虚拟仿真解决方案范文1
除了在传统的汽车、航天航空、船舶和重工业行业外，虚拟产品开发在生物医学、土木工程、国防、通用机械等领域也得到了广泛应用，MSC.Software公司全球市场高级副总裁Ted表示。
“企业加快应用的一个重要原因，就是CAE技术和解决方案的日渐成熟。”MSC.Software亚太区副总裁兼总经理David解释道，“虚拟产品开发应用已经有几十年历史了，现在已经能够通过多学科的技术更精确地模拟真实世界的产品的物理性能。另一方面，这些多学科求解技术平台大多也提供了开放的架构，能够集成第三方的技术，形成更全面的解决方案。”
中国是虚拟产品开发应用最快速的市场之一。当前在中国，虚拟产品开发正逐渐从部件级开发升级到系统级开发。Ted在比较中国同欧美的应用现状时说: “从工业需求角度来看，欧美和亚太的市场并没有不同，只是虚拟产品开发在欧美应用了几十年，在中国并没有那么长的时间，所以成熟度不同。亚太和欧美市场在应用技术方面的确存在一些差距，5年以前，应用差距还比较显著，但是最近差距正在缩小。”中国船级社社长徐立说: “中国造船业最近几年很快跻身世界前列，同大量使用虚拟仿真技术是分不开的。”
虚拟仿真应用中另一个非常重要的内容就是知识积累，也就是知识库。据Ted介绍，现在提供给用户的解决方案更灵活、更实用，一种是以模板化的方式来方便客户应用，将大量经过验证的知识和专业经验集成在模板里，而且用户可以根据自己的知识积累丰富自己的模板; 另一种是提供企业级的平台解决方案，即虚拟仿真的管理平台，可以管理所有虚拟仿真产生的数据、信息和结果，也可以对产生的数据进行追踪。因为在虚拟仿真产品开发任务完成后，可能会产生大量的仿真数据，有的数据如果没有管理平台就是零散的、没有相互关系的，管理平台可以使仿真数据在求解时产生的结果得到关联和保护，为以后的应用提供知识保障。
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关键词：虚拟施工 虚拟现实 建筑施工
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0057-01
为了解决返工成本和管理成本这两个关键问题，期望提升建筑业的生产力水平并且以制造业的生产管理经验为参考，引入了虚拟模型技术机理即“虚拟施工技术”，将此技术应用于建筑施工项目管理当中。
1 虚拟施工的概念
虚拟施工（Virtual Construction，简称VC），是通过计算机建模、分析，虚拟现实计算机仿真技术将实际施工过程在计算机上模拟出来。此技术在制造业当中应用较多，在建筑施工当中应用较少。通过虚拟施工技术，业主单位、设计单位和施工方在策划、投资、设计和施工之前都能够清楚的看到施工的过程和结果。沉浸虚拟现实（Immersive）和桌面虚拟现实（Desktop）是虚拟现实的两种形式，但在建筑业当中应用较多的是桌面虚拟现实（Desktop）。国外在建筑施工中应用的是开发漫游系统（Walkthrough）主要包括场地的外形和设计，施工过程的计划和管理施工方案的预算等等。虚拟施工技术可以进行干涉分析、可靠性检验、内力计算、工序的确定等不仅表现为一种技术手段而且提供一种全新的管理模式使得施工的质量、成本、工期都得到最优化，另外还保证施工环保安全。
2 虚拟施工的技术支撑体系
虚拟施工技术涉及到了很多领域，主要包括以下技术：
（1）计算机仿真技术
计算机仿真技术在施工技术与管理、内力计算、结构计算等土木工程领域当中。虚拟施工的核心是计算机仿真技术，它通过建模分析能够从理论上保证结构的稳定和安全。
（2）建模与优化技术以及相关的软硬件技术
从建筑工程的规划、设计、施工、管理等方面，应用优化原理，使得建筑项目质量高、工期短、造价低，实现企业的利益最大化。
（3）虚拟现实技术
虚拟现实技术能够为人机交互对话提供三维界面，使用户能够沉浸在一个创建在多维信息空间上的虚拟信息环境里，具有身临其境的感觉，这为虚拟施工开发提供可视化的交互环境。
3 虚拟施工作用
虚拟施工技术实施的指导思想以及作用的集中体现是“先试后建”。“先试后建”能够保证项目在理论上成功，而且能够保证结构物的稳定与安全，可以检测任何阶段的性能，模拟任何荷载情况下结构物的抵抗能力。虚拟施工的主要作用归根到底是优化建筑项目设计、施工过程以及施工管理活动等。
3.1 优化建筑项目设计
建筑项目能够顺利实施的前提和保证是要有一个完善的设计方案。由多个设计方参与完成的建筑项目设计即建筑设计、结构设计、建筑设备设计等，在施工过程中成为聚在一起的建筑构件，由于由多方设计所以经常发生冲突比如建筑结构和设备之间的冲突等。这直接导致返工不仅增加成本而且延误工期。另外，好多项目从设计角度可行，但实际施工当中不可实施，导致设计失败，必须变更设计，同样会增加成本和延误工期。以上问题的原因就是设计方、施工方在设计阶段缺少沟通和协作，缺少一个检测平台。针对这些问题应用虚拟施工技术可以得到解决，采用虚拟施工技术优化设计，建立相关3D模型提供了一个有效的平台，包括建筑、结构及建筑设备等用于设计冲突、可施工性的检测，及多方沟通。
