虚拟仿真施工技术范文

虚拟仿真施工技术篇1

关键字：虚拟仿真技术；建筑施工；应用

中途分类号：TU7 文献标识码：A

系统仿真是以多种学科理论为基础，以计算机及其软件为工具进行试验研究的理论和方法论体系。仿真技术顾名思义，是把自然界中的物理现象通过一定的物理和数学模型在计算机上模拟来得到实际场变量的分析，有助于预知关心的物理现象。简单的说，仿真技术是对系统模型的一种试验技术(是对系统动态模型的一种实验手段)，在安全性和经济性方面有较大的优越性。

一、虚拟仿真技术的应用现状

目前，虚拟现实技术在国际上是一个热门研究课题，其应用已取得引人注目的成效，在国内也引起了广泛的重视。当人们需要构造当前不存在的环境、人类不可能到达的环境或构造虚拟环境以代替耗资巨大的现实环境时，虚拟现实技术是必不可少的。随着计算机硬件、软件技术的发展以及人们越来越认识到它的重要作用，虚拟仿真技术在各行各业都得到了不同程度的发展，并且越来越显示出广阔的应用前景。虚拟现实的广泛应用前景使之成为目前最具影响力的技术之一。军事领域、航天技术、建筑设计、工业设计、教育培训、医学领域、石油化工等等，虚拟战场、虚拟城市、甚至“数字地球”，无一不是虚拟技术的应用。虚拟仿真技术将使众多传统行业和产业发生革命性的改变。虚拟仿真技术在建筑方面的应用主要有：大型建筑先期演示和论证；建筑设计领域；结构工程领域(工程结构分析、岩土工程分析)；房地产展示领域(全方位的数字化沙盘、数字化投标领域、房地产展示、施工流程的数字化模拟)。本文主要阐述虚拟仿真技术在建筑施工中的应用。

二、虚拟仿真技术在建筑施工中的应用方式

（一）用当前流行的三维动画软件3DS MAX、虚拟现实软件3DVRI、多媒体编排软件NeoBook、编程工具C#来实现模拟施工和虚拟建筑场景漫游。

3DVRI制作出来的虚拟仿真系统主要功能有：全方位互动漫游功能；即时输出功能；数据实时查询及修改功能；语音定位功能；导航图功能。

事先用3DSMAX软件做好建筑场景及主体的3D模型以及各施工模块的3D模型，然后用3DVRI虚拟现实软件对动画场景进行处理转换为3DVRI实时三维系统，最后用NeoBook软件在3DVRI实时三维系统中按照需求写入不同的指令，为实时三维系统添加交互功能，可以利用专业编程工具如C#等软件对实时三维系统中的模型及动画进行精确控制，并可编写更复杂的交互功能程序，最终为可独立运行的3DVRI施工模拟虚拟现实系统。此方案对于多种施工方案的展示、施工工序的编排比较有用，但无法对于施工方案进行预见性的模拟。

（二）用专业的建筑虚拟现实软件(如奔特力Bentley、Multigen、Veger等)，结合部分编程技术，实现具有较强人机交互能力、模拟建筑施工过程，以选择合理的设计方案以及合理的施工方案。

本方案更为专业和智能，能预见性地发现施工方案中的不足，便于指导施工，可以有效地提高施工水平、消除施工隐患、防止施工事故、减少施工成本与时间。此方案的软件购置费用比较高。

比较著名的是英国Bentley建筑工程系列软件公司提供的系列建筑仿真软件，目前已经在中国建筑、工程以及建造领域得到一些应用，主要在各建筑设计院使用，在施工中企业的应用还属于起步阶段。Bentley工程软件系统公司首席执行官Greg Bentley宣布了两项新的中国计划，以支持中国的大规模基建投资。首先，Bentley亚洲总部将进驻北京，为中国的基建领域提供全面配套的软件产品；其次，即将启动的Bentley Power计划，使中国用户可在初期免费注册专业的计算机辅助制图／设计(CADD)软件服务。

三、建筑施工中应用虚拟仿真系统的意义

（一）建筑工程施工方案的选择和优化。

建筑工程施工的施工方法及施工组织的选择和优化主要是建立在施工经验的基础上，存在一定局限性。同时，现代建筑基本都具有鲜明的个性，建筑工程施工成为不可完全重复的过程。使用施工虚拟仿真技术将可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果，可以定量地完成方案的对比，有助于施工方案的选择和优化，真正实现最优施工。

（二）施工技术革新和新技术引入。

施工虚拟仿真技术一方面能使广大施工技术人员低成本地试验施工新工艺和革新思路，有助于创造性的充分发挥，同时能真切展示新技术的成效，缩短建筑业新技术的引入期和推广期，降低新技术、新工艺的实验风险。

（三）施工管理

施工虚拟仿真技术能事先模拟施工全过程，能提前发现施工管理中质量、安全等方面存在的隐患，因而可以采取有效的预防和强化措施，提高工程施工质量和施工现场管理效果。

（四）安全、生产培训

施工虚拟仿真技术能实时、直观地显示施工过程的实际情况，有助于操作人员全面了解操作流程，优质安全地完成施工任务。

（五）大型工程设计

施工虚拟仿真技术可以考察建筑设计是否合理，可以方便地对拟改进部位进行修改，从而得到满意的设计结果。设计的仿真也有利于设计单位与业主、施工单位进行设计交底。

（六）建筑市场管理

施工虚拟技术在招投标过程中能直观对比各方的施工方法和成效，增加评标的透明度和公正性，有利于建筑市场的规范管理。

（七）其它方面

开发施工虚拟仿真技术必然带动虚拟现实技术广泛地应用于建筑业其它方面，带动以下几方面的进步：城市和市政规划的优化；投资者的投资意图及市场推销；建筑机械设计；仿真和虚拟现实技术。

四、总结：

总而言之，随着信息技术的高速发展，各种新型技术都已经开始投入实践。建筑业也必须敢于创新，勇于尝试，这是建筑行业发展自身、壮大自身并适应时展的唯一途径。

参考文献：

张利.张希黔.石毅 虚拟施工技术应用实践和研究开发展望【J】-工业建筑2003,33(11).

虚拟仿真施工技术篇2

【关键词】虚拟仿真技术；建筑施工；信息化综合化

1 虚拟仿真技术简要论述

1.1 系统仿真技术的新发展

随着计算机技术的普及和发展,在建筑工程施工中采用智能方法极大地促进了施工技术和管理水平的提高,从而推动着施工学科的不断进步和发展。目前施工领域应用较成熟的软件系统有:CAD 辅助设计技术、专家系统、智能管理系统、办公自动化系统等,这些计算机技术的应用改造了传统的施工方法和理论,带来了新的理念。通过在建筑工程施工中引入虚拟技术的工程实践证明,建筑工程施工应用虚拟技术已成为可能,用虚拟技术研究建筑工程施工,将创造极大的经济性和促进技术的进步。虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种学科的优势,为人机交互对话提供了更直接和真实的三维界面,并能在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境,使用户身临其境。虚拟现实技术不但具有仿真技术的优点还能提供真实的环境效果,在许多应用领域取得飞速发展。国内外的土木工程界在“大坝安全在线监控系统”和建筑消防研究方面也有一些尝试。仿真技术是对系统动态模型的一种实验手段,在安全性和经济性方面有较大的优越性,使其广泛地被航空、航天、军事、电力、交通等行业采用,在化工、煤炭、冶金等方面也有较好应用。

1.2 虚拟现实技术的前沿性问题

虚拟仿真技术能否在建筑工程施工领域得以推广和应用取决于计算机硬件和仿真软件本身的发展方面。目前应用虚拟仿真施工系统存在以下问题:第一，虚拟仿真系统开发和应用要求的硬件平台较高,需要在较高的专用工作站或实验室上进行,企业自行开发系统时,要建造专用虚拟实验室,购买国外进口设备和软件,这需投入一定的资金和人力。另外系统的演示受设备的限制,移动不方便。第二，在对单项工程进行开发时,需从国外进口VR 软件平台。由于虚拟仿真系统在工程施工中集成型软件几乎没有,再加上工程施工中影响因素较多,客观上造成开发一个项目所需成本较高,努力开发出一套面向建筑工程施工的专用集成型软件系统,为单项工程的开发提供一个方便的开发平台(模块) 是重要的前提。开发骨干,会增加施工企业的开支。

