交互仿真范文

交互仿真范文（精选8篇）

交互仿真 第1篇

现代雷达设计过程中雷达总体设计仿真试验过程极其重要, 雷达系统仿真系统是将数字模拟技术与相关雷达技术进行融合形成的雷达设计实验体系, 利用计算机进行设计效果仿真有利于保证可技术的安全性与可控性, 破坏性也降低到最低程度。

本文以GUI图形为本体, 利用MATLAB GUI对雷达总体设计进行模拟仿真, 并对其仿真效能进行了分析评估。雷达总体设计仿真试验需要进行仿真效能评估, MATLAB GUI人机交互界面工具为仿真过程带来了便利, 对数据的读取与分析具有扩展能力, 在雷达设计过程中雷达设计人员可以根据雷达参数选择合理的算法进行仿真实验, 极大的提高了工作效率。

2 软件设计内容

GUI图形界面的仿真软件在仿真过程上体现为以下几点:

(1) 线性调频信号处理过程仿真是GUI图形界面仿真过程的第一步, 包括线性调频信号的仿真, MT1、MTD以及CFAR过程的仿真, 还包括性调频信号脉冲的压缩; (2) 调频信号处理后紧接着是相位编码信号的仿真, 包括相位编码信号和速度补偿前后编码信号的仿真; (3) 相位编码的信号处理过程之后是高重频信号处理仿真过程, 包括、CFAR的仿真以及高频信号窄带滤波[1]的仿真; (4) 雷达总体设计的自身噪声信号与杂波的仿真, 包括高斯噪声以及随机噪声等方面的仿真过程; (5) 在雷达工程总体设计的后期试验阶段, 必须对雷达的威力精度进行评估, 要确定雷达的作用距离的坐标精度, 通过雷达威力计算的仿真完成对雷达性能的评估; (6) 天线方向图的仿真, 这是雷达总体设计的方向控制仿真过程, 通过参数的查询与确定对天线方向图进行模拟与仿真; (7) 航迹滤波的仿真, 对雷达进行航迹预测是建立在滤波数值上对未来模型与状态进行估计的过程, 可以进行理论的航迹的查询与输入, 并结合卜尔曼滤波的日滤波比较完成仿真过程; (8) 雷达总体设计仿真试验需要进行仿真效能评估, 因此在仿真软件测试的最后一步可以结合实际情况利用扩展区域进行设计的修改, 以此优化雷达系统仿真内容, 为现代雷达总体设计的试验增加了运作的可控性与可靠性。

3 试验结果

3.1 线性调频信号处理模块

线性调频信号指在雷达信号中持续期间频率不断保持变化的信号类型, 在雷达总体设计中比较常用。线性调频信号包括相参、宽带线性调频信号, 相对于其他型号具有极为优势的脉冲压缩特性, 有助于高分辨力雷达的设计试验过程。鼠标左击雷达总体设计仿真软件主界面的“线性调频信号处理软件”的按键, 你将看到线性调频信号的处理模块界面, 这个界面是按照顺序运行的操作, 由模拟同波信号转为调入同波信号[2], 调入过程中此时其它操作暂时停用。选好的同波信号可以立即进行脉冲压缩, 如果在压缩中出现被禁用的提示, 可以进行MT 1处理, 完成虚警操作处理之后就可以进行CFAR的仿真过程操作。

3.2 相位编码信号处理模块

现代雷达总体设计横纵脉冲压缩技术比较广泛, 脉冲压缩技术使雷达达到足够作用距离并且可以提高雷达的距离分辨力。脉冲压缩技术积相位编码雷达信号是近似于图钉状的模糊图, 多相编码信号在雷达测试过程中表现为有较强容忍性, 相位编码信号功能的日益普及在模块技术处理中还具有相当重要的地位。当我们打开主界面, 点击主界上的“相位编码信号处理软件”时, 就会立即出现相应的仿真软件界面, 也是按顺序执行的处理模块, 同线性调频信号处理模块一样, 由模拟同波信号转为调入同波信号, 调入过程中此时其它操作暂时停用。当同波信号确定时, 止交解调和脉冲压缩会按照不同的维度空间进行CFAR操作, 以三维形式输出。

3.3 高重频信号处理模块

雷达总体设计仿真软件主界面导航的左侧有“高重频信号处理软件”的模块按键, 左击后会呈现顺序执行的仿真模式, 同线性调频信号处理模块一样, 由模拟同波信号转为调入同波信号, 调入过程中此时其它操作暂时停用。在选定同波信号后, 就可以按顺序进行窄带滤波以及频谱的处理与分析。

3.4 雷达威力计算模块

左击“雷达威力计算软件”按键, 界面上会呈现雷达威力计算仿真软件界面, 填入相应的雷达参数后, 我们可以得到雷达威力精确值, 并对完成对雷达性能设计仿真的评估。

3.5 天线方向图查询与航迹数据生成模块

左击进入天线方向图界面, 通过参数可立即计算出天线方向;进入航迹数据生成模块时, 可通过航迹运行参数进行航迹的生成, 并能长期保存。

3.6 航迹滤波模块

雷达总体设计仿真软件主界面导航的右侧有一个“航迹滤波软件”按键, 左击此按钮在界面上会显示滤波处理的模式类型, 工作人员进行理论航迹处理模式的选择, 并提供相应的滤波参数, 我们可以从左侧的结果框中看到滤波的具体情况并进行分析, 以此达到对雷达总体设计中滤波的观察与仿真。

4 结语

基于GUI人机交互界面的雷达总体设计仿真软件, 对数据的读取与分析具有较强的扩展性与可靠性, 为雷达设计人员设计过程工作效率的提高贡献颇多。设计仿真软件界面友好实用, 性能优良, 为仿真过程带来了极大的便利, 为今后产品研制过程提供了很好的平台, 很大的促进了雷达总体设计事业的发展。

摘要：MATLAB (矩阵实验室) 是一种用于算法开发与可视化数据分析的高级语言技术互式的数学软件, 拥有丰富的功能, 在信号处理、系统识别以及优化技术方面的性能很好, 广泛地运用于雷达总体设计系统仿真中。本文通过对MATLAB GUI人机交互界面工具对雷达总体设计过程中的可视化数据进行了处理与计算, 对雷达信号参数、威力数值等进行了仿真模拟, MATLAB GUI人机交互界面工具在整个模拟过程中的仿真效果稳定可靠、界面友好方便, 为雷达总体设计仿真中的雷达信号处理等环节提供了良好的设计平台与途径。

关键词：MATLAB,GUI,雷达总体设计,仿真

参考文献

[1]彭思.基于虚拟现实技术的雷达结构虚拟维修仿真研究[D].合肥工业大学, 2009.

交互仿真 第2篇

【关键词】机器人 焊接技术 交互式 教学方法

【课题项目】江苏省现代教育技术研究课题（2015-R-40948），江苏科技大学高等教育科学研究课题（GJKTY2014-22），江苏科技大学研究生教改与实践课题（YJG2013Y_10）、江苏科技大学教改研究立项课题（GX20131014）资助。

【中图分类号】G64【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）16-0031-02

1.引言

随着我国机器人战略的实施，焊接机器人在许多企业迅速得到应用，对机器人焊接技术人才的需求也尤为迫切[1]。目前，已有很多高校开设了焊接机器人课程，但很多教学模式还是以板书、PPT教学为主，配以焊接机器人实验。由于焊接机器人是一个涉及数学建模、电工、通讯、机械、软件编程等综合知识的课程，需要丰富的实践、调试环节，才能遇到机器人应用中遇到的各种问题，通过解决问题积累经验，提高水平。所以，单纯的教师讲授，学生听课难以达到好的教学效果。

此外，焊接机器人价格相对昂贵，高校一般难以大量添置用于教学，且焊接机器人操作具有一定危险性，需要增加实验人员才能保证大量学生能同时进行机器人操作。所以通过大量增加焊接机器人来提高学生的教学效果也受到一定限制。

离线编程仿真软件为解决上述问题提供了一个新的手段。

2.虚拟仿真技术的引入

机器人离线编程是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正确性，最后将生成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务[2]。随着计算机技术的发展，以往需要在计算机工作站或服务器上运行的机器人离线编程仿真程序已能在一般PC机上运行，这给焊接机器人教学改革带来了契机。

通过在传统课堂教学基础上引入仿真技术，设计项目，实施交互式教学，可极大提高学生兴趣、专注度和主动性、更好地掌握焊接机器人专业知识，锻炼学生动手能力，促进高水平人才的培养，并为类似课程的教学积累经验和成果。

ABB机器人的Robot Studio是一款优秀的机器人仿真软件，适用于机器人寿命周期各个阶段[3]。它可在实际构建机器人系统前进行设计和试运行，还可利用该软件确认机器人是否能到达所有编程位置。故本文选其作为仿真软件。

2.1 交互式仿真教学方法

为使离线编程仿真技术在《机器人焊接技术》教学中发挥作用，在仿真演示的基础上，更应该引入交互式教学方法。

交互式教学最早由Palincsar于1982年提出，之后又得到了进一步的研究和发展，它是在支架式教学理论的基础上发展起来的一种教学模式[4]。交互式教学是在宏观教学情景下，在多点自由切入的教学平台上，教师的教与学生的学围绕某一个问题或课题进行平等交流和自主互动的一种教学方法。它具有重要的教育价值。

