信息系统仿真（精选12篇）
信息系统仿真 篇1
0 引言
信息化战争是21世纪战争的显著特点, 如何打赢一场信息化条件下的局部战争是我军当前及今后一段时间以内需要认真研究的课题。在信息化战争条件下, 谁拥有信息的主动权, 谁就能在战争中取得主动。因此最大限度地发挥各种信息装备的作战效能, 为各种作战信息提供安全、快捷、准确的传输通道成为摆在从事信息专业人员面前的一个重要训练课题。应用于现代战争的信息系统强调的是体系作战能力, 不再是单独的某个专业、某个电台的训练, 要想充分发挥平时训练的最大效果, 需要各种信息系统的配合。如果在训练某些装备时采用实装训练, 需要动用多个部队多种信息装备参演, 在时间、场地、人员及经费保障上都会受到各种限制。因此, 为解决上述矛盾, 通行的做法是研制模拟仿真训练系统, 使用模拟仿真训练系统训练, 不需动用任何实际装备即可进行训练, 可节约人力、物力和财力资源。
信息系统的模拟仿真训练系统综合性较强, 不仅要模拟不同信息装备之间的互联互通, 整个仿真系统自身的管理控制也较复杂。目前通用的作法是用嵌入式系统仿真各信息单元, 用PC机构建一个管理服务器, 这样服务器与各信息单元间就需要进行各种信息的交互。此类信息的交互可采用串口、局域网、CAN总线等作为传输通道。嵌入式系统支持局域网的能力较弱, 而串口的传输速率较低, 且大多局限于点对点传输, 因此采用CAN总线进行数据通信是一种经济可行的方案。本文主要研究实现信息系统模拟仿真训练系统数据通信的技术内容, 硬件实现基于吉阳光电GY8508的USB接口CAN总线适配器及STM32F107VCT bx CAN总线接口。
1 硬件设计
图1是信息系统模拟仿真训练系统CAN总线连接图。如图1所示, 一个模拟仿真训练系统主要由服务器和若干信息单元构成。信息单元使用STM32F107VCT嵌入式平台的bx CAN作为CAN接口设备。服务器 (PC机) 使用GY8508 USB-CAN总线适配器作为PC机CAN接口设备。
bx CAN (Basic Extended CAN) 是STM32F107V CT6芯片的一种扩展CAN外设, 它支持CAN协议2.0A和2.0B。它的设计目标是:以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文。它也支持报文发送的优先级要求 (优先级特性可软件配置) 。STM32F107VCT6芯片的bx CAN有2路CAN通道, 分别是CAN0和CAN1, 每个CAN通道都有一个发送端TX和一个接收端RX, CAN1 RX和CAN1 TX位于芯片的GPIO引脚PD0和PD1上, CAN2 RX和CAN2 TX位于芯片的GPIO引脚PB5和PB6上。
GY8508是吉阳光电公司生产的带有USB2.0接口和2路CAN接口的USB-CAN适配器, 可进行CAN总线数据与USB通道数据的双向传送。在应用案例中, GY8508 USB-CAN总线适配器一般作为标准的CAN节点, 使PC通过USB接口连接一个标准CAN网络。
2 信息单元CAN软件设计
信息单元采用的是bx CAN, 关于bx CAN的软件使用设计已经有专题讨论过, 限于篇幅, 在此仅给出相应软件设计的文字说明。
(1) RCC初始化。由于节能的需要, 在系统加电复位时GPIO引脚是不工作的, 所以要想正常使用CAN, 必须配置复位时钟控制RCC, 为引脚加电。
(2) GPIO初始化。对bx CAN对应的GPIO引脚进行初始化, 主要是配置GPIOD引脚的针脚、输入输出状态、数据速率等, 之后还要进行重映射。
(3) NVIC初始化。如果使用CAN中断, 还要配置嵌套向量中断控制器NVIC。
(4) CAN单元初始化。首先为了防止其它操作会更改特定寄存器的内容, 在进行传输特性参数配置前一般会对CAN接口去初始化, 使与CAN有关的寄存器恢复到加电复位状态;其次要修改CAN控制寄存器CAN_MCR的参数;此外还要对CAN的操作模式MODE以及波特率特性SJW、BS1、BS2等参数进行相应设置。
(5) 滤波器初始化。在CAN总线通信中, 没有地址的概念, 即收发双方不会向其它通信方式一样在通信前需要指定收发双方的地址, 而是对每个发送的帧附加一个标识符, 当发送方发出一个帧后, 在总线上的用户都能收到此发送帧, 采用的通信方式是一点对多点的通信方式。如果接收方只对特定标识符的数据帧感兴趣, 而忽略其它标识符的帧, CAN总线协议提供了一种称为过滤器的选择方式来实现上述要求。STM32F107x芯片的bx CAN提供28个位宽可变/可配置的标识符过滤器组, 通过软件对它们编程, 从而在引脚收到的报文中选择需要的报文, 而把其它报文丢弃掉。在进行滤波器设置过程中, 需要对滤波器号码、滤波器初始化模式、过滤器位宽、过滤器标识符、过滤器屏蔽标识符、过滤器输出FIFO、过滤器使能等参数进行配置。
(6) CAN信息帧收发。CAN信息帧收发的代码比较简单, 只要将发送信息帧的数据结构填充好, 就可以利用CAN_Transmit发送数据, 当有数据到达CAN接口时, 在接收中断中可以从接收的数据帧中接收数据。
3 服务器CAN软件设计
服务器采用的是GY8508 USB-CAN适配器, 产品配套光盘提供了与该适配器配套的DLL动态连接库文件, 用户可采用VC/VB软件编写自己的应用程序, 完全不需要了解复杂的USB接口通讯协议, 就可进行CAN系统应用软件产品的二次开发。本文案例采用VC软件编程。
使用动态链接库进行CAN系统应用软件产品的二次开发的方法比较简单。GY8508 USB-CAN适配器随机光盘中会提供开发用库文件:VCI_CAN.lib, VCI_CAN.DLL, Si Usbxp.DLL, VC用函数声明文件:Control CAN.h。在VC环境下编程时, 只要把Control CAN.h添加进应用工程, 再将动态链接库文件拷贝到开发软件目录, 就可使用封装在动态链接库中的CAN接口函数了。
使用GY8508 USB-CAN适配器进行CAN收发通信的过程可以归结为以下几个步骤。
(1) 连接设备
VCI_Open Device (m_Dev Type, m_Dev Index, Reserved) ;
VCI_Open Device库函数用于连接设备, 该函数有三个参数:m_Dev Type, m_Dev Index, Reserved。m_Dev Type为具体设备类型的宏定义, 包括USB、RS232、NET以及PCI等接口的适配器种类, 本例使用的USB接口的CAN适配器的宏定义参数是3;m_Dev Index、Reserved为采用RS232接口时用于标明串口号及波特率的参数, 本例不用, 可填0。
(2) 初始化CAN接口参数
VCI_Init CAN (m_Dev Type, m_Dev Index, CANIndex, Init Info) ;
VCI_Init CAN库函数用于初始化CAN接口参数, 该函数有四个参数:m_Dev Type, m_Dev Index, CANIndex, Init Info。前两个参数含义及取值同上。CANIndex为适配器的CAN通道数, 本例只使用一个通道, 故可填0, Init Info为VCI_INIT_CONFIG结构体指针类型变量, 用于初始化CAN的配置参数, 在调用VCI_Init CAN函数之前需要填充该结构, 填充实例代码及说明如下。
(3) 启动CAN控制器及中断
VCI_Start CAN (m_Dev Type, m_Dev Index, CANIndex) ;
VCI_Start CAN库函数用于启动CAN控制器及中断, 该函数有三个参数:m_Dev Type, m_Dev Index, CANIndex。三个参数含义及取值同上。
(4) CAN消息帧发送
VCI_Transmit (m_Dev Type, m_Dev Index, Can Index, sendbuf) ;
VCI_Transmit库函数用于CAN消息帧的发送, 该函数有四个参数:m_Dev Type, m_Dev Index, Can Index, sendbuf。前三个参数含义及取值同上。Sendbuf为VCI_CAN_OBJ结构体指针类型变量, 在调用VCI_Transmit函数之前需要填充该结构, 填充实例代码及说明如下。
(5) CAN消息帧接收
VCI_Receive (m_Dev Type, m_Dev Index, Can Index, recvbuf) ;
VCI_Receive库函数用于CAN消息帧接收, 该函数有四个参数:m_Dev Type, m_Dev Index, Can Index, recvbuf。前三个参数含义及取值同上。recvbuf为VCI_CAN_OBJ结构体类型变量, 当CAN接口有消息帧到达时, 会填充该结构, 在接收中断中可从该结构中获取接收数据。
接收实例代码及说明如下。
(6) 关闭连接
VCI_Close Device (m_Dev Type, m_Dev Index) ;
VCI_Close Device库函数用于关闭与设备的连接, 该函数有两个参数:m_Dev Type, m_Dev Index。参数含义及取值同上。
4 结束语
本文结合信息系统模拟仿真训练系统数据通信的实际需求, 给出了一种将PC机服务器软件与嵌入式平台软件通过CAN总线进行互联互通的技术实现方案, 详细分析研究了GY8508的USB接口CAN总线适配器及STM32F107VCT bx CAN总线接口的软件设计方法, 文中的代码稍加改造就可用于实际系统的应用开发, 对于进行信息系统模拟仿真训练系统研发的技术人员具有一定的指导作用。
参考文献
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[2]胡洪坡, 梁书剑, 杨华, 等.STM32F107VCT6平台的bxCAN标识符过滤技术与应用[J].单片机与嵌入式系统应用, 2012, 12 (10) :16-18.
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[4]张培仁.CAN总线设计及分布式控制[M].北京:清华大学出版社, 2012.
[5]陆彬.21天学通51单片机开发[M].北京:电子工业出版社, 2010.
信息系统仿真 篇2
从多学科系统仿真技术的发展看制造业信息化建设
仿真技术发展到今天,已经成为了工程设计领域的.一种必要手段,并贯穿于设计创新的全过程.多学科系统仿真技术作为最重要的分支之一,在复杂机、电、液、气、磁系统的设计中发挥着越来越重要的作用.
