時間：2022-05-16 13:18:26
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針對上述情況，本文對可以模擬特定交通場景技術的研究。在VISSIM中搭建路網環境，模擬實際的交通現場，通過VISSIM和信號控制機之間加入的控制機接口設備，建立二者的實時通信環境。信號機動態獲得所需的交通流數據經運算得出控制策略，仿真軟件獲取實時控制信息并執行，根據仿真統計數據可以對交通算法和控制邏輯的適用性進行評價，也可以評估在特定交通場景中突發狀況對現有交通狀態的影響，進而為改善交通現狀、應對突發狀況提供依據。
1交通現場仿真原理
信號控制機接口設備是計算機和信號控制機間通信的橋梁，具有轉換數字信號和模擬信號以及傳輸信號的功能。對于信號控制機，虛擬的仿真路網環境相當于實際的信號控制環境;對于仿真軟件，信號控制機實現了仿真軟件中信號狀態發生器的功能。
在VISSIM仿真軟件環境中搭建路網模擬交通現場，對交通狀態仿真，并將相關的車輛檢測信息通過信號控制機接口設備傳送至信號控制機。根據接收到的檢測器狀態信息，信號控制機內部交通控制算法控制邏輯經運算輸出各相位下一時刻信號控制狀態，并通過信號控制機接口設備傳輸至仿真軟件，仿真軟件按照接收到信號燈色狀態對車流進行控制。上述功能實現了由信號控制機控制策略對模擬環境中的交通現場控制。
對于確定的交通環境，可以在路網環境中檢驗控制方案，直至方案完善，能夠達到預期的控制效果再應用到實際的現場，以減少對現狀交通的影響。同時，當路網中出現如交通事故、道路維修等突發狀況，致使某些道路不能通行，也可以檢驗現狀交通條件對交通需求的滿足能力。
2信號控制機接口設備實現
信號控制機接口設備是vissim仿真軟件和信號控制機通信的橋梁，實現了車輛檢測信息和信號機信號控制狀態的轉換1)單片機。是信號控制機接口設備的核心，可以按需增加其他的功能模塊。
2)信號控制機通信模塊。負責信號控制機和單片機的數據傳輸。一方面，信號控制機通信模塊將仿真環境中車輛檢測信息發送至信號機。如果檢測器在1s時間內沒有檢測到車輛的經過，則將0的數字信息用低電平表示;如果檢測器在1s內檢測到車輛的經過，則將1的數字信息用高電平表示。最終經電平轉換后發送至信號控制機輸入板。另一方面，信號控制機通信模塊將信號控制機燈色控制信息傳輸至單片機。
信號控制機通信模塊傳輸過程采用能夠保證數據傳輸準確性的TCP/IP協議方式，信號控制機作為服務器端，信號控制機接口設備作為客戶端，向信號機發送請求建立連接。
3)計算機通信模塊。負責連接單片機和計算機。單片機提供的串口經轉換成為USB口，連接至計算機，根據通信協議和串口通信程序，完成車輛檢測信息和信號控制狀態在計算機和單片機間的傳輸。
3仿真系統控制軟件實現
仿真系統控制軟件對VISSIM二次開發，建立其與外部通信的數據接口。在硬件平臺的基礎上，仿真系統控制軟件結合信號控制機接口設備連接交通仿真軟件和信號控制機。
3.1仿真系統控制軟件結構
仿真系統控制軟件主要包括仿真控制模塊、交通路網顯示模塊、通信模塊和評價指標顯示模塊四部分。
1)仿真控制模塊。仿真控制模塊主要功能是對VISSIM仿真的控制，包括啟動、停止、路網的加載和仿真參數的設置等。
2)交通路網顯示模塊。交通路網顯示模塊功能是顯示VISSIM加載的路網數據信息，包括檢測器信息、路段屬性、信號機編號和名稱等內容。隨著仿真的運行，該模塊中信息始終與路網中交通元素同。
3)通信模塊。通信模塊由串口直接與信號控制機接口設備交換檢測器信息和燈色狀態控制信息。
4)評價指標顯示模塊。評價指標顯示模塊功能是為評價信號機控制策略提供數據支持，為進一步優化交通控制算法、改進控制策略提供指導。
3.2VISSIM仿真控制
VISSIM可通過使用dll接口來調用外部信號控制機，在每個仿真運行期間通過加載動態鏈接庫文件實現與信號控制機的通信，包括邏輯控制信息和數據信息。
在仿真過程中，VISSIM會在每個時間步長里以一定的刷新頻率與信號控制機通信。該過程分為兩步：
第一步，將仿真環境檢測數據將傳送至dll文件中;
第二步，信號控制機根據控制邏輯運算返回下一仿真時刻信號燈狀態至dll文件，VISSIM以一定仿真步長更新信號燈狀態。3.3仿真系統控制軟件工作流程4結束語
交通現場仿真通過信號控制機接口設備和仿真系統控制軟件將實際的信號控制系統引入交通仿真軟件，實現了仿真軟件的車輛檢測信息和信號控制機的信號燈色狀態控制信息的實時交互，構建了對交通算法和控制邏輯的測試平臺。