根据弧焊机器人的特点，交互式教学方法可在两个层面进行。（1）是在教师和学生间进行，即针对离线编程任务，教师和学生可以开展互动，探讨可能的解决方案；（2）是在学生与计算机之间进行，即学生进行仿真任务时与计算机目标进行对比，从而查找错误，最终找到正确解决路径。

在焊接机器人中，仿真技术交互式教学的关键是首先让学生明确教学目标，其次，是在于设置中间参考结果，学生能明确自己在进行机器人操作时，机器人的反应是否与设定目标一致。这样，可以查找自己存在的不足，从而掌握相关知识点。

2.2 仿真教学内容确定

仿真演示教学内容可以体现在机器人教学的各个环节中。如机器人系统的构成、机器人运动学、焊接机器人传感器、焊接机器人工作站构成等。其方法是教师在电脑上构建机器人系统，并利用软件编程和操作完成各种功能，使得学生能直观了解机器人的关节运动、轨迹规划、防碰撞演示等内容，如图1所示。

2.3 交互式教学内容的确定

并不是所有的机器人教学内容都适合交互式教学方法。交互式教学体现在要有一个明确的目标。为此，根据机器人焊接特点和需求选择计算机仿真实习项目，如表1所示。

下面以机器人轨迹规划为例说明交互式教学的实施。轨迹规划的步骤如图2所示。在实施交互式教学时，教师在课堂上讲授如何进行轨迹规划的操作，给出每个关键步骤的最终结果，如图3所示。然后学生可以在计算机上进行仿真，对照参考答案，进行交互式的学习。同时教师和学生间也可以根据所遇到的问题开展交互式教学。

3.结论

本文对《机器人焊接技术》进行改革，引入离线编程仿真程序，并设计交互式教学方法。对交互式教学方法的内容、实施进行了探讨。

参考文献：

[1]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略. 机械工程学报，2014，50（9）：15-19

[2]刘圣祥， 高洪明， 张广军，等.弧焊机器人离线编程与仿真技术的研究现状及发展趋势. 焊接. 2007，（7）：20-26

[3]谭定，李亮玉，王天琪. 基于RobotStudio的双机器人协调仿真. 焊接技术，2011，40（6）：45-48

[4]李如密， 侯会关.“交互式”教学模式的理论建构.当代教育科学， 2004， （8）： 40-43

交互仿真 第3篇

导弹装备电子线路复杂、集成度高, 其故障表现通常是电子元件、电子线路的损坏、老化及失效。导弹装备维修保障, 大量的工作是对电子线路、电子元件的检查、测量、更换等维修操作。

而当前对虚拟维修的研究基本上停留在机械部件虚拟维修和虚拟装配/拆卸系统, 以及虚拟人体模型在虚拟装配/拆卸中的应用等领域, 很少涉及到电路故障的维修训练, 基本上没有将电路故障的维修训练嵌入到虚拟维修训练系统中。针对这些情况, 设计并实现了导弹装备电路级虚拟维修训练系统来解决这些问题, 在该系统的实现中, 为了实现不同电路板之间电路仿真的虚拟信号传输, 进而模拟导弹装备电子设备的整体工作情况。

本文首先给出了导弹装备电路级虚拟维修的系统总体结构设计, 在总体结构设计的基础上, 设计了电路仿真BOM的概念模型和基于BOM的电路仿真交互模型, 从而实现了基于BOM的电路仿真分布式交换。

1系统总体结构设计[1,2]

导弹装备电路级虚拟维修训练系统的组成结构如图1所示。

该系统总体结构是基于网络总线的分布式交互系统。系统由教练台的主控计算机和位于虚拟维修训练节点的仿真计算机, 以及人机交互等设备组成。

主控计算机实现教练与系统间的人机交互, 完成故障设置、系统设置、维修过程监控和仿真监控等功能。各维修训练节点均为一个Agent实例, 实现对应装备电路模块的虚拟显示及工作过程仿真, 训练人员通过交互设备, 对虚拟电路进行测量、故障排查、虚拟维修等训练操作, 仿真计算机根据虚拟信号传输关系, 以及电路仿真结果, 对虚拟维修操作作出反应, 模拟真实电路的工作状态。

系统中的电路仿真由Spice3f5电路仿真引擎实现, 它是一个公开源代码的电路仿真程序, 但Spice3f5电路仿真引擎的源代码是Unix环境下的C语言代码, 而本文所设计的虚拟维修模型要运行在Windows xp平台下, 所以本文对Spice3f5电路仿真引擎进行了重新编译, 形成了可以直接在Windows xp环境中实时调用并能输出仿真结果的Spice3f5电路仿真引擎,

各仿真节点之间通过BOM组件实现分布式交互, 构成分布式仿真网络, 模拟装备各电路模块之间的关系及信号传输过程, 从而实现对装备全系统工作状态的模拟。

2 电路仿真BOM的概念模型[3]

设计导弹装备电路级虚拟维修系统中电路模块BOM的概念模型关键在于分析概念实体类型和概念事件类型, 其中实体类型描述了电路的元件信息、信号类型等, 事件类型描述了维修人员的测试信息、更换元件信息、预设故障信息和输入输出信息。

2.1 实体类型

表1列出Spice3f5中包含的元件类型及其表示, 元件在电路模型中的信息包括节点号和元件值, 在BOM模型中元件值参数不参与模型的交互, 因此在元件类型中只需包含元件名 (ID) 和节点号即可。

根据表1所示, 表示元件的实体类型总共有5类, 每个类型的属性包括ID和元件连接的节点, ID是与电路板上元件号对应的名称, 每种元件有与该元件端点数相同个节点。

实体类型中应该包含的另外一个重要的类型是信号类型, 它主要用来描述每一个电路模块的输出作为另外一个模块的输入, 或者向数据记录成员发送操作人员测量的信号信息。电信号类型较多, 从功能角度可以分为控制信号、数据信号, 而控制信号又包括高电平、低电平、方波、脉冲、正弦波等各类信号的参数又不尽相同, 因此想详细地罗列电路中所有信号类型及其属性信息十分困难。

本文采用了通过Spice语句描述信号的方法:信号类型分为输入/输出信号和测量信号;输入/输出信号有一个“Description”属性, 属性内容为仿真结果产生的该信号的Spice语句, 另外还有一个表示输出端口 (节点) 的属性;测量信号有两个表示节点的属性, 因为测量信号不需要进行电路模块间的交互, 主要向训练管理者提供记录数据, 所以测量信号表示测量数据的信息不再用Spice语句而仿真结果转换得到的数组。这种方法既避免了将复杂信号进行分类, 又能准确地描述信号特性。该方法前提条件是分布式仿真环境下各个成员均使用Spice仿真引擎, 以保证对语句的正确解码。

对于分布式虚拟维修训练系统, 一般情况下需要设置一个维修管理者, 负责向各维修成员下达维修指令, 收集来自各成员的维修数据, 对维修成员的维修作业进行成绩评定等。而在本地也需要一个代理负责接受来自管理者的指令等工作。可将这两个实体抽象为通信实体类型, 在不同端的实例分别代表维修人员和维修管理者。

2.2 事件类型

电路级虚拟维修中事件类型应包括:输入、输出、测量、设置故障、删除元件和更换元件。输入输出时间的发送者和接收者是信号实体的端口, 测量事件和删除/更换元件不在各电路模块间交互, 只传送给维修管理成员作为记录数据。所有事件都有预定的发送者和接收者, 因此都属于消息 (Message) 类事件, 没有触发 (Trigger) 类事件。

2.3 交互模式

一个交互模式由多个完成特定目的或代表特定功能的模式动作组成, 每一个模式动作有一个描述基本功能的名称, 一个发送者和接收者。发送者和接收者是为了表示模式动作所发生概念实体之间的关系, 概念实体由实体类型来定义。与模式动作直接关联的要素是事件类型或另外一个BOM。

电路级虚拟维修训练系统力争模拟真实维修过程, 因此允许维修人员进行任意操作, 即不存在误操作, 维修人员可以测量任意节点间的输出信号, 可以根据自己判断任意更换元器件, 系统仍然能够仿真出维修人员更换元件后的电路信号。所以在本系统中, 交互模式不区分变化 (variation) 和异常 (exception) , 模式的行为对应了事件实体类型的所有事件。

3 基于BOM的电路仿真交互模型[4]

电路级虚拟维修的对象为装备电路, 一般由多个电路板和电子元件的电路结构组成。将多个电路板利用电路仿真软件建成一个仿真模型, 实现起来非常困难, 并且对硬件系统的计算能力要求也很高。一般的解决方法是在分析复杂电路的结构及功能的基础上, 按电路结构关系以及功能, 把复杂电路划分为不同的模块, 对不同的电路模块分别进行建模, 并在分布式环境下进行仿真, 通过各模块之间信号的交互完成对整个电路的仿真。这种方法的好处在于不但降低了对复杂电路的建模难度, 并且提高了仿真的运行效率。

