虚拟仪器的应用及其发展前景

虚拟仪器的应用及其发展前景（共9篇）

1.虚拟仪器的应用及其发展前景 篇一

国外水文仪器及其引进应用

国外水文仪器发展较快,近几年,为满足国内水文测验、防汛及水资源管理等方面的需要,我国引进了很多国外先进水文仪器,不仅提高了国内水文测验水平和水文资料的质量,而且促进了国内水文仪器的发展.但由于我国水文测验的`特性,也有一些国外先进仪器并不能满足国内的应用要求.

作 者：姚永熙 陈敏  作者单位：南京水利水文自动化研究所 刊 名：中国水利  PKU英文刊名：CHINA WATER RESOURCES 年，卷(期)：2007 “”(11) 分类号： 关键词： 

2.虚拟仪器的应用及其发展前景 篇二

1 虚拟现实技术

1.1 定义

虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉, 听觉, 触觉等行为的高度逼真的人机交互技术, 是利用人类感知能力和操作能力的新方法。它使计算机从一种只用键盘, 鼠标进行操作的设备变成了人处于计算机生成的环境中, 通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互, 对话”的系统和环境, 即虚拟现实环境[1,2]。操作者可在其中自由地运动, 随意观察周围的景物并与之交互操作。虚拟现实的定义, 可以简单理解为:利用计算机生成的, 能给人多种感官刺激, 并能通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的人机交互系统[3]。计算机生成的虚拟环境是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境, 能让人有“沉浸”的感觉, 虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。虚拟现实系统又是一种高级的人机交互系统, 因此人机交互是虚拟现实的核心[4]。

1.2 虚拟现实技术的特点[5]

沉浸性:也可理解为“身临其境””, 让用户感到自身存在于模拟环境中的真实程度, 当用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中, 感觉一切都是真实的。

交互性:指从模拟环境得到反馈的自然程度, 以及模拟环境内物体的可操作程度。例如用户用手去抓虚拟环境中的物体, 这时手就会有真的抓物体的感觉, 并且物体会随着手的移动而移动。

构想性:在虚拟现实技术中, 人与虚拟环境的交互作用, 在本质上意味着它不是预成性的, 而是生成性的, 它具有一定的想象空间。

由于沉浸性、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I, 所以这三个特性又通常被统称为3I特性[1,3]。

1.3 虚拟现实技术的分类

按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同, 可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类:

1) 桌面虚拟现实。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验, 但是成本也相对较低, 因而, 应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有:基于静态图像的虚拟现实Quick Time VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。

2) 沉浸的虚拟现实。常见的沉浸式系统有:基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。

3) 增强现实性的虚拟现实。典型的实例是战机飞行员的平视显示器, 它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上, 它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据, 从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。

4) 分布式虚拟现实。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET, SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成, 用于部队的联合训练。[10]。

2 虚拟现实系统的主要硬件技术

虚拟现实硬件设备为特殊输入和演示设备, 以至于影响各种操作和指令, 且提供反馈信息, 实现真正生动的交互效果。虚拟现实硬件设备都包括三维空间跟踪定位器, 多通道环幕 (立体) 投影系统, 三维空间交互球, 数据手套等等。

虚拟现实生成设备:是一台或多台高性能计算机, 是带有图形加速器和多条图形输出流水线的高性能图形计算机[13]。

虚拟现实感知设备:感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。然而, 相对成熟的感知信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道。

虚拟现实跟踪设备:跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位, 实现虚拟现实系统中人机交互操作。

基于自然方式的人机交互设备:应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备, 常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识别装置[8]。

3 虚拟现实的应用领域[9]

3.1 旅游景观中的应用

通过3D互动技术还原现实中的旅游景区, 而从在网上构建一个3D虚拟景区。游客可以通过建立个性化的3D虚拟化身, 在3D的景区环境中直接试玩旅游景点, 身临其境的查看拟真的景点信息, 足不出户的体验千姿百态的风景胜迹以及景点背后的传奇故事[4]。

3.2 医学中的应用

在医学领域, 虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两者之间的融合使得虚拟现实技术已开始对生物医学领域产生重大影响.在此领域, 虚拟现实应用大致上有两类:一类是虚拟人体, 也就是数字化人体, 这样的人体模型, 使医生更容易了解人体的构造和功能.另一类是虚拟手术系统, 可用于指导手术的进行。

3.3 艺术教育中的应用[9]

作为显示传输信息的媒体, 虚拟现实在未来艺术领域所具有的潜在应用能力也是不可低估的。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术 (如油画、雕刻等) 转化为动态的, 可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外, VR提高了艺术表现能力, 通过动作捕捉系统采集演员的舞蹈动作和表情, 在电脑辅助编排下可以预演演出效果, 提高编排效率。

对艺术的潜在应用价值同样适用于教育行业, 如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面, VR是非常有力的工具, 如“虚拟的物理实验室”, 用于解释某些物理概念, 如位置与速度, 力量与位移等[9]。

3.4 生物力学方面的应用

生物力学仿真就是应用力学原理和方法并结合虚拟现实技术, 实现对生物体中的力学原理进行虚拟分析与仿真研究。利用虚拟仿真技术研究和表现生物力学, 不但可以提高运动物体的真实感, 满足运动生物力学专家的计算要求, 还可以大大节约研发成本, 降低数据分析难度, 提高研发效率。这一技术现已广泛应用于外科医学、运动医学、康复医学、人体工学、创伤与防护学等领域。

3.5 工业仿真中的应用[9]

当今世界工业的发展非常迅速, 已经发生了翻天覆地的变化, 现阶段的工业发展不再是大规模的人海战术, 需要的是先进的科学技术, 特别是虚拟现实技术的应用正对工业发展进行着一场前所未有的革命。虚拟现实技术目前已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节, 对提高企业开发效率, 加强数据采集、分析、处理能力, 减少决策失误, 降低风险起到了重要的作用[5,6]。

3.6 扩增实境中的应用

扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上把虚拟环境叠加进去, 使二者有机结合, 产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。例如:当人进入到一商店购某物时, 即可在显示设备上显示此物的价格、性能及各种参数等。

4 结论

虚拟现实 (VR) 技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术, 它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体, 是当今前景最好的计算机技术之一。21世纪的计算机是VR计算机, VR是放大智慧的新工具, 是亿万美元的产业。随着计算机技术的发展, 虚拟现实技术将被广泛应用于城市规划、医学领域、娱乐与艺术文化、卫星与航天工业、室内设计领域、地产开发领域、农村开发管理、虚拟工业仿真领域、应急处理预演、文物古迹还原、产品展示机展览展示、教育学、地址文化研究等各个领域。

摘要：虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉, 听觉, 触觉等行为的高度逼真的人机交互技术, 是利用人类感知能力和操作能力的新方法。该文首先简要阐述虚拟现实技术的概念及其特点。其次介绍了虚拟现实技术的分类及其主要技术构成, 并概括了虚拟现实技术在城市规划、旅游景观、医学、艺术教育、生物力学、工业仿真等方面的技术应用, 最后对虚拟现实技术的发展及应用进行了总结展望。

3.虚拟仪器的应用及其发展前景 篇三

关键词 虚拟助理；现代远程教育；开放大学

中图分类号：G432 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）18-0045-03

美国新媒体联盟发布的《2014地平线报告（高等教育版）》，列举出五年内可能会在高等教育领域产生重要发展的技术，报告指出虚拟助理可能在4～5年的时间内对高等教育的发展产生影响。在改变未来的技术里，首当其冲的应该是“智能技术”和“基因改变”。当智能达到一定程度，就会更接近于甚至超越人的能力，这在科技界被称为奇点。置身于数据的海洋里，会发现人在其中有多么局限。在这个时候，虚拟助理也就应运而生。

1 虚拟助理的定义及发展现状

对于虚拟助理的概念现在有两种不同的解释。一种认为虚拟助理就是在网络上提供助理服务的专业人员，他们通过电子邮件、传真、网络即时信息、手提电话以及旧式的陆上交通工具等方式，在家中为客户提供预约、整理档案、制订商业计划以及联系业务等商业服务。任何行政助理在办公室里的工作，虚拟助理都能远程实现，并一天24小时待命。另外一种认为虚拟助理采用人工智能技术对自然语言进行处理，达到为人们提供范围广泛的日常活动服务支持的目的，如识别最佳驾驶路线、安排旅行行程、整理电子邮件收件箱等。