作 者：李京燕 Li Jingyan 作者单位：世冠工程(北京)有限公司 刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008 “”(14) 分类号：V2 关键词：物流系统仿真研究综述 篇3
摘要:文章从系统建模方法和前沿仿真技术的角度对物流系统优化与仿真进行评述,介绍了建模方法和仿真技术,分析其在物流系统中的运用以及物流系统仿真的主要进展和存在的问题,最后指出物流系统仿真进一步的研究方向。
关键词:物流系统;仿真软件;建模方法;仿真技术
中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)10-0136-02
物流系统的优化,往往是在一定约束条件下,实现物流总费用最省、客户服务水平最好、社会经济效益最高的综合目标。但是,物流系统大多是离散的、复杂的大系统,包含多约束多因素的影响,难以达到最优状态,传统的运筹学方法无法对建立的模型进行有效求解,而仿真技术在解决这类问题时有其独到的优势和特点,因此许多专家学者对物流系统仿真领域进行了大量的研究,以求使物流系统的价值潜力得到最大的发挥,提高企业的效率和利润。
1物流系统建模方法
系统建模是系统仿真的基础,也是系统仿真的必要过程,模型的质量直接影响系统仿真的效果。在离散事件系统建模方面,通常有三种系统建模方法:面向事件的建模方法、面向活动的建模方法以及面向进程的建模方法,具体表现为: 实体流图法、活动周期法、Petri网方法。
1.1数学建模方法
数学建模方法就是根据一般的理论、方法、设计行规、行业标准等,按具体要求建立一个能体现设计问题的数学模型,再利用计算机编程或最优化方法找出它的最优方案,使问题得到满意的解决。在物流领域的研究中,数学建模方法主要是指传统的运筹规划方法。
1.2Petri网建模方法
Petri网是1960年由卡尔·A·佩特里发明的,面向进程的建模方法。Petri网是对离散并行系统的数学表示,有严格的数学表述方式、直观的图形表达方式和丰富的系统描述手段与系统行为分析技术。Petri网能较好地描述系统的结构,表示系统中的并行、同步、冲突及顺序等关系,以图形表示的组合模型,具有直观、易懂和易用的优点。
1.3活动网络建模法
活动网络是面向对象的建模方法,它是一个包含活动逻辑顺序的有向图,活动网络由外部或者内部事件控制。根据对象建模思想,活动网络可以看作各种对象组成的网络,为了实现活动网络的设计与仿真,要求对象包含控制仿真运行的算法,评价仿真结果的机制,包括不同层次评价一致性保持机制,以及支持仿真模型开发的方法。
1.4实体流图建模法
实体流图法属于面向事件的建模方法,与计算机程序流程图的画法类似,借助实体流程图,可以表示事件、状态变化及实体间相互作用的逻辑关系。虽然计算机程序框图的思想和编制方法简单,但对离散事件系统的描述却比较全面,已广为人们所接受。
2物流系统仿真技术
系统仿真是指通过建立和运行系统的计算机仿真模型,来模仿实际系统的运行状况及其随时间变化的规律,通过对仿真运行过程的观察和统计,得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性,以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。目前,仿真技术主要包括仿真软件和仿真编程语言。仿真软件主要有Arena、AutoMod、Witness、Flexsim等,仿真编程语言主要是Borland C++、VB等原始编程语言。
3建模方法和仿真技术在物流系统中的应用
在现代物流系统中,由于物流系统的不确定因素和离散复杂性,用传统的运筹学方法很难达到系统优化的目的,现在的前沿技术是把建模技术和仿真技术相结合。具体做法是首先选择合适的建模方法建立模型,然后选择合适的仿真技术进行仿真,对参数进行控制得到仿真数据,对数据进行科学合理的分析达到系统优化的目的。
在Petri网应用方面,文献[5][6][7]分别对不同的物流系统进行了研究。对三篇文献分析可以看出Petri网是离散性、随机性复杂系统建模的主要方法,大多学者都有采用。
彭晨,岳东应用Petri网对煤炭供应链物流及供应流运行过程建模,并结合煤炭供应链的过程建模运用VB编程完成可视化仿真,分析煤炭供应链中存在的问题和运营瓶劲。用原始仿真语言VB编程的不足是在对模型进行仿真分析时无法形成三维动画。
詹跃东,骆瑛对烟草行业的卷接包车间的AGVS进行分析,用Petri网对该AGVS进行建模,并用Arena仿真软件进行仿真研究,以此证明模型的有效性。作者利用了Arena软件强大的功能模块ALLOCATE实现了AGV以最短路径进行工作,提高了AGVS的效率,但没有实现AGV的智能化,不能随时应变实际系统所发生的情况。
张颖利,邵明习以某微型汽车厂总装车间的生产物流过程为实例,采用Petri网进行建模,利用VB编程实现生产线的仿真研究。作者虽然通过建模仿真找到了生产线存在的问题并有效解决,提高了效率,但此模型的前提假设与实际系统有偏差,有一定的局限性。
当今,传统的数学建模方法仍然占有相当重要的地位,尽管复杂系统很难实现数学建模,但由于新的建模方法还有待进一步研究完善,传统的数学建模方法仍然在某些领域得到广泛使用。
孙娟,尹军琪,宁建国通过数学和物理建模,并利用VC++编程,实现了用动画技术对物流系统进行仿真。这种技术可以模拟系统的整个工作状态,估测系统的输送能力,与用户进行简单交互。它的突出特点就是利用VC++中的MFC类实现仿真编程,与实际系统较为接近,最重要的是该模型具有二次开发的潜力。
郭士正,卢霞以奶品零售分销系统为实例,对仅有制造商与销售商的二级供应链系统建立了具有选址和市场顾客配置的供应链混合整数规划模型,采用遗传算法求解,证明了模型的有效性。其模型可以在一类广泛的服务销售的供应链管理问题中推广,这是该研究的创新之处。
王英凯,安晓东提出了一种基于遗传算法的物流配送最佳路径选择的数学模型,通过对实例的仿真分析证明该模型能较好地满足不同类型的约束要求,在时间上相对于传统的线性规划算法有很大节省,对解决类似的多重目标约束问题非常有效。
如今,许多仿真软件的功能强大,不但可进行实体建模,还可通过对模型的参数控制,使模型运行过程中的数据以图表的形式显示出来,供决策者分析数据而找到满意的决策方案。
张汉江,肖伟等人对基于虚拟现实的自动化立体仓库可视化仿真辅助设计问题进行了研究。使用仿真软件Flexsim,以自动化立体仓库中的设施数量、操作规则为控制变量,建立自动化立体仓库的物流仿真模型,经过多次仿真得到最优控制变量和布局方案。
翁贻方,张增辉,廉小亲等人利用AutoMod仿真软件,对加工生产线物流系统进行建模、仿真运行、统计分析与优化设计。对仿真得到的数据进行单一参数分析得到各小车的参数范围,再从总体上进行参数组合分析,最终得到三种小车的最优参数值,实现以小车最小成本达到最大产出的目标。
蔡洌,李世其基于活动网络建模方法,并与面向对象建模技术相结合提出了一个基于活动网络的生产系统仿真集成对象模型,能够实现同一仿真模型中不同观点、不同层次的集成。文献论述了模型的建模方法,并通过对某铝卷料生产企业的生产活动建模实例分析,验证了其可行性。
4结 语
通过分析、总结和比较国内外研究现状,在物流系统仿真的研究实践中,系统优化与仿真作为解决复杂物流系统问题的有效手段,已经广泛应用于各种物流系统的研究领域。将合适的建模方法和仿真技术有效地进行结合,成为研究物流系统优化与仿真问题的主流手段,也是物流系统优化与仿真的主要发展方向。对于建模方法,传统的数学建模仍占有重要的地位;对离散性随机复杂系统的建模,Petri网的使用则极其广泛,并凭借其独到的优势被许多专家学者所接受。对于物流仿真技术,功能强大的仿真软件和工具的开发以及和建模方法的集成将成为未来研究的热点,而面对对象仿真、分布式交互仿真、智能仿真将成为其进一步的发展方向。
参考文献:
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[2] 朱卫锋,费奇.敏捷后勤仿真设计与实现[J].计算机仿真,2003,(6).
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[5] 詹跃东,骆瑛.基于Petri网的物流自动化系统建模与仿真研究[J].系统仿真学报,2001,(4).
[6] 张颖利,邵明习.企业生产物流的建模与仿真[J].物流技术,2005,(12).
[7] 孙娟,尹军琪,宁建国.动画技术在物流仿真系统中的应用[J].起重运输机械,2003,(9).
[8] 郭士正,卢震.二级供应链建模及仿真研究[J].集美大学学报(自然科学版),2004,(4).
[9] 王瑛凯,安小东.基于遗传算法的物流建模与仿真分析[J].中北大学学报,2005,(6).
[10] 张汉江,肖伟,罗端红,等.辅助自动化立体仓库设计的可视化物流仿真[J].系统工程,2006(3).
[11] 翁贻方,张增辉,廉小亲,等. 基于AutoMod的物流系统建模、仿真与优化[J].微计算机信息,2007,(8).
信息系统仿真 篇4
关键词：用电信息采集系统,微功率无线,信道仿真系统
0 引言
随着能源的日趋紧张和用电需求的迅速增长, 许多国家都在积极发展智能用电技术。就我国目前形势而言, 建立安全可靠的用电信息采集系统是建立智能电网不可或缺的一部分。
目前的用电信息采集系统中, 本地通信方式大都采用RS485总线和电力线载波方式, 但这两种通信方式都存在着诸多缺点和不足, RS485总线通信方式安装调试复杂、易遭到人为破坏, 电力线载波方式存在信号衰减大、噪声源多且干扰强以及受负载特性影响大等问题, 对通信的可靠性形成一定的技术障碍[1]。已在小范围试点运行的微功率无线通信方式由于具有施工简单、成本低、适应性强等优点, 得到了广泛的关注。
国外在将微功率无线通信技术应用到用电信息采集方面的研究比较早, 自动抄表系统的理论和技术目前己经比较成熟, 在发达国家 (如美国、日本、英国等) , 基本都实现了自动远程抄表[2]。在我国的用电信息采集系统中, 470~510 MHz免申请频段的微功率无线通信方式的成功应用, 使得对于这种通信方式的研究逐步发展起来, 然而, 目前已有的无线通信性能评估系统的功能和性能指标不能完全满足对现有多种无线通信产品性能评估的需求, 国内对于微功率无线通信方式用电侧的无线通信产品的性能评估技术发展相对滞后。
1 国内外研究现状
无线通信产品在用电侧计量设备中的应用, 要求建立完善的产品性能测试系统, 以便全面、准确地考核用电侧所应用的各种通信设备的性能, 为数据传输的可靠性以及通信设备的质量提供保障, 提前发现实际使用过程中存在的隐患。
近年来, 由于数据通信技术需求的推动以及半导体、计算机领域等相关电子技术的快速发展, 无线信道仿真技术发展迅速, 基于软件或硬件均可实现无线信道的模拟仿真。目前软件实现方式上多采用MATLAB、C++编程, 可实现对信道各项参数的仿真设置, 这种方式操作简单、成本低, 适合于学术研究, 但不适用于实际产品的检测;硬件一体化无线信道仿真器也已有成熟的产品, 其中以美国Spirent公司和芬兰的Elektronbit公司的产品较为多见。但这些较为成熟的无线信道仿真设备多针对无线公网如GPRS、CDMA等信道的测试, 通信频点、测试模型以及测试方式上均不适合微功率无线通信信道的环境, 因此目前基于硬件仿真实现这一特定频段、特定通信方式和特殊通信环境的微功率无线通信信道的仿真还处于研究阶段。
目前, 国内有部分微功率无线产品生产厂家也在研制微功率无线通信的检测系统, 这些检测系统只能根据经验值实现对信号损耗的一个模拟, 不能实现对诸如多径衰落、噪声以及衰落类型等信道参数的仿真, 因此这些系统并不能够模拟真实的信道环境。此外, 这些检测系统只能实现对自己产品的检测, 无法实现微功率无线通信产品的互联互通检测, 因而无法大规模应用到实际的微功率无线通信产品的性能检测评估中。
2 微功率无线通信信道分析
2.1 微功率无线通信环境及信道参数分析
微功率无线通信技术是采用频率调制方式把信息加载在470~510 MHz高频电磁波上, 利用空间传播来进行数据通信的方法[3]。其通信特点在于自组网, 采用分簇的Ad hoc分级网络结构, 按照集中器模块内部的智能电能表地址信息, 模块自动组网, 电能表模块不仅可以传输自身的用电信息, 还可为其相邻的电能表模块转发数据, 这使得从电能表到集中器存在多条有效路由, 当某条路由中断时, 无线自组织网络中可立即启用另一路由继续进行数据传输。微功率无线通信设备组成示意如图1所示。
在实际的通信环境中, 集中器并不是采集每个电能表的数据, 而是根据自组网的特点采集相对距离较近的节点信息或者主表位的信息, 从而获得整个小区的用电信息。
对以上环境的分析以及对大量文献研究表明, 虽然微功率无线信道与传统的移动信道一样, 发送的无线电波经历大量反射、散射和绕射造成多径色散[5], 但微功率无线通信信道又同传统的移动信道存在差别。
1) 传统的移动信道为高基站天线、低移动天线, 信号色散的主要原因是固定物体 (如建筑物) , 相比较而言, 人和车辆的移动可以忽略。微功率无线信道的天线都较低, 抄表环境存在于室内或室外, 建筑物、人和其他物体在低高度移动台天线周围的移动都会造成信号的变化。
2) 传统的移动信道的多普勒频移较明显, 而在微功率无线环境中不存在发射端与接收端相对的快速移动, 因此微功率无线信道的多普勒频移可忽略。
3) 微功率无线传播距离比移动信道的要短, 因而传播时延和多径时延差小得多。对微功率信道而言, 最大传输时延约为10μs, 而移动信道会受远处物体, 例如丘陵、山脉、高大建筑物等影响, 附加时延大于100μs。
微功率信道也受到气候、环境、距离等各种因素的影响, 接收到的信号幅度和相位是随机变化的, 必须考虑快衰落、深度平坦衰落、长扩展时延等因素[6], 通信速率高时还要考虑频率选择性衰落等各种不确定因素。
2.2 微功率无线产品检测指标分析
根据现有的一些标准[4], 微功率无线产品的检测包括发射性能测试、接收性能测试、组网性能以及协议分析测试, 这些主要的测试类别中包含对接收信号灵敏度、频偏、误差矢量幅度、抄表时间、抄表成功率等一系列指标的检测和分析。如果在实际的环境中测试, 需要耗费大量的人力和物力, 且需要反复测试产品特性, 可行性较差, 因此迫切需要在实验室环境下建立微功率无线信道的仿真系统, 以便于实现对微功率无线通信产品的检测, 进而建立和完善可靠的用电信息采集体系。
3 系统仿真
3.1 系统概述
