生物仿真技術范文精選

摘要隨著計算機技術的發展和應用，加工過程仿真技術越來越受到業界的重視。本文研究了加工過程仿真技術在演示金屬切削加工過程中的應用，旨在通過這種方式加強學生對于金屬切削加工過程的理解，同時讓學生了解加工過程仿真技術在實際過程中的應用，激發學生的學習熱情，在學習好理論的基礎上學會應用加工過程仿真技術進行分析，營造一種積極向上的課堂氛圍，達到理想的授課效果。

關鍵詞金屬切削加工有限元Deform教學改革

0引言

金屬切削加工技術仍然是機械制造行業的主要加工方法。它通過刀具和工件的相互作用去除工件表面的多余材料，以獲得理想的加工形狀、加工精度和表面質量的工件。因此，金屬切削加工技術在本科生的教學工作中占有重要的地位，機械類本科生都開設有關于數控機床、機械加工制造技術等相關課程。隨著技術的發展，越來越多的數控仿真軟件的出現使本科生在數控機床操作水平上有了很大的提升，但是對金屬切削過程中涉及的理論并沒有很大改觀。現在許多專家學者都對金屬切削過程進行了研究，但是由于切削過程的復雜性，還沒有統一的理論來解釋加工過程中的各種物理現象，這對本科生對加工過程的理解造成了一定的困難。而加工過程仿真技術的出現為這一問題帶來了轉機，本文主要研究加工過程仿真技術在演示切削加工過程方面對于本科生教學工作的幫助。

1有限元仿真技術

有限單元法（FiniteElementMethod,FEM）是一種以計算機為手段，通過離散化將研究對象變換成一個與原結構近似的數學模型，再經過一系列規范化的步驟以求解應力，應變和位移等參數的數值計算方法。它是一種通用的近似計算方法，也是解決工程實際問題的強有力的數值計算工具。目前，有限元法在航空，航天，機械，汽車，鐵路，船舶，交通，建筑，電子，地質礦產，水利水電，石油化工，生物醫學以及科學研究領域得到了非常廣泛的應用，并越來越受到業界的高度重視。現在較為流行的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、Deform和AdvantEdge等，這些軟件對研究金屬切削過程中的溫度、切屑形狀、刀具應力等提供了良好的前后處理和求解環境。各個有限元軟在單元、建模、材料模型和自適應網格能力等方面具有各自的特點和優勢。因此為了有效地模擬切削過程中所關心的方面和問題，需要綜合考慮分析問題的難易程度和仿真結果表現形式等多方面的因素，合理地選擇有限元分析軟件。

1、電子商務仿真應用

1.1電子商務信任

由于互聯網自身具有的開放性、虛擬性、匿名性和時空分離性等特征，進而產生物理距離容易造成信息混亂。加之，我國的社會信用體系建設還處于初步階段，人與人之間的信任意識偏低。因而造成電子商務信任成為制約我國電子商務經濟持續快速發展最主要原因，如果電子商務信任問題可以得到有效的解決，則其發展優勢會更為突出。目前，電子商務模式多為B2B、B2C、C2C和G2C等，交易風險無處不在、交易對象的不確定性和復雜性，直接導致了對信任的依懶性，電子商務信任問題是決定網上交易成功與否的關鍵因素。理論模型是實證研究的先導，眾多學者從管理學的角度提出了信任管理模型，相關經典模型如下。第一代信任管理系統PolicyMaker是由Blazeetal(1996)開發的，PolicyMaker管理系統是根據相應策略和憑證來進行有關信任決策的，它描述一個值得信賴的動作，該動作是由接受一組局部的政策聲明、一系列的證書和一個字符串來實現的。Williametal（2000）提出自動信任協商模型（ATN：AutomatedTrustNegotiation）該模型實現了在多個虛擬組織環境下，通過資源共享和協作，可以迅速地建立信任關系。仿真分析技術在電子商務信任系統中得到了充分的應用，國內學者對此進行了深入的分析探討。郭洪海等（2009）改進了Sporas模型，在Sporas模型的基礎上增加了交易量、交易次數等變量并引入了懲罰因子，提出了一種基于C2C模式的社區成員E-Sporas信譽值計算模型，并進一步運用仿真模擬實驗的方式驗證了E-Sporas信譽值計算模型對治理損毀名譽和謀取信譽這兩種不正當行為有著積極的正面效果。卞佳（2008）應用Matlab為仿真工具，結合Monte-Carlo隨機抽樣方法建立了電子商務信用評價的仿真系統，分別針對買家行為、賣家行為和信用評價改進前后對比三種系統方式進行仿真，驗證了信用評價對買賣雙方存在正向引導作用。李季等（2011）在借鑒了信任衰減向量的基礎上，開發了P2P網絡信譽模型，并且還應用仿真實驗的方式驗證了P2P網絡信譽模型可以提高資源的利用效率，同時，也還可以提高買賣交易的成功率。

