字節(jié)同步的功能之外，新增加了可選的前向糾錯(cuò)（FEC）模塊，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能；PMA子層則主要完成串并和并串轉(zhuǎn)換及時(shí)鐘提取等功能，與普通千兆以太網(wǎng)技術(shù)一致；PMD子層則主要完成信號的光電轉(zhuǎn)換，根據(jù)EPON自身的特點(diǎn)，要求OLT的光收發(fā)模塊具有突發(fā)接收的能力，而ONU的光收發(fā)模塊則必須具備突發(fā)發(fā)送的能力。

由于EPON中各個(gè)ONU距離OLT物理距離的差異，到達(dá)OLT側(cè)的不同ONU的光功率可能有很大的差異，因此要求OLT側(cè)的光接收機(jī)具有自動閾值控制（ATC）的功能。此外，由于EPON上行為TDMA的工作方式，每個(gè)ONU只能在預(yù)先分配好的時(shí)段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則將在OLT側(cè)造成接收沖突。因此要求ONU側(cè)的光發(fā)射機(jī)具有突發(fā)發(fā)送的功能，在不屬于自己的時(shí)段內(nèi)應(yīng)不發(fā)光或只發(fā)微弱的光（＜－45dBm），在屬于自己的發(fā)送授權(quán)到來時(shí)，能迅速將光發(fā)射功率調(diào)整到正常工作水平。EPON是將傳統(tǒng)的廉價(jià)的、易于管理的以太網(wǎng)技術(shù)與可靠的PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合而開發(fā)的一項(xiàng)新的接入技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)IEEE802.3ah－2004規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，滿足運(yùn)營商對網(wǎng)絡(luò)可管理可維護(hù)可盈利的要求，首先必須解決諸如鏈路仿真技術(shù)、絕對時(shí)標(biāo)技術(shù)、上下行帶寬控制與服務(wù)水平協(xié)議（SLA）、動態(tài)帶寬分配（DBA）等關(guān)鍵技術(shù)。

鏈路仿真技術(shù)是用于解決EPON點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兼容而開發(fā)的，可以在邏輯層面實(shí)現(xiàn)OLT與多個(gè)ONU的通信機(jī)制。IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種類型的媒質(zhì)：共享的媒質(zhì)和全雙工。在共享媒質(zhì)情況下，所有站點(diǎn)都連接到同一個(gè)訪問域，每次最多只能有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，但所有站點(diǎn)都可以一直接收數(shù)據(jù)。在全雙工方式下，通常采用一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路連接兩個(gè)站點(diǎn)或一個(gè)站點(diǎn)與一個(gè)網(wǎng)橋，此時(shí)，每個(gè)站點(diǎn)都可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?；谝陨隙x，網(wǎng)橋?qū)⒉晦D(zhuǎn)發(fā)從一個(gè)端口發(fā)送回本端口的幀，即連接在同一網(wǎng)橋端口的所有站點(diǎn)可以在不需要網(wǎng)橋參與的情況下互相通信。這就會引起一個(gè)有趣的現(xiàn)象：同一E－PON系統(tǒng)內(nèi)部連接到不同ONU的用戶之間在沒有3層處理的情況下無法實(shí)現(xiàn)相互通信。為了解決這一問題，同時(shí)易于與其他以太網(wǎng)的無縫集成，在EPON系統(tǒng)內(nèi)引入了新的鏈路仿真技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)同一EPON系統(tǒng)內(nèi)連接到不同ONU的用戶之間可以互相通信。

為了避免多個(gè)ONU上行突發(fā)發(fā)送時(shí)的沖突，EPON系統(tǒng)采用了先進(jìn)的絕對時(shí)標(biāo)（Absolute Timestamp）技術(shù)，即同一EPON系統(tǒng)內(nèi)部所有設(shè)備的定時(shí)都以O(shè)LT側(cè)的定時(shí)為基準(zhǔn)。系統(tǒng)通過上下行MPCP幀的Timestamp域傳遞定時(shí)信息。GATE和REPORT操作是MPCP協(xié)議的兩種操作模式在OLT側(cè)，發(fā)送GATE幀（Discovery Gate和Normal Gate）的同時(shí)將本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值插入該幀的時(shí)標(biāo)域。在Normal Gate中，還將包含OLT分配給該ONU的發(fā)送起始和結(jié)束時(shí)刻。ONU接收到屬于自己的Gate幀后，提取其時(shí)隙起始和結(jié)束時(shí)刻存入相應(yīng)寄存器，并將本地定時(shí)寄存器的值改為GATE幀中的時(shí)標(biāo)值，同時(shí)比較這兩個(gè)時(shí)標(biāo)值的差是否大于guard＿threshold的值（IEEE規(guī)定該變量的默認(rèn)值為4＊16bits time），若大于該值，則認(rèn)為時(shí)標(biāo)發(fā)生了較大漂移，ONU將發(fā)起一次重新注冊來修正。ONU則通過上行發(fā)送REPORT幀來報(bào)告本地時(shí)標(biāo)和待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。發(fā)送REPORT幀的同時(shí)將本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的值插入該幀的時(shí)標(biāo)域。OLT側(cè)從接收到的REPORT幀中提取該ONU的時(shí)標(biāo)信息，計(jì)算往返時(shí)間值（RTT：Round Trip Time）。為了保證不同業(yè)務(wù)在EPON內(nèi)部能夠得到與其業(yè)務(wù)類型相匹配的服務(wù)，在ONU側(cè)上行方向定義了不同的分類規(guī)則，查找引擎（LUE：Look Up Engine）利用這些規(guī)則確定從UNI端口發(fā)送過來的包的流向，以建立特定類型的包與所使用的隊(duì)列的對應(yīng)關(guān)系。而每個(gè)LLID又與某一個(gè)或某幾個(gè)隊(duì)列相對應(yīng)，通常選擇1個(gè)LLID對應(yīng)1個(gè)隊(duì)列。ONU側(cè)每個(gè)LLID的上下行數(shù)據(jù)使用完全獨(dú)立的隊(duì)列進(jìn)行處理，最大限度保證上下行業(yè)務(wù)的SLA和QoS。

