仿真研究

仿真研究（共12篇）

仿真研究 篇1

摘要：随着战争的复杂性程度越来越高, 运用作战仿真的方法来研究战争越来越受到军事人员的青睐, 本文对EINSTein仿真平台的结构、功能等方面进行了分析, 运用EINSTein仿真平台进行了陆军非对称作战仿真实验, 通过设置不同的实验参数, 可以得到截然不同的仿真实验结果, 并且对仿真实验模型的可信性进行了分析, 得出运用EINSTein对陆军作战进行作战仿真研究具有十分重要的意义。

关键词：作战仿真实验,EINSTein,陆军作战

随着军队的信息化程度不断提高, 未来战争的复杂性程度越来越高, 将会呈现出非线性、不确定性、涌现性等复杂系统的特点。运用作战仿真实验来研究和学习战争, 不仅节省了大量的人力、物力, 而且可以不受外界环境条件的影响, 在短时间内进行大量的实验, 为下步研究战争积累大量的实验数据, 为实战打下比较坚实的基础。

EINSTein作为一种“概念演示实验系统”, 重点研究不同底层 (即单个的战斗作战人员和分队作战单元) 交互规则所诱发的高层涌现行为[1]。它是由美国海军分析中心 (CNA, Center for Naval Analysis) 于1999年开发的, 是建立在其早期模型ISAAC (Irreducible Semi-Autonomous Adaptive Combat, 不可约半自主自适应作战) 上的基于多Agent的作战仿真软件, 于2005年获得美国军方认可[2]。它将非线性动力学、随机动力学、复杂性理论、人工生命、进化论和遗传算法、元胞自动机、基于多Agent的建模和神经网络等一系列“新科学”引入到对战争的研究当中, 并致力于运用复杂适应系统理论, 探索和理解战争的基本过程[3]。

1 EINSTein仿真平台分析

1.1 Agent模型

图1所示为基于Agent模型基本元素的抽象视图, 该视图中的四个基本元素是Agent、环境、传感器和动作。Agent处于某种环境下, 并装备了传感器能够感知外界环境信息, Agent本身也是组成外部环境的必备要素。在处理这些来自传感器的信息后, Agent会采取相应的动作, 以改变环境, 与此同时也改变Agent对其周边环境的感知。该模型的一次运行由通过这个简单反馈回路循环改变信息组成[2]。

1.2 Agent的层次结构

在EINSTein中, Agent的层次结构示意图如图2所示[3]。

图中最底层是个体战斗Agent, 该层由假定战场中可被Agent感知并能对其作出反应的所有信息组成。Agent之间在该层次上进行动态交互。

紧接着的两层是指挥层, 由根据下层行为作出适当决策的信息组成。局部指挥员使用这些来自中层的信息来调整自己辖区内的个体Agent的行为。

全局指挥员利用全局信息向局部指挥员下达命令, 定义在一个局部指挥员的命令下其下属Agent如何与在另一个局部指挥员命令下的下属Agent之间交互。

顶层的最高指挥员代表软件的交互用户。用户负责定义给定的作战场景, 确定概念战场的规模和特点, 设定初始兵力部署, 指定作战条件等。

1.3 战场分析

在EINSTein仿真平台中, 对抗双方分为红方和蓝方, 红、蓝双方进行战斗的虚拟战场是一个格子网, 如图3所示, 参战Agent可以在方格间自由移动并携带信息, 每一个方格上最多只能放一个Agent, 代表一个战斗单元。每一个Agent有3种状态———生、死、伤, 它们都拥有一组范围属性和一个个性属性, 前者指Agent感知和吸收局部信息的范围, 后者决定了它回应环境的一般方式。此外, Agent还具有移动、战斗、通信、指挥与控制等行为[3]。

1.4 Agent的信息感知和交互范围表示

EINSTein对作战实体Agent的信息感知和交互范围表示分为以下几种, 如图4所示[2]。

(1) 运动范围 (rM) 。

(2) 关注范围 (rA) 。

(3) 作战范围 (rT) 。

(4) 火力范围 (rF) 。

(5) 感知范围 (rS) 。

(6) 通信范围 (rC) 。

从图中可以看到RM≤RT≤RA≤RF≤RS≤RC, 用户可以自由选择任意的相对大小顺序, 但是RF必须小于RS。

1.5 武器分析

在EINSTein中, 所有的武器是用6个参数描述的弹道武器, 这6个参数分别为:

威力 (power) 是武器本身所具有的破坏力 (p) , 代表该武器在其杀伤范围内的破坏潜力。

射程 (range) 是武器作用的最大范围。

开火率 (firing rate) 是指一个武器能够同时向其开火的最大目标数目。

杀伤半径 (spread) 定义了武器杀伤区域的大小。其杀伤区域呈指数分布。对于一个内在破坏力p≥0, 杀伤半径S≥0的武器, 有效破坏力p (d) 是到该武器着陆点的距离的函数, 可近似用高斯分布表示为:

偏差 (deviation) 是对武器精确性的粗略度量。偏差 (D) 定义一个Agent的瞄准目标与一次射击实际击中的目标之间的平均距离。

可靠性 (reliability) 等于该武器一旦被触发而能够产生一次射击的概率。

1.6 Agent的个性表示

EINSTein还具有可动态调整Agent个性的功能。Agent的个性, 反映的是Agent对战场环境的自适应性。在EINSTein中, 每个Agent, 不论是单兵、局部指挥员还是全局指挥员, 其局部决策过程的核心都取决于Agent的个性。Agent个性是一个内部数值系统, Agent将根据这些个性和所处环境的相关特征决定其移动策略。Agent的个性是由6个分量组成的个性权值向量:

在这里-1≤ωi≤+1, ∑iωi=1。ω軑的分量指定了个体Agent如何对感知范围中的局部信息做出反应[3,4]。个性权值向量与Agent的健康状态有关, 一般来讲不等于ωinjured。ω軑的分量可以为负值, 此时表示Agent有撤离一个给定实体而不是靠近该给定实体的倾向[3,4]。

默认的Agent个性规则结构定义如下:

ω1———靠近己方存活Agent的权重。

ω2———靠近敌方存活Agent的权重。

ω3———靠近己方受伤Agent的权重。

ω4———靠近敌方受伤Agent的权重。

ω5———靠近己方军旗的权重。

ω6———靠近敌方军旗的权重。

1.7 Agent动作选择、决策逻辑及元规则的表示

用户在运用EINSTein进行作战仿真实验时, 可以通过其提供的元规则, 以寻求高层的涌现性过程 (如突破、翼侧运动、钳制) 和低级原始活动 (如机动、通信、对敌开火) 间的基本关系。EINSTein常用的作战元规则如表1所列。

2 非对称作战仿真实验

自海湾战争以后, 非对称作战的概念逐渐为军事人员所认同。非对称作战, 是指交战双方在不对等条件下, 尤其是指交战双方使用不同类型作战力量 (包括不同类型的军事组织和装备体系) 或不同类型战法 (包括不同类型的作战理论和作战方式) 进行的作战。一般认为, 遂行非对称作战, 在作战全过程或某一阶段, 为谋求有利于己方的作战态势, 充分运用一方作战力量和选择优势的谋略、时空、手段及方法的作战基本要素, 并通过对上述要素的优化组合, 使之相对于对方的相应要素形成明显的非对称性的作战。不难看出, 非对称作战的实质, 是形成对己方有利的作战力量、手段和战法等方面的优势, 并利用这些优势达成超常的作战效果[3]。

下面以红方、蓝方陆战部队非对称作战样式为背景, 运用EINSTein进行仿真实验。虚拟战场的大小为120×120, 红方、蓝方初始投入兵力各自为300个实体Agent, 双方初始队形和部署如图5所示, 红方、蓝方分别位于战场西南方向和东北方向, 战斗发起后分别向对方地域冲击。每个时间步长代表实际作战中的1min。

我们通过设置红、蓝双方所使用的武器装备以及双方兵力的感知能力、通信能力等参数来更加客观的体现出非对称作战的作战效果。

实验方案一:蓝方感知能力、通信能力高于红方, 其余参数设置基本一致。双方初始配备均为300件拉栓式步枪 (Bolt-action Rifles) 。如图6、图7、图8分别为感知范围、武器参数、Agent个性权值的输入界面。

在本次仿真实验中, 作战时间T=25min时, 红、蓝双方向自己的作战目标发起进攻, 并且双方的先头部队已经开战, 红方实体Agent存活275个、伤5个, 蓝方实体Agent存活268个、伤4个;作战时间T=50min时, 由于蓝方的感知能力以及在通信开启的情况下, 蓝方根据获得的红方信息, 形成包围之势, 把红方实体Agent包围起来。此时, 红方实体Agent存活140个、伤20个, 蓝方实体Agent存活255个、伤36个;作战时间T=75min时, 蓝方已经将红方全部歼灭, 战斗已经结束。蓝方实体Agent存活188个、伤57个。作战时间T=100min时蓝方继续向红方阵地前进, 并最终占领了红方阵地。作战过程态势图如图9所示。运用EINSTein仿真平台自带的可视化统计分析功能模块, 可得此次仿真试验双方实时战损情况, 如图10所示为10次实验所得的实验数据曲线。

实验一结论:红蓝双方的武器装备以及战斗力等方面基本相同, 然而蓝方的感知范围高于红方, 以至于在红蓝双方交战之前, 蓝方提前于红方发现对方, 并及时的通知后续部队, 在双方交战之前, 蓝方根据红方情况而做出相应的部署。交战过程中, 采用诱敌深入的战法, 将红方包围, 从而全歼红方, 以较小的代价, 取得了战斗胜利。

实验方案二:改变红方武器装备配置:180件拉栓式步枪、20件半自动步枪 (Semi-automatic Rifles) 、20件机关炮 (Machine Guns) 、30件手榴弹 (Grenades) 、50件迫击炮 (Mortars) ;而蓝方依然配置300件拉栓式步枪。其余初始条件不变。作战时间t=20min、t=40min、t=60min、t=80min时, 战场态势图如图11所示。