1.2電子商務物流供應鏈

電子商務物流供應鏈是電子商務產業與物流運輸業高度融合所形成的電子商務物流供應鏈系統，使線上和線下密切聯系起來，具有高度信息化、先進現代化和廣泛社會化的特征。電子商務物流供應鏈與傳統意義上的物流運輸相比，它更嚴格要求物流服務企業充分應用計算機和網絡技術來進行物流派送跟蹤管理，進而準確快速的完成派送服務，定時和定點的實現電子商務的最終目標。供應鏈協會所提出供應鏈運營參考模型（SupplyChainOperationReferenceModel，SCOR）概念已得到眾多學者的認可，SCOR模型的框架由計劃、采購、生產、配送和退貨這五個基本管理流程所構成，每一個環節都有獨立運行的系統。只能通過這些相對獨立的實體來協調系統的完成其每一環節的主要內容，才可以實現對供應鏈的有效管理。計算機模擬仿真技術作為現代輔助決策的一種方式，將其運用在電子商務供應鏈中有著突出的實際作用。唐秋生（2011）建立了電子商務環境下需求不確定性的庫存“雙源”和銷售“雙渠道”閉環供應鏈庫存優化模型，并針對“推式”和“拉式”兩種不同生產模式的特點對模型進行了比較，應用Matlab仿真軟件對數值進行仿真分析，仿真分析驗證了“拉式”生產模式優于“推式”生產模式。周慶等（2002）在Agent遺傳分層有色戶petri網的基礎上提出了高級Petri網，以研究供應鏈配送系統動態行為，其所描述的模型為適應性主體執行層的動態模型。第三方物流將作為電子商務中物流配送業務運作的主導模式，趙亮等（2012）通過應用系統動力學對第三方物流服務體系運行模式進行模擬仿真，以探索當前我國電子商務第三方物流服務面臨的瓶頸問題，并針對仿真結果提出探索性解決措施與方案。