就电路仿真建模而言, 一个BOM既可以对应成一个电器元件, 也可以对应为一整块电路板上的电路。从降低建模的复杂性和真实反映电路的电气特性两方面综合考虑, 每一个相对独立的电路模块对应一个BOM模型, 因此在划分电路模块的时候还应考虑建立BOM模型的合理性。

电路的BOM模型不同于电路仿真引擎中建立的电路模型。后者是为了完成电路的真实仿真, 以电路的电气特性为仿真任务, 每一个元件直至整个电路应该是严格按照其电气特性的数学模型。因此它能反映真实电路在不同的激励条件下的输出信号以及任意两个或多个节点间的信号信息, 并且能够准确模拟故障状态下的电路工作情况。前者的目的是为了完成不同电路模块间的交互, 即输入和输出信号, 将后者模型仿真出来的输出信号准确地传送到对应的电路模块的输入端, 同时BOM模型也负责记录操作者测试节点的信息。BOM模型可以看成仿真引擎模型的一个简化映射, 映射了其中的元件和节点信息, 节点信息不是为了表述电路结构, 而是为了记录测试信息, 同时BOM增加了预设故障信息, 接收来自异地的设置指令, 通知电路仿真层按照指令在模型中做出相应更改, 设置特定故障。BOM模型和电路仿真模型的关系如图2所示。

在图2中, 电路仿真模型中用来描述电路组成的元件和节点信息直接映射到BOM模型, BOM模型中增加了测试量和故障信息。电路仿真模型中的信号源和输出之所以没有直接映射为BOM模型中的输入, 原因是BOM模型中的输入通常是另外一个BOM模型的输出传输过来的数据, 而不是本电路模块的信号源。按照BOM标准规定, BOM模型以XML语言描述, 根据图2关系, BOM模型可以由电路仿真模型文件经过映射并增加自定义的输入、测量信息以及故障库的设置进行实现。

4 结论

本文介绍了导弹装备电路级虚拟维修训练系统研究的背景, 给出了导弹装备电路级虚拟维修训练系统的整体组成结构, 在该结构的基础上提出了基于BOM的分布式交互电路仿真的概念模型的设计和电路仿真模型的设计。所提出的分布式交互电路仿真的概念模型和电路仿真模型对类似电子装备电子故障的虚拟维修系统的研发有着良好的借鉴作用。

摘要：对基于BOM的分布式交互电路仿真应用的背景进行了介绍, 而后给出了导弹装备电路级虚拟维修训练系统的整体结构图。在该结构的基础上提出了基于BOM的分布式交互电路仿真的概念模型的设计和电路仿真模型的设计。应用了基于BOM的分布式数据交换技术实现了不同导弹装备仿真电路板之间的虚拟信号交流, 从而为导弹装备电路故障的虚拟维修打下了坚实的基础。

关键词：导弹装备,电路仿真,BOM,概念模型,仿真交互模型

参考文献

[1]贺少华, 吴新跃, 桌面式虚拟维修训练系统的研究与应用.计算机工程, 2008;34 (17) :276—278

[2]邓志东, 余士良, 程振波.通用分布式虚拟现实软件开发平台的研究.系统仿真学报, 2008;20 (12) :3160—3164

[3]唐见兵, 焦鹏, 查亚兵, 等.基于BOM的HLA仿真系统可信性研究.国防科技大学学报, 2008;30 (5) :131—134

交互式供用电系统仿真软件的研制 第4篇

1 系统功能及结构

交互式供用电系统仿真软件以先进的计算机仿真技术为核心, 以图文结合、三维交互的方式模拟供用电业务办理的各个环节, 实现系统所要求的所有功能模块。系统以10KV~35KV供电系统为主体平台, 包括了用电客户信息模块、电源点信息模块、主接线图元设计模块、配电网设计模块、模拟送电模块、巡视任务模块、检查任务模块和在线帮助模块等。检查任务模块可以实现检查任务创建, 用电检查人员进入搭建好的配电系统场景中, 模拟设备检查、计量检查、安全检查等工作任务。软件功能的实现效果界面如图1所示。

2 仿真模型的设计

仿真系统在建模上采用图形、数据库和仿真模型的一体化技术;在新型设备建模上, 使用可视化自定义软件模型技术和图型建模技术;在配电系统一、二次设备仿真上, 采用组件建模技术, 为不同客户配电系统中的各种一、二次设备开发成一个个独立的、可复用的仿真组件, 然后再将仿真组件装配成完整用电系统仿真环境, 其结构更加简洁、易于调整[2]。

2.1 一次系统模型

一次系统模型库包含了配电网中的各种电气元件, 如变压器、各类刀闸、断路器等, 为适应智能电网及电气设备智能化的发展, 并在运算内部嵌入IEC61850规约, 模拟三层网路结构[3]。为适应智能电网发展的需要, 模型尽可能的涵盖了最新的电气设备, 主要模型包括:

(1) 各种类型的互感器模型, 既包括传统的电磁式互感器, 也包括新型的电子式互感器模型, 并可准确模拟ECVT、EVT的暂态过程和ECT的饱和过程;

(2) 合并单元/智能终端模型, 在数据库里建立合并单元设备库, 在每个间隔配置合并单元 (包括母线合并单元、主变合并单元) , 用以对二次转换器的电流和 (或) 电压数据进行时间相关组合。

2.2 二次系统模型

二次系统模型的仿真主要针对变 (配) 电站的测控屏柜、交直流系统、保护屏柜。测控屏柜包括各光字牌、按钮、压板、表计的属性及其动作逻辑;保护屏柜包括各类保护和自动装置。保护及自动采样的电子式电流电压互感器, 按照保护原理计算, 与自身的物理量定值和时间定值比较, 实现保护功能, 能自动适应保护装置间相互配合的特性, 包括定值配合和时序配合。

2.3 故障模型

该仿真软件为变压器、线路、断路器、隔离开关、负荷、电容器、电抗器、电流互感器、电压互感器、避雷器等设备建立了详细的故障模型, 在系统中可设置多个故障, 并通过不同的时序和故障设置实现各种复杂故障, 在此基础上可以构建更为复杂的复合故障类型。设备故障由故障起始时间、故障位置、故障持续时间等要素构成。系统支持多重故障、复合故障的设置, 能按照绝对时间、相对时间、立即发生等情况设置。用户可以在接线图直接设置故障。

2.4 负荷模型

负荷建模方法可以归纳为如下几类:1) 统计综合法、2) 总体测辨法、3) 故障仿真法。本软件采用统计综合法, 对具体负荷进行统计, 且能够记录负荷随时间变化的曲线。

软件在负荷模拟时提供了三类数据:负荷组成, 即各类负荷 (民用、商业、工业等) 所占的比例;各类负荷中各用电设备 (荧光灯、电动机、空调等) 所占的比例;各用电设备的负荷特性曲线。

3 开发工具和建模的理论方法

3.1 开发工具和建模的理论方法

软件使用U3D引擎作为开发工具。3D模型建模使用Maya作为建模工具。Maya是一款非常完善与成熟的3D模型建模工具, 有着一整套快捷的模型建模方法, 使开发人员可以快速的制作出精美的3D模型。利用建模工具制作与现实一模一样的3D模型是仿真软件开发的基础。

3.2 三维摆放的原理

软件以Unity3D引擎为开发平台, 开发三维场景支撑平台, 能对配电现场的状态实时监视、设备状态的调整、设备运行异常状态的巡视、各种事故的模拟及处理, 全面支持配电现场虚拟场景的性能调试和优化, 能够在普通PC上流畅运行。

软件采用fbx格式三维图形文件, 建立典型电气设备所有一次、二次设备的三维模型, 并组合得到一个完整的配电现场三维场景。

对一般设备按比例进行建模, 对于三维难于表现和操作的设备, 则以平面图形的方式在配电现场中进行展现。三维展现及平面图形展现两种方式都能很好地模拟元件响应鼠标操作, 并且根据设备的特性变化外形以仿真设备的动作, 画面逼真。

4 结语

交互式供用电系统仿真软件实现了供电环境和用电环境的全方位逼真模拟, 满足了客户用电接入方案的优化设计, 并对供电业务流程环节进行了实时运行, 为安全可靠的向用户供应电能提供辅助决策支持。本软件已经成功地运用于供电企业, 运行良好, 效率效益显著。

摘要：研制一套10KV-35KV供电系统动态与静态运行模式结合、三维交互体验式供用电仿真平台软件, 实现各类供电业务流程模拟办理, 为客户用电项目的接入方案提供良好的决策支持。该软件可以支持在一套仿真平台上同时实现多种监控系统人机界面仿真, 通过其功能模块化和设计标准化可以仿真各类供用电项目的高级应用, 实现客户用电需求的快速开发和接入。

关键词：供用电系统,人机界面,仿真软件

参考文献

[1]张全元, 李洪波.电力行业仿真培训教材 (变电类) [M].中国电力企业联合会技能鉴定与教育培训中心组编, 北京:中国电力出版社, 2011.

[2]黄志兴.三维交互式变电站仿真系统设计[D].武汉:华中科技大学, 2007.