本文研究建立了一个无线信道仿真平台来建立对微功率无线通信产品的检测能力, 实现对470~510 MHz微功率无线模块的指标检测。此系统可以全面模拟用电信息采集系统本地通信信道的信号损耗特征、多径衰落特征、信号频移、相移特征以及噪声特性, 并且实现了信号的双工通信, 解决了单向链路无法模拟这一特定通信技术特点的难题, 可完成集中器模块向微功率电表模块发送命令、电表模块回复数据的双向通信过程, 在测试过程中注意信号的屏蔽, 可以实现对外界干扰和噪声的有效隔离, 以实现被测集中器模块与电能表模块的良好通信。
无线仿真测试仪器连接框图和仿真系统功能框图分别如图2、图3所示。
本文的信号模拟方案主要由Agilent公司的N9020A MXA频谱分析仪、N5106A PXB接收机测试仪、E4438C矢量信号源构成。其中E4438C和N9020A完成信号的变频转换, N9020A将用户需要衰落的RF信号下变频到中频, E4438C将模拟后的信号上变频到RF输出, N5106A可设置信道参数完成对中频信号的信道模拟。
为了验证系统可行性, 需采用确定信号以方便对比输入输出信号, 因此, 本文的仿真实验均采用安捷伦E5515C作为信号源, 发送连续波信号。
3.2 传输环境分析及系统仿真
为了验证系统的可行性, 本文对用电信息采集系统的本地通信方式——微功率无线通信的无线信道涉及的各个信道参数进行了仿真, 并对仿真结果进行了分析。
3.2.1 信道衰减
设置频率f=475 MHz, 幅度为-20 d Bm。经测得输入信号的带宽B=63.35 k Hz, 周期T=2.115 ns。输出信号频谱如图4所示。
设信号衰减为10 d Bm, 则接收信号幅度为-30 d Bm, 图4为经过无线信道仿真系统后信号的频谱分析, 输出信号的幅值为-30.75 d Bm, 在可接受误差范围内。
在实际的测试中, 系统最大衰减量能达到-136 d Bm, 可以满足在可接收到信号条件下任何微功率环境的参数模拟。
3.2.2 多径效应
在实际的微功率环境中, 电能表和集中器的安放位置各不相同, 对于一些旧的住宅小区, 电能表多安装在楼道内, 集中器安放在楼外的配电箱内, 对于新建的一些住宅小区, 电能表和集中器往往都安置在地下室的配电室中, 还有一些农村环境下信道的情况也不尽相同, 但由于环境中障碍物的反射、绕射和折射现象, 信号一定会产生多径效应。
根据时间弥散性, 当满足信号带宽大于相关带宽时, 信号产生串扰。对于多径幅度, 在距离信号源较远的地区, 直射波由于扩散损耗较大而很弱, 或者由于遮蔽而没有直射波, 仅有大量反射波, 衰落服从瑞利分布[7]。
测得本文的输入信号带宽B=63.35 k Hz, 因此多径时延需满足τ>15.8μs时才会对不同频率的信号产生频率选择性衰落。
根据以上理论基础, 对信道的多径时延进行了仿真分析, 仿真参数为:多径时延τ=[0, 0.1, 0.5, 17.2, 50], 单位为μs, 5条时延信号的频偏f=[0, 5, 10, 2, 15], 单位为Hz, 相移θ=[0, 7, 15, 18, 20], 单位为度, 信号功率幅度服从瑞利衰落。
多径效应频谱和多径效应时域波形分别如图5和图6所示。
图5记录了3个不同时刻信号的频谱图, 从图中能清楚地看到信号发生了频率选择性衰落。图6为信号时域波形, 经过多径效应的信号幅度都发生了较大的波动。频率幅度数据统计见表1所列。
表1记录了频率和幅度的变化, 可以看出由于信号受多径效应的影响, 幅度的变化范围波动较大, 从3.10~21.13 m V, 即从–37.2~–20.5 d Bm变化, 由此可见, 多径效应引起信号发生了频率选择性衰落。
本文建立的仿真系统可最多模拟24条路径, 多径延时可达2 ms, 且每条路径都可设置发射角度与到达角度, 因此可以满足微功率无线环境的测试。
3.2.3 其他参数仿真
微功率无线环境下的噪声为高斯白噪声, 在实际的仿真中, 可根据实际环境下的信噪比来产生相应的高斯白噪声, 仿真系统信噪比可达–30~30 d B。可在0~360°范围内生成任意角度的入射角、出射角的信号。此外, 可根据衰落特点设置衰落类型, 包括Rayleigh、Rician、Suzuki、对数正态分布等。
4 结语
本文分析了用电信息采集系统中微功率无线信道环境的特点, 根据微功率信道特有的特点, 建立了适合于微功率无线通信产品的检测系统, 完成集中器与电能表的双向链路通信检测, 通过大量的实验验证, 整理了大量的数据和试验结果。从理论上分析了系统的可行性, 可用于对微功率无线产品的检测。
参考文献
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焊接虚拟仿真培训系统 篇5
焊接是一项对过程要求很高的工作，在现有的手工焊接生产中，采用MAG/MIG焊接的约占50%，TIG焊接约占30%，MMA焊接约占20%；如：在造船行业中，MAG约占70%，MMA约占30%；那么，这就需要焊工要有扎实的操作手法、规范的动作。而在焊接培训过程中传统方式存在以下多种问题：（1）消耗大量的焊条(丝)、焊件和保护气体等材料；（2）对学员的培训过程难以准确掌握；（3）对学员的焊接水平难以评价；（4）培训效果不尽理想；
（5）培训过程环境污染严重，有害健康；（6）培训过程安全性差。
2、项目实施目的
1）减少甚至避免焊接练习过程中强光、高温、明火及烟尘以及有毒气体的产生，全面保护教师和学员的身体健康；
2）减少或者避免焊接实训过程中对空气污染的有害气体的排放，防止对环境造成污染；
3）能够让无工作经验的学员快速、真实的投入到焊接实训中，提高培训效率，避免由于无经验操作产生的事故。同时能够让有经验的训练者有更高的训练平台，提高焊接技术；
4）节省真实焊材、工件等焊接材料以及工业用电，降低培训成本； 方便教学。
3、焊接仿真模拟器概述
电焊操作训练模拟器系统是由武汉科码软件有限公司独立自主研发的焊接虚拟仿真培训系统。该系统是基于虚拟计算机系统，是以中高度仿真的教学培训系统，能让学员在接近真实的模拟环境下进行焊接技术的训练。该系统能促进焊接技能向实际工况焊接的有效转换。与传统的焊接培训相比减少了焊材的浪费。
该设备结合了：焊工的动作、仿真焊接焙池、焊接声音及焊接手感，使用该系统的受训者能够感受到几乎真实的焊接过程。
电焊模拟实训系统是新一代环保、节能、通用型操作技能实训与评价平台。该系统采用分布式仿真实训技术、虚拟现实技术、微机测控技术、声音仿真技术及计算机图像实时生成技术。在不需要真实焊机的情况下，通过仿真主控系统、位置追踪系统，将焊接演练过程中焊枪的位置、速度和角度等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝。
该系统将仿真操作设备、实时3D技术及渲染引擎相结合，演练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，学员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时听到相应的焊接音效。
该系统与传统的焊接技艺教学能有机的融合在一起，是实现灵活、高效、安全、节约、绿色无污染的焊接模拟培训教学与考核的最佳教学方法。
通过电焊模拟实训系统，学员不仅仅可以获得与传统实训相同的操作经验，同时通过系统内置的数据采集、智能专家辅助模块和量化考核评价系统等一系列先进独特的教学功能，配合合理明晰的焊接知识穿插讲解，使学员可以获得在传统教学实践过程中难以量化的精确焊接培训指导，大幅度提升学员在培训过程中的方向性和目的性，有效缩短学员的培训周期，降低教师的教学负担，达到以低成本、低投入实现“精教、精学、精炼”的焊接培训机制。
电焊模拟器主机效果图
电焊模拟器设备图片
4、技术基础
当操作者进行训练时，系统中的多个传感器将获得的多个焊枪实时参数反馈给计算机，计算机对数据进行处理分析，并在显示装置和音响上显示相应的焊接画面和焊接声音。焊接实训设备应具有以下技术：
1、数字图像处理、信息技术。
2、计算机图形学、传感与控制技术。
3、多种焊接操作技术、安全操作规范。
4、融多项高新技术于一体，呈现代职业教育之先进手段。
5、新型的焊接训练实训设备是一种低成本、高效率、现代化的焊接训练解决方案。
焊接模拟器技术原理图
5、视景仿真系统结构
焊接模拟器视景仿真系统结构图
各个模块应具有的功能如下：
1、数据输入模块主要负责将焊接工艺参数和焊枪运动参数状态信息传递给焊接仿真模型模块和仿真引擎模块。
2、仿真模型模块主要负责对工件、焊枪等焊接仿真环境进行静态几何建模, 完成焊缝模拟、烟、光照、火光、阴影、光照等特效3D图形渲染。
3、焊接仿真引擎是系统的核心，它主要探寻焊接工艺、焊枪运动状态参数和焊缝横截面几何参数之间的关系。
4、仿真结果输出模块包括评价系统模块和其它功能子模块。主要负责实时监测仿真状态, 输出动态仿真结果，分析、评价仿真过程数据。
5、具备培训效果可评估功能：具有实时可视的操控信息反馈、虚拟焊缝的实时检测指导、训练者操作技能的实时评估功能。
6、学员端系统功能与特点
1、性能与优势： 1）、多种焊接工艺。
本套实训设备可以模拟训练多种焊接工艺，焊条焊、气体保护焊、氩弧焊、，还可扩展直流焊、铝焊、气焊，并包含焊接共享资源库。
（1）焊条电弧焊模拟训练系统
焊条电弧焊模拟训练系统可模拟焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程的模拟系统。本系统可进行酸性焊条J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）、碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）的多种训练，并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训练。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到焊条电弧焊训练效果。
（2）CO2气体保护焊模拟训练系统
CO2气体保护焊模拟训练系统可模拟以二氧化碳气体作为电弧介质，保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的一种熔焊模拟系统。本系统可选用药芯焊丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707； 自保护焊丝：直径Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6。并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到CO2气体保护焊训练效果。
（3）氩弧焊模拟训练系统
氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点。并可对焊件进行多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到氩弧焊训练效果。
2)、三种焊枪
本套实训设备包含以下三种焊枪，与真实焊枪比例一致：焊条电弧焊枪、CO2气体保护焊枪及氩弧焊枪，操作过程中有焊条融化的缩短真实体验和焊条
自动更换功能，并能体验到操作手感。见下图：
3）多种接头（焊件）形式
本实训设备可以模拟多种焊接接头形式，对接、角接、T接接头形式以及I形、V形（单面焊双面成形）、Y形坡口类型。
系统还可模拟管对板，管对管接头的形式。还可扩展多种焊接形式。
4）、多种焊接位置
本实训设备有独立的操作台，可以在虚拟场景中灵活地调节多种焊接位置，让训练者无障碍进行平焊、立焊、横焊、仰焊等多角度焊接位置训练。示意图如下：
5）、能够真实的模拟焊接过程中的各种条件设置，引弧、焊接、收弧中的
各种手法，在焊接过程中具有自动换条功能，并能体验操作中的力量反馈感，电弧、明暗场、飞溅、焊缝、声效表现逼真。
6）、系统设置简单，虚实结合，通过真实的焊板、焊枪、示教器进行焊接训练；系统可提供完善的语音提示，焊接过程中可以通过图形及语音提示帮助学员校正操作姿势，辅助指导学员的培训过程与应用。
（1）该系统具有仿真示范教学功能，示范最佳的焊枪姿态（包括焊接速度、焊枪角度、焊枪与工件的距离和位置等）。
（2）系统可体验焊接过程中的的使用感觉，包括焊条的更换等。
信息系统仿真 篇6
关键词：谣言传播；平均场理论；正面信息；传播模型
中图分类号： G203 文献标识码： A DOI：10.11968/tsyqb.1003-6938.2016123
Abstract The rapid develop1ment of social networks makes it possible for people to spread rumors faster and wider than ever before， which affects people's normal life. Considering the phenomenon that government clarifies facts to refute the rumors through the traditional mainstream media and online media after the negative rumors occurred in the real life， the Susceptible-Negative-Positive-Removed （SNPR） model is firstly established by mean-field theory and used to describe the dynamic interaction of the rumors and positive information. Then， the model is simulated by the computer. Finally， the changes of various system parameters on the rumors spread effect is analyzed and compared. Simulation results show that there are three main factors influence the rumor spreading. Additionally， SNPR model itself contains the characteristic of inhibiting rumor spreading， and has important guiding significance for the later studies about rumor propagation model and the strategies of controlling rumors.