此外，為了支持多種不同的帶寬分配策略，需要將帶寬分配機(jī)制與具體帶寬分配算法獨(dú)立，采用一種具有硬件加速功能的帶寬分配引擎。這種典型的DBA實(shí)現(xiàn)可以很好根據(jù)用戶需求動態(tài)地改變每個(gè)LLID的授權(quán)帶寬。

3、EPON的建設(shè)建議

通過上面對EPON技術(shù)的簡單介紹，可是看出EPON系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）局端（OLT）與用戶（ONU）之間僅有光纖、光分路器等光無源器件，無需租用機(jī)房、無需配備電源、無需有源設(shè)備維護(hù)人員，因此，可有效節(jié)省建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本；

（2）EPON采用以太網(wǎng)的傳輸格式同時(shí)也是用戶局域網(wǎng)／駐地網(wǎng)的主流技術(shù)，二者具有天然的融合性，消除了復(fù)雜的傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換帶來的成本因素；

（3）采用單纖波分復(fù)用技術(shù)（下行1490nm，上行1310nm），僅需一根主干光纖和一個(gè)OLT，傳輸距離可達(dá)20公里。在ONU側(cè)通過光分路器分送給最多32個(gè)用戶，因此可大大降低OLT和主干光纖的成本壓力；

（4）上下行均為千兆速率，下行采用針對不同用戶加密廣播傳輸?shù)姆绞焦蚕韼挘闲欣脮r(shí)分復(fù)用（TDMA）共享帶寬。高速寬帶，充分滿足接入網(wǎng)客戶的帶寬需求，并可方便靈活的根據(jù)用戶需求的變化動態(tài)分配帶寬；

（5）點(diǎn)對多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，只需增加ONU數(shù)量和少量用戶側(cè)光纖即可方便地對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容升級，充分保護(hù)運(yùn)營商的投資；結(jié)合EPON的特點(diǎn)，并針對現(xiàn)網(wǎng)的情況，現(xiàn)對EPON的建設(shè)提出以下建議：

PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）作為目前FTTH最佳的解決方案，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)本著近期以EPON為主，遠(yuǎn)期逐步向GPON過渡的原則。EPON目前成熟度較高，成本相對低廉，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持好；GPON在帶寬、效率和全業(yè)務(wù)支持方面具有優(yōu)勢。

基于PON的光纖接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供話音業(yè)務(wù)、傳真、視頻業(yè)務(wù)及高速的數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，通過光纖要在用戶端設(shè)備上為用戶提供語音、數(shù)據(jù)及視頻三種不同業(yè)務(wù)合一的解決能力（具體包括POTS、VOIP、FAX、IPTV、CATV業(yè)務(wù)，Internet接入業(yè)務(wù)等）。提供的話音業(yè)務(wù)應(yīng)考慮向NGN網(wǎng)的平滑演進(jìn)。

PON網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中應(yīng)結(jié)合其簡化供電，避免電磁干擾和雷電影響，減少線路和外部設(shè)備的故障率，降低運(yùn)維成本等技術(shù)特點(diǎn)，提高覆蓋區(qū)域用戶密度，降低單位用戶成本。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)選定較為集中的用戶群區(qū)域或重點(diǎn)客戶進(jìn)行覆蓋。

PON網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)以市場發(fā)展策略為導(dǎo)向，以目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為指導(dǎo)，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和市場需求，適時(shí)引入。

PON網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)立足現(xiàn)存接入網(wǎng)現(xiàn)狀，充分利用現(xiàn)有資源，節(jié)約成本，快速提供業(yè)務(wù)。

篇9

利用ERP沙盤進(jìn)行企業(yè)經(jīng)營虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)，在我國高校已經(jīng)開展了近十年，成效顯著。在梳理當(dāng)前ERP沙盤教學(xué)存在的問題后，介紹了黑龍江科技大學(xué)借助云計(jì)算技術(shù)方法，結(jié)合高校教育教學(xué)的碎片化、社會化、平臺化趨勢對ERP沙盤虛擬仿真實(shí)訓(xùn)改革與實(shí)踐過程，以及取得的成果，也為同類高校提升ERP沙盤實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量提供思路。

