生物仿真技术范文精选

摘要随着计算机技术的发展和应用，加工过程仿真技术越来越受到业界的重视。本文研究了加工过程仿真技术在演示金属切削加工过程中的应用，旨在通过这种方式加强学生对于金属切削加工过程的理解，同时让学生了解加工过程仿真技术在实际过程中的应用，激发学生的学习热情，在学习好理论的基础上学会应用加工过程仿真技术进行分析，营造一种积极向上的课堂氛围，达到理想的授课效果。

关键词金属切削加工有限元Deform教学改革

0引言

金属切削加工技术仍然是机械制造行业的主要加工方法。它通过刀具和工件的相互作用去除工件表面的多余材料，以获得理想的加工形状、加工精度和表面质量的工件。因此，金属切削加工技术在本科生的教学工作中占有重要的地位，机械类本科生都开设有关于数控机床、机械加工制造技术等相关课程。随着技术的发展，越来越多的数控仿真软件的出现使本科生在数控机床操作水平上有了很大的提升，但是对金属切削过程中涉及的理论并没有很大改观。现在许多专家学者都对金属切削过程进行了研究，但是由于切削过程的复杂性，还没有统一的理论来解释加工过程中的各种物理现象，这对本科生对加工过程的理解造成了一定的困难。而加工过程仿真技术的出现为这一问题带来了转机，本文主要研究加工过程仿真技术在演示切削加工过程方面对于本科生教学工作的帮助。

1有限元仿真技术

有限单元法（FiniteElementMethod,FEM）是一种以计算机为手段，通过离散化将研究对象变换成一个与原结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力，应变和位移等参数的数值计算方法。它是一种通用的近似计算方法，也是解决工程实际问题的强有力的数值计算工具。目前，有限元法在航空，航天，机械，汽车，铁路，船舶，交通，建筑，电子，地质矿产，水利水电，石油化工，生物医学以及科学研究领域得到了非常广泛的应用，并越来越受到业界的高度重视。现在较为流行的有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、Deform和AdvantEdge等，这些软件对研究金属切削过程中的温度、切屑形状、刀具应力等提供了良好的前后处理和求解环境。各个有限元软在单元、建模、材料模型和自适应网格能力等方面具有各自的特点和优势。因此为了有效地模拟切削过程中所关心的方面和问题，需要综合考虑分析问题的难易程度和仿真结果表现形式等多方面的因素，合理地选择有限元分析软件。

1、电子商务仿真应用

1.1电子商务信任

由于互联网自身具有的开放性、虚拟性、匿名性和时空分离性等特征，进而产生物理距离容易造成信息混乱。加之，我国的社会信用体系建设还处于初步阶段，人与人之间的信任意识偏低。因而造成电子商务信任成为制约我国电子商务经济持续快速发展最主要原因，如果电子商务信任问题可以得到有效的解决，则其发展优势会更为突出。目前，电子商务模式多为B2B、B2C、C2C和G2C等，交易风险无处不在、交易对象的不确定性和复杂性，直接导致了对信任的依懒性，电子商务信任问题是决定网上交易成功与否的关键因素。理论模型是实证研究的先导，众多学者从管理学的角度提出了信任管理模型，相关经典模型如下。第一代信任管理系统PolicyMaker是由Blazeetal(1996)开发的，PolicyMaker管理系统是根据相应策略和凭证来进行有关信任决策的，它描述一个值得信赖的动作，该动作是由接受一组局部的政策声明、一系列的证书和一个字符串来实现的。Williametal（2000）提出自动信任协商模型（ATN：AutomatedTrustNegotiation）该模型实现了在多个虚拟组织环境下，通过资源共享和协作，可以迅速地建立信任关系。仿真分析技术在电子商务信任系统中得到了充分的应用，国内学者对此进行了深入的分析探讨。郭洪海等（2009）改进了Sporas模型，在Sporas模型的基础上增加了交易量、交易次数等变量并引入了惩罚因子，提出了一种基于C2C模式的社区成员E-Sporas信誉值计算模型，并进一步运用仿真模拟实验的方式验证了E-Sporas信誉值计算模型对治理损毁名誉和谋取信誉这两种不正当行为有着积极的正面效果。卞佳（2008）应用Matlab为仿真工具，结合Monte-Carlo随机抽样方法建立了电子商务信用评价的仿真系统，分别针对买家行为、卖家行为和信用评价改进前后对比三种系统方式进行仿真，验证了信用评价对买卖双方存在正向引导作用。李季等（2011）在借鉴了信任衰减向量的基础上，开发了P2P网络信誉模型，并且还应用仿真实验的方式验证了P2P网络信誉模型可以提高资源的利用效率，同时，也还可以提高买卖交易的成功率。

