摘 要：随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术也得到了迅速发展，在教育、医疗、建筑、化工、机械、航空等领域得到了广泛的应用，文章主要介绍了虚拟仿真技术的发展、特点，以及在制造业、建筑业、化工行业和教学培训中的应用。
关键词：计算机;虚拟仿真技术;应用;展望;教育
中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）01-0149-03
Abstract： With the development of computer technology， virtual simulation technology has also been rapidly developed and have been widely usedin education， medical care， construction， chemical industry， machinery， aviation and other fields. This paper mainly introduces the development and characteristics of virtual simulation technology， as well as the application in manufacturing， construction， chemical industry and teaching and training.
Keywords： computer; virtual simulation technology; application; prospect; education
引言
早在20世纪40年代，仿真技术就已经出现了，在1962年，G W Morgenthater首次对仿真进行技术上的定义，即实际系统不存在或比较复杂难以实现的情况下对系统或活动本质上的实现。虚拟仿真一词最早是由计算机科学家杰伦·拉尼尔在1987年使用的，拉尼尔被认为是虚拟现实领域的创始人之一。虚拟仿真是一种流行的信息技术（IT）领域，通过创建与人类感官系统交互的虚拟空间，克服现实世界的空间和物理约束，提供一种间接的体验[1]。随着计算机的发展，仿真技术得到了进一步的发展，可以帮助人类更加真切、直观的体验，就像是真实的世界一样。虚拟仿真技术是人类发展史上的一个里程碑，是成为继科学实验、数学推理之后人类了解、发现自然界客观规律的第三类基本方法，它也是一种获取信息和知识的新媒体，用以前不可能的方式来表达思想的概念，而且也正在全力发展成为人类认识客观规律、改造和创造客观世界的一项具有通用性、战略性的技术。
虚拟仿真技术具有以下四个基本特征：（1）沉浸性：即在虚拟仿真系统中，用户可以获得听觉、视觉、嗅觉、运动、触觉等各种感官上的感知，从而获得沉浸其中、身临其境的感受。（2）交互性：即在虚拟仿真系统中，不仅环境可以作用于人，而且人也可以对环境进行控制，而人的行为几乎是通过自然的、本能的行为（自己的语言、肢体动作等）来控制，虚拟环境还可以对人的操作做出实时的响應。（3）虚幻性：即系统中的环境是虚幻的，是由人们利用计算机等工具模拟出来的。它可以模拟过去存在于客观世界中的环境，也可以模拟现在实际存在的环境，还可以模拟现在不存在于客观世界但是将来可能出现的环境，又可以模拟现在不存在于客观世界但又仅仅是人们想象出来的环境。（4）逼真性：其逼真性主要体现在两个方面：一是虚拟出来的环境给人一种真实感，感觉就像是生活在现实世界中一样;二是当人们以自然的行为作用于系统环境中时，虚拟环境做出的反应也符合客观世界的相关规律。
目前，虚拟仿真技术已经发展到用户可以脱离现实世界的地步，其发展进入了一个崭新阶段，在教育、医疗、机械、建筑、航空、工业等领域得到了越来越广泛的应用，用于研究、评估和可视化。
1 虚拟仿真技术在各方面的应用
1.1 虚拟仿真技术在制造业方面的应用
由于工业系统较为复杂和规模比较大，出于安全和经济的考虑，仿真技术已广泛用于工业的各个领域中。而制造业为工业化国家的繁荣昌盛做出了巨大贡献。但是，满足客户需求变得越来越困难，制造企业需要生产低成本、短时间交付市场的创新产品。在高质量、低成本的情况下满足个人的需求，制定经济可行的以快速反应、灵活多变为基础的生产模式是非常有必要的[2]。因此，从概念化到生产的新需求和客户需求迫使制造企业转向新技术，即虚拟制造技术。虚拟制造是指能够生成有关制造系统的结构、状态和行为的信息的计算机系统，这些信息可以在真实的制造环境中观察到。虚拟仿真技术提供了一个强大的建模和仿真环境，任何产品的制造/装配，包括相关的制造过程，都可以在计算机中进行仿真。在大型的设备中进行各种工程系统（项目）构建之前的概念研究和开发中扮演着越来越重要的作用。虚拟现实技术的发展在各种工程应用中支持虚拟现实技术，包括产品设计、建模、制造控制、过程仿真、制造计划、培训、测试和验证。虚拟仿真技术在制造应用中具有巨大潜力，可以解决安全和经济等方面的问题。