關(guān)鍵詞：

云計(jì)算；ERP沙盤；虛擬仿真；人機(jī)對抗

中圖分類號：

G4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672―3198（2015）21016902

近十年來，我國各高校利用ERP沙盤進(jìn)行企業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)，取得了較為顯著的教學(xué)效果。它將角色扮演、案例分析、專家診斷融為一體，打破經(jīng)管類專業(yè)知識壁壘，理解企業(yè)運(yùn)作全過程，綜合性的提升學(xué)生管理能力和技巧，是經(jīng)管類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的一次重大變革。與之相輔相成，ERP沙盤模擬教學(xué)手段也經(jīng)歷了物理沙盤、電子沙盤與物理沙盤相互結(jié)合，最后到電子沙盤的三個(gè)不同發(fā)展階段，支撐經(jīng)營模擬和仿真的能力得到不斷加強(qiáng)，有效地保障了ERP沙盤實(shí)訓(xùn)的順利開展。

1高校ERP沙盤實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問題

1.1教師價(jià)值尚不顯著

在電子沙盤支持下的ERP沙盤教學(xué)過程中，教師職責(zé)聚焦在三個(gè)方面：講授、教學(xué)引導(dǎo)和控制、對學(xué)生經(jīng)營狀況進(jìn)行年度點(diǎn)評。其中，教學(xué)引導(dǎo)和控制處理的比較完美，而其他兩個(gè)方面均不理想。面對初次接觸沙盤的學(xué)生時(shí)，教師系統(tǒng)講授沙盤經(jīng)營規(guī)則，卻并不能達(dá)到滿意教學(xué)效果；教師年度點(diǎn)評時(shí)往往依據(jù)演示文稿，僅參照資產(chǎn)負(fù)債、損益等表格進(jìn)行對比展示，或借助部分經(jīng)營圖形分析解釋，也缺乏對學(xué)生經(jīng)營更細(xì)致地，有說服力的數(shù)據(jù)分析過程。因此，教師傳道與解惑的核心職責(zé)并不能充分體現(xiàn)。

1.2學(xué)生價(jià)值提升有限

ERP沙盤實(shí)訓(xùn)是一種以學(xué)生為中心的“體驗(yàn)式”教學(xué)方式，評價(jià)學(xué)生價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)是教學(xué)覆蓋面和能力提升度。然而，由于師資和課時(shí)限制，當(dāng)前的高校ERP沙盤實(shí)訓(xùn)普遍定位在培養(yǎng)競賽型選手上，僅有少部分學(xué)生受益，教學(xué)覆蓋面并不高。即便參與了高校ERP沙盤實(shí)訓(xùn)的學(xué)生，其成績評定依據(jù)整個(gè)團(tuán)隊(duì)而非個(gè)人，很難評價(jià)學(xué)生經(jīng)過培訓(xùn)后的能力差異。另外，現(xiàn)有電子沙盤支持下的ERP沙盤實(shí)訓(xùn)方式，缺少穩(wěn)定社區(qū)環(huán)境的支撐，學(xué)生不可能從反復(fù)不斷經(jīng)營模擬中形成充分交流和自主學(xué)習(xí)，缺乏學(xué)生在校級之間的協(xié)同學(xué)習(xí)，難以共享資源和經(jīng)驗(yàn)。

1.3軟件價(jià)值亟待挖掘

主流ERP電子沙盤軟件品種繁多，功能模塊大同小異，但軟件購買成本較高，考慮到實(shí)驗(yàn)室硬件配套建設(shè)成本，總投資較為可觀。但是受國賽和實(shí)驗(yàn)室開放的時(shí)間限制，ERP電子沙盤實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)利用率并不理想，呈明顯周期性變動。

除此以外，多數(shù)ERP電子沙盤軟件缺少可視化盤面，限制了初學(xué)者通過ERP沙盤學(xué)習(xí)ERP基本原理的教學(xué)本質(zhì)，存在一定盲目性；受到人數(shù)限制，教學(xué)過程需要一定的人數(shù)保證，否則無法滿足最低6組的對抗條件；受到時(shí)間限制，僅能在實(shí)驗(yàn)室的PC機(jī)上使用，學(xué)生無法利用閑暇時(shí)間，在個(gè)人Pad和手機(jī)上操作。更重要的是，在分組對抗過程中，學(xué)生缺乏科學(xué)而循序漸進(jìn)的分級訓(xùn)練，不利用培養(yǎng)高水平競賽選手。

2我校ERP沙盤實(shí)訓(xùn)的教學(xué)改革情況

隨著高等教育教學(xué)理念的變革與深化，以及云計(jì)算為代表新一代信息技術(shù)的不斷普及，使學(xué)生實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)過程呈現(xiàn)碎片化、社會化、平臺化特征，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)成為高校經(jīng)管類專業(yè)實(shí)訓(xùn)發(fā)展的必然趨勢。在這種大背景下，我校自2012年開始嘗試云計(jì)算環(huán)境下的ERP沙盤實(shí)訓(xùn)改革，經(jīng)過近3年時(shí)間2400人次的實(shí)踐驗(yàn)證，取得了良好的教學(xué)效果。