1.2电子商务物流供应链

电子商务物流供应链是电子商务产业与物流运输业高度融合所形成的电子商务物流供应链系统，使线上和线下密切联系起来，具有高度信息化、先进现代化和广泛社会化的特征。电子商务物流供应链与传统意义上的物流运输相比，它更严格要求物流服务企业充分应用计算机和网络技术来进行物流派送跟踪管理，进而准确快速的完成派送服务，定时和定点的实现电子商务的最终目标。供应链协会所提出供应链运营参考模型（SupplyChainOperationReferenceModel，SCOR）概念已得到众多学者的认可，SCOR模型的框架由计划、采购、生产、配送和退货这五个基本管理流程所构成，每一个环节都有独立运行的系统。只能通过这些相对独立的实体来协调系统的完成其每一环节的主要内容，才可以实现对供应链的有效管理。计算机模拟仿真技术作为现代辅助决策的一种方式，将其运用在电子商务供应链中有着突出的实际作用。唐秋生（2011）建立了电子商务环境下需求不确定性的库存“双源”和销售“双渠道”闭环供应链库存优化模型，并针对“推式”和“拉式”两种不同生产模式的特点对模型进行了比较，应用Matlab仿真软件对数值进行仿真分析，仿真分析验证了“拉式”生产模式优于“推式”生产模式。周庆等（2002）在Agent遗传分层有色户petri网的基础上提出了高级Petri网，以研究供应链配送系统动态行为，其所描述的模型为适应性主体执行层的动态模型。第三方物流将作为电子商务中物流配送业务运作的主导模式，赵亮等（2012）通过应用系统动力学对第三方物流服务体系运行模式进行模拟仿真，以探索当前我国电子商务第三方物流服务面临的瓶颈问题，并针对仿真结果提出探索性解决措施与方案。

1.3电子商务顾客忠诚度

1、电子商务仿真应用

1.1电子商务信任

由于互联网自身具有的开放性、虚拟性、匿名性和时空分离性等特征，进而产生物理距离容易造成信息混乱。加之，我国的社会信用体系建设还处于初步阶段，人与人之间的信任意识偏低。因而造成电子商务信任成为制约我国电子商务经济持续快速发展最主要原因，如果电子商务信任问题可以得到有效的解决，则其发展优势会更为突出。目前，电子商务模式多为B2B、B2C、C2C和G2C等，交易风险无处不在、交易对象的不确定性和复杂性，直接导致了对信任的依懒性，电子商务信任问题是决定网上交易成功与否的关键因素。理论模型是实证研究的先导，众多学者从管理学的角度提出了信任管理模型，相关经典模型如下。第一代信任管理系统PolicyMaker是由Blazeetal(1996)开发的，PolicyMaker管理系统是根据相应策略和凭证来进行有关信任决策的，它描述一个值得信赖的动作，该动作是由接受一组局部的政策声明、一系列的证书和一个字符串来实现的。Williametal（2000）提出自动信任协商模型（ATN：AutomatedTrustNegotiation）该模型实现了在多个虚拟组织环境下，通过资源共享和协作，可以迅速地建立信任关系。仿真分析技术在电子商务信任系统中得到了充分的应用，国内学者对此进行了深入的分析探讨。郭洪海等（2009）改进了Sporas模型，在Sporas模型的基础上增加了交易量、交易次数等变量并引入了惩罚因子，提出了一种基于C2C模式的社区成员E-Sporas信誉值计算模型，并进一步运用仿真模拟实验的方式验证了E-Sporas信誉值计算模型对治理损毁名誉和谋取信誉这两种不正当行为有着积极的正面效果。卞佳（2008）应用Matlab为仿真工具，结合Monte-Carlo随机抽样方法建立了电子商务信用评价的仿真系统，分别针对买家行为、卖家行为和信用评价改进前后对比三种系统方式进行仿真，验证了信用评价对买卖双方存在正向引导作用。李季等（2011）在借鉴了信任衰减向量的基础上，开发了P2P网络信誉模型，并且还应用仿真实验的方式验证了P2P网络信誉模型可以提高资源的利用效率，同时，也还可以提高买卖交易的成功率。