[3]陈哲星.基于Web新技术的变电站仿真软件图模库一体化研究[D].北京:华北电力大学, 2012.

交互仿真 第5篇

1 ACT-R介绍

著名的设计心理学家诺曼通过实验发现用户在使用产品执行任务的过程中, 认知鸿沟往往存在于行为的执行阶段和评估阶段, 阻碍着人的正常行为。操作者行为意图和可允许操作之间的差距所产生的执行难度使得产品不能让操作者轻易完成他想做的或者产品采用了不符合操作者意图的操作方法;评估阶段的障碍反映了操作者在对产品工作状态的判断或者决定自己期望目的或意图能否达到时遇到的困难, 这些障碍都是由于产品操作和人的行为倾向不符导致的。因此, 想要消除人对产品的认知差异可以从这些障碍切入, 在设计根源减少或者消除人的行为和产品操作之间差异。为了提高用户操作界面的流畅度, 在此背景下提出利用ACT-R对产品设计进行有效的辅助。

ACT-R是一种认知架构, 用以仿真并理解人的认知。它已经被广泛使用来模拟人类认知行为的不同方面, 根据大量的认知心理学实验圣之石核磁共振实验精确验证得到程序的内部构架和参数设定, 外在表现为一种编程语言。利用这种编程语言编写的程序符合ACT-R背部认知参数, 能够与真人实验认知过程达到一致效果, 完成仿真。其目标是使系统能够执行人类的各种认知任务, 如捕获人的感知、思想和行为, 并已经被用来研究人类性能的不同的方面包括感知和注意力、学习和记忆、问题解决和做决定、语言处理、智能代理、智能辅导系统、人类-计算机交互等。

2 ACT-R在国内的发展以及国内对人交互行为认知方面的研究概况

设计的作用是使人类和世界变得更加容易为人理解, 但伴随着外界因素 (产品) 和人自身条件的影响, 在实际的产品使用过程还存在着大量不合理的设计, 给人们的行为操作、信息传达构成一定程度的阻碍。现阶段围绕产品设计的研究比较多, 特别是以人为本的设计理念在现代设计实践的影响日趋深入, 设计语义学从认知的高层解决用户与产品之间的认知鸿沟, 由于产品的低层设计特征和高层语义描述是两个完全不同的表征与描述空间, 因此通过产品这一媒介进行传达时, 难免会出现映射不准确和不完善的情况, 郭菲以现代语言学和设计美学为理论基础, 针对设计语义的义素信息源、潜层语义成分、语义的生成等核心问题进行深入的探讨。蔡蕾从实际出发解读产品设计语义的体现和应用, 分别对三种表达形式进行了阐述, 并对产品设计的发展及设计语义的元素体现作了实际性的设想。纪杨建, 陈思聪, 谷涛, 陈旭等从不同的侧重点对语义表达的研究、应用与传达进行了研究。人机工效学则是从用户的自身认知的能力出发, 进行研究。

ACT-R是象征的认知架构, 它已经被广泛使用来模拟人类认知行为的不同方面。刘雁飞和吴朝晖利用ACT-R认知行为建模方法, 建立符合真实驾驶认知行为的认知模型并应用于车辆辅助驾驶系统, 达到减少交通事故的目的。通过对典型认知体系结构的比较和对ACT-R及其研究的分析, 提出了认知体系驾驶认知行为建模方法。借助ACT-R建模工具, 以高速公路驾驶超车认知行为为例, 基于模型的驾驶行为预测以及基于实验的模型有效性验证, 证明了认知行为建模方法具有较广的适用性和灵活性。利用基于ACT-R认知体系的建模工具Cog Tool构建模型, 实验和模型模拟单独进行, 首先使用模型对要进行的典型场景进行模拟, 然后, 观察驾驶员行为, 结果显示驾驶行为和实验结果相符.同时从驾驶任务中选取典型的超车场景, 然后用模型进行模拟, 实验结果证实:模拟结果和实际驾驶行为符合。

李莉、魏雪峰和崔光佐利用ACT-R仿真注意过程并将之运用到教学中, 清楚地提出了描述整个注意认知过程的概念。使用ACT-R进行仿真注意的过程, 挖掘注意的详细过程和步骤以及一些认知细节, 整体把握注意的认知过程和认知规律。张萌、崔光佐以一道有余数的除法题为例, 利用ACT-R进行模拟学生解题过程, 通过小学解题过程分析, 提出课题教学建议。实验过程中涉及运用ACT-R模拟进行认知诊断。与此相似的还有李莉等基于于ACT-R对几何证明题解题过程的模拟, 对几何证明题进行认知分解, 探讨教学启示。

我设想可以利用基于ACT-R基础上的Cog Tool工具开发一款界面原型, 通过用户在界面上的操作步骤分析界面好坏, 从而探讨用户认知行为的一般习惯。李娜在网页布局初探中给出了布局的原则、几种形式和常见布局方法。叶新东和章道争以网络课程中界面布局作为研究对象, 分析影响信息获取效果的因素, 以期了解界面布局对大学生在网络信息获取效果的影响, 希望为信息传递界面的设计提供有益的建议。在研究中提出了最短时间内掌握和接受正确信息的问题, 针对背景与文字颜色、图片、多媒体、界面排序、效果等方面做了研究探讨。王建民通过对图形用户界面一致性、逻辑性、启示性和习惯用法等设计原则的研究, 认为图形用户界面设计不但要符合设计的审美原则, 更要遵循用户的认知心理和行为方式, 体现了用户界面设计具有多学科交叉的显著特点。在他的文章中给出了界面设计应遵循的习惯性用法。

3 结语

交互仿真 第6篇

空间平台仿真试验床是一个集成空间平台各个功能组件的复杂仿真体系结构。它能快速地对复杂的空间平台系统进行建模和仿真。信息交互技术是保证空间平台仿真试验床运行的重要技术。仿真试验床要求将各试验应用产生的数据在网络上进行实时传输, 根据试验应用对数据需求的不同, 将数据按照各自的来源和目的地进行传递, 有效解决服务器瓶颈和单点失效的问题, 实现试验应用和底层支撑服务之间的数据双向传递, 同时使消息传递的异步通信, 可靠性得到保证。

目前大多数流行的信息交互中间件已经能提供良好的开发平台和通信支持, 但由于缺乏合适的系统控制接口和应用级服务质量 (Qo S) 的有效支持, 并不能很地的解决通信的实时性、快捷性和灵活性问题。而数据分发服务 (DDS) 能够为实时系统应用开发提供高级抽象接口、能有效合理地控制部署系统所需的Qo S策略来满足实时应用需求。DDS中间件是一种轻便的、能够提供实时信息传送的中间件技术, 它可以很好地配置和利用系统资源, 协调可预测性与执行效率之间的平衡, 具有实时性、松耦合性动态性、灵活性等优点。本文通过对DDS理论的研究, 提出了基于DDS的空间平台仿真试验床信息交互管理系统的体系结构和信息交互流程。满足了空间平台仿真试验床对信息交互的实时性、可靠性、高效性等要求。

1 空间平台仿真试验床信息交互需求分析

空间平台仿真试验床是一个大型复杂的仿真平台。它集需求分析、组件集成、应用仿真等功能与一体, 结构非常复杂, 因此对信息交互技术的需求也比较多。具体有如下几点:

(1) 不同类别信息交互的能力。空间平台仿真试验床集成了各种不同类别的仿真成员, 包含实物仿真成员和半实物仿真成员等, 这些仿真成员之间传递的信息类别不同, 这就需要仿真试验床的信息交互技术能够完成不同类别信息的交互需求。

(2) 能够传递大量数据的能力。空间平台仿真试验床结构复杂, 有大量的仿真成员, 涉及到大量的数据信息。例如:空间平台的轨道运行信息、载荷状态信息、空间环境信息、控制指令信息等。这些大量数据需要快频率的进行交互, 对试验床的信息交互能力的要求非常高。

(3) 信息交互的优先级能力。空间平台仿真试验床在仿真试验时, 各信息都有着不同的紧急程度和重要程度, 对数据传输的实时性要求也不一样, 这就需要仿真试验床的信息交互能够根据信息的优先级, 有序的进行信息的传输。

(4) 对数据历史进行记录的能力。试验床运行时会产生大量历史数据, 这些数据对之后的验证分析、效能评估等有着重要作用, 因此需要对收发的信息进行保存。

2 DDS相关理论

2.1 DDS结构模型

DDS规范是满足实时性要求、实现订阅/发布通信模式的标准, 它是由对象管理组织 (OMG) 制定的。该规范对分布式实时系统中数据发布、传递和接收的接口和行为进行了标准化[1]。DDS结构框架分为两层, 分别是数据本地重构层DLRL和以数据为中心的发布/订阅层DCPS[2]。其中DCPS层是DDS的核心和基础, 负责数据的传输以及相关服务质量的控制保证等[3]。DLRL层是建立在DCPS层之上的一个可选层, 能够将服务进行抽象, 并与底层服务建立映射关系。这里对DDS的DCPS层进行研究。DCPS层的结构模型如图1所示[4]。

