时间：2022-05-16 13:18:26
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针对上述情况，本文对可以模拟特定交通场景技术的研究。在VISSIM中搭建路网环境，模拟实际的交通现场，通过VISSIM和信号控制机之间加入的控制机接口设备，建立二者的实时通信环境。信号机动态获得所需的交通流数据经运算得出控制策略，仿真软件获取实时控制信息并执行，根据仿真统计数据可以对交通算法和控制逻辑的适用性进行评价，也可以评估在特定交通场景中突发状况对现有交通状态的影响，进而为改善交通现状、应对突发状况提供依据。
1交通现场仿真原理
信号控制机接口设备是计算机和信号控制机间通信的桥梁，具有转换数字信号和模拟信号以及传输信号的功能。对于信号控制机，虚拟的仿真路网环境相当于实际的信号控制环境;对于仿真软件，信号控制机实现了仿真软件中信号状态发生器的功能。
在VISSIM仿真软件环境中搭建路网模拟交通现场，对交通状态仿真，并将相关的车辆检测信息通过信号控制机接口设备传送至信号控制机。根据接收到的检测器状态信息，信号控制机内部交通控制算法控制逻辑经运算输出各相位下一时刻信号控制状态，并通过信号控制机接口设备传输至仿真软件，仿真软件按照接收到信号灯色状态对车流进行控制。上述功能实现了由信号控制机控制策略对模拟环境中的交通现场控制。
对于确定的交通环境，可以在路网环境中检验控制方案，直至方案完善，能够达到预期的控制效果再应用到实际的现场，以减少对现状交通的影响。同时，当路网中出现如交通事故、道路维修等突发状况，致使某些道路不能通行，也可以检验现状交通条件对交通需求的满足能力。
2信号控制机接口设备实现
信号控制机接口设备是vissim仿真软件和信号控制机通信的桥梁，实现了车辆检测信息和信号机信号控制状态的转换1)单片机。是信号控制机接口设备的核心，可以按需增加其他的功能模块。
2)信号控制机通信模块。负责信号控制机和单片机的数据传输。一方面，信号控制机通信模块将仿真环境中车辆检测信息发送至信号机。如果检测器在1s时间内没有检测到车辆的经过，则将0的数字信息用低电平表示;如果检测器在1s内检测到车辆的经过，则将1的数字信息用高电平表示。最终经电平转换后发送至信号控制机输入板。另一方面，信号控制机通信模块将信号控制机灯色控制信息传输至单片机。
信号控制机通信模块传输过程采用能够保证数据传输准确性的TCP/IP协议方式，信号控制机作为服务器端，信号控制机接口设备作为客户端，向信号机发送请求建立连接。
3)计算机通信模块。负责连接单片机和计算机。单片机提供的串口经转换成为USB口，连接至计算机，根据通信协议和串口通信程序，完成车辆检测信息和信号控制状态在计算机和单片机间的传输。
3仿真系统控制软件实现
仿真系统控制软件对VISSIM二次开发，建立其与外部通信的数据接口。在硬件平台的基础上，仿真系统控制软件结合信号控制机接口设备连接交通仿真软件和信号控制机。
3.1仿真系统控制软件结构
仿真系统控制软件主要包括仿真控制模块、交通路网显示模块、通信模块和评价指标显示模块四部分。
1)仿真控制模块。仿真控制模块主要功能是对VISSIM仿真的控制，包括启动、停止、路网的加载和仿真参数的设置等。
2)交通路网显示模块。交通路网显示模块功能是显示VISSIM加载的路网数据信息，包括检测器信息、路段属性、信号机编号和名称等内容。随着仿真的运行，该模块中信息始终与路网中交通元素同。
3)通信模块。通信模块由串口直接与信号控制机接口设备交换检测器信息和灯色状态控制信息。
4)评价指标显示模块。评价指标显示模块功能是为评价信号机控制策略提供数据支持，为进一步优化交通控制算法、改进控制策略提供指导。
3.2VISSIM仿真控制
VISSIM可通过使用dll接口来调用外部信号控制机，在每个仿真运行期间通过加载动态链接库文件实现与信号控制机的通信，包括逻辑控制信息和数据信息。
在仿真过程中，VISSIM会在每个时间步长里以一定的刷新频率与信号控制机通信。该过程分为两步：
第一步，将仿真环境检测数据将传送至dll文件中;
第二步，信号控制机根据控制逻辑运算返回下一仿真时刻信号灯状态至dll文件，VISSIM以一定仿真步长更新信号灯状态。3.3仿真系统控制软件工作流程4结束语
交通现场仿真通过信号控制机接口设备和仿真系统控制软件将实际的信号控制系统引入交通仿真软件，实现了仿真软件的车辆检测信息和信号控制机的信号灯色状态控制信息的实时交互，构建了对交通算法和控制逻辑的测试平台。
关键词:三维仿真;交通规划;交通管理;地理信息系统
中图分类号:U418.9
文献标识码:B
文章编号:1005-569X(2010)05-0111-03
1 引言
随着社会经济的快速发展,交通设施的建设速度不断加快,这种形势对城市的综合交通规划、建设、管理工作提出了更高的要求。于是,以三维仿真技术为核心,综合应用地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)、无线通讯、互联网等新技术建立的综合交通管理平台应运而生。该平台集成各类交通相关信息,实现交通信息的精细化、可视化、远程化、自动化管理,能够极大的提高城市的综合交通管理水平,为社会经济发展奠定良好的基础。
2 三维仿真交通管理系统建设的基础
西方许多国家都十分重视以城市三维建模为基础的三维仿真城市建设,我国许多城市的管理部门近年来也先后开展了三维仿真城市建设和数字仿真规划工作。然而,目前国内外交通领域信息化管理平台仍以平面化信息系统为主,三维仿真应用主要集中在局部施工设计、车辆行车模拟等,缺乏综合性、实用性的应用,其主要瓶颈为数据建设,无法支撑三维化应用需求。
随着社会经济的快速发展,交通设施的建设速度不断加快。以宁波市为例,“十一五”期间,规划交通基础设施建设投资将超过800亿元,仅公路一项,“十一五”规划新建公路2030km,改建公路1500km。交通相关规划、建设、管理、协调工作数量多、周期长、复杂度高。另一方面,当前交通设施立体化的趋势越来越明显,同时随着交通信息化水平的提高,各类监控、测速、信号控制等设施在线路上呈密集分布态势,传统二维和平面符号形式表达的图纸,因为图形简单、不能给人以自然界的本原感受而遭遇误解。宁波具有良好的三维仿真基础,可以满通管理的三维化应用需求。宁波市从2002年开始即着手开展城市三维建模及数字仿真规划工作,已建立了全市的地形地貌数据库、规划区的建筑体块模型库和地面高程模型库,完成了市区150km2主要建成区的三维精细模型库建设工作。这就为宁波建设三维仿真交通管理系统提供数据和技术支撑。