1.3 系统仿真技术与虚拟现实技术的结合

目前,我国一些大型建筑企业集团建立了自己的设计研究院,这为施工企业的技术人才培养和蓄纳创造了条件。我国施工企业的工程技术人员已具有一定的软件研发能力和应用水平,省、市级建筑施工集团已成为开发和应用施工定额软件、施工管理软件的主力。高等院校和科研机构也积极开发各种工程施工中所需的计算机辅助设计软件,另外在工程实践方面对计算机的工艺集成控制技术也有不少探索和应用,并取得了丰硕的成果。整个施工学科领域应用计算机辅助软件正逐步形成,完成完整的、适用的人工智能方法研究和实际推广已具备可能性。仿真技术的应用使仿真软件取得了飞速发展,新的并行计算方法、新的仿真平台和编程技术使其具有更好的可扩展性,因而能被更多的领域所使用。

2 虚拟仿真技术在建筑施工中的应用

2.1 虚拟建造技术的现实意义

使用虚拟现实技术对施工过程进行模拟,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系,实验多种施工方法,计算相应工况应力,对方案进行优化,这对以下几方面将产生重大意义。建筑工程施工方案的选择和优化建筑工程施工的施工方法及施工组织的选择和优化主要是建立在施工经验的基础上,存在一定局限性。同时,现代建筑基本都具有鲜明的个性,建筑工程施工成为不可完全重复的过程。使用施工虚拟仿真技术将可以直观、科学地展示不同施工方法和施工组织措施的效果,可以定量地完成方案的对比,有助于施工方案的选择和优化,真正实现最优施工。施工技术革新和新技术引入施工虚拟仿真技术一方面能使广大施工技术人员低成本地试验施工新工艺和革新思路,有助于创造性的充分发挥,同时能真切展示新技术的成效,缩短建筑业新技术的引入期和推广期,降低新技术、新工艺的实验风险。施工管理施工虚拟仿真技术能事先模拟施工全过程,能提前发现施工管理中质量、安全等方面存在的隐患,因而可以采取有效的预防和强化措施,提高工程施工质量和施工现场管理效果。

2.2 三维动画技术在建筑施工领域的应用

建筑施工全程虚拟是在现实建筑工程施工之前技术对施工全过程的各环节进行模拟真实展示和体验施工各阶段预期结果并应用系统软件适时调整施工变更或偏差#实现施工方案决策优化施工全程，虚拟技术的首要功能是虚拟预演即从待施工的建筑造型设计结构施工方案施工场地及施工组织设计施工关键技术，设计建筑施工各阶段控制过程中有关信息的集成管理，直至建筑工程竣工验收全过程进行虚拟预演将虚拟施工过程真实呈现于施工方及管理人员，虚拟施工环境下的全方位仿真可准确预演实际施工过程及其结果，它与传统实际建造施工过程相比，可提前发现施工方案设计中的缺陷和施工过程中可能发生的质量和安全问题，缩短施工工期更便于施工方案的监控与调整技术的另一突出功能是反演决策即在虚拟施工环境中，通过时间反演改变参数设置使施工过程与结果可根据业主要求及施工组织设计需要进行适时调整由于参数选择的不同可建立多样化施工比较方案根据实际情况选择最优方案。

3 建筑施工领域引人虚拟技术的发展趋势

建立在计算机应用基础上的虚拟现实技术可以模拟现有的事实或即将实施的工程。在三维世界中，计算机用户依靠虚拟技术去认知虚拟的工程，诸如开灯或关灯、驾驶汽车、搬运物体等，为达到这样的目的，视频、音频、三维模型等组成部分经过整合才能产生真实感。虚拟技术起源于美国的飞机模拟器，1989 年,美国VPL Research 公司的奠基人Jaron Lanier提出了Virtual Reality一词,用以统一表述当前纷纷涌现的各种借助计算机技术及最新研制的传感装置所创建的一种崭新的模拟环境的概念,目前大家都称它为虚拟现实。虚拟现实是利用计算机技术生成一个逼真的, 具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境,置身于该环境中的人可以通过各种传感交互设备与这一虚构的现实进行相互作用, 达到彼此交替更迭、融为一体的程度。虚拟现实系统由五个关键部分构成：虚拟世界、虚拟现实软件、计算机、输入设备和输出设备。虚拟现实技术是八十年代末出现，并迅速成为科学界和工程界关注的热点，它汇集了计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、传感技术、多媒体技术、人工智能技术和人的行为研究等多项技术，虚拟现实技术是这些技术高层次的集成和渗透,它给用户以逼真的体验,为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便直接观察的事物运动变化规律,提供了极大的便利。

4 结论

使用虚拟现实技术对施工过程进行模拟,在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系,实验多种施工方法,计算相应工况应力,对方案进行优化这对建筑施工技术性的发展将产生重大意义。

参考文献:

[1]张希黔,张利. 虚拟仿真技术在建筑工程施工中的应用现状和展望[J] . 施工技术,2001 ,30 (8) .

[2]张宏胜,江舟,张希黔,等. 虚拟仿真技术在钢结构预应力拉索施工中的应用[J].施工技术,2004 ,33 (7) .

虚拟仿真施工技术篇3

1.1 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的研究现状

虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术、思想上有了质的飞跃[1]。

虚拟现实仿真技术目前在国内外发展较快，广泛应用于高校实践教学、企业生产加工、医学研究、军事等领域，美国的虚拟现实仿真技术代表着行业领先水平[2]。

我国许多高校和研究机构也已经利用虚拟现实仿真技术，开展教学和实验实训方面研究与开发，广泛应用于高校的实践教学，将会对其教学模式改革起到极大推动作用[3]。国内的一些高职院校，将仿真技术软件广泛应用于三维造型设计、数控模拟加工等实践教学环节，收到了较好的教学效果。

1.2 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中应用研究的意义

利用虚拟现实仿真技术构建一个虚拟的实训场所和学习场景，可减少高职院校因实训设备不足而产生的影响因素。通过进一步整合教学资源，提高实训设备的利用率，提高学生学知识、练技能的浓厚兴趣，提高实践教学效果和学生的实践应用能力，具有深远的意义。

2 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的研究内容

2.1 虚拟现实仿真技术进行虚拟设计实践教学的应用研究

传统设计是设计者根据产品用户的需要，将所设计产品的结构通过图纸表现出来，经过计算或者经验认证后，再投入生产试制中进一步检验其结构设计的正确性与合理性。而虚拟现实仿真技术在实践教学应用研究中主要体现在以下几个方面：

2.1.1 利用虚拟现实仿真技术开展UGCAD模块实践教学的应用研究

对于工业用户，EON Professional带有高端的CAD和3D数据格式转换模块，它通过优化，快捷地把各种CAD和3D数据转换成EON格式。其基本模块支持30多种格式，如AutoCAD，CADKEY，KGES，Maya，3ds max，LightWave，SOFTIMAGE 3D和SolidWorks等。此外，它还支持关键帧（key-frame）、自动常规校正、顶点缝合、几何/平面削减、保持UV贴图和纹理的情况下任意调节的组合贴图。

我院机械类专业实施实体建模、特征建模和自由形状建模三个模块的实践教学，使学生能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、进行布尔运算及建立表达式。掌握圆柱、圆锥、球、圆台、凸垫及孔、键槽、腔体、倒圆角、倒角等命令的操作。能采用逆向工程，通过曲线/点网格定义曲面，通过点拟合建立模型。还可以通过修改曲线参数，引入数学方程控制、编辑模型。

2.1.2 利用虚拟现实仿真技术开展MoldWizard模块实践教学的应用研究

实施MoldWizard注塑模具设计模块的实践教学研究，要求学生能进行中等复杂程度的注塑模具和冷冲模设计。掌握UG MoldWizard（注塑模具设计向导）的操作界面，熟练掌握数字化装配，中等复杂产品的分模、添加模架、镶块、滑块、电极、浇注系统、冷却系统以及选用各种标准件等有关内容。

2.1.3 利用虚拟现实仿真技术开展产品分析模块实践教学的应用研究

以UG软件为平台，开展UG产品分析模块的实践教学研究，分析与探索产品模型受力、受热后的变形。以模具企业设计岗位的岗位知识、能力、情感要求为课程目标，以模具产品为项目载体，以Moldflow模流分析软件为工具，按工作过程来设计教学活动、组织教学。使学生掌握基本CAE分析方法的基本过程，为将来工作中实际应用提供必要的理论基础。

通过模拟塑料的成型过程，可以找出产生这些缺陷的原因，再采取相应的措施来避免。塑料在模具中的成型性能也因模具的浇注系统的设计、塑料的性能、成型的压力和温度不同而不同。通过使用CAE软件分析，有助于让学生懂得如何优化其模具设计，使生产出来的塑件避免出现各种质量缺陷，优化产品设计及选取合适的注塑工艺等。