關鍵詞:三維仿真;交通規劃;交通管理;地理信息系統
中圖分類號:U418.9
文獻標識碼:B
文章編號:1005-569X(2010)05-0111-03
1 引言
隨著社會經濟的快速發展,交通設施的建設速度不斷加快,這種形勢對城市的綜合交通規劃、建設、管理工作提出了更高的要求。于是,以三維仿真技術為核心,綜合應用地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、遙感系統(RS)、無線通訊、互聯網等新技術建立的綜合交通管理平臺應運而生。該平臺集成各類交通相關信息,實現交通信息的精細化、可視化、遠程化、自動化管理,能夠極大的提高城市的綜合交通管理水平,為社會經濟發展奠定良好的基礎。
2 三維仿真交通管理系統建設的基礎
西方許多國家都十分重視以城市三維建模為基礎的三維仿真城市建設,我國許多城市的管理部門近年來也先后開展了三維仿真城市建設和數字仿真規劃工作。然而,目前國內外交通領域信息化管理平臺仍以平面化信息系統為主,三維仿真應用主要集中在局部施工設計、車輛行車模擬等,缺乏綜合性、實用性的應用,其主要瓶頸為數據建設,無法支撐三維化應用需求。
隨著社會經濟的快速發展,交通設施的建設速度不斷加快。以寧波市為例,“十一五”期間,規劃交通基礎設施建設投資將超過800億元,僅公路一項,“十一五”規劃新建公路2030km,改建公路1500km。交通相關規劃、建設、管理、協調工作數量多、周期長、復雜度高。另一方面,當前交通設施立體化的趨勢越來越明顯,同時隨著交通信息化水平的提高,各類監控、測速、信號控制等設施在線路上呈密集分布態勢,傳統二維和平面符號形式表達的圖紙,因為圖形簡單、不能給人以自然界的本原感受而遭遇誤解。寧波具有良好的三維仿真基礎,可以滿通管理的三維化應用需求。寧波市從2002年開始即著手開展城市三維建模及數字仿真規劃工作,已建立了全市的地形地貌數據庫、規劃區的建筑體塊模型庫和地面高程模型庫,完成了市區150km2主要建成區的三維精細模型庫建設工作。這就為寧波建設三維仿真交通管理系統提供數據和技術支撐。
總體來講,寧波市交通信息化基礎設施齊全,寧波市各類三維仿真空間數據庫數據種類多、覆蓋范圍廣、數據精度高,應用研究單位技術儲備雄厚,且有完善的制度性保障,具備良好的條件開展三維仿真交通管理系統建設工作。
3 系統建設
3.1 技術路線
三維仿真交通管理平臺基于B/S架構進行開發,系統設計與開發過程中盡可能將系統提供對外服務的應用程序功能封裝和為“Web服務”,整個系統的功能可以采用松耦合的方式實現集成,而且平臺提供功能服務具有可擴展性。
三維基礎地理空間數據與交通設施數據、交通規劃數據等交通專題數據采用統一的空間坐標系統,通過三維空間數據管理子系統實現各類數據的集成管理。
3.2 三維基礎框架數據
基于高精度數字航空影像的三維空間數據及路網數據,數據管理類似Google Earth方式,使市交通管理部門的交通規劃、建設、管理能基于全市、全省、全國乃至全球空間環境中進行,三維基礎框架管理子系統的建設,能為寧波市交通工作提供全面的三維地理空間服務。
三維基礎框架數據庫主要采用多分辨率分級模型對DEM和DOM進行組織,這種技術在不改變源數據精度和不影響視覺效果的條件下,通過層次細節顯示和簡化技術來逐次簡化地形的表面細節,以減少場景的幾何復雜性,從而提高計算機繪制三維地形地貌的效率。三維基礎框架數據庫包括1∶10000和1∶500兩級比例尺的高分辨率航空影像地理模型庫。
3.3 三維交通規劃數據
主要包括各類交通規劃資料,包括通道范圍、設計時速、立體互通及場站、指示標志、監控等配套設施規劃資料[1]。
三維交通管理系統系統對大量的交通設施進行了精確地點對點三維化管理,因為三維基礎空間數據精度達到厘米級,從大型的服務區,到小型的路燈,所有對象都有極高的精度,在系統中的位置,都與現實相一致,避免了今后各種信息的相互重疊和錯位,主要包括以下路網數據、通道內部信息、附屬設施等數據內容。
三維交通設施數據利用全數字攝影測量系統,在立體環境下采集建筑物幾何特征信息,各類設施的貼圖全部采用真實的紋理信息,其信息采集是利用高性能的數碼相機對設施進行全方位的拍攝,從而得到相關數碼像片圖片并經過正射幾何糾正處理。數據與三維基礎框架數據相集成,采用統一的空間坐標系統。
3.4 系統功能