总体来讲,宁波市交通信息化基础设施齐全,宁波市各类三维仿真空间数据库数据种类多、覆盖范围广、数据精度高,应用研究单位技术储备雄厚,且有完善的制度性保障,具备良好的条件开展三维仿真交通管理系统建设工作。
3 系统建设
3.1 技术路线
三维仿真交通管理平台基于B/S架构进行开发,系统设计与开发过程中尽可能将系统提供对外服务的应用程序功能封装和为“Web服务”,整个系统的功能可以采用松耦合的方式实现集成,而且平台提供功能服务具有可扩展性。
三维基础地理空间数据与交通设施数据、交通规划数据等交通专题数据采用统一的空间坐标系统,通过三维空间数据管理子系统实现各类数据的集成管理。
3.2 三维基础框架数据
基于高精度数字航空影像的三维空间数据及路网数据,数据管理类似Google Earth方式,使市交通管理部门的交通规划、建设、管理能基于全市、全省、全国乃至全球空间环境中进行,三维基础框架管理子系统的建设,能为宁波市交通工作提供全面的三维地理空间服务。
三维基础框架数据库主要采用多分辨率分级模型对DEM和DOM进行组织,这种技术在不改变源数据精度和不影响视觉效果的条件下,通过层次细节显示和简化技术来逐次简化地形的表面细节,以减少场景的几何复杂性,从而提高计算机绘制三维地形地貌的效率。三维基础框架数据库包括1∶10000和1∶500两级比例尺的高分辨率航空影像地理模型库。
3.3 三维交通规划数据
主要包括各类交通规划资料,包括通道范围、设计时速、立体互通及场站、指示标志、监控等配套设施规划资料[1]。
三维交通管理系统系统对大量的交通设施进行了精确地点对点三维化管理,因为三维基础空间数据精度达到厘米级,从大型的服务区,到小型的路灯,所有对象都有极高的精度,在系统中的位置,都与现实相一致,避免了今后各种信息的相互重叠和错位,主要包括以下路网数据、通道内部信息、附属设施等数据内容。
三维交通设施数据利用全数字摄影测量系统,在立体环境下采集建筑物几何特征信息,各类设施的贴图全部采用真实的纹理信息,其信息采集是利用高性能的数码相机对设施进行全方位的拍摄,从而得到相关数码像片图片并经过正射几何纠正处理。数据与三维基础框架数据相集成,采用统一的空间坐标系统。
3.4 系统功能
三维综合运输规划子系统能够为交通综合运输规划提供辅助决策手段,主要从在路网中的作用、实施的紧迫性等方面进行可视化分析,为决策部门提供参考意见;利用完善的三维基础空间数据和强大的分析功能,从环境影响、工程造价、拆迁量、社会影响、工程难度等项目论证提供直观依据[2,3]。
3.4.1 三维仿真场景浏览功能
实现宏观、微观场景的一体化,支持从全球、城市宏观场景到精细三维场景的平滑浏览,提供了缩放、平移、盘旋、环绕飞行、步行、飞行、定速巡航等多种便于进行交流的漫游工具[4]。可以定义热点,提供鹰眼导航图以辅助漫游观察,同时还提供了透视图、顶视图、断面视图等多种视图类型。
3.4.2 辅助宏观规划决策功能
(1)挖填方分析。用于挖填方量的预算,直观对比各类方案的填挖土方成本。具体如图1所示。
图1 挖填方分析结果
(2)空间量测。能够辅助测量高速公路设计空间位置有关参数的量化分析:比如道路路面宽度、直线加速距离、车辆暂停位置的面积、高速公路与周边建筑或其他地物的距离、桥梁隧道的长度、隧道高度、高速入口收费处与服务区之间的距离(是否合适)、应急电话与照明设施的间隔距离(是否适合)等。
(3)数据逻辑分层管理。系统将数据管理功能独立成数据管理功能层,从逻辑上与系统其他各层进行分离,实现了空间数据存取的设备无关性和位置无关性。
(4)特殊设施影响域分析。影响域分析能够根据特殊设施(如加油站等)周边的地形特征,分析出周边相对与中心位置的危险区域,可模拟演示高速公路设计方案殊设施对周边地物的影响区域。(图2)。
(5)路面特性分类定位统计。根据不同路段的不同特性,统计沥青路、混凝土路、桥梁、隧道等,实时统计不同类型路段的位置、数量、建造成本等信息。
3.4.3 辅助精细设计管理功能
(1)定点视域分析。实现在任意选定点方位的视角进行观察。可以用来分析出视点位置是否有视线遮挡,帮助确定高速道路导识系统和道路监控系统的最佳平面安放位置和竖向高度;也可以模拟分析驾驶者在高速道路行驶过程中的视线情况。
(2)定线巡航。可以在三维场景任意定制巡航路线,设定的参数包括巡航的高度、速度、视角,分析从整体分析道路的路线设计,方便设计方案的演示。
(3)监控设施覆盖面分析。用于分析某点控制设施的覆盖面,了解对于一定角度和半径的扇面内的通视情况。
(4)特殊路段管理。对需特殊处理的的桥涵、隧道、高挡墙、高边坡以及等进行数据库建设构造。
(5)剖面分析。能用于对任意形状的地形切剖面,进行各个点的分析,实现精确化测算。
(6)设施搜索定位。快速查询相关设施三维位置及属性目标,具备定制搜索、分类搜索及模糊查询功能,实现关键字搜索和划定空间范围的搜索方式;
(7)三维交通设施属性管理。各类交通设施属性数据采用数据库存储,以满足属性数据丰富多样性、维护更新频繁等管理特点需要。数据库可以采用Oracle或SQL Server。属性数据与空间数据通过关键词进行关联,以达到功能、管理的相对独立性。
4 系统典型应用
4.1 选址分析
三维仿真交通管理系统以三维空间数据库为基础,能够将城市形态、地形地貌直观地体现出来,从整体上把握交通设施周边的空间形态,能对地理空间的物理环境、视觉环境以及空间结构进行分析,可以快速查阅各种交通设施现状与规划数据,进而利用空间统计功能,实时统计各方案的拆迁量、挖填土方数量及路线长度,降低建设成本,使线路空间分布更加合理高效。
4.2 交通设计
利用实时巡航等功能,能模拟驾驶感受,提高线路的坡度、弯度设计的合理性,利用视域分析、控制设施影响域分析功能,调整监控、信号设备的分布点,使设施效能最大化。利用特殊设施影响域分析,综合居民地等信息,沿线合理配备加油站等设施。
4.3 宣传演示
二维建筑图纸或效果图等资料无法整体直观反映现场情况,通过开展三维仿真工作,社会各界可以通过系统直观、生动了解交通项目建设状况和未来规划前景,有利于项目工作的宣传,提高项目建设的社会效益。
5 结语
社会经济的快速发展,特别是交通事业的蓬勃发展,给城市综合交通规划、建设、管理工作提出了更高的要求。以三维仿真技术为核心,综合应用3S等新技术,集成各类交通相关信息,实现交通信息的精细化、可视化、远程化、自动化管理,能够极大的提高城市的综合交通管理水平,为社会经济发展奠定良好的基础。
参考文献:
[1]
袁兴无.道路三维可视化系统设计与实现方法[J].交通科技与经济,2006(6):55~56.
[2] 沈雪香.高速公路景观设计仿真系统[J].交通科技,2007(3).
[3] 张卫兵,程双希.视觉分析在道路设计中的应用[J].山西科技,2008(3).