笔者综合国内外虚拟助理发展现状，认为上诉两种说法是虚拟助理的两个发展阶段。虚拟助理发展的第一阶段是指将网络上提供助理服务的专业人员作为虚拟助理。由于提供助理服务的专业人员和用户处在不同的地区，并且通过网络虚拟环境处理用户的不同需求，因此将从事此类工作的专业人员称为虚拟助理。虚拟助理发展的第一阶段的主要特征是以文字输入为主的同步在线交互。虚拟助理发展的第二阶段即为2014地平线报告提出的基于语音识别系统的程序，将这种程序开发成各类应用软件及机器人，用科学力量代替人类劳动，解放生产力，真正实现用“虚拟”助理解决客户的真实问题。

2 虚拟助理的主要实践

虚拟助理发展的第一阶段已经得到广泛应用，如表1所示。

虚拟助理发展的第二阶段正在进一步研究发展中（表2），国内外实践探索主要涉及以下几个领域。

人物识别 剑桥大学与东芝剑桥研究中心合作，第一次尝试把一个类似人类的脸作为虚拟助理的原型。该研究小组记录7000句子和带情绪的面部表情，开发的软件具有将各种面孔和声音数据进行个性化分析的能力。

实时翻译软件 微软公司开发出基于语音识别的实时翻译虚拟助理。软件将在每个句子之间停顿时记录下用户的讲话，然后译成其他语种，这种虚拟助理将会在跨国商业会议方面得到推广。

医疗服务 Nuance通讯公司在2014年底推出能够理解临床语言的智能虚拟助理，该虚拟助理可以听取医生的指令为他们订购药品、预约实验室及安排诊断程序等，它还提供了一种未来预测的功能，医生能够使用自然语音与智能技术的帮助来检索并实时添置医疗记录。

3 虚拟助理在现代远程教育中的应用前景

目前，我国远程教育学校正在向开放大学转变，云平台、大规模在线课程等将远程教育的发展推向新的高潮，吸引更多的学习者。在这种情况下，需要寻求一种更高效的技术以提高绩效，满足学习者需求。如果将虚拟助理技术用到现代远程教育中，能在一定程度上促进现代远程教育的进一步发展。

虚拟助理在现代远程教育中的必要性

1）虚拟助理是远程教育理念的需要。以网络教学为特征的现代远程教育不受时间、空间、对象的制约，强调以学习者为中心，以自主学习、个性化学习为主，进行实时或非实时的交互性教学。面对学习者设计的虚拟助理突出学习者的主体地位，它能提高学习者的学习效率，提高学习者的时间利用率。首先，面对学习者设计的虚拟助理像“私人管家”一样能围绕学习者的学习需求安排课程进度，提供最先进的交互方式，然后面对学习者设计的虚拟助理基于大数据、云计算等技术跟踪学习者的学习记录，分析学习者的学习层次和学习需求，为学习者推送相应的课程。

2）虚拟助理是现代远程教育深入发展的需要。教育社会化的推进吸引更多的学习者选择远程学习，对于我国的开放大学及同时举办传统教育和远程教育的高等教育院校而言，师资力量缺乏，不能满足学习者的需要，不能完全实现实时交互。虚拟助理可以代替远程教师的工作，虚拟助理发展的第二阶段是以计算机语言为主要技术手段，开发设计程序或机器人。这种虚拟助理能够24小时在线，随时解决学习者的问题。此类虚拟助理在现代远程教育中的应用在解决师资问题的同时也为学校节省教育成本。

3）虚拟助理能在一定程度上扩大现代远程教育学生的来源。现代远程教育要求学习者具有计算机基本操作技能，参加远程学习的学生可以通过下载教学课件、教学录像、教学资料等形式进行远程学习。但对于没有计算机操作基础的大龄学习者，不能适应这种现代化学习模式。虚拟助理可以运用在各种移动终端上，接收语音指令，能够分析语义，并具有指导学习、安排学习活动的功能。大龄学习者只要拥有移动设备并安装虚拟助理应用，通过语音指令就能在虚拟助理的帮助下完成学习。

虚拟助理在现代远程教育中的可行性 计算机网络技术的发展为现代远程教育的发展提供保障，也给虚拟助理的开发应用提供技术支持。现代远程教育学校都有学习网站，虚拟助理的新发展也是以计算机程序设计及网络应用为技术实现手段，二者的实施平台能够合为一体，方便现代远程教育学校的管理者对学习网站进行维护。

虚拟助理在现代远程教育中的意义 远程教学和远程学习构成远程教育的一部分，而且是其中的核心部分。而远程学习又是远程教学的核心部分。将虚拟助理应用到现代远程教育中，对优化现代远程教育教学过程，充分发挥现代远程教育的优势，突出学习者的中心地位，实现终身学习、社会化学习都具有重大的意义。笔者在对大量的文献、教育技术论坛记录和访谈记录进行分析之后，结合虚拟助理和现代远程教育的特点，总结出虚拟助理在现代远程教育中的意义。

1）促进移动学习，扩大学习者范围。将虚拟助理运用到现代远程教育中能简化实际操作过程。通过网络和安装虚拟助理的可移动终端，学习者可以语音输入操作指令，随时随地进行学习，适宜各年龄阶段的远程学习者。

2）提高远程教学的学习效率，增强学习效果。基于大数据分析的虚拟助理为远程学生安排学习活动，选择最适宜的学习资源，为学习者节省从海量网络学习资源中选择学习资料的时间。虚拟助理的这种功能有助于提高学习者的时间利用率，进一步提高学习者的学习效率。用虚拟助理对远程学习者的学习过程进行指导，适时对学习者的学习进行引导，可以调动学生学习积极性，促进自主学习，增强学习者的学习效果。

3）完全实现双向实时交互。现阶段远程教育的教师指导有一定的时间延迟，不能实现实时交互，学习者提出的问题不能在第一时间得到解答。用虚拟助理代替指导教师，充分利用虚拟助理的优势保持持久在线，及时对学习者的问题进行反馈，实现无时间差的交互。

4）节省师资投入，促进远程教育现代化。虚拟助理能够代替一部分指导教师为学习者提供学习指导及问题解答，减少聘用开支，并能解放一定数量的教师，将师资力量放到课程开发等模块，促进远程教育的进一步发展。

5）推进远程教育目的的实现。远程教育的目标是扩大教育范围，促进继续教育，实现终身教育和社会教育，提高人们的受教育程度，加强各国的人才力量。虚拟助理的应用为更多的人提供更方便的学习，能在一定程度上促进远程教育目标的实现。

4 结语

4.虚拟现实技术的应用现状及发展 篇四

计与规划、教育与训练、遥作与遥现、医学、艺术与娱乐等多个方面。下面我们分别讨论几个典型的应用例子。

用于遥控机器人的遥现技术

遥现技术〖4〗是指当实际上在某一个地方时，可以产生在另一个地方的感觉。虚拟现实

涉及到体验由计算机产生的三维虚拟环境，而遥现则涉及到体验一个遥远的真实环境。遥现技术在实际应用中需要虚拟环境的指导。例如，在遥控宇宙空军站的开发计划中，从安全性以及费用的角度考虑，我们有必要使用空间机器人。这种空间机器人的特点是由地面上的操作员进行遥操作，或进行部分自主操作。对于像零件更换的固定操作可以完全自主进行，而对于故障检修等难以预测的操作则有必要依赖于遥操作。这时，虚拟现实技术和遥现技术将发挥重要的作用。为研究新一代空间机器人的遥操作技术，日本开发了宇宙开发地面实验平台。该实验平台有人-机交互、计算机系统以及机器人系统所构成。现在，在该实验平台上进行了零件更换等空间机器人的典型操作实验，实现了实验平台的基本功能。