在改变红方武器装备结构后, 通过此次仿真实验即可发现:在T=20min时, 红蓝双方向着作战目标运动, 在T=40min时, 红蓝双方已经开始交战, 红方实体Agent存活260个、伤7个, 蓝方实体Agent存活110个、伤18个, 在T=60min时, 红方实体Agent存活225个、伤14个, 蓝方实体Agent存活0个、伤3个, 在T=80min时, 红方占领蓝方阵地, 而蓝方实体Agent存活0个, 伤1个, 且已经逃逸, 战斗结束。此次仿真实验双方实时战损情况的数据曲线, 如图12所示。多次仿真实验的结果大同小异。

实验二结论:红方在大量装备了相比于蓝方先进的武器装备之后, 尽管其感知范围低于蓝方, 但是其武器装备的有效射程以及杀伤半径却远远的高于蓝方, 虽然战斗开始之后, 蓝方通过其较高的感知能力先于红方发现对方, 然而, 红方运用其装备的手榴弹、迫击炮等射程较远、杀伤半径较大的武器, 在很短的时间内, 在对方还未做出具体部署之前就将其歼灭, 以非常小的代价, 取得了战斗的胜利。

3 结论

本文首先对EINSTein作战仿真平台进行了分析, 运用此作战仿真平台, 进行了非对称作战的仿真实验, 从两次实验的结果我们可以看出:

(1) 信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用, 深刻地改变着战斗力要素的内涵和战斗力的生成模式。信息和结构已成为战斗力构成中的核心要素。当一方军队一旦与对方武器系统形成“信息差”时, 在其他条件一致的情况下, 必然遭遇失败。

(2) 现代作战是体系之间的较量, 参战军兵种众多, 实现武器装备体系优化配置的一方, 在同等其他条件下将在作战中体现明显的优势。

(3) 在敌对双方势均力敌的情况下, 一方若将一批数量可观的高效能武器装备作为“撒手锏”, 投入战场使用, 对于战局朝己方胜利的方向发展, 将起到决定性的作用。

参考文献

[1]胡晓峰, 罗批, 司光亚.战争复杂系统建模与仿真[M].国防大学出版社, 2005.

[2]Andrew Ilachinski.人工战争:基于多Agent的作战仿真[M].北京:电子工业出版社, 2010.

[3]李雄.基于Agent的作战建模[M].国防工业出版社, 2013.

[4]Xiong Li, Jia Fu, Fei Dong, Zhiming Dong.Formal Information Representation for Tactical Reconnaissance System Organization Model[J].Studies in Informatics and Control, 2012, 21 (3) :325-332.

[5]Xiong Li, Zhiming Dong.Platform-Level Distributed Warfare Model Based on Multi-Agent System Framework[J].Defence Science Journal, 2012, 62 (3) :180-186.

[6]郭锐, 杜河建.基于EINSTein的现代海战仿真[J].计算机仿真, 2006, 23 (3) :259-261.

[7]王梦麟, 鲁云军.现代作战仿真的主要特点研究[J].系统仿真学报, 2008, 20 (23) :6316-6319.

仿真研究 篇2

航空母舰尾流数值仿真研究

为研究舰载飞机进舰着舰过程中航空母舰尾流的影响,选取了一个尾流模型在微机的MATLAB环境中模拟其速度的空间分布.根据成因将紊流分为4个组成部分:自由紊流分量的.功率谱用成形滤波器法模拟,稳态分量通过线性插值得到,周期性分量可直接计算得到,而航母诱导的随机紊流分量则通过MATLAB的SIMULINK工具包模拟.模拟表明周期性分量占主导地位.此模型需要实验数据和船上实测数据进一步确认.

作 者：彭兢 金长江 PENG Jing JIN Chang-jiang 作者单位：北京航空航天大学,飞行器设计与应用力学系刊 名：北京航空航天大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS年，卷(期)：26(3)分类号：V211.78关键词：航空母舰 舰载飞机 尾流 紊流 功率谱

仿真研究 篇3

电子电力仿真设计研究中针对复杂电路的分析设计是在所难免的，计算机仿真软件则是重要的方法与手段。随着社会电子信息技术的不断发展，计算机仿真软件也在不断地更新换代。电子电路仿真设计研究中，应与现代计算机仿真软件相结合，充分利用计算机仿真软件优势，完善电子电路仿真设计研究，从而为电子电路设计研究开拓新的平台。

当今社会电子信息技术不断地发展更新，各种电子设备与计算机的联系愈加紧密，计算机仿真软件的不断发展也使得实际电子电路设计的成本大幅降低，从而实现了电路设计低成本的转变。计算机仿真软件已经成为了电子电路设计的一个不可分割的重要组成部分，计算机仿真技术的出现也是传统的设计方法发生了极大的改变，不在像从前依靠人工计算以及实物试验和调整的方式，从而大幅提高了电子电路仿真设计的效率。在计算机仿真软件的不断发展之下，计算机仿真软件的有点越来越明显，界面更加的直观，操作也变得更加的方便，通过与计算机仿真软件相联系，电子电路仿真设计的效率与质量得到了质的提升，而且为设计者增添了更多的乐趣。

计算机仿真软件简要举例

EWB软件。EWB电子工作平台的器件库中集成电路、门电路等电路芯片等原件的收录非常的丰富，能够满足实验者的正常需求，如果器件库中没有所需原件，还可以进行外部传输，丰富器件库以满足实验者需求。它也能够较为真实的还原实验室桌面的内容，信号发生器、示波器等等的仪表工具在EWB中都可以予以提供。EWB电子工作平台易于掌握，学习方式十分直观，由于是计算机仿真软件，EWB的效率是传统试验方式无法比拟的，若想进行元件的变动，只需在计算机上进行，而不需进行实际操作，这也避免了实际操作中的失误可能对是实验结果产生影响，从而使试验更加准确。在EWB中，加入了虚拟仪器的技术，电子电路仿真设计在实验中与实验室的操作极为相似，实验人员在使用过程中不必更改原有的操作习惯，对使用人员来说极为方便。使用计算机仿真软件也减轻了使用者的体力负担，能够让使用者可以更多的进行设计，从而在正体上促进我国电子电路仿真设计研究发展。

Saber软件。Saber软件的主要面向对象是混合信号，其在于混合信号、混合技术和层次的处理能力极为优秀，Saber软件可仿真的领域也更为宽泛，数字和模拟信号器件、机械、热学、电磁学等诸多领域的器件Saber软件都可以进行仿真设计。在用户使用Saber软件时，可以建立不同的模型库，其模块化的特征，决定了它的灵活性丰富，可以组成特定的设计工具供用户使用，其高度的灵活性也就为使用者提供了更多的可能性，对于复杂任务的完成也就变得更加的高效和流畅。Saber有着极为开放的软件环境，它能够与计算机软件相接口，在一个单一软件无法满足用户需求的情况下依旧可以使用Saber软件进行操作，便可免去到实验室进行低效率的工作，从而使电子电路仿真设计研究的效率极大的加强了，也使使用者的使用体验的到了极大的提升，趣味性更加的丰富，创造力也就随之而来。

计算机仿真软件对于电子电路仿真设计的意义

提升电子电路仿真设计效率。在传统的电路设计中，實验人员需要在实验室中进行操作，将实验台上的仪器进行一一链接，而在计算机仿真软件上，这种麻烦便可以得到避免，计算机仿真软件可以将这些试验中较为耗时但是对实验结果影响极小的因素自行完成，节约了用户花费在此上的大量时间。而且当下计算机仿真软件的准确性极高，不会对实验结果产生影响，不必担心使用计算机仿真软件的准确性。在传统的操作中，一旦出现原件的错误需要更换或是改正时，极为麻烦，耽误了实验人员的大量不必要的时间，而在使用计算机仿真软件时，这种时间便可以得到节省。使用计算机仿真软件时，对于实验人员的体力也得到了节省，能够让用户有着更多的精力投入研究之中，也就可以使电子电路仿真设计效率的到提升。

教学意义。在电子电路仿真设计上，后续力量的发展也是极为有现实意义的，对提升我国电子电路仿真设计可持续性发展有着深远的影响。在电子电路的课程上，理论教学和实验课程是密不可分的，单有理论教育是远远不足的，而在完成了理论教学一段时间之后再进行实验的安排，这时学生对知识的记忆已经开始减少，对所学内容的感性认识也渐渐下降，甚至学习兴趣也渐渐淡化，这对学生的学习是极为不理的。但是使用计算机仿真软件，可以再理论教学的同时引入实验，二者互相不会产生影响，在理论知识传授的同时进行计算机仿真软件实验，这样提升了学生对内容的理解能力，强化了学生的记忆，也对学生的课下学习创造了方便，让学生自学实验成为了可能。在学生对实验有着一定的了解之后再进行实际实验，也不会让学生的动手能力下降，反而提升了学生对于知识的掌握程度，加深了理论理解。

设计研究中计算机仿真软件的应用

在电子电路方面的设计研究之中，更为重要的是理论思路的可行性，而不是实际操作。针对研究人员而言，在有了新的想法和思路的时候，结果只是一个可能，需要实验进行验证，因为想法只是一个雏形，所以在验证的过程中需要不断地更正，往往在一次次的失败和实验之后才能完成研究，可是传统方式将这一过程无限期的拉长了，对于研究人员来说，动手操作能力不是问题，实验结果是更为重要的，可是真正一次次进行实验和更换元件极为费时费力，有的误差甚至会影响实验结果。此时计算机仿真软件的应用很好的解决了这一问题，它的使用能够让用户从繁琐的实验中抽身出来，将更多的精力放在理论研究上，提高了研究效率，在宏观上来说，推动了电子电路仿真设计研究的发展。

逆变电路仿真研究 篇4

逆变电路是将低电压变为高电压,把直流电变成交流电的电路。

逆变电路是通用变频器核心部件之一,起着非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。

此外,随着对输电线路要求的提高,直流输电越来越受到重视,逆变电路就是在交流侧将直流电逆变为设备所需的交流电,在这一环节中,逆变电路起着至关重要的作用。

下文将就PWM逆变电路进行仿真分析。

1 逆变电路仿真分析

1.1单相逆变电路仿真

首先分析由四个IGBT组成的单相全桥逆变电路,采用PWM波调制,PWM调制波频率为50Hz,载波频率为4000Hz。L0和C0组成低通滤波器,其中L0=0.025H,C0=70μF。不同负载时分别对直流侧电压、交流测电压、PWM波、负载电压,负载电流波形进行测量。