该模型主要包括数据对象 (Inforepo) 、发布者 (Publisher) 、订阅者 (Subscriber) 、数据写入者 (Data Writer) 和数据读出者 (Data Reader) 等5个参与者 (其中前三个是系统的主要参与者;数据写入者是由发布者创立, 一个发布者可以创立多个数据写入者;数据读出者是有订阅者创立, 一个订阅者可以创立多个数据读出者) 。发布者向信息库发送主题信息, 订阅者向信息库发送它所感兴趣的订阅主题信息, 信息库匹配发布主题信息和订阅主题信息, 并且制定相关的Qo S策略, 然后发布者将相应的数据发送给对应的订阅者[5]。

2.2 DDS信息交互特点

DDS它是以数据为中心进行数据分发的。其中Qo S参数用来表述并将资源状况、对资源的期待程度、网络状况等, 这大大的增强了通信的灵活性和实时性。它大大简化了分布式系统中数据的发布效率, 为实时环境下以数据为中心的分布式应用提供高效、有用的通信服务[6]。它主要有如下特点:

(1) 引入全局数据空间的概念, 通过全局数据空间上的“主题”模式进行消息之间的传输, 实现了一对多的连接。只要发布者和订阅者形成关联, 就不需要再进行寻址过程, 传输过程也不需要中心服务器等其他媒介。这样就大大的提高了信息的传输效率和传递大量数据的能力。

(2) 引入了Qo S策略, 通过对消息提供Qo S服务, 能够根据数据传输控制要求 (如优先级等) 进行传递, 大大提高了消息传递的质量, 从而提高了这个系统的可靠性。

(3) 拥有高效的动态配置能力。它根据系统的需要能够实时的增加新的主题消息或者删除主题消息, 从而随时适应仿真系统的规模。

(4) 具备共享数据能力, 无需考虑数据发布者和使用者实际的物理地址和组织结构中的位置。

3 空间平台仿真试验床信息交互的关键技术

3.1 仿真试验床信息交互系统体系结构

基于上节对DDS技术的特点分析, 可知运用DDS技术能够满足空间平台仿真试验床对信息交互能力的需求。因此本文将采用DDS技术用于空间平台仿真试验床的信息交互。空间平台仿真试验床信息管理体系架构如图2所示。由图2可知系统架构主要分为三个层次:信息管理监控层, DDS信息交互层和信息控制层。每个层次之间都有着不同的作用。

(1) 实时信息层。实时信息层主要包含了数据库和各个仿真节点。各仿真节点主要是空间平台仿真试验床中主要的仿真成员。它主要包括空间环境监测节点、空间平台动力控制节点、载荷控制节点、目标观测节点等。它可以根据空间平台功能的扩展, 随时添加进来相应的仿真节点。数据库中存储了大量的仿真需要用到的各种数据和模型。仿真开始时, 它会把信息以主题的模式发送给信息交互层, 然后再由信息交互层按照DDS规范把信息发送给各个仿真节点, 从而使仿真顺利运行。同时数据库会存储仿真时产生的数据, 随时准备下一次数据传输, 这样就实现了数据的实时交互和非实时交互。

(2) 信息控制层。信息控制层是通过接收到的各种仿真实时信息, 决策产生出控制指令, 并且发出控制指令, 从而对整个仿真进行控制。它主要由仿真控制台和仿真决策支持服务器组成。仿真决策支持服务器主要是通过订阅接收DDS信息交互层传来的各种仿真数据, 并且进行分析作出辅助控制决策再将决策控制信息通过DDS发送给仿真控制台;仿真控制台是与人进行交互的系统, 它同样接收各仿真节点的实时数据, 和辅助控制决策, 操作人员对它们进行分析, 发出控制指令, 从而随时调整和控制整个仿真的运行。

(3) DDS信息交互层。DDS信息交互层主要利用全局数据空间和信息传输网络, 对各个系统进行整合, 提供了仿真试验床统一的信息交互平台。平台管理整个仿真试验床的各个仿真节点, 并且以发布/订阅主题的方式来获取各仿真节点的信息和发送其他各节点所需的信息。在整个信息收发的过程中, 它不需要考虑接口协议、收发地址等限制条件, 实现了硬件与软件的分离以及信息的应用与交互的分离。

这种基于DDS的仿真试验床信息管理体系架构可以根据空间平台的功能扩展随时接入相应的系统组件和仿真节点, 这大大增强了仿真试验床的可扩展性。

3.2 全局数据空间

全局数据空间 (Global Data Space, GDS) 是数据分发模型的核心, 仿真试验床利用GDS实现公共数据总线的管理和驱动。分发模型中消息主题的管理和匹配、发布者和订阅者连接时间通知、基于主题的消息交换等功能都是基于GDS完成的。根据信息交互的需求, 它主要由四个部分组成:发布登记表, 订阅登记表, 发布数据缓冲区间和接收数据缓冲区间。

发布/订阅登记表主要负责记录所有发布/订阅消息的主题 (如表1所示就是空间平台仿真试验床各设备的发布/订阅主题表) , 发布者/订阅者的地址和该类信息的主要特征如数据可靠性, 优先级, 有效期等, 发布/订阅登记表实时更新。发布数据缓冲区负责保存发布者需要保存的发送数据, 即使发布的消息在有效期内仍保留一段时间, 从而支持订阅者在这段时间内能够索取到相应的数据。接收数据缓冲区主要是用于给订阅者缓冲其已经接收了的却没有来的及处理的信息。这样就能很好的满足部分数据对优先级的要求。

3.3 空间平台仿真试验床交互流程

图3可以直观的表示仿真试验床各系统的发布/订阅的信息交互情况。

由于空间平台的结构非常复杂, 仿真试验床的仿真节点比较多。本文只简单的列举相对比较主要的各仿真节点传输信息。各仿真节点主要包括空间环境节点、飞行动力系统节点, 载荷控制节点, 姿态调整控制节点等。它们之间所涉及到的信息很多, 这里主要包括平台与载荷的飞行状态信息、空间环境信息、控制指令等。

根据图3:仿真开始时数据库发布初始模型和数据信息主题, 各个仿真节点通过订阅相应的主题接收到数据后开始运行;仿真运行后, 各个仿真节点会产生实时数据, 并且向GDS发布相关信息的主题;支持决策服务器和仿真控制台将订阅空间平台及载荷的状态信息、空间环境信息等相关信息主题, 其中支持决策系统会通过订阅的主题信息, 产生操控辅助决策信息, 并进行综合集成显示, 控制台同时订阅了操控决策信息的主题, 然后再综合产生决策控制指令。控制台产生的平台和载荷控制指令通过主题的形式发布到GDS, 再被各个仿真节点订阅, 从而实现对各仿真节点的控制。

4 基于DDS的仿真试验床信息管理系统的优点

基于DDS的空间平台仿真试验床信息管理系统主要具有如下优点:

(1) 提高信息交互的便捷性。仿真试验床的各个设备节点只需要根据发布者的主题就可以随时订阅自己需要的信息, 而不用去管信息发布者是哪种设备, 这大大地提升了信息交互的效率。

(2) 利于系统集成的组件化。基于DDS的空间仿真试验床信息管理系统中的信息交互与设备硬件, 软件应用, 仿真成员的实体半实体无关, 各设备之间只通过信息的交互进行控制和管理, 实现了软件硬件的分离。空间平台需要扩充相应功能只需要研制相关方面的软件, 然后把这些软件加载到相应的设备上即可。这样就大大提高了空间平台仿真试验床的可集成性和可扩展性。

(3) 利于提高数据交换的松耦合性。基于DDS的信息交互技术提供了一种基于主题的数据交互方式, 减少了数据发送者与接收者之间的相互依赖, 不需要考虑信息传输网络、对端通信设备地址的条件实现了数据的应用和传输的分离, 设备之间没有直接的关联。单点失效并不会影响整个系统的其他功能, 从而提高了系统的可靠性。

(4) 利于提高数据传输的可靠性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为应用软件提供了多种Qo S保障, 能够更好的满足系统中数据的传输需求。

(5) 利于提高信息交互的可监视性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为仿真试验的数据交换制定了规范, 打破了传统的点对点的封闭式通信, 为重要数据的监视、跟踪等需求提供了手段。

5 结语

本文基于DDS技术理论对空间平台仿真试验床信息交互的技术进行了研究。基于DDS的空间平台仿真试验床信息交互技术能够快捷有效的对数据进行分发;它提供的各种Qo S策略能够有效的保证系统的可靠性、实时性和灵活性, 从而有效的解决实时分布式条件下的空间平台仿真通信问题。它能够保证系统之间的数据控制和通信透明, 可为空间平台仿真试验床的运行、开发和组建集成提供了重要的保障。

摘要：为了研究大型复杂系统仿真平台的信息交互问题, 首先针对空间平台仿真试验床的信息交互技术做了需求分析, 通过分析, 采用基于数据分发服务 (DDS) 规范对空间平台仿真试验床的信息交互技术进行了研究。建立了空间平台仿真试验床的信息交互系统体系结构, 并且构造了它的全局数据空间, 最终对信息交互的流程进行了规范。基于该方法的仿真试验床具有高便捷性、易集成性、高可靠性等特点, 为整个仿真试验床的运行和开发打下了良好的基础。

关键词：DDS,仿真试验床,信息交互技术,发布/订阅

参考文献

[1]张云勇.中间件技术原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[2]Object Management Group.Data distribution service for real-time systems specification, version 1.0[R].[S.l.]:Object Man-agement Group, 2004.