通过模流分析软件的模拟，可以很容易看到是否出现困气问题，然后根据以上改善方法，拟定初步改善方案，用模流分析进行模拟验证，得出模流分析结果，对其进行分析比较，这样就能充分利用模流分析的虚拟模拟仿真，大大节省了试模成本，这就是模流分析之所以能够得到越来越多人认可的原因。

2.2 虚拟现实仿真技术进行虚拟制造实践教学的应用研究

利用虚拟现实仿真技术，了解UG CAM的加工类型和特点；掌握UG软件在铣削加工方面应用知识；熟练掌握UG自动编程的常用命令和基本操作；掌握零件自动编程的一般步骤，并能根据零件特点选择合适的加工方法。

在CAM自动编程和数控加工中，运用UG软件的仿真功能对后处理程序进行模拟，用UG数控仿真软件对加工过程进行仿真，检查优化其加工工艺的合理性，有效地提高机床的加工效率和模具加工质量。

2.3 虚拟现实仿真技术进行虚拟装配实践教学的应用研究

在虚拟仿真实训室开展模具虚拟拆装和装配的实践教学研究，包括进行产品装配建模、装配路径与顺序的设计、零件装配过程运动分析等内容。

通过虚拟实训室，开展模具结构的拆装实验，模具成型过程的运动仿真，模具知识的索引等实践教学环节的教学研究。对UG软件进行二次开发，开发出模具结构认知与虚拟拆装软件系统，完成典型模具的虚拟装配等实践环节的教学。

3 虚拟现实仿真技术在实践教学中拟解决的关键问题

3.1 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，有效地避免了高校实验实训设备不足的影响因素。学生通过虚拟实验项目的学习与训练，减少其真机操作时出现许多失误问题。

3.2 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，教师利用虚拟现实仿真技术教学时，与实训室技师经常切磋技艺、探讨操作问题，提高了教师的实践教学水平。

3.3 虚拟现实仿真技术在高职实践教学中的应用与研究，改变了学生被动学习的方式，提高了学生学习兴趣、综合实践能力和高职实践课堂教学效果。

4 结束语

虚拟仿真施工技术篇4

关键词：职业教育；虚拟仿真教学；虚拟仿真师资队伍

现代信息技术的不断发展为职业教育虚拟仿真教学的开展创造了前所未有的机遇。2012年，教育部颁布的《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》中指出，职业教育信息化是“教育信息化需要着重加强的薄弱环节”，要“加快建设职业教育信息化发展环境”“有效有效提高职业教育实践教学水平”，并针对教育系统的不同需求提出了开发“1500套虚拟仿真实训实验系统”的发展目标［1］。《教育信息化2.0行动计划》指出，虚拟仿真实训实验系统是教育信息化数字资源的重要组成部分，具有“突破时空限制”“快速复制传播”“呈现手段丰富”的独特优势，是提高教育质量的重要手段［2］。虚拟仿真教学资源的有效应用、虚拟仿真教学的大力开展，对于实现信息技术与教育教学的深度融合，引领教育信息化从而引领教育现代化具有重要的意义。

一、虚拟仿真教学的内涵、特征及开展原则

（一）虚拟仿真教学的内涵虚拟仿真教学是以依托虚拟仿真教学资源的教学活动。虚拟仿真教学资源是在仿真技术和虚拟现实技术的基础上共同开发的数字化资源，主要涉及基础设施及设备、实验材料、实验软件和实验系统等，通常包括仿真硬件、仿真软件、仿真数据及仿真平台［3］。仿真技术在20世纪初就得到了广泛的应用，虚拟现实技术更加注重人机交互的体验和虚拟空间的感受［4］。虚拟仿真教学和传统教学的最大区别在于教学中融合了虚拟现实技术和仿真技术的优势，提升了教学的信息化水平。

（二）虚拟仿真教学的特征虚拟仿真教学具有情境性、交互性、开放性和共享性的特征。情境性是指开展虚拟仿真教学的虚拟环境是实际工作环境或者工作案例的模拟，学员可以在虚拟环境中进行技能的模拟训练和知识的巩固学习，例如极地特种医学的虚拟仿真教学，将极地极寒、极夜、极昼、强磁场的环境模拟出来，展现常规实验中无法实现的工作环境，为有效开展极地环境下的人体及动物的医学研究提供了重要的环境条件［5］。交互性是指利用虚拟仿真实验系统具有人机交互功能，在教学中用户可以获得更好的学习效果。例如在煤矿虚拟仿真实习培训系统中，学员可以通过键盘的按键来控制井下人物的运动，达到安全实习培训效果，并能实现多人同时在线互动，提高多人合作的能力［6］。开放性是指虚拟仿真教学为学生提供了一个开放的学习平台。在液压与气动实验的教学中，通过发挥网络技术、数据库技术及虚拟仿真技术的优势，开发相应的虚拟仿真网络课程，学生在网络平台中可以完成课程项目的学习和成绩评定，也能在线与教师探讨，且根据学生反馈和实际需要，虚拟实验项目的数量也可不断增加，满足不断变化的教学需求［7］。共享是构建一体化的“互联网+教育”大平台、发挥虚拟仿真数字教育资源优势的重要途径。虚拟仿真教学的共享性特征表现在，通过资源共享不断提高虚拟仿真教学资源的利用率，让更多的学生享受到通过虚拟仿真教学带来的知识、技能的提升，从而不断提高职业教学的质量和水平。

（三）虚拟仿真教学的开展原则开展虚拟仿真教学应遵循“能实不虚、虚实互补、虚实互促”的原则。虚拟仿真教学为学生的个性化情境学习和交互操作提供了重要的虚拟化学习环境，开放、共享的学习平台为多人交互、共同完成某项学习任务提供了可能，但学生利用真实的实训实验设备、材料进行技能训练和知识巩固学习的作用是不可替代的，如果以虚代实过多，会造成学生在学习时眼高手低、避实就虚，不利于学生的技能培养。虚拟仿真教学任务为真实设备上完成任务提供了重要的参考［8］。在教学中，可先利用虚拟环境具有强大的容错功能，使学生多次尝试获得一定的操作经验，再转向实物的操作，从而在一定程度避免材料的浪费以及对设备的损坏；对于教学场地不能提供的教学场景和操作任务，开发相应的虚拟仿真教学资源，能够丰富课堂教学，弥补实验实训条件的不足；要充分发挥虚拟仿真教学和实物教学的优势，使虚拟的环境更接近于真实的教学场景，真实的教学场景更贴近于实际的工作岗位，实际的工作岗位指导虚拟环境的构建，通过“虚拟-真实-实际”的循环促进，不断提高学生的岗位技能。

二、开展虚拟仿真教学的重要意义

（一）打破教学时空的限制，提升学习效果职业教育主要是以提高学生技能为培养目标，部分技能的训练对教学环境的要求比较高，比如极地环境下的医学实验、煤矿专业的井下操作等，普通的教学场景不能达到技能训练的要求。利用虚拟仿真技术创设的虚拟环境，可以有效丰富教学环境，为学生的技能训练创设条件，为以后进入真实的工作环境、走向现实的工作岗位奠定理论和实践基础［9］；虚拟仿真教学资源的共享为学生提供了课外学习平台，学生可以利用共享的教学资源在课后加强训练，不断提升自己，教师也可以在线上对学生进行指导。教学环境的虚拟构建、“线上+线下”的多元教学使得虚拟仿真教学打破了传统教学时间和空间的限制，有效提升了学生的学习效果。

（二）突破教学条件的约束，降低教学成本职业教育传统实训教学的开展需要满足相关教学条件才能开展，比如建立实训室、购买实训设备等，某些技能的训练还需要大量的教学耗材提供给学生进行练习。比如在实训室里进行模拟电子线路的教学，学生操作的过程是利用各种电子元器件比如二极管、三极管、电容等在电路板上搭建相应电路进行安装调试的过程，这些元器件在一次安装完成后基本上不能再次使用，且电子元器件安装的时候极易由于操作不当损坏造成损失，当电路安装完成后需要多种仪器（仪表）比如万用表、示波器进行测量或者读取实验结果。实训室的建立、元器件的损耗、仪器（仪表）的购买这些都需要大量的教学成本。采用电子电路虚拟仿真软件可以有效降低教学成本，虚拟的元件库和仪器（仪表）库为电路的设计、搭建、调试和分析提供了便捷的途径，实验中不需要消耗任何元器件，节能环保且安全可靠［10］。