Key words rumor spreading；mean-field theory；positive information；spreading model
1 引言
在互聯网兴起的今天，在线社交网站（如Facebook、LinkedIn、Twitter等）以及即时通讯工具（如Skype、QQ、微信等）使得人们可以随时随地接触到各种各样的信息。特别是突发事件发生后网络上不可避免的出现一些恶意消息时（以下简称为谣言），而政府或权威组织针对这些谣言发布的反驳信息即为正面信息。如近年来陆续出现的“2011年抢盐风波”“2012年世界末日”“2014年马航事件”“2015年天津港爆炸事故”“2016年假疫苗事件”等引发的一系列谣言信息，扰乱人们的正常生活，影响社会的安定和谐。当谣言扩散后，为将它们扼杀在摇篮中，政府或有关权威组织会向大众公布事实真相，发布正面信息，化解谣言给人们造成的恶劣影响。由此，谣言和正面信息在网络中共存传播，两种相对立的信息传播之间会有怎样的相互作用，以及正面信息的加入对于谣言传播的抑制效果如何，都是本文着重研究的问题。只有深入分析谣言和正面信息的动态交互过程，了解网络中信息传播的特性，才能找到抑制谣言或有害信息传播的有效措施。
现实生活中存在多种信息传播并存现象，如多种计算机病毒在计算机网络中的传播，多种传染病在人群中的传播以及多种谣言的传播等。目前对存在相互作用的多信息交互过程建模的研究尚处于起步阶段。文献[1]中指出多病原体共同传播问题将成为未来传播领域的一个新的研究热点。杨峰等[2]首次尝试研究良性蠕虫的引入是如何影响蠕虫的扩散过程的，演示了蠕虫和良性蠕虫间的一些非线性交互而产生的多种不同响应；周翰逊等[3]基于传染病模型原理，用数学模型刻画了混合的结构化良性蠕虫对抗蠕虫的传播过程，总结了影响传播的关键因素；Ahn等[4]研究了无标度网络中两种病毒的传播动力学模型，其中一种病毒感染节点，另一种治愈节点。该模型描述了基于反馈免疫系统网络中的流行病传播的临界值取决于无标度网络的幂指数；Trpevski等[5]基于Susceptible-infected-susceptible（SIS）模型研究分别称为谣言1和谣言2的两种不同类型的信息在网络中同时传播的演化过程；王筱莉等[6]研究具有怀疑机制的谣言传播模型，数值仿真结果表明谣言真相传播率对于谣言传播过程中的重要作用，可以减缓谣言传播的速度，减小谣言传播的最终影响；Xia等[7]引入权威信息提出了一个两阶段的谣言传播模型，第一阶段仅有谣言传播，第二阶段权威信息发布后与谣言共存传播。
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真实社会网络中存在谣言出现后，政府或有关权威组织通过主流媒体或网络进行辟谣的现象。而现有的很多谣言传播的研究大都涉及单一谣言的建模[8-10]，或是从信息传播层面分析影响大众传播行为的关键因素[11-15]，考虑多信息共存的研究工作[2-7]仍然较少。为了更加合理的描述谣言和正面信息的交互传播过程，深入理解两种信息共存情况下的交互传播机制，本文采用复杂网络传播动力学中常用的平均场理论建立相应的常微分方程组表征动力学交互过程的SNPR模型，并对该模型进行仿真，根据仿真结果分析影响谣言传播的关键因素。
2 改进的SNPR模型
事实上谣言在网络中的散布与病毒的传播和扩散很相似[16]。借鉴病毒在网络中的传播特性以及传播过程中人群的状态分类方式，本文结合社交网络中用户对待谣言等信息的态度，将网络中的用户状态分为四类：未知者、谣言感染者、正面信息传播者、免疫者。未知者表示该类用户既没有被谣言感染也没有被正面信息感染。谣言感染者表示该类用户被谣言感染但没有被正面信息感染。正面信息传播者表示该类用户被正面信息感染，是正面信息的传播者，包含那些正面信息的发布者和相信权威信息并传播的用户。免疫者表示该类用户既不会被谣言感染也不会被正面信息感染。将网络中所有用户看成是节点，好友之间的关系看成是边。网络图中节点在未知的易感状态（Susceptible）S、谣言感染状态（Negative）N、正面信息状态（Positive）P和免疫状态（Removed）R之间的转移遵循以下传播规则：
（1）如果一個易感节点与一个谣言感染节点接触，则易感节点会以概率β成为谣言感染节点，如果与一个正面信息节点接触，则易感节点会以概率μ1成为正面信息节点，β称为谣言感染率，μ1称为正面信息对未知者的感染率；
（2）如果一个谣言感染节点与一个正面信息节点接触，则谣言感染节点会以概率μ2成为正面信息节点，μ2称为正面信息对谣言传播者的影响力；
（3）易感节点、谣言感染节点、正面信息节点分别以概率α1、α2、α3变为免疫节点，α1、α2、α3称为用户自身因为遗忘或信息过时等原因不再传播也不被感染的免疫率；
因此谣言和正面信息并存的信息传播模型可以用不同类型节点的状态转移图表示（见图1）。
此外，在仿真过程中设置参数时，假定现实生活中和谣言相比人们更愿意相信权威组织或政府发布的正面信息，即设置谣言感染率β=0.01，是正面信息感染率的μ1=0.02一半。在谣言和正面信息交互感染状态下（见图2（d）），我们发现谣言传播的感染密度n（t）和图2（b）中只有谣言传播的情况相比从70%的峰值减小到图2（d）中的40%左右，且谣言被遏制的时间提前到t为20左右，正面信息的感染峰值相对图2（c）中的峰值也减小了。这些都说明在人们更愿意相信正面信息的情况下，政府通过官方辟谣或是权威媒体的澄清事实确实能够有效的抑制谣言的传播。显然这取决于正面信息对健康者的感染率和谣言对健康者的感染率β之间的关系。下面具体讨论系统初始值和参数值的变化对于交互状态下谣言传播的影响。
（1）分析谣言初始传播节点数N0与正面信息节点数P0的相对变化对谣言传播的影响，设置参数N0和P0的值（见图3），其余参数的值不变。从图3（a）和（c），（b）和（d）纵向对比可以看出P0从1增加到10，可以一定程度上抑制谣言传播。特别是在谣言传播初期，当谣言传播节点N0的数量还是10 的时候就加入正面信息进行辟谣，可以很快的将谣言扼杀在摇篮中。反映到现实生活中的情况，当有谣言出现后，政府或权威组织通过官方媒体澄清事实紧急辟谣可以有效遏制谣言的进一步扩散。
（2）分析谣言感染率β和正面信息感染率μ1的相对变化对交互传播过程的影响。当正面信息对谣言传播者的影响力μ2=0.005不变的情况下，谣言感染率β和正面信息感染率μ1分别对交互传播过程有所影响（见图4）。从图4（a）-（c）可以看出，β不变时，正面信息的感染率μ1越大对谣言抑制的效果越好。这就要求政府及相关权威机构在网络谣言发生后，应该选择有公信力的媒体发布事实真相，有针对性的辟谣。
反之，若政府发布的权威信息具有一定的模糊性，如马航事件中马来西亚政府发布的所谓官方权威信息，从图4（c）中可以清楚的看出，μ1较大时，即人们愿意传播马来西亚政府发布的模糊正面信息。这会使得大众陷入一个对正面信息是否权威的质疑中，反而增加人们探究真相关注谣言信息的注意力，即使在图4（c）谣言的传播峰值很小，但是因为模糊的正面信息的大肆扩散从而导致关注谣言的人数上升也是不利的。因此，权威机构在发布正面信息辟谣时应该确保信息的时效性和准确性，不能模棱两可。
当正面信息感染率μ1=0.02不变时，谣言感染率和正面信息对谣言传播者的影响力（μ2）的变化对交互传播过程的影响又不同。从图5（a）-（c）可以看出在μ1=0.02是β=0.01两倍的前提下，当正面信息对谣言传播者的影响力μ2大于谣言感染率β的一半时谣言即可得到一定程度的抑制。现实生活中刻意散播谣言者对正面信息往往是排斥的，因此，被谣言蛊惑的概率β往往高于正面信息对谣言传播者的影响力μ2。但是只要辟谣的权威机构如世界卫生组织、国家金融机构监管部门等努力提升自身公信力，使得人们相信正面信息的概率μ1大于谣言感染率β，并且在行政、技术和法律方面采取有效的措施，使得谣言散播者对于权威信息的相信率超过谣言相信率的一半即μ2≥β时，就能够有效的抑制谣言了。
4 结论
本文研究了现实生活中，谣言和正面信息并存情况下的谣言传播模型（SNPR模型）。通过数值仿真分析谣言和正面信息的动态交互过程，发现影响谣言传播的因素包括正面信息辟谣的时间点，正面信息的感染率，正面信息对谣言传播者的影响力等。当谣言出现时，权威组织或机构等通过权威媒体及时发布正面信息澄清事实确实能够在一定程度上抑制谣言的传播，正面信息辟谣的时间点越早越好，同时正面信息的发布需要掌握好一个度，确保信息的时效性和准确性，提高正面信息的准确性即加大正面信息的感染率。若发布的正面辟谣信息模棱两可，导致正面信息的准确性受到质疑，本来关注度较小的谣言可能会由于媒体铺天盖地的报道，激起人们探求真相的心理，重新引起人们对负面谣言的关注和重视，反而不利于遏制谣言的传播。此外，权威组织或机构应尽可能从道德和法律等多个方面共同发挥作用，在谣言出现时及时为大众普及相关科学知识，使谣言传播者及早的认清事实的真相，认识谣言的危害性，即加强正面信息对谣言传播者的影响力，减小谣言传播的影响范围，起到从本质上抑制谣言传播的作用。总的来说，在重大突发事件舆情应对时，权威组织或机构及时精准的辟谣才能够尽快的将谣言扼杀在摇篮中。
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作者简介：周姝怡（1982-），女，南京邮电大学管理学院馆员，研究方向：网络舆情；朱恒民（1971-），男，南京邮电大学管理学院教授，研究方向：网络舆情、数据挖掘；魏静（1982-），女，南京邮电大学管理学院副教授，研究方向：网络舆情。
信息系统仿真 篇7
卫生信息系统(healthcare information system,HIS)是利用电子计算机和通讯设备，为医院和卫生所属各部门提供患者诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取和数据交换的能力，并满足所有授权用户的功能需求。随着医学科技的快速发展和医疗设备的不断更新，医疗卫生管理也更加复杂和困难，卫生信息系统已成为提高医疗质量和效率，实现医疗事务科学管理的重要途径。随着医疗事业的迅速发展和医疗改革的不断深入，HIS也经历“单机单用户———部门级应用———医院级应用———区域医疗协同”4个发展阶段，对医院信息系统的柔性、互操作性和可扩展性也提出了更高的要求，特别是区域医疗协同需求[1]。
近年来，分布式组件技术、工作流技术以及基于XML的Web Service技术等多种新技术已经在企业应用集成领域得到了广泛应用，在医疗信息领域也得到了广泛关注[2,3,4,5,6,7,8]。虽然这些平台无关的技术和标准为医疗信息系统集成和数据共享提供了强大支持，但是存在一个重要问题———语义的欠缺[9]。平台无关的Web Service技术主要解决平台的异构性，实现异构信息异构医疗信息系统的可集成性，数据标准能够保证系统之间按照标准的数据格式进行数据传输，但这种基于语法翻译的系统交互方式在一定程度上降低了系统的松耦合特性，系统仍然可能成为更大的“信息孤岛”。因此，要有效解决我国医疗信息化建设中存在的问题[10]，仅有平台无关的技术和标准是不够的，还需要方法论层次的支持，才能更好地应对高层次的语义互操作需求。语义互操作已成为新一代分布式协同卫生信息系统实现医疗和电子病历共享所面临的基本挑战[11,12,13,14]!