仿真技术

虚拟环境是计算机生成的具有沉浸感的环境，它对参与者生成诸如视觉、听觉、触觉、

味觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉。因此，虚拟环境是一种新发展的、具有新含义的一种人机交互系统。

飞行仿真系统

飞行仿真系统由四部分组成，即飞行员的操纵舱系统显示外部图象的视觉系统产生运动感的运动系统计算和控制飞行运动的计算机系统。

计算机系统是飞行仿真系统的中枢，用它来计算飞行的运动、控制仪表及指示灯、驾驶杆等信号。视觉系统和运动系统与虚拟现实密切相关，其中，视觉系统向飞行员提供外界的视觉信息。该系统由产生视觉图象的“图象产生部”和将产生的信号提供给飞行员的“视觉显示部”组成。在图象产生部，随着计算机图形学的发展，现在使用称为CGI(Computer Generated Imagery)的视觉产生装置。在CGI中利用纹理图形驾驶可以产生云彩、海面的波浪等效果。另外，利用图象映射驾驶可以从航空照片上将农田以及城市分离出来，并作为图象数据加以利用。视觉显示部向飞行员提供具有真实感的图象，图象的显示有无限远显示方式、广角方式、半球方式以及立体眼镜和头盔式显示器等四种方式。

作为飞行仿真系统的构成部分，运动系统向飞行员提供一种身体感觉，它使得驾驶舱整体产生运动，根据自由度以及驱动方式的不同，可以分为万向方式、共动型吊挂方式、共动型支撑方式以及共动型六自由度方式等。利用该运动系统，飞行员可以感觉到实际飞机一样的运动感觉。

与虚拟生物对话

研究人员设计了一种与虚拟生物对话的仿真系统。在该系统中，虚拟世界中的虚拟生物和现实世界中的生物一样，可以决定自己的行动，并且能够动态地应付周围的情况。对于人的挑逗也能够根据情况的不同作出各种复杂的反应，甚至能够进行对话。通过引进虚拟生物，可以实现系统的自主性、交互性及其自然的魅力。

作战仿真系统

各个国家在传统上习惯于通过举行实战演习来训练军事人员和士兵，但是这种实战演练，特别是大规模的军事演习，将耗费大量资金和军用物资，安全性差，而且还很难在实战演习条件下改变状态，来反复进行各种战场态势下的战术和决策研究。近年来，虚拟现实技术的应用，使得军事演习在概念上和方法上有了一个新的飞跃，即通过建立虚拟战场来检验和评估武器系统的性能。例如一种虚拟战场环境，它能够包括在地面行进的坦克和装甲车，在空中飞行的直升机、歼击机、导弹等多种武器平台，并分别属于红、兰交战双方。图(4)为一多机空仿真系统，它除了多台有人驾驶的飞机模拟器和“数字”飞机外，在网上还连着地面威胁环境、空中威胁环境、背景干扰环境等结点。该系统的主要研究目的是对飞机的飞行、火控、航空电子系统进行综合研究，同时研究多机协同空战战术。

图(4)多机空仿真系统

对象可视化技术〖5〗

虚拟风洞

在科学研究中，人们总会面对大量的随机数据，为了从中得到有价值的规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机翼，人们必须详细分析机翼的空气动力学特性。因此人们发明了风洞实验方法，通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情况，因而大大提高了人们对机翼的动力学特性的了解。虚拟风洞的目的是让工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数据仿真是很难可视化的`。

虚拟物理实验室

在学习过程中，学生总有许许多多的疑问有待解答。虚拟物理实验室〖8〗的设计使得学生可以通过亲身实践D做、看、听来学习的方式成为可能。使用该系统，学生们可以很容易的演示和控制力的大小、物体的形变与非形变碰撞、摩擦系数等物理现象。为了显示物体的运动轨迹，可以对不同大小和质量的运动物体进行轨迹追踪。还可以停止时间的推移，以便仔细观察随时间变化的现象。学生可以通过使用数据手套与系统进行各种交互。

虚拟电力控制室

在现行的电力控制室的设计中，控制台以及显示器的设计一般是用和实物同等大小的模型。研究人员使用虚拟现实技术研制了一个辅助设计控制室的系统。使用该系统可以自由地改变控制室内的配色、照明、报警、显示器的画面构成，以及各种仪表的配置等室内环境。另外，用户还可以在室内移动，以便从不同方向观察室内情况。

现在人们正在研究将图形与实际图象进行融合的系统。使用该系统可以用虚拟空间监视远方的现场，也可以给用户一种自由往返于虚拟空间和远方现场的感觉。但是，目前还没有合适的输出装置。相信这种需要必将会促进虚拟现实技术中硬件装置的研制。

分布式虚拟现实系统

近几十年来，计算机、通讯技术的同步发展和相互促进成为全世界信息技术与产业飞

速发展的主要特征。特别是网络技术的迅速崛起，使得信息应用系统在深度和广度上发生了本质性的变化，分布式虚拟现实系统(DVR)即是一个较为典型的实例〖6〗。所谓DVR是指一个支持多人实时通过网络进行交互的软件系统，每个用户在一个虚拟现实环境中，通过计算机与其它用户进行交互，并共享信息。下面我们分几个方面加以介绍。

分布式虚拟现实系统的产生和发展

分布式虚拟现实的研究开发工作可追溯到80年代初。如1983年美国国防部(DOD)

制定了SIMENT的研究计划;1985年SGI公司开发成功了网络VR游戏DogFlight.到了90年代，一些著名大学和研究所的研究人员也开展了对分布式虚拟现实系统的研究工作，并陆续推出了多个实验性DVR系统或开发环境，典型的例子有美国NPS开发的NPSNET(1990)、美国斯坦福大学的PARADISE/Inverse系统(1992)、瑞典计算机科学研究所的DIVE(1993)、新加坡国立大学的BrickNet(1994)、加拿大Albert大学的MR工具库(1993)及英国Nottingham大学的AVIARY(1994)。

模型结构

分布式虚拟现实系统是基于网络的虚拟环境，在这个环境中，位于不同物理环境位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相联结。根据分布式系统环境下所运行的共享应用系统的个数，可把DVR系统分为集中式结构和复制式结构。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。该系统可以是会议代理或对话管理进程。中心服务器的作用是对多个参加者的输入/输出操纵进行管理，允许多个参加者信息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。

复制式结构是在每个参加者所在的机器上复制中心服务器，这样每个参加者进程都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在本地机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个参加者只与应用系统的局部备份进行交互，所以，交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。

3.DVR的网络通信

我们在设计和实现DVR系统时，必须考虑以下网络通信因素：

带宽 网络带宽是虚拟世界大小和复杂度的一个决定因素。当参加者增加时，带

宽需求也随着增加。这个问题在局域网中并不突出，但在广义网上，带宽通常限制为1.5Mbps,而通过Internet访问的潜在用户数目却比较大。

分布机制 它直接影响系统的可扩充性。常用的消息发布方法为广播、多播和单

播。其中，多播机制允许任意大小的组在网上进行通信，它能为远程会议系统和分布式仿真类的应用系统提供1-多和多-多的消息发布服务。

延迟 影响虚拟环境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真

实世界，则必须实时操作，从而增加真实感。对于DVR系统中的网络延迟可以通过使用专用联结、对路由器和交换技术进行改进、快速交换接口和计算机等来缩减。

可靠性 在增加通信带宽和减少通信延迟这两方面进行折衷时，则要考虑通信的

可靠性问题。可靠性由具体的应用需求来决定。有些协议有较高的可靠性，但传输速度慢，反之亦然。

分布式虚拟现实系统的多协议模型

由于在DVR系统中需要交换的信息种类很多，单一的通信协议已不能满足要求，这时

就需要开发多种协议，以保证在DVR系统中进行有效的信息交换。协议可以包括：联结管理协议、导航控制协议、几何协议、动画协议、仿真协议、交互协议和场景管理协议等。在使用过程中，可以根据不同的用户程序类型，组合使用以上多种协议，图(5)即为一个例子。