（三）冲破能力培养限制，提高人才质量传统的教学实验，内容比较单一且固定，且绝大多数是验证性实验，学生只需按照操作步骤完成实验即可，不利于培养学生的实践能力和创新能力。虚拟仿真教学突破了传统教学的诸多限制，是专业教学和信息化技术深度融合的重要产物，是提高学生科学的思维能力、大胆的实践精神和勇于创新的重要手段。学生可以在虚拟环境中进行自我探索，思考并设计符合要求的实验方案，获得不同形式的实验结果并进行分析，有利于学生构建属于自己的知识体系，激发学生的学习兴趣，激励他们不断创新［11］。

三、职业教育虚拟仿真教学问题分析

虚拟仿真教学对于提升学生的学习效果、降低教学成本、提高人才培养质量具有重要的意义，在职业教育的文化、旅游、医学、工科及农林检测等课程中，虚拟仿真教学的开展也比较广泛［12］，但在虚拟仿真教学实施的过程中也发现了一些问题。

（一）虚拟仿真教学的信息化程度不够虚拟仿真教学的信息化主要表现在两个方面，一是虚拟仿真教学资源的共享，二是虚拟仿真教学有利于实现学生的远程自主学习。许多职业院校都开展了虚拟仿真资源的建设和教学工作，但如何建设、如何教学、如何共享及共享覆盖面绝大多数是各院校的自主行为，没有统一的建设标准，缺少可遵守执行的技术规范，缺乏沟通协调，造成了虚拟仿真资源的重复开发和零散建设，资源的质量难以保证，并且因没有统一的开发平台和技术支持，虚拟仿真资源的共享性和可移植性差，造成教学资源的浪费；学生能进行远程自主学习是虚拟仿真教学的优势，但传统的以教师为主的课堂教学，不利于学生培养学生自主学习的能力，且大多数虚拟仿真实验系统突出功能的实现，对学生的学习评价功能不够完善，教师也不能很好地掌握学生学习的情况，这些不利于学生的自主学习，降低了虚拟仿真教学的信息化程度。虚拟仿真教学资源的共享性差，学生远程自主学习困难，这严重阻碍了虚拟仿真教学的信息化进程，不利于虚拟仿真教学的开展。

（二）虚拟仿真教学资源的构建力度不够虚拟仿真教学资源是实现虚拟仿真资源从功能实现到教学应用的桥梁，是实现“虚实结合”教学的重要教学参考。目前虚拟仿真教学资源的构建着重于虚拟仿真软件、硬件、数据及平台的建设，但对开展虚拟仿真教学所需教学资料的建设力度不够。虚拟仿真教学资料所包含的内容应该是多方面的，除了包括教材、实训指导书、虚拟仿真系统等的使用说明、课程项目的实现过程外，还应包括“虚实结合”教学衔接与实施的教学参考。虚拟仿真教学资料的缺失不利于虚拟仿真教学的开展，也就无法有效地指导教师的“教”和学生的“学”，尤其在学生课后自学的时候，没有任何可参考的学习资料，学习效果不佳。

（三）虚拟仿真教学教师的参与程度不够虚拟仿真教学是专业教学和信息技术结合的产物，企业有技术的优势，依靠校外企业开发或者校企合作是虚拟仿真资源开发的首选。但是完全依靠企业或者简单的校企合作，很难实现虚拟仿真教学的可持续发展。企业对教学的了解不多、学校教师的参与度不够，开发的虚拟仿真实验系统不一定能够完全满足教学的需求。要深入发挥虚拟仿真的信息化优势，离不开具有先进技术及教学实践经验的教师参与。信息技术的不断发展与更新，使得虚拟仿真资源的开发变成了一项长期的、不断革新的实践性工作，因此需要有专门的教师从事此项工作。

四、虚拟仿真教学实施的策略

（一）加强虚拟仿真教学的信息化建设加强虚拟仿真教学的信息化建设，一方面要改革教学模式，在教学活动中以学生为主，培养学生独立思考和解决问题的能力，提高学生自主学习的能力，同时需要完善虚拟仿真教学资源中的评价功能，为学生更好的完成虚拟仿真课程任务,及时获得学习反馈奠定基础；另一方要加强虚拟仿真资源的共享和推广，这是信息化资源建设任务的要求，也是实现信息技术与职业教育深度融合的重要途径，虚拟仿真资源的共享离不开院校间的交流与合作，要建立实时、开放、共享的信息数据库，为更好地发挥虚拟仿真教学的优势创造条件。从培养学生学习能力出发，到虚拟仿真资源功能的不断完善，再到虚拟仿真资源的开放、共享，将不断提升虚拟仿真教学的信息化水平。

（二）完善虚拟仿真教学资源构建为了更好地发挥虚拟仿真教学的优势，要完善虚拟仿真教学资源的构建，不断加强虚拟仿真平台、虚拟实验系统等建设，丰富和强化虚拟仿真的教学功能和评价功能，及时有效地提供教学反馈；要开发和编写满足虚拟仿真教学、注重学生能力培养的教学资料和学习资料，为更好地开展虚拟仿真教学做准备；要探索适合虚拟仿真教学以及虚实结合教学的方法，引导学生循序渐进地学习，提升教学效果。

（三）重视虚拟仿真师资队伍培养重视虚拟仿真师资队伍的培养，必须提高教师的信息化水平，提升教师的专业实践能力。虚拟仿真资源的开发周期较长，离不开学校的政策支持和资金投入，学校应在保障研发过程的顺利进行的前提下，通过激励方式提高教师参与的积极性和热情；必须要认识到企业在信息化技术上的优势，教师要参与企业实践，掌握先进的技术，找到发挥企业技术优势和学校教学优势的契合点，开发虚拟仿真实验系统，编写相关的教材，服务于教学；教师能力的可持续发展是实现虚拟仿真教学可持续发展的重要保障，只有更多优秀的教师参与到虚拟仿真资源的建设中来，才能实现虚拟仿真教学的可持续发展。

五、结语

虚拟仿真施工技术篇5

分析了目前土木工程实践教学面临的困难，结合广西科技大学土木建筑工程实践教学体系改革，利用虚拟仿真软件平台，提出了“虚实结合”的教学模式及考评体系。

关键词：

土木工程；实践教学；虚拟仿真；虚实结合

随着社会的不断进步，科学技术飞速发展，国家对素质高、能力强的优秀人才迫切需要。工程实践教学是高等教育的重要组成部分，作为实践教学重要的环节的工程训练，在提高大学生工程实践能力和科技创新能力方面，是其它课程不可替代的。但是，由于土木建筑工程的特点（体量大、空间组合复杂、建造过程繁琐、内部构造多样、生产周期较长、建成后难以移动、建造成本较高、现场危险源多等），目前土建类专业学生在进行实验实训以及综合创新技能培养时，很多实验及实践教学过程在真实条件下是不具备或难以完成的。这就要求我们依托现代科学技术的进步，完成旧有体系的蜕变。

1土木工程实践教学的困难

在传统的土木工程专业实践教学中，生产实习及土工实验是极其重要的教学内容。但是，在施工中，往往“一个构架拼装要1周，一个基坑施工要1年”；对于实验，传统的校内实验经常会受到设备与技术的制约，同时，通过观察也发现，学校实验形式单一、内容有限、知识分散，对建筑业提出的关于人才培养的相关要求完全不能适应。这就迫使人们结合现代技术做出创新，与实践相互补充，弥补实践教学的不足。在开展实践教学过程中遇到的难题，具体包括：（1）土木类专业实验具有综合性强、设备体量大、实验环境恶劣、资源消耗大、成本较高的特点，特别是危险性高、体量大、结构复杂但与实际工程结合紧密的实验在实验室内无法让本科生直接深入参与。（2）土木工程专业学生人数多，企业接待能力有限，面对规模如此大的实习队伍，对企业来说要安排集体生产实习难度是很大的。任何一家企业也没有这样的接待能力，即使以分班轮流的方式进行生产实习，实习周期叠加起来也会很长，对企业的正常生产活动也会有影响。（3）由于建筑自身组成及建造过程的影响，学生在生产实习过程中，只能看到建造某阶段建筑表露在外面的建筑形式，大大拉低了生产实习的效果。