关键词：数字电路；交通灯控制器；电路仿真
前言：数字电路早在上世纪中后期就已经形成，其主要由组合逻辑电路以及时序逻辑电路所组成。就当前的实际情况来看，交通灯控制器的显示设计均采用单片机的原理，为了能够寻求一种更加简便的方法，设计者利用数字集成电路来完成交通灯控制器，并以此来实现十字路通信号灯的控制。通过一系列的仿真与修改，能够得知，和传统的设计方法相比，利用数字电路的技术，具有灵活性强、效率高以及成本低等特点。
1 交通灯控制器的设计要求
本次设计的交通灯控制器所工作的条件是由甲、乙两个交叉路口所构成，通过对交通灯控制器的设计，要求其控制的任务是：在甲路口绿灯亮的同时，要求乙路口红灯亮，这样的状态保持3s。在3s之后，甲路口绿灯停，黄灯亮，保持1s，1s之后甲路口的黄灯以及乙路口的红灯同时停止，甲路口红灯亮，乙路口绿灯亮，保持3s。3s之后乙路口的绿灯停，黄灯亮，保持1s，1s之后乙路口的黄灯灭，亮起红灯，同时甲路口绿灯亮起，并以此循环。
而这时的交通灯控制系统被分为控制器和受控电路两个部分，根据对交通灯控制器的具体设计要求，本次研究中需要设计出一个循环控制系统，并观察其控制的状态。在下文中，将重点介绍设计的具体方案。
2 交通灯控制器的具体设计方案
2.1主控制器的设计
根据实际情况来看，在十字路口，车辆通行主要有两种情况：一种是在交通事故条件下要求车辆禁行。在这种情况下，十字路口的两端均不通行，这是交通灯需要红灯亮，倒计时功能停止，并保持闪烁的状态；另一种就是无特殊情况的通行，主要包含四种情况：第一，最开始的时候，东西道路为通行状态，绿灯亮，南北道路为禁行状态，红灯亮；第二，十字路口的道路全部禁行东西道路黄灯亮，南北道路红灯闪烁；第三，东西道路禁行，红灯亮，南北道路通行，绿灯亮；最后，十字路口全部禁行，南北道路黄灯亮，且东西道路红灯闪烁。根据这种情况，主控制器要实现4种状态，并分别定义为S0、S1、S2、S3。要想实现这4种电路，可以应用到数字电路技术[1]。设计如下图所示：
在这个设计图当中，我们利用的是两块74LS192芯片，K0表示清零，由位置1切换到2，K1和K2是交通道路特殊状态的控制键，如果有特殊状态按K1，特殊状态处理后，再按K2，表示恢复了正常的通车控制。A、B、C三种信号均用于对信号灯的控制，同时C还兼做停止计时时的闪烁效果控制。
2.2状态译码器的设计
上文中提到，主控制器在实际应用中会产生四种状态，而状态译码器则要求分别控制十字路口上红、绿、黄灯的状态，而这3种灯的状态和主控制器的输出可以用R1来表示。与此同时，利用信号真值表能够设计出交通灯控制器状态译码器的电路。
在本次设计中的数字电路技术，共分为8个双向3态缓冲电路，在其输入和输出均为高阻态的状态。高阻态就是指在应用过程中相当于没有这个数字芯片。在本次研究的电路中，主要是实现红灯的闪烁，无论是在十字路口的主干道和支干道，都能够利用这个状态译码器来进行控制[2]。
2.3倒计时计数器的设计
在这次的研究中，交通灯控制器的倒计时电路主要是利用数字芯片74LS192来进行设计。具体设计如下图所示：
在倒计时电路的脉冲信号和交通道路特殊情况控制信号C经过与非门U5：A后，被送入到个位片U2的DN端口，而十位片则被连接到另外的Q3端口当中。通过预置数的方式来实现任意进制下倒计时电路的设计，并且十位和个位片U1和U2的预置数据要按照下表来进行设计：
通过上表能够得知所预置的具体数值，由于U1和U2的预置时间是倒计时电路到0s时根据U1和U2的TCD信号经过或门U6：A之后才形成的，考虑到数字芯片的延迟特点，因此选择03s时就对主控制器当中的U11产生出驱动脉冲，以此来实现U1和U2的预置数据最终能顺利送达。
3 交通灯控制器的仿真结果
在本次研究设计完成之后，需要利用到Proteus的软件来进行仿真检测，这个软件是英国一家公司专门的EDA的工具软件。本次设计当中的所有数字集成芯片都可以在这个软件的元件库里找到[3]。在仿真检测中，设计人员画好仿真电路并修订出元件的具体参数就能够实现仿真。通过仿真，数字电路对于交通的灯的基本控制功能就能实现，同时还具有倒计时及时间设置功能，能够被广泛运用。
结论：本次研究设计是通过将数字电路的分析设计和电子设计自动化相互结合，能够完成交通灯控制器中各个单元电路以及整体信号电路的设计。为了能够进一步验证该设计的准确性，本次研究还通过Proteus软件来进行仿真观察，通过仿真检测，可以看出仿真的结果符合设计的具体要求，并达到了所预期的目的。本次设计的交通灯控制器是在数字电路的基础上完成的，相比于传统的单片机设计交通灯控制器，这种设计方法更加简单便捷，不需要再次进行软件的编程和调试，并且成本低廉，适合在实际应用中广泛推广。
参考文献：
[1]宋朝君.基于数字电路的交通灯控制器的设计与仿真[J].电子技术与软件工程，2013，11（20）：96-97.
[2]刘建华，龚校伟，崔雅君.交通灯控制器数字电路的设计及仿真[J].数字技术与应用，2012，10（01）：1-2+4.
[3]黄鸿锋.交通灯控制器的设计与实现[J].中国集成电路，2010，12（07）：65-67.
我院自2002年1月至2006年1月，将丙泊酚、丙泊酚复合芬太尼、丙泊酚复合瑞芬太尼用于妊娠6~10周的人工流产术中镇痛，取得较好效果，现报告如下。
1 资料与方法
1．1 一般资料 选择妇科门诊ASAI级早期妊娠妇女120例。无任何合并症及禁忌证。平均年龄23．5(19~40)岁，均经B超检测证实为宫内妊娠，孕次1~4，产次0~2，孕龄42~70 d，随机分为A、B、C、D 4组，每组30例。
1．2 方法 选择早期妊娠妇女，常规禁食6 h。术前30 min肌内注射阿托品0．5 mg，入室后在前臂建立静脉通道。 A组：采用单纯丙泊酚2．0~2．5 mg/kg静脉推注，1 min内注完，每次追加丙泊酚0．5 mg/kg；B组：先静脉推注芬太尼1 μg/kg 后静脉推注丙泊酚2．0~2．5 mg/kg，1 min内注完，必要时以0．5 mg/kg追加丙泊酚至手术结束；C组：静脉推注丙泊酚0．8 mg/kg加瑞芬太尼1 μg/kg，0．5～1 min内注完，每次追加0．2～0．5 mg/kg；D组：不采用任何干预措施。A、B、C 3组均由专职麻醉医师静脉给药，并观察和记录血压(BP)及心率(HR)等。
1．3 监测指标 监测并记录术前睫毛反射消失、扩宫、术中、术毕的收缩压(SBP)、脉搏(HR)、血氧饱和度(SpO2)、术中疼痛情况、出血量及清醒时间。给氧及建立静脉通道，抢救设备完善，由麻醉医师全程监护。
1．4 镇痛判定标准
1．4．1 显效 患者无腹痛，表情安静自如，朦胧入睡或无意识，活动、醒后无记忆。
1．4．2 有效 轻度腹痛，牵拉感，意识清醒，基本安静。
1．4．3 无效 下腹明显疼痛，出汗或不止。
1．5 宫口松驰判定标准 以能一次性通过6 F吸头为标准。
1．6 统计学处理 采用t检验及χ2检验。
2 结果
2．1 各组术中镇痛效果及PAAS发生情况比较 A、B、C 3组在开始给药后5~10 min清醒，无诉疼痛感觉，总有效率为100%，总有效率高于D组(P
2．2 术中出血量 4组术中出血量差异无统计学意义(P>0．05)，见表2。
2．3 宫颈扩张情况 A、B、C3组宫颈口松驰，6F扩张器可无阻力通过，无需扩张宫口；D组需宫颈扩张器从3．5～6 F逐号进入行宫颈扩张。
2．4 麻醉监测结束 A、B两组在睫毛反射消失阶段，可出现一过性呼吸频率减慢，SpO2轻度下降，但短时间内可自行恢复，A、B、C3组血压、心率与术前比较下降明显(P0．05)。见表3。苏醒时间：A组(7．5±1．0)min；B组(7．8±1．3)min；C组(66．1±15．6)s；C组早于A、B两组。
03
2．5 用药量A组丙泊酚(187．4±45．1)mg/kg；B组丙泊酚(162．3±32．0)mg/kg、芬太尼(0．05±0．01)mg/kg；C组丙泊酚(75．1±12．5)mg/kg、瑞芬太尼(80．2±1．9)μg/kg；A、B两组丙泊酚的用药量明显大于C组的用药量。
3 讨论
人工流产术由于操作简单，既往多不使用麻醉，术中93%的患者主诉疼痛，并出现心率减慢、血压下降，甚至发生PAAS等多种不良反应，给患者造成身心痛苦。本文A、B、C 3组3种镇痛方法用于人工流产术，均取得良好效果。使手术操作顺利，缩短了手术时间，减少了患者痛苦，但各自均存在不足。我们研究之一：丙泊酚作为一种新型的静脉，具有起效迅速30～40 s，半衰期短，苏醒迅速而安全，无恶心、呕吐等特点[1]，但单纯应用丙泊酚由于镇痛作用较弱，术中体动，术后腹痛发生率较高用于门诊小手术，还不是很令人满意。之二：丙泊酚复合芬太尼静脉麻醉在国内虽已广泛应用于无痛人流术，且取得了较好的麻醉效果，但芬太尼起效慢，作用时间长[2]对短小的人工流产只能使用小剂量，要达到麻醉完善，使用丙泊酚的剂量应较大致使术后患者苏醒延时，醒后头晕厉害，这对门诊手术，人工流产术也不是十分理想。之三：瑞芬太尼是一种新型的μ受体激动药，起效迅速，消除快，作用强，重复用药无蓄积作用[3]，与丙泊酚复合减少了各自用药量，也减少术中体动，术后腹痛的发生，无苏醒延时，醒后头晕等，但瑞芬太尼对呼吸的抑制较明显不能忽视对RR及SpO2的监测。
参考文献
1 杨德荣，花象峰，赵咏梅.丙泊酚两种给药方法对无痛人工流产术呼吸抑制的影响.中国实用妇科与产科杂志，2006，22(5):382.