2.1教師碎片化教學(xué)的探索

通過精心設(shè)計(jì)ERP沙盤對企業(yè)運(yùn)營進(jìn)行虛擬仿真，結(jié)合原汁原味的物理沙盤實(shí)物，將傳統(tǒng)沙盤運(yùn)營規(guī)則的課堂講授過程，教師按照知識點(diǎn)錄制5-8分鐘微視頻，或者針對經(jīng)典運(yùn)營案例，錄制點(diǎn)評微視頻，營造了一個(gè)真實(shí)的“微教學(xué)資源環(huán)境”。由于海量低成本的云存儲服務(wù)支持，這些微視頻可以隨時(shí)被學(xué)生在各種移動設(shè)備播放，并與教師深度交互，逐步達(dá)成碎片化教學(xué)。

2.2學(xué)生社會化學(xué)習(xí)的探索

ERP沙盤仿真企業(yè)經(jīng)營過程中，學(xué)生通過自身體驗(yàn)管理過程，也可以通過觀察他人行動成敗，間接增長管理經(jīng)驗(yàn)，本質(zhì)上是一種社會化學(xué)習(xí)。借助云計(jì)算平臺，我校構(gòu)建了ERP沙盤社區(qū)下的用戶平臺認(rèn)證體系。通過平臺模擬運(yùn)行環(huán)境、用戶積分排名、單人/團(tuán)隊(duì)任務(wù)、沙友圈子等功能支持，打造用戶平臺社區(qū)化機(jī)制，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行全社會范圍內(nèi)所有參與者之間分享ERP沙盤實(shí)訓(xùn)經(jīng)營方案，發(fā)帖交流各自學(xué)習(xí)經(jīng)歷和體會，并通過云平臺發(fā)起協(xié)作約定，獲得團(tuán)隊(duì)管理新體驗(yàn)。

2.3軟件平臺化設(shè)計(jì)的探索

2.3.1租用云平臺提高運(yùn)行性能

基于現(xiàn)有成熟的公有云服務(wù)，我校ERP沙盤實(shí)訓(xùn)經(jīng)營具備大并發(fā)能力，突破了社會化學(xué)習(xí)環(huán)境下南北網(wǎng)速差異的困難。通過Internet以服務(wù)的方式提供動態(tài)可伸縮的虛擬化資源的云計(jì)算模式，可以根據(jù)前述ERP電子沙盤實(shí)驗(yàn)室使用量的周期性變化情況，能夠動態(tài)地調(diào)整教學(xué)高峰時(shí)期與空閑期的落差，降低投入成本。

2.3.2構(gòu)建跨平臺運(yùn)行的云端系統(tǒng)

云計(jì)算環(huán)境下的ERP沙盤虛擬仿真系統(tǒng)，采用跨平臺HTML5作為開發(fā)引擎，實(shí)現(xiàn)多終端（PC、手機(jī)、PAD）等多個(gè)系統(tǒng)（IOS、Java、Win）無縫銜接。

最重要的是，系統(tǒng)采用“短鏈接-回放”設(shè)計(jì)思路并加以改進(jìn)，用戶操作觸發(fā)服務(wù)器的短鏈接服務(wù)，所有經(jīng)營過程的邏輯計(jì)算、信息存儲均在云服務(wù)器進(jìn)行。用戶端僅負(fù)責(zé)執(zhí)行服務(wù)發(fā)回的表現(xiàn)腳本，回放由服務(wù)發(fā)回的壓縮后視頻流，重現(xiàn)服務(wù)器執(zhí)行的過程及結(jié)果。其優(yōu)勢是ERP沙盤實(shí)訓(xùn)的業(yè)務(wù)處理邏輯完全放在云端，不必再考慮代碼安全性問題，支持存儲、通訊、運(yùn)行開銷輕量級化，贏得更好的用戶體驗(yàn)（如圖1所示）。

2.3.3面向科學(xué)訓(xùn)練的人機(jī)對抗模式

云計(jì)算環(huán)境下的ERP沙盤虛擬仿真系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)電子沙盤僅能開展分組訓(xùn)練的局限，支持人機(jī)對抗模式，對ERP沙盤實(shí)訓(xùn)教學(xué)具有相當(dāng)重要的意義。利用人機(jī)對抗功能，學(xué)生可以突破教學(xué)的最低人數(shù)限制，獨(dú)立發(fā)起與5個(gè)機(jī)器對手的博弈。利用海量云存儲能力，對每個(gè)特定市場預(yù)測，俊在服務(wù)器端建立動態(tài)方案庫。學(xué)生與機(jī)器對弈后，會將學(xué)生策略編碼后存入方案庫。人機(jī)對抗模式表面上是使機(jī)器具備向人類對手學(xué)習(xí)的能力，本質(zhì)上是學(xué)生面對不斷優(yōu)化的競爭方案，是和優(yōu)秀的人類對手同臺競技，是社會化學(xué)習(xí)的擴(kuò)展。

在人機(jī)對抗功能上，我校首次建立了ERP沙盤實(shí)訓(xùn)的自適應(yīng)教學(xué)模式。針對初學(xué)者和競賽選手，云計(jì)算環(huán)境下的ERP沙盤虛擬仿真系統(tǒng)根據(jù)人類對手能力水平，自動給出與之適應(yīng)的訓(xùn)練任務(wù)和方案，保證了ERP沙盤模擬教學(xué)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