许立[3]等给出了使用关系数据库驱动3D仿真模型的设计思想和实现方法，并将其应用于制造车间布局的设计和分析，最终实现了开放式的、可视化的制造车间布局设计系统，它还为旧车间的布置提供了解决方案。在虚拟制造环境中，艾武[4]等人对虚拟车间的制造资源进行了三维建模，并对这些资源进行了研究和分析，为基于多主体虚拟车间的敏捷调度的3D仿真提供了支持环境。姜立军[5]等结合面向对象的设计方法和虚拟建模技术，研究了装配生产系统的结构特点和运行方式，提供了三维图形建模机制和生产过程的实现方法。数控加工虚拟仿真培训软件可以执行实际数控设备的大部分功能，从而大大减少了资金投入，降低了培训成本，提高了学生效率并加快了培训效率。虚拟仿真培训系统弥补了传统培训设备的不足，节省了大量培训材料，减少了污染物的释放，降低了培训风险，具有“五融合、四层次、三模式”的虚拟仿真的实验教学体系，解决了石油行业在高温、高压和危险条件下不可视、难以接近的培训问题。鼓励学生学习石油工业技术并提高他们的兴趣，学生的实践能力提高了学生的工程意识[6]。唐国兵[7]等人分析了在汽车装配课中使用虚拟仿真应结合实际的训练。Yoon Hyuk Kim[8]等人开发了一个涉及核电站的辐射工作的模拟程序，通过在虚拟现实环境中进行辐射工作来预测辐射暴露水平，并通过以图形方式可视化剂量率来直观地表示高剂量危险区域，从而可以预测虚拟工作人员的暴露率。Jeong， K.等人[9]开发了一种虚拟仿真实验方法来模拟和评估核设施在对退役工人的暴露剂量。核聚变是解决人类能源问题的重要途径之一，Lei， Ming Zhun等人[10]采用虚拟仿真技术对核聚变装置进行概念设计、详细设计和结构优化设计，ITER反馈系统的电磁分析表明了虚拟仿真技术在核聚变工程中的具体应用，以及ITER热屏蔽的热分析，验证了虚拟仿真技术的重要性。
1.2 虚拟仿真技术在建筑方面的应用
随着虚拟技术的不断发展，建筑动画领域越来越多地应用于对这种虚拟现实的仿真，建筑动画的虚拟仿真技术可以使我们对建筑有更深刻的体验和更真实的感受，具有广阔的应用前景。建筑工程施工是将一项设计在图纸上的图画建造成实物的复杂、繁琐、艰巨的任务。在施工过程中存在着多变性、复杂性、不确定性以及多样性等特点。在目前看来，对于施工方法的优化主要建立在实践经验中，但是，主要依靠经验进行施工的优化存在一定的局限以及不确定性，特别是在全新结构或复杂条件下的施工，基于经验的设计来进行控制优化、事故預测和生产计划等的优化、可行性的分析和预测时，可能会由于惯性的思维方式而忽略重要结果而造成不可估量的后果。将虚拟仿真技术应用于建筑领域，可以进行实时创建建筑物的几何模型和施工过程模型，以交互方式和逼真方式模拟建筑结构，以进行验证并比较、优化。
目前，国内外的研究基本上都停留在理论上，而真正将虚拟仿真技术应用于建筑上的工程是上海正大广场[11]，该系统包含了三部分：（1）建筑的外观和建筑周围环境漫游;（2）建筑内部钢筋结构的实施方案和优化;（3）桅杆起重机以及钢构件承受力、焊接变形分析。陈正华等人[6]介绍了虚拟仿真技术在城市规划、建筑装修工程这两个方面的应用，可以大幅度的降低成本，减少不必要的支出。以德国的弗兰克福市为例：它使用虚拟仿真技术模拟整个城市模型，并使用该技术在城市中设计大型商业银行，使用3D模型和CAD技术来实现银行的特定规划，并通过不断更改特定参数的形式来不断创建合理的城市商业银行，从而使银行的设计计划更加合理，该项目成功建设后，得到了政府和公众的高度认可，节省了大量人力和物力，实现了城市发展的可持续发展。
1.3 虚拟仿真技术在化工和教学方面的应用
在实际的教学实验中，许多化学药品具有易爆炸、易燃烧、毒性大、具有腐蚀性和辐射等危险特性。在某些情况下，它们还有可能会引起灼伤和爆炸，并造成人身伤害、财产损失和其他事故。而在化学课程的教学和实验中，许多主观因素，例如实验设备、场地、时间等都会在实际的教学中受到限制。建立虚拟仿真训练实验平台，根据工程改革与发展的方向，以及工程人才的培养目标，将课程信息技术与传统化学教育和实践训练相结合，通过虚拟仿真培训平台，可以使化学操作过程（如不可视性、不可及性、高风险和高污染）更加直观和易于接受，同时促进了学生的工程设计。学校以实践能力和创新能力为目标，对虚拟仿真实验的教学进行了详细的研究，巩固了化学工程的理论知识，提高了学生的实践能力。化工领域的虚拟仿真教育研究和理论研究也可以分为两部分：一是仪器分析实验和有机实验的结合，主要指大型复杂的分析仪器。仪器分析课程通常会用到大型分析测试设备，例如气相色谱法，液相色谱法，傅立叶变换红外光谱法和紫外光谱法。而在实际的教学过程中，例如气相色谱法由于仪器价格昂贵，学生人数众多，管理繁琐等因素，而致使气相色谱的操作主要是由老师进行，因此用于气相色谱模拟的软件可以弥补学生实际上无法工作的问题。二是与化学原理实验联系起来。3D化学模拟实验室可以模拟实验过程，包括阀门切换，流量控制等。它可用于在现有化学实验的基础上增加实验培训和学习。随着信息和计算技术的发展，虚拟仿真技术在化学过程中的风险评估、风险识别、安全控制系统设计、操作人员培训、故障诊断等方面，使用虚拟仿真技术模拟在化工过程中的作用越来越大。该方法不需要设计特定于问题的观测器来估计未测状态变量，并且可以同时识别和诊断故障，通过在线修正更新了化学过程的参数。