2虚拟仿真技术

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，2013年，教育部根据《教育信息化十年发展规划（2011－2020年）》，决定开展部级虚拟仿真实验教学中心建设工作。鼓励高校深入研究虚拟仿真技术，切实做到“虚实结合”的教学方式，研究与实践对教学方法、实验手段等方面的改革，使实践训练与相关技术的发展相适应。虚拟仿真技术对于实践教学的主要功能包括：（1）虚拟仿真实验室建设应紧密结合土木类专业实验教学需求，使学生能够利用实验室对实验的相关参数利用虚拟仪器进行操作，搭建实验系统。如利用钢筋混凝土简支梁静载实验模拟系统，学生可以自行设置梁的截面尺寸、配筋、长度等几何参数以及混凝土、钢筋等材料参数，达成特定实验的特定实验场景配置，并在虚拟场景中通过学生亲自选择支座形式，布置分配梁、加载点等加载条件，增加学生对实验的参与度，更加有效地增长学生的学科技能。（2）利用虚拟仿真技术实现工程设计的数字化和虚拟施工。通过BIM（BuildingInformationModel-ing，建筑信息模型）技术建设工程施工虚拟仿真平台，对土木工程关键施工过程进行动画模拟，基本实现对土木工程施工关键过程的虚拟再现；通过对校内外实验场地条件以及各种工程测量实验仪器设备参数的模拟完成工程测量虚拟仿真平台的搭建，再现现实条件下人机交互操作场景，将工程测量课程中主要实验环节的工作流程一一展现在学生面前。（3）利用虚拟仿真实验室的网络化，协同教学工作的开展。实验室通过构建网络访问平台，满足用户通过平台进行教学信息交流，使老师能够通过平台教学任务、检查学生任务完成情况，学生能够通过平台接受教学信息、提交成果，方便教学的进行。

3“虚实结合”实践教学的实现途径

面对土木工程专业生产实习及大型实验存在的问题和困难，最好的解决方法之一就是采用计算机及其他信息技术进行虚拟仿真实习及实验，目前国内许多相关尝试和探索已经在很多高校内逐步开展。广西科技大学结合区外高校建设虚拟仿真中心的先进经验，结合自身特点，建立了广西区内第一个土木建筑工程专业虚拟仿真实验室，积极推进实践教学改革。为推进“虚实结合”实践教学需要进行的相关举措如下：

3．1“土木建筑工程虚拟仿真实验

教学中心”建设研究开发LED微间距虚拟现实仿真沉浸式硬件环境以及开放式虚拟仿真实验教学的管理和共享平台的建设，提升学校基础设施技术水平。

3．2支持“虚拟实验＋实物实验”融合的实验教学模式，增设虚拟仿真实验项目16项

在原有实物实验的基础上，对培养方案进一步调整、结合实验室及虚拟仿真实验教学管理平台，增设16项虚拟仿真实验项目（基于BIM技术的仿真建模及漫游虚拟仿真实验、基于BIM模型的碰撞检测虚拟仿真实验、基于BIM模型的施工进度虚拟仿真实验、基于BIM模型的施工现场三维场布虚拟仿真实验等），为学生的实验教学提供丰富的题材。

3．3建设开放式虚拟仿真实验教学管理平台，实现所有网络教学资源局域网内7*24小时不间断访问

结合先进的计算机语言与CG技术，确立虚拟仿真中心，并在此基础上，结合数据库及Web，把虚拟仿真中心打造成开放的虚拟仿真教学管理平台，实现平台与学校原有管理平台的对接，让管理员，老师，学生时刻可以访问平台，完成平台管理及教学任务，使得原有低速的教学任务，在网络的支持下，变得顺畅、高效。

3．4在开放实验室的基础上，推进大学生创新创业项目及学科竞赛活动开展

在高校的教学活动中，学院在实验室全面开放的前提下，积极调动学生兴趣，以学科竞赛的形式，让学生在空闲之余，参与到学习中来，逐步提高学生对本专业学科知识的掌握情况。与此同时，以培养学生的创新精神和实践能力为目的，通过与企业的全方位合作，举办创新创业大赛，让学生能够积极参与进来，使大学生的综合素质不断提高。

3．5基于“BIM创新创业基地”，学生参与工程实践活动

2013年以来，学院抓住“互联网＋”机遇，在土木工程施工及项目管理课程教学内容中添加当今建设领域中最炙手可热的BIM技术，依托学院BIM研究所，创建“大学生BIM创新创业实践基地”，与当地企业全面开展合作，让学生在学校期间就参与到实体项目中去，现已完成的建筑项目有广西金融广场、广西凯业花园、百色干部学院以及柳州中医院东院等多个大型项目。通过这些实际项目，提高了学生解决实际工程问题的能力，也调动了学习积极性。

4结论

总之，土木类专业应该以培养学生的创新能力、自主学习能力、工程实践能力为目的，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的理念，完成虚拟仿真实验教学中心建设。积极跟进时代步伐，结合社会需要，不断把优秀毕业生投向社会，让学院成为科技进步的风向标，引领时代的进步。

作者：陈华 王鹏凯 赵军 钟壮林 杨东辉 单位：广西科技大学土木建筑工程学院

参考文献

1李翠超，凌芳．虚实结合的虚拟仿真技术在工程实践中的应用［J］．实验室科学，2015（2）

2李炎锋，杜修力，纪金豹，等．土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践［J］．中国大学教育，2014（9）

3沈璐，上官子昌，于双和．土木工程专业“虚实结合”的生产实习模式探索与实践［J］．高等建筑教育，2015（2）

4赵亚普，李垣，张文红．合法性视角下产品企业服务商业模式的案例研究［J］．经济与管理研究，2015（2）

5李永梅，孙国富．构建数字化土木工程结构教学平台的研究与实践［J］．北京工业大学学报（社会科学版），2013（1）

6伍毅敏．土木工程生产实习的虚实结合模式及平台建设［J］．教育教学论坛，2013（19）

7徐明，熊宏齐，吴刚，等．土木工程虚拟仿真实验教学中心建设［J］．实验室研究与探索，2016（2）

虚拟仿真施工技术篇6

关键词:智能;综采工作面;三维虚拟技术;应用

三维虚拟技术具有沉浸性、交互性的优势,当前随着科技的不断创新发展,三维虚拟技术在多个领域中都有所应用,煤矿生产中也不例外。煤矿综采工作中,灵活应用虚拟三维技术,可以降低煤矿综采难度,提高综采质量和效果。

1三维虚拟技术应用现状分析

当前,随着科技的不断发展和进步,三维虚拟技术的应用范围不断扩宽,其在多个工业生产中都有所应用,在煤矿行业也不例外。三维虚拟技术应用的优势就在于可以实时对煤矿综采工作进行监督和管理,综采工作出现问题和故障时,能够第一时间发现故障,采取措施予以解决。同时,结合设备当前的运行情况与状态,提前对故障进行预判,同时三维虚拟技术应用时针对系统参数也可以结合煤矿综采工作面及时的进行调整和优化,使得生产工作得以有序进行下去。如在虚拟现实监测技术中融入VR技术,可以有效的提高生产效率,减少工作人数,降低各类安全事故发生频率,这对于煤矿综采工作的高效实施有着极为重要的作用。VR与AR技术的结合还可以构建综采作业巡检系统。运用巡检系统可以实现综采工作面巡检、流程以及内容等多项信息的智能化管控。[1]在巡检过程中发现任何故障和缺陷时,都可以及时的采取有效措施予以引导,分析各项设备是否能够正常的投入使用等等。此外,AR技术还可以融入到设备维修系统之中。综采工作初夏故障时,借助AR智能眼镜,可以将维修工作中的每一道工序,操作规范程序等都以虚拟化的影像方式呈现出来,这样能够有效的缩短维修工作实施时间,提高维修的质量和效率。

2智能化综采工作面三维虚拟技术应用存在的问题

2.1三维虚拟现实场景仿真存在的问题

综采工作面中,三维虚拟现实场景仿真的应用还存在有脱离实际环境,应用状态理想化的情况,仿真工作实施期间没有将实际工况条件下的复杂状态考虑进去,实际采矿环境复杂多变,仿真系统尚未全盘考虑。同时虚拟设备仿真不可控,其只是艺术性动画展示。此外,该技术的应用期间对于工作人员的综合素质要求也比较高,工作人员必须要能够熟练操作相关技术设备,对于技术内容以及应用方法和范围也需要有充分了解,这样才能保证相关工作顺利实施。

2.2综采装备实际运行与虚拟监测监控之间存在的问题

监测监控的准确性越高,那么综采工作实施期间存在的问题和不足也越容易被发现。但实际应用过程中,虚拟监测技术存在有准确性不足的缺点,虚拟现实并非是动漫仿真,其应用的核心目的就是为了优化生产实践。但是当前大部分监测监控的研究应用还停留在理想状态,比如说水平底板、直线位移、匀速前进等,这些与实际的地理环境情况存在有一定的差异。同时,对于数据资源的应用还停留在表层,深度研究不足。[2]比如说传感器得到的数据只是直接简单利用,存储、读取、优化和再利用等环节可谓是严重缺乏,这也使得大数据智能、判断、选优模式未能成功运用。此外,监测模式存在有缺陷,数字模型并不是十分的成熟,监测监控模式还需要进一步完善,无法全方位的展现施工效果与质量。