2.3.4更加精細(xì)的成績考核體系

云計(jì)算環(huán)境下的ERP沙盤虛擬仿真系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)電子沙盤僅依靠團(tuán)隊(duì)權(quán)益確定學(xué)生成績的缺陷，采用分崗方案數(shù)據(jù)庫，對不同專業(yè)背景的學(xué)生進(jìn)行側(cè)重考核。

在云計(jì)算環(huán)境下，學(xué)生所有經(jīng)營模擬的決策細(xì)節(jié)被存儲在云服務(wù)器上，通過大數(shù)據(jù)分析和挖掘，與同崗位、同難度的其他學(xué)生經(jīng)營數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以給出不同訓(xùn)練層次下的經(jīng)營狀態(tài)報(bào)告，指出學(xué)生經(jīng)營決策制定和執(zhí)行中存在的不足之處，并通過自動記錄積分和等級，在學(xué)校、省內(nèi)、全國多個(gè)層次進(jìn)行分崗排名和綜合實(shí)力排名（如圖2所示）。因此，云計(jì)算環(huán)境下的ERP沙盤虛擬仿真系統(tǒng)通過更詳盡的數(shù)據(jù)分析，有效支撐教師教學(xué)點(diǎn)評視頻的制作，提升教師價(jià)值。

3結(jié)束語

采用云計(jì)算環(huán)境下的ERP沙盤實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，克服傳統(tǒng)電子沙盤教學(xué)中存在的不足，同時(shí)融合了高等教育教學(xué)的最新流行理念，建立了“微教學(xué)資源環(huán)境”，通過改善碎片化教學(xué)效果進(jìn)而提升教師價(jià)值；建立了“用戶平臺認(rèn)證體系”，通過改善社會化學(xué)習(xí)效果進(jìn)而提升學(xué)生價(jià)值；建立了“基于云端的人機(jī)對抗系統(tǒng)”，通過改善平臺化情境效果提升軟件價(jià)值。這種教學(xué)模式的應(yīng)用和實(shí)踐，促進(jìn)了ERP沙盤實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平向更高層次邁進(jìn)。當(dāng)然，目前的研究成果尚有些問題和關(guān)鍵技術(shù)，如業(yè)務(wù)資源服務(wù)自動組合技術(shù)、人機(jī)混戰(zhàn)的智能設(shè)計(jì)、接口與平臺松耦合等問題，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

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篇10

[關(guān)鍵詞]：煤礦數(shù)字化；發(fā)展現(xiàn)狀；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：X752 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息技術(shù)的快速發(fā)展和浪潮般的推廣應(yīng)用，為礦山企業(yè)帶來了機(jī)遇，也帶來了壓力。一方面，隨著礦產(chǎn)資源消費(fèi)的急劇增長和開采加工難度的日益增大，促使采礦逐漸走向數(shù)字化和智能化；另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的發(fā)展，煤礦信息化正向信息擴(kuò)展、高度集成、綜合應(yīng)用、自動控制、預(yù)測預(yù)報(bào)、智能決策的方向發(fā)展。煤礦企業(yè)對信息化建設(shè)越來越重視，且大部分建設(shè)了以光纜為基礎(chǔ)的高速企業(yè)網(wǎng)，開發(fā)了管理信息系統(tǒng)、采礦生產(chǎn)運(yùn)輸自動化系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng) 與internet網(wǎng)對接并建立了網(wǎng)站系統(tǒng)。特別對于井工礦企業(yè)，如何去創(chuàng)新出自己的數(shù)字化管理之路，已經(jīng)越來越成為一個(gè)重要和迫切的研究課題。

煤礦數(shù)字化簡介及意義

煤礦數(shù)字化，又稱數(shù)字礦山，是由數(shù)字地球的定義延伸而來，即在礦山范圍內(nèi)以三維坐標(biāo)信息及其相互關(guān)系為基礎(chǔ)而組成的信息框架，并在該框架內(nèi)嵌入所獲得的信息的總和。煤礦所能獲取的信息可劃分為固有信息和動態(tài)信息2個(gè)層面，固有信息包括礦井原始數(shù)據(jù)(地質(zhì)、測量、鉆孔)和煤層、圍巖、井巷等地質(zhì)體空間信息；動態(tài)信息包括采掘、通風(fēng)、運(yùn)輸、供電、給排水等生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及其裝備信息，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的信息(設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境、人員)，專業(yè)分析輔助決策信息，生產(chǎn)經(jīng)營管理信息。這些信息在煤礦地質(zhì)勘探、規(guī)劃設(shè)計(jì)、建井施工、生產(chǎn)經(jīng)營管理各環(huán)節(jié)中產(chǎn)生,具有持續(xù)產(chǎn)生、共享利用、多源異構(gòu)的特征，所以分析礦山信息的構(gòu)成、產(chǎn)生過程、獲取手段、表現(xiàn)方式,建立礦井基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)倉庫，開發(fā)數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺，實(shí)現(xiàn)礦井固有信息和內(nèi)嵌動態(tài)信息的認(rèn)知、獲取、表達(dá)、處理、共享、可視化、傳輸和使用等過程的數(shù)字化是建設(shè)煤礦數(shù)字礦山的主要內(nèi)容，最終發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)礦山資源與開采環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)設(shè)備智能化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理與決策科學(xué)化。