1.1.1单相逆变电路仿真

首先在电阻性负载时对直流侧电压、交流侧电压进行测量。

图1单相逆变电路仿真模型(参见右栏)

由图2可以看出,经过PWM逆变电路,输出电压为方向交替变化的矩形脉冲,实现了有源逆变。

1.1.2负载为纯电阻时的逆变仿真

加上一个低通滤波器后的仿真电路和各测量对象波形如下。负载R=1000Ω。

由波形图分析可知,逆变电压经低通滤波器后变为按正弦规律变化的交流电压并提供给负载电阻。

1.1.3负载为电阻电感串联时的逆变仿真

当负载为电阻和电感串联时,仿真电路和各测量数据波形如下。其中负载电阻R=1000Ω,电感L=1000H。

图5负载为电阻电感串联时的仿真电路模型

图6负载为电阻电感串联时的仿真波形

(参见右栏)

分析图6可知,由于负载为阻感性,电流滞后电压一定相位。

1.1.4负载为电阻电感电容串联时的逆变仿真

当负载为电阻、电感、电感串联时,仿真电路和各测量数据波形如下。其中负载电阻R=1000Ω,电感L=1000H。电容C=100F。

图7负载为电阻电感电容串联时的仿真电路模型

图8负载为电阻电感电感串联时的仿真波形

(参见下页)

以上分析的是单相逆变,但是在实际生产中,三相逆变应用居多。若将PWM逆变应用到三相电路,对于节能来说,将产生巨大的效益。

2 三相逆变仿真

下图是三相逆变仿真电路,三个桥臂是由6个IGBT组成的全桥电路,触发脉冲采用PWM调制。

上图中PWM调制波模块参数设置如表1所示。

载波频率设置为频率4000Hz。

仿真波形如下图所示。

图10三相逆变仿真波形(参见右栏)

由图10可知,经过三相逆变电路逆变,再经过三相低通滤波器,得到按正弦规律变化的三相交流电。

3 结论

在经过逆变电路时,电压波形为与PWM载波频率相等的矩形脉冲,当经过参数适合的低通滤波器时,波形变为按调制波同频率变化的正弦波,根据负载的阻抗性质,电压波形随之变动。当三相逆变时,可以得到按正弦规律变化的三相正弦波。

摘要：逆变是伴随着电力电子技术的发展而产生的一种电源电路。文章着重应用Matlab中的simulink工具箱对逆变电路的原理进行仿真,首先对单相逆变电路中三种不同负载形式进行仿真,最后推广到三相逆变电路,分析了不同电路形式下的波形,对逆变初学者有很好的借鉴意义。

关键词：逆变,Matlab,仿真

参考文献

[1]王兆安,黄俊,等.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]张平.MATLAB基础与应用简明教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.

仿真门店经营模式创新研究论文 篇5

1.门店的含义。门店通常被认为规模小、商品质量较为精致、独立经营的小型企业经营场所，是目前深受大众所喜爱的具有投资较少、适合年轻人创业的新型发展业态。2.门店空间结构布局。通常将门店的空间分为：吧台服务空间、文化赏玩空间、信息交流空间、简餐空间和表演空间五个部分。吧台服务空间主要是吧台服务员技能展示和制作产品的场所，所有产品的制作工作几乎都是在吧台空间完成的，又因吧台服务空间是半开放式，因而要求服务人员必须着装整洁，动作规范优雅，操作台要保持干净整洁。文化赏玩空间是一个门店品味和文化内涵的重要布局空间，是门店主人向消费者展示门店的主题、品味、文化等方面的脸面，同时也体现了门店对消费者客质的要求。信息交流空间是消费者对门店基本要求的载体，消费者通过“获取信息—消化信息—交流信息—分享信息—创造信息”的运行链，构建“交流信息”的能力，进而完成人际间的交往行动。简餐空间是满足消费者生理需求的基本功能要求。简餐的味道不宜过重，以免影响他人进餐的氛围。餐品要荤素搭配，颜色适宜，或充满趣味或极具美感，引起消费者的食欲。表演空间是门店为消费者提供的附加服务，表演的形式多以歌曲、吉他、古筝、小提琴等轻柔、占地空间小的表演形式为主，给消费者以美的享受、心灵的安抚。

二、仿真门店初期经营构想及发展

初期创建门店的构想。

1.1举办主题party。定期举办不同的主题聚会，依据大学生活泼、勇敢、喜欢结交新朋友的特点，举办老乡会、品茶会、联谊会、圣诞夜、cosplay、狼人杀等多种聚会主题，吸引大学生对品牌的关注度，为在校大学生提供学习、娱乐、交友的平台。

1.2开展英语会话角。每周一次邀请外教来门店咖啡畅饮，与热爱英语的同学建立交流角，为学生提供学习的场地和英语交流的机会，让学生远离“哑巴英语”的束缚。

1.3定期更新旅游路线推荐版。结合旅游专业的自身特点，设立旅游路线推荐版，定期更新，把最新、最好、最适合大学生出行旅游的景点整理并推荐。

1.4以茶会友，宣传中国茶文化。聘请旅游专业教师主讲，以茶会友、以“品”怡情，将中国的茶文化、西方的咖啡文化融汇贯通，请旅游专业的同学做专业展示，丰富学生课余生活并指导学生参加茶艺师、咖啡师的考试。

2.仿真门店前期发展概述。

仿真门店实施初期，成员组本着货真价实，经济实惠的原则在饮品的原材料的控制上注重了品牌的影响力和安全性的问题，例如酸奶的采购品牌为安慕希品牌，水果的采购为欧亚超市等，产品问世就收到了大学生消费者的欢迎，然而到了月底结账却惊讶的发现出现了200元左右的亏损情况。仿真门店经营的第二个月，参与门店经营的组员的上课时间、考证时间与门店经营时间发生冲突，使得门店经营时间不固定，导致许多消费者以为门店关闭不再经营，损失顾客大半，月底结账亏损了500元。两次的亏损令学生深感意外同时也认识到问题的严重性，组员们马上进行了第一次“股东大会”，调整了作息时间，控制了制作饮品材料的数量和克数量化了出产品的细节，对产品进行了调整。xxxx年9月、10月正是学生活动比较频繁的时期，为了扩大门店在校园中影响力，学生店主通过赞助、免费畅饮、集赞、第二杯免费等活动深深的抓住了学生的眼球，可是两个月下来后，每个月仍有200元左右的亏损。经过了前四个月的失败教训之后，学生店主们开始集思广益，通过赞助、茶艺师、咖啡师的培训等活动，使得门店的经营有所起色，后两个月的收支较为平衡。

3.仿真门店经营模式的创新构建。经过几个月的经营经验的积累，学生店主的经营开始有了符合校园大学生市场、降低经营成本的模式构架，主要表现在以下几个方面的改进：

3.1开启会员制，尽快回收前期门店经营的财务亏损。

3.2采购简易净水系统，替代矿泉水原材料的使用成本。

3.3设置一次性的WiFi密码，减少学生蹭网频次，增加翻台率。

3.4自己制作酸奶降低制作成本。

3.5适时的第二杯促销，增加销售额。3.6未来门店盈利的额外收益一方面作为门店经营学生的实习工资，；另一方面作为旅游专业系内学生课上实习的经费。

三、仿真门店经营模式发展中存在的问题

产品单一，成本过高。由于仿真门店面对的顾客群均为在校的大学生，在许多的产品材料的选择上较为单一。一是要注重健康，二是口感、色泽，三是酒精类不符合年轻人的饮品材料不可选择。因而门店的产品的样式和开发新产品的广度上还较为单一。材料选择多为品牌的大型超市，原材料成本较高，虽然深受消费者的欢迎，利润效果不佳。

2.营业时间出现断档。店员由于都是同一专业的在校大学生，上课时间集中统一，使得仿真门店营业时间出现了断档现象。这种情况在实际的门店经营中是不可能发生的。一方面会造成消费者误解，认为门店不经营处于歇业状态，进而终止消费的欲望进而失去客源；另一方面，因顾客无法掌握好仿真门店的营业时间，由原来的惬意消费变成了等待被选择的消费而丧失消费动力，进而失去客源。

3.门店位置不佳。仿真门店的地址为校园的教学楼内，虽内置装潢与真店类似，但是最大的问题是没有门市，严重的制约了门店的经营发展。限制了消费者的可进入性，因而消费人群仍是一个小范围的小众消费。

4.设备不健全。仿真门店模拟室于2005年建成，一直用于旅游专业实训课程的教学使用，长达12年之久的设施设备均已老化，不能够很好的完成现行的各种新型饮品制作，有些设备虽能够使用，但是耗材过大，成本过高，给仿真门店的经营带来了许多的困难。例如在xxxx年的9月-10月期间，门店曾4次进行过咖啡机的设备维修，导致咖啡不能够售卖的情况。

四、仿真门店经营模式发展的对策

开发新产品，特色经营。在原有产品的基础上，开发新产品，透过颜色、口感等方面刺激消费者的视觉和味觉神经。采取店面经营众筹制，技术众筹、财务众筹、管理众筹等多种方式做有特色的仿真门店经营管理。

2.合理修改教学实习计划。通过教学计划的调整，合理调控学生的实习时间；透过学校教务处的配合，合理安排学生的上课时间，让学生在课上学习理论知识，课下付诸实践的课程闭合环，保证正常的教学秩序。学生在对仿真门店的经营管理是以一带一、一帮一的方式传承于每一届的学生，每一届经营的收益和创新管理，可以为旅游专业改善易耗损的实训器材和为旅游专业的教学改革提供参考依据。

3.高校相关政策扶持。目前仿真门店的经营管理模式探索是以大学生创新创业项目为依托，一年为期的创新实训项目。好多的新型经营模式的探索因时间、资金、政策扶持等原因都不能在短暂的时间加以验证，因而需要高校予以政策上的长期扶持与资助。