2.3综采工作面三机虚拟规划的不足

当前,在大采高智能化综采工作面三维虚拟技术应用效果之所以不够理想与技术的不成熟,规划不够科学合理存在有一定的关联性。三维虚拟技术在智能化综采工作面中的应用时间并不是很长,许多煤矿工作人员对于该技术的了解和认识都不够充分,在具体的施工中无法熟练应用相关技术。同时,系统本身也存在有一定的缺陷和不足,其表现为参数设置单一,难以全面对矿井下环境进行仿真模拟,而且,仿真主要以静态为主,缺乏动态的仿真内容。此外,矿井下环境复杂多变,容易受到外界环境因素的干扰,这也一定程度上影响了三维虚拟技术的应用效果与质量。另外一方面,则是由于三维虚拟技术与综采工作面的各项设备、设备与环境之间的信息交互以及关联性并不是十分的紧密,技术应用范围有限。[3]

3智能化综采工作面三维虚拟技术应用优化策略

3.1对现有三维虚拟技术进行优化

要想更好的发挥三维虚拟技术在智能化综采工作面中的作用价值,就需要不断的对相关技术进行优化,因为时代在不断的发展变化,技术的更替速度也可谓是极快的。通过对三维虚拟技术的优化,可以有效的提高虚拟环境与真实井下环境的一致性以及对应性。如在交互手段方面,可以将更多的虚拟技术现实人机交互手段和煤矿专用设备融入到综采工作之中,使得三维虚拟技术所展现的内容更加接近真实的场景,切实提高实际操作能力。同时,还可以在地面上建立试验系统,接入装备实时数据,这样可以更好的对综采工作进行全方面的监督与管理。

3.2做好实际工况虚拟场景仿真方面与计算机等技术支持

在对工况虚拟场景仿真的过程中,首先需要针对井下工况环境煤矿装备运行以及结合三维数字化顶底板进行仿真,其是虚拟现实监测与规划的仿真基础所在。在此环节要完成采煤机虚拟空间定位、行走与记忆截割、刮板输送机三维空间形态布置等工作。同时要丰富虚拟现实的技术支持类型,如在监测与计算方面,需要进一步深入挖掘其潜力。在VR软件的支持下,输出仿真理论曲线,然后在对相关技术进行验证,以便于更好的发挥其在综采工作面的作用效果。相关技术应用过程中,要积极发挥计算机技术的作用与优势,保证实际工况场景仿真与计算机等技术可以有效的融合在一起,要加大相关技术的研发力度。[4]

3.3进一步优化虚拟现实规划

虚拟现实规划的目的就是为了更好的对井下情况进行预判,然后及时的发现并处理问题。在具体的工作,要应用好相关技术,应当进一步加强煤矿装备数字化设计水平,建立一系列参数化三维模型产品库,以便随时调用各种采煤机、液压支架和刮板输送机模型的资料。同时要进一步将现有的综采装备选型方法与虚拟规划方法进行深度融合,借助三维模型产品库,对相关产品进行快速高效选型,并实施虚拟规划。要将实际工况虚拟场景仿真技术应用于虚拟规划,以便更好的反应工况情况,及时的发现和规避综采工作中遇到的一系列问题。

3.4做好虚拟现实监测监控工作

虚拟现实监测监控工作的实施,可以帮助企业全方位的了解井下采煤情况。可以通过构建虚拟现实环境下综采工作面装备、数字化顶底板、地理环境虚拟镜像与模型,将煤炭开采设备三维虚拟技术建立联系,以便全面实时感知工作面装备以及地理环境变化情况,构建稳定可靠的工作面远程监控系统,及时的发现现有工作中存在的问题和不足,在发现综采工作中存在有安全隐患,或者是综采工作实施不到位的情况下,第一时间安排专业人员予以处理,将各种可能发生的安全事故扼杀在摇篮之中,保证综采质量的同时,提高综采安全性,提升煤矿企业经济效益。[5]

4智能化综采工作面三维虚拟技术的展望及注意事项

随着三维虚拟化技术的不断成熟,相关技术的应用范围必将会不断扩大,而未来笔者认为三维虚拟技术在综采工作面中应用还有以下方面的前景:一是三维虚拟技术可以与人工智能技术结合在一起,煤矿综采工作并非是一项简单的工作,其中许多工作不仅具有施工强度大的特点,与此同时还存在有危险性大的特点,在煤矿开采期间,部分高风险的工作并不适合由人工操作完成。所以说,综采工作实施期间,应用三维虚拟技术时,就可以将相关技术与人工智能技术结合在一起,加强相关设备的研发,运用人工智能设备完成高难度的采煤工作,这样既可以有效的降低施工风险,保证采煤工作人员的安全,同时还可以有效的提高开采质量和效率。二是将是三维虚拟技术与电气自动化技术结合在一起。现如今,煤矿综采工作中,机电设备的应用可谓是越来越频繁,机电设备的有效应用,可以提高煤矿综采的质量和效率,而机电设备中电气自动化技术的应用则可以达到节能降耗的目的,三维虚拟技术在煤矿综采工作中应用的主要目的就是为了保证综采工作的安全性,提前规避综采工作中可能会发生的风险,提高综采工作质量。将三维虚拟技术与电气自动化技术结合在一起,可以使得二者的优势最大限度凸显出来,而且还可以进一步节能降耗,这对于煤矿综采工作的有序开展是极为有利的。不可否认,大采智能化综采工作面三维虚拟技术的应用对于煤矿事业的发展也有着较好的推动作用,其有效的优化了开采质量和效率,但是在实际的开采工作中,三维虚拟技术的应用还处于起步阶段,其存在的缺陷和不足相对来说还比较多,因此为了更好的规避相关问题,还应当明确三维虚拟技术应用的注意事项。首先,在智能化综采工作面中应用三维虚拟技术时,需要进一步加强对综采工作人员的培训,作为一项新技术,其诞生时间并不是很长,煤矿综采工作中,许多工人对于该技术的了解和认识实际上并不充分,在对技术了解不足的情况下,其往往是难以有效发挥作用的。基于这样的原因,就必须要加强对工作人员的培训,保证他们对于相关技术已经有了充分的了解和认识,并且能够灵活的应用相关技术时,才能将其应用到综采工作之中。其次,在将三维虚拟技术与其他技术进行融合时,要做到具体问题具体分析。如上文所述,大采高智能化综采工作三维虚拟技术在应用时,可以与多种技术结合在一起进行应用,不同技术融合所迸发出来的作用效果存在有明显的差异,在结合的过程中如果不能做到具体问题具体分析,那么可能就难以保证相关技术作用最大限度的发挥这样技术应用的意义也就难以彰显出来。最后,三维虚拟技术的应用要在安全情况下进行,三维虚拟技术在大采高智能化综采工作面的应用,可以帮助模拟综采工作面的基本情况,然后帮助工作人员制定科学合理的综采方案,规避综采工作实施过程中可能会面临的一系列风险,但是要想有效的应用三维虚拟技术,发挥其作用与价值,还需要多项设备的协同辅助配合,在应用这些设备时,必须要保证应用环境的安全性,如果说应用过程中问题和漏洞百出,那么其作用与价值也就难以有效发挥出来。总之,当前我国煤矿生产处于转型发展的关键期,而随着科技的不断创新发展,未来将会有更多的新技术应用到煤矿综采工作面之中,科学合理的应用相关技术,能够有效的提高煤矿综采工作质量和效率,避免各类安全事故发生,动态监测煤矿综采情况,有助于实现我国煤矿事业的可持续发展,其可以更好的解决煤矿开采环节存在的缺陷和不足。

[参考文献]

[1]胡广超.大采高综采智能化工作面开采关键技术研究[J].科学技术创新,2020,(22):153-154.

[2]刘亚志.大采高综采智能化工作面开采关键技术研究[J].内蒙古煤炭经济,2019,(19):45,91.

[3]赵兴泽.大采高综采智能化工作面开采关键技术分析[J].中国化工贸易,2019,11(10):80.

[4]徐亮,樊坤,于贺.大采高综采智能化工作面开采关键技术分析[J].山东工业技术,2018,(24):84.