2 基本概念
软件工程领域认为互操作性是一种软件属性，不同应用情景下其定义也略有不同，比如IEEE就提供了4种关于互操作性的定义。结合医疗信息领域集成需求，本文对互操作性定义为：由不同供应商提供的软硬件系统能够相互通信，理解和使用它们所交换的信息，并能协同工作(work together)的能力。一般来说，互操作可以分为语法互操作(syntactic interoperability)和语义互操作(semantic interoperability)。语法互操作主要关注系统之间是否能够通信和交换数据，如数据格式、通信协议等;语义互操作主要关注系统之间交互的信息是否能够被正确理解和使用，是否能够进行有意义的交互，即集成后的系统是否有意义，是否能够满足应用需求，这也是本文中语义的内涵(无特殊说明本文的语义互操作均表示此内容)。
为了对系统互操作性的内容进行细分，研究人员又提出了各种层次化的互操作模型，如技术领域的信息系统互操作层次模型信息系统互操作层次(levels of information systems,LISI)和NATO提出的互操作参考模型NMI。由于实现层次上有意义的互操作需要概念层次模型的可组合来保证，因此研究人员又提出了概念互操作层次模型(levels of conceptual interoperability model,LCIM)，如图1所示。LCIM进一步分区了可集成性、互操作性和可组合性3个区域：可集成性关注系统之间连接的物理和技术领域，如硬件或固件、通信协议等;互操作性涉及系统或软件的实现细节，主要关注数据的传输和表示，是狭义的互操作性;可组合性表示建模层次校验与校核，即软件或模型是否真实地表达了真实系统。
LCIM细分了7个不同层次的互操作性：L0表示独立的系统没有互操作;L1表示技术互操作性，要求系统之间遵守公共的通信协议，如TCP/IP,UDP等网络协议;L2表示语法互操作性，要求进行交互的系统采用统一的信息交换格式对数据进行定义和结构化，狭义的语法，如XML,HL7的消息模型;L3表示语义互操作性，又被称为静态语义，要求使用公共信息交换参考模型对数据的含义进行定义，是狭义的语义，如HL7 RIM;L4表示语用互操作性，又被称为行为语义，要求系统之间交互的数据的应用情景(使用)能够被系统所理解，即信息交换的情景被清晰定义，支持语用互操作的方法如UML、MDA等;L5表示动态互操作性，当系统随时间交互数据，其状态发生变化时，影响数据交互的假设和约束条件(应用情景)也相应发生了变化，动态互操作性要求系统能够理解应用情景随时间发生的状态转换;L6表示概念互操作性，如果系统的概念模型如对现实的有意义的抽象和假设能够被清晰定义，就达到了概念互操作性，它要求概念模型能够基于工程化方法进行文档化说明，能够被别的工程师理解和评估，而且向着能够被机器所理解(自动化)的方向努力。从概念的外延来说，L1、L2主要涉及语法方面，L3、L4、L5、L6主要涉及语义方面。
3 基于面向服务架构（service-oriented architecture,SOA）的卫生信息系统体系结构
3.1 过程驱动的卫生信息系统体系结构
在软件系统设计领域，具体应用与底层基础架构、系统设计与具体实现，以及业务逻辑与具体功能的分离是实现系统组件重用，减少重复开发的重要途径。现阶段SOA及其相关技术已成为区域医疗信息化公认的技术解决方案。SOA代表了一个开放、敏捷、可扩展、可联合和可组合的架构，包含了自制的、高服务质量的、厂商多样性的、可互操作的、可发现的和潜在可复用的服务，并使用Web服务来实现。SOA基于开放的、成熟的商业标准，使系统具备在大规模网络环境下的互操作性和可扩展性，真正实现了应用系统的按需组合;在保持医疗资源服务自治性的基础上，有利于资源的整合和局部更新。
一个稳定的可扩展体系架构的设计是卫生信息系统整体设计的核心，本文提出了一个过程驱动的可扩展区域卫生信息系统体系架构，如图2所示。各医院和社区服务机构根据标准的Web Service接口规范进行服务发布，用户和各应用系统根据各自需求通过注册中心访问相应的数据接口，建立专门的数据库或集中数据库，从而支持不同的应用。基层医疗单位可自行确定实现哪些服务接口，并进行发布，从而控制数据的分享程度。
3.2 基于过程集成的卫生信息系统集成过程参考模型
基于SOA的应用系统开发是一种自底向上的开发，强调通过服务组合来满足不同的应用需求，不同于传统分布式系统自顶向下分解后进行基于接口的集成。在SOA框架下，具体的集成应用应该通过组合服务进行构建。一般Web服务组合可分为静态组合、半自动组合和自动组合3种模式。静态组合是指在组合之前就已确定具体使用的服务实现，直接通过编码完成对服务的调用;半自动组合是指组合过程中没有确定具体使用的服务实现，仅建立了抽象的组合服务模型，通过提供服务需求信息在运行过程中动态发现和绑定服务;自动组合除了需要动态发现和绑定服务外，还需要自动地创建过程模型。静态组合难以满足不断变化的Web环境和应用需求，而自动组合大多通过智能规划来实现，其过程非常复杂，因此Web服务的组合大多针对半自动组合模式进行研究。本文所提出的基于过程集成的医疗卫生信息系统集成类似于半自动的服务组合，能够更好地应对我国医疗信息化发展不平衡的问题。基于过程集成的医疗信息系统集成过程参考模型，如图3所示。
4 基于模型驱动架构（model drive architecture,MDA）的建模与仿真分析方法
MDA[15]是OMG在2001年提出的一种先进的软件工程方法，提倡在模型层面(而不是代码实现层面)解决软件架构问题以及不同软件工具之间的集成问题，规定了相关的技术标准，如元建模规范MOF(元对象工具)、模型存储与交换规范XMI(XML元数据交换)、建模语言UML，模型变换语言QVT(查询视图/变换)等，试图实现直接基于建模语言进行编程，通过模型编译器直接将模型转换为可执行程序。遵循MDA的思想，主要研究以下内容。
(1)面向医疗协同的过程模型描述规范：现有过程建模方法或是针对一般的工作流过程，如业务过程执行语言BPEL、IDEF3、UML活动图等，或是过于抽象难以理解，如Petri网等，不利于领域人员建模。BPEL是一种面向Web服务的业务流程定义和执行语言，可将多个Web服务组合到一个新的复合服务，并且使用平台无关的XML进行标识和存储。Petri网的优势在于支持并发、异步、协同等的复杂过程描述。在充分借鉴2种过程建模规范的基础上结合医疗业务的特殊性，建立面向医疗协同的过程建模方法。
(2)基于元建模MOF的过程模型表示规范：在对各种元建模语言进行系统化比较研究的基础上，考察基于MOF进行元模型表示的可行性和优越性，设计基于MOF的平台无关的元模型表示规范。此外，为建模语言开发建模工具代价高昂，元建模技术是解决这个问题的方法之一。通过元建模，可以根据领域需要定制合适的元模型以定义领域建模语言，进而自动生成支持该建模语言的建模工具。MOF定义了元模型描述规范，而Eclipse图形建模框架(graphical modeling framework,GMF)则是元建模技术的一个具体实现。GMF是Eclipse的一个开源项目，为基于模型的图形化编辑器的开发提供了一个功能强大的框架。基于GMF可以为领域建模人员设计一个可视化的过程模型建模工具。
(3)过程模型到仿真模型的映射：系统工程方法的一个重要目标就是减少重复开发、节省时间和费用。采用仿真分析方法对过程模型进行校验，在项目实施之前就对医疗协作过程进行合理性分析和优化。阻碍仿真分析方法在模型测试领域广泛应用的一个原因是模型测试人员需要掌握相应的仿真规范!通过建立过程模型规范到特定仿真框架的映射，实现仿真分析过程的自动化，使得集成人员不需要了解具体的仿真规范和框架，只需要关注具体业务逻辑的实现。本文主要研究模型规范到高层体系结构HLA仿真规范的映射。
(4)面向服务的一体化集成开发环境：一体化集成开发环境的主要功能是在基于过程集成方法论的指导下，对以上各关键技术和规范进行整合，为区域医疗卫生信息系统的集成提供统一的过程建模与仿真分析工具。该环境主要涉及领域建模人员和系统集成人员两类用户。领域建模人员负责建立医疗领域过程模型;系统集成人员则根据过程模型进行仿真测试和集成开发。一个初步的一体化集成开发环境参考结构如图4所示。
该环境结构遵循MDA思想，采用Web Service技术，能够支持集成信息系统的分布式协同开发。领域建模人员可以在本地进行模型设计、仿真分析和开发，同时也可以将本系统模型通过Web Service通信接口上传到集成端进行集成设计。生成的仿真模型和集成应用系统通过Web Service通信接口调用被集成系统提供的远程服务。
5 结论
本文在深入分析我国医疗现状的基础上，充分利用系统工程理论、方法，以及先进的软件设计方法来指导和支持医疗卫生信息系统的设计、集成和开发，系方法论研究。本文的研究成果将会为医疗信息系统的设计、开发与集成提供更加科学的方法指导和更加有效的工具支持，同时也有利于推动医疗信息领域标准化进程，为医疗业务规范和管理制度的制定提供科学依据。下一步工作是开发和实现面向服务的医疗信息系统综合集成框架。
摘要：目的:针对我国卫生信息系统集成缺乏系统性的问题,以提高语义互操作性为目标,围绕面向服务架构(ser-vice-oriented architecture,SOA)环境下卫生信息系统集成的理论与方法论展开研究。方法:从系统工程角度对卫生信息系统语义集成问题进行分析,在建立卫生信息系统集成相关概念体系的基础上,深入研究面向语义的卫生信息系统集成方法论。结果:采用先进的软件设计方法为卫生信息系统的设计、集成以及基于仿真的分析提供指导和全过程支持。结论:本研究系方法论研究,有利于推动医学信息标准发展和管理规范的制定。
信息系统仿真 篇8
随着三维地理信息技术的发展,在“数字地球”、“数字城市”等方面得到了广泛的应用。三维地理信息系统(Geographic Information Systems,GIS)不仅能表达空间对象的平面关系和垂直关系,还能对其进行三维的分析和操作,给用户以更真实的感受[1]。由于三维GIS的形象化和直观性,利用其实现的各种模拟仿真分析,在环境、气象、海洋、地质、航空等诸多领域中的应用日趋成熟。
在三维地理信息系统中,经常会遇到由散乱点进行曲面拟合以仿真分析的问题。比如在城市环境监测中,城市的空气质量将由若干个监测点的监测数据经综合分析计算而得出。因此,国内外已有学者对如何根据有限的点计算出城市中任意位置的空气质量、并利用三维GIS建立仿真模型进行了深入的研究。
文献[2-3]提出了局部加权最小二乘逼近的方法,认为点(x,y)距离已知点越近,其值受已知点影响越大;反之,受其影响越小;当(x,y)趋于无穷远时,其值受已知点影响接近于零。文献[4]采用了基于中小规模散乱数据的径向基函数插值法。文献[5-6]分析了零集法、a-shape方法、基于Voronoi图的方法、基于局部曲面重建的方法、基于曲面局平特性的重建方法等,并提出了基于聚类分析的曲面重构方法以及自适应短距离逼近方法[6]。在此基础上,提出了一种基于距离比的加权平均值的空间散乱点曲面拟合方法,与现有方法相比,具有曲面跟踪特性较好、调节过程平稳的特性。
1 曲面拟合方法
本文所提出的曲面拟合方法由以下四个步骤实现:
(1)确定一个数学模型,解决散乱数据点集在三维空间内曲面拟合问题,其数学表示方法为:给定平面区域W内的某一散乱点集D={(xi,yi),i=1,2,…,n}及其对应点上的函数值{Fi,i=1,2,…,n},求一个二元函数F(x,y)使其满足[2]F(xi,yi)=Fi,i=1,2,…,n;
(2)将平面区域W平均划分成为(M-1)×(N-1)个网格(共有M×N个顶点),根据函数F(x,y)计算出每个顶点对应的函数值;
(3)根据每个顶点的值,计算出每个网格对应的颜色值;
(4)根据每个顶点的平面坐标(x,y)和值F(x,y),确定其三维坐标,并根据每个网格对应的颜色,在三维地理信息系统中生成曲面图形。
2 数学模型建立
考虑一个矩形区域W,已知其中n个散乱分布点的值是Fi,i=1,2,⋯,n,如图1所示。根据这些条件,需要求出任意一点的值F(x,y)。
这里,任意一点F(x,y)的值将由Fi,i=1,2,⋯,n合成,而F(x,y)与已知的n个点只有距离关系,可以认为:任意一点的值F(x,y)由点(xi,yi),i=1,2,⋯,n的值Fi,i=1,2,⋯,n共同作用影响而成。因此,F(x,y)可以认为是Fi,i=1,2,⋯,n的加权平均值,如式(1)所示:
式中Qi(x,y)是每个Fi的权值。
F(x,y)有两个极限位置:
极限位置1:当(x,y)在无穷远处时,可认为(x,y)到(xi,yi),i=1,2,⋯,n的距离相等,此时,每个已知点的值Fi对F(x,y)的影响是相同的,F(x,y)的值应该是Fi,i=1,2,⋯,n的均值,即:
与式(1)比较,可得出此时Qi,i=1,2,⋯,n是相等的,有:
极限位置2:当(x,y)与某个点重叠,即x=xk,y=yk时,应满足F(xk,yk)=Fk。此时Fk对应的权值应该是1,而其他点对应的权值应该是0。因此:
为满足上述两个极限位置的条件,可采用以下方法:
首先,假设点(x,y)距离任意点(xi,yi)的距离的平方为Li:
那么,点(x,y)距所有点(xi,yi),i=1,2,⋯,n的距离的平方和为:
显然,Lk(x,y)在S(x,y)中所占比例越大,说明点(xk,yk)距离点(x,y)相对其他点与(x,y)的距离越大,那么其值对F(x,y)的影响将越小,其Qi(x,y)值也应越小;反之影响将越大,其Qi(x,y)值也应越大。因此,权值Qi(x,y)的计算公式为:
将式(2)代入式(1),可得出F(x,y)的计算公式:
3 划分网格并确定其坐标和颜色
将图1的矩形区域W平均划分为成为(M-1)×(N-1)个网格,共有M×N个顶点。根据式(3)可求出每个顶点的值F(x,y)。
每个网格是一个矩形,具有四个顶点。当M和N足够大时,每个网格将足够小,此时可认为这四个顶点的值近似相等。因此,可以将四个顶点中任意一点(如左上角顶点)的值当作本网格所对应的值,可以根据此值计算出本网格所对应的颜色。其颜色计算方法如下:
首先设定m个基准值:并确定这些值对应的颜色:(R1,G1,B1),(R2,G2,B2),⋯,(Rm,Gm,Bm)。此处颜色以RGB三元色表示,RGB分别对应红绿蓝三色。