[3]陈春甫.基于DDS的数据分发系统的设计与实现[D].上海:复旦大学, 2008.

[4]杨瑾.基于DDS和XML的数据集成模型的设计和实现[D].北京:北京邮电大学, 2009.

[5]谢蓓, 刘毅, 曹万华, 等.实时系统数据分布服务DDS技术综述[J].舰船电子工程, 2006, 26 (2) :16-20.

[6]姚兵, 蔡婷, 李峻林, 等.基于DDS模型的数据分发中间件的设计与实现[J].计算机软件与算法, 2009, 30 (3) :619-623.

交互仿真 第7篇

关键词：交互式仿真课件,网络技术,虚拟仿真技术

1、引言

随着信息技术在各个领域的高度普及和应用, 从事计算机教学的教育者们也越来越重视计算机课件在实验教学中的应用[1]。将多媒体技术与实验教学整合起来, 在实验教学中应用先进的计算机课件是对传统教学的一个极好的补充[2]。目前大多数课件由于其交互性、仿真性和智能性不够, 并不能真正体现课件在教学中的作用, 因此开发交互仿真智能性教学课件即成为教育界越来越受到关注的问题[3,4]。

2、智能交互式网络学习环境设计的理论支持

基于WEB和FLASH的交互式仿真课件设计方法的基本原理:在Web中创建出一个可视化的实验操作环境, 通过操作这些虚拟的实验仪器或设备, 即可进行各种复杂的实验, 达到与真实实验环境相一致的教学要求和目的。它是虚拟仿真技术、计算机技术、网络技术与专业理论知识多方面结合的结晶, 同时也解决了目前远程网络教学中缺乏实验教学环节的难题, 必将促进远程教学质量的大幅度提高。

2.1 建构主义理论指导下的网络学习环境设计

建构主义 (constructivism) 认为, 知识不是通过教师传授得到的, 而是学习者在一定的情境下, 借助于他人的帮助, 利用必要的学习资料, 通过意义建构的方式获得的, 因此建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境的四大要素或四大属性。

(1) 强调以学生为中心。以学生为中心的交互性学习环境要在建构主义学习理论指导下进行设计, 也就是说, 课件设计要以学生为中心的学习环境要求课件应该操作简单、使用方便、导航清晰、交互性强, 学生可以运用热字或按钮等导航进行跳跃, 随意地选择和控制学习内容, 使学生牢牢地掌握学习的主动权。

(2) 自主学习设计。自主学习是指不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题, 而是由教师向学生提供解决该问题的有关线索, 并要特别注意发展学生的“自主学习”能力。根据自主学习的设计思想, 网络化学习环境设计就要遵从以下三个要素:发挥首创精神、将知识外化和实现自我反馈。网络学习环境是学习者可以在其中进行自由探索和自主学习的场所。在这一过程中学生不仅能得到教师的帮助与支持, 而且学生之间也可以相互协作和支持。

2.2 认知灵活性理论指导下的超文本学习环境设计

认知灵活性理论是由斯皮罗等人提出并倡导的。它接受了建构主义的基本观点:学习是学习者主动建构内部心理表征的过程。根据建构主义认知灵活性理论, 结合Internet信息呈现的特点, 要取得好的学习效果, 在超文本学习环境的设计上应符合以下要求: (1) 在此学习环境中学习材料应避免过分简化内容领域, 支持依赖情境的知识。 (2) 在超文本教学内容设计中, 认知灵活性理论强调把概念具体到一定的实例中, 与具体情境联系起来。 (3) 在组织学习内容时, 要求学习内容必须高度相互联结而不是分隔的。 (4) 能够提供充分事件之间的链接。 (5) 学习活动最好要有多种表征, 从不同的角度呈现同一概念的不同材料, 或者从不同概念的不同角度反复呈现同样的材料。

2.3 Internet合作学习环境的设计

合作学习指的是学习者结成对或分成小组、甚至大组一起工作, 来实现分享的目标。这种学习策略在理论根源上受到建构主义和人本主义的共同影响。网络环境下的合作学习不是信息的交换或教学内容的传递, 而是一个社交性、共同经营的过程——从学习者与他人的互动中, 共同去创造学习的新意义。

在网络化的学习环境中要充分发挥学生之间的合作精神, 这就要求设计时应遵循以下几方面: (1) 支持合作动机结构, 观众是促使Internet学习的重要动机, 要向他们提供容易的方法和渠道, 可以公开展示小组合作的成果; (2) 强化个人权责, 针对小组成员, 此学习网络要设计出有趣的活动、特殊的奖励方式, 要让成员彼此了解个人的贡献程度与重要性; (3) 支持合作空间结构, 此种学习环境中要提供不同的小组空间, 让小组的成员可以感到彼此, 产生团队心理, 在学习过程中容易相互接触、相互教导、分享资源、互助的完成任务。

2.4 情境学习理论指导下网络化学习环境中设计

情境学习 (situated learning) 特指“设身处地于某种环境或位置的学习”。基于情境学习理论可以把情境的创设分为以下几类: (1) 直观情境的创设, 利用多媒体特点, 把教学内容展现在学生面前, 让学生通过外部多种刺激迅速感知教学内容; (2) 问题情境的创设, 在网络学习环境下创设问题情境可以激发学生的学习兴趣, 培养学生的独立探索问题的能力; (3) 协作情境的创设, 利用网上交流工具创设协作化学习环境, 对高级认知能力的发展、合作精神的培养和良好的人际关系的形成都有明显的促进作用。目前常用的协作化的教学情境有竞争式、协同式、伙伴式、角色式等多种不同的形式。

基于以上分析可以看出:四大学习理论对网络学习环境的设计有着重大的指导意义, 在它们指导下设计出的学习环境能充分调动学生的积极性, 发挥首创精神, 使教师与学生之间有了更为密切的联系。

3、智能交互式网络学习环境设计的技术支持

在设计网络实验课件功能时, 主要有以下几个方面的侧重点: (1) 以网站的形式提供服务, 在有效的用户管理和内容组织的条件下, 利用站内丰富的资源满足用户的教学活动需求; (2) 以提供多媒体网络课件作为网站主要内容, 同时提供可以在网络上使用的实验平台以满足用户的学习需求; (3) 具有用户登陆和管理功能, 一方面为合法用户提供有效的教学服务, 同时防止恶意用户对教学内容的乱用甚至破坏; (4) 提供BBS讨论区, 用于网络教学和实验平台用户之间讨论教学活动中的问题或者进行经验交流; (5) 提供留言系统以方便用户与管理人员联系。整个课件是基于WEB的B/S结构, 用户直接到浏览器上学习并参加实验。

3.1 动态服务器网页

ASP (动态服务器网页Active Server Pages的简称) 是功能强大而且易于学习的Web服务器端脚本编程技术。利用这项技术, 可以创建动态的、快速的、交互性的Web站点, 产生交互式动态网页。在ASP的脚本中, 可以通过面向对象编程 (OOP) 的方法引用系统组件和ASP的内置组件。

3.2 可扩展的标记语言

XML (Extensible Markup Language, 可扩展的标记语言) 是一种新兴的网络页面标记语言, 是标准广义标记语言 (S t a n d a r d G e n e r a l i z e d M a r k u p Language, SGML) 的一个子集, 也是目前网络上流行的HTML语言的延伸。与HTML不同的是, XML语言能把数据与数据表示 (例如界面) 分开。这种特性能够让XML适合在网络上不同计算环境中采用一致的信息表示方式。XML技术能够按照一定的语法和词汇表定义各种专业知识, 而且还能够以文本的方式在网络上传递, 让各种联网的计算机能够解释这些知识, 并协同工作完成不同的计算任务。

3.3 智能MS-Agent技术

MS-Agent (Microsoft Agent) 的出现对网络课程的设计和开发产生了重大影响。主要因为MS-Agent提供了语言交流的功能, 使学习者与计算机的语言的交互作用成为可能。MS-Agent是一个基于PC机上微软Windows平台的卡通式的人机交互系统, 较Office助手具有更强大的功能, 它不仅能够在任何Windows程序调用, 而且支持语音识别和语音信息与文本信息的综合输出。可提高人机交互能力和课程内容信息的导航能力, 同时还可以提高课程学习的易用性和娱乐性。

3.4 智能检索技术

在网络教学中, 为了丰富学习者的学习内容提供了含有大量与课程内容相关资料 (如链接资源、论文库、习题库、案例库和电子辞典等) 的资源库。这样对信息的查询提出了严峻的挑战, 为了使大家能够快速而准确的检索到所需的信息, 我们采用智能搜索技术, 其核心就是将搜索关键字进行自动分组, 经过实践得出两字匹配为最佳。

