关于计算机虚拟现实技术在概念设计中的实现_工业设计论文五篇

2022-01-18

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第一篇关于计算机虚拟现实技术在概念设计中的实现_工业设计论文

论文关键词：虚拟现实虚拟现实技术概念设计产品开发

论文摘要：文章在介绍虚拟现实技术等相关概念的基础上，探讨虚拟技术的在产品概念设计中的应用，这项技术的使用让设计思路和设计表达更上一个全新的台阶，在产品的开发过程中，保证产品开发的一次性成功。

目前国际上流行的一种“故事版情景预言法”的概念设计，就是将要开发的产品置于一定的人、时、地、事和物中进行观察、预测、想象和情景，其形式是以故事版的平面设计表达展示给人们。于是，产品在设计的开始便多了一份生命和灵气。然而，设计表达在信息时代已是多元化的展示形式，虚拟现实技术的应用，使设计思路和设计表达如虎添翼。让人多了一种直观的、亲切的及交互的感受，这样开发设计的产品与传统相比，大大减少了投放市场的风险性，也为企业决策人寻找商机、判断概念产品能否进一步开发生产，提供更好的依据。

一、虚拟现实与虚拟现实技术

（一）虚拟现实（virtual reality，vr）及虚拟设计（virtual design，vd）

虚拟现实（virtual reality，vr）是利用计算机省城一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接进自然交互的技术。这里所谓模拟环境就是计算机生成的具有色彩的立体图形，它可以是某特定现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的世界。wwW.0519news.cOm传感设备包括立体头盔、数据手套、数据衣服等穿戴于用户身上的装置和设置现实环境中的传感装置。自然交互是指用日常使用的方式对环境内的武体进行操作并得到实时立体反馈。虚拟现实是一种全新的人机交互系统，它能对介入者产生各种感官，如听觉、视觉、嗅觉、触觉，给人身临其境的感觉，人能以自然的方式与计算机生成的环境进行交互操作。

虚拟设计是以“虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的设计手段”，借助这样的设计手段，设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量综合集成环境得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。

（二）虚拟现实技术

虚拟现实技术是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然的交互，从而体验比现实世界更加丰富的感受。

二、概念设计的定义及内涵

pahl和beitz在《engineering design》一书中提出“概念设计”这一名词以来，人们对概念设计进行了十几年的研究。他们将其定义为：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理极其组合等，确定出基本求解途径，得到求解方案，这部分设计工作叫做概念设计。

国内的学者也对概念设计进行了大量的研究，其中邓家褆在《产品概念设计》一书中将“产品概念设计”定义为“由用户需求到生成概念产品的一系列有序的，可组织的，有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。”

在几十年的时间里，人们对概念设计的研究日益增加、不断深入，使概念设计的内涵更加广泛和深刻。主要体现在:根据产品生命周期各个阶段的要求进行市场需求、功能、功能的工作原理、动作行为的构思、行为载体的选择和方案的组成的等。可见，确定方案是概念设计的最终结果，产品生命周期全过程的满足才是概念设计的关键。设计方法上更加全面融合各种方法，寻求综合最优方案，同时使设计更具创造性。

概念设计是对产品或部件的构思，目的是捕捉产品的基本形状。这个阶段，产品的形状和精确尺寸尚未确定，设计人员有一定变更自由，所以尽可能考察设计方案，以便选出生产成本最低、创意良好的方案。利用传统的计算机辅助设计，往往多是二维交互工具，缺乏三维或者多维的功能，但是产品却是三维的部件，这样必然导致人机交互效率低。现行的计算机辅助设计系统要求定义零件的尺寸，而在产品的概念设计阶段这样的尺寸可能无法精确得到或者根本没必要精确定义，这样必然影响设计效率和周期。传统的计算机辅助设计需要两类人员配合，即产品的设计人员和电脑绘图员，产品设计人员有关产品的概念信息通过草图或者口述的方法传达给电脑人员，这样导致信息的丢失或者绘图者的曲解，而如果设计者本人直接参与电脑辅助设计建模的话，由于现行的电脑辅助设计系统的操作复杂和交互能力若，大大分散了设计者的精力，限制了思路。为了克服这样的限制，充分发挥设计人员的创造性，人们开始把虚拟现实技术引入计算机辅助设计系统进行概念设计，将虚拟现实技术和概念设计有效结合，利用丰富直观的交互手段，在虚拟环境中进行概念设计，从而节省产品精确描绘和尺寸定义的时间，这就是基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计，即虚拟概念设计。