3.2 优化施工过程
施工过程的顺利实施的保证是有一个正确的施工方案作为指导。当前，主要由项目经理及项目组凭借施工经验来编制施工方案。但是由于工程的复杂性和项目经理经验的不足，施工方案的编制存在很多漏洞。而且它的可行性有时候也会受到质疑。施工方案必须保证项目实施的可行性、低成本，高质量、短工期同时环保安全也很重要。在虚拟施工技术出现之前，这一问题几乎找不到有效的解决方案。虚拟施工技术可以实现多方案比选，对不同方案进行检测，选择一种最优的施工方案。基于上述建立的3D模型，采用虚拟施工技术可模拟和分析相关施工方案。建筑业在施工当中的返工率越来越高，将虚拟施工技术应用于建筑业施工过程中，通过虚拟现实和计算机仿真以实现对施工过程的事前控制和动态管理达到施工方案优化和降低成本的目的。
3.3 优化施工管理活动
管理成本占据建筑项目成本的很大一部分。为了降低管理成本，配备少量管理人员，采用虚拟施工技术，它可以清晰地展示整个施工过程就像栩栩如生的“施工操作说明书”。
4 虚拟施工技术在建筑业的应用实践
在国外对于虚拟施工技术一系列相关的研究和试验正在进行。Clasgow Strathclyde大学土木工程系和信息科学系联合研究一种能够协同施工的可视计划。它包括一个可以对全程进行监视并且可以交互的进行的非沉浸虚拟现实接口。针对几种不同的施工顺序和现场组织它允许用户以交互协同方式进行调查研究，同时优化施工过程。一个3D粗样软件包和一种Pangea系统由Bartlestt建筑学校和University College London计算机科学系的研究人员共同开发研究，是测试城市设计和建筑设计的早期原型。Dundee大学正在进行Naives项目，能够将一个构件元素在任何方向的挠度或内力可视化。建筑设计虚拟环境系统在英国IES公司推出了。在1995年日本清水建设公司采用虚拟系统使施工生产情报例如在计算机屏幕上显示施工组织计划。
从国内看应用虚拟施工技术的工程实例不是很多。有一个业内人士都知道的例子那就是上海正大商业广场。上海正大商业广场属于钢结构施工。它结构庞大，有着类型复杂的构件而且数量非常多，还有一点就是个吊装空间以及运输通道都不宽，所以施工难度比较大。为了保证优质、安全和高效地完成该工程的钢结构安装，大胆采用了虚拟施工技术，而且非常成功。虚拟施工技术分三个阶段进行：
（1）优化钢结构施工方案。应用虚拟现实和结构仿真成功实现了结构图由二维向三维跨越。在钢结构施工之前，在计算机上模拟构件装配、吊装，将施工过程可能出现的各种问题充分暴露出来，并经过优化得以解决。（2）模拟分析钢构件内力焊接变形以及桅杆起重机。为了保障吊装的安全，利用虚拟施工技术模拟吊装过程，并分析相关构件的内力。另外对焊接时的应力场和应变场以及温度场进行模拟，保证焊接的质量。（3）模拟建筑场地和周围的环境。就是在计算机模拟当建筑物建成后周围会出现怎样情景。这项技术的成功应用，能够清楚的了解到建筑物对周围环境的影响，为此我们提前做好防护措施。
参考文献
虚拟仿真解决方案范文3
关键词 初中物理；实验教学；虚拟实验；仿真物理实验室
中图分类号：G633.7 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）11-0158-02
仿真物理实验室是一款面向中学物理课堂开发的一款软件，内容包含了电学、力学、声学、光学等所有实验的仿真演示，具有集成化程度高、操作简单等特点。这种软件有利于师生在使用中根据自己的实验设计把精力放在实验模型的构建上而不是操作上。这款软件为物理实验教学提供了极大的方便。
1 在初中物理教学中使用虚拟实验的意义
可以弥补传统实验仪器不足的现状 实验是物理教学的灵魂，但在传统物理教学中，由于现实条件和教学理念等原因，只注重知识的口头讲解，不重视实验操作，或在教学中只做比较简单的实验，导致实验仪器严重不足。加之国家实施新课改以来，物理实验发生很大变化，很多原来旧的实验仪器被淘汰，虽然学校增添了很多新实验仪器，但仍不能满足物理实验教学的现实需要。现在学校安装的仿真物理实验室软件，包括了中学物理的所有实验，原来很多做不了或因仪器不足不能做的实验都可以用虚拟实验来代替，解决了实验课上不足或因场地仪器数量不足，实验跟不上教学进度的现象。