4.多种方式获得投资。在校方支持的基础上，仿真门店的经营也可通过项目申请、全国大赛、网络众筹、赞助等方式获得资金的投入，进而减小校方的负担。

参考文献：

光伏系统并网运行仿真研究 篇6

关键词：光伏系统；最大功率跟踪；仿真；直流微网；控制

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0052-03

近年来，人们逐渐开始利用洁净、可再生能源发电，如太阳能，风能等。光伏发电技术和产业不仅是当今能源的重要补充，更具备成为未来主要能源来源的潜力。《国家能源发展规划》规定，2010—2020年重点采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，以解决偏远地区和无电户的供电问题。目前，国内对光伏并网的研究较多，相关设备越来越先进，相关理论也在不断完善。介绍光伏发电的原理和数学模型，给出目前比较流行的变步长最大功率跟踪的分析和仿真模型，在此基础上描述BOOST电路的工作原理，最后结合双向整流器提出G光伏直流微网并网的控制策略，并利用MATLAB仿真验证控制策略的可行性。

1 光伏电池的数学模型和仿真

光伏电池利用光生伏特效应产生电能，工程上普遍采用硅光伏电池进行光电转换。光伏电池的等效模型数学表达式为：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I为太阳能电池输出电流；U为太阳能输出电压；Isc为短路电流；G为太阳能辐射强度；Tref，Gref分别为太阳辐射（1 000 W/m2）和光伏电池温度参考值（25 ℃）；Vm，Im为最大功率点电压、电流；Tc为光伏电池当前温度；α为光伏电池短路的电流温度系数；β为光伏电池开路的电压温度系数。

根据上述公式得出的MATLAB仿真波形如图1所示。

2 并网变换器的控制策略

光伏并网变换器控制策略分为单级式和两级式2种。单级式拓扑结构比两级式少一个DC/DC直流变换环节，并网运行时的控制目标比较多，难以兼顾，因而较少采用。两级式虽然比单级式成本高，但其前后级可以分工合作，控制效果较好。两级式并网变换器控制又分为前级最大功率跟踪和后级最大功率跟踪2种。当采用后级最大功率跟踪时，在不同的运行阶段，前后级需要改变调节速度来满足控制要求，增加了整个系统控制的复杂程度。采用前级最大功率跟踪时，DC/DC环节只需进行太阳能电池的最大功率跟踪，利用功率平衡来维持直流侧电压。为避免能量堆积，要求DC/AC的调节速度比前级DC/DC快，但其更容易实现。前级最大功率跟踪的控制结构如图2所示。

2.1 最大功率跟踪电路控制策略

光伏电池最大功率跟踪电路有BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路、CUK电路。BOOST电路（如图2所示）适合工作于小功率光伏系统。BOOST变换电路主要由续流二极管D1、全控开关管T、电感和电容组成。当全控开关导通时，电感开始续能；当全控开关关断时，电感产生的反电动势和电源的电压串联加在电容C2上，这使得电容C2上的电压高于电容C1。

通过改变全控开关T的导通频率和占空比，实现对升压大小的控制。扰动观察法是目前比较常用的最大功率跟踪（MPPT）算法，它通过定期改变光伏电池电压大小来增减功率（见图1）。当运行到最大功率点左侧时，电压增加，功率增大；当运行到最大功率点右侧时，电压增加，功率减少。电压定期改变的大小称为步长。当采用定步长时，会出现最大功率点附近扰动较大或者系统进入最大功率点附近的工作时间较长等问题。而采用变步长则可克服上述问题。

采用自适应占空比扰动观察法，通过改变MPPT模块中脉宽调制信号的占空比来改变升压电路的输入和输出关系，从而实现最大功率的阻抗匹配，克服定步长扰动观察法的缺点，结构简单且容易实现。

2.2 光伏并网变换器控制策略.

三相电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型开关器件，既可以从电网上吸收功率，使系统在整流状态工作，也可以向电网输出功率，使系统在有源逆变状态工作。图2中的整流器数学模型在PARK变换后的表达式为：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L为交流侧滤波电感；R为交流侧线路等效阻抗；C为直流侧电容；Vdc为直流侧电压；idc为直流侧负载电流（工作在整流状态时）；id为解耦后的有功电流；iq为解耦后得无功电流；ω为交流侧电压频率；Sd为解耦后控制有功的开关函数；Sq为解耦后控制无功的开关函数。

整流器的控制策略分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制由于没有交流侧电流反馈环节，所以控制原理简单、工作可靠，缺点是交流侧电流的动态响应比较慢及系统参数变化给网侧电流带来的影响比较大。直接电流控制引入了交流电流反馈，交流侧电流反应快，控制性能有所提高，但控制系统复杂程度较高。不过，直接电流控制依然是目前应用比较广泛的一种控制方法，其控制策略如图3所示。

采用L型并网，利用公式（6），（7），（8）进行并网滤波器参数的选取和PI参数的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L为滤波电感；C为直流侧电容值；fsw为整流器的开关频率；ia为并网后额定电流的单相值；u为并网交流电压的额定有效值；Ts为整流器系统的采样周期；Kpwm为双向整流装置等效增益。

3 光伏系统并网运行仿真

用MATLAB/SIMULINK进行仿真研究，仿真参数如下：交流侧线电压380 V；直流侧电压600 V；光伏最大功率4 kW；直流负载4 kW；滤波电感6 mL；整流器直流侧电容3 mf；直流升压电路电感1 mL。系统运行状况如下：0.3 s前，直流电网无负载，光伏电源将最大功率输送给电网（4 kW）；0.3 s后，直流电网带直流4 kW直流负载；0.7 s时，光照改变（最大功率為1 500 W），直流网从主网吸收电能来满足直流负载要求。仿真运行情况见图4—6。

图4显示了直流微网中光伏电源最大功率跟踪情况，从波形可以看出，系统很好地完成了控制目标。由图5可知，直流侧直流电压很快进入了设定值，且变化很小。图6展现了网侧相电压和相电流。系统开始仿真后，网侧电流很大，这是由系统需要向直流侧电容充电造成的，向电网提供电能时，电流和电压保持良好的相位关系；当加入直流负载后，直流微网所提供的电能和负载刚好相等，但网侧电流并不为0，这是由设计滤波电感时采用了20%的纹波电流造成的。当系统需要向电网吸收功率供给直流负荷时，网侧电流和电压相位关系也很满意。

4 结论

建立一个由光伏组成的直流微网，利用变步长实现分布式电源的最大功率跟踪，在并网运行的情况下根据负荷和分布式电源的变化从电网吸收电能或者输送电能给电网，并且保持较好的直流电压质量。利用仿真验证提出的控制目标和策略，为光伏并网研究提供参考。

秸秆压块过程仿真研究 篇7

我国农作物秸秆资源十分丰富,年产量将近7亿t,其中约有1.8亿t作为工业原料加工利用,约2.7亿t作为燃料进行焚烧,剩余的秸秆直接还田。农作物秸秆作为一种重要的粗饲料,经过揉碎处理压缩成型后,不但减少了占地面积便于贮存,而且在压缩过程中产生大量的热,对秸秆起到熟化处理的作用,改善了适口性,提高了牲畜的采食率;此外,压缩成型后还可以制成生物质燃料。农作物秸秆经过加工后,保护了生态环境并且使其利用价值得以充分体现[1,2,3]。目前,随着我国畜牧业的飞速发展,对农作物秸秆压缩理论等方面的研究也在不断地深入,粗饲料秸秆压块成型技术应用前景越来越广泛。为此,以9YK-0.4D型环模式压块机为研究对象,利用Solidworks三维建模软件建立样机实体模型,将实体模型导入到ADAMS中,利用ANSYS有限元分析软件建立秸秆物料柔性体模型,然后将秸秆柔性体模型导入到ADAMS中并与虚构件连接,进行秸秆压缩过程仿真分析,并且得出相应的运动变化规律[4,5]。对压块过程进行理论分析,可为压块机压块装置的结构参数优化提供理论依据。

1 环模式压块机模型的建立1.1 环模式压块机工作原理

1.1环模式压块机工作原理

环模式压块机主要是将揉碎后的农作物秸秆(长度约为30mm左右)压缩成型。压缩方式属于开式压缩。工作原理是利用环模、压辊和农作物秸秆之间的摩擦和挤压作用使秸秆压缩成型。首先是将揉碎后的农作物秸秆送入到喂入斗中,由喂入斗内的螺旋搅龙将其农作物秸秆输送到压缩室内,电动机带动环模进行旋转;由于环模与农作物秸秆之间的相互摩擦作用,环模带动秸秆转动[2,6],由压辊的摩擦和挤压作用将农作物秸秆挤压到模孔内。随着农作物秸秆的不断喂入以及环模和压辊之间的挤压作用,农作物秸秆开始分层成型。周而复始,农作物秸秆压缩成块后,被后续的秸秆挤出模孔外。

1.2 建立环模式压块机模型

本文根据9YK-0.4D型环模式压块机的结构参数,采用自底向上的建模方式进行建模,其结构主要由4部分组成:机架、动力装置、喂入装置和压块装置。压块装置主要是由压模和压辊两部分组成,如图1所示。

本文研究了压块机的压块过程,将整机模型做简化处理,针对压块装置进行仿真,如图2所示。

2 建立农作物秸秆柔性体模型

农作物秸秆的压块过程属于大位移、大应变等非线性问题,无法在ADAMS中准确描述,因此本文利用ANSYS系统对农作物秸秆压块过程进行柔性体建模。首先在ANSYS软件中建立农作物秸秆的模态中性文件,再与ADAMS通过.mnf格式文件进行数据交换。

由于农作物秸秆揉碎后形状不规则,给模型建立带来一定的困难,此外考虑压块过程主要针对秸秆物料群体压缩规律,因此对模型的几何特征进行简化处理。本文中的模孔采用的是方形孔,其截面尺寸规格为30mm×30mm,假设建立的秸秆模型为正方体模型。

2.1 定义单元类型及材料属性

将单元属性选取为Brick 8node 185,该单元具有塑性、超弹性、应力强化、蠕变、大位移和大应变能的特性,因此可以描述农作物秸秆在压缩过程中的变化特性。秸秆等农业纤维物料属于粘弹性体,采用Drucker-Prage材料对农作物秸秆的属性进行定义[2,7],有

弹性模量/Pa:16×106

泊松比λ:0.35

密度/g·cm-3:0.4

粘聚力/N:20 320

内摩擦角/(°):10.14

热膨胀系数:1.0×10-6

2.2 生成有限元网格

农作物秸秆进行揉碎处理后呈细丝状,直径约为4mm,因此将有限元的网格划分尺寸设定为0.004,采用自由划分网格的形式进行划分,如图3所示。

2.3 生成模态中性文件

网格划分完毕后利用ANSYS与ADAMS之间的接口进行数据交换,在柔性体物料上选取主节点以便在ADAMS中与虚构件进行连接,如图4所示。

3 建立压缩装置的虚拟样机模型[8]