三、虚拟概念设计的研究方向和应用前景

（一）概念设计中应注意的两个问题

1. 虚拟现实环境下的概念可视化。概念可视化是指设计师透过画面或者模型，将市场的需求转换成可视化的具体形态。概念设计是否能符合目标用户的要求，“眼见为实”的图面或者模型是最具有说服力的。

2. 虚拟现实环境下的人机交互界面。想实现人机互动，必须解决一系列技术问题，形成和谐的人机环境。虚拟现实就是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用计算机技术为核心的现代高科技省城逼真的视听触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、互相影响，从而产生“沉浸”于等同真环境的感受和体验。

（二）虚拟现实技术在概念设计中的前景

在虚拟现实环境下，进行产品的概念设计是虚拟现实技术的基本内容。在电脑虚拟现实提供的良好的可视化条件下，对电脑辅助设计建立的三维模型在几何、功能、加工与装配等方面进行交互性的修改，利用虚拟现实给用户提供诸如视听触觉等各种感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。相关人员可以对原型的各方面包括视觉效果、部件间比率进行评价。针对不同用户的爱好要求，在不同的虚拟环境中，亲自体验修改模型；选择产品的可选部件，观察设计和修改过程。

概念设计是设计过程的初步阶段，它的目的是获得做够多的有关产品式样和形状的信息，同时它又是设计过程中的重要阶段，因为产品成本的60%～70%是由这个阶段决定的。面对日益加剧的产品市场竞争的挑战，可以预见，基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计必有长足发展，最终将与现有计算机辅助设计系统实现无缝集成。激烈的全球市场竞争，各国投入大量的资金对虚拟现实技术及其在工业设计领域中的应用进行深入研究。将研究的成果及时转化为生产力，这是产品迅速占领市场的关键。