当值F(x,y)小于J1时,其对应颜色取(R1,G1,B1);当F(x,y)大于Jm时,其对应颜色取(Rm,Gm,Bm);当F(x,y)位于J1~Jm之间时,首先需要确定F(x,y)位于J1~Jm中哪两个基准值之间。假设其位于Jk~Jk+1之间,则其颜色计算公式为[3]:
4 生成曲面
在计算出每个顶点的值和每个网格的颜色以后,就可以在三维地理信息系统中生成其曲面仿真模型。可采用Open GL来实现此功能。
Open GL提供了绘制点、线、面的建模原语及原语序列[4],可以用来绘制单独或连续的点、线、面。由于在本文所述的曲面中,采用平面上的矩形网格构成了整个区域,因此,可采用Open GL中连续绘制四边形的方法。
在程序代码中,首先需要做以下定义:
定义X,Y,Z分别为长度为M×N的双精度型一维数组,用于从上到下、从左到右存储所有网格的顶点的(x,y,z)三维坐标。其中z值由式(3)所得的F(x,y)确定,为了取得更好的显示效果,可将F(x,y)进行放大和平移,即:
式中:a值越大,曲面的起伏效果越明显;b值越大,其曲面位置相对于地面越高。
定义R,G,B分别为长度为(M-1)*(N-1)的整型数组,用于从上到下、从左到右存储所有网格的(R,G,B)颜色值。R,G,B值可由式(4)得出。
根据以上定义,其曲面绘制C语言代码如下:
5 性能分析
在某项应用中,W的取值范围以经纬度表示,左上角坐标为(112.477°,37.942°),右下角坐标为(112.631°,37.72°)。区域内散乱分布7个点,分别为(112.507°,37.850°,173),(112.539°,37.874°,434),(112.549°,37.911°,250),(112.565°,37.737°,428),(112.560°,37.874°,278),(112.491°,37.828°,270),(112.568°,37.885°,273)。其平面分布如图2所示。
为使曲面在三维地理信息系统中起伏较大以便更好地显示不同值的差别,式(5)中的a取值为50,b取值为4 225。
按M=50,N=50进行网格划分,基准值为100,200,300,400,500,分别对应颜色(255,255,255),(192,192,192),(128,128,128),(64,64,64),(0,0,0)。根据上述方法生成的效果图如图3所示,该图在三维地理信息系统中位于地面上空。
图3中,M和N取值都较小,并且各基准值对应的颜色全部为黑白或灰色。在实际应用中,M和N值可取较大的值,如100,200等,各基准值对应的颜色也可取各种彩色值如绿色、红色等,这样才可以取得更好的效果。
6 结论
该方法在某市环境监测三维地理信息系统中得到了成功应用。仿真结果表明,本文提出的基于距离比的加权平均值方法实现的空间散乱点曲面拟合方法,其曲面跟踪特性较好,调节过程平稳。此算法可适用于由若干个散乱点代表整个区域内数值分布的各种领域,如环境监测、气象监测等,具有良好的应用前景。此算法结合颜色平滑过度以及Open GL绘图,可在三维地理信息系统中实现较好的分析与展示效果,从而为管理者提供更形象直观的辅助决策支持。
参考文献
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信息系统仿真 篇9
随着西医手术治疗的迅速发展,传统中医手法(尤其是在骨伤疗法中)受到极大挑战。西医手术时间长、创伤大、愈合慢、存在后遗症等不足是不容忽视的,传统的中医正骨疗法在避免以上风险的前提下,不会对断骨产生较大的二次伤害。然而,传统的中医正骨教学过程只有简单的师生口述,受教者无法深领其要,实际练习的机会更是少之又少,中医正骨手法的传承倍受阻碍。中医正骨虚拟仿真系统便是由以上缘由为出发点,旨在使学生可对与真实人体的比例为1∶1的模型断骨进行实际正骨操作,屏幕端可实时传输骨头内部的运动轨迹,实现教学的人机交互,在增强学生学习效果的同时,增强趣味性,最终为中医正骨的传承与发扬提供条件。
中医正骨虚拟仿真系统中使用铝合金材料模拟人体桡骨和尺骨,铝合金材料是非磁性材料[1],加电流后不会变成磁铁干扰数据传输。中医正骨虚拟仿真系统需要实现对模拟人体尺骨的动态定位,无线传感器可实现对动态目标的定位。然而在实际操作中,由于环境及自身资源的影响,无线链路易受干扰,出现信号噪声,降低了定位的准确性,尤其是在动态定位以及在精度要求较高的系统中,数据的降噪处理就变得尤为重要[2,3]。该文首次将降噪处理算法应用在中医正骨领域中。
1 系统介绍
1.1 系统传感器布局
屏幕端实时显示效果如图1所示。使用特殊材料模拟人体上肢骨,其中实体模型桡骨断裂,系统对人体左前臂桡骨断裂进行虚拟仿真,使用传统的中医正骨手法对实体模型实现桡骨归位,屏幕端实时显示桡骨、尺骨的位置信息,完成对模型内部骨头的可视化,以期打破中医正骨手法的传统教学模式,提高学生对中医正骨手法的掌握程度。
为实现模型骨头的实时显示,须得知各部分骨头的位置信息,即相应的角度位移信息。传感器布局如图2所示。依照图2布置相应传感器,包括尺骨近心端的位移传感器、尺骨中部的六轴陀螺仪及断裂桡骨两端的角度传感器,以获取尺骨的位移、角度信息以及桡骨两断骨的角度信息。其中,使用六轴陀螺仪实现对尺骨的角度定位。在本文中,主要完成的是对六轴陀螺仪数据的降噪处理。
1.2 六轴陀螺仪工作原理
六轴陀螺仪实际上是三轴陀螺仪与三轴加速度计的集合。三轴陀螺仪利用科里奥利力原理[4],用以测量角速度:物体若在一个旋转系统中做直线运动,惯性使其保持原有的运动趋势,但由于该系统是旋转的,一段时间过后,该物体的位置会有一定程度的偏离。三轴加速度计可得到物体的运动加速度,用以确定物体相对于水平面的倾斜角度。三轴陀螺仪得到的测量值会随时间的增加而积累误差,产生时间漂移,导致无法正确定位。单纯使用三轴陀螺仪或三轴加速度计测出的数据都会有大量误差,因此系统采用MPU-6050六轴陀螺仪,MPU-6050是三轴微电子机械系统(microelectro mechanical systems,MEMS)加速度计与三轴MEMS陀螺仪的组合,三轴加速度计用以感应尺骨在立体空间X、Y、Z(前、后、左、右、上、下)轴上的加速度,三轴陀螺仪用以测量尺骨在X、Y、Z轴上的角度,数据融合后可得到尺骨的位置信息。
2 数据降噪滤波———卡尔曼滤波
2.1 卡尔曼滤波算法的应用背景
MPU-6050中集合了数据管理平台(digital motion processer,DMP),可以自动生成角度值并直接读出,但使用该处理器读出的数据极其不稳定,且对该单元的内部原理了解甚少,因此不适合使用该处理系统融合数据。由于受环境因素及内部因素的影响,在三轴陀螺仪与三轴加速度计直接测量的数据中会存在大量信号噪声,其中内部原因主要有受热条件下的电路电阻噪声、数据采集系统的电路干扰以及组件配合过程中难以避免的工作噪声等。这些噪声,尤其是数据漂移的存在,会导致屏幕端骨头模型的显示发生不稳甚至抖动现象,不仅导致实时性变差,还会使系统用户怀疑自己的手法以及力道,严重影响了正骨手法的操作,因此需要采用一定的滤波算法对数据加以降噪处理。
信号降噪算法有多种,如维纳滤波、自适应滤波、卡尔曼滤波[5]。维纳滤波适宜处理线性数据的降噪问题;自适应滤波可以在无需先验的情况下处理非平稳数据;卡尔曼滤波在数据降噪方面已经比较成熟,不仅可用于线性数据的降噪处理,也有适宜非线性数据降噪处理的扩展卡尔曼滤波算法,而且降噪效果较优。在该系统中,我们使用卡尔曼滤波算法对六轴陀螺仪的数据进行校正处理,其中噪声满足高斯分布。卡尔曼滤波算法是一种最优化自回归数据处理算法,具有稳定、无偏的特点[6,7]。利用上一时刻的估计值与现在时刻的测量值对这一时刻的状态进行估计,最终得到一个最优结果,被越发广泛地应用在动态定位中[8,9,10]。陈伟[11]将卡尔曼滤波应用到MEMS陀螺仪中,修正加速度和磁场强度测量值。张少华[12]将卡尔曼滤波算法应用在MPU-6050传感器中,经过卡尔曼滤波器的预测与更新,实现对原始数据的降噪处理,最终完成了四轴飞行器在模拟管道中的飞行实验。可见卡尔曼滤波算法在定位领域的降噪处理是可行的。
2.2 卡尔曼滤波算法的工作原理
首先引入2个方程:
其中,F和B为系统参数,F为状态转移矩阵;Ut为控制量,在没有控制量影响时,BUt为0。W~N(0,Q)为满足高斯分布的过程噪声;V~N(0,R)为满足高斯分布的测量噪声;Zt为测量值,是一维常数;H为观测矩阵。由以上原理可以建立中医正骨虚拟仿真系统的数据降噪模型,首先得到系统的状态方程和测量方程。
其中,t为采样周期,Ut为陀螺仪输出的角速度,W为陀螺仪的测量噪声,V为加速度计测量噪声。
获得了状态以及测量值,现在进入卡尔曼滤波的工作过程,卡尔曼滤波器主要分为预测及更新两大模块。
(1)预测。
其中,Xt-表示根据t-1时刻预测得到当前t时刻物体的运动状态;F和B为系统参数,F为状态转移矩阵,FT为F的转置;Ut为控制量,在中医正骨虚拟仿真系统中,使用MPU-6050六轴陀螺仪计算物体运动状态时,控制量为0;Pt-为Xt-对应的协方差矩阵;Q为噪声。
(2)更新。
其中,R为观测噪声的协方差矩阵。I为单位矩阵。Kt越大,说明测量值Zt越准;Kt越小,说明估计值Xt越准。卡尔曼增益相当于权重[13]。在该系统中,须知道协方差矩阵系统噪声协方差矩阵和测量误差协方差矩阵。系统噪声协方差:,测量协方差:Q=[r_a]。其中,q_a是加速度计的协方差,q_g是陀螺仪的协方差,r_a为测量协方差。
卡尔曼滤波器经由以上预测与更新2个过程的逐级迭代,进而实现数据的降噪处理。
3 实验与分析
3.1 仿真实验与分析
基于MATLAB 2010仿真卡尔曼滤波效果。首先对实验模拟出真实值,真实值为1。卡尔曼滤波对含有太高水平的噪声数据的降噪效果并不理想,由此考虑对该真实值加以方差为0.2的高斯噪声,得到原始数据,对原始数据使用卡尔曼滤波器进行降噪处理,最终得到降噪处理后的数据,对模拟实验波形图效果做有效分析,其结果如图3所示。
实验发现,经人为模拟的原始测量数据抖动严重,漂移误差较多,经卡尔曼滤波降噪处理后,数据去除了大部分漂移,逐渐接近理论数据,降噪效果明显。
3.2 系统实验与分析
在中医正骨虚拟仿真系统中,使用陀螺仪直接得到的数据会存在抖动的现象,这种抖动会造成系统成像后发生瞬间颤抖。这种抖动现象并非人为造成,是传感器工作过程中产生的,为了更好地提升系统的稳定性以及精确性,需要保证得到的数据平稳且圆滑。仿真实验的结果已经证明了卡尔曼滤波算法在定位领域的降噪处理中的可行性,接下来主要在稳定性方面进行说明。
鉴于本系统为单模型单测量,F、B、H、I不为矩阵,值都为1。以X轴为例,将状态值X初始值设为0,P初始值设置为1。使用MPU-6050陀螺仪得到的X轴与水平面的夹角则为测量值,记为ax,X轴角度的积分作为预测值,记为gx。得到卡尔曼滤波的主要公式代码段如下:
卡尔曼滤波器的降噪处理效果如图4所示。将卡尔曼滤波器应用到中医正骨虚拟仿真系统中,通过波形图可以看出,原始数据多有抖动,经过卡尔曼滤波降噪处理后的数据已经趋于平顺,基本没有抖动漂移,在屏幕端显示的正骨过程中也不会出现非人为的不稳现象,降噪处理效果明显。
4 讨论
现如今,中医正骨手法因其不开刀、痛苦轻、愈合好、康复好、花钱少的特点,受到医生以及病患的重视。然而,中医正骨手法在教学过程中,只有“听、看”的基本方式,学生无法更多地切实实践,对于中医正骨手法的掌握程度很难提高,中医正骨手法的传承与发扬面临巨大的挑战[14,15]。本课题基于以上原因,提出中医正骨虚拟仿真系统的设计思路,需要实现对中医正骨的虚拟仿真,系统使用者对模型进行操作,模型内部骨头的运动轨迹实时在屏幕端进行显示,达到人机交互。该文章主要完成传感器信息的降噪处理,提高骨头模型定位的精确性。
信息系统仿真 篇10
信息化与网络化是现代电网智能化的重要组成部分。伴随着电网拓扑结构的扩展,信息通信网络结构、资源配置、设备分布、链接关系等都日趋复杂和庞大。面对通信资源分布广、类型多、承载的业务多样(自动化、保护、视频监控、通信、综合信息业务等)、扩容变更资料维护难度大、无法直观展现现场物理场景的特点,如何有效的对通信资源进行直观、精细管理已成为电网信通公司管理人员和基层运维人员所面临的难题。
随着电网智能化的发展和智能变电站增多,对网络化、信息化的依赖程度越来越高,对电网信息网络通信传输资源的管理需要精细化、规范化,在资源利用有效性、现场维护的安全性、故障排查的快速性等方面要求越来越来高,同时给信通管理、维护人员带来很大管理难度。目前虽然配备了一些网管系统和资产管理系统,但是还不能整体体现系统的资源利用情况和现状,不能直观地展现物理场景。
地市级电网通信信息资源三维管理及仿真系统的意义就在于解决以上提出的问题。建立一套直观、高效、精细、完整的电网通信信息资源管理平台,提高智能电网的信息化、网络化管理水平以及安全水平,有效融合电网的信息通信专业技术。
1 系统设计遵循的原则
为了保证本系统的质量,在进行系统的设计、开发、部署和运行管理规划时将遵循如下原则。
1)标准化。系统严格按照规范及标准开展工作,保证开发流程规范化、数据标准化。
2)准确性。通过周密的系统调研和分析,确保对业务的正确理解;通过规范的项目管理和严密的系统测试,保证系统业务处理的准确性。
3)安全性。系统设计中采用严格的安全保密措施,保证系统及数据的安全性。
4)系统可靠性。本系统在设计时充分考虑了对可靠性的要求,采用多种高可靠、高可用性技术以使系统能够保证高可靠性,尤其是保证关键信息服务的连续不间断运作和对非正常情况的可靠处理。
5)可伸缩性。系统真正符合三层客户 / 服务器体系结构,随着应用水平的提高、规模的扩大和需求的增加,系统在满足用户新增需求的前提下,体系结构不需做较大的改变。
6)可扩展性。系统平台易扩展,能够支持有价值的新兴应用。同时,可配置多服务器集群协同工作,实时监测服务器状态,通过负载平衡保证实现大用户量并发处理和高效的网页浏览速度。
7)实用易用性。系统具有一致、友好的客户化界面,易于使用和推广,并具有实际可操作性,使用户能够快速地掌握系统的使用。
2 系统架构