三維綜合運輸規劃子系統能夠為交通綜合運輸規劃提供輔助決策手段,主要從在路網中的作用、實施的緊迫性等方面進行可視化分析,為決策部門提供參考意見;利用完善的三維基礎空間數據和強大的分析功能,從環境影響、工程造價、拆遷量、社會影響、工程難度等項目論證提供直觀依據[2,3]。
3.4.1 三維仿真場景瀏覽功能
實現宏觀、微觀場景的一體化,支持從全球、城市宏觀場景到精細三維場景的平滑瀏覽,提供了縮放、平移、盤旋、環繞飛行、步行、飛行、定速巡航等多種便于進行交流的漫游工具[4]。可以定義熱點,提供鷹眼導航圖以輔助漫游觀察,同時還提供了透視圖、頂視圖、斷面視圖等多種視圖類型。
3.4.2 輔助宏觀規劃決策功能
(1)挖填方分析。用于挖填方量的預算,直觀對比各類方案的填挖土方成本。具體如圖1所示。
圖1 挖填方分析結果
(2)空間量測。能夠輔助測量高速公路設計空間位置有關參數的量化分析:比如道路路面寬度、直線加速距離、車輛暫停位置的面積、高速公路與周邊建筑或其他地物的距離、橋梁隧道的長度、隧道高度、高速入口收費處與服務區之間的距離(是否合適)、應急電話與照明設施的間隔距離(是否適合)等。
(3)數據邏輯分層管理。系統將數據管理功能獨立成數據管理功能層,從邏輯上與系統其他各層進行分離,實現了空間數據存取的設備無關性和位置無關性。
(4)特殊設施影響域分析。影響域分析能夠根據特殊設施(如加油站等)周邊的地形特征,分析出周邊相對與中心位置的危險區域,可模擬演示高速公路設計方案殊設施對周邊地物的影響區域。(圖2)。
(5)路面特性分類定位統計。根據不同路段的不同特性,統計瀝青路、混凝土路、橋梁、隧道等,實時統計不同類型路段的位置、數量、建造成本等信息。
3.4.3 輔助精細設計管理功能
(1)定點視域分析。實現在任意選定點方位的視角進行觀察。可以用來分析出視點位置是否有視線遮擋,幫助確定高速道路導識系統和道路監控系統的最佳平面安放位置和豎向高度;也可以模擬分析駕駛者在高速道路行駛過程中的視線情況。
(2)定線巡航。可以在三維場景任意定制巡航路線,設定的參數包括巡航的高度、速度、視角,分析從整體分析道路的路線設計,方便設計方案的演示。
(3)監控設施覆蓋面分析。用于分析某點控制設施的覆蓋面,了解對于一定角度和半徑的扇面內的通視情況。
(4)特殊路段管理。對需特殊處理的的橋涵、隧道、高擋墻、高邊坡以及等進行數據庫建設構造。
(5)剖面分析。能用于對任意形狀的地形切剖面,進行各個點的分析,實現精確化測算。
(6)設施搜索定位。快速查詢相關設施三維位置及屬性目標,具備定制搜索、分類搜索及模糊查詢功能,實現關鍵字搜索和劃定空間范圍的搜索方式;
(7)三維交通設施屬性管理。各類交通設施屬性數據采用數據庫存儲,以滿足屬性數據豐富多樣性、維護更新頻繁等管理特點需要。數據庫可以采用Oracle或SQL Server。屬性數據與空間數據通過關鍵詞進行關聯,以達到功能、管理的相對獨立性。
4 系統典型應用
4.1 選址分析
三維仿真交通管理系統以三維空間數據庫為基礎,能夠將城市形態、地形地貌直觀地體現出來,從整體上把握交通設施周邊的空間形態,能對地理空間的物理環境、視覺環境以及空間結構進行分析,可以快速查閱各種交通設施現狀與規劃數據,進而利用空間統計功能,實時統計各方案的拆遷量、挖填土方數量及路線長度,降低建設成本,使線路空間分布更加合理高效。
4.2 交通設計
利用實時巡航等功能,能模擬駕駛感受,提高線路的坡度、彎度設計的合理性,利用視域分析、控制設施影響域分析功能,調整監控、信號設備的分布點,使設施效能最大化。利用特殊設施影響域分析,綜合居民地等信息,沿線合理配備加油站等設施。
4.3 宣傳演示
二維建筑圖紙或效果圖等資料無法整體直觀反映現場情況,通過開展三維仿真工作,社會各界可以通過系統直觀、生動了解交通項目建設狀況和未來規劃前景,有利于項目工作的宣傳,提高項目建設的社會效益。
5 結語
社會經濟的快速發展,特別是交通事業的蓬勃發展,給城市綜合交通規劃、建設、管理工作提出了更高的要求。以三維仿真技術為核心,綜合應用3S等新技術,集成各類交通相關信息,實現交通信息的精細化、可視化、遠程化、自動化管理,能夠極大的提高城市的綜合交通管理水平,為社會經濟發展奠定良好的基礎。
參考文獻:
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[3] 張衛兵,程雙希.視覺分析在道路設計中的應用[J].山西科技,2008(3).