本身具有传统实验无可比拟的优越性 虚拟实验是根据实验的相似性原理，运用软件提供的虚拟实验设备来搭建自己的实验。这样不仅可以做一些因自然条件限制在传统实验教学中无法做的实验，如真空状态下的物体自由落体运动；还可以随时控制实验进程、节奏，让实验结果更理想，让实验现象更明显清晰可见。同时，避免在物理实验中因学生操作的不规范而产生的危险性，避免实验仪器在实验过程中的损耗和损坏。
2 在初中物理各类型实验中哪些实验需要虚拟实验
实验是物理教学的灵魂。在初中物理实验教学中会碰到五大类实验，分别是测量型、探究性、演示型、操作型、设计型。在这几类物理实验中，笼统地来说，笔者认为比较适合运用虚拟实验的有演示型、探究型、设计型。因为现实教学条件的限制，都实行大班教学，演示型实验如果运用传统方法去做，不能保证每个学生都能清晰地观察到实验现象。而虚拟实验可以很好地解决这个问题。探究型、设计型实验需要学生自主设计实验方案，虚拟实验可以方便地帮助学生检验实验方案的正确性，既节省了时间，又避免了因学生设计方案错误导致的实验仪器的损耗。但也不是绝对的，其他类型的实验也有的非常适合运用虚拟实验，所以在现实教学中要具体问题具体分析。
虚拟实验在测量实验中的应用 测量实验是物理实验中比较简单的实验，操作简单，实验仪器易得，一般无需用虚拟实验。但也有一些测量实验比较复杂，在正常的环境下实验很难完成。如初中二年级物理“伏安法测小灯泡电阻”，这个实验如果用传统的仪器进行，学生很难获得实验结果，且容易造成仪器的损坏。这个实验需要用虚拟实验来辅助教学，操作步骤如下：
第一步，由于这个实验比较抽象，需要教师讲解实验原理；
第二步，学生根据原理，利用虚拟实验室进行实验，连接电路图；
第三步，教师根据学生在实验中遇到的问题进行辅导答疑；
第四步，学生在对这个实验理解的基础上进行真实实验，弥补虚拟实验之不足，取得良好的教学效果。
虚拟实验在探究实验中的运用 探究实验的目的就是培养学生透过现象看到本质的能力和发现问题的意识，所以实验的现象是很重要的。但在真实试验中，许多事物的现象会受外界因素的影响，导致实验方案无法实施，这就需要借助虚拟实验。如初中二年级“探究凸透镜成像的规律实验”，此实验会受室内光线强弱的影响，室内光线控制不好，就得不到实验现象，更谈不上规律的总结。虚拟实验则很好地解决了这个问题。
虚拟实验在演示实验中的应用 在物理实验中最常见、最普通的实验就是演示实验。物理教师在讲解概念的时候，因班级太大，导致很多学生对物理现象观察不清晰，影响了对物理的学习兴趣。虚拟实验则很好地解决了这个问题。如初二年级“光的反射实验”，学生既可能因室内光线的影响，也可能因在班内位置的影响，导致实验效果观察不明显，这就需要借助虚拟实验平台进行实验。
虚拟实验在设计型实验中的应用 设计型实验重在培养学生自主解决问题的能力。在实验中学生要根据自己要解决的问题来选择实验仪器，设计实验，构建实验模型，同时还要把自己不理解的实验现象去弄清楚。这就需要虚拟实验来帮助。一方面，虚拟实验可以检验实验设计是否合理；另一方面，虚拟实验能帮助学生理解实验现象，同时避免因实验设计错误而造成的仪器损失。如“理解并表述牛顿第一定律实验”，在这个实验中，摩擦力是理解牛顿第一定律的关键，摩擦力的大小直接影响了实验现象。但是摩擦力大小参数的设置在真实实验中不好控制，虚拟实验很好地解决了这一问题。
虚拟实验在操作实验中的应用 操作实验是为了培养学生自己的动手能力和理论联系实际的能力，一般在操作实验中不主张运用虚拟实验代替真实实验。在初中物理教学中，很多的操作实验都是电学实验。电学实验仪器较贵重且容易因错误操作而被损坏。所以在教学中要让学生借助虚拟实验清晰观察学习实验过程，锻炼正确的实验操作能力，避免在真实实验中出现过失，导致实验仪器损坏。如初三年级“串并联电阻实验”，如果不事先加以练习，在实验中接线错误的话，很容易烧坏实验仪器。但操作实验一定要在虚拟实验后进行真实实验，毕竟虚拟实验只是一个仿真实验，起不到锻炼学生动手能力的目的。在操作实验中要把真实实验与虚拟实验相结合，这样既解决了真实实验的困难，也解决了虚拟实验的不足。
3 结束语
总之，在新课改注重实验的今天，虚拟实验在实验教学中确实起到很大的作用。但是不宜夸大虚拟实验的作用，虚拟实验带来巨大方便的同时，也有很大的缺点。如果过多运用虚拟模拟实验来代替传统实验，就会缺乏实验的真实感，不利于培养学生动手能力、合作能力和创新能力，因为学生亲手实验的经历是虚拟实验代替不了的。此外，虚拟实验，如果使用不规范，很可能会生成一个假的结果。但像这几种实验是可以用虚拟模拟实验代替的，如危险性比较大的实验、现象不明显的实验、现有条件做不了的实验。因此，教师应该在实际教学中，根据教学实际，结合运用虚拟实验与传统实验，只有这样才能发挥虚拟实验的最大效能。
参考文献
[1]李春艳，易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化，2014（12）.