[5]樊亚辉.综采智能化工作面开采关键技术研究[J].科学技术创新,2020,(22):156-157.

虚拟仿真施工技术篇7

随着经济的全球化与信息的社会化，市场竞争日益激烈，产品竞争已经由传统的价格竞争转化为技术含量的竞争，高科技产品成为市场的主流，创新成为企业发展的灵魂。为了适应新的市场变化，企业必须以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本和最优的服务来满足不同用户的需求。面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，企业的生产活动必须具有高度的柔性，对市场需求的变化做出快速反应。为此，探索新的设计制造方法是企业生存的最重要手段。

随着信息技术的迅猛发展，出现了一些先进的设计制造技术，现代设计制造技术的发展方向就是不断吸收现代科学技术，实现设计制造技术的数字化、功能化、智能化和网络化。虚拟技术已成为当今最活跃的制造业设计技术，它的发展，促进了虚拟制造(VitrualManufacturing)的形成和发展，为机械产品的设计、加工、分析以及生产的组织和管理提供了一个虚拟的仿真环境，从而在计算机上“组织”和“实现”生产，在实际投产前对产品的可制造性等方面进行评估，保证一次成功生产，从而降低生产成本，减少上市时间，快速响应市场，提高企业竞争能力。

1虚拟制造的内涵及其分类

1.1虚拟制造的内涵

随着制造业技术的飞速发展，人们对制造的内涵也有了全新的、更全面的认识。制造是指按照市场需求，运用知识和技能、借助工具、采用有效的方法、将原材料转化为最终产品并投放市场的全过程。虚拟制造(VitrulaManufacturingVM)是指利用计算机模型和仿真来实现产品的设计和生产的技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术和高性能的计算机、高速网络为支持，在计算机上群组协调工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程管理与控制等产品制造的本质过程。“虚拟制造”虽不是实际的制造，但却实现实际制造的本质过程，它在产品设计或制造系统的物理实现之前，就能通过模型来模拟和预估未来产品的形态、功能、性能以及可加工性等方面可能存在的问题，从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案，从而使制造技术发展到全方位预报阶段。虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，它是各种计算机辅助技术面向产品全生命周期的集成化综合运用。

实际制造具有对物质、信息、能源进行转换的功能，即投人原材料、生产、信息、电力等能源，制造出所需的产品及与产品相关的信息。虚拟制造是将实际生产中的“物质”和“能源”信息化，针对实际生产系统中的信息及被信息化的“物质”和“能源”实现与实际生产在信息上的等价交换，虚拟制造虽然没有制造出实际产品，但却生成了有关产品的信息以及制造产品所需的信息。

1.2虚拟制造的分类

虚拟制造既涉及到与产品开发制造有关的活动，又包含与企业组织经营有关的管理活动。根据所涉及的范围及工程活动类型，可将虚拟制造分为三类：以设计为核心的虚拟制造；以生产为核心的虚拟制造；以控制为核心的虚拟制造。

1）.以设计为核心的虚拟制造。以设计为核心的虚拟制造将制造信息引人设计过程，利用仿真来优化产品设计，从而在设计阶段就可以对零件甚至整机进行可制造性分析，包括加工工艺分析、热力学分析、动力学以及运动学分析等。主要解决“设计出来的产品是什么样”的问题，以便对产品各方面性能进行仿真与评估；

2）.以生产为核心的虚拟制造。以生产为核心的虚拟制造将仿真技术溶人生产过程模型，以此来评估和优化生产过程，以低费用快速评价不同的工艺方案、资源需求计划、生产计划等。主要解决“这样组织生产是否合理”的问题，以便对生产过程进行仿真，对各个生产计划进行评估；

3）.以控制为核心的虚拟制造。以控制为核心的虚拟制造将仿真技术加到控制模型和实际处理中，实现基于仿真的最优控制。充分利用计算机的强大功能将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字化，对生产线的优化等生产组织和管理活动进行仿真。主要解决“如何去控制”的问题。

2虚拟制造的特点

与实际制造相比，虚拟制造具有其本身的特点：

1）.虚拟性。虚拟制造不是真实的制造过程，不生产实际的产品、不消耗真实的材料与能源，是通过数字化手段来对真实制造过程进行动态模拟以实现制造的本质过程；

2）.基于数字化模型的集成。虚拟制造过程依赖于模型，涉及到的模型有产品模型、过程模型、活动模型和资源模型。通过这些数字化模型在计算机上的集成，实现对产品的设计、制造、测试、装配等操作，而不再做对传统的原型样机的反复修改；

3）.支持敏捷制造。由于整个过程的信息存储在计算机内，能够根据用户需求或市场的变化快速改型设计，快速投人生产，能够大幅度压缩开发新产品的时间、提高质量、降低成本；

4）.分布合作。借助于计算机网络，虚拟制造可使分不在不同地点、不同部门的不同专业人员对同一个产品模型同时工作，相互交流，实现信息共享，减少大量文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发更快捷、优质、低耗地响应市场变化；

5）.仿真结果的高可信度。虚拟制造就是通过模型的验证、效验等仿真技术来检测设计出的产品或制订出的生产规划，使得产品开发或生产组织一次成功，所以它能真实地反应实际对象。

3虚拟制造的关键支撑技术

虚拟制造借助于虚拟环境中获取的各种信息，集成和综合了可运行制造的环境，用来改善从装配产品的概念设计到动态仿真的各个阶段。虚拟制造技术涉及面很广，如环境构成技术、过程特征抽取、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后三项是虚拟制造的核心技术。

3.1虚拟现实技术

虚拟现实(VirtualRealityVR)技术是美国JaronLanier于1989年首次提出的，该技术的内涵是由计算机直接把视觉、听觉和触觉等多种信息合成，并提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个三维的虚拟环境。从而把人、现实世界和虚拟空间结合起来，融为一体，相互间进行信息的交流和反馈。虚拟现实技术或由它构建的系统，最重要的特征在于沉浸感(Immersion)，交互性(Interaction)和构想性(Imagination)。

虚拟现实技术综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维虚拟环境。虚拟现实系统(VRS)由人机接口、软件技术、虚拟实现的计算平台等部分组成。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输人，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。

3.2建模技术

虚拟制造系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是现实制造系统的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。虚拟制造系统的建模包括生产模型、产品模型和工艺模型。

(1)生产模型。可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是对系统生产能力和生产特性的描述，给出产品设计方案的可能性；动态描述是对系统动态行为和状态的描述，进而预测产品生产的全过程；

(2)产品模型。产品模型是制造过程中，各类实体对象模型的集合。对虚拟制造系统来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，即产品模型描述的信息既包含产品结构、产品形状特征等静态信息，还包含能够进行干涉检查，各项性能分析等方面的动态信息，是能够通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需所有信息的模型；

(3)工艺模型。将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

3.3仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，借助于计算机的快速运算能力，可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实施方案。

仿真的基本步骤为：研究系统、收集数据一建立系统模型*确定仿真算法*建立仿真模型神运行仿真模型*输出结果并分析。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、实际生产过程行为仿真、装配过程仿真、检验过程仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。

4虚拟制造技术的现状分析

尽管虚拟制造技术近年来在国际上取得了迅速的发展，但是目前还缺乏从产品设计全过程的高度开展虚拟制造的研究，集中体现在以下方面。

4.1基于集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段

(1)CAD模型中的产品信息含量太低。CAD模型是在产品的设计过程中形成的，很多信息(几何的非几何的)需要记录在其中，它是重要的数据源。在虚拟制造中，很多分析模型需要从CAD模型中提取相应信息。然而目前的CAD模型主要是从几何实体的角度描述产品，远不能全面的描述产品，能够提供的共享信息太少；

(2)现有的CAD模型无法支持产品的概念设计。产品的全新设计要经过概念设计、详细设计、产品工艺规划及制造几个过程，而CAD模型只支持产品的详细设计；

(3)缺乏良好的产品信息重用机制。由于目前各应用软件间的产品数据交换主要是通过专用的数据接口来实现，这种转换也是同一问题数据的简单映射，无法实现模型间数据的自动转换和衍生，无疑增加了虚拟制造产品开发的复杂性。

4.2产品创新支持工具尚不充分

(1)缺少创新设计支持系统。产品创新设计是一门综合性科学，需要新技术、新材料、新工艺的支持。虚拟制造的环境为创新设计提供了很好的运行机制，但是还需进一步组织开发创新设计的支持系统；

(2)缺乏将知识与虚拟制造结合的工具。知识可以创造革新产品和新技术，产品创新注重知识。但是由于知识表达与组织的复杂性与重要性，如何将其与虚拟制造的数字化产品结合起来是一个有待解决的难题；