【关键词】 EDA 数字电路 电路仿真
数字电路主要有组合逻辑电路和时序逻辑电路两部分组成，交通灯控制器的设计既可以涉及到这两部分的基本原理的运用，又可以锻炼学生对数电综合电路的设计和分析能力，因此交通灯控制器的设计是数字电路一个很好的教学题材，在完成电路设计的同时配合电子设计自动化（EDA）教学，学生无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，EDA可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。目前在各高校教学中普遍使用EDA仿真软件是Multisim10.1， 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
下面介绍以Muitisim10.1 为平台设计一个十字路通控制器系统的过程.
1 设计要求
设计一个十字路口的交通灯控制器，要求主干道和支干道交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒；支干道每次通行时间都设为20秒；绿灯可以通行，红灯禁止通行；每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5秒钟（此时另干道的红灯不变）；十字路口要有数字显示，作为等候的时间提示。要求主干道和支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位做减法计数。黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。
2 交通控制器电路设计与仿真
2.1 状态控制器的设计
根据设计要求，主干道和支干道红、绿、黄灯正常工作时，只有四种可能：主干道车道绿灯亮，支干道车道红灯亮，用S0表示，绿灯亮足规定的时间间隔30秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态；主干道车道黄灯亮，支干道车道红灯闪烁，用S1表示，黄灯亮规定的时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态；主干道车道红灯亮，支干道车道绿灯亮，用S2表示，绿灯亮足规定的时间间隔20秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态；主干道车道红灯闪烁，支干道车道黄灯亮，用S3表示，黄灯亮足规定的时间间隔5秒是，控制器发出状态转换信号，系统又转换到最初种状态。可以用一个2位二进制计数器实现这四种状态：S0=00，S1=01，S2=10，S3=11，本设计用74ls190连接成二进制加法计数器，电路图如图1所示：
2.2 状态译码器的设计
状态控制器已经产生了四种状态，用Q2，Q1两位二进制数组合来表示S0到S3四种状态，状态译码器要求利用Q2，Q1分别控制主、支干道上红、绿、黄信号灯的状态，红、绿、黄信号灯状态与控制器的输出Q2，Q1关心可用表1（1不是灯亮，0表示灯灭）来表示。由信号真值表可以设计出状态译码器电路，如图2所示：
74LS245为8个双向3态缓冲电路。主要使用在数据的双向缓冲，～G=0，DIR=0，B->A；～G=0， DIR=1， A->B；～G=1， DIR为0或者1，输入和输出均为高阻态；高阻态的含意就是相当于没有这个芯片。在本电路中是实现红灯的闪烁，无论是主干道还是支干道，Q1为1，可以利用Q1来控制～G，当Q1为1，～ Q1为0，～G为0，秒信号就可以输入电路，实现红灯的闪烁。
2.3 倒计时电路的设计
根据设计要求，该系统共有四种状态（S0-S3），在每种状态都要求能够自动调入不同定时时间的定时器，完成30S、20S、5S的倒计时显示。该定时器由两片74LS190构成减法计算器实现，初始值可通过三片74LS245完成预置数，显示电路用自带译码功能的两个数码管实现两位十进制数的显示。设计的定时倒计时电路如图3所示：
2.4 仿真结果
将上述各单元电路组合起来，可以得到交通控制灯的整体电路，点击Multisim 10.1 软件的“Simulate/ Run”按钮，便可以进行交通灯控制器的仿真。电路的倒计时显示首先为30 s，此时主干道绿灯亮，支干道红灯亮，进入状态S0，倒计时为0后，主干道黄灯亮，支干道红灯闪烁，闪烁的频率为1HZ，进入状态S1，倒计时从5开始计时，倒计时为0后，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，进入状态S2，倒计时从20开始计时，倒计时为0后，主干道红灯闪烁，闪烁的频率为1HZ，支干道黄灯亮，进入状态S3，倒计时从5开始计时，倒计时为0后，又回到S0状态，如此循环下去。
3 结语
该设计通过把数字电路的分析与设计与EDA相互结合，完成交通灯控制器各个单元电路和整体电路的设计和仿真，很好的解决目前高校教育中理论教学与实际动手实验相脱节，试验室条件不足等问题。电路设计仿真成功后再构建实际电路，既可以降低成本，又大大提高了教学和专业设计的效率，对老师教学也是一个很好的提高和促进。
参考文献
[1]孙晓艳，黄萍.基于Multisim 的电子电路课堂教学[J].微电子技术，2006（24）.
[2]周凯，郝文化.EWB 虚拟电子实验室——Multisim7 &Ultiboard7 电子电路设计与应用[M].北京： 电子工业出版社，2006.
[3]张艳春.数字电子系统的EDA 设计方法研究[J].现代电子技术，2009（17）.
[4]郑步生，吴渭.Multisim 2001 电路设计及仿真入门与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.