虚拟仿真解决方案范文4
【关键词】虚拟现实 适度仿真 低成本化
虚拟现实技术(简称vr技术)是基于计算机技术及数据处理技术的沉浸式交互技术，也就是基于计算机技术等现代科技，人为产生的可以综合感知以模拟特定环境的虚拟交互技术。用户可以借助相应的设备以人类自然的方式与虚拟环境对象进行交互影响，从而产生类似真实环境的体验。
一、虚拟现实系统的构成
虚拟现实系统的设计开发须涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制等多个学科，一般来说完整的虚拟现实系统由以下几部分构成：
1.传感器模块：是用户与虚拟环境的接口，一方面接受用户的操作并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作结果以综合形式反馈给用户，使用户形成对虚拟环境的感知。
2.检测模块：用于检测分析由传感器模块接收到的用户操作，并将其转换为系统操作指令传输给控制模块操控虚拟环境。
控制模块：是仿真系统的核心部分，既可以仿真控制虚拟环境以应对用户操作，又可以将虚拟环境的反馈通过反馈模块控制传感器使用户获得仿真体验。
3.反馈模块：接收来自控制模块的处理信息为用户提供实时反馈。
4.建模模块：获得现实世界的三维表示，并由此构成对应的虚拟环境。
二、虚拟现实系统的关键技术及成本构成
虚拟现实系统的关键技术及成本构成主要包括以下几个方面：
1.动态环境建模技术：虚拟环境的建立是虚拟现实技术的核心内容。动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用cad技术（有规则的环境），而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。这里的开发成本主要表现为环境三维模型和贴图带来的系统空间及时间占用，如果不能较好的优化模型和贴图将会严重影响整个系统的视觉效果及运行速度，大量浪费计算机系统资源，甚至导致复杂场景环境无法实现。
2.实时三维图形生成技术：三维图形的生成技术已经较为成熟，其关键是如何实现“实时”生成。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15桢/秒，最好是高于30桢/秒。在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。随着新一代高性能图形处理器三维渲染技术的实用化，经过适当优化模型贴图的虚拟环境实时生成已不再是系统设计的成本瓶颈了—大多数主流图形处理器已可以轻松胜任此项任务，不必再增加额外的开发成本。
3.立体显示和传感器技术：虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展。现有的传感器技术还远远不能满足系统的需要。例如，数据手套有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点；虚拟现实设备的跟踪精度和跟踪范围也有待提高，因此有必要开发新的三维显示技术。由此可见，现有的立体显示和传感器技术还远远不能满足高仿真度虚拟环境的构建要求，并且由于技术的不成熟性还极大的提高了系统开发的成本。据统计系统开发成本的40%以上将消耗在该方面，因此是低成本虚拟现实系统开发必须解决的问题。
3.仿真控制技术：自然环境中的各物体之间是有相互作用的，简单的说就是各种力场的存在特性。几乎所有的运动和交互动作都要涉及到约束力学，这意味着仿真环境及身处其中的用户应该在合理的作用力影响下活动。因此虚拟现实系统需要模拟环境中出现的大量物体的材料及物理力学特性，单从需要仿真的数量及类型上看就会极大地增加系统实际的工作量及成本，更何况虚拟环境中物体之间纷繁复杂的相互影响关系了。事实上针对这些问题现代工程物理学也没有一种简单有效的解决方法，故而要想找到合理简单的数学模型并最终形成算法是虚拟现实技术的重要研究方向。就目前的情况来看仿真度要求越高算法的实现就越困难，系统开发成本就越巨大。
4.系统集成技术：由于虚拟现实中包括大量的感知信息和模型，因此系统的集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。目前的虚拟现实系统开发通常都是单独开发相关的部分，致使系统存在开发难度及工作量巨大、可重复利用率低、通用性差等缺陷，这也是系统开发中成本高昂的重要原因之一。
三、低成本化虚拟现实系统解决方案分析
