构建虚拟仿真实验室的思考

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虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是以计算机技术、网络技术、先进传感器技术、自动控制技术为基础，综合多维图形技术、激光立体成像技术，对体验者的肢体动作信息实时跟踪并反馈互动，对体验者的视觉形成集图像、动画、声音或部分感官产生动作为一体的模拟现实世界的技术。

虚拟仿真分为完全虚拟仿真和半虚拟仿真。完全虚拟仿真主要通过计算机及其专用功能软件进行仿真，如建筑设计常用的BIM软件，基本不需要计算机以外其他硬件的配合。半虚拟仿真则除了利用计算机及相应专用软件以外，还需要其他专用硬件设备或计算机模拟相应输入量或输出量的模拟仿真。如飞行训练系统由计算机系统、显示系统以及模拟驾驶杆、油门、航向舵的硬件组成，计算机接受学员操作传来的信息，然后通过计算模拟显示飞机姿态以及周围变化的环境。

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虚拟仿真实验室及特点

虚拟仿真实验室是主要以仿真技术构建而成的实验室，仿真实验室主要用于教学训练、理论验证以及新品开发。主要特点是：

2.1直观形象共享

虚拟仿真技术因其可以全息化模拟实验场景和实验过程，完成真实实验不具备或难以实现的过程，对于复杂场景以及危险实验、难以真实看到的事物或规律，用图像或动画的形式直观形象展示。例如人体器官的组成及运动，由于实体样本数量受限，可以用三维软件模拟各器官、系统的相互关系及运动规律，模拟对各器官的外科操作。又如，对于贵重仪器使用培训，由于难以观察到仪器内部结构，不利于人员清晰了解内部构造及工作原理，仿真软件可对仪器进行全方位、立体式的展示，内部构造分布、组件拆解、组合，便于人员了解仪器任一部件的构造及功能。完全虚拟仿真系统可以实现网络共享，不受时间、人员数量的限制，多人同时在不同计算机上操作，实现资源无限共享。

2.2安全环保高效

仿真实验室避免了实验人员因为理论知识不足、操作不规范等产生的不安全因素，同时不需要试剂配制等对操作人员产生危害，提高了安全性。如虚拟仿真汽车驾驶系统，可让学员体验真实的驾驶感受，又能确保安全。用仿真技术展示化学腐蚀、金属加工、焊接等工艺，可以减少污染物、废液废渣对环境的污染。通过虚拟仿真技术，研究人员只要更改相应的参数与设置合适的实验环境，就可以反复进行实验活动，这样提高了工作效率，缩短了研究周期。

2.3维护成本较低

软件系统没有任何损耗，虚拟仿真系统减少了对计算机以外其他设备的投入和维护保养费用，操作可以无限次重复，不需要各种耗材，确保高质高效。如风洞仿真系统，可以仿真飞行器外部形状以及不同姿态、不同相对速度情况下飞行器各部分受力情况，减少了每小时耗资数万元的风洞真实实验费用。又如电磁场仿真软件系统，可以形象地仿真出不同电磁场环境与激励体之间的电磁分布等。利用先进的虚拟仿真技术可以真实模拟汽车碰撞效果，成本远远低于真实实验，从而减少了物资消耗，也节约了研究资金。又如，机场、码头、公交枢纽的人员疏散，可以用虚拟仿真进行实验和验证，减少大规模动员演练需要的人力、物力和财力。

2.4模拟难以构建的现实环境

通过虚拟仿真可以展示难以在真实条件下复现的场景及各种要素的相互作用。这种虚拟仿真已经应用于航空灾难性事故、汽车交通事故、模拟案发现场等。例如在汽车行业当中，汽车的安全性是重要的测试项目，一般会使用真实的车辆做碰撞实验，以获得相关数据。再如一些有危险性、复杂程度相对较高或者对于从业者与作业环境有较高或特殊要求的行业，如化工、矿井、工程、电力、核能与医疗等，难以进行试验，利用虚拟现实与仿真技术，研究者便可在安全的环境下开展实验或教学活动。