参考文献

[1]周洪玉，王慧君，周岩．虚拟现实及应用的研究[j]．哈尔滨理工大学学报，20xx，(5)．

[2]薄瑞峰，李戈．虚拟现实技术在计算机辅助概念设计中的应用[j]．华北工学院学报，20xx，(10)．

[3]梁艳霞．基于虚拟现实技术的概念设计[j]．机械工程师，20xx，(4)．

[4]费丽兰，张家泰．概念设计及机械产品计算机辅助概念设计过程[j]．应用科技，20xx．

第二篇浅析计算机技术在机械工程中的重要性_机械工程论文

一、、机械工程计算中cad技术的应用cad，即计算机辅助设计系统是指在计算机硬件和软件的支撑下，通过对机上文库械工程产品进行描述、造型、系统、优化、仿真和图形化处理的研究与应用，使计算机辅助工程技术人员完成产品全部设计过程的一种现代设计技术。cad中设计者与计算机密切合作，在决定设计策略、信息处理、修改设计以及计算方面充分发挥着各自不同的专长。利用计算机存储信息、检索、计算、图形与文字处理以及其他重复的验算工作。当前cad系统的硬件环境主要是工程工作站及个人计算机。工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理及灵活的窗口与网络管理功能的交互式计算机系统，它一般具有32位或64位字长的处理器(cpu)，广泛采用精简指令(risc)，超标量、超流水线及超长指令技术，具有unix操作系统和x窗口管理系统，在一个分布式的网络环境下运行。在机械工程计算中利用cad技术进行二维绘图、图形及符号库、参数化设计、三维造型等，通过cad进行二维绘图以及三维造型，在许多具有实体建模功能的cad软件中，都有一些基本体系，例如在cad的三维实体造型模块中，系统提供了六种基本体系，然后再经过结构，分解成若干个基本体并最终进行三维实体造型。二、机械工程计算中cae技术的应用cae，即计算机辅助工程作为一种综合应用计算力学、计算数学、信息科学等相关的综合工程技术机械工程计算中cae技术的应用是指使用有限元软件对机械结构进行，强度应力、刚度应变和变形、动态特性固有频率、振动模态、热态特性温度场、热变形。wWW.0519news.COm在cae的一般流程及其技术应用特带你的基础上，研究几何模型的建立、有限元模型的建立包括网络划分、整机系统的分解与合成、边界及载荷处理等、求解、结果数据等系统cae的应用技术。计算机辅助工程的特点是以机械工程和科学问题为背景，建立甲酸模型并进行计算机仿真。一方面，在机械工程计算中cae技术的应用，使以往许多由于受条件限制无法的复杂问题，通过计算机模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助使大量的复杂的机械工程计算简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，是工程更快、更准确。在产品的设计、、新产品的开发等方面发挥了重要的作用，同时cae这一新兴的数值模拟技术在机械工程计算中的应用越来越广泛，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。在机械产品开发中由概念设计、初步设计、详细设计到试验，再修正设计，再试验，知道满足产品要求，cae仿真技术的引入，最大限度的较少或者缩短了材料的浪费以及耗时环节。一个多参数的工艺或者制造过程的仿真模拟、力能计算和参数优化中，也可以得到对象局部、相互关系和全域的结果。三、机械工程计算中计算机仿真技术的应用计算机仿真技术又称虚拟样机技术，设计人员在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验的一种新型技术。在机械工程计算中通过建立真实系统的计算机模型，实际系统的行为特征。计算机仿真技术的关键因素在于建立真实的系统计算机模型，包括数学模型和仿真模型，而且具有经济、可靠、使用、安全、灵活以及可重复使用等优点，目前在机械工程计算中已经成为许多复杂系统进行、设计、实验等的必不可少的手段。计算机仿真技术以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或者设想的系统进行试验仿真研究。计算机仿真技术实现必须具备cad图形学、几何造型技术、工程数据处理技术以及计算力学等知识。在机械工程设计的初始阶段，工程师需要利用设计自动化工具进行不同的初始设计，并在计算机上表示出模型样机，这样可以方便监测、研究与改进。四、机械工程计算中cam技术的应用cam，即计算机辅助工程是指一系列对机械工程产品设计进行各种模拟、仿真、和优化技术，是一种利用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的计算以及结构性能的优化设计等问题的近似数值方法。cae技术主要包括有限元、运动学和动力学、流体力学以及优化设计等内容。利用计算机辅助编制cnc机床的零件加工程序。cam技术在机械工程中的主要作用是数控加工，它与cad技术相互作用，是密不可分的一个整体，许多cad系统都有辅助的cam数控加工模块，用cad生成的图形信息或者数据，然后通过转换变成控制指令，然后设置加工参数等，由此可见cad/cam技术是现代机械工程发展的必然趋势。结语：伴随着我国科学技术现代化水平的不断提高，计算机技术在机械工程计算当中应用也越来越普及，利用计算机技术建立机械工程的动力学模型，然后进行计算机仿真技术，获得产品结构的强度应力、刚度应变和变形、动态特性固有频率、振动模态、热态特性温度场、热变形等参数，根据计算得到容易导致机械出现疲劳失效的风险以及其它潜在问题。

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第三篇计算机数控机床改造应用研究_机械工程论文

摘要：将普通机床改造成为数控机床，是企业提高自身自动化程度的一种重要手段。就如何实现改造进行并提供方法和思路，本文主要阐述数控化改造的研究内容和关键技术和方法。

关键词：计算机；机床；数控化；改造；方案

数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(computer numerical control)，简称cnc。计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。

1 数控机床概述

数控机床就是将加工过程中的各种操作（如主轴变速、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码或程序来表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁带、磁盘等）将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。

2 机床的数控化改造方案

2.1进行改造项目的可行性评估

2.1.1 对其价值做出评估。例如一台加工中心，主要构成的机电部件有：①系统及操作子系统；②伺服系统包括电动机；③机床电气；④机械本体床身、立柱、导轨和丝杠等；⑤刀库机械手系统；⑥自动工作台交换系统等。WwW.0519news.com每一个子系统根据实际情况，都可以做出相应的价值评估。