1.2电子商务物流供应链

电子商务物流供应链是电子商务产业与物流运输业高度融合所形成的电子商务物流供应链系统，使线上和线下密切联系起来，具有高度信息化、先进现代化和广泛社会化的特征。电子商务物流供应链与传统意义上的物流运输相比，它更严格要求物流服务企业充分应用计算机和网络技术来进行物流派送跟踪管理，进而准确快速的完成派送服务，定时和定点的实现电子商务的最终目标。供应链协会所提出供应链运营参考模型（SupplyChainOperationReferenceModel，SCOR）概念已得到众多学者的认可，SCOR模型的框架由计划、采购、生产、配送和退货这五个基本管理流程所构成，每一个环节都有独立运行的系统。只能通过这些相对独立的实体来协调系统的完成其每一环节的主要内容，才可以实现对供应链的有效管理。计算机模拟仿真技术作为现代辅助决策的一种方式，将其运用在电子商务供应链中有着突出的实际作用。唐秋生（2011）建立了电子商务环境下需求不确定性的库存“双源”和销售“双渠道”闭环供应链库存优化模型，并针对“推式”和“拉式”两种不同生产模式的特点对模型进行了比较，应用Matlab仿真软件对数值进行仿真分析，仿真分析验证了“拉式”生产模式优于“推式”生产模式。周庆等（2002）在Agent遗传分层有色户petri网的基础上提出了高级Petri网，以研究供应链配送系统动态行为，其所描述的模型为适应性主体执行层的动态模型。第三方物流将作为电子商务中物流配送业务运作的主导模式，赵亮等（2012）通过应用系统动力学对第三方物流服务体系运行模式进行模拟仿真，以探索当前我国电子商务第三方物流服务面临的瓶颈问题，并针对仿真结果提出探索性解决措施与方案。

1.3电子商务顾客忠诚度

一、污水处理系统仿真软件概述

污水处理系统仿真软件一般由动力学模型、模型表达、参数校正、数值分析、数据表达和用户界面等模块组成。在污水处理领域，用于数学模拟的软件可分为四个层次：一是电子数据表，可进行稳态计算，实现针对普通微分方程的简单数字程序；二是低端通用型语言（如FORTRAN、C、Basic等），创建模型的灵活性最高，但耗时费力；三是通用仿真软件（如Mathematica、MATLAB等），能够执行模型运算，可从网上下载；四是专业仿真软件（如BioWin、WEST等），主要由预定义的工艺模型单元库构成。WEST3.7.5将用于本文污水处理系统仿真和工艺分析。WEST软件是由比利时Hemmis公司与Ghent大学联合开发的、用于污水处理工艺动态模拟的专业仿真软件。通过引入组件单元（如活性污泥反应器、沉淀池、传感器等），软件可帮助用户使用分级图形编辑器构建模拟对象，并建立组件单元间的关联；后台模型库中提供了大量的组件模型以供选择。软件为高级用户提供了二次开发平台，通过MSL数据库可实现用户对模型库的自定义扩展。WEST软件目前在欧洲、北美、亚洲和澳大利亚拥有许多用户，在工业废水和生活污水处理领域均有应用。

二、模拟仿真在实践教学中的应用

目前上海市共有53家城镇污水处理厂，其工艺包括厌氧/缺氧/好氧、缺氧/厌氧/好氧、氧化沟、Unitank、MSBR等，千差万别的工艺使学生在多家污水处理厂的参观实习过程中很难把握其本质。因此，针对不同处理规模、工艺差别较大、处理目标不尽相同的污水处理厂，如何提炼污水处理运行管理中具有普遍规律性的内容并掌握应用就成为毕业实习教学的重点。由于大部分城市污水处理系统均采用二级生物处理工艺，通常涉及到厌氧、缺氧、好氧和固液分离4个处理过程，以满足COD降解、悬浮固体去除、硝化、反硝化和强化生物除磷的需要，因此引入ASM模型对典型生物处理系统进行研究将具有普适性的意义。此外，对污水处理厂能够进行调控的操作变量进行梳理，可概括出污水生物处理系统的6大操作变量：进水流量、流量分配、剩余污泥排放、污泥外回流、好氧池混合液回流量、供氧量或溶解氧设定值。为此，可通过计算机仿真技术操作变量进行详细分析，以得到不同运行参数下影响污水处理厂出水各指标的最佳调控变量。典型的计算机仿真工艺流程如图1所示。在计算机仿真教学过程中，兼顾了系统整体介绍和细节分析，既通过仿真分析介绍了控制变量对出水水质的影响，又通过动力学模型分析解释了污水处理厂控制参数设置的合理性。如参观污水处理厂的溶解氧设定范围为2~3mg/L，为了有助于学生分析其设定范围的合理性，在实习过程中引入了ASM中开关函数的概念，并通过模型演示介绍了溶解氧对反应速率的影响（见图2）。通过相关的模拟仿真分析，加深了学生对实习过程中污水处理过程工艺控制的认识，有助于学生理论知识与实践知识的融会贯通。为了更好地突出数学模型仿真教学的优点，在毕业实习过程中，首先给学生布置部分问题，让学生带着问题进行污水处理厂的现场参观学习。待完成现场参观学习后，要求学生进行实习内容总结，数学模型仿真与实例分析安排在实习内容总结之后。在计算机仿真演示之外，要求学生结合专业知识对仿真结果进行分析，并对仿真结果进行估计。与此同时，结合计算机仿真和数学模型计算对实习过程中参观污水处理厂的工艺特点和存在问题进行分析。在工程实例分析中，选取上海市的典型污水处理厂氨氮去除效率高但出水总磷浓度过高的案例进行分析，并通过计算机仿真分析提出运行管理建议。考虑到氨氮和总磷的协同达标问题，通过模拟仿真分析建议增加排泥量降低系统污泥龄以有效降低出水总磷，并适当降低好氧曝气过程中的溶解氧控制值，以防剩余的溶解氧干扰反硝化和厌氧释磷，这也有助于降低出水总磷浓度。