图(5) 不同的客户需要使用不同的协议

分布式虚拟现实系统的应用

分布式虚拟现实系统在远程教育、科学计算可视化、工程技术、建筑、电子商务、交

互式娱乐、艺术等领域都有着极其广泛的应用前景。利用它可以创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区全新的应用系统。典型的应用领域有：

教育应用

把分布式虚拟现实系统用于建造人体模型、电脑太空旅游、化合物分子结构显示等领域，由于数据更加逼真，大大提高了人们的想象力、激发了受教育者的学习兴趣，学习效果十分显著。同时，随着计算机技术、心理学、教育学等多种学科的相互结合、促进和发展，系统因此能够提供更加协调的人机对话方式，

工程应用

当前的工程很大程度上要依赖于图形工具，以便直观地显示各种产品，目前，CAD/CAM已经成为机械、建筑等领域必不可少的软件工具。分布式虚拟现实系统的应用将使工程人员能通过全球网或局域网按协作方式进行三维模型的设计、交流和发布，从而进一步提高生产效率并削减成本。

商业应用

对于那些期望与顾客建立直接联系的公司，尤其是那些在他们的主页上向客户发送电子广告的公司，Internet具有特别的吸引力。分布式虚拟系统的应用有可能大幅度改善顾客购买商品的经历。例如，顾客可以访问虚拟世界中的商店，在那里挑选商品，然后通过Internet办理付款手续，商店则及时把商品送到顾客手中。

娱乐应用

娱乐领域是分布式虚拟现实系统的一个重要应用领域。它能够提供更为逼真的虚拟环境，从而使人们能够享受其中的乐趣，带来更好的娱乐感觉。

虚拟现实技术的进一步展望

正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。

它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等〖7〗。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。

参考文献

汪成为，高文，王行仁。 灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用 清华大学出版社

.

2.Earnshaw R A,et al, Virtual Reality System Academic Press,1993

曾建超，俞志和。 虚拟现实的技术及其应用 清华大学出版社，1996

Bejczy A K Virtual Reality in Robotics. ISBN:0-7803-3685-2/96 1996 IEEE:7-14

5.Jacobson L. Garage Virtual Reality. Sams Publishing,1994

6.Wodaski R Virtual Reality Madness. SAMS Publishing, 1993

7.Wexelblat A Virtual Reality:Applications and Explorations. Boston,MA:Academic Press

Professional, 1993

8.Wickens C D Virtual Reality and Education. In:Proceedings of IEEE International

5.虚拟建设的由来及其内涵分析 篇五

1、虚拟建设由来及其应用

Virtual Construction（VC），可称为虚拟建设，或虚拟建造，本文对此不加区分，统称为虚拟建设。虚拟建设来源于两大方面：

1.1 来源于以虚拟现实（VR）等为核心的现代计算机技术在建筑业的应用虚拟现实技术起源于美国，是包括图形/图像处理、人体器官位置跟踪、音响处理、交互传感、网络通讯及建模技术在内的综合性极强的高新信息技术，“它为人机交互对话提供了更直接的真实的三维界面，并能在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，使用户具有身临其境的沉浸感”[1].虚拟现实技术在军事、工程建设等领域得到了广泛的应用，我国 863 高新技术计划将 VR 技术列为关键技术进行研究，此后 VR 技术在我国得以发展。以下是建筑业应用 VR 技术取得的一些成果：

Graphisoft 公司开发了以“虚拟建筑”为核心的 Archi CAD 软件，对设计项目的三维计算机模型可视、可编辑、可定义。Ahmed F.Waly 等人利用虚拟现实建模技术（VR modeling techniques）和面向对象的 CAD 技术开发了集成虚拟计划工具——虚拟建设环境（VCE），该工具可以经济而逼真地模拟主要施工过程，并可检验各种行动方案[2].二滩电站的展示部分采用了虚拟现实技术，用户可以轻松浏览二滩环境及大坝的任意一个部位[2].国内在对施工过程中结构的仿真和可视化计算方面取得了一些成果，可以模拟各种施工过程[3].上海正大广场工程是我国首次将虚拟现实技术应用于建筑工程的项目。

技术层面的虚拟建设可以在下列方面得到应用：（1）规划设计阶段：采用计算机信息通讯、计算机图形学、图像处理、人机界面、计算机模拟仿真、虚拟现实等多种技术，可以逼真地展现建成后的项目是否与周围环境匹配，以优化规划方案；建立三维虚拟场景，使建筑、结构、设备设计协同进行；通过改变视点和光源设计、修改材质等，方便设计师和顾客沟通和评价处于设计阶段的各种方案；借助于 VR 浏览器虚拟巡游建筑物各组成部分，从而提高设计效果和设计质量；检验建筑设计的可施工性等。（2）施工阶段：通过虚拟仿真在施工前对施工全过程或关键过程进行模拟施工，以验证施工方案的可行性或优化施工方案；对重要结构进行计算机模拟试验以分析影响项目的安全因素，达到控制质量和施工安全的目的；可视化施

工计划进度和实际形象进度等。这些应用都将大大提高建设项目的实施效果和管理效率。

1.2 由虚拟企业引申而来

虚拟企业又称为虚拟组织、虚拟公司等，本文对此不加区分。

“虚拟企业”一词由肯尼斯。普瑞斯等人于 1991 年在向美国国会提交的一份报告中首先提出。“虚拟企业可以视为一些相互独立的业务过程或企业等多个伙伴组成的暂时性联盟，每一个伙伴各自在诸如设计、制造、销售等领域为联盟贡献出自己的核心能力，并相互联合起来实现技能共享和成本分担，以把握快速变化的市场机遇。”[4]自此以后，关于虚拟企业的理论研究成为管理科学中一个研究前沿和热点，并已经在实际中得到广泛应用[5].虚拟建设的概念由虚拟企业引申而来，是虚拟企业理论在工程项目管理中的具体应用。美国发明者协会于 1996 年首先提出了虚拟建设的概念。

国内外在这一方面的研究成果如下：（1）欧美发达国家近年来的研究主要集中在如何增强建设项目全寿命周期中各组织间的沟通和合作问题上[7]，即研究如何利用 3-D CAD、4-D CAD、VR 等计算机技术将建设项目管理的各项职能进行集成。主要研究项目有：OSCON 项目、ATLAS 项目、SPACE 项目、CAVALCADE 项目、WISPER 项目、OSMOS 项目、DIVERCITY 项目，不少项目已有成果报道等。

（2）目前国内的研究成果有：徐友全做了题为《虚拟建设模式（Virtual Construction）的研究》的博士，论文从虚拟企业理论出发研究了虚拟建设模式的思想、组织、方法和手段。论文研究的主要创新点是：虚拟建设模式的思想；虚拟建设模式的组织设计原则；虚拟建设模式的组织模型、组建步骤及协调中心的组织和任务；虚拟建设模式信息系统（PIS/NT）的概念和功能[5].何清华在《虚拟组织在建筑业中的应用——虚拟建设》一文中总结出虚拟组织必须具备的特点，然后提出将虚拟组织应用于建筑业的可行性及挑战性；最后提出虚拟建设的组织模式、特点及对建筑业所带来的意义。彭勇在《虚拟建设——新型的工程项目管理组织模式》中分析了虚拟建设产生的背景，提出了虚拟建设的概念和内涵，并概述了虚拟建设实施过程中信息分类的方法等。、虚拟建设内涵