2.1.2 评估改造后能达到的目标，即有什么样的机床准确度和使用性能。

2.1.3 进行成本的估算，即投入资金的评估。投入资金多少与制订改造目标高低密切相关。投人的改造费用主要由下列项目构成：①数控系统及相关伺服系统；②机床电气及附件更换；③机床机械元部件准确度修复和维修保养；④机床辅助系统如液压系统、冷却系统等维修保养；⑤机床外观质量的修复；⑥机床改造后的调试检测；⑦机床改造所需的技术劳务费。在受改造费用限制时，可以修改改造目标，降低一些要求以减少投入费用。

2.1.4 对改造方案进行风险评估。在做改造方案时，不可能对设备进行现状大解剖，不可能拿到机床现状准确测试数据，因此在以后实施改造工作中还会碰到意料之外的问题。因此必须做出风险评估和制订相应对策。一般做法是在工程项目费中，设置不可预见费用。

2.1.5 性能价格比评估。为了在经济上有定量的依据，常选一台现在市场上性能相似的商品价格作为标准进行比较。

2.2 数控系统的选择

数控系统是机床的核心，在选择时要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑。数控系统主要有3种类型：步进电机拖动的开环系统；异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统；交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。其中步进电机拖动的开环系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。该系统的位移准确度主要决定于步进电机的角位移准确度，齿轮丝杠等传动元件的节距准确度，所以系统的位移准确度较低。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。

2.3 伺服系统的选择

伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统cnc系统与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪度、定位度等重要指标均取决于伺服系统的动态。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。在普通机床的数控化改造中，一般选用价格较低的开环控制系统。

2.4 机床机械部件的改造

一台新的数控机床，在设计上要达到很高的动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到此要求，并注意下述几方面。

2.4.1 导轨副。对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向度和工艺外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。

2.4.2 齿轮副。一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮准确度等级都比普通机床高。

2.4.3 滑动丝杠与滚珠丝杠。丝杠传动直接关系到传动链准确度。丝杠的选用主要取决于加工件的准确度要求和拖动扭矩要求。

2.4.4 联轴器。为了消除传动系统中的反向间隙,提高重复定位度，伺服驱动元件所用的联轴器多数采用无键连接，如锥销刚性联轴器,锥环联轴器等。

2.4.5 回转刀架。一般改装的车床多数采用四工位自动回转刀架。

2.4.6 安全防护。改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。

3 数控系统开发方法

3.1 基于单片机的数控系统

基于单片机的经济型数控系统一般采用步进电机作为驱动元件，步进电机采用脉冲方式工作，基本原理是：系统中的键盘用于向计算机输入和编辑零件加工程序；采用数码管显示加工数据及机床状态等信息；存储器用来存放监控程序、键盘扫描程序、显示驱动程序及用户控制代码程序等；功率放大器用来对计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电机带动负载运行。需要完成的具体任务有：

3.1.1 硬件系统的结构设计。一般采用51系统单片机作为主控制器，在此基础上扩展一些必要的器件如rom、键盘等。

3.1.2 软件设计。包括：监控与操作软件,用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等，包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的编辑修改等；步进电机控制软件，包括：通电状态代码和电动机正、反转的实现；步进电机转速的控制。

3.2 基于arm与运动控制器的数控系统

3.2.1 系统硬件结构。系统硬件采用主从式双cpu结构模式。主cpu为arm处理器，用于键盘、显示，网络通讯等管理工作,而从cpu即为运动控制芯片，专门负责运动控制的处理工作。arm处理器通过总线操作，把命令写入运动控制芯片，使运动控制芯片来完成运动控制。

3.2.2 操作系统及编程语言。为了最大地利用系统硬件资源，并且还要保证实时性，所以使用了μc/os多任务实时操作系统。使用到μc/os操作系统,通过它实现多任务实时控制。程序的编程语言为c语言以及arm汇编语言。

3.3 基于pc机的数控系统

近年来，以工业pc机为核心的控制系统已广泛地被工业控制领域所接受。采用工业pc机在win-dows操作系统下通用的数控系统，已成为数控系统发展的潮流。基于工业pc机的数控系统采用的是标准的pc硬件和操作系统，因此易于进行模块化和开放式的设计。开放式数控系统是目前新型数控系统研发的主流。系统采用工业pc机+运动控制器结构组成,主要包括工业计算机、运动控制卡以及伺服系统等。

4 结论

进行机床数控化改造要将改造的重点放在电气、控制系统的改造上，机械部分只对影响准确度的重点部件进行改造。这样可缩短改造周期，降低改造成本，并利于对系统进行再次升级。随着社会的不断发展以及技术的不断进步，数控技术的发展，必将带动数控机床改造技术的进步与发展。

参考文献

[1]赵中敏.机床数控化改造的研究［j］.煤矿机电，20xx.