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建立虚拟仿真实验室步骤

虚拟仿真实验室一般由计算机、模拟输入系统、视觉系统以及感觉模拟系统组成。计算机系统包括计算机硬件和虚拟仿真系统软件，负责各实验过程中物理量的输入与变化，负责根据输入的物理量以及研究对象的数学模型计算实验结果。计算机输出信号输送到仿真系统，显示视觉图像（包括动画）以及感觉模拟信号（如刹车后人员前倾的感觉）。相互关系见下图 。

虚拟仿真实验室组成及各系统相互关系

建立仿真实验室除了购置计算机系统、相应仿真软件外，主要应制定虚拟仿真方案，仿真方案主要有以下内容。

3.1厘清研究对象

虚拟仿真的核心是仿真，手段是虚拟，通过虚拟实现实现仿真。必须弄清研究对象本身，弄清研究对象的特点和运动规律。例如研究液压传递原理，就必须明确液体等量传递压强的原理，才能模拟不同截面产生不同压力。又如数控加工仿真，必须弄清切削力、切削温度、振动、切屑形成、工件表面质量、刀具磨损等规律，才能利用有限元手段进行仿真。

3.2弄清要素关系

在建设虚拟仿真实验室时，必须弄清影响研究对象的各物理量，以及相应物理量产生的激励，弄清各量值之间的数量关系，建立相应数学模型。这样才能通过改变输入量，产生相应输出量，展示相应实验效果。例如电磁仿真就要弄清信号源、被激励物体的材质、形状、距离，才能计算出在信号源作用下，物体周围不同位置的电磁场强度和方向。又如，飞行器飞行状态仿真，必须弄清飞行器外部空气动力外形、飞行姿态、发动机推力等与飞行器阻力、加速度、速度、高度的关系，才能虚拟仿真飞机的操作过程。

3.3明确对话内容

在虚拟仿真实验室建设过程中，应明确哪些物理量需要改变，需要实验人员通过电脑输入或通过硬件模拟输入。明确哪些实验结果的参数应当发生改变，并通过图像或动画形式实施表现出来，甚至通过模拟系统产生相应动作，刺激实验人员的感官，实现现实体验。

3.4仿真系统研发

根据研究对象的规律和特点，以及研究对象受影响的参量（因变量）和变量发生变化时参变量的变化规律，用实验室人员的视觉或感官习惯接受的图像或动画展示。通过有代表性的任务剖面进行实验验证，直至实验结果是正确的或可接受的。

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建设虚拟仿真实验室建议

4.1强化基础研究

仿真实验建设应具备很强的基础研究，弄清研究对象特点及相关要素的相互影响的规律，在大量实验的基础上，形成理论，建立完善的数学模型，才能实现仿真。目前成熟的实用仿真软件，主要依据深入的基础理论研究。如ANSYS HFSS软件，提供了简洁直观的用户设计接口、精确自适应的场解、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。

4.2长期积累摸索

有些事物的规律难以用数学模型来描述，必须经过大量的实验，通过数据积累形成经验公式或数据库，这需要实验室长期积累和摸索的过程，例如金属材料的高温蠕变性能，每一种材料均要经过数年甚至十几年的实验才能得出实验数据，得出经验公式。

4.3行业共同实施

建立仿真实验室是某一行业甚至整个国家的任务，例如芯片性能设计实验室，单靠一个企业是难以完成的，必须集中行业或国家之力，统筹规划，集中研究各实验室掌握的数据，形成共性理论，研发行业仿真系统软件。例如国家发布了《信息技术学习、教育和培训 虚拟实验 》系列标准，这是行业共同努力的结果。

4.4实施开放共享

对于一个单位或行业的仿真实验室在确保保密要求的情况下，应当对外开放共享，减少不必要的重复建设，同时可以强化人员交流，不断完善仿真实验室的理论水平与仿真效果。

虚拟仿真实验室随着技术的不断突破与创新，随着对事物本质规律研究的逐步深入，将会在教育训练、理论验证、新品开发方面发挥更大的作用。有条件的研究机构、企业应当开发相应专业的虚拟仿真系统，并持续丰富发展，确保虚拟仿真无限接近真实实验过程和结果，缩短实验周期，提高实验效率，降低实验成本，提高实验室效益。

文章来源未来实验室学苑