Di Peng[12]在一篇文章中介绍了基于真实地形建立了工业园区3D场景，使用虚拟仿真技术模拟了化学工业园区内气体扩散。以氨泄漏和扩散为例，通过将有毒气体扩散数学模型嵌入3D场景，在虚拟现实中实现了泄漏事故的发生。事故的整个过程可以从不同的角度来看。3D场景中包括实体模型的创建、事故场景和渲染的构建。借助虚拟仿真技术，实现了现场的特殊效果，研究结果表明，虚拟仿真方法可以有效地模拟3D场景中的事故，在应急预案演练和事故过程分析中具有重要意义。沈华明[13]利用虚拟仿真技术，对常减压装置和减压塔进行了灵敏度的分析，并研究了温度和轻油回收率的关系。使用虚拟仿真技术进行不断地优化，并且取得巨大的成功。Model Chemlab[14]是美国Model Science公司研制的一款交互式化学实验模拟软件，具有良好的用户操作界面和操作性能，虚拟实验室可以模拟常见的实验以及不常见的实验，操作用户还可以根据自己的理论想法设计实验，它能够满足教学内容的不同类型的需求，同时对于一些具有危险性或费用比较高以及耗时较长的实验都可以起到很好的辅助作用。COREL Chemlab[15]是美国Corel公司研制出来的一个可进行化学实验模拟的软件，形象逼真，有声有色，可以在软件上进行设计和操作实验，在一定程度上弥补了实际实验的不足。
2 展望
虚拟仿真技术在机械制造业、建筑施工、化工原理、教学培训等领域内已取得了较为成熟的发展，但在航天航空、军事、电力、石油化工、通信、核工业等领域还处于刚刚起步阶段，其价值和应用前景将不可限量。
参考文献：
[1]Ah C.S.， Ahn J.， Ahn C. Electronics and Telecommunications Research Institute[J]. 2015，XVII：548-551.
[2]Nee A.Y.C.， Ong S.K.， Chryssolouris G.， et al. Augmented reality applications in design and manufacturing[J]. 2012，61（2）：657-679.
[3]许立，李伟峰，施志辉，等.三维仿真技术在车间布局设计中应用的研究[J].机床与液压，2004，（8）：63-65.
[4]艾武，刘家福，王洪海，等.虚拟车间三维仿真环境的构建技术[J].计算机工程与应用，2003，39（9）：32-34，94.
[5]姜立军，李哲林.装配型制造业生产现场的三维图形仿真建模[J].华南理工大学学报（自然科学版），2007，35（3）：47-52.
[6]劉振东，李晓东，马建民，等.虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室研究与探索，2017，36（3）：160-163.
[7]康国兵，冯南山.仿真技术在汽车装配教学中的应用[J].广东轻工职业技术学院学报，2019，18（01）：78-81.
[8]Kim Y.H.， Park W.M. Use of Simulation Technology for Prediction of Radiation Dose in Nuclear Power Plant[J]. Lecture Notes in Computer Science， 2004， 3314： 413-418.
[9]Jeong K.， Choi B.， Moon J.， etal. Real-time assessment of exposure dose to workers in radiological environments during decommissioning of nuclear facilities[J]. Annals of Nuclear Energy， 2014， 73： 441-445.
[10]Lei M.Z.， Song Y.T.， Wang S.K. Application of Virtual Simulation Technology in Fusion Engineering[J]. Management， Manufacturing and Materials Engineering， Pts 1 and 2，2012，452-453：228-232.
[11]张利，张希黔，陶全军，等.虚拟建造技术及其应用展望[J].建筑技术，2003，34（5）：334-337.
[12]Di P.， Qi L.， Bing W.， et al. Study on Virtual Simulation Method of Toxic Gas Diffusion Accidents in CIP[C]. 2013.
[13]S H. The Application of Process Simulation Technology in Optimizing Atmospheric and Vacuum Distillation Unit[J]. Sino-Global Energy， 2011：17-20.
[14]杨松耀.Model_ChemLab-化学实验的好帮手[J].浙江现代教育，2012（04）：37-38.
[15]C B. Really reappearing of chemical experiments application of Corel ChemLab[J]. Computers & Applied Chemistry， 2006，23（10）：1038-1040.