數(shù)字化礦山建設(shè)過程是提高生產(chǎn)經(jīng)營管理水平、轉(zhuǎn)換經(jīng)營機(jī)制、促進(jìn)管理現(xiàn)代化、建立現(xiàn)代企業(yè)制度、 提高經(jīng)濟(jì)效益、 促進(jìn)安全生產(chǎn)的完善過程；也是煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨行業(yè)和實(shí)施大集團(tuán)戰(zhàn)略、走可持續(xù)化發(fā)展道路的技術(shù)保障。煤炭工業(yè)數(shù)字化建設(shè)， 可提高煤礦企業(yè)安全管理的預(yù)測預(yù)判和預(yù)防預(yù)控能力， 推動安全從靜態(tài)管理向動態(tài)管理、從被動管理向主動管理、從程序管理向工序管理的轉(zhuǎn)變， 是保障煤礦安全生產(chǎn)的必然選擇和重要途徑。

煤礦數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀

我國的煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，但與國際上發(fā)達(dá)國家相比，我國煤炭企業(yè)普遍存在兩個(gè)方面的不足：一是煤礦總體裝備技術(shù)水平，尤其是系統(tǒng)的整體有效性、信息化水平不高；二是煤礦生產(chǎn)事故較多，造成國家財(cái)產(chǎn)和人民生命的嚴(yán)重?fù)p失。我國煤炭工業(yè)數(shù)字化進(jìn)程起步較早，但 90 年代煤炭行業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益下滑， 數(shù)字化進(jìn)程極大受挫。隨著煤炭行業(yè)的復(fù)蘇，煤炭企業(yè)數(shù)字化意識有了很大的提高，數(shù)字化管理體系、信息安全體系逐漸形成，數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展較快，數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快。

從煤礦數(shù)字化的內(nèi)涵和發(fā)展目標(biāo)來看，實(shí)際上目前我國煤礦完全意義上的數(shù)字化還沒有建成，究其原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）煤礦數(shù)字化是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng),涉及煤礦地質(zhì)勘探、規(guī)劃設(shè)計(jì)、建井施工、安全生產(chǎn)、經(jīng)營管理的全過程，許多信息需要持續(xù)利用共享，然而各環(huán)節(jié)信息化方式和水平不同，數(shù)據(jù)格式兼容性差，信息不能重復(fù)利用，信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重；（2）我國煤礦數(shù)字礦山仍處于初級發(fā)展階段，成熟的能夠統(tǒng)一管理和集成空間信息、實(shí)時(shí)動態(tài)信息和管理信息的基礎(chǔ)平臺還未見報(bào)道，分析原因主要與開發(fā)商所涉及專業(yè)有關(guān)。目前，直接推動煤礦數(shù)字礦山發(fā)展的相關(guān)專業(yè)開發(fā)商有3類：一類為煤礦地質(zhì)測量系統(tǒng)開發(fā)商，他們從早期的矢量化成圖系統(tǒng)，逐步發(fā)展完善成具有煤礦專有功能的地質(zhì)測量系統(tǒng)，有的還集成了一定的管理功能，這類開發(fā)商自稱是數(shù)字礦山的領(lǐng)跑者；其次是煤礦自動化系統(tǒng)集成商，他們從早期的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)展到今天集成的全礦井綜合自動化系統(tǒng)，將礦井各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)信息掌握在手，這類開發(fā)商自稱是數(shù)字礦山的實(shí)踐者；第三類是煤礦信息管理的開發(fā)商，他們從煤礦辦公自動化、運(yùn)銷、設(shè)備及勞資等管理模塊入手，將煤礦各業(yè)務(wù)科室的管理流程信息化。由于這3類開發(fā)商涉及煤礦不同的業(yè)務(wù)部門，各自所采取的技術(shù)路線、應(yīng)用平臺千差萬別，造成目前各類系統(tǒng)難以整合、信息資源無法共享,很難形成統(tǒng)一的空間信息、實(shí)時(shí)信息和管理信息平臺；（3）在技術(shù)層面能承載數(shù)字礦山海量信息平臺的技術(shù)首選3DGIS，而3DGIS理論與煤礦對數(shù)字礦山適用性的客觀需求差距較大。數(shù)字礦山需要3DGIS作為框架支撐技術(shù)，而3DGIS技術(shù)只在三維可視化渲染引擎方面比較成熟，在通用的三維建模算法、三維空間分析、三維空間信息存儲引擎等關(guān)鍵技術(shù)方面仍在探究階段，通用的商用3DGIS平臺還沒有出現(xiàn)。但煤礦建設(shè)數(shù)字礦山不僅要求可視化地進(jìn)行三維模擬和虛擬再現(xiàn)礦井生產(chǎn)環(huán)境及相關(guān)現(xiàn)象，更主要是能夠仿真化地模擬分析礦井采煤、掘進(jìn)、供電、運(yùn)輸、通風(fēng)、給排水等生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過程和災(zāi)變過程，實(shí)時(shí)采集相關(guān)環(huán)境與工況參數(shù),按照各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行原理進(jìn)行空間分析，最后實(shí)現(xiàn)自動化地預(yù)警礦井災(zāi)害和啟動安全預(yù)案，為安全生產(chǎn)起到真正的輔助決策作用，由此可見,3DGIS支持與實(shí)際需求有一定差距；（4）煤礦所處的環(huán)境復(fù)雜、不確定因素多、相關(guān)專業(yè)多、生產(chǎn)系統(tǒng)工藝復(fù)雜、技術(shù)設(shè)備智能化水平低、采掘現(xiàn)場的許多工況參數(shù)尚無法獲取,這些都制約數(shù)字礦山的發(fā)展。