1.3電子商務顧客忠誠度

1、電子商務仿真應用

1.1電子商務信任

由于互聯網自身具有的開放性、虛擬性、匿名性和時空分離性等特征，進而產生物理距離容易造成信息混亂。加之，我國的社會信用體系建設還處于初步階段，人與人之間的信任意識偏低。因而造成電子商務信任成為制約我國電子商務經濟持續快速發展最主要原因，如果電子商務信任問題可以得到有效的解決，則其發展優勢會更為突出。目前，電子商務模式多為B2B、B2C、C2C和G2C等，交易風險無處不在、交易對象的不確定性和復雜性，直接導致了對信任的依懶性，電子商務信任問題是決定網上交易成功與否的關鍵因素。理論模型是實證研究的先導，眾多學者從管理學的角度提出了信任管理模型，相關經典模型如下。第一代信任管理系統PolicyMaker是由Blazeetal(1996)開發的，PolicyMaker管理系統是根據相應策略和憑證來進行有關信任決策的，它描述一個值得信賴的動作，該動作是由接受一組局部的政策聲明、一系列的證書和一個字符串來實現的。Williametal（2000）提出自動信任協商模型（ATN：AutomatedTrustNegotiation）該模型實現了在多個虛擬組織環境下，通過資源共享和協作，可以迅速地建立信任關系。仿真分析技術在電子商務信任系統中得到了充分的應用，國內學者對此進行了深入的分析探討。郭洪海等（2009）改進了Sporas模型，在Sporas模型的基礎上增加了交易量、交易次數等變量并引入了懲罰因子，提出了一種基于C2C模式的社區成員E-Sporas信譽值計算模型，并進一步運用仿真模擬實驗的方式驗證了E-Sporas信譽值計算模型對治理損毀名譽和謀取信譽這兩種不正當行為有著積極的正面效果。卞佳（2008）應用Matlab為仿真工具，結合Monte-Carlo隨機抽樣方法建立了電子商務信用評價的仿真系統，分別針對買家行為、賣家行為和信用評價改進前后對比三種系統方式進行仿真，驗證了信用評價對買賣雙方存在正向引導作用。李季等（2011）在借鑒了信任衰減向量的基礎上，開發了P2P網絡信譽模型，并且還應用仿真實驗的方式驗證了P2P網絡信譽模型可以提高資源的利用效率，同時，也還可以提高買賣交易的成功率。

1.2電子商務物流供應鏈

電子商務物流供應鏈是電子商務產業與物流運輸業高度融合所形成的電子商務物流供應鏈系統，使線上和線下密切聯系起來，具有高度信息化、先進現代化和廣泛社會化的特征。電子商務物流供應鏈與傳統意義上的物流運輸相比，它更嚴格要求物流服務企業充分應用計算機和網絡技術來進行物流派送跟蹤管理，進而準確快速的完成派送服務，定時和定點的實現電子商務的最終目標。供應鏈協會所提出供應鏈運營參考模型（SupplyChainOperationReferenceModel，SCOR）概念已得到眾多學者的認可，SCOR模型的框架由計劃、采購、生產、配送和退貨這五個基本管理流程所構成，每一個環節都有獨立運行的系統。只能通過這些相對獨立的實體來協調系統的完成其每一環節的主要內容，才可以實現對供應鏈的有效管理。計算機模擬仿真技術作為現代輔助決策的一種方式，將其運用在電子商務供應鏈中有著突出的實際作用。唐秋生（2011）建立了電子商務環境下需求不確定性的庫存“雙源”和銷售“雙渠道”閉環供應鏈庫存優化模型，并針對“推式”和“拉式”兩種不同生產模式的特點對模型進行了比較，應用Matlab仿真軟件對數值進行仿真分析，仿真分析驗證了“拉式”生產模式優于“推式”生產模式。周慶等（2002）在Agent遺傳分層有色戶petri網的基礎上提出了高級Petri網，以研究供應鏈配送系統動態行為，其所描述的模型為適應性主體執行層的動態模型。第三方物流將作為電子商務中物流配送業務運作的主導模式，趙亮等（2012）通過應用系統動力學對第三方物流服務體系運行模式進行模擬仿真，以探索當前我國電子商務第三方物流服務面臨的瓶頸問題，并針對仿真結果提出探索性解決措施與方案。

1.3電子商務顧客忠誠度

一、污水處理系統仿真軟件概述

污水處理系統仿真軟件一般由動力學模型、模型表達、參數校正、數值分析、數據表達和用戶界面等模塊組成。在污水處理領域，用于數學模擬的軟件可分為四個層次：一是電子數據表，可進行穩態計算，實現針對普通微分方程的簡單數字程序；二是低端通用型語言（如FORTRAN、C、Basic等），創建模型的靈活性最高，但耗時費力；三是通用仿真軟件（如Mathematica、MATLAB等），能夠執行模型運算，可從網上下載；四是專業仿真軟件（如BioWin、WEST等），主要由預定義的工藝模型單元庫構成。WEST3.7.5將用于本文污水處理系統仿真和工藝分析。WEST軟件是由比利時Hemmis公司與Ghent大學聯合開發的、用于污水處理工藝動態模擬的專業仿真軟件。通過引入組件單元（如活性污泥反應器、沉淀池、傳感器等），軟件可幫助用戶使用分級圖形編輯器構建模擬對象，并建立組件單元間的關聯；后臺模型庫中提供了大量的組件模型以供選擇。軟件為高級用戶提供了二次開發平臺，通過MSL數據庫可實現用戶對模型庫的自定義擴展。WEST軟件目前在歐洲、北美、亞洲和澳大利亞擁有許多用戶，在工業廢水和生活污水處理領域均有應用。