[关键词]数控仿真软件；数控机床；教学实践
中图分类号：H319 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0227-01
主要内容：
工业化和自动化已经成为制造生产领域的发展主题，随着智能加工理念和自动化加工需求的不断深化，以数控机床为代表的新一代自动加工设备开始在制造业中普及开来。我们可以看到数控机床在集成了柔性加工、多维加工、曲面加工和多轴联动等最新加工技术的同时，还兼容了数字编程和辅助设计等功能，这使得每一个数控机床都能成为一个不同规模的加工中心，满足不同的加工需求。但是正是由于数控机床的功能多样性，使得数控机床的操作要求十分严格，操作者不仅需要具备扎实的机械加工基础知识和操作技能，还需要对数控编程技巧、数控加工技术原理和加工工艺制定等具备一定的知识储备，这就对当前的数控机床操作人才的培训模式提出了很高的要求，如何进一步强化数控机床操作人才培训的有效性和成材率，这将是本文要集中探讨的话题。
一、数控仿真软件概述
从技术层面来看，数控仿真软件集成了虚拟现实技术和计算机图形学技术，并且能够实现虚拟现实的数控机床操作试练。虚拟现实技术通过量化实际系统的系统参数、系统环境、声光电等现象，能够真实的还原系统操作环境，给与操作者以极高的真实体验；可以对设备进行操纵，可以查看生产过程、实验过程、施工图过程、供应过程等活动的各种技术参数的动态值，从而确认现实系统是否有能力完成预定的任务和如何去完成，也可从中发现运动过程的缺陷和问题，予以改进。
目前来看，数控仿真软件主要包括了两种，一种是模拟数控机床加工环境和加工过程的虚拟数控机床仿真软件，另一种就是以零件设计和加工程序为主线的CAD/CAM一体化软件。数控机床仿真软件能够让操作者快速熟悉数控机床的结构组成、工作流程和操作要领，通过外接数据库，能够对当前主要的数控机床进行针对性培训，效果十分突出；零件加工仿真软件则将重心主要集中在零部件设计、零部件加工工艺设置、数控加工程序编制等环节上，目前常见的零部件仿真软件主要有solid edge、Pro/engineer、MasterCAM、Solidworks、CAXA等，这些仿真软件能够让操作者快速熟悉机械加工过程，培养机械专业技能。
二、数控仿真系统在数控机床教学实践中的应用
在目前的数控机床操作人才培训中，主要也是针对上述两种仿真软件形式，进行针对性极强的教学实践培训，详细应用内容如下所述：
1）数控机床仿真软件在数控机床实践教学中的应用
数控机床仿真软件是基于虚拟现实系统平台而搭建起来的操作系统，它可以在虚拟现实数控机床数据库的支持下，完美的再现当前主要数控机床的结构组成和工作环境，在数控机床的教学实践过程中，首要科目是要熟悉数控机床的结构组成，受到经济条件的限制，多数数控机床加工学校很难对当前的各种类型的数控机床进行现场拆装，数控机床仿真软件中的模块分解过程能够实现全息装配过程，仿照真实数控机床零部件尺寸，进行的实际工业化装配流程的演练，能够进一步加深学生对于数控机床的进给系统、多轴联动系统、曲面加工系统的空间形象的理解；其次是典型加工工艺的教学实践，数控机床仿真软件能够对工件毛胚定位、工件装夹、夹具工作原理、压板安装流程、加工基准对刀原则、刀具安装和选用规范、机床手动操作和自动操作指令条码等，进行逐一的繁复讲解，而且允许学生在课后进行温习和尝试；再者是完善的图形数据和加工标准数据库资料，使得学生可以在仿真软件自带的典型数控机床编程程序的指导下，进行实际编程，并且在虚拟加工平台上，对自定义的工件进行工艺设定，并且检查加工工件的尺寸误差和质量达标情况；该仿真软件系统结合自动化考核系统，能够实现教学、实践和考核一体化的培训模式。
2）零部件加工仿真软件的教学实践应用
熟知零部件的造型原理和加工工艺流程是保证数控机床操作者能够进行复杂加工过程的技术基础，零部件加工仿真软件为学习者提供了一个高仿真度的零部件数模设计，包括了曲面造型设计和参数化设计这两种主要的形式，对于简单曲面造型和复杂曲面的造型原理都能有一个清晰的理解过程；其次是对零部件加工工艺的熟悉过程，工件加工的第一道工序是要进行基准对刀，不同的零件对刀的原则和位置选择都大相径庭，比如轴对称零部件、杆件、板件、螺旋件以及内内孔加工等等，这都需要学生们在平时的学习过程中熟练的分析不同类型零部件的加工工艺选择准则；再者是对数控加工刀具的走刀过程和走刀程序进行针对性的讲解，这种直观的培训模式有助于学生养成数控加工思维，结合实践性极强的零部件金工实习，使得学生们在自己动手加工典型零部件时，对于零部件造型保持的关键性因素、令不加加工失效的主要原因以及加工过程的重点注意事项都能有一个直观而且亲身经历的过程，经过这种培训模式所培养出来的数控机床操作人才将兼具专业知识背景和机床操作技能，能够适应快节奏、高技术含量的操作需求。
总结：
随着自动化技术和机械加工技术的不断发展，数控加工已经成为机械加工领域使用最为广泛的技术形式。数控机床的使用需要一定的专业知识背景和操作编程经验，相关操作技术人员已经成为当前机械加工市场的稀缺人才。本文概述了数控加工仿真系统在数控机床教学领域的应用现状，并就完善数控仿真软件的教学价值提供了新的思路。
参考文献
关键词： 电力仿真培训系统； 虚拟现实； AABB包围盒； 胶囊体碰撞检测； 实时交互
中图分类号： TN911?34； TP391.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）10?0156?03
传统电力仿真培训系统采用3D场景漫游和UI交互模式，解决了实际电力系统规模庞大、造价昂贵，及其运行的特殊性带来的电力培训困难[1]。但是，由于UI交互模式本身的局限性，传统电力仿真系统无法满足电力系统的操作性和实时性的培训需求。针对上述问题，本文拟采用碰撞交互技术，结合现场作业人员的操作技能、安全意识方面的培训要求，开发一套能够模拟电力现场场景和作业流程、具有3D交互功能的仿真培训系统，使学员在这个虚拟环境中，生动、形象、直观地操作虚拟的设备及观察由操作产生的结果。
1 碰撞检测技术设计
3D系统中角色与对象交互的真实性，只有建立在碰撞检测基础上，才能达到拟真度与沉浸感的要求[2]。物理模拟系统要求碰撞检测要有非常高的精确度，微小的扰动误差都会导致模拟结果与预想或现实相悖[3]。与物理模拟系统不同，虚拟仿真系统也要求碰撞检测具有较高的运算效率，但不要求结构十分精确，所以只要求碰撞检测算法快速判断物体是否发生碰撞[4]。从运算效率上考虑，对已分割好的场景空间先采用AABB包围盒检测技术[5?6]，然后应用本文提出的胶囊体碰撞检测技术进一步细化检测。
1.1 AABB包围盒检测技术
1.2 胶囊体碰撞检测技术
由于AABB紧密性差，进行碰撞检测会留下很大空隙，导致角色与对象的密切交互严重失真。为了提高仿真系统的拟真度，还须进一步进行胶囊体碰撞检测。
为了避免胶囊体与AABB包围盒判断重叠时发生重复计算，在检测碰撞胶囊体与AABB包围盒是否发生碰撞时，采用将整个胶囊体与AABB包围盒同时进行判断的方法。
1.2.1 胶囊体区域的定义
2 3D交互设计
除了碰撞检测，角色与对象还要通过3D交互技术才能完成实时仿真交互。
3 碰撞交互仿真结果分析
3.2 仿真结果
从运行效率上比较，传统UI交互只需点击主菜单即弹出UI界面，无需进行任何判断；而碰撞交互却要经过碰撞检测才能实现实时交互，运行效率相对较低，具体如表1所示。但是，只要帧率[>30 f/s]，即不影响动画的流畅性和逼真性，帧率高对系统显卡处理能力的要求也高，若超过显卡处理能力，反而会降低画面的流畅性。
表1 三种交互方式效率比较
4 结 语
本文重点讨论了胶囊体碰撞检测技术及其在实时交互中的应用，仿真结果表明：采用本文提出的碰撞交互技术能提高系统的交互性和可操作性，使用户更能切身体会电力作业流程中的各个细节，有利于培训对象快速掌握现场操作等作业流程的要领，以及领悟误操作导致的严重后果；同时也为其他行业研发相关仿真系统提供参考。
参考文献
[1] 李晓明.500 kV变电站仿真培训系统的应用研究[D].北京：华北电力大学，2008.
[2] 徐红燕.虚拟现实中碰撞检测技术的研究与应用[D].北京：北京邮电大学，2005.
[3] 邱隆.基于质点?弹簧的高精度布料模型的高效率模拟仿真关键技术研究[J].中国科技博览，2012（5）：89?91.
[4] 黄海芳，余宇华.3D游戏中碰撞检测的应用[J].中国西部科技，2008（5）：26?28.
[5] 沈学利，吴琼.基于包围盒和空间分割的混合碰撞检测算法[J].计算机工程，2012，38（6）：256?258.
[6] 王晓荣.基于AABB包围盒的碰撞检测算法的研究[D].武汉：华中师范大学，2007.
[7] Oracle Corp. Oracle database online documentation 10 g release 2 [EB/OL]. [2008?11?16]. http：//.