集成的虚拟建设要点如下：（1）工程项目是虚拟建设的对象和载体，项目建设通过一系列相互关联的过程来实现，这些过程组合在一起形成一条产品供应链；同时，项目建设过程也是一个价值增值过程，因此也形成一条价值链，链上的每一环对应着实现价值增值的一项或数项能力。图中价值链上的圆圈即表示工程项目建设过程中环环相扣的过程，同时也表示实施项目所需的设计、施工等能力。（2）由于科技进步、社会分工细化、市场竞争加剧等原因，绝大多数企业不具备项目建设所需的全部专业能力，即只是上述供应链中的一环或几环（如我国鲜有具备设计＋施工能力的企业），如果没有供应链中上、下游企业的协作（分包商可以看作是总包商的协作单位），根本无法完成工程项目建设的全部任务。而从市场需求看，顾客对企业能力提出了越来越高的要求，越来越多的顾客要求企业能提供形成建筑产品的全过程服务。因此，为满足顾客需求，这些企业唯有跨越组织界限，在具有不同核心能力的企业间开展合作，以“虚拟组织”形式来整合和利用外部资源，从而扩展自己满足顾客需求的能力，进行组织管理层面的虚拟建设。图中核心企业可称为头脑企业，是智力、知识密集型企业，其技术先进，管理科学，在供应链中占据核心位置；伙伴企业可称为躯干企业，处于供应链中的其他位置，但能以自己的专业特长为项目实施全过程贡献力量，是供应链中不可缺少的环节。（3）虚拟建设成员可以组成项目联营体，也可以形成总分包关系，基于合同契约进行合作。为了取得组织管理的成功，应综合运用各种现代管理技术：如战略联盟、并行工程、企业流程再造、优化方法、供应链管理、电子商务等，并利用可视化、VR 等 IT 技术对建设项目管理的各项职能进行集成，增强建设项目全寿命周期中各组织间的沟通和合作，达到高效进行项目管理的目的。（4）对于具体工程项目实施，应借助于计算机技术进行计算机辅助设计、建模，设计方案优化，可视化设计、施工效果，施工过程模拟，施工方案可实施性检验等，即要进行技术层面的虚拟建设。这一层面的虚拟建设建立在现代各项科学技术基础之上，如：计算机模拟仿真技术，CAD 技术，VR 技术，网络技术，数据库技术，多媒体技术，各种现代设计、施工技术，以及各种集成技术等。、发展建议

目前我国建筑业企业实施虚拟建设的状况是：初步涉及技术层面的虚拟建设，已有应用成果报道；组织管理层面的虚拟建设处于理论研究的初始阶段，未见应用成果报道。形成这一局面的原因是：（1）理论研究重视不够；（2）与其他行业相比较，建筑业利用现代科技成果的步伐缓慢，技术层面的虚拟建设急需大力推广；

（3）组织管理层面的虚拟建设涉及管理、经营理念，需要增强建设项目全寿命周期中各组织间的沟通和合作，相对较难实施。

针对上述情况，虚拟建设的实现可以从技术层面入手，进而过渡到组织管理层面，最终实现技术和管理的集成。短时期内，我国建筑业企业应从技术层面入手，加大现代科技特别是计算机技术在工程项目建设中的应用，推进工业化和信息化；同时在企业发展方面，着力发展培养核心能力，特别是要学习、借鉴先进生产和管理的思想方法，不断提高管理水平。这是企业发展的必由之路，也是实现虚拟建设的关键所在。

参考文献

[1] 梁民、刘珍平、张培仁等。虚拟现实在水坝系统中的实现。计算机应用，1999，19（8）。

[2] Ahmed F.Waly，Wslid Y.Thabet.A Virtual Construction Environment for preconstruction planning.Automation in Construction，2002（12）： 139-154.[3] 袁向荣、高勇利、卜建清。结构工程及虚拟现实技术。石家庄铁道学院学报，2000，13（3）。

[4] 陈剑、冯蔚东著。虚拟企业构建与管理。北京：清华大学出版社，2002（13）。

[5] 陈剑、冯蔚东著。虚拟企业构建与管理。北京：清华大学出版社，2002（9）。

[6] 彭勇、邢文。虚拟建设——新型工程项目管理组织模式。建筑管理现代化，2001（2）。

[7] Anthony D.Songer，James E.Diekmann，Khaled-Al Rasheed，Benjamin Hays.Construction scheduling using 3-D CAD and walk-thru.Construction Innovation，2001（1）。

6.虚拟仪器的应用及其发展前景 篇六

班级 机械制造与自动化3班

学号：201003620308

姓名：卢仁华 随着我国社会经济飞速发展，我国的制造业也将不断的发展，先进制造技术将会得到越来越广泛的应用。

先进制造技术是在传统制造的基础上，不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理技术等方面的成果，将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称，也是取得理想技术经济效益的制造技术的总称。

当前的金融危机也许还会催生新的先进制造制造技术，特别在生产管理技术方面。

先进制造技术不是一般单指加工过程的工艺方法，而是横跨多个学科、包含了从产品设计、加工制造、到产品销售、用户服务等整个产品生命周期全过程的所有相关技术，涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域，并逐步融合与集成。随着社会的发展,人们对产品的要求也发生了很大变化,要求品种要多样、更新要快捷、质量要高档、使用要方便、价格要合理、外形要美观、自动化程度要高、售后服务要好、要满足人们越来越高的要求,就必须采用先进的机械制造技术。

先进制造技术的特点：1.先进制造技术是面向21世纪的技术、2.先进制造技术是面向工业应用的技术、3.先进制造技术是驾驭生产过程的系统工程、4.先进制造技术是面向全球竞争的技术、5.先进制造技术是市场竞争三要素的统一近年来，我国的制造业不断采用先进制造技术，但与工业发达国家相比，仍然存在一个阶段性的整体上的差距。1.管理方面

工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数小型企业仍处于经验管理阶段。2.设计方面

工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助设计技术（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采用CAD/CAM技术的比例较低。3.制造工艺方面

工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。我国普及率不高，尚在开发、掌握之中。4.自动化技术方面

工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。

所以我国先进机械制造技术的发展趋势将要往一下几个方向发展： 1.全球化

一方面由于国际和国内市场上的竞争越来越激烈，例如在机械制造业中，国内外已有不少企业，甚至是知名度很高的企业，在这种无情的竞争中纷纷落败，有的倒闭，有的被兼并。不少暂时还在国内市场上占有份额的企业，不得不扩展新的市场；另一方面，网络通讯技术的快速发展推动了企业向着既竞争又合作的方向发展，这种发展进一步激化了国际间市场的竞争。这两个原因的相互作用，已成为全球化制造业发展的动力，全球化制造的第一个技术基础是网络化，网络通讯技术使制造的全球化得以实现。2.网络化

网络通讯技术的迅速发展和普及，给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行。此外，网络通讯技术的快速发展，加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营管理的学习，推动了企业向着既竞争又合作的方向发展。3.虚拟化

制造过程中的虚拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验。检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺、保证产品质量、生产周期和最低成本为目标，进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真。虚拟化的核心是计算机仿真，通过仿真软件来模拟真实系统，以保证产品设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的成功和生产周期，1 发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。4.自动化

自动化是一个动态概念，目前它的研究主要表现在制造系统中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造单元技术、制造过程的计划和调度、柔性制造技术和适应现化生产模式的制造环境等方面。制造自动化技术的发展趋势是制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化和制造绿色化。5.绿色化

绿色制造则通过绿色生产过程、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理等生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响，同时使原材料和能源的利用效率达到最高。

7.浅析虚拟故障训练及其应用 篇七

虚拟现实技术 (Virtual Reality, 简称VR) 是一种利用计算机产生的三维空间, 人们在这个空间里可以到处浏览, 相互交流, 完全融入这个与真实世界相似的虚拟空间里。具体地说就是采用计算机为核心的现代高科技手段生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境, 用户借助设备可以以自然的方式在其中与虚拟对象进行交互。虚拟现实技术涉及计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术等, 它具有实时性、沉浸性、交互性、建构性等特点。

2 故障训练及虚拟故障训练

故障训练是维修人员培训的重要内容, 对维修人员故障排除能力的形成至关重要。故障的形成机理一般比较复杂, 实物故障设置训练具有成本高、难度大、局限性大等缺点, 尤其是很多故障现象几乎不可再现。因此, 以往的故障训练手段很难满足新时期维修人员排除故障能力的要求。虚拟故障训练则为满足此要求提供了新的思路。

虚拟故障训练是指利用虚拟现实、计算机仿真、数据采集等技术, 使受训者从视觉、触觉、听觉、嗅觉等方面直观感知故障现象, 然后进行判断、分析、排除故障, 从而达到良好的故障排除训练效果。虚拟故障训练具有省时省力、可重复性好、不受场地、环境等条件制约, 可设置的故障多, 尤其可以再现现实中很难重现的故障现象等优点。