利用Solidworks与ADAMS之间的数据接口,将Solidworks三维模型文件转换成.x_t格式的文件。

然后,将建立的.x_t格式文件通过数据接口导入到ADAMS环境中,并对模型定义材料属性、添加约束和驱动。

3.1 导入模型和定义材料属性

1)导入模型。

单击菜单File→Import,将已经建立的.x_t格式的parasolid类型文件导入到ADAMS环境中。

2)定义材料属性。

由于在Solidworks中建立的模型在导入到ADAMS过程中,造成材料属性信息的丢失,因此在ADAMS中需要根据实际样机的材料属性重新对模型定义。

3.2 添加约束和驱动

1)添加约束。

在Solidworks中建立的零部件之间的约束在导入到ADAMS中也同样丢失,仅保留了几何位置信息。因此,在ADAMS中需要重新添加约束条件。

2)添加驱动。

在实际样机中,该压块机的运动方式采用的是模转辊不转的形式。为了便于分析粗饲料秸秆压缩成型过程,需要对环模式压块机的运动形式进行转换,并且根据压模与压辊之间的相对运动关系,将压模固定。考虑压辊对秸秆物料的挤压作用,因此在主轴上添加旋转驱动,利用主轴带动压辊进行转动。

根据电动机的转速和带轮的传动比确定主轴的转速为220r/min。因此,将驱动函数设置为-1 320d*time。

3.3 创建虚构件

当刚性体零件和柔性体物料之间直接施加约束的时候,由于很多条件的限制,一些约束不能直接施加在柔性体上,为了解决这一问题,需要创建虚构件将柔性体与零件之间进行连接。

3.4 柔性体模型导入与连接

将柔性体模型文件通过ADAMS/View中的菜单Build→Flexible Bodies→ADAMS/Flex导入以后,并对其位置进行调整以及相关各个参数的设定,然后与ADAMS中的虚构件进行连接,并且对柔性体和虚构件施加约束。

经过上述操作步骤,完成环模式压块机和柔性体秸秆物料在ADAMS环境中的设置,如图5所示。

4 仿真计算与结果分析

将上述准备工作完成后,本文主要研究单压辊对农作物秸秆的挤压作用。根据主轴的转速,确出仿真时间,因此设置仿真时间为0.06,仿真步数为100,进行仿真计算;分别测得粗饲料秸秆模型上8个主节点的X,Y,Z三个方向的分力与合力,以及秸秆的位移、速度和加速度。运行结果如图6～图9所示。

由图6可以看出,压辊对秸秆物料作用力随着时间不断增大,当秸秆被挤压到模孔内压辊对秸秆的挤压力逐渐减小。

由图7可以看出,柔性体秸秆在X轴方向(即主轴的轴向方向)上位移几乎不变,在Y,Z轴两个方向(Y轴为压模的径向;Z轴为压模的切向)上的位移非常明显。

根据图10中的力与位移关系曲线可知,秸秆物料受到压辊的挤压力随着位移的增大呈指数分布,直至压辊的挤压过程结束后挤压力减小。此时,因为秸秆有弹性恢复,压辊受到秸秆的反作用力,因此出现线性增长。

由此可知,当秸秆物料被输送到压缩室以后,秸秆在压模孔入口处产生堆积;,当压辊开始对秸秆物料进行挤压的时候,其主要作用力是对秸秆的向前推动;随着向前的推动,压辊与秸秆之间以及秸秆与压模之间的摩擦力的不断增大,致使压辊开始进行受迫转动,进而开始对秸秆产生挤压作用。

5 结论

1)利用ANSYS有限元分析软件建立柔性体物料,通过ADAMS虚拟仿真技术来描述环模式压块机对秸秆物料的压缩过程。采用ANSYS与ADAMS联合仿真的方法,提高了仿真结果的准确性、真实性与可靠性。

2)分析环模式压块机的压缩成型慢的原因在于压辊对秸秆物料的推动作用大,短时间内秸秆与压模很难形成较大的摩擦力,因此不易将秸秆物料压至模孔内。

3)根据仿真结果分析,对压模的模口形状、压辊的齿槽的形状可以进一步地研究和改进,从而缩短秸秆物料的成型时间。

摘要：对环模式压块机的几何实体进行三维建模,对农作物秸秆进行柔性体建模。通过利用ADAMS动力学分析软件和ANSYS有限元分析软件联合分析的方法,对压块过程进行仿真分析,通过仿真可以清晰地观察到柔性体秸秆在压辊的摩擦和挤压作用下被压到模孔内,分析柔性体秸秆的运动情况,并且得出了秸秆所受到的力、位移、速度、加速度以及力与位移的关系。

关键词：秸秆,压块,柔性体,仿真

参考文献

[1]何冬黎,王春光,刘海超.秸秆压块过程的试验研究[J].农机化研究,2012,34(2):127-131.

[2]宁鹏辉.环模式秸秆压块机致密成型机理研究[D].石家庄:河北科技大学,2011.

[3]黎粤华.生物质固化成型有限元研究及平模成型机压辊特性分析[D].哈尔滨:东北林业大学,2009.

[4]张永德,汪洋涛,王沫楠,等.基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真[J].系统仿真学报,2008,20(17):4501-4504.

[5]侯红玲,赵永强.基于ADAMS和ANSYS的构件运动分析[J].机械设计与制造,2010(5):75-77.

[6]于新奇,宁鹏辉,高慧琴,等.环模式秸秆压块机的结构分析[J].可再生能源,2011,29(6):150-152.

[7]张洪信,管殿柱.有限元基础理论与ANSYS11.0应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

三维虚拟仿真研究框架 篇8

三维仿真平台的建立,需要集数据库技术、二维可视化技术、统计分析功能、专业模型计算、三维可视化表现、网络会商功能于一体。在数据存储、统计、分析与二维可视化方面,GIS系统已经比较完善,信息集成度高;从专业模拟计算的角度,相关专业的学者已有大量的研究成果,科学可视化方面也有比较多的应用软件;三维虚拟仿真技术作为一种新的技术,在信息表达方面独树一帜,是二维可视化系统的提升和补充。

1 三维仿真平台框架

三维虚拟仿真平台作为综合平台,其总体框架主要由四个模块组成:三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块。数据库部分作为后台数据的总仓库存储系统运行所需数据,随时接纳由计算或监测输入的数据资料,同时为二维GIS模块和三维可视化模块提供显示数据,为数学模型计算程序提供计算参数。数据库模块包括GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库三个部分,联合实现上述功能。数学模型计算作为系统进行科学模拟的核心内容,为可视化平台提供科学的计算结果,供用户判断决策,并接收可视化平台的反馈信息,随时调整计算条件,其计算结果也可存入数据库中。二维GIS模块和三维可视化模块并列作为前台的显示和交互界面,是整个系统面向用户的窗口。GIS模块完成二维显示和统计分析功能,并与三维可视化模块相连接实现地图导航功能,三维可视化模块则实现场景的三维可视化表现任务[1]。这些模块的集成最终形成三维虚拟仿真平台。

2 数据库设计

三维虚拟仿真平台作为综合平台,包括二维GIS和三维仿真两方面表现,本文将数据库设计分成GIS数据库、三维空间数据库和属性数据库三个部分进行研究。GIS空间数据库主要为二维GIS提供绘图和空间分析的数据源;三维空间数据库为三维可视化模块提供显示所用到的空间结构位置、纹理材质等数据;属性数据库则为GIS和三维可视化模块中的各个实体提供属性信息,同时也存储数学模型计算结果,供查询分析之用。

2.1 GIS数据库

GIS数据库分为空间数据库和属性数据库,空间数据用于描述空间地理对象的属性,是对点、线、面特征的操作。在GIS系统中,空间数据以图层的形式存储和表达,在Arc/Info中图层称为coverage,每个图层存储一个特定的专题图形,不同的图层通过描述信息特征或者辅助特征(如控制点和边界范围)达到空间信息的匹配和配准。图形特征分为点、线段、多边形等,分别对应空间对象的点、线、区域等特征,每个对象对应一条记录。属性资料用来描述图形的特征,包括点属性资料、线属性资料和多边形属性资料。属性数据在GIS中以关系型数据库形式存储,可利用ArcGIS等GIS软件的连接功能,通过用户定义的特征识别码使属性数据库与空间数据库相关联。

2.2 三维仿真空间数据库

三维空间数据库包含的信息有:三维地形地物的空间几何信息,空间拓扑关系,相对应实体的纹理、材质、层次细节构造等方面的信息数据。与传统的商业关系数据库相比,三维空间数据库技术的理论和产品仍处于探索和试验阶段,商业化的三维空间数据库系统尚不多见。

OpenFlight格式数据模型将实体按照其几何结构进行存储,从基础的三角形面组合为局部结构,最后构造为完整形体,通过节点三维坐标和形体拓扑关系存储模型的几何信息。另外该数据模型可以同时存储与实体显示相关的属性信息,如模型材质、色彩、明暗阴影等,模型文件中对纹理信息只存储纹理名称和映射关系,纹理图片需另外存储,通过上述存储方式可从三维可视化角度实现实体信息的关联存储与访问。

2.3 属性数据库

属性数据是指描述三维实体各种属性信息的数据,其中既包括实体名称、实体说明等文本数据,也包括相关的图片、音像等多媒体数据。在数学模型计算方面,一方面需要存储计算所需的基础数据,如河道地形、糙率、流量、水位、经验拟合曲线等;另一方面则需存储计算结果。

3 空间数据与属性数据之间的联系

无论是空间数据还是属性数据,最终都要集成于三维虚拟仿真系统平台中,为信息查询分析、仿真模拟服务。实体空间信息由OpenFlight格式的模型文件存储,可通过三维可视化平台调用而绘制出实体的三维形态;实体属性信息存储于Oracle等关系数据库中,可通过SQL语句进行查询、更新等操作。因此要实现基于三维场景的信息连接查询,需要通过程序设计和数据库间的关联来实现。