二、模擬仿真在實踐教學中的應用

目前上海市共有53家城鎮污水處理廠，其工藝包括厭氧/缺氧/好氧、缺氧/厭氧/好氧、氧化溝、Unitank、MSBR等，千差萬別的工藝使學生在多家污水處理廠的參觀實習過程中很難把握其本質。因此，針對不同處理規模、工藝差別較大、處理目標不盡相同的污水處理廠，如何提煉污水處理運行管理中具有普遍規律性的內容并掌握應用就成為畢業實習教學的重點。由于大部分城市污水處理系統均采用二級生物處理工藝，通常涉及到厭氧、缺氧、好氧和固液分離4個處理過程，以滿足COD降解、懸浮固體去除、硝化、反硝化和強化生物除磷的需要，因此引入ASM模型對典型生物處理系統進行研究將具有普適性的意義。此外，對污水處理廠能夠進行調控的操作變量進行梳理，可概括出污水生物處理系統的6大操作變量：進水流量、流量分配、剩余污泥排放、污泥外回流、好氧池混合液回流量、供氧量或溶解氧設定值。為此，可通過計算機仿真技術操作變量進行詳細分析，以得到不同運行參數下影響污水處理廠出水各指標的最佳調控變量。典型的計算機仿真工藝流程如圖1所示。在計算機仿真教學過程中，兼顧了系統整體介紹和細節分析，既通過仿真分析介紹了控制變量對出水水質的影響，又通過動力學模型分析解釋了污水處理廠控制參數設置的合理性。如參觀污水處理廠的溶解氧設定范圍為2~3mg/L，為了有助于學生分析其設定范圍的合理性，在實習過程中引入了ASM中開關函數的概念，并通過模型演示介紹了溶解氧對反應速率的影響（見圖2）。通過相關的模擬仿真分析，加深了學生對實習過程中污水處理過程工藝控制的認識，有助于學生理論知識與實踐知識的融會貫通。為了更好地突出數學模型仿真教學的優點，在畢業實習過程中，首先給學生布置部分問題，讓學生帶著問題進行污水處理廠的現場參觀學習。待完成現場參觀學習后，要求學生進行實習內容總結，數學模型仿真與實例分析安排在實習內容總結之后。在計算機仿真演示之外，要求學生結合專業知識對仿真結果進行分析，并對仿真結果進行估計。與此同時，結合計算機仿真和數學模型計算對實習過程中參觀污水處理廠的工藝特點和存在問題進行分析。在工程實例分析中，選取上海市的典型污水處理廠氨氮去除效率高但出水總磷濃度過高的案例進行分析，并通過計算機仿真分析提出運行管理建議。考慮到氨氮和總磷的協同達標問題，通過模擬仿真分析建議增加排泥量降低系統污泥齡以有效降低出水總磷，并適當降低好氧曝氣過程中的溶解氧控制值，以防剩余的溶解氧干擾反硝化和厭氧釋磷，這也有助于降低出水總磷濃度。