3 一种汽车虚拟故障训练系统设计

3.1 系统组成与功能

本虚拟故障训练系统主要由虚拟驾驶模块、故障设置与排除模块、考核评估模块、专家指导模块等组成。

3.1.1 虚拟驾驶模块

该模块由驾驶环境、传感器、显示和音响设备等硬件和视景仿真、程序设计等软件组成。通过建立虚拟场景, 在驾驶员前方安装显示设备, 利用虚拟仪表模拟实车仪表显示, 通过音响模拟车辆在各种状态下的声音, 利用传感器来感受方向盘、油门、离合器、刹车等操纵装置的运动, 并传输给计算机进行处理, 从而使受训者可以通过操作现实车辆的操纵装置而在一个虚拟的场景中驾驶。

3.1.2 故障设置与排除模块

该模块可以是受训者在驾驶的过程中随时随机设置故障, 模拟驾驶员在现实中突然遇到车辆故障的情形。进行故障排除时, 该模块会提供故障检查的一般程序, 受训者可以根据提示的步骤逐步查找故障部位, 并进行正确排除。故障排除后, 虚拟场景中的驾驶将恢复正常。

3.1.3 考核评估模块

该模块将采集受训者对故障排除的过程, 给出考核成绩。该模块预先给各个故障的排除过程划分要点进行分数的采集和评估, 考核过程中将没有排查故障的程序提示。

3.1.4 专家指导模块

该模块是一个开放式故障案例数据库。它提供了常见故障的现象和分析、判断、排除的方法步骤, 可以使受训者分享领域专家的故障排除的方法手段, 快速提高排障能力。该数据库的特点是可以随时按照规定格式向库中添加故障案例, 这样可以在使用过程中逐步完善故障案例库, 并可以适用于多种车型的故障训练。

3.2 关键技术及实现

3.2.1 视景仿真

采用Multigen Creator和Vega进行视景仿真。Multigen是SGI图形工作站上著名的实时三维仿真建模工具软件, 其性能优越, 系统可靠, 稳定性好, 具有同类软件无法比拟的优点。Creator与其他三维建模软件不同, 它首先是一个三维数据库系统, 然后才是一个实时交互三维建模软件。如果模型仿真要求严格, 不允许任何出错, 能够确保排除任何异常干扰。在拥有强大建模工具的同时, Multigen还拥有强大的兼容性, 与许多重要的VR环境兼容。Vega是Multi Gen Paradigm公司应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的世界领先的软件环境。基于SGI的Performer软件之上的Vega将易用的工具和高级仿真功能巧妙地结合起来, 从而可使用户简单迅速地创建、编辑、运行复杂的仿真应用。

3.2.2 传感技术与数据采集

车辆方向盘、油门、档位等的操作由传感器转化成电信号传给计算机。本系统对传感器的精度要求较低, 而对可靠性和环境适应性要求较高, 可采用精密导电塑料电位器式传感器, 配合弧形齿轮板和小圆齿轮使用。弧形齿轮板与方向盘、油门等连接, 小圆齿轮与传感器连接, 弧形齿轮板和小圆齿轮通过齿啮合。传感器数据的采集可采用PCI数据采集卡, 该采集卡的数据采集能力很强, 用VC++编程对采集的数据进行控制和反馈, 从而实现对虚拟场景中车辆行驶的控制, 也可以实现车辆故障状态和正常状态的具体参数的控制。

3.2.3 反馈技术

要实现逼真的虚拟仿真离不开各种反馈技术的应用。该系统主要涉及力学反馈和视、听、嗅觉反馈等反馈技术。

力学反馈:方向盘、油门、档位等在不同工况下操纵的力不尽相同, 故障情况下更会出现操作阻力大的现象, 需要进行力学反馈, 车辆在不平地面的颠簸也需要进行力学反馈。操纵装置的力学反馈主要依靠传感器控制的液压缸来实现;车辆的颠簸反馈则需要在三自由度上布置三个电机, 由三个电机实现空间位置的晃动, 电机则需要由视景中路面情况反馈来控制。

视、听、嗅觉反馈:发动机在各种转速和工况下的声音, 视角的转移, 油料蒸发和燃烧等的气味以及发生故障的特殊气味, 都需要进行反馈。发动机在各种转速和工况下的声音的变化由程序控制的算法来实现;视角的转移则由视景数据库控制, 视景中还要进行碰撞检测;气味的反馈主要由传感器控制的气味发生装置来实现。

4 应用及前景展望

虚拟故障训练为故障训练开辟了一条新的途径。它应用于汽车故障排除训练, 可以大大节省了训练费用, 提高了训练水平, 适用于初级维修人员的故障学习和有经验维修人员的技术升级培训。其故障案例库和故障检查程序也可为实车故障排除提供有效的参考和依据。

虚拟故障训练还可应用于各种机器设备, 尤其是大型特种设备, 如矿山机械、飞机等, 更有无可比拟的优势, 可以花费较少的训练费用, 达到较好的故障排除训练效果。虚拟故障训练在军事领域也有广阔的应用前景, 军用装备具有数量少、造价高、训练多、使用环境恶劣、故障排除难等特点, 采用虚拟故障训练必将有巨大的效益和良好的效果。

参考文献

[1]杨树莲.虚拟现实技术在机械故障诊断中的应用[J].机械工程师, 2002 (8) .

[2]杨宇航, 李志忠.基于虚拟现实的导弹维修训练系统[J].兵工学报, 2006 (3) .

8.虚拟仪器的应用及其发展前景 篇八

虚拟仪器技术 液体流量计检定系统

1 虚拟仪器技术应用于液体流量计检定系统的背景

随着计算机技术的不断发展,基于单片机、PLC或PC开发平台的测试仪器不断涌现,在为用户提供了丰富的控制方法和测试仪器的同时,具有很多缺点,如:通用性差、仪器可扩展性不高、兼容性不理想等。为了弥补以上缺点,虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术将计算机技术和测试技术结合在一起,利用现代计算机强大的分析和数据处理能力,用软件实现各种测试和分析功能,具有极大的灵活性。不仅满足提高设备复杂程度和智能化水平的要求,而且通用性强,能随意扩展功能,方便连接和调试。大大降低成本,提高仪器的自动化水平。

2 检定系统方案设计

本检定系统主要以目前比较常用的电磁流量计为例来进行研究,检定介质为石油,通过传感器对流量标准装置的现场参数进行实时采集,经调理电路进行放大隔离处理,通过数据采集卡输入到工控机的LabVIEW软件平台,同时工控机对现场的水泵、阀门进行控制以设置合适的检定条件。总体方案是:以工控机为核心,在软件上采用基于windows环境下的LabVIEW开发平台;在硬件上通过信号调理电路和数据采集卡以及工控机组成的数据采集系统实现了对被检流量计输出的不同信号的数据信息采集。

流量计检定系统的硬件包括:压力传感器、温度传感器、称重传感器、被检流量计、执行机构(阀门、水泵)、信号调理电路、数据采集卡、工控机以及存储打印设备等,并为系统本身和被检流量计提供所需的电源和防干扰隔离设备,以保证系统的可靠运行。

①传感器。本检定系统测试需要的传感器有温度传感器、压力传感器和称重传感器。温度传感器选用JWB一体化温度传感器,JWB一体化温度变送器是一种接触式测量温度的现场用仪表,通常与其相应的二次仪表或计算机采集测量系统配套使用,可准确测量生产工作过程中各种介质或物体的温度。压力传感器选用OEM标准型离子束溅射薄膜压力传感器。为了保证检定的精度,要求选用精度高、稳定性好、灵敏度较高的传感器,并根据液体流量标准装置称重容器满载时的总质量选择适合的称重传感器。根据检定系统的基本要求,选用1241型称重传感器,该传感器采用金属应变原理将质量值转换成电信号输出,其具有精度高、温度特性好、稳定性好等特点。