4 二维GIS可视化

二维地理信息系统可视化已较为成熟,已经有不少商业GIS软件。但要开发与三维相结合的仿真平台,对GIS的开发调用必须能够脱离商业平台独立运行,这方面组件式GIS技术完全可以满足要求。国内外著名的GIS厂商都相继推出了他们的GIS组件,如InterGraph公司的GeoMedia,MapInfo公司的MapX,ESRI公司的MapObjects和ArcObjects等。而近年来ESRI公司推出的ArcGIS9中的ArcGIS Engine则是组件GIS开发中的新工具。

5 三维可视化

5.1 三维图形显示原理

5.1.1 坐标系定义

现实世界是真三维的,把具有空间坐标的三维实体通过各种变换投影到二维屏幕上的过程称为三维图形显示。为了在计算机屏幕上得到真实感的图形图像,需要一系列坐标变换和计算机图形学技术处理,其过程示意如图1所示。

5.1.2 图形变换

三维图形显示要将世界坐标系中的三维实体经过一定几何和投影变换之后,显示在二维屏幕坐标系中,其中图形的几何变换主要包括平移、旋转、变比、错切等方面,投影变换则一般采用透视投影的方式。

三维图形的几何变换矩阵可用T3D表示如下:

undefined

从变换功能上T3D可分为4个子矩阵,其中,

undefined

产生比例、旋转、错切等几何变换;[a41a42a43]产生平移变换;

undefined

产生投影变换;[a44]产生整体比例变换。

5.2 三维可视化软件开发平台

实现以上的三维图形显示过程需要相应图形开发软件的支持。实现场景三维可视化显示的软件很多,本文以OpenGVS为例来实现场景的实时驱动。OpenGVS是Quantum3D公司提供的视景开发软件包,该软件提供了构建虚拟场景的总体框架和大量的C函数接口,本身实现了许多图形显示经典算法,从而避免了重复开发工作,对视景开发的效率很高。

OpenGVS提供了构建虚拟场景的多个三维场景的驱动接口,主要有Frame,Channel,Scene,Camera,Object,Light,Fog等(Quantum3D Inc,2001)。如图2所示。

程序设计可分为三个部分:程序初始化、图形处理循环和程序退出,结构如图3所示。初始化是对场景三维可视化所涉及的各种实体进行初始化赋值并载入的过程,主要包括:创建图像通道并定义透视投影视图体的大小;载入地形地物实体,将其置于特定的空间位置;设定光照和雾化效果的具体参数,加入场景;初始化摄像机位置和视角。通过初始化工作,程序就具备了图形渲染的数据基础,可渲染出最初的场景静态效果图。而要实时生成图形,进行动态交互仿真,就需要根据交互操作实时改变绘图参数,并根据参数的改变渲染出相应图形,这正是程序的图形处理循环部分所要完成的任务,也是三维交互系统设计的核心所在。实时系统的图形处理是按帧循环的,每帧中都首先根据交互操作的要求进行实体状态更新,如改变摄像机的位置视角、各种地物的运动状态、光照雾化的效果参数等,然后按照更新后的实体状态绘制输出。其中对实体更新变化过程的控制正是三维仿真模拟的实现接口,如场景漫游就是通过更新摄像机位置和视角来实现的,基于科学计算的三维交互仿真也是通过对相应实体运动变化控制函数的设计而完成的。

5.3 三维可视化与漫游

三维可视化系统的基本功能便是真实再现模拟场景,在计算机虚拟环境下对场景进行随意漫游。根据程序的框架结构,三维显示是通过图形场景的渲染完成的,场景画面的明暗阴影及雾化根据光照和雾化参数进行调整,场景的漫游则通过对摄像机的控制加以实现[3]。

5.3.1 三维图形显示

三维图形的显示需要对图形进行剪裁、消隐处理,程序设计中通过定义视图体的大小进行图形剪裁,并应用Z缓冲区算法完成消隐处理。为真实表达三维空间的物体,一方面需要描述其几何特性,即实体的空间位置,另一方面则要描述其光亮度和颜色。另外现实世界是绚丽多彩的,要在计算机屏幕上逼真表达,需要描绘和模拟不同表面的纹理图像,进行纹理映射处理。

纹理映射的实现是依据纹理空间、景物空间和计算机屏幕图像三者的映射关系来完成的。一般来说,二维纹理定义在一个平面区域(纹理映射空间)上,该平面区域上的每一点处,均定义有灰度值或颜色值。在图形绘制时,根据纹理空间与景物空间之间的映射关系,确定景物表面上任一可见点P在纹理空间的对应位置(u,v),而(u,v)处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面P点处的纹理属性。

景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现纹理图片与相应景物实体间平面位置上的配准,其映射关系是一种仿射变换:

u=a0+a1X+a2Y+a3XY (2)

v=b0+b1X+b2Y+b3XY (3)

式中,(u,v)是纹理空间中的坐标,(X,Y)是景物空间实体表面坐标,(ai,bi,i=0,1,2,3)为8个变换参数。可依据纹理图片与实体表面相对应的四个控制点,求解这8个变换参数,从而确定映射关系。景物空间与计算机屏幕图像间的映射即前面所述的透视投影变换。

对大范围的地形模拟,除三维建模外,要获得更多的地形信息,最佳的方法是用数字化的航摄像片进行相对应的纹理映射。因为航摄像片是地面的中心投影,因此航摄影像与地形模型间的映射关系为透视投影变换,通常采用直接线性变换的方法建立纹理坐标(u,v)与地形空间坐标(x,y,z)之间的映射关系:

u=A/C (4)

v=B/C (5)

A=L1x+L2y+L3z+L4 (6)

B=L5x+L6y+L7z+L8 (7)

C=L9x+L10y+L11z+1 (8)

利用一定分布的6个以上的控制点,就可根据最小二乘原理解算出L1～L11这11个参数,确定影像与地面模型的映射关系。

5.3.2 场景控制漫游

场景的随意控制漫游是交互式三维可视化系统有别于动画演示系统的特征之一,通过对视点空间位置和转角的控制来实现[5]。在OpenGVS的Camera接口中,提供对视点控制的模拟回调函数接口,只要编程限制摄像机的运动规则,即可实现诸如漫游过程中视点不能低于地面、进行碰撞检测等功能。摄像机视点由鼠标或键盘操作控制,实现调整视点的高低变化及变向移动等功能。因为系统地形涉及多个层次细节,所以在不同高程漫游时其移动速度应该不同,高空时漫游速度快,可以很快到达指定地点,地表则漫游速度慢,以便仔细观察相关实体;同时俯视角度也应该随之改变,高空观看俯视角大,地面浏览则俯视角变小,达到平视的视觉习惯。具体实现时,通过实时检测视点距地面垂直距离的方法动态改变漫游速度与视角,即当视点距地面的垂直距离大于某一设定高度时,漫游速度设为最大值,俯视角垂直于地面,当该距离减小至接近地面的某一预定值时,漫游速度达到最小,视角水平,中间过程按线性插值,从而达到漫游时速度与视角的自动渐变效果,增强了系统操作的友好性能。图4(a)和图4(b)分别为视点在不同高程时三维可视化系统所显示的场景效果。

为模拟光照变换下的场景,需要在场景中加入光源并控制其位置、方向等属性。如为了模拟一天中不同时刻的场景状态,可根据时间将场景中的太阳光光源按圆弧移动位置,并调整光照的方向,使实体生成不同的影子。局部光源的加入还可以描述车灯、路灯等效果,逼真地模拟各种场景。

6 三维可视化与数据库的集成与交互

三维虚拟场景下对数据库的操作主要集中于实体属性信息的查询统计。属性库的查询统计主要采用SQL查询语句,查询的关键是三维场景下实体的识别并与属性库相关联。

由上面数据库的设计方案可知,三维仿真系统的属性数据分静态数据和动态数据两种,静态数据不再更新变动,只供查询之用;动态数据则不断更新变化,需要实时监测,不断对数据库进行插入、更新、查询等操作。因此两者在查询显示方面自然有所不同,静态数据存储于后台数据库中,正常状态下不显示在屏幕上,其数据大多通过基于三维场景的鼠标点击查询方式,通过对话框形式显示出来;而对于动态数据,虽然也可以通过同样的方式加以显示,但考虑到动态数据的实时变化性,许多情况下对实时性较强的关键数据,需要随时关注其变化,因此采用将这部分数据直接显示在屏幕上的方式,使数据的更新变化一目了然。

6.1 基于三维场景的动态查询

三维动态查询是指通过鼠标选择与点击操作,对三维虚拟场景中各个实体的信息进行直接查询,不需要进行场景画面的切换。通过该功能可以在虚拟场景下将三维实体与数据库中相应实体的属性信息(文本、图片、多媒体)连接起来,达到实体三维显示与相关属性信息的一体化表现。

6.2 实时数据的更新与显示

与静态数据不同,由于实时数据具有动态变化的特点,因此在查询显示方面就不但要考虑数据获取的及时性,而且需要考虑数据显示的直观便捷的需要,使实时数据能够及时、直观地表现于三维虚拟场景中,跟踪相关实体动态显示其属性信息。为此需要解决数据获取和数据显示两个方面的关键技术问题。

7 数学模型与数据库的集成与交互

由于数据库在数据存储、更新、保护、共享等方面的特殊优势,因此应该尽可能将系统数据交付数据库进行统一存储管理。然而当前的很多数学模型程序都由FORTRAN语言编写,采用文件管理方法管理和操作数据,FORTRAN语言不提供数据库读写功能。可以采用Visual C++编写中转程序的方式解决这一问题,实现数学模型与数据库的集成与交互。

8 结束语

仿真平台建立的目标是为了信息管理与决策支持,通过对应用于流域的三维虚拟仿真平台总体结构的分析,将系统功能的实现划分为三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块四个部分的信息集成,从宏观上对仿真平台的集成开发进行了有益的探索。

讨论了GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库的建立和相互关系,从空间数据和属性数据两个方面讨论了数据存储、查询以及两者的联系。重点研究了三维空间数据库的设计及三维空间数据库与属性数据库的连接。

简要介绍了三维图形的显示原理,以三维软件开发包OpenGVS为底层开发平台进行系统开发,实现了三维可视化功能,构建了具有高度真实感的流域场景。探讨了场景三维显示与漫游的方式及实现方法,提出漫游过程中自动调节漫游速度和俯视角度以及对不同状态下可视效果的处理方案。研究了不同漫游状态下显示方式的差异,通过实时监测视点位置的方法实现了自动友好的交互式漫游,并通过添加雾化、光照等效果优化了场景模拟的效果。

在三维可视化与数据库的交互方面,探索了基于三维虚拟场景的动态查询与数据实时显示的实现方法。尝试了运用管道传输方式解决FORTRAN计算程序与数据库信息的数据传输障碍,为数学模型与数据库的交互提供了接口。

参考文献

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[2]孙家广.计算机图形学[M].3版.北京:清华大学出版社,1998.