[8] CAMERON S. Enhancing GJK： computing minimum and penetration distance between convex polyhedra [C]// Proceedings of IEEE 1997 International Conference on Robotics and Automation. Albuquerque， NM：IEEE， 1997， 4： 3112?3117.
关键词：车辆工程；控制系统；仿真技术；教学改革
中图分类号：G642.4文献标志码：A文章编号：1002-2589（2015）23-0142-02
由于电子控制技术在车辆工程中的应用发展十分迅速[1]，车载控制系统已成为车辆工程学科里一个重要的研究方向。现代汽车的电控系统数量一般为几十个，而高档汽车已高达上百个，电控系统控制器的开发对控制系统理论在具体工程中的应用提出了很高的要求。在车辆工程专业教学中，“控制系统与仿真技术”课程作为本科生的培养内容极为必要[2]。通过本课程的学习，使学生掌握控制系统设计的基本思路和方法，培养学生成为具有分析问题和解决问题能力的创新性人才。本文以安徽工程大学车辆工程专业“控制系统与仿真技术”课程改革为例，介绍教学改革实践中的一些体会和有益经验，与同行分享。
一、课程分析
1.课程现状分析
“控制系统与仿真技术”作为车辆工程学科一门专业选修课，是学生走向科研院所或汽车企业应该掌握的一门课程，安排在第三学年的第二学期，总学时为32学时。本课程仅安排4个学时的实验，其中控制系统的MATLAB建模和SIMULINK仿真分别为2个学时。“控制系统与仿真技术”原属于自动化专业的一门专业基础课，教学以理论讲解为主，侧重于数理公式的推导。这种教学无法培养学生的动手能力，不利于学生理解控制系统的理论本质，对于MATLAB软件的一些函数和命令，学生只能依靠死记硬背，降低了学习的积极性，影响教学效果。
“理论力学”和“控制工程基础”等作为前续课程，学生在学习“控制系统与仿真技术”时已掌握了一定的理论知识，但这些知识点对学生来说是相互孤立的，缺乏对知识体系结构的系统性认识，对具体的理论应用不知所措。“控制系统与仿真技术”教学中对理论过多的讲解也会造成教授内容的重复，降低了讲课效率，不能充分发挥学生学习的主动性。教学方法采用单一的任务驱动教学法，在任务训练的后期，任务小组内部容易出现少数学生具有依赖思想，导致抄袭现象经常发生。具体任务主要为传统控制理论的数字仿真分析，对汽车各种电控系统的工程背景基本没有涉及，这不利于学生了解本领域的科技进展，任务训练难以实现应用MATLAB解决实际工程问题。
2.课程定位目标
安徽工程大学车辆工程专业为安徽省首批“卓越工程师教育培养计划”建设专业，“卓越工程师教育培养计划”旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才[3]。在“卓越工程师教育培养计划”引导下，车辆工程专业的培养目标定为：培养德智体全面发展、基础扎实、诚信实干、综合素质高、实践能力强、具有创新精神，从事车辆及其零部件设计、制造、实验研究以及车辆经营管理等领域的高级应用型专门人才。上述培养目标迫使我们必须改革传统的教学方法，积极探索富有活力、促进学生全面发展的新型课堂教学方法，激发学生的内在潜能，培养学生的创新能力和工程能力。
在广泛调研的基础上，制定了车辆工程专业的培养方案，对专业课程进行了调整，新开设了“控制系统与仿真技术”课程。由于车辆工程专业学科交叉明显，机械、电子、液压、控制等课程均有涉及，“控制系统与仿真设计”课程在整个培养体系中的定位如图1所示。由图1可知，在培养体系中，汽车的各种电子控制系统，如电控燃油喷射系统、稳定性控制系统、电控转向系统、车身控制系统、电控悬架系统、巡航控制系统、电控自动变速器和防抱死制动系统等为具体的工程应用。汽车系统动力学、汽车设计、汽车构造、汽车理论、汽车电子、传感器技术和控制工程基础等为基础理论课程。“控制系统与仿真技术”课程作为基础理论到工程应用的桥梁，在整个培养体系中具有重要意义。
二、课程教学改革措施
1.课程内容优化
根据“控制系统与仿真技术”课程的培养目标，对教学内容进行整合优化，将教学内容划分为理论教学与实践教学两部分。理论教学部分主要完成基本知识点的讲解，以汽车中涉及的动力学系统为分析对象，以汽车电子控制系统的设计方法为设计案例，突出课程特色。实践教学是课程学习的重要内容，在内容设置上力求做到理论联系实际，重视工程概念在实际问题中的应用，提高学生的工程意识和工程实践能力。
“控制系统与仿真技术”教材目前主要侧重于MATLAB介绍和控制理论的数字仿真等内容，系统地以车辆为研究对象讲解如何设计控制系统的教学案例非常少，适合于车辆工程专业学生及工程技术人员阅读的教材不多。在本次教学改革实践中，增加了汽车中相关控制系统的设计与应用，以车辆工程专业教师的科研成果为基础，编排了适合车辆工程专业学生阅读的教材，其中以汽车电控转向系统、电机调速控制以及自适应巡航控制系统为主要教学案例，在后续教学中继续增加相应的内容。在教材内容修订上，应尽量避免与其他相关课程知识点的重合。
设计工程项目时需遵循三个原则：融合相关教学内容涉及的知识点，并充分覆盖教学内容；紧跟汽车技术的发展方向，应具有较强的时效性；实施过程中所遇到的问题难度适中，易于激发学生学习的积极性。工程项目分解成实际案例需要与实践教学内容相结合，案例在功能上具有一定的完备性，且各案例之间保持一定的渐进性，逐步引导学生，避免产生抵触情绪。实际案例的筛选应以较为成熟的控制系统或具有代表性的控制方法为案例。实际案例讨论与分析完毕后，根据学生反馈的学习效果，指导学生将实际案例归纳综合成相应的具体任务，将具体任务进一步分解，让每个小组成员都承担一定的具体任务。2.教学方法设计
案例教学法是一种以案例为基础的教学方法，融合相关知识点于实际案例中。案例中设置的问题为一种两难问题，没有某一特定的解决方案[4]。教师在教学中作为设计者和激励者的角色，积极引导学生解决问题，培养学生主动分析和解决问题的能力。项目教学法是以项目为主线、学生为主体、教学为主导的教学方法。学生在教师的指导下负责信息的收集、方案的设计、项目的实施。项目需要小组成员的通力合作完成，这有利于增强学生的团队精神，提高学生的自主创新能力。而任务驱动教学法是以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学方法。学生结合自己的具体任务模块，构建知识体系，有利于激发学生的学习兴趣。
由上述三种教学方法的分析可知，三种方法在发挥学生主观能动性和培养学生创新能力等方面各有所侧重点[5]。在当前实践教学中，上述三种教学方法取得了良好的教学效果，但基本上以一种教学方法为主，过分依赖教学方法中所设计的单一项目、案例或任务，影响了教学效果。为此，建立了一种基于项目案例任务驱动的“控制系统与仿真技术”课程实践教学方法，其教学过程如图2所示。由图2可知，该教学方法结合“控制系统与仿真技术”课程，融合三种教学方法为一体，以工程项目为主导、实际案例为引导，用具体任务驱动学生构建车辆工程学科的知识体系结构。
三、课程教学改革实践
1.课程教学实施
“控制系统与仿真技术”课程具有明显的实践性和综合性的特点，特别注重应用能力的培养，因此课程安排理论教学20学时，实践教学12学时。整个课程安排在第8周至第15周，授课在每周的星期二和星期四进行，每次连续两个课时。实践教学安排3个工程项目，分别安排在第10周、12周和14周。理论教学安排在第8周、9周、11周、13周和15周，授课期间加入实际案例讨论，周四课后安排具体任务。