②信号调理电路。结合上述介绍和本次设计选用的温度传感器、压力传感器和称重传感器的型号,本系统的调理电路由三部分组成,分别承担温度和压力信号的放大、隔离和滤波等作用。根据不同传感器的不同特性选用相应的信号调理电路。在温度调理电路中,由于输入信号为微弱的直流信号,温度信号的变化很小,所以除了对信号的放大要求外对其它的性能要求不高。根据压力传感器和称重传感器的特性和性能指标以及实际的工作环境,信号调理电路应能够实现对其信号的放大、隔离和滤波。我们选用LM系列运算放大器,在此我们选用采用了隔离放大器AD202作为电流—电压转换电路,并结合放大器LM324实现对信号的隔离、滤波和放大。

③数据采集卡。数据采集卡就是把模拟信号转换成数字信号的设备,其核心就是A/D芯片。本系统采用的PCI8606卡是由北京阿尔泰科技发展有限公司开发的一种基于PCI总线的数据采集卡,可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中,构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。

检定系统数据采集原理如下:流量计检定系统的数据采集是被检流量计的模拟输出信号通过PCI8606采集卡上的A/D转换后输入到工控机;管道和工作容器中的温度经调理电路进行放大滤波输入PCI8606采集卡上的A/D转换后采集到工控机中;稳压容器、管道和工作容器中的压力信号经信号调理后输入到采集卡传输到工控机;阀门、水泵和电机的状态信号为数字信号直接输入到工控机。

3 系统软件设计实现

在流量计检定系统软件平台搭建中,存在着大量的实时数据需要处理:一方面PCI8606采集卡将检定过程中的各现场参数值实时采集进来进行显示存储,另一方面采集进来的这些数据要进行各种处理,比如过程数据显示和处理结果显示,还要根据现场参数值实时调节各阀门。由于本检定系统是利用输入信号的变化来反映流体流量的变化,在构建检定软件时,着重考虑采集数据的标度变换以便显示、采集频率、数据结构及实时时钟等进行编程和控制。

流量计检定软件系统主要完成的功能有:①人机交互式对话控制对现场压力、温度和质量参数进行动态检测,能把实时数据显示在屏幕上,并能进行工况记录,参数可以灵活设定和修改。②由于被检仪表种类较多,需要设置的参数较多,因此系统采用向导式结构,操作人员无需进行专门的培训就能进行操作,系统按检定功能设计了管道设置、开始检定、数据管理、停止检定4个模块。③纠错功能,当检定过程中系统出现故障时,显示出错信息,及解决方法,待故障排除才能进行检定。④多通道设计检定,通道不同时工作容器系数和容器零点也不相同,因此需要根据被检流量计口径的不同设置多个检定通道。

系统初始化结束后进入正式的检定状态,对温度、压力、称重、被检仪表等信号进行采集、处理、显示和存储等,同时为了保证稳压系统的稳定及管道流量的稳定,系统需要对流量调节阀进行控制。

本文结合虚拟仪器和静态质量法流量标准装置设计理论,完成了液体流量计检定系统的设计,目前已成功应用于石油流量计检定。虚拟仪器技术具有的一系列优点,将使得其将越来越广泛的应用于油气资源开采与勘探中的测试与计量仪器开发。

参考文献:

[1] 张丽梅,李海明.基于LabVIEW和模块化仪器设计示波器检测系统[J].仪器仪表用户,2010(03).

9.虚拟仪器的应用及其发展前景 篇九

尹惠

（电气学院 电子1131班 1131202132）

摘要：菊花可以作为中草药来治疗疾病，菊花在治疗疾病方面具有独特的功效。菊花除了可以直接作为中药来治疗疾病以外，它还可以做成具有保健和医疗价值的美食，菊花茶也具有各种治疗作用。本文对菊花的化学成分和药性功效进行简要的阐述，分析了菊花在疾病治疗和养生保健方面的重要作用。并对菊花的开发利用和应用前景进行了探讨。

关键词：菊花;化学成分;治疗疾病;保健和医疗价值 ；前景

菊花（Dendranthema morifolium），别名又叫黄花、寿客、金英、黄华、秋菊、陶菊、艺菊。属于被子植物门双子叶植物纲菊目菊科菊属，多年生菊科草本植物[1]。它是经过长期培育的名贵观赏花卉，因此也称艺菊或鲍菊，品种达三千余种。菊花是中国十大名花之一，在中国有三千多年的栽培历史。菊花不仅品种众多，而且色彩丰富，有红、黄、白、墨、紫、绿、橙、粉、棕、雪青、淡绿等。在菊属Dendranthema 30余种中，原产我国的17种。如野黄菊D.indicum全国均有分布，紫野菊D．zawadskii分布在华东、华北及东北地区，毛华菊D．vestitum分布在华中，甘菊D.lavendulifolium多分布于东北及华北，小红菊D.chanetii多分布于华北及东北，菊花脑D．nankingense产于南京。

菊花株高通常30－90㎝。茎色嫩绿或褐色，单叶互生，卵圆至长圆形，边缘有缺刻及锯齿。头状花序顶生或腋生，一朵或数朵簇生。舌状花为雌花，筒状花为两性花。菊花喜凉爽、较耐寒，生长适温18－21℃，地下根茎耐旱，最忌积涝，喜地势高、土层深厚、富含腐殖质、疏松肥沃、排水良好的壤土。在微酸性至微碱性土壤中皆能生长。而以Ph6.2-6.7最好。为短日照植物，在每天14.5小时的长日照下进行营养生长，每天12小时以上的黑暗与10℃的夜温适于花芽发育[2]。本属植物具有重要经济价值,集食用、医疗、美容、保健、观赏于一身。1 菊花的化学组成与药理作用

菊花是中国常用中药，具有疏风、清热、明目、解毒之功效。主要治疗头痛、眩晕、目赤、心胸烦热、疔疮、肿毒等症。现代医学理论研究分

析，菊花主要成分是菊甙、腺嘌呤、黄酮类、水苏碱、胆碱等，还含有维生素A、维生素B及铁、锌、铜、硒等微量元素[3-4]。黄菊花可以消肿拔毒，红菊花可以平肝凉血，白菊花可以清热明目，紫菊花可以利肺清喘。药用菊花一般花头小且样子丑陋，常一盆药用菊花的花头可以长到350朵以上，通常颜色泛黄者为佳。一般观赏菊花花朵大，数量少，药用价值很小。现代临床医学也证明，菊花可扩张冠状动脉[5]、增加血流量、降低血压，对冠心病、高血压、动脉硬化、血清胆固醇过高症都有很好的疗效。菊花对治疗眼睛疲劳、视力模糊有很好的疗效[6]。2 菊花的医用 2.1 菊花与中医

菊花为菊科多年生草本植物，是传统的常用中草药材之一，主要以头状花序供药用。中医多用菊花主治目赤、咽喉肿疼、耳鸣、风热感冒、头疼、高血压、疮疗毒等病症[7]。若长期食用，还有“利血气、轻身、延年”的功效。《本草纲目》对菊花药效记载如下：菊花味甘，性寒；具散风清热、清肝明目和解毒消炎等作用。对口干、火旺、目涩，或由风、寒、湿引起的肢体疼痛、麻木的疾病均有一定的疗效。主治感冒风热，头痛病等。对眩晕、头痛、耳鸣有防治作用。

《本草秘录》中把菊花分为野菊和家菊，其中家菊清肝明目，野菊祛毒散火，泻多于补,甘苦微寒,清热解毒,对眼睛劳损、头痛、高血压等均有一定效用。《神农本草经》认为，白菊花茶能“主诸风头眩、肿痛、目欲脱、皮肤死肌、恶风湿痹，久服利气，轻身耐劳延年[8]。” 2.2 菊花与现代医学

现代医学研究证实，菊花具有降血压、消除癌细胞、扩张冠状动脉[9]和抑菌的作用，长期饮用能增加人体钙质、调节心肌功能、降低胆固醇，适合中老年人和预防流行性结膜炎时饮用。对肝火旺、用眼过度导致的双眼干涩也有较好的疗效。同时，菊花茶香气浓郁，提神醒脑，也具有一定的松弛神经、舒缓头痛的功效。

2.2.1 对心血管的作用[10]