3.5 Flash技术

交互仿真智能性计算机实验课件的开发平台很多, 在对开发平台进行选择时, 当以能真正体现课件的交互性、仿真性和智能性为先决条件, 其中以Macromedia F l a s h为最有效的制作开发工具。首先Flash有丰富的图形处理功能, 开发软件支持矢量图绘制, 能保证图形图像缩放自如而不失真;其次随着Flash新版本的不断推出, 这一开发软件更加注重脚本语言的发展, 目前F l a s h所推出的A c t i o n Script 3.0已经是一种类似于Java的面向对象编程语言, 为实现课件的交互性和智能性提供了更好的技术支持。因此本文所阐述的课件均是以Flash为开发平台制作开发的。

4、交互式仿真方法

基于WEB和FLASH的交互式仿真课件的制作方法有其自身独有的特点, 不能和计算机实验的分类一一对应, 有的制作方法可运用于多种计算机实验中。

4.1 按钮控制

按钮是交互动画的基础, 它具有多种状态, 并且会响应鼠标事件, 执行指定的动作, 是实现动画交互效果的关键对象。Flash中的很多事件都是由鼠标对按钮控制而触发的, 因此按钮控制在Flash制作课件中占有非常重要的地位。按钮控制是指通过鼠标点击按钮来触发事件发生的控制过程, 按钮控制代码必须加在按钮元件上。

4.2 帧控制

帧控制是通过状态判断来控制事件的, 是普遍运用于计算机课件中的一种控制方法, 其显著特点是动作代码必须放在相应的关键帧上, 是用来控制动画播放到某一帧时的动作的, 我们所开发的每一个课件的初始静止状态均是通过帧控制来实现的。

4.3 初始化控制

初始化是指在场景中事先设置两个相同的对象, 其中一个对象可见, 而另一个对象不可见, 当用户拖拽可见对象与不可见对象发生冲突时, 不可见对象即转换成可见对象, 而可见对象则转换成不可见对象。这种控制方法一般都放在第一帧, 所以叫做初始化。

4.4 随机控制

随机控制是发生在两个对象之间的冲突, 其中一个对象的移动是随机的, 不受时间和空间的限制, 当这个移动的对象在某一时间或空间与另一对象交叉时, 通过冲突检验法检测出其所处的状态并做出相应的事件响应。

4.5 冲突检验法

冲突是指舞台上的两个元素 (影片剪辑实例) 交叉重叠在一起, 可使用MovieClip对象的hitTest () 方法进行冲突检验。在A ct io n S c ri p t中, 有两种主要的冲突类型。

用户引起的冲突:这种类型的冲突是指用户单击和拖拽对象 (影片剪辑对象) 。在冲突中, 除了用户所操作的鼠标外, 只有一个对象, 是发生在鼠标和单一对象之间的冲突。

由脚本或时间引起的冲突:这种类型对象之间的冲突发生在随机地把对象移动到与其他对象发生冲突的位置时才发生冲突。

4.6 标记移动法

标记移动法即通过标记的移动来判断状态以控制事件的发生, 这是在制作计算机实验课件中用途比较广泛的一种制作方法。此方法中, 所用到的标记都是影片剪辑, 这些标记的移动是在后台完成的。

4.7 按钮隐藏法

按钮隐藏法是指通过按钮的显现与隐藏来实现对事件发生的控制。

计算机实验课件虽然可分为如上所列的各种设计开发方法, 但在实际操作中往往是各种方法相互融合, 经常出现在同一个实验课件的制作过程中, 在开发制作课件时就要根据课件的实验步骤所要求的动作事件具体对待, 不能一味地强调其独立性, 只有这样才能使计算机实验课件真正具有交互性和智能性。

5、仿真优化方法

在应用虚拟现实建模语言V R M L (Virtual Reality Modeling Language) 创建虚拟现实场景, 应该对虚拟现实场景建模进行优化。建模时应该兼顾场景的逼真程度、文件的传输速度和执行性能等三方面的因素。鉴于此, 笔者使用了以下虚拟现实场景建模优化措施。

5.1 建模时要尽量考虑使用原语

原语是定义基本三维物体的节点类型, 包括立方体、圆锥、圆柱、球和文本。在进行VRML场景建模时, 对于规则的三维物体, 应当有效地使用原语。对于需重复出现的物体, 可采用重复引用的方法。这样就可有效降低场景的复杂度, 减小文件量。

5.2 注意与场景有关的多媒体文件的引用

在使用与场景有关的多媒体文件时应遵循性能和效果折中的原则, 在保证一定质量的前提下尽量减小文件的规模。例如:声音文件尽量选用MIDI格式, 视频数据如果是十分必要的就用MPEG1格式, 贴图文件在不影响视觉效果的前提下, 可以尽量降低分辨率。

5.3 对复杂的场景进行分割

用Inline节点可以将复杂的VRML场景分成几个较小和较简单的场景, Inline节点可以在视点离它足够近的时候才被读取和装入。这样就可以实现场景的分阶段下载和装入, 改善执行性能。

5.4 基于Extend的仿真优化

笔者采用仿真软件EXTEND对交互式智能课件产品进行仿真, 借助于EXTEND软件对离散事件系统仿真的强大支持, 可以实现对交互式智能课件产品的实时评价。EX TEN D是由美国Im ag e That公司开发的可对离散和连续时间系统仿真的高灵活性、高可扩展性仿真平台。

采用EXTEND软件对交互式智能课件产品进行仿真, 以期望达到以下目标: (1) 介绍一个知识点的场景数目尽量不超过10个; (2) 场景之间切换的反应时间间隔应不大于0.03秒; (3) 能使课件内容的准确率达到99.5%以上; (4) 能使课件由于误操作而产生的错误率不高于0.5%。

6、仿真实例

平台制作和调试所使用的服务器环境使用了一个叫PHP HOME的服务器软件提供, 并以Word 2003中的表格操作为例。Word 2003是全球通用的字处理软件, 适于制作各种文档, 如信函、传真、公文、报刊、书刊和简历。与以前的版本相比较, Word 2003的界面更友好、更合理, 功能更强大, 为用户提供了一个智能化的工作环境。

课件运行时, 实验所需掌握的操作步骤和方式通过操作者控制鼠标来控制, 对操作者的操作步骤正确与否的判断则是通过按钮来控制的。操作完成后, 只要点击相应按钮就可知道操作是否正确, 针对不同的操作错误还做出了相应的简单提示。本实验重点强调操作者的动手操作过程, 因此该课件的交互手动操作占据课件的大部分, 通过对操作行为的判断得出相应的结论。在实际实验中, 由于时间、人力和财力的关系, 不可能用让操作者不断尝试错误来对学习者进行操作技能的强化训练;而在实际学习中, 这种通过错误的强化改正错误的方法是行之有效的。因此, 本课件就传统计算机实验教学给予了极好的辅助和补充, 从而能使教学过程更生动直观, 更能提高学习者的学习兴趣, 对培养学习者的能力起到了传统计算机实验教学所不能达到的效果。

本文的实例以Word 2003中的表格操作为例, 如图1所示, 当前实验的目的是对表中人员的年龄按照降序排列。本文开发的网络实验平台的界面借用了W o r d2003本来的界面, 学生在网络实验平台中操作和在Word 2003中操作的效果是等同的。如果学生在操作过程中, 忘记了下一步的具体操作步骤, 则可以点击“操作提示”按钮, 系统则给出下一步操作的提示 (如图2) 。如果学生操作成功, 则操作结束后, 系统会给出“操作成功”的提示 (图3) 。

本课件运用了标记控制、按钮控制、冲突控制等多种技术手段, 是目前交互仿真智能性课件中能体现其交互智能性课件特性的典范, 是目前课件制作上的一个突破。本文开发的网络实验平台使模拟操作实验运用于课堂成为可能, 使目前的计算机专业实验课件的制作迈上了一个新的台阶。

本文基于WEB和FLASH的交互式仿真课件设计方法, 结合教师的身份、特性以及现代教学的某些观点, 对网络多媒体课件的制作、设计过程做了较为详细的论述, 对实际的网络多媒体课件设计有一定的指导作用。多媒体课件是近几年以来在中小学中逐步普及应用的教学手段, 由于它交互性强、表现形式丰富、容易为学生接受、有利于分层教学、信息量大等优点, 已经逐步取代了传统电教手段中的幻灯片、录音、录像等, 处于电教的主体地位。本文方法优势在于教师自己编写课件的实用性、针对性极强, 大部分课件都是针对某个年级、某几节课专题设计的;所以采用本文方法开发出来的课件具有以下特点:开发周期短、实用性高、针对性强、成本 (硬件) 低、维护难度低、开发进度容易控制、质量较高、可靠性稳定性高、可移植程度高。

网络多媒体课件中最突出的特点是:信息量较大, 可以进行点对点的人人交互方式和大众讨论一般交互方式。网络多媒体课件的中心不再是多媒体的表现形式, 而是网络的交互。聊天室的功能一般是提供一个虚拟的空间, 让网络上的学生在这里自由发表、讨论自己的问题, 聊天室的反馈不再是课件中预先内置的, 而是其他的使用者, 它所容纳的知识量, 不再是教师的知识量, 而是聊天室内全体用户的知识量。通过聊天室, 学生可以将某个知识点中的疑问或自己的心得提出来讨论, 在整个讨论过程中, 他们可能会遇到与自己完全不同的观点, 从而进一步促使他们进行思考, 至此, 学生学习到的不再是单纯的知识点, 而是获取这个知识点的过程。这样就可以达到“知其然, 亦知其所以然”。

7、结束语

本文的主要创新点:提出了一种基于WEB和FLASH的交互式仿真课件的设计技术, 结合一个具体实例说明了该技术可以广泛地应用在实际教学中。本技术结合了虚拟仿真技术、计算机技术、网络技术等多个方面, 解决了目前实验教学中缺乏交互性、对实验条件要求较高的缺陷。交互式仿真教学课件不仅可以克服传统实验教学的不足, 而且可以增强学生学习的兴趣, 提高学生的感性认识, 培养学生的科学素养, 是传统实验教学的有力补充。

参考文献

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[3]鱼泳, 谢百治.关于智能化多媒体课件的设计研究[J].中国医学教育技术.2006, (2) :152-155.