(3)缺少交互式外形设计技术与虚拟制造的集成工具。

目前，虚拟制造被认为是最有发展前景的产品创新技术。如何解决将有关产品整体定位、外观设计的交互式外形设计技术引人到产品虚拟制造中并与之有机地集成起来尚需进一步研究。

4.3产品数字化技术

(1)基于产品数据管理(PDM)与其他软件的集成问题。产品数字化的核心是PDM技术的应用，目前，出现了各种版本的PDM软件，但是缺乏标准，由此造成了PDM软件与其他应用系统的集成问题。在虚拟环境下，各专业、各部门人员基于同一产品模型协同工作，必须解决PDM与其他应用软件的集成；

(2)虚拟产品开发的产品数据组织体系。虚拟产品开发方式生成的产品数字样机的产品结构树既要反映产品设计阶段的构造层次结构、产品的装配顺序，还要反映生产流程，制造部门可以直接根据产品数字样机进行制造。因此，研究适合虚拟产品开发的产品数据组织体系是切实必要的；

(3)与数字化产品模型相关数据的组织和管理。

产品的数字化包括建立产品的数字模型及其相关的性能指标，包括结构分析、运动学分析、动力学分析、热力学分析的结果，为产品的定型提供理论依据，并对产品性能进行改造。如何有效地解决数据的组织和管理，使之有效地适合虚拟制造的需要是目前研究的热点。

4.4制造过程仿真建模方法和技术

基于物理模型的制造过程仿真技术已经得到广泛应用，但建模方法与建模技术仍未有突破性进展。

(1)虚拟加工工具有待完善。目前已有很多商品化软件可以进行“可加工性”评价，但虚拟制造还需研究开发大量的虚拟加工分析工具，如具有切削力分析功能的加工过程仿真系统等；

(2)虚拟装配的基础理论研究。虚拟制造对虚拟配中的公差分析与综合技术还缺乏理论基础，在模型的生成以及对ISO公差标准、形位公差的支持方面还存在很多问题，迫切需要解决；

(3)装配工艺规划的进一步研究。目前基于虚拟装配工艺规划的研究存在很大的局限性，主要是指:仅考虑沿坐标轴方向的平移，装配运动方式过于简单；偏重于几何计算，工程语意知识的利用有待加强；装配顺序的选择标准不够广泛和统一；

(4)虚拟测试技术研究。虚拟测试是成功运用“虚拟产品开发”技术的关键环节，也是必不可少的。当所有环节计算机化后，测试和效验环节就成为影响效率的重要因素。

5结束语

虚拟仿真施工技术篇8

关键词：虚拟数控；加工过程；仿真技术

虚拟数控的加工可以仿真出不同的加工方法与加工过程中应用的材料，而且还可以显示并评价出加工的具体结果，但是与此同时还存在着加工的形式较少及研究的范围有一定的局限性。由于切削的系统是一个较复杂的加工系统，因此，在加工的过程仿真技术还具有一定的不成熟性，也就是在虚拟的数控加工过程中还存在着诸多的问题需要解决。

1.在虚拟数控的加工过程中对仿真技术的主要分类

随着科技的进步，虚拟数控加工技术在制造业加工领域得到了广泛的应用，而仿真过程是虚拟的制造技术最关键的技术和最主要的核心内容。物理的仿真技术与几何的仿真技术是对虚拟数控的研究与探索的最主要的两个方面。

1.1.对物理的仿真技术的解析

物理的仿真技术就是在对制造零部件进行切削加工的过程中，把引起制造零部件物理变化的因素反映到虚拟的制造系统中，在实际的加工过程中，要先预测切削因素的种类，并分析出切削过程中产生的各种参数，且各参数数据间相互耦合。所以，在建模的过程中怎样综合看待数据参数及影响的原因，是在切削的过程中建模的最关键所在。

1.2.几何的仿真技术的解析

在几何的仿真加工过程中，并不考虑切削力与数据参数及别的原因对切削的加工过程的具体影响，只是仿真刀具及机床还有几何体工件的相对的运动，可以检验出出现的碰撞及所有干涉，能够准确的避免费力及耗时的试切的全过程。

图1 虚拟现实系统的构成

2.数控的加工过程中存在的具体问题

切削的加工过程是一个复杂的系统过程，在切削的加工过程中出现的机理研究及探索还没有得到相应的解决措施，致使了在加工仿真技术的过程中依然存在一定的不成熟技术，主要是由于在数控的加工过程中，所使用的不同的加工材料及应用不同的加工手段，而且可以显示出对评价的加工结果，这就直接导致了在虚拟的数控加工过程中出现的相应的局限性。

2.1.仿真的模型具有较差的实用性

现在存在的仿真模型都是在一定的假象下做出的理想型模型，由于在加工的过程中存在着诸多的影响因素，并且对不同的影响因素之间又存在着强耦合的关系，所以，这就要求必须建立健全科学合理的模型加工的过程，以增加实际的系统及仿真的系统之间的饱和程度，这是在仿真模型的加工过程中必须要解决的重要问题所在。

2.2.仿真的模型具有较差的通用性

现在存在的仿真模型一般都是根据具体的工况，根据工件的材料及加工的不同手段、不同的刀具种类及不同的机床种类，在一定的条件下加工完成的模型，因此，这种方式下加工过程的模型就具有较差的通用性，如果这时其中有数据参数需要进行相应的变化，加工的过程中模型就需要在一定程度上做出较大程度的修改。

2.3.模型并没有与几何的仿真技术进行结合

在研究与探索的具体过程中，还存在着较为孤立的研究进程，几何的仿真技术与物理的仿真技术在具体的加工过程中并没有充分的做好结合的工作。同时，还存在着在具体的加工过程中，并没有应用工件的材料，而是纯几何式的加工虚拟环境，现在应用的仿真加工的形式较少，对研究及探索的范围也就比较窄。

3.对总体结构的仿真系统进行解析

数控机床的具体加工系统是由几部分组成，数控机床的加工过程是在代码的带动下对工件实施切削的加工过程，要想完成数控的加工仿真的技术过程，就必须建立健全一套数控机床的几何模型，并在此基础上完善数控机床往运动模型发展的进度，进而完成数控机床加工的过程中仿真技术的应用。

3.1.基本形式在装配模型中的应用

基本形式在装配模型中的具体体现就是层次树的和图，这种基本形式能够清晰表达出装配体具体的组成关联，同时在一定程度上也有利于在进行装配的序列规划过程中的正确求解，但是却存在着不能够较容易的表达出各零件之间的相互配合关系，相反的，图的结构能够更加容易的表达出各个零件之间的相互关系，而且可以提供出装配体的其中一个零件到另一个零件存在的关系及相关的路径，尤其适用于运动链与公差的实施解析，但是却较难表达出各层次间的相互组成关系，而且结构也较复杂，不容易进行维护，在实施操作上也较困难；几何的模型具有与其他系统不同的装配模型需要的要求，可以总体的分为：第一，对装配的几何关系进行的具体描述；第二，装配的拓扑关系的具体描述；第三，对零件的层次性进行结构的解析；几何的模型具有一定程度的层次性，在没有公差配合的情况下，能够采取层次的结构手段。

3.2.完善仿真模型技术的应用

在系统的应用过程中，装配体的表达方式是一棵树的形式，树的相关根节点所表示的就是用户所需要的相应的装配体，零件在树桩的结构中使用的是较低层中的叶结点来进行表达，其中非叶结点的具置不会发生变化，也只有处在一个层次的装置单元会产生约束位置的变化，处在不同层次的装置单元会产生相应的从属关系的变化，这种仿真的模型在一定程度上具有操作简单、方便维护及存储较小的具体特征。

结语：

现代虚拟的仿真技术，在发展的过程中要逐渐的将技术应用到数控的加工过程中，对仿真技术进行不断研究与探索，主要提升数控的加工仿真系统的相关质量，建立健全仿真技术的整体结构，逐渐实现仿真技术手段及方法的多样性应用，以加强模型仿真技术的适应性与可靠性。

参考文献：

[1]刘金环，王占平，李雪薇.数控加工专业课程体系建设方案的研究与实施――技校系列[J].中国科技博览，2009（30）

[2]赵艳丽，仲伟沪，陈福建.浅谈数控加工仿真系统在教学中的应用[J].职业，2012（21）

[3]卜云峰，孙全平，陈小岗，陈前亮，张翔.基于STL数据的数控加工刀轨快速生成算法[J].工程图学学报，2011（5）