三、實踐教學效果分析與建議

實踐表明，將計算機仿真教學與污水處理廠現場實習結合，能收到很好的實習效果。與傳統的參觀實習方式相比，計算機仿真作為對實際生產過程的等效描述，能以其獨有的技術和效果為學生提供一個良好的多通道學習機會和訓練創造性思維的氛圍。通過系統性的對污水處理工藝過程進行描述分析，學生能夠將現場參觀實習的感性認識上升到系統分析的理性認識高度。仿真操作不僅可以使學生將所學的理論知識與實踐結合起來，也可以為他們的思維提供一個寬廣的空間。計算機仿真分析的工藝流程演示有助于學生樹立起全局觀念和學習的積極主動性，這是因為仿真分析需要用系統的觀點對污水處理工藝的運行管理及可能達到的效果和出現的問題進行分析，要求運用所需知識探索各種參數之間的相互影響，才能得出最佳的運行管理效果。從2011年和2012年的畢業實習教學效果來看，基于數學模型的污水處理工藝仿真演示對提升教學質量有非常明顯的效果，學生的學習積極性和動手能力都得到了較大的提高。從學生實習報告的質量來看，對工藝流程和單元模塊作用的分析較以往深入，對實習過程中問題的回答方向性也更為明確。當然，計算機仿真技術應用的前提是對相關模型的深入了解，但目前教學環節中尚缺乏對污水處理數學模型的系統講授，這就造成學生對數學模型與結果分析的理解較為吃力。因此，在實踐教學中簡化了建模與模型分析的步驟，要求學生集中更多精力用于模型結果的分析。另外，由于數學模型仿真分析是一項耗時費力的工作，在2011年和2012年畢業實習引入計算機仿真分析時，僅采用多媒體課件的形式進行結果的分析演示，今后將考慮分步驟引入案例小組討論、模擬仿真分析實驗等內容。

摘要：本文首先介紹了定性仿真的產生背景及理論發展狀況，然后說明了定性仿真在各領域的應用情況，最后對定性仿真的發展方向進行了探討。

關鍵詞：定性仿真，定性模型

1定性仿真的產生與理論現狀

定性仿真(QualitativeSimulation)是以非數字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結果輸出等仿真環節，通過定性模型推導系統的定性行為描述。定性仿真是系統仿真的一個分支，是系統仿真與人工智能理論交叉產生的新領域。相對于傳統的數字仿真，定性仿真有其獨到之處：這種仿真能處理多種形式的信息，有推理能力和學習能力，能初步模仿人類思維方式，人機界面更符合人的思維習慣，所得結果更容易理解。

定性仿真的研究中，美國學者起步較早。70年代后期，美國XEROX實驗室的JohndeKleer和SeelyBrown在設計一個電路教學系統時發現，以常規的數學模型和仿真方法難以使學生很快明白電路的工作過程，而在實際教學中，老師并不是先給出數學公式，而是先講解電路的工作原理，采用定性的描述方法，那么是否可以用計算機來模擬這一方法呢？同樣在許多的實際工作中，人們更多的是依靠這種對系統原理性的理解，而這種理解的基礎就是定性知識。很多專家學者開始探索如何在數字仿真中引入定性知識。

1983年，JohndeKleer和SeelyBrown發表了有關定性仿真的第一篇論文AQualitativePhysicsBasedOnConfluence?[1]，產生了巨大反響，揭開了定性仿真研究熱潮的序幕。美國麻省理工學院的KennethD.Forbus則對定性仿真理論作了全面的總結[2]；1986年美國德州大學的BenjaminKuipers在QualitativeSimulation”一文中提出了動態仿真算法QSIM[3]，使定性仿真接近于實用。1984年人工智能雜志第一次出版了關于定性問題的專集。此后定性問題的研究成為人工智能和系統建模與仿真領域的一個熱點，許多學者加入到這一研究領域中，產生了大量的研究成果。1991年，人工智能雜志又出版了有關定性推理的第二本專集，標志著該領域理論研究逐漸成熟并且向應用領域擴展。90年代以來，該領域的研究情況可謂方興未艾，在IEEE的相關雜志上和撊斯ぶ悄軘等國際刊物上經常可以看到定性仿真方面的研究成果。國內該領域的研究起步較晚，目前從事定性理論研究的僅限于少數院校的少數研究者。