交互仿真 第8篇

随着经济社会的不断发展,能源需求与日俱增,化石能源存在污染日益严重且不可再生的问题,发展清洁的可再生能源势在必行。中国拥有极为丰富的太阳能资源、风力资源和生物质资源,可以根据各地的情况不同实施不同的配合方法,建立微电网。由于新能源发电的间歇性,以新能源分布式发电建立的微电网存在不稳定性,受到风力、太阳光和生物质资源的制约。为了解决此问题,储能技术被运用在微网中[1]。储能技术能够将微电网中多余的电量以机械能、电能或者化学能的形式存储起来,并在用电高峰期以电能的形式回馈到微电网中,起到了调峰的作用,保持了微电网系统的稳定[2]。目前广泛使用的大规模电力储能系统是抽水蓄能,它具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期长的特点,但受地理条件等因素的制约,开发利用受到很大的限制[3]。压缩空气储能系统的建设投资和发电成本低于蓄水电站,且具有寿命长、安全系数高的优点[4],利用储气罐储存使其不受地形条件的限制,且容量大。

本文结合风能、太阳能和生物质发电的特点,考虑生活用电的实际负荷和用电特征,利用压缩空气的储能方式,着重就这一系统的功率配置问题进行计算研究,并最终确定相应负荷条件和供电要求下的最优功率配置方案。

1 压缩空气储能的结构框图

压缩空气储能与微电网连接的结构图如图1 所示,根据各部分不同的功能,整个系统可分为以下部分:储气支路、储热支路、放电支路以及变流器等。图中的箭头表示功率流动方向。

储气支路中,空气压缩机将常温常压的空气压缩并储存在储气罐中。系统的储能量由储气罐的体积和压力决定,通过增加储气罐数量,可以提高系统的储能量。

储热支路包括热储单元(TSU)和DC/DC变换器。在储热时,通过DC/DC变换器为TSU提供稳定的直流电,此时TSU可等效为一个热电阻。系统放电时,压缩空气做功前先通过TSU中的换热器加热,以提高压缩空气做功的效率。

放电支路由透平、永磁同步发电机(PMSG)、整流器、DC/DC变换器以及管路、阀门等组成。放电时,高压空气经减压阀减压、TSU加热后,推动透平做功,带动PMSG发电,输出的高频交流电经整流后,通过DC/DC变换器升压后输出[5]。

2 系统模型与仿真

将生物质发电与压缩空气储能共同建立在微网之中,并且考虑风能和太阳能,共同为负荷提供电力。当三种能源提供的电力大于负荷的需要时,多余的电力会以压缩空气的方式储存起来;当三种能源提供的电力小于负荷的需要时,被压缩的空气通过推动透平带动永磁电机发电,功率流向与之相连接的微电网之中。混合供电系统的结构框图如图2所示[6]。

混合供电系统同时利用风力、生物质和光伏发电,能够更加充分地利用气候资源,可实现昼夜不断的发电。以压缩空气储能为基础,在合适的气候资源下,混合供电系统可以提高系统供电的可靠性、稳定性和连续性[7]。

此电力系统的仿真运用了研究混合动力的HOMER仿真软件。HOMER软件的主要功能是同时计算和对比多种系统供电方案,可以快速和准确地帮助用户确定最优的系统配置。

在HOMER中,创建一个地区的混合供电系统的模型,由于HOMER中储能系统没有压缩空气的方式,所以用蓄电池组储能的方式代替。替换的原则是蓄电池组的工作效率与压缩空气储能的总工作效率相同。在蓄电池组进行充电的过程相当于压缩机压缩空气的过程,压缩机消耗的电量等效于蓄电池组存储的电量。在蓄电池组放电的过程相当于永磁同步电机发电的过程。仿真模型包括了风机、太阳能电池板、生物质发电机组、变换器、负荷和压缩空气储能装置[8],如图3 所示。

对系统仿真模型中一些主要参数进行如下设置。

2.1 负荷参数

一个混合供电系统配置的是否合理是由它能不能满足负荷对电力的需求决定的。因此,为了能够为负载提供可靠的电力,就有必要分析电力负载的特征[9]。

通过对当地季节性消耗电力的调查,得到了每月电荷负载,如图4 所示。

2.2 风能资源

风速是制约风力发电机的主要因素,因此分析当地的风速情况有利于分析风力发电机的工作状况。在HOMER中,选择的风机是集成的10 k W风机,当风速大约为14 m/s时,风机的最大输出功率为10 k W。图5 给出了一年中每个月的风速分布情况。

2.3 太阳能资源

太阳能电池板产生的电量由当地的光照强度所决定,在HOMER中输入当地的经纬度,HOMER软件将会自动给出当地太阳能资源的分布。此仿真模型中太阳能资源的分布如图6 所示。

2.4 生物质资源

可获取的生物质量决定了生物质发电机组的发电量,调查和统计当地每个月中可获取的生物质资源的数量,输入HOMER中,可得到生物质资源分布如图7 所示。在完成了负荷和能源设置后,还需要在HOMER中输入各个模块的初始投资和维修费用以及功率大小与数量,图8 为变换器的功率与费用曲线。

3 仿真结果与分析

由于仿真模型中各个模块的功率与数量都可以设置多种类型,所以对模型进行仿真可以得到多种配置方案,如果仿真结果中方案前有警告标志,表明方案在仿真的过程中具有不稳定性,需要协调各个模块的功率和数量重新仿真。多次仿真之后得到的结果如表1 所示。每一种方案所包含的模块以及各个模块的功率和数量都可以查到,而且从仿真结果中还可以看到每一种方案的初始投资、运行费用和总的消费。从表1 中可知,满足负荷需求的配置方案有很多种,但此系统最优的配置方案为20 k W的光伏(PV)、1 台10 k W的风机、30 k W的生物质发电机组、50 k W的变换器和相当于100 个蓄电池组的压缩空气装置。该配置的初始投资为1 025 831元,操作维修费用为每年88 064 元。由上述配置组成的微电网系统总的发电量为198 894 k W·h/ 年,其中生物质发电机组发电量占总发电量的81%,太阳能发电占13%,风力发电占6%,如表2 所示。如果增加风力发电和太阳能发电所占的比重,完成系统配置方案的费用也会相应的增加。蓄电池组是代替了压缩空气储能进行仿真的,蓄电池所存储的电量即为压缩机压缩空气所消耗的电量,蓄电池释放的电量为压缩空气储能所释放的电能。压缩空气储能的效率大约为50%[10],仿真所选用的蓄电池组的效率为50%,两者的效率基本是相等的。在最优方案中,蓄电池一年存储的电量为14 287 k W·h,释放的电量为7 143 k W·h,如表3 所示。如果用压缩空气储能,即每年有14 287 k W·h的电量用于压缩空气,经过透平推动永磁同步电机发出的电有7 143 k W·h。

通过仿真可以得到每一天每一个时刻各个模块的功率,也能从表3 中看到每一时刻蓄电池组的充放电功率,从而可以直观的看到蓄电池组在用电高峰和用电低谷的功率情况,蓄电池组的工作状态也直接的反应了压缩空气储能的工作状态。部分结果如表4 所示。

4 结语

以微电网的储能技术入手,分析了压缩空气储能的工作原理,并且以压缩空气储能为核心建立了混合分布式发电系统。在本系统中采取了风能、光能和生物质能共同供电,按照效率等效的原则,用蓄电池组储能的方式代替压缩空气储能在HOMER中进行仿真,得出最优的配置。所得出的配置方案中,系统各个模块可以满足负荷的用电需求,实现不间断供电。此配置可以充分利用当地资源,又能保证总投资成本处在一个较低水平。通过分析仿真结果中蓄电池组的充、放电功率以及效率能够得到压缩空气储能的耗电功率和发电功率,为实际中压缩空气储能的工作状态和功率提供了分析依据。

摘要：从储能技术入手,介绍了压缩空气储能的结构特点,建立了以压缩空气储能为储能方式的混合发电系统,设计了系统的结构框图,并用HOMER软件进行仿真和分析。仿真时,将压缩空气储能等效为蓄电池储能,简化了仿真过程,得出了考虑压缩空气储能的微电网系统的最优配置方案。

关键词：压缩空气储能,微电网,HOMER软件,效率

参考文献

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