系统采用B/S架构,B/S是当今世界范围内技术最先进的系统结构方案之一,也是配合Internet/ Intranet建设的最佳方案。由于所有使用了这种技术结构的系统,其客户端内容都是从后台传送过来的,而全部的业务处理都是在服务器端完成的,所以最大限度地方便了用户部署和维护大型软件系统, 从而大大降低了用户目标系统的总体拥有成本。
在这种结构下,客户端主要负责人机交互,包括一些涉及数据和应用关系的图形和界面运算;Web服务器主要负责对客户端应用程序的集中管理;应用服务器主要负责应用系统的逻辑结构和数据关系,即事务处理,应用服务器又可以根据其处理的具体业务不同而分为多个;数据服务器则主要负责数据的存储和组织、分布式管理、备份和同步等。
通过上述的应用开发和部署,保证了界面展现、业务模型事务处理,以及数据库操作的相互隔离,提高了安全性和稳定性。
使用模型、视图、控制器(Model View Controller, MVC)设计模式,MVC由Smalltalk的发明者提出, 是用来设计应用系统的一种模式。MVC模式定义了一个应用要包含的数据、表现和控制3部分信息, 并且要求这3部分信息被分离在不同的对象中。其中,模型是代表纯的应用数据的对象,不包含数据应当如何展现给用户的知识;视图是将模型的状态可视化的形式,是负责将模型数据展现给用户的部分; 控制器提供改变模型状态的灵活方式。
通过采用MVC逻辑架构,可以使软件设计的层次更清楚,可复用性更强,从而提高系统的可靠性与可用性。
3 系统涉及的技术
地市级电网通信信息资源三维管理及仿真系统主要研究和建立一个能直观有效地管理地市级电网通信信息机房及所属变电站各类网络设备、传输资源和链接关系的三维管理仿真系统。在整个项 目设计上,涵盖地市级电力公司传输网、数据交换网;包含信通分公司所管理的核心机房、分布在全市的相关主要变电站、光缆资源、机柜资源、主要光传输设备、脉冲编码调制(Pulse Code Modulation, PCM)设备资源、服务器资源、网络设备和相关设备的端口资源、各类配线模块及配线模块包含的配线端子的管理。通过三维仿真技术(仿真粒度要求做到板卡级),将这些分布于机房和变电站中的相关通信信息传输资源及链接关系直观整合于一个立体化管理平台中,打造一个直观(与现场物理一致的)、立体、统一、易于维护的电网通信信息资源管理平台。
基于该平台,用户可以实现对所管机房和变电站的相关通信信息资源的查询、定位、属性编辑、状态查看以及连接查看等操作。该平台严格按照国家电网公司《智能电网通信管理系统技术基础第1部分:资源命名和定义》的规范要求,方便用户在管理好自身资源的情况下,满足上级部门的要求。为通信信息维护人员日常对资产的查询、修改工作提供一个极其方便的平台。
3.1 传输资源的三维建模、展示和管理技术
3.1.1 数据结构
一般3D仿真技术 的规则由Server端计算, Client本质上是一个状态“播放器”,为了更有效地实时显示出最新的状态,本地要保存一个operator和环境的数据结构(如果所有数据实时的从Server端取回,则render只能在消息回调中执行,这样会卡帧),为了体现最新的状态Client,要不停的显示需要的数据结构,这样只要刷新的足够快,用户就会觉得是实时同步更新的。核心的数据结构是operator,这个结构Server端和Client端基本是一致的(Client端的ID用来标记Server端的一个对象)。
对于3D模拟环境而言,一个屏幕上显示的内容只是虚拟电网的一小部分,整个电网一般用场景图、结构微缩图来表示。
3.1.2 基本逻辑
1)事件处理。即从上一帧到这一帧之间缓存的事件需要一一进行处理。这些事件包括本地的键盘鼠标操作、Server传过来的信息等。这些事件的处理逻辑主要包括以下方面。1画面移动、转向等(内部是更改mesh的matrix4等属性、以及摄像机的操作等)走动:切换场景数据,即3D行走;2切换视角: 改变摄像机的target;3拉近视角、拉远视角:摄像机操作;4自动寻路:寻找关键点、播放行走动画;5特殊效果触发器:播放特定粒子效果、动画等;6触发某个界面元素:进行相应逻辑处理、向Server发相应请求等。
2)物理模拟。1碰撞检测(求交点等),视角不可穿越墙壁、不会超出地图边界、不会悬空等效果。2反向动力学模拟,可以实现ragdoll效果。3流体力学等复杂的物理模拟,基本上牛顿经典力学所涉及的速度、加速度、质量,运动学等都可以做到(如人物走时会受摩擦力影响、人物跳下时会有重力加速度效果),可以模拟出流体力学(这样就会体现出空气阻力、游泳时的浮力、阻力,水流动时的表面张力等)等更逼真的效果。
3)preframe。1计算骨骼动画的当前transform矩阵 ( 之前在物理引擎中计算 )、顶点动画的当前数据,摄像机移动的当前位置等动画相关数据。2计算粒子系统当前的状态。3计算音效、背景等当前的数据。
4)update场景。1计算视角新的变换矩阵。2根据视角matrix4更新model View matrix、projection matrix等(之所以使 用matrix4×4是因为显 卡支持4阶矩阵并行计算,注意不是并发是真正的并行, 这是GPU的特点)。3根据新的视锥体进行场景剔除(cull),一般室外场景是八叉树裁剪,室内场景是二叉 树裁剪。4更新每个node的orientation、position、scale等属性(主要是要将父节点的数据传递给子节点)。
3.1.3 功能实现
1)对机房和智能变电站中各类传输资源进行三维建模和管理,粒度可以做到板卡级,即用户可以在系统中灵活的进行板卡的管理(包括增加、删除等), 使系统始终保持与用户实际现场基本统一的运行状态[1]。某中心机柜的矩阵如1所示。
2)支持针对某个设备(主要指光传输设备或者PCM)的相关端口,系统可以进行三维建模,允许用户在三维场景中进行选择和编辑,如点击查询该端口的属性(包括编号、端口类型等,端口状态、创建连接关系)[2]。
3.2 数字配线架和光纤配线架的分组管理技术
采用分布式架构,将数据输入本地数据缓存后, 通过数据压缩将数据批量传回总部,大大降低了网络访问量。对于结构庞大的企业,在像年末统一进行盘点时,大量数据进出服务器的情况下,可以有效地防止服务器数据堵塞。
1)选择一个或多个数字配线架和光纤配线架模块进行配线模块的创建。
2)针对配线模块的配线端子管理,用户可以在三维场景中直观查看当前配线模块中所包含的配线端子的状态(已使用、未使用和损坏),同时可以编辑各个配置端子的属性和创建一个与该配线端子相关的连接管理。某中心选择一组数配创建一个配线模块示意如图所示。
图 2 某中心选择一组数配模块创建一个配线模块示意 Fig.2 Diagram of creating a distribution module
4 系统功能
4.1 光缆资源的管理
1)系统允许用户导入目前已经存在的所有光缆资源,同时在以后发生光缆资源变化时,系统可以允许用户进行增加和删除。
2)系统能够显示出一根光缆所连接的2个变电站信息,同时可以展示当前该光缆的使用情况(如一根72芯的光缆已经使用了48根芯,还有24根芯处于未使用状态)。
4.2 光传输设备和 PCM 设备的管理
1)直观展示相关设备在机房场景中的位置,用户可以查看和修改相关设备的属性。
2)针对光传输设备、PCM设备可能存在的板卡设备,系统支持对板卡设备的独立查询和编辑,并支持用户自行增加相关板卡资源。
3)针对相关设备中的所有端口资源,系统支持用户自定义各个端口的属性,并为该端口创建连接关系。
4)对于存在连接管理的端口对象,系统可以用三维的方式直接展示相关的连线走向和对端设备及端口。
5)用户可以通过指定一个端口,让系统在三维系统中完整展示出当前该端口的单跳或者端到端的链路走向,并且可以实时查询端到端路径中每个连接节点的信息。
6)如果某个PCM设备的端口或光传输设备的端口直接连接到某个具体业务,系统允许用户增加业务与端口的关联属性[3,4]。某配线模块中数字配线架端口的上下游连接示意如3所示。
图 3 某配线模块中数字配线架端口的上下游连接示意 Fig.3 Upstream and downstream connection sketch of a wiring module
4.3 链路管理
链路作为依托于端口直接的对象,系统在对其管理时,主要从链路展示上做了考量,从而方便用户在复杂的端口和链路中,快速直观地找到某条链路的实际走向和途经节点[5]。
选中核心设备后的展示如图4所示。图中示意了某个PCM端口连接终端业务后,当查看其到核心机房的端到端路径的效果时,系统在实现上,允许用户直观简约展示完整链路图,同时允许用户点击每一个节点,系统会直观展示出当前该节点的三维效果图和相关口信息。
图 4 选中核心设备后的展示 Fig.4 Visual display after the core equipment selected
4.4 数据交换网的管理
直观展现机柜内配线架中各端口的使用状态和位置信息,并能快速直观查询其连接的对端设备。
选择某个交换机端口,选中其已占用端口(黄色表示)(见图3),系统可以直观展现指定端口链路的走向分布,同时支持展示交换机多接口的链路走向信息。
5 系统应用效果
为落实国家电网公司提出的信息通信专业技术相融合的思路,单纯的针对资源进行展示和管理已经不能满足融合管理需求,必须在管理对象全面化、数据深加工和资源数据整合方面深化设计和开发, 充分揭示各设备、各网络应用之间的关系、状况,使系统的价值发挥的更大。
1)机房和变电站的三维场景直观展示。某市中心宏观管理视图如图5所示。在此场景中可以点击查询当前存在的光缆资源的属性查看编辑。
2)管理对象全面化。前期初步探索的成果,主要集中于核心机房和某几个主要变电站之间的展示和管理,后续研究将涵盖整个地区所有变电站之间的展示和管理,使系统在管理对象规模上真正达到与现场物理1:1仿真的目标要求;仿真颗粒度进一步细化,进一步涵盖现有设备经常变更的板卡、端接口。
3)数据深加工。在有了资源的属性数据后,如何利用这些数据有效的为日常通信资源管理工作提供更好的支撑和帮助,则需要系统对当前的数据进行深加工,才能体现出这些属性数据的真正价值,这将是本次的工作重点。通过对数据的深加工,可以为运维及人员和管理者提供如下的有用信息:光缆的总体使用率,与各个节点的使用率;各个节点配线模块的在用、未用、损坏情况;业务的总体连接分布图;配线模块的使用分布图;各类资源的维护历史信息。
4)资源数据整合。进一步研究融合通信与信息资源,研究接入诸如机房动环管理系统、网络管理系统、端口运行状态管理等第三方系统。
5)高级智能化。设备管理与配置,同步保存设备配置档案,系统故障处理演练及系统培训。
6 结语
通过地市级电网通信信息资源三维管理及仿真系统的有效实施,可以在降低管理难度,提高管理效率,减少管理人员工作时间成本、培训成本,降低通信信息资源的管理难度,提升运维人员的工作满意度和工作热情等多方面取得可观的经济和社会效益。
摘要：为提高智能电网的信息化、网络化管理水平以及安全水平,有效融合信息通信专业技术,弥补3D仿真技术在我国智能电网应用的空缺,文章采用搭建通信信息资源三维管理平台和仿真系统相结合的方法,从底层数据的采集、工作流程整理、整体和细节的仿真展示等方面入手,着重论述如何将一套结合了3D仿真技术并针对我国智能电网开发的可视化信息管理平台应用于电网的日常工作。通过建立一套直观、高效、精细、完整的电网通信信息资源管理平台,提高了智能电网的信息化、网络化的管理水平与安全水平,从而有效提升现有电网管理水平和力度。
高压输气管道仿真系统的开发 篇11
关键词:高压输气管道 仿真系统 BWRS方程
中图分类号:TP11文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0025-01
近年来,随着西气东输工程的完成,我国天然气管网建设进入了一个十分迅速发展的时期,与此同时,一系列的管网建设与管理的问题凸现出来;新建管线与已有管线的如何合理对接;如何更加科学的管理管网、提高管网运行水平;如何评价已有管网的运行情况;如何快速处理管网运行中产生的突发事故等问题就摆在了我们面前。
为了解决以上问题,就需在设计时根据所提供的基础资料(包括管线走向和用气负荷变化)计算在各种条件下沿线压力、温度、流量分布,利用模拟管网数学模型对各种设计方案进行合理性评价,逐一筛选,提出最优方案。在运营时应根据市场用气量的变化,利用模拟管网系统预计沿线工况的变化。在事故工况下,通过模拟管网系统推测事故发生情况,提出最优事故处理方案供决策者参考。
上述问题前人已经做了一部分工作[1～2],本文在连续性方程、运动方程、能量守恒方程的基础上,建立了天然气管道输送数学模型,并给出了方程的差分方程,在BWRS方程的基础上,给出了求解差分方程所需参数的方法。
1 数学模型的建立
由气体管流基本方程,令M=pv,即单位面积上的质量流量。
连续性方程:
2 差分方程
在偏微分方程的数值求解中,本文采用了隐式中心差分法,这种方法对于时间步长要求不严格,增加了仿真灵活性,还能保证数值的绝对稳定性,令,可得以下差分方程。
1.连续性方程的差分方程
3 方程参数的求解
连续性方程、运动方程、能量方程均为多参数方程,为了使方程封闭可解,必须给出密度、压缩因子、焓值、水力摩阻系数、压力等参数之间的关系,本文选用了BWRS天然气状态方程作为求解这些参数的基础。
RWRS状态方程是一个多常数的状态方程,该方程是在1970年,由starling-Han在关联大量试验数据的基础上,对BWR方程进行了修正,提出了到目前为止用于天然气计算最精确的方程式之一BWRS方程,即:
式中:P——系统压力,Kpa;
T——系统温度,K;
——气相或液相的密度,kg/m3
R——气体常数,R=8.3143kJ(kmol.K)
A0,B0,C0,D0,E0,a,b,c,d,,为计算常数。
4 方程的求解
将管道分為n段,对于每个管段都可以写出3个方程,因此管段共有n+1个节点,每个节点都有T、P、M三个未知数,共有3n+3个未知数,因此还需要3个方程,这需要从边界条件中给出,这样节点方程和边界方程就组成了一个3n+3维的方程组,若是存在中间边界,方程组的维数会更多,无论维数有多少,它都是一个多维常规方程组,可以利用牛顿-拉普森方法迭代求解。
参考文献
[1] 王树立,赵会军,等.输气管道设计与管理[M].化学工业出版社,2011.