浙江医科大学的相关研究得出，菊花的制剂能够明显的增加离体的兔

子心脏的冠状动脉血流量，改善心电图中经过脑中枢刺激后出现的缺血性的ST段的压低情况，从而显示提高了动物对缺氧的耐受的能力。根据菊花扩张心脏冠状动脉，增加动脉血流量，提高心肌细胞对缺氧的耐受能力，临床可用作降压药物。2.2.2对胆固醇的作用

相关的资料中记录，菊花的水煎制剂[11]可以抑制大鼠肝脏微粒体中羟甲基戊二酰辅酶 A 还原酶活力，激活了胆固醇的某些羟化酶，从而是胆固醇的代谢加快。在胡春等学者的研究中也发现，菊花的某些提取成分能够明显改善实验中大鼠胆固醇的升高作用，保持血清中胆固醇的水平基本维持不变，提高了保护性的高密度脂蛋白的浓度，降低了对机体有危害的低密度脂蛋白的浓度。当机体摄入过高的胆固醇的时候，菊花中的某些成分就能够加快胆固醇的代谢，抑制甘油三酯的升高，最终达到预防或者治疗临床上辅助治疗高血脂的疾病。2.2.3抑菌的作用[12]

菊花对某些革兰阳性细菌和人体结核杆菌具有明显的抑制作用。国外的一些研究还证明菊花对单纯性的疱疹病毒、麻疹病毒以及脊髓灰质炎病毒也有一定的杀伤抑制能力。另外，菊花的另一个重要的特性就是研究中发现的抗艾滋的作用。某些文献杂志中的研究报道，某些菊花能够抑制一些转录酶和 HIV 的复制活性，分离出来的金合欢素70BD0 吡喃半乳糖甙为对抗 HIV 的新型的活性成分，并且对人体的毒性作用比较的低，可以应用到抗艾滋的相关研究中。杭菊对体外的大肠杆菌、痢疾杆菌、伤寒杆菌、副伤寒杆菌、变形菌以及绿脓杆菌和霍乱弧菌等细菌具有完全的抑制作用，对人体的结核杆菌有某些抑制效果。3 菊花的食疗 3.1 菊花与食疗保健

在中国古代就有食用菊花的记载，屈原的“朝饮木兰之坠露兮，夕餐秋菊之落英”诗句就是关于食用菊花的最早记载。随着生活水平提高，人们对吃越来越讲究。时下，吃新鲜、吃新奇、吃情调已经成为都市人生活主流。利用菊花做成的美食对顾客有很大的吸引力，花卉美食，不仅使消费者大饱

口福和眼福，还具有食疗保健的功效[13]，可谓是一举两得。目前，利用菊花制作的花卉食品主要有下面几种：

菊花酒：有养肝、明目、健脑、延缓衰老等功效。

菊花粥：有清心、除烦、悦目、去燥等功效。

菊花糕：具有清凉去火的食疗效果。

菊花肴：可用于头晕目眩、风热上扰之症的治疗。

菊花羹：可去烦热，利五脏，治头晕目眩等症。菊花膏：具有疏风、清热、明目之功效。3.2 菊花茶的作用

菊花茶有明目清肝的作用,有些人就干脆菊花加上枸杞一起泡来喝,或是用蜂蜜菊花茶都对疏肝解郁很有帮助。菊花茶对眼睛的保健有很好的作用[14]。因此，菊花茶很受人们欢迎，特别是常用电脑的上班族。我们不能否认电脑给人们的学习、工作和生活带来的方便,然而在我们使用电脑的时候室内环境正负离子悄然失去平衡,这对我们的健康有一定的危害,甚至会引起自律神经失调、忧郁症,菊花茶对治疗眼睛疲劳、视力模糊有很好的疗效。如果晚上睡前喝太多的水，第二天早晨起床眼睛就会浮肿，民间有一密方：在棉花上蘸菊花茶的茶汁，涂在眼睛四周，浮肿很快消失。困乏的时候喝一杯菊花茶，或者用菊花茶的热气薰眼部一两分钟,眼睛马上感觉到很舒服,以此来消除眼睛疲劳。如果每天喝三四杯菊花茶，对视力的提高很有帮助。4 菊花的芳香疗法

在中国古代，就有植物精油的制法。由甘菊提炼的精油除了具有美香的功能，其主要作用就是利用精油的芳香精华来治疗疾病[15]。现在芳香疗法应用越来越广，它在某些疾病的治疗上具有独特的效果。

甘菊精油被广泛应用于疾病的治疗，其对儿童的疾病和治疗感冒发烧效果明显。另外可敷用于眼睛，大量用于嘴巴的清洗液等。洋甘菊精油蒸馏自花朵，安抚效果绝佳，可舒解焦虑、紧张、愤怒与恐惧，使人放松有耐性，感觉祥和。减轻忧虑，让心灵平静，对失眠很有帮助。洋甘菊因产地不同、功效不同而分为两种：罗马甘菊和德国甘菊。罗马甘菊精油的气味香甜，有点象苹果的香味。颜色淡绿、清澈，具有水质般的粘性。而德国甘菊

精油散发着稻草般的清香气味，颜色黑绿色，中等粘性。4.1 德国甘菊

德国甘菊常被人称为“洋甘菊”或者“蓝甘菊”，由它制成的精油具有优美的深蓝色，质地浓稠，气味极其浓香，具有调理妇女病的良好功效。人们最熟悉的是它的“抗敏”性。现代药理研究分析，其有效成分为奥菊环烃，故它对风湿、关节炎、痛风、痛经等治疗效果显著，具有减轻疼痛、消炎和退肿的作用。

生理用途：适用于粉刺、过敏症、闭经、食欲不振、烧伤、疔疮、冻疮、皮肤病、消化不良、湿疹、肌肉酸痛、月经问题、神经痛、风湿痛、眩晕。

情绪用途：不但能有效缓解压力，消除焦虑、愤怒、紧张、挫折感，而且能减缓和改善由情绪而引起的皮肤炎症，如荨麻疹、带状疱疹、瘙痒红疹等。4.2 罗马甘菊

罗马甘菊香油自古以来用于“植物芳香疗法”。罗马甘菊是黄春菊的一种，是一种高级天然香料和保健植物，其花朵芳香无比，是该植物的精华集中部位，味道辛苦、甘甜。罗马甘菊茶制品芳香浓郁，营养高于普通菊花茶。据有清肝明目、润肺滑肠、补血保健的神奇功效。是避暑解热、提神醒脑、宁心怡神的健康伴侣。它还具有活血补血、调经止痛，润肺滑肠作用，其酯类具有细润皮肤，祛斑消疤的作用，具有疏风散热、清肝明目的作用；具有抗炎杀菌、抗感染、抗病毒的强身作用。还对因心理敏感以及生理敏感引起的睡眠问题有良好的治疗效果。罗马甘菊的利用方式有很多种，可以泡茶、沐浴、厨房料理调味、驱虫、布置环境及观赏等等。5 菊花药用前景的展望

目前世界上已知的抗氧化活性最强的物质是花卉中的原花色素，其抗氧化能力是维生素C的20倍，对人体具有很强的保健作用。花卉植物中的维生素和花色素被人体吸收后帮助清除体内具氧化破坏作用的自由基，以防止和减少心血管疾病及癌症的发生。花卉植物中的纤维素能促进人体胃肠蠕动、清洁肠壁，可防止肠道恶性肿瘤的发生。鲜花花粉有抗神经衰弱、健脑、增进智力、助长儿童发育、调节人体机能和延年益寿的功能，菊花的药用功效更是明显，如黄菊花可以消肿拔毒，红菊花可以平肝凉血，白菊花可以清热明目，紫菊花

可以利肺清喘等。

菊花在临床上使用十分广泛，用于多种疾病的治疗。其所含化学成分复杂，具有多种生物活性，国内外学者对其化学成分和药理作用不断深入研究，进一步阐明了化学成分与其药理活性之间的联系，但是对菊花的研究仍然存在着以下问题：有关药理活性的物质基础不甚明确，有效成分及作用机理未能揭示。以上问题仍需更加深入的探索。相信这些问题一旦解决，菊花在治疗各种疾病方面将会发挥更加重要的作用。

参考文献：