[3]熊芝兰,郝燕玲,申冬慧.基于数字海洋环境的视景仿真系统研究[J].系统仿真学报,2005,17(7):1631-1633.

[4]王少梅,张煜.港口物流系统仿真建模及三维可视化研究[J].港口装卸,2002,6:1-4.

云仿真安全性研究 篇9

许多中型企业始终不信任云服务, 因此他们不愿意将其业务核心——专业知识和创新信息委托给IT供应商进行存储和传输等处理, 他们出于对企业竞争力的保护, 不想因为使用云服务而产生对IT供应商的依赖。在“Cloud4E-可信云计算工程”项目里, 弗劳恩霍夫协会互联网信息服务——自动化事业部企业应用套件领域的研究人员正在研究一个专门针对中小型企业研发部门需求的解决方案, 希望通过这个解决方案, 能消除上述的担忧。

在汽车和机械工程行业, 特别是这些行业里的工程部门, 已经开始逐渐依靠计算机辅助工程 (CAE) 软件进行工作。弗劳恩霍夫协会企业应用套件领域研究员AndréSchneider表示:“计算机辅助仿真是最重要的CAE方法之一, 但计算机辅助仿真的运行, 需要大量的硬件资源和配置, 以及专业的管理知识。”AndréSchneider指出, 计算机辅助仿真在国际上已经变得越来越受欢迎, 其未来需求将远超出个人模拟的范围, 而将包含并行模拟变体 (如以统计学的方式评估一个新的齿轮组件在压力或其它不同环境温度下的具体表现) 等多种应用。AndréSchneider特别强调:“大多数的中小型企业根本没必要为计算机辅助仿真专门配置巨大的计算能力, 这对企业来说是非常大的资源负担。云服务为这一矛盾提供了解决方案, 允许这些企业能够在其需要的时候, 访问并使用云服务提供商的计算能力和仿真软件。”

在大公司里, 标准的做法通常是:考虑并配备比日常业务所需的更多的IT资源和人员, 从而能够及时应对高峰时的业务需求。但这种做法, 对小规模公司而言, 无疑是不现实的, 巨额的成本根本难以承担。因此, 这就导致了中小型企业处于一个无法充分利用现代计算机辅助工程工具的不利位置, 其结果往往是许多明明可避免的功能缺陷直到原型阶段才被发现, 纠错成本大大提高。

Cloud4E是联邦经济部和能源部发起的14个可信任云技术方案研究项目中的一个, 致力于开发创新的、安全的、合规的云计算解决方案。在Dresden (东德的一个城市) , 弗劳恩霍夫协会的研究人员联合一家本地计算机中心 (GWDG) 、一个仿真软件提供方 (ITI) 、一个中等规模的FEM仿真服务提供商 (ERAS) 和Erlangen-Nuremburg大学的研究人员共同加入Cloud4E项目。Cloud4E项目的目标就是希望在不久的将来, 中小型公司能够通过虚拟数据云, 以相对较低的价格访问大型计算能力和专业仿真软件, 从而使得他们能够在使用计算机虚拟原型时, 发现并修复缺陷, 从而降低纠错成本。

弗劳恩霍夫协会已经开发了一个框架——“Grid Worker”, 在这个框架里, 开发人员能够可靠地访问一系列供应商的仿真软件。根据AndréSchneider的描述, 启动一个仿真访问, 并不会比工程师使用公司内部的本地资源更难。仿真软件实际上并不是运行在工程师自己的电脑上, 而是通过软件即服务的方式, 运行在云端的虚拟机上以供企业使用。虚拟机充分利用云端的存储空间和计算能力, 提供标准化OCCI (开放云计算接口) 和AMQP (高级消息队列协议) 配置软件级、平台级和架构级别的解决方案, 并可以根据个性化需求提供定制化服务。这样做主要的优势在于通过使用这些开放型标准, 工程师可以根据需要, 自由变换服务商, 而不会丢失之前的工作内容, 从而杜绝了对单一的云计算或软件提供商的依赖, 弗劳恩霍夫的“Grid Worker”解决方案成为将这些不同的环境连接在一起的纽带。

对所有资源提供广泛性访问

按照最初的计划, Cloud4E将以模型应用程序的方式, 为工程师提供到Modelica和FEM仿真软件的访问, 允许工程师通过使用仿真软件检查虚拟原型的缺陷。最后, Cloud4E被升级为一个可以通过云访问任何仿真软件的解决方案。在这个解决方案里, 软件可以被灵活地使用和保留, 计费方式可以按时间收费或固定费用收费。通过这种方式, Cloud4E为工程师提供了对他们所需要的所有资源的广泛访问。AndréSchneider强调, 这对企业的益处是显而易见的:这意味着企业减少了在硬件、软件和人力资源上的投资成本, 并同时避免了仿真软件的安装、维护等运行成本。而这些成本, 是中小型企业在以往传统运营中难以承受的。借助于Cloud4E, 企业能以较低的成本使用云服务, 同时显著提高系统的可靠性和快速访问能力。

这样一个灵活且兼具成本效益的解决方案, 对于高科技初创企业来说, 是非常具有吸引力的。AndréSchneider表示, 他已经知道一些相关的实际运用案例, 如一些初创企业在计算机密集模拟和开发工作中, 按需使用云服务商提供的资源。出于节省能源成本的考虑, 企业也应该使用云服务, 因为服务器和设备的冷却通常会消耗大量的能源。然而, 根据Techconsult针对中小型企业IT云指数的市场调研, 调研结果显示大多数公司还是在犹豫是否要将其敏感数据委托存储在云服务提供商处。其实, 在2013年初, 德国的中型企业比以往任何时候, 都更能够接受云数据服务, 但斯诺登泄密事件则导致了企业对数据安全态度的急剧转变, 三分之二的企业表示他们有安全上的担忧, 他们之所以排斥云服务是为了警惕自己以防失去对公司自身IT系统的控制。

极高的安全性

如果一直缺乏具有约束力的数据安全标准, 不信任这一因素将会持续阻碍云技术的传播。AndréSchneider强调:“敏感开发数据在传输、处理和云存储的过程中的安全性和完整性应该是解决方案的核心。”这也解释了为什么Cloud4E结合各种安全技术手段——包括身份管理、认证和数据传输、处理和存储加密等技术, 将云服务的安全性提高到一个前所未有的极高水平。

防空导弹武器系统仿真研究 篇10

防空导弹武器系统一个复杂的整体系统, 它是由多个子系统组合而来的。怎样反映在对抗条件下的防空导弹武器系统作战能力, 是现代导弹工程师要密切关注的问题。有关武器系统的功能, 我们使用最多的是ADC模型, 因为它认为效能是系统可用性、可信性和固有能力的函数。在实践中, 我们根据防空导弹所要负责的任务具体情况, 应将效能解释为:整个系统在设定的条件下, 按照规定的运行方式, 可以成功截获目标的概率情况。这个概率就是防空导弹的整体性能, 也是系统在整个作战过程中的可靠性和对目标损伤能力的函数。

1 仿真技术的应用及其特点

1.1 仿真技术的应用

系统仿真技术是指利用有效的模型对真实或设想的系统开展动态的动态研究和模拟实验。利用模型进行仿真实验, 它主要是以相似原理和信息技术为基础, 实现技术性、安全性与经济性相统一的研究方案。同时, 模型仿真实验不受外界环境的影响, 还能多次重复利用。它一般包括常规仿真与合成 (综合) 仿真技术。常规仿真技术主要有连续系统仿真技术和离散系统仿真技术。离散系统仿真技术 (如攻防对抗仿真系统) 通常都是动态仿真研究。它的状态变量 (如来袭目标被击毁数) 只是在随机的时间点上发生变化, 但在两个相邻点之间, 系统的整体状态是没有变化的。

离散系统的核心是随机事件的发生, 由于仿真时间的推进, 会引起未来的离散事件发生, 导致系统出现变化。例如, 导弹制导系统探测器发现的一个未来袭击目标是一个随机离散事件。它发现目标受探测器的发现概率、目标的雷达散射截面积、目标施放干扰以及战场气候条件等影响。因此, 其发现的时间和是否发现都存在不确定因素。探测器发现目标这一事件的出现, 会直接促使探测中心发出威胁消灭指令、威胁排序、火力分配、对来袭目标射击等一系列事件的发生, 最后也会导致系统发生变化。

1.2 防空导弹武器系统仿真

防空导弹武器系统仿真是系统仿真技术在防空导弹武器领域内较好的应用, 它与一般的仿真系统一样。防空导弹武器系统仿真也是根据数学模型建立起来的。建立系统仿真模型, 进行系统仿真试验, 这是实现仿真系统应用的3个基本步骤。

我们在理论中可以认识到, 地面试验和飞行试验, 验证系统数学模型, 验证和确认系统仿真模型, 在试验室条件下, 以较低的代价, 较高的置信度进行系统仿真试验, 可以让系统在各个环境下获得较精确的数据, 实现系统性能设计, 对提高生产质量和高效性能, 已经经济效益方面, 都有较大的益处。

2 系统仿真的技术关键

首先是面向对象技术, 它是根据系统和客户使用等客观方面来组织系统的。它在仿真建模中的重要性就是给系统分析和运行提供一个较好的工作平台。每个层次和系统之间通过标准接口相连接, 再通过分层系统获得更多的信息, 使用户在异构分布处理的环境下还能保持原有的操作, 保证系统按程序执行任务。它解决了信息的分布性和物理设备的异构性, 提供与支持多媒体信息的高速传输介质相适配的通信环境以及在实现开放分布环境时, 提供友好的、具有一致性的用户界面和服务系统。

这种技术在防控导弹仿真系统中是应该被积极推广的, 已经被公认为是未来的发展的主要方向。

面向对象技术的上述功能用传统的缩程方法是很难实现。因为它的总体设计是根据继承性和函数覆盖的增加而得来的, 以此来实现系统的扩散。防空导弹武器系统在系统仿真中, 可能有10余种事件通过改变雷达和导弹的状态来改变系统状态。其中导弹类, 及时利用面向对象技术定义导弹的整体性能和综合运行的。由这个类定义就可以衍生出不同的导弹系统, 实现这种扩展, 不仅需要不同的初始参量, 要用新的函数去替换类定义中的函数。与其他缩程方法相比, 面向对象技术的优点就是程序的设计集中在对象上面。

系统的功能以及要完成的工作被分配到各个对象中, 每个对象都有一定的独立认知性。对象定义完毕, 基本的设计工作就完成了, 导弹设计人员只需要对各个对象的联系进行调度就行了, 其余的就根据实际情况进行设定。面向对象的仿真体系强调的是对象, 而不是系统的过程。

对象提供了数据抽象和隐藏技术, 将开发和实现的细节隐藏和封闭起来, 有利于设计人员抓住最关键的部分, 并定义相应的行为和相互关系。再通过对对象内部系统的分析, 使作为系统基础组成部分的对象最终得到系统的自然分解。

参考文献

[1]徐培德, 谭东风.武器系统分析[M].长沙:国防科技大学出版社, 2001.