使虚拟现实系统在工业产品设计生产方面无法大规模应用的高昂开发成本，主要来源于高精度三维环境模拟，高度真实的动力学仿真设计及高度沉浸感的交互式感觉器及三维显示技术等几个方面。综合来看，虚拟现实系统对虚拟环境及虚拟交互的仿真度要求越高则系统的开发成本就越大，因此有必要提出适度仿真的概念，以解决当前高成本阻碍应用的问题，至于完善的问题尽可以在应用扩展的同时，随着技术的发展逐渐解决。
首先，合理的选择虚拟三维环境模型的建模方式和优化方法就可以大大节省对系统资源的消耗，如手工建模方式中的可编辑多边形建模，就可以在环境或物体尺寸精度要求不高的情况下，以少量的多边形网格和极少的代价获得非常精致的视觉效果，而使用有效的优化方法还可以进一步提高网格的效率。同时选择通用化成熟的商品建模工具也可以大大提高建模的效率，使原来用编辑手段实现的效果开发变得简单、快捷，这就大大降低了相应的成本消耗。
其次，在工业产品的大多数虚拟现实应用中，降低对传感器及立体显示的似真度要求也可以在降低成本的前提下保持相对较好的环境沉浸感，比如，技术比较成熟的环幕显示技术，虚拟洞穴显示技术虽然还不是立体显示技术，但其视觉效果已可以满足大多数的沉浸交互应用了，而使用传统的鼠标指点设备代替复杂的数据手套等高技术传感器，虽然对用户的沉浸体验有很大的影响，但依然可以满足大多数的低成本系统的要求，而开发成本却可以极大下降。
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关键词：车路协同；虚拟仿真实验教学系统；实验平台；案例库
现代交通系统是复杂巨系统，人、车、路、环境、信息等系统构成要素相互关联、高度耦合，边界开放，众多问题难以通过现场观测和理论建模进行分析，但虚拟仿真技术为分析和解决复杂交通问题提供了有效的工具和手段。近年来，新工业技术发展给交通学科带来巨大冲击，其受大数据、人工智能、云计算等新技术的影响越来越显著，未来交通系统的发展将具有更大的不确定性，构建完善的虚拟仿真实验教学体系是培养学生综合能力和创新实践能力的重要途径。目前，道路交通系统正在经历全新变革，呈现智能化、网联化、协同化的趋势，车路协同技术成为国际智能交通研究和实践的热点与前沿，仿真测试成为工业界和学术界进行科技攻关的重要手段[1]；随着交通系统的变革与发展，交通运输专业核心课程如交通流理论与仿真分析、车路联网与协同系统、交通控制系统理论、交通管理与控制等也面临重大变革。课程内容随着技术的发展也在不断拓展和更新，单纯的微观交通系统虚拟仿真(简称交通仿真)软件本身已难以直接满足车路协同环境下交通仿真的需求，亟须开发车路协同虚拟仿真实验教学系统，以满足课程教学及学生创新实践的实验需求。
1开发的必要性
根据专业设置与认证的相关要求，国内各高校交通运输类专业一般都开设了交通仿真实验课程，并搭建了相应的交通仿真实验平台[2-5]，但针对车路协同实验需求，仍存在诸多不足，主要有以下几个方面。1.1仿真工具缺乏单纯的微观交通仿真软件，如VISSIM，本身难以直接满足车路协同环境下交通仿真的需求，难以实现算法生成与接入、实时交通信息的提取以及车辆速度路径的控制等。因此亟须开发车路协同虚拟仿真实验系统，以满足验证性实验、综合性实验以及创新实践课题中对车路协同策略的测试、评估和优化需求。1.2标准模型缺乏不论是课程实验或创新实践课题，学生往往从零开始建立仿真模型，由于缺乏实证数据或学生建模水平有限，可能出现基础模型精度差、可信度低的情况，且由于基础模型不同，导致车路协同策略的横向可比性较差，因此为学生提供统一且可信的基础模型库至关重要。1.3参考案例缺乏车路协同技术目前尚不成熟，缺少可参考案例，这成为学生实验中的最大障碍，学生感觉无从下手。因此，有必要结合工业界和科研中相对成熟的一些车路协同策略，建立相应的案例库，为学生实验提供参考，现有的算法和结果也可作为为学生实验的验证对象或新方案的对比对象。
2车路协同虚拟仿真实验教学系统的开发
2.1系统构成
车路协同虚拟仿真实验教学系统由车路协同虚拟仿真实验平台和案例库构成，如图1所示。其中，案例库包括仿真模型库和车路协同策略库。车路协同虚拟仿真实验平台依托VISSIM软件，通过VISSIMCOM连接VISSIM和Python，Python通过VISSIMCOM提取所有静态环境信息和动态车辆信息，将参数输入仿真模型，Python通过调用开源求解器SCIP的官方package实时求解模型，并将结果通过Python环境和VISSIMCOM接口返回到VISSIM路网中，最终VISSIM控制实现网联车相关功能，从而支撑场景生成、车路协同算法调试、可视化展示与评价。仿真模型库主要基于VISSIM交通流微观仿真软件构建标准化的单点、干线、快速路主线和瓶颈区域，以及路网的仿真模型，并结合实证数据进行标定，为车路协同策略效果的对比分析提供可信的统一基础模型。车路协同策略库主要包括目前常用的安全类和效率类策略。对于每一种车路协同策略，既给出策略的功能定位、选取经典算法或现行通用算法，也给出算法原理、算法流程、代码、模型评价指标及评估结果等内容。