[2]杨有君.数控技术［m］.：机械工业出版社，20xx.

[3]富大伟,刘瑞素.数控系统［m］.：化学工业出版社,20xx.

[4]刘丽云，王元娥.普通机床数控化改造中要考虑的主要问题［j］.装备制造技术，20xx.

第四篇轨道交通安全计算机的研究与设计_交通运输论文

摘要：轨道交通系统的安全性直接影响到列车能否安全可靠并且高效地运行，为保证系统的安全性，必须对设备的安全计算机进行专门的选型与设计。对轨道交通系统中基于powerquicc处理器的设备安全计算机进行深入研究，在此基础上，在软硬件方面，设计与实现基于powerquiccii的多模安全计算机原理样机，并进行功能性测试，为进一步开展设备安全计算机的研究奠定基础。

关键词：安全计算机；powerpc；铁路；轨道交通

在目前的工业控制计算机系统中，大多数都具备较高的可靠性。但是，由于通用电子元器件本身不具备故障状态的不对称性，则由其构成的电子计算机也不具有故障状态的不对称性，即不具备故障—安全特性。因此对于轨道交通运行控制领域，一旦计算机系统不能正常工作，有可能向被控设备输出危险的控制，从而造成重大的人员伤亡和财产损失。轨道交通设备要求的是一种高可靠性、高安全性的故障—安全计算机控制系统。

1 安全计算机的体系结构

常见的安全计算机系统结构冗余方式，如双机热备、三取二表决、二取二表决、二取二乘二等，它们的安全性和可靠性指标已有很多文献从理论上进行了论证，并且已经应用在多种轨道交通设备上，如车站计算机联锁系统和列车自动运行系统等。目前，采用双机热备形式的安全计算机应用比较广泛，在双机热备的技术基础上可以构建二取二乘二的结构，而两者相比，后者明显具有更高的安全性和可靠性。Www.0519news.cOm

如图 1 所示，二取二乘二系统分为相互的a 、b 两个运算系，每系内均有两个关系对等的主处理单元，每个主处理单元均能同时接收接口层的输入信息。在信息处理与计算过程中，同一运算系内的两个主处理单元通过诊断机制进行同步校验，所有信息校验无误后软件方可输出动态码型的控制给本系内的二取二表决模块，表决一致才能够输出有效的控制。两个运算系分别地完成相同的任务，而由专门的主备切换单元判断两系的运行状态是否正常，执行主备切换操作，并将主运算系的控制输出给被控设备。

2 安全计算机设计

在这样的多重冗余结构中，各单元间的通信接口需求较为复杂，通信任务较为繁重。同时，安全计算机软件除了要完成正常功能任务，还要进行容错与避错处理。因此，选用powerpc 处理器为核心，设计主处理单元以实现上述结构。

powerpc 是ibm、freescale（原motorola半导体部）联合研制的一种高性能超标量精简指令集微处理器（risc）体系结构。freescale的power　quicc处理器集成powerpc 内核和称之为通信处理器模块（cpm）的多协议加速引擎，提供了更高的性能和集成度。power　quicc处理器目前在中高端通信市场占据着领导地位，它具有集成度高、运算速度快、功耗较低、抗干扰能力强、性能稳定可靠、通信与网络协议处理能力强大以及产品线完整等优点，适合应用于复杂系统的安全计算机。

power　quicc　ii（pqii）是该系列的第2代产品，由pqii 设计的单个主处理单元系统如图2 所示。.