[2]李廷杰.导弹武器系统的效能分析[M].北京:国防工业出版社, 2000.

[3]李明, 刘澎.武器装备发展系统论证方法与应用[M].北京:国防工业出版社, 2000.

消防车动力性能仿真研究 篇11

关键词：消防车；动力性能；仿真研究

0 引言

近年来，我国公安消防部队灭火和抢险救援任务进一步加重，对作战车辆装备也有了更高的要求，对消防车的动力性能进行深入研究，对我国消防事业的发展具有重要意义。

1 车辆整车性能评价方法

1.1 车辆整车性能的层次结构模型

利用统计值法对汽车整车性能进行综合评价，主要有六个方面，即动力性、燃油经济性、制动性能、操纵稳定性、平顺性、能量利用率，这六个为一级因素。

1.2 整车性能各层因素权重分析

作为评价的基础，对某一层上有关系的因素有如下关系：

1.3 整车性能评价方程的建立

利用动力性、燃油经济性、制动性能、稳定性、平顺性、能量利用率六大一级因素加权评估值Dm的计算公式：

其中：Dm为评分估值，Dm≤100分；αd+αj+αz+αc+αp+αn=1，为六大因素的权重系数；βd、βj、βz、βc、βp、βn为动力性、燃油经济性、制动性能、操纵稳定性、平顺性、能量利用率六因素。

1.4 整车性能评价

综合考虑六大性能指标，按照本文的方法加入相应的指标，得出整车性能评估值Dm，整车性能评估值越大，则表示整车综合性能越好。

2 消防车整车模型的建立

2.1 消防车整车参数确定

本次选择由国内某厂家所生产的某型水罐消防车为研究对象，结合发动机数据，初选发动机功率为250kW，如下表所示：

2.2 消防车整车动力匹配Cruise仿真模型

根据确定的水罐消防车整车参数以及动力传动路线建立整车物理模型，如图2所示。

模型分别建立发动机模型、变速器模型，以及轮胎模型，并对其相应参数进行输入。

3 消防车整车性能模拟计算

3.1 消防车行驶工况的建立

循环行驶工况的载荷谱仿真研究。

经仿真计算，得到整车在空载和满载时的载荷谱如图3和图4所示。

3.2 水罐消防车整车动力性能仿真分析

利用AVL-Cruise软件和所建立的计算模型，对水罐消防车整车动力性能仿真分析，得到如图5所示的满载时消防车在各档下的最大爬坡度，可知消防车具有很好的爬坡性能。

满载时各档最大加速度仿真计算结果如图6，实际试验中各档最大加速度值不容易测出，这里计算只做与后面优化对比之用，即试验中用原地起步连续换档加速时间和超车加速时间来表示车辆的加速性能（图7）。

从40km/h开始，使用直接档加速至90km/h时，从图8可知，整车加速度是先快速增大而后平稳降低。

4 结论

本文在分析、借鉴现有研究成果的基础上，对汽车性能评价指标进行论述，提出消防车整车综合性能评价方法，使用Cruise软件建立的整车动力传动系统仿真模型，模拟某车型的动力性能，并对消防车整车动力性进行了仿真模拟分析。

参考文献：

[1]陈浩.城市公交动力传动系统优化匹配[D].湖南大学，2008.

[2]武玉维.TY4250载货汽车动力传动系统参数优化匹配[D].太原理工大学，2010.

[3]巩正阳.汽车传动系的模糊优化研究及软件开发[D].武汉理工大学，2008.

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[5] Asanga Ratnaweera，Saman K. Halgamuge. Enhanced ICSI Engine Performance with Particle Swarm Optimization [J].SAE；2004-28-0075.

[6] N. Suresh ，S. Shankar，N. Manohar. Optimum Design of Engine and Body Mounts at Total System Level Using Unconstrained Minimization[J].SAE paper，950584.

[7]詹樟松，杨正军，刘兴春.汽车动力传动系统参数优化设计和匹配研究[J].汽车技术，2007（3）：17-20.

作者简介：

哼唱检索系统仿真实验研究 篇12

本文选取了哼唱检索中的五种特殊情况进行了实验, 并对检索结果进行了比对:

1) 哼唱录入同一首歌曲的不同段落, 对其分别进行检索;

2) 分别对节奏快、背景音乐大及节奏快、背景音乐小的歌曲进行检索;

3) 分别对同一歌曲、不同存储格式的版本进行检索;

4) 分别对同一歌曲、不同人演唱的版本进行检索;

5) 分别用不同的哼唱方式, 对同一首歌曲进行检索。

1 临时乐曲库

本文在进行哼唱检索实验时, 受环境 (硬件配置) 的限制, 组建了临时乐曲库。库中存储的文件以歌名命名, 文件中存储的是其相应的音高序列值。在进行哼唱检索实验时, 直接调用库中的信息即可, 这样就省去了对库中音频文件进行特征提取的步骤, 大大减少了特征匹配的时间。表1为两种情况下系统检索所需时间的比对:

2 哼唱检索系统

本文所用的检索系统如图1所示。具体检索过程如下:

1) 用户端进行哼唱录入;2) 对用户端输入的音频文件进行处理, 其中步骤包括滤波去噪[4]、加窗分帧、基音提取[5,6]、音符划分、旋律编码, 得出哼唱录入音频文件的音高序列值;3) 步骤二中得出的音高序列值与乐库中的存储信息进行匹配运算, 把得出的结果 (相似值) 记录到列表1中;4) 检测列表1中的相似值个数是否为N (乐曲库内存储的文件个数) ;5) 列表1中存储的信息按要求排序。首先按匹配相似度值由高到低排序, 其次按歌曲名称的字母顺序排序;6) 输出列表2, 检索结束。

3 实验及结果

本文进行哼唱检索实验的环境为:Intel Pentium Dual T23301.60GH处理器、2GB内存。由五名非专业的演唱人士在比较安静的房间内, 用笔记本电脑及麦克进行哼唱录入检索。本次实验的乐曲库内存有28个信息文件。表2为上述五个实验的结果比对:

实验一的比对结果表明, 本文采用的检索系统与哼唱录入歌曲的哪个段落无关, 这主要是因为本文的哼唱检索系统中采取的是滑动式匹配, 从头匹配到尾。

实验二的比对结果表明, 本文采用的检索系统不适合检索节奏快、背景音乐大的歌曲;背景音乐小的虽然能检索到, 但其效果不好。

实验三的比对结果表明, WAV格式的检索效果最好, 其次是MP3格式, 最后是WMA格式。但按理论上来说, WAV格式的检索效果应该最好, WMA格式的检索效果是最差的。

这主要是因为, 本次试验中存储的WMA格式音乐都是钢琴演奏曲, 而存储的其他两个格式的音频文件都是带有人声演唱的, 因此本次实验中的MP3格式的检索效果比WMA格式的好;另外还有一个原因, 就是在对库中存储文件进行特征提取时, 可能会造成音质的不同程度丢失。

因此, 本文采用的哼唱检索系统更适合检索WAV格式的音频文件。

实验四的比对结果表明, 本次实验中版本一的检索效果是最好的。这主要有两个原因:第一, 在客户端哼唱录入的都是版本一旋律;第二, 在哼唱过程中, 人与人之间对音的处理都有着各自不同的特点。上述两个原因就使检索结果产生了差异。

因此, 按原版旋律进行哼唱检索, 检索效果是最好的。

实验五的结果显示, 带词哼唱方式的检索是最好的, 其次是“Da-Da-Da”的方式, 最后是鼻音哼的方式。产生这种结果的主要原因在于特征提取中的基音提取及音符分割。带词哼唱的录入方式有利于特征提取, 而“Da-Da-Da”的哼唱录入方式只是利于音符分割, 鼻音哼的录入方式在这两方面都不占优势。因此, 本文采用的检索系统更适用于带词哼唱的录入方式。

4 小结

本文介绍了哼唱检索系统的工作流程, 并对哼唱检索过程中存在的几种特殊情况, 分别进行了实验及结果比对。最终的实验结果表明:

使用系统进行哼唱检索时, 检索结果的好坏与哼唱录入的歌曲的段落无关、检索节奏慢及背景音乐小的歌曲效果是最好的、带词哼唱的录入方式的检索结果是最好的。

参考文献

[1]王昉.音乐检索现状及发展趋势研究.科技广场, 2008.

[2]J.FOOTE.An Overview of Audio Information Retrieval.Multimedia Systems.1997, 7 (1) :2-10

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[4]张雄伟, 陈亮, 杨吉斌.现代语音处理技术及应用.第1版.北京:机械工业出版社, 2003

[5]Y.M.CHENG, D.O.SHAUGHNESY.Automatic and Reliable Estimation of Glottal Closure Instant and Period, IEEE Trans.On Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1989, 37 (12) :1805-1815