2.2车路协同虚拟仿真实验平台
2.2.1实验平台基本架构车路协同虚拟仿真实验平台包括应用层、算法层、仿真层(见图2)。应用层主要定义场景。一方面，确定场景的目标与功能：车路协同交通管控的目标一般包括平均速度提升、停车次数减少、燃油消耗和排放减小等，功能则是界定该场景所需要的车路协同基础设施，如路侧计算与监测设施、车载通信模块与显示预警模块、车载自动控制模块等；另一方面，明确场景的测试范围与适用性，如场景是用于快速路或地面道路，还是路段或交叉口，以及该场景可能适用的道路交通条件、网联车渗透率等。算法层主要分析特定场景所需解决的核心问题并提出相应解决方案。基于各个场景的基础设施和可得数据，分析该车路协同场景需要解决的核心问题，针对各场景核心问题提出算法，且算法必须要满足两个条件：算法有效性和算法实时性。算法有效性指的是可以在预期适用性范围内满足车路协同策略的目标；算法实时性是指该算法计算时间必须在车辆运动过程中完成，通常要求必须在秒级甚至毫秒级以内，否则最终算法无法在实际环境中应用。仿真层主要在仿真软件中测试算法有效性和实时性，重点要解决算法要求的操作在仿真软件内部实现。仿真层与算法层是独立的，同一个算法可以在多种仿真软件中实现。本课题目前主要以PTVVISSIM为仿真平台，实现所有场景的仿真和车路协同算法测试。VISSIM的优势在于其强大的COM接口，可以实现车辆驾驶行为参数修改、期望速度的改变、期望路径的修改和实时位置的移动，可以实现绝大部分车路协同算法要求的操作。2.2.2实验平台工作原理使用VISSIM作为算法测试平台，并要求使用Python作为程序设计语言。因此算法实现基本路线是通过VISSIMCOM连接VISSIM和Python，Python通过VISSIMCOM提取所有静态环境信息和动态车辆信息，将参数输入车路协同算法优化模型，并将结果通过Python环境和VISSIMCOM接口返回到VISSIM路网中，最终VISSIM控制实现车路协同策略建议算法的优化结果。此外，在最终的结果评价时，无论是定量指标计算还是车辆轨迹的可视化，都是处理在仿真过程中收集的车辆实时位置得到的，这也是通过VISSIMCOM和Python环境接口完成的，具体流程见图3。
2.3案例库
2.3.1仿真模型库为保证基础模型的可信和可比，基于VISSIM分别搭建了大场景基本仿真模型，包含单点交叉口、干线、快速路主线、快速路瓶颈区、路网等，并结合实证数据进行标定，模型精度达85%以上，可满足不同地点的测试需求。2.3.2车路协同策略库面向安全/效率的需求，分别设计了包含单点交叉口动态盲区检测、超视距行人/非机动车避让、非保护相位右转车通行辅助、冲突避免、单点/干线公交优先控制、速度引导、快速路CACC跟驰/汇入/汇出、动态车道管理、车道流量均衡、匝道汇入辅助、路网拥堵识别、路径诱导等15类功能场景，并构建了相应的车路协同算法，形成了策略案例库。每一个车路协同策略案例涵盖策略的功能定位、算法原理、算法流程、代码、模型评价指标及评估结果等内容。
3结语
针对目前面向车路协同实验仿真工具缺乏、标准模型缺乏、参考案例缺乏等问题，笔者开发了车路协同虚拟仿真实验教学系统。该系统由车路协同虚拟仿真实验平台和案例库构成，其中案例库包括仿真模型库和车路协同策略库，包含单点交叉口、干线、快速路主线、快速路瓶颈区及路网等五大场景标准化可信模型，以及15种安全/效率车路协同策略案例，涵盖策略的功能定位、算法原理、算法流程、代码、模型评价指标及评估结果等内容。该系统为交通工程专业车路协同相关课程的学习及创新实践课题中车路协同策略的测试、评估和优化提供了有效的平台支撑。
参考文献
[1]任刚,曲栩,张国强.OBE导向的交通仿真实验课程建设与教学改革[J].公路交通科技(应用技术版),2020(9):402-404.
[2]孙海浩,吴娇蓉,毋妙丽.交通工程学科实验教学体系研究[J].实验室研究与探索,2012(2):151-153,157.
[3]胡明伟,崔海鹏.交通工程专业实验教学体系的设计[J].实验技术与管理,2011(7):28-31.
[4]臧晓冬.交通工程专业课程实验体系设计与改革[J].教育教学论坛,2015(52):246-247.