三、实践教学效果分析与建议

实践表明，将计算机仿真教学与污水处理厂现场实习结合，能收到很好的实习效果。与传统的参观实习方式相比，计算机仿真作为对实际生产过程的等效描述，能以其独有的技术和效果为学生提供一个良好的多通道学习机会和训练创造性思维的氛围。通过系统性的对污水处理工艺过程进行描述分析，学生能够将现场参观实习的感性认识上升到系统分析的理性认识高度。仿真操作不仅可以使学生将所学的理论知识与实践结合起来，也可以为他们的思维提供一个宽广的空间。计算机仿真分析的工艺流程演示有助于学生树立起全局观念和学习的积极主动性，这是因为仿真分析需要用系统的观点对污水处理工艺的运行管理及可能达到的效果和出现的问题进行分析，要求运用所需知识探索各种参数之间的相互影响，才能得出最佳的运行管理效果。从2011年和2012年的毕业实习教学效果来看，基于数学模型的污水处理工艺仿真演示对提升教学质量有非常明显的效果，学生的学习积极性和动手能力都得到了较大的提高。从学生实习报告的质量来看，对工艺流程和单元模块作用的分析较以往深入，对实习过程中问题的回答方向性也更为明确。当然，计算机仿真技术应用的前提是对相关模型的深入了解，但目前教学环节中尚缺乏对污水处理数学模型的系统讲授，这就造成学生对数学模型与结果分析的理解较为吃力。因此，在实践教学中简化了建模与模型分析的步骤，要求学生集中更多精力用于模型结果的分析。另外，由于数学模型仿真分析是一项耗时费力的工作，在2011年和2012年毕业实习引入计算机仿真分析时，仅采用多媒体课件的形式进行结果的分析演示，今后将考虑分步骤引入案例小组讨论、模拟仿真分析实验等内容。

摘要：本文首先介绍了定性仿真的产生背景及理论发展状况，然后说明了定性仿真在各领域的应用情况，最后对定性仿真的发展方向进行了探讨。

关键词：定性仿真，定性模型

1定性仿真的产生与理论现状

定性仿真(QualitativeSimulation)是以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。定性仿真是系统仿真的一个分支，是系统仿真与人工智能理论交叉产生的新领域。相对于传统的数字仿真，定性仿真有其独到之处：这种仿真能处理多种形式的信息，有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方式，人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。

定性仿真的研究中，美国学者起步较早。70年代后期，美国XEROX实验室的JohndeKleer和SeelyBrown在设计一个电路教学系统时发现，以常规的数学模型和仿真方法难以使学生很快明白电路的工作过程，而在实际教学中，老师并不是先给出数学公式，而是先讲解电路的工作原理，采用定性的描述方法，那么是否可以用计算机来模拟这一方法呢？同样在许多的实际工作中，人们更多的是依靠这种对系统原理性的理解，而这种理解的基础就是定性知识。很多专家学者开始探索如何在数字仿真中引入定性知识。

1983年，JohndeKleer和SeelyBrown发表了有关定性仿真的第一篇论文AQualitativePhysicsBasedOnConfluence?[1]，产生了巨大反响，揭开了定性仿真研究热潮的序幕。美国麻省理工学院的KennethD.Forbus则对定性仿真理论作了全面的总结[2]；1986年美国德州大学的BenjaminKuipers在QualitativeSimulation”一文中提出了动态仿真算法QSIM[3]，使定性仿真接近于实用。1984年人工智能杂志第一次出版了关于定性问题的专集。此后定性问题的研究成为人工智能和系统建模与仿真领域的一个热点，许多学者加入到这一研究领域中，产生了大量的研究成果。1991年，人工智能杂志又出版了有关定性推理的第二本专集，标志着该领域理论研究逐渐成熟并且向应用领域扩展。90年代以来，该领域的研究情况可谓方兴未艾，在IEEE的相关杂志上和撊斯ぶ悄軘等国际刊物上经常可以看到定性仿真方面的研究成果。国内该领域的研究起步较晚，目前从事定性理论研究的仅限于少数院校的少数研究者。