從以上分析可見，我國煤礦數(shù)字礦山的發(fā)展并不是一朝一夕的事情，需要各專業(yè)協(xié)同發(fā)展，需要解決技術(shù)設(shè)備智能化、3DGIS支撐技術(shù)、不同來源信息的自動采集技術(shù)、多源異構(gòu)信息的集成融合技術(shù)、三維建模及可視化技術(shù)、空間和屬性數(shù)據(jù)的集中或分布組織管理及共享技術(shù)、基礎(chǔ)信息的分析處理、基礎(chǔ)信息的工程應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)發(fā)展并不平衡，有一個(gè)逐步發(fā)展的過程，所以數(shù)字礦山的建設(shè)也需要循序漸進(jìn)地推進(jìn)。根據(jù)煤礦客觀需求和當(dāng)前技術(shù)水平，筆者認(rèn)為構(gòu)建以礦山空間信息描述為主框架，整合煤礦安全生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息和管理信息的煤礦數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺是數(shù)字礦山發(fā)展之路的一個(gè)里程碑。制定數(shù)字礦山信息描述標(biāo)準(zhǔn)和面向第三方的標(biāo)準(zhǔn)接口已成為各類開發(fā)商的共識。

4技術(shù)路線

4.1信息規(guī)范和接口標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字礦山包含礦井范圍內(nèi)所有信息的集合。其必是一個(gè)多源異構(gòu)的集成平臺，研究平臺內(nèi)信息的定義、描述標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以及各系統(tǒng)間的接口技術(shù)規(guī)范是數(shù)字礦山優(yōu)先要研究的內(nèi)容。因此，制定我國數(shù)字礦山的信息規(guī)范和接口標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字礦山健康發(fā)展的關(guān)鍵。

設(shè)備智能化

終端設(shè)備的智能化是指該設(shè)備具有完備的檢測( 設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和空間位置) 和控制執(zhí)行功能，并能通過接口與第三方進(jìn)行信息交互，隨著技術(shù)的發(fā)展，礦井裝備智能化有了一定的改善，但總體水平比較低，礦井生產(chǎn)的主要設(shè)備如綜采和綜掘成套裝備的電控智能化只在電液控制方面有所突破，綜采工作面的采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等主要設(shè)備智能化程度較低，相關(guān)工況參數(shù)難以獲取。主要設(shè)備的智能化是數(shù)字化礦山基礎(chǔ)。

高速傳輸網(wǎng)絡(luò)

由于煤礦生產(chǎn)包含采掘、運(yùn)輸、提升、供電、通風(fēng)和排水等多個(gè)環(huán)節(jié)，就決定了礦井監(jiān)測、控制子系統(tǒng)異構(gòu)的特征，集成和整合子系統(tǒng)需要統(tǒng)一的傳輸平臺，而可靠穩(wěn)定的礦井高速網(wǎng)絡(luò)是傳輸平臺的首選。隨著信息技術(shù)發(fā)展，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、無源光網(wǎng)絡(luò) ( GEPON) 、SDH 等技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤礦，承擔(dān)礦井?dāng)?shù)據(jù)、圖像和語音的實(shí)時(shí)傳輸任務(wù)，但工作面、掘進(jìn)巷道等地方是網(wǎng)絡(luò)覆蓋和高速接入的難點(diǎn)，這些地方恰恰是數(shù)字礦山信息的重要節(jié)點(diǎn)，高速接入、傳輸這些節(jié)點(diǎn)的信息目前是礦井高速網(wǎng)絡(luò)的短板。因此，礦井末端節(jié)點(diǎn)的高速接入和傳輸技術(shù)是數(shù)字礦山研究的重點(diǎn)，各種無線傳輸技術(shù) ( WIFI、ZigBee) 、光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的研究已成為研究的熱點(diǎn)。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和共享

把不同來源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過XML、Web Services 等技術(shù)集成融合在煤礦數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺，通過建立基礎(chǔ)信息平臺數(shù)據(jù)中心的礦用對象管理中心，以礦用對象庫的形式共享空間數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供礦井可視化、各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)使

用。重點(diǎn)要解決數(shù)據(jù)的存儲引擎、數(shù)據(jù)的訪問機(jī)制問題。

4.5 基于3DGIS的礦井綜合信息管理平臺

數(shù)字礦山必須建立具有礦山特征的專業(yè) 3DGIS平臺，重點(diǎn)解決三維空間模型描述方法、三維模型數(shù)據(jù)存儲管理引擎、可視化渲染引擎、三維空間場景要素組織管理、模型交互編輯操作、通用基本要素建模算法、空間基本分析等技術(shù)問題。