教师在工程项目的设计上，突出工程背景，结合自己的相关科研成果，加强实践环节的创新性和综合性。本课程的工程项目应用MATLAB软件开展训练，MATLAB是仿真软件中易学、功能强大的一款，成为“控制系统与仿真技术”课程项目训练的首选工具。为加深学生对控制系统、仿真技术的概念，本课程通过让学生参观相关的汽车电控系统，如电控转向系统平台、自适应巡航控制系统模拟器等。在教学手段上，合理使用多媒体课件讲课，为了加强学生对理论知识的理解，还可以穿插些图片、幻灯片等。在教学过程中，注重课外创新活动与课堂实践教学的结合，鼓励学生积极参加一些控制系统设计类的项目和竞赛[6]，如大学生创新创业计划项目和飞思卡尔智能汽车竞赛等。
2.课程教学效果
采用文献[7]中的教学效果综合评价模型对教改的教学效果进行实证研究。评价指标为个人兴趣K1、职业发展K2、能力培养K3、教学效率K4、学习方法K5、行业经验K6和适应能力K7。个人兴趣为教学方法对激发学生学习兴趣、求知欲，调动学生积极性的评价。职业发展为教学方法对增进学生团队合作与沟通，对学生职业发展的导向性及学生是否提出新观点的评价。能力培养为教学方法对培养学生分析问题、解决问题，以及创造能力的评价。教学效率为学生掌握相关专业知识和考核指标的科学性与合理性的评价。学习方法为学生在课堂上对“控制系统与仿真技术”课程学习方法的掌握程度的评价。行业经验为教学方法对学生获得实务与行业经验的评价。适应能力为教学方法培养学生满足社会人才需求适合程度的评价。教学效果综合评价模型中评价指标的权重表如表1所示。
传统教学和实施教改后的教学效果评价指标如图3所示。由图3可知，7个评价指标在实施教改后均有不同程度的提高，其中行业经验提高最快，增幅为21.7%。综合评价值由2.4662提高为2.8994，这说明教改的实施提高了学生学习的自觉性，提高了发现问题、分析问题、解决问题的能力，激发了创新意识，调动了学生获取知识的积极性和主动性，从而为学生撰写毕业论文以及毕业后走上工作岗位运用仿真技术打下了坚实的基础。
[关键词]仿真技术；通信工程；仿真软件工具
[中图分类号]G40―057
[文献标识码]A
[论文编号]1009―8097(2009)13―0309―03
一 仿真在现代通信技术中已成为重要的工程设计手段
随着通信技术和计算机技术的进步，通信系统仿真技术已经逐渐成为通信系统设计和验证的主要手段。近二十年以来，数字信号处理方法和软件无线电技术得到了广泛应用，传统的设计手段和设计方法已经不能适应急剧增加的通信系统复杂性的要求。今天，如果没有计算机仿真方法，系统设计和性能测试是不可能完成的。
传统的通信系统设计中，主要考虑的是对热噪声的性能指标问题。传输信道一般建模为加性高斯信道，性能指标的评估采用传统的解析计算方法就可胜任。然而，许多现代通信系统，尤其是工作环境十分复杂的无线电通信系统和抗干扰通信系统中，其工作频率在数千兆频带，电磁波传播特性也十分复杂，衰落和多径效应成为系统设计主要问题。相应接收机的复杂性大大提高：例如复杂的同步算法，信道估计和符号检测，RAKE体系结构以及非线性系统在现代无线电通信中被广泛采用。对此，传统的理论解析分析方法都不再总是有效的，对于现代通信系统而言，仿真方法是必需的设计和分析手段。
现代通信网络和网络协议的复杂也是必须采用仿真方法研究的原因。传统的排队理论和运筹学可以解决对简单通信信息流量模型的性能分析和计算问题，但是现代通信网络协议的复杂性已经远远超出了传统数学的分析能力。为了快速、便捷而且准确地对通信网络协议性能做出评估，采用基于事件的离散事件仿真方法几乎是唯一的选择。采用仿真方法可以避免理论性能分析的障碍，通过系统建模，参数选择和调整，能够迅速得出系统在模拟真实环境中的行为表现，从而对所应用的信号处理算法、通信协议做出评估和改进。
微处理器和数字信号处理芯片技术的进步在硬件上保证了现代通信系统的实现问题，在此背景下，算法和协议的软件实现越来越成为系统功能实现的主要手段。仿真中应用的算法和真实系统中的功能实现算法已经融合。同时现代微型计算机的处理能力大大超过了数年之前的大型计算机，已经基本能够满足通信仿真软件和仿真数值计算对计算机运算能力和存储空间的需要。现在，在整个通信业界，基于仿真技术的系统设计分析已经被广泛采用，成为研究新理论，开发新技术的主流方法。掌握仿真技术也是通信业界所必需的技能之一。
二 仿真技术是现代通信实验必不可少的环节
学习和研究现代通信技术是一个理论与实践相结合的过程。在通信工程实践环节中，仿真技术得到了广泛的应用。透过仿真技术，通信工程专业的学生可以学习和研究比传统通信理论所研究的对象更为复杂，更为接近真实工作环境的通信模型。而在传统理论框架中，系统模型必须加以简化才能得出解析结果。另外，利用仿真技术可以十分方便地修改系统参数，并且可以很快评估这些参数变化对系统整体性能的影响。随着交互式仿真环境的成熟，设计者利用简单的程序编写和系统方框图建模方法就可以模拟出复杂系统的工作行为，这样，通信工程师就能够将主要精力集中在通信系统的设计和本身改进的关注上，而不需将精力浪费在仿真程序，的编程技巧和调试上。
在复杂工作环境中，通信系统性能研究的基础是对传输信道的建模仿真问题。因此，信道仿真也就成为了系统评估中所必需的。同时，为了适应复杂的和时变的传输环境，现代通信系统的信号处理算法趋于复杂化。例如采用信道估计自适应算法，多天线技术，智能天线波束成形算法，CDMA蜂窝网络中的多用户检测算法，正交多载波调制算法，信道编解码算法等等。这些技术的实现必须依靠高速信号处理芯片和软件实现。对算法在实际通信环境中的适应性验证和评估就必须借助于仿真来完成。
现代通信系统中，通信协议设计和验证几乎都是基于仿真技术的。为了保证通信的实时性和利用效率，现代通信系统中提出了各种复杂的具有层次结构的通信协议，从而构成通信网络。排队理论和运筹学只能对通信协议做出简化的性能估算，与实际系统中的运行往往存在较大差别。由于实际系统行为的复杂性，解析分析几乎是不可能的，因此，对通信协议在实际网络环境中的评价就成为了网络协议仿真分析的主要任务。
现代通信系统的实现也是基于仿真技术的。通信功能的软件化实现、通信节点传输行为的智能化以及软件无线电技术本身是计算机技术和通信技术结合的结果。通信系统的电路级设计已经从基于纯硬件集成电路的模式转变为以可编程逻辑器件为编程对象的VHDL软件编程映射模式。VHDL程序设计和调试都是以仿真方法完成的。在系统级设计中，系统仿真和系统实现是统一的，仿真算法可以直接映射为DSP的实现代码。而在更高层的协议级设计中，通信网络协议仿真代码也就是协议实现的核心代码。软件无线电技术使得通信信号处理方法得到广泛应用，在基带信号处理中可以通过软件实现信号处理变换，得出射频波束成形，预编码，自适应均衡，自适应数字调制，解调，信道编解码，信源编解码，信息安全算法等等，而对这些算法的仿真算法和实现算法相同，代码可以直接应用于实际系统中。
现代通信系统的测试设备价格高昂，而且，实际工作中的通信系统往往具有不可测试特性。例如，对营运中的通信网络性能测试对于高校学生来说是几乎不可能的，也是营运通信网络所不允许的。但另一方面，对于通信系统和通信网络的研究是必须有实践对象的，在这种情况下，通信仿真和网络仿真是就必然成为唯一的选择。