虚拟仿真解决方案范文6
（江西省交通运输厅规划办公室，南昌 330008）
（Jiangxi Transportation Department Planning Office，Nanchang 330008，China）
摘要：随着我国经济的迅速发展城市化进程在不断加速，传统城市规划方法已经无法满足日益膨胀的城市发展规模，因此虚拟现实技术以其无可比拟的优势被城市规划设计者迅速使用。本文通过虚拟现实技术在城市规划中的应用案例来分析虚拟现实技术的优势。最后论述了应用新技术为城市规划发展带来切实且可观的利益，应在当前城市快速发展的时期大力提倡使用新技术新方法为城市规划建设出力。
Abstract： With the rapid development of economy and the accelerating process of urbanization in China， the traditional urban planning method has been unable to meet the growing scale of urban development， so the virtual reality technology with its incomparable advantage is used by urban planning designers quickly. This paper analyzes the advantages of virtual reality technology through the application cases of virtual reality technology in urban planning. Finally it discusses that the application of new technology has brought practical and remarkable benefit for urban planning development. So it should be vigorously advocated to use new technology and new method for the urban planning and construction in the current period of fast urban development.
关键词 ：城市规划；虚拟现实；利益
Key words： urban planning；virtual reality；interests
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0191-03
作者简介：肖莹（1983-），女，江西南昌人，工程师，本科，研究方向为路线规划；邓强（1979-），男，江西横峰人，工程师，本科，研究方向为土木工程。
0 引言
当前，信息技术的快速发展及其在各个领域的普及应用推动着城市信息化水平不断提升。城市规划和管理领域逐步引入虚拟现实技术和三维仿真系统，城市规划建设将迎来一场创新型技术革命，城市发展理念将更加超前。以往，我们主要依靠二维GIS数据处理技术来规划和管理城市空间，城市信息处理以平面设计图纸、数据表格、沙盘模型为主，场景、条块分割，人们很难将城市空间的数据模型与现实场景联系起来，因此三维虚拟城市必将成为未来城市规划与管理的主流技术。采用城市仿真系统和虚拟现实技术可以对城市规划要素数字化和可视化处理，引入交通运输、房地产、能源、水、粮食生产和照明解决方案等，据此做出城市未来发展规划。
1 虚拟现实与城市仿真的概念
虚拟现实技术（VR）即通过技术手段，构造出一个虚拟化的场景，通过各种摄像头、传感器等设备，让用户拥有仿佛身临其境的接近现实的体验。虚拟现实技术基于3D模拟技术展示城市现状及未来场景，不仅融合了地理信息系统和数据分析功能，还可以在三维空间中模拟多套设计方案进行比选、优化、评估和审核，以便于协调各部门作业进度，为日常管理工作提供指导依据。
城市虚拟现实技术实际是虚拟现实技术应用在城市规划与管理领域的一种视景仿真技术。笼统来讲，它是借助计算机信息处理技术基于GIS数据构建3D模型，然后运用贴图的方式，在三维模型上铺贴卫星影像及航空影像，使之具备逼真的纹理。数字交通系统让城市交通更加规范便利，城市地理空间框架系统、地下管网系统、城市三维仿真系统，使整个城市从地面到地下实现了立体化、数字化、精细化管理。比如深圳经伟度科技有限公司自主研发的高精度的三维仿真系统(CCVRS)，其应用覆盖城市设计、城市管理和城市生活等方方面面，能为三维数字城市系统的构建提供完整的解决方案。
2 城市规划设计中常规方法与虚拟现实技术优劣分析
2.1 城市规划设计中常规方法存在的问题
规划与管理城市空间时，首先应该设计一套规划方案，用以指导日常管理工作。当前，设计人员常用建筑沙盘模型、建筑效果图和三维动画进行城市规划设计。严格来讲，这三种技术在实际应用中都存在局限性。比如，建筑沙盘模型只能获得建筑的鸟瞰形象；三维效果图只能提供静态局部视觉体验。三者之中，具备三维动态模拟功能的只有三维动画，但其缺乏实时交互性，观察者只能沿着固定路线进行观察。