首先應(yīng)用三維地理信息技術(shù)建立的復(fù)合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和礦井真三維空間地質(zhì)模型建立生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、地質(zhì)測量子系統(tǒng)、礦井三維空間地質(zhì)建模、信息查詢及輸出模塊、采掘信息管理子系統(tǒng)、生產(chǎn)與礦井儲量分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸出模塊、運(yùn)輸及生產(chǎn)保障信息子系統(tǒng)。擬采取的技術(shù)路線為：①從礦區(qū)層面的地測空間數(shù)據(jù)入手，按空間數(shù)據(jù)的幾何特征和業(yè)務(wù)門類進(jìn)行分類組合，并按國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建立統(tǒng)一的編碼系統(tǒng)。②根據(jù)業(yè)務(wù)門類或指定主題，按照“不重不漏、留有余地”的原則，規(guī)劃、構(gòu)建礦區(qū)層面的數(shù)據(jù)倉庫。每一個(gè)主題可對應(yīng)一個(gè)子倉庫，如地質(zhì)、采礦、運(yùn)輸及保障等，每一個(gè)子倉庫可與一個(gè)或幾個(gè)分布在各礦的操作型數(shù)據(jù)庫相連。③不論某空間要素分布在何處，也不論其原始記錄數(shù)字化與否，皆應(yīng)通過信息平臺的構(gòu)建，使每一個(gè)地測空間要素都對應(yīng)一個(gè)體現(xiàn)上述綜合特征的標(biāo)識碼。該標(biāo)識碼及其對應(yīng)的空間要素的所有信息可以分布式地存放在己有的操作型數(shù)據(jù)庫中，也可以存放在新建的數(shù)據(jù)子倉庫或礦區(qū)層面的數(shù)據(jù)倉庫中。④憑借數(shù)據(jù)倉庫特有的“向下探察技術(shù)”，首先要能夠根據(jù)標(biāo)識碼從散布在數(shù)據(jù)倉庫里的海量數(shù)據(jù)中“找到”所需數(shù)據(jù)，然后通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制“打開”該數(shù)據(jù)，使之能為特定的研究目標(biāo)所用。⑤根據(jù)三維GIS理論和方法，運(yùn)用空間分析、虛擬現(xiàn)實(shí)、WebGIS等技術(shù)，構(gòu)建真三維空間實(shí)體模型，動態(tài)模擬地質(zhì)體變化、采掘過程、運(yùn)輸過程。⑥建立多維地測繪圖系統(tǒng)。⑦建立數(shù)據(jù)倉庫及處理結(jié)果的網(wǎng)上數(shù)據(jù)接口、界面，使用戶不僅能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)二維或三維的顯示和輸出,而且可以借助多維地測繪圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速成圖。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)專業(yè)分析處理

數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理才能增值利用，所以數(shù)字礦山必須支持豐富的數(shù)據(jù)處理方法庫，一般處理方式有數(shù)據(jù)本身的統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘和專業(yè)處理分析。專業(yè)分析處理需要研究采掘、供電、運(yùn)輸、通風(fēng)、給排水等各生產(chǎn)子系統(tǒng)的工作運(yùn)行原理，然后研究建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型 ( 比如通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算) ，制訂良好的訪問接口，為其他應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

數(shù)字礦山通過開發(fā)豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)體現(xiàn)其實(shí)用價(jià)值，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)需要研究具體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)使用流程，對數(shù)據(jù)專業(yè)分析處理的時(shí)機(jī)、數(shù)據(jù)可視化的方式等，另外更重要的是要考慮用戶操作界面的友好性和功能的適用性，真正為輔助礦井的生產(chǎn)經(jīng)營管理真正起到作用。

結(jié)語

綜上所述，數(shù)字礦山需要在企業(yè)高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立一套集礦井基礎(chǔ)數(shù)據(jù) ( 空間、屬性) 實(shí)時(shí)有效采集、準(zhǔn)確傳輸、存儲管理、科學(xué)分析、可視化表現(xiàn)、自動化控制、智能化預(yù)警和信息反饋的礦井綜合自動化安全生產(chǎn)系統(tǒng)。需要建立以礦井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以礦用對象庫為核心的統(tǒng)一的數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺，構(gòu)建煤礦按生產(chǎn)系統(tǒng)劃分主題的具有完整內(nèi)涵的煤礦數(shù)據(jù)倉庫；開發(fā)具有煤炭行業(yè)特征的專業(yè)化 3DGIS 支撐平臺，為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的組織管理和可視化提供機(jī)制和保證； 基于數(shù)字礦山基礎(chǔ)信息平臺開發(fā)以礦井安全生產(chǎn)、經(jīng)營管理為核心業(yè)務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)，但是，數(shù)字礦山建設(shè)是一個(gè)長期的實(shí)踐過程，不能單純完全依靠技術(shù)手段來解決一切問題，人與組織的參與同樣至關(guān)重要。其次，數(shù)字礦山建設(shè)必備的條件是人才的供給，所以人才建設(shè)也是數(shù)字礦山得以成功應(yīng)用和實(shí)施的關(guān)鍵，總之，數(shù)字礦山建設(shè)是一個(gè)長期的過程，必須有強(qiáng)大完善的先行規(guī)劃，整體部署，分步實(shí)施，最終實(shí)現(xiàn)礦山資源與開采環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)設(shè)備智能化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理與決策科學(xué)化的發(fā)展目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《地理信息世界》吳立新，地理信息世界編輯部