其中，pqii的高速64　bit外部总线60x　bus上连接了大容量的 s d r a m 内存和 f l a s h ，并且利用cpld 扩展出了 can 总线接口逻辑和安全i/o 总线接口逻辑。必要时，60x 总线还能够连接其他pqii 处理器以扩展利用更多的通信接口。此外，我们还利用pqii 内部的pci 桥预留了外部 pci 总线接口，以用于未来的功能扩展。在 c p m 上连接了异步串行rs-232接口、rs-422接口、10/100　m以太网以及cpu调试控制端口（console）。为了进一步提高系统的可靠性和安全性，主要的外部数据通信接口，包括can 总线、rs-232 总线、rs-422 总线以及10/100m 以太网均为双套冗余设计。同时，系统还提供了看门狗定时器（w d t ）、工作电压监测复位和实时时钟（rtc）等功能。

由多个主处理单元组成的双系安全计算机结构如图 3 所示。

图3 中，安全计算机位于设备的安全处理与运算层，它除了双重冗余的10/100　m　baset以太网用于同上位机进行通信外，系统中每个主处理单元均各自设计了2路rs-232 接口、2路rs-422接口、2 路can2.0 接口，它们预留作为与其他轨道交通系统的通信接口。

同一系内主处理单元之间的数据同步与校验主要利用它们之间的双口 ram 来进行。使用 pqii 处理器60x 总线上的总线控制进行握手，能够及时响应对双口ram 的操作，提高数据交换速度，并且避免两个主处理单元同时存取双口 r a m 时所造成的冲突。同时，同系主处理单元之间、a-b 两系之间还应利用双重以太网进行数据复核。

安全i/o 模块专门用于控制和采集轨道交通设备的开关量，它具有动态信息码处理能力，电路设计符合故障—安全特性。它的输入和输出通过表决后即可控制设备接口层的现场设备。pqii处理器通过由60x总线扩展的专用安全i/o总线来控制安全 i/o 模块，这种总线对所输出的数据和地址具有回读校验能力。

3 安全计算机软件机制的设计

轨道交通运行控制系统大多是实时、多任务和安全苛求的计算机控制系统，美国wind　river 公司的vxworks 是微内核结构的多任务嵌入式实时操作系统（r t o s ），非常符合这种控制系统的要求。vxworks 采用了中断驱动和基于优先级的抢占式任务调度方式，拥有丰富的任务间通信与同步机制，例如共享内存、互斥、量、消息队列、和管道等，它还提供了先进的内存保护机制和容错管理框架。vxworks 的可靠性和实时性在许多领域都得到了验证，是目前优秀的多任务嵌入式实时操作系统之一。

vxworks 的多任务机制非常灵活，例如使用taskspawn（）函数即可发起一个新的任务。vxworks拥有256 个任务优先级别，任务优先级的确定要综合考虑任务的重要程度、运行时间以及触发频率等因素。对于安全计算机软件来说，我们按照欧洲铁路标准en　61508《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》的思路对其任务处理优先级规划如下：安全苛求功能（safety　critical　function）运算处理应具有较高优先级，例如计算机联锁中的进路处理任务或道岔单操控制任务或列车自动防护中的制动速度曲线计算任务等；安全相关功能（safety-related　function）运算处理具有次高优先级，例如输入信息采集任务或主处理单元间通信校验任务等；非安全相关功能任务具有较低的优先级；而硬件中断级任务，如通信中断等应享有最高优先级，以保证其高度实时性。

4 结束语

轨道交通系统的核心是安全计算机，对它的研究具有重要的理论和实践意义。本文介绍了安全计算机的研究现状与构成方法，设计了基于power-p c 的二取二乘二结构安全计算机，实现了主处理单元的vxworks 底层驱动程序、bsp 以及演示级应用测试程序，并且进行了长时间的多任务负荷老化实验，运行稳定可靠。下一步研究工作一方面是重点把powerpc 主处理单元和输入 / 输出安全电路进一步按照模块化要求进行改进，以适应不同冗余结构系统的设计需要；另一方面是利用现有平台基础，实现一种具有安全苛求功能需求的设备，开发相关安全软件，建立仿真实验平台，以进一步验证和改进本文提出的安全计算机软硬件实现机制。

参考文献：

[1]徐洪泽，岳强.　车站计算机联锁控制系统原理与应用[m].　：中国铁道出版社，20xx.

[2]李海泉，李刚.　系统可靠性与设计[m].　：科学出版社，20xx.