总之，现代通信系统是一个复杂巨系统，对现代通信技术的学习和研究必须采用现代系统论的观点和方法。现代系统论指出，复杂巨系统往往是非线性系统，对系统的数学建模已属不易，对所建立的数学模型进行解析分析计算基本上是不可能的。对复杂巨系统的研究，关键在于把握系统在外界环境中的交互行为和系统状态的变化。对于计算机仿真来说，可以充分利用计算机的数值计算能力，在解析计算十分困难的情况下，采用相对简易的数值计算获得工程上可用的结果。工程设计的目的是得出符合实际的结果，在这个意义上来说，仿真方法是一条捷径。
三 仿真是培养学生的学习兴趣、创造性思维、建立理论与实践结合的桥梁
通信工程专业对学生的数学基础要求高，除了传统微积分知识之外，还要求具有积分变换，概率论和随机过程、信息论的基本知识，排队论和离散数学的基本知识等等。通信工程专业课程都是建立在这些数学基础之上的。对通信工程本科学生的学习调查结果显示，大多数学生是出于对就业前景憧憬和单纯向往选择了该专业的。他们对通信工程专业的
技术素质要求和未来从事的工作性质并不十分了解。于是，虽然学生有很高的学习热情，但又普遍存在着对数理基础知识的轻视和畏惧。抽象的理论和工程实际脱节是本专业面临的教学困境之一：一方面通信系统的复杂性使得实验室不可能拥有系统级实验环境，另一方面通信工程的实际工作环境正是对系统级的通信网络设备的设计、运营和维护。如果把通信工程比喻为有血有肉活生生的人，那么通信理论就好比是人的骨架。如此，学生对学习理论知识的畏惧心理就是可以理解的了。如何在通信理论这个骨架上附着血肉，将专业知识作为活生生的技术事物展现给学生，是专业课程教师必须思考的问题。学习兴趣是通过教学艺术培养出来的，教学艺术不是空洞的，而是具体的适应与专业特征的方法。学习心理学指出。对于学习成效而言，学生的学习兴趣比刻苦精神重要得多。
在多年探索中，我们发现，对于通信工程专业的教学实践，通信仿真方法较成功地成为了理论联系实践的桥梁。首先，仿真方法将纯粹的数学理论知识通过计算机转化为生动的数学实验，成为理论实验的有效工具。利用仿真方法，通过数值计算得出生动的曲线图表，学生可以从中理解数学理论的实际内涵，从而加深对理论知识的理解和掌握。重建学习的兴趣。其次，仿真建模分析可以通过相对简单的仿真过程去对比理论解析结果，将抽象的理论模型通过仿真实现为具体的可以进行行为调试的软通信机。通过仿真建模过程，学生既对理论分析有了深入的认识，同时也清楚了实际通信系统的工作原理和系统参数对通信机性能指标的影响。例如，对调制解调的波形及其频域分析使得学生能够直观地感受到调制解调的作用，噪声对传输的影响以及傅里叶分析的应用：对纠错编解码的仿真可以直接测试出编码的抗干扰能力；而对信道和通信收发信机的仿真可以得出信号噪声功率比对系统传输差错率的曲线关系，并可比较各种调制制式的性能。这样，通过仿真实验将通信理论的核心问题实例化，从而深刻理解理论本身的实质和意义。通过系统仿真，学生可以从理论到数学建模，再到计算机建模和仿真，在得出结果的过程中，从建模过程和实验结果中体会通信系统的实质。经过这样的过程，学生就不再视通信系统是抽象的死的东西。
大学教育不仅仅是对专业知识的灌输，专业教育应更加重视创造力的培养。没有适当的实践手段和方法，是很难有效地培养创造性，利用仿真手段，学生可以将其头脑中利用专业基础知识和创造灵感得到的系统模型在计算机中加以实现，创造性地构建通信系统，验证其思想，不断总结工程经验，验证系统行为的过程，如此反复，会使得学习的主动性大大提高。创造能力也就在这一生动的实践活动中逐步培养得以形成。
通信仿真实验是对传统硬件软件实验的综合和升华。对于通信工程的学生，具备基本的电子技术知识是十分重要的，尤其是电子技术的实践经验对于专业学习和未来的工作能力起着关键作用。电路模块是通信系统的构成元素，线性系统是电路的功能模型，而信号处理则是线性系统理论的应用提升。通信工程专业是一门系统级的工程学科，通信系统就是通过通信协议联系起来的以信号处理为功能实体的复杂系统。从层次上，只有对传统的硬件和软件具有实践经验的人才能够真正理解通信系统，也才能在系统仿真中把握物理实质。通信仿真实验通常是系统级的，即把通信系统模块视为功能模块。以协议联系这些模块，仿真就是考察系统行为的过程。
四 现代通信仿真技术的层次和软件需求
根据仿真对象的不同，相应的仿真手段、方法和适用的软件也有所不同。随着仿真技术在通信领域的推广，在通信技术的各层次都产生了相应的仿真工具。通信技术从底至上，大体可以划分为：电路系统、功能模块、通信系统方框图以及通信网络等几个层次。
在电路系统层次，工程目标是设计满足要求的电路系统，对于模拟电路，如设计放大器、频率综合器、锁相环、变频、调制解调器等等。对于数字电路，如各种时序逻辑电路、伪随机码发生器、编解码器等等。在电路系统层次的设计关键是电路拓扑设计和电参数选择。仿真语言Pspice可以胜任模拟电路领域的设计和仿真问题，集成了Pspice语言的可视化仿真软件众多，常用的有EWB、ORCAD、Protel DXP以及最新的Altium(Protel)EDA设计软件。其中EWB简单易用，目前已经广泛用于模拟电路课程教学和实验中，0RCAD和Protel DXP是电路设计的专业软件，从电路原理图设计、原理图级仿真到印制板图生成和印制板级仿真都可完成，Altium(Protel)EDA设计软件则逐渐成为了现代电子系统设计中从芯片开发、板级设计、电磁兼容到机电一体化设计整个环节的统一仿真设计平台。数字电路的设计现在已经转入了大规模可编程逻辑器件时代，主要以VHDL语言作为软件设计语言，不同厂商为其产品提供了相应的设计和仿真平台，如Max-Plus Ⅱ等等。对于数字信号处理芯片(DSP)的设计，也有厂商提供的编程仿真环境可用，如T1的DSP编程仿真平台CCS，可完成编程、软件仿真和目标板硬件仿真直到代码下载全过程。功能模块层次的仿真任务是解决通信功能模块的输入输出参数指标设计问题，也包括模块内部的结构和算法问题。如电磁传播环境仿真、信道均衡，波形估计和信号参数估计，智能天线、编码调制等等。在通信系统方框图层次的任务是根据设计目标构建通信系统，包括发信机、信道以及收信机。仿真目标是研究整个通信系统在使用信道环境下的适应性，如传输差错率性能，抗干扰性能等等。
适用于功能模块层次和通信系统方框图层次的仿真软件众多，有Matlab／Simulink，Scilab和SystemView等等。其中，SystemView是通信系统专用的系统级仿真软件，软件模块库提供了全面的通信系统模块，完成可视化模块建模后立即可得出仿真结果。Matlab／Simulink则是较为通用的系统仿真和科学计算平台，几乎所有理工学科的仿真实验和数值计算均可在该平台上完成。Matlab通过编程可完成算法仿真，Simulink是Matlab的扩展，是可视化方框图建模仿真工具。Matlab提供了C／C++编译和C／C++语言的接口，其信号处理工具箱还提供了DSP代码翻译接口，将仿真和算法实现统一起来。Scilab是法国国立信息与自动化研究院INRIA开发的一个开放源码的免费科学计算仿真软件，与Matlab相兼容。
在通信网络层次的仿真问题以通信网络协议仿真为主，主要以网络信息流量和阻塞率指标为参数。广为采用的仿真平台有OPNET和NS，OPNET是商用专业网络仿真软件，工作于Windows平台，在C++编译器的支持下，可进行从广域到局域，有线到无线的全网络仿真。NS是Linux下的开源软件，也是广为应用的网络仿真平台。
五 实践效果评价和建议