[2] 沈孝风.输气干线管网瞬态模拟仿真与优化技术研究[D].2010.
基于行为仿真的变电站仿真系统 篇12
变电站的正常运行对于电气系统的安全运转至关重要[1,2]。为保证变电站的正常运行, 需要对变电站工作人员进行必要的培训。当前各类变电站仿真培训系统多以二维平面系统或利用相关设备部署进行实际培训为主, 这种培训方法成本较高且不具备通用性。使用虚拟现实技术结合虚拟人行为仿真技术设计的变电站三维仿真系统可以克服以上缺点, 且仿真效果较为真实, 培训效果更为理想[3,4]。
1 系统结构
基于行为仿真的变电站仿真系统由3个步骤实现:变电站模型创建、虚拟人行为数据的创建、场景漫游与交互功能的实现。首先利用三维建模技术与虚拟人建模技术建立系统中的设备模型与人物模型, 然后利用虚拟人行为建模技术构建虚拟人行为动画, 最后利用开源场景图形库 (Open Scene Graph, OSG) 与骨骼动画引擎 (Character Animation Library, Cal3D) 实现场景交互控制。基于行为仿真的变电站仿真系统结构如图1所示。
2 模型创建
本文使用3ds Max创建变电站的设备模型与人物模型, 并使用优化方法对所建模型进行优化。变电站模型由电气设备模型、控制室模型和虚拟人模型组成。变电站模型结构如图2所示。
在3ds Max中, 使用拉伸、旋转、位移等技术分别建立电气设备模型与控制室模型, 使用Poser结合3ds Max建立虚拟人模型, 在建立完模型后, 使用插件将制作完成的模型文件导出为OSG可识别的文件格式。
由于使用3ds Max建立的模型数目较多, 模型体积较大, 模型系统结构较为复杂, 在进行漫游仿真时会对系统的运行产生较大的影响, 为了提高系统的运行速度, 本文对所建模型进行了一定程度的优化, 优化步骤如下。
1) 使用细节层次模型 (L evels of Details, LOD) 方法对场景模型进行优化。在不影响画面视觉效果的条件下, 使用此方法可以逐次简化景物的表面细节, 减少场景的几何复杂性, 从而提高绘制效率。该技术通常对每个原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型, 与原模型相比, 每个模型均保留了一定层次的细节。在绘制时, 根据不同的标准选择适当的层次模型来表示物体。
2) 简化贴图纹理。一方面降低模型贴图的分辨率, 以减少模型贴图对渲染时的影响;另一方面使用p ng、jpg等体积较小的文件格式作为贴图文件格式, 以减少贴图总体积。
3) 选择合适的模型文件。OSG支持的基本文件格式有.osg与.ive格式, 其中.ive格式可以在损失极小真实度的情况下大幅压缩模型文件的大小, 因此本文将模型文件转为.ive格式进行存储, 此外, 虚拟人模型是无法保存为.ive格式的, 因此本文只将除了人物之外的模型导出为.ive格式文件, 以降低模型文件大小, 增强系统的运行速度。
部分已创建的变电站设备模型与人物模型如图3所示。
3 变电站设备库与虚拟人行为动画的建立
3.1 变电站设备库的建立
变电站设备库包含了除虚拟人模型以外的所有变电站设备模型以及与此设备相关联的信息描述, 为有效进行设备查询, 本文使用SQL Server 2005数据库将已建好的模型与设备信息进行关联, 进而建立了变电站设备库 (见表1) , 系统中每个设备模型对应一个唯一的ID, 并在表中描述该ID对应的变电站设备的信息描述, 信息描述内容包括设备文字描述 (包括设备名称、设备型号以及设备的使用参数等) 与设备使用注意事项描述。
变电站设备数据库表关系如图4所示。
3.2 虚拟人行为动画的建立
虚拟人行为库是系统的核心仿真数据, 它构成了变电站中人的行为的集合, 其建立过程分为2步:采集并抽象变电站中人的行为和根据抽象结果对人的行为进行仿真。
3.2.1 采集并抽象变电站中的人的行为
变电站中人的主要行为是倒闸操作, 在变电站中倒闸操作的主要流程包括:填写操作票、接收操作命令、进行模拟操作、在场景中进行实际倒闸操作。由于各个步骤的操作较为复杂, 可将复杂行为分解为简单行为后分别对简单行为进行建模, 之后再组合成复杂行为。变电站中人的行为分析见表2所列。
3.2.2 根据抽象结果对人的行为进行仿真
根据抽象结果, 利用虚拟人行为建模技术[5,6]为虚拟人模型建立行为动画, 本文的行为建模基于骨骼建模技术, 行为动画建立的步骤如下。
1) 在3ds Max中导入已创建的虚拟人模型, 同时建立新的Bip骨骼对象。
2) 冻结虚拟人模型的网格, 调整骨骼对象, 将其嵌入到虚拟人模型中, 调整使之符合虚拟人模型, 并使用Physique修改器将骨骼对象与虚拟人模型绑定。
3) 建立动画关键帧, 对骨骼对象的关节和连接处进行旋转和位移操作以实现不同的骨骼动画。
4) 导出动画文件。本文使用Cal3D完成虚拟人行为的渲染与仿真, 因此需要将虚拟人导出为Cal3D支持的文件格式, Cal3D将虚拟人分为3种文件格式:骨骼文件、网格文件与动画文件。本文使用插件将已经建立行为动画的虚拟人模型分别导出为骨骼、网格与动画3种文件格式。虚拟人行为动画的创建过程如图5所示。
4 场景漫游与交互行为的实现
4.1 虚拟人行为动画生成算法的实现
场景漫游与交互行为的实现主要包括虚拟人行为动画的生成算法实现与辅助子系统的实现, 其中虚拟人行为动画的生成算法为辅助子系统所调用, 用于用户在控制虚拟人行为时绘制虚拟人行为动画。
本算法的目的是实现虚拟人行为的绘制与调用, 本文提出了基于属性与碰撞检测的虚拟人行为生成方法, 该方法主要是根据仿真环境中的碰撞检测点来调用不同的虚拟人行为动画文件, 实现虚拟人行为的绘制, 优点在于思路简单, 效率较高, 具体步骤如下。
1) 创建Cal3D虚拟人配置文件。Cal3D通过读取该配置文件来进行渲染, 配置文件用于描述虚拟人的网格与动画文件。虚拟人配置文件参数见表3所列。
2) 读取碰撞检测点与虚拟人行为对应列表。在前文分析中, 变电站中虚拟人的行为主要分为4个, 根据行为的个数设置4个特定的碰撞检测点, 用户控制虚拟人在环境中漫游并发生碰撞时, 如果当前碰撞点是特定的碰撞检测点, 则根据碰撞检测点与虚拟人行为的对应关系表进行虚拟人行为动画的绘制。碰撞检测点与虚拟人行为的对应列表见表4所列。
3) 碰撞检测判定。当虚拟人与场景中的某个物品发生碰撞检测时, 判定当前碰撞点是否为特定的碰撞点, 如果是, 则根据步骤2中的表读取相应的行为动画 (步骤1中所创建) , 完成行为动画的生成, 反之, 则不作处理。
虚拟人行为动画生成算法流程如图6所示。
4.2 辅助子系统的实现
本文设计并实现了一套辅助子系统用于辅助用户对虚拟人进行控制。辅助子系统由场景加载与碰撞检测、事件响应与交互、设备查询3个部分构成。
对于场景加载与碰撞检测的实现, 本文使用OSG平台实现对变电站场景的加载与绘制。场景加载的实现如图7所示。
对于碰撞检测的实现, 本文使用通用的OBB包围盒算法, 这里不再赘述。当发生碰撞检测时, 系统会调用前文中的虚拟人行为动画生成算法对碰撞点进行检测, 从而绘制不同的虚拟人行为动画。
对于事件响应与交互的实现, 在本文中系统主要实现了漫游控制、鼠标点击响应等事件响应, 使用OSG实现事件响应。事件响应与交互的实现如图8所示。
最后是设备查询的实现, 当用户点击场景中的某个设备时, 系统会给出该设备的详细参数与说明, 从而使用户获得设备的相关信息。设备查询的实现步骤如图9所示。
部分漫游与虚拟人行为仿真结果截图如图10所示。
5 结语
基于行为仿真的变电站仿真系统不仅具备普通变电站仿真系统的一般功能, 还可以对变电站中人的行为进行仿真演示, 从而弥补了大多数变电站仿真系统中无法对人的行为进行仿真的空白, 可以更好地满足现代变电站的仿真培训需求。
摘要：为了降低变电站培训成本与提高培训的真实感, 对变电站中人的行为进行了研究与仿真, 结合虚拟现实技术、虚拟人行为仿真技术设计并实现了一套变电站仿真系统。利用三维建模技术构建了变电站中的主要虚拟人模型和主要的场景模型;利用行为建模技术为变电站中的虚拟人建立了行为动画;利用开源场景图形库 (OSG) 平台与骨骼动画引擎 (Cal3D) 平台实现了变电站的漫游仿真与虚拟人行为控制仿真, 提出并实现了基于属性与碰撞检测的虚拟人行为生成算法, 设计并实现了一套辅助子系统用于辅助用户完成变电站中的仿真与设备查询。实验结果显示, 设计实现的仿真系统仿真效果较好, 具有一定的实用性和现实意义。
关键词：变电站仿真,虚拟人仿真,漫游,开源场景图形库,骨骼动画引擎
参考文献
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