[3]周启平，张杨.　vxworks 下设备驱动程序及 bsp 开发指南[m].　：中国电力出版社，20xx.

[4]马连川，高倍力.　一种高安全、容错控制计算机的设计与实现[j].　中国安全科学学报，20xx（8）：101-105.

第五篇基于计算机模拟的交通灯时间控制问题_交通运输论文

摘要：文章主要讨论城市交通灯的开启时间间隔的问题，在一些假设的基础之上，把城市交通灯周期时间控制问题进行简化，目的是使得路口的日平均车流量最大。根据实际情况，给出车辆行驶的一套规则，利用计算机仿真技术进行模拟，得到最优交通灯的间隔时间。

关键词：交通灯；车流量；计算机模拟

abstract: this article focused on the time contorl of the city traffic lights. under a number of assumptions, the city traffic lights control problem can be converted into a simple model to maxi mize the crossing daily average traffic flow. according to the actual situation, given a set of rules, using computer simulation technology to get the optimal time control of the traffic lights.

key words: traffic light; vehicle flow; simulation

0引言

在现代社会中，交通问题已成为影响和制约国民经济发展的重大因素，而城市交叉口是城市道路网络的关节点，对其进行深入的研究是解决城市交通问题的关键所在。Www.0519news.CoM本文通过建立交通系统运行情况的数学模型，在一定的假设情况下，制定一些符合实际和遵循假设的规则，以模拟道路网络的车辆运行情况的方法，对其进行研究，也就是交通仿真模拟。交通仿真技术是利用现代系统工程和计算机仿真技术成果发展起来的新的交通研究方法，它对于描述多变的、复杂的随机性过程非常有效。通过运用这种仿真技术，在计算机的环境下得以实现，可以更有效地掌握道路交叉口的各种复杂情况，对交通灯的开启时间进行研究，设计出城市交通灯各灯的开启时间，使得车流量最大，这对于城市交通问题的解决，是有着积极推动作用的，即在有限的道路资源条件下，尽可能大的提高交通运输能力。

综上所述，本文所讨论的问题即为设计各路口各方向的交通灯的红、绿灯亮的时间，使得日平均车流量最大。

1基本假设

针对以上提出的问题，作出如下的基本假设：设某城市的道路宽度b都相等，道路上双向行驶车辆，不考虑中途停车，且各方向的车流密度相同，道路网由无数条无限长且互相垂直的等宽（宽为b）的路组成，每个四条道路围成的街区呈正方形，边长为l，所有的车都直线行驶（不转弯、不超车），车长都为s，最大车速为v，行驶时安全车距（车头到前方车尾之距离）为d，停车时安全车距为d，车辆在停车线上从静止到穿过路口车头到达另一停车线（距离为b）所花时间为t=秒。

2问题的简化及其推导

假设1各个路口各个交通灯的周期t是一样的。

这里所说的周期t是指交通灯一次红灯时间t和一次绿灯时间t之和，即t=t+t，并且同时要求各个交通灯的t与t也是一样的。

假设2每条道路具有“状态对称性”。

由于是无限的道路网络，根据基本假设，每条道路的车流密度相同，而且这个网络具有几何对称性，再有周期t相同，可以推出整个道路网络的路况参数（包括车辆数、车距、车流量等）是相同的，也就是说，不存在任何一条有特殊状态的道路，所以说它具有“状态对称性”，即假设是合理的。

结论1设t为一次红灯时间，t为一次绿灯时间，则t=t+2t，其中t=。

证明：当某个路口的其中一个灯（不妨设为横向交通灯）由绿灯变为红灯时，仍然有一辆车正从停车线沿原方向开出，如果纵向的交通灯立即由红灯转为绿灯，则两个方向的车有可能在十字路口相撞，为了交通安全起见，必须使红灯有一个所谓的“滞后时间”，以确保横向开出的最后一辆车安全通过，而一次安全通过的时间为t=。同样，当纵向灯再由绿灯转为红灯时横向灯的红灯也应该有一个“滞后时间”，以保证纵向开出的最后一辆车安全通过，即得t=t+2t。