2.2 虚拟现实技术应用与城市规划设计的优势
揉合了二维GIS、多媒体、网络科技、遥感、VR技术与城市仿真系统的虚拟现实技术是目前城市规划、建设、管理、服务实现数字化的主要路径，它能为城市数字化提供三维可视化管理和规划辅助决策支持功能。
①从三维可视化看，虚拟现实为城市规划与管理提供可视化的方法。系统通过显示不同建筑方案同周边建筑群体的相互关系，真实再现规划建筑和现状建筑的空间关系，并能适时修改高度、方向、体量、色彩等，使得规划评审专家和决策者可以从多个观察角度直观的对比多个规划设计方案，帮助规划决策者更加清楚直观地确认合理方案从而提高规划管理水平，减少决策失误和盲目性，提高规划评审质量和提升评审决策的科学性，使规划管理更合理、更科学、更透明。
②从管理功能看，虚拟现实技术正逐步实现与是自称是规划同步，以便在规划设计城市模块空间时实时展示最新虚拟规划内容，使各模块与周边环境有机融合，为实际开展城市规划与管理工作提供客观依据。事实上，虚拟现实技术就是一种城区规划与量化管理的工具。而空间信息与属性信息一体化的城市仿真系统是通过3D建模构造一个可视化仿真环境，然后将已有设计方案置于三维模型中进行优化设计，从而为城市空间量化管理提供指导依据。
③从系统扩展看，VR技术一体化操作平台具有足够的软硬件接口和功能扩展模块，可以将各职能部门集中起来统筹运作，完全按照城市真实的空间布局进行规划与设计，通过优化城市空间布局，疏通城市交通网络，同时构建公共安全服务及灾害防控体系，提高规划与管理效率。
3 虚拟现实技术在小区规划设计中的应用案例
东湖名苑小区应用虚拟现实技术进行建筑规划和设计，取得了喜闻乐见的成果。
3.1 虚拟现实技术下的小区规划特点——全过程规划设计
将小区信息资源纳入空间坐标体系中加以整合，严格按现实楼盘方位设定比例模拟真实场景。在小区占地面积的基础上设计楼盘方位、建筑风格、建筑布局等，再与现实场景进行对比和调整。运用虚拟现实技术模拟小区真实场景，再通过调整模块参数进行优化设计，既节省时间，又减少了人力和财力的投入。
3.2 虚拟场景设计及三维建模的实现
①从AutoCAD中分类提取小区数据建立原始模型。要求先通过AutoCAD、3DMAX按照小区实际空间布局描出三维模型的局部特质，然后借助SketchUP（绘图大师）进行填充、完善，最终生成虚拟小区三维立体模型。建模后，运用实时绘制技术来消减最终绘制的场景复杂度，提高三维模型的逼真程度。
②借助VRMLPAD开发工具，通过其中的VRML实时动态交互程序丰富城区规划与管理行为。VRML的内联节点可以将城区空间场景无缝对接，以实现空间漫游。
③虚拟场景的渲染：将整个小区分割成若干个空间场景，借助OpenGL和计算机物理内存进行图形渲染，使场景更加逼真。如果计算机虚拟内存达不到设计要求，可以进行场景动态分块。
④建立实时多方案数据库。在虚拟三维空间中虚拟多套规划设计方案进行对比分析，最后筛选出最优方案。
3.3 人机交互接口设计
设计好空间场景后，借助专业的输入设备和视觉跟踪设备进行虚拟场景感知。虚拟现实系统中的人际接口为人机交互提供了一个路径，使体验者充分运用人体感官感知三维环境，并与之互动。人机交互提高了人对环境的感知程度，因而必将成为人际接口设计中的一个主流趋势。
3.4 小区虚拟规划建模实现步骤
小区虚拟规划建模是基于虚拟现实建模语言对小区的空间环境进行整体规划，使之形成一个完整的虚拟小区模型。
3.4.1 小区建筑的整体设计相关数据，场景中建筑物分布的硬性数据参数以及建筑物的具体数据，绿化的设计以及小区休闲场所的安置。提取小区规划所需求的各种要素，如建筑风格、建筑形态、楼体样式、景观环境、建筑密度以及小区楼体布置等。
3.4.2 进行三维建模，利用多种3D建模软件虚拟小区环境（如图1）。
3.4.3 在已有虚拟模型的基础上引入若干套设计方案，从虚拟场景中进行比选、调整和方案优化，以实现场景替换。切记要实时储存每次修改的场景方案。根据最终方案构建大空间数据库，并引入后台管理模块方便维护和管理。
3.4.4 体现虚拟现实系统的交互性，设置人机交互接口，利用特定输入/输出设备进行虚拟场景漫游。（图2）
4 应用效果分析
通过在东湖名苑小区规划设计中应用虚拟现实技术得到了不错的效果，具体效果分析如表1所示。
从表1可以看出，通过应用虚拟现实技术，小区规划设计无论是设计周期还是设计费用都有大幅度的降低。
5 结束语
随着技术研发不断推进，虚拟现实技术有望进入高速发展期。斯坦福大学虚拟人类接触实验室主任杰瑞米说：“就在两年前，虚拟现实技术还在以龟速前进。对技术而言，硬件设备的重量越来越轻，效果更逼真，造价更便宜。对软件而言，我们已经跨过了转折点。”本文则重点分析虚拟现实技术在城市规划中的应用。它运用三维虚拟技术模拟真实场景，使人们更加直观的了解城市的现状资源与发展前景，同时也便于开展项目洽谈、实地调研、现场办公、招商引资等工作。目前，VR技术在城市规划管理领域的应用越来越多，尤其是应用在人机交互领域的深度和广度将不断拓展，将有更加全面的发展，为建筑设计规划和城市未来发展开拓更广阔的前景。
参考文献：
[1]亓传伟，段新华.虚拟场景建模技术研究[J].价值工程， 2011（13）.