显然，t=＞0，所以有t＞t＞0，即红灯时间不为零，也就是说，不可能出现某个方向总是绿灯行驶，这也比较符合实际的情况。

结论1保证了每个路口的横向和纵向交通车流的平衡性，即在横向行驶和纵向行驶中做到了一种公平性，以保证每个方向的车流都能通过路口。再由假设2，道路具有“状态对称性”，即横向道路和纵向道路是对称的，所以可以将问题从考察整个道路网络转化为考察一条道路的情形。

结论2每个“b+l路段”的车流量相同。

证明：我们知道，车流量指的是单位时间内通过道路某一个截面车辆的数目。所以车流量是一个关于车辆流状态和周期t的函数，由道路网络的“状态对称性”，可以将一个“b+l路段”进行平移，其状态参量是不变的，则结论3成立。

所以最终将原来对整个网络求日平均车流量转化为对一个单向单道的“b+l路段”求日平均车流量，不妨以这个“b+l路段”中的一条停车线为计算车流量的截面。以下将建立模型并具体求解。

3模型的建立

针对一个单向单道的“b+l路段”，运用道路仿真模拟的方法，即设出每辆车的状态参量，制定出一些“行驶规则”，在计算机的环境下，让车辆流按照“行驶规则”（也就是在一些约束条件下）进行道路交通模拟，最后得出最优值。

对于一个单向单道的“b+l路段”，建立一维坐标轴 ox，以上一个“b+l路段”的停车线为原点，车辆行驶的方向为x轴正向。设车辆数为n，此路段上的车辆流状态为x,v,a，其中x为位置分布x,x,…,x，v为速度分布v,v,…,v，a为加速度分布a,a,…,a，则对于每一个x,v,a，i=1,…,n，可以确定车i的状态，车辆流i，i=1,…,n，按位置坐标x,0＜x≤b+…，从小到大依次排列，且车n一旦越过停车线（b+l位置），上一路段必有一辆与此车状态相同的车驶入此路段，即为此路段下一状态时的车1，其余各车的下标顺次加1。设在单位时间内经过停车线的车辆数为m（即车流量，单位为：辆/s），则模型为：max m（x,v,a），t，其中一些约束条件如下，t=t+t；t=t+2t；t,t,t＞0。

另外，根据生活实际情况，为了保证横向行驶和纵向行驶的公平性，以及保证道路网络的畅通，则还要的约束条件如下：

（1）不允许一辆车在一个周期内，连续通过两个“十字路口”，（否则会使另一个方向上的车辆等待时间过长）则＞t。

（2）车辆流状态x,v,a满足“行驶规则”（见下文）。

4模型的求解与检验

只要确定“b+l路段”上车辆流的初始状态，就可以具体求解。给定如下初始状态（参见[1]）：设t＝0为某红灯转为绿灯的时刻，此时的分布为n＝n1+n2，其中n1为在路口等待的车辆数，且间距为d，其余n2辆车以速度v行驶且在剩余路段均匀分布。以下分别对不同的n（对同一个n，再取几组不同的n1，n2），在以上分布下，进行计算机模拟，得出不同情况下的车流量最大值m及对应的周期最优值t_opt，如下表：

通过以上数据得到：

（1）对于同一个n，其不同的初始分布得到的最大车流量m及其相应周期t_opt基本都一样，只有微小的波动。

（2）对不同的n，当n较小时，随着n的增大而增大，其后趋于稳定，最后，当n大到一定程度时，无可行解。

于是对n2＝0时的不同的n求得一组值，用matlab进行拟合得到如上图。

通过上图进一步弄清了最大车流量m随n的变化趋势：

（1）当n较小时（n<15左右），m与n近似满足线性关系。

（2）当n>25以后，m趋于平稳。

（3）当n>128以后，无可行解。

5对模型的评价及其应用

对于上述的模型有以下几点不足：在运用“行驶规则”编程时，实际上是将一个连续的过程转化为有一定时间步长的离散过程来处理，其中势必会产生误差。但这种误差还是可以接受的，而且随着硬件条件的改善和程序的改进，可以减小步长，增加模拟时间来提高精度，但同时计算机的运行时间也会相应增加。

参考文献：

[1] 刘灿齐，杨晓光． grace车队密度散布模型的更正及应用[j]. 公路交通科技，20xx(1):55-59.