關鍵詞：數字電路；交通燈控制器；電路仿真
前言：數字電路早在上世紀中后期就已經形成，其主要由組合邏輯電路以及時序邏輯電路所組成。就當前的實際情況來看，交通燈控制器的顯示設計均采用單片機的原理，為了能夠尋求一種更加簡便的方法，設計者利用數字集成電路來完成交通燈控制器，并以此來實現十字路通信號燈的控制。通過一系列的仿真與修改，能夠得知，和傳統的設計方法相比，利用數字電路的技術，具有靈活性強、效率高以及成本低等特點。
1 交通燈控制器的設計要求
本次設計的交通燈控制器所工作的條件是由甲、乙兩個交叉路口所構成，通過對交通燈控制器的設計，要求其控制的任務是：在甲路口綠燈亮的同時，要求乙路口紅燈亮，這樣的狀態保持3s。在3s之后，甲路口綠燈停，黃燈亮，保持1s，1s之后甲路口的黃燈以及乙路口的紅燈同時停止，甲路口紅燈亮，乙路口綠燈亮，保持3s。3s之后乙路口的綠燈停，黃燈亮，保持1s，1s之后乙路口的黃燈滅，亮起紅燈，同時甲路口綠燈亮起，并以此循環。
而這時的交通燈控制系統被分為控制器和受控電路兩個部分，根據對交通燈控制器的具體設計要求，本次研究中需要設計出一個循環控制系統，并觀察其控制的狀態。在下文中，將重點介紹設計的具體方案。
2 交通燈控制器的具體設計方案
2.1主控制器的設計
根據實際情況來看，在十字路口，車輛通行主要有兩種情況：一種是在交通事故條件下要求車輛禁行。在這種情況下，十字路口的兩端均不通行，這是交通燈需要紅燈亮，倒計時功能停止，并保持閃爍的狀態；另一種就是無特殊情況的通行，主要包含四種情況：第一，最開始的時候，東西道路為通行狀態，綠燈亮，南北道路為禁行狀態，紅燈亮；第二，十字路口的道路全部禁行東西道路黃燈亮，南北道路紅燈閃爍；第三，東西道路禁行，紅燈亮，南北道路通行，綠燈亮；最后，十字路口全部禁行，南北道路黃燈亮，且東西道路紅燈閃爍。根據這種情況，主控制器要實現4種狀態，并分別定義為S0、S1、S2、S3。要想實現這4種電路，可以應用到數字電路技術[1]。設計如下圖所示：
在這個設計圖當中，我們利用的是兩塊74LS192芯片，K0表示清零，由位置1切換到2，K1和K2是交通道路特殊狀態的控制鍵，如果有特殊狀態按K1，特殊狀態處理后，再按K2，表示恢復了正常的通車控制。A、B、C三種信號均用于對信號燈的控制，同時C還兼做停止計時時的閃爍效果控制。
2.2狀態譯碼器的設計
上文中提到，主控制器在實際應用中會產生四種狀態，而狀態譯碼器則要求分別控制十字路口上紅、綠、黃燈的狀態，而這3種燈的狀態和主控制器的輸出可以用R1來表示。與此同時，利用信號真值表能夠設計出交通燈控制器狀態譯碼器的電路。
在本次設計中的數字電路技術，共分為8個雙向3態緩沖電路，在其輸入和輸出均為高阻態的狀態。高阻態就是指在應用過程中相當于沒有這個數字芯片。在本次研究的電路中，主要是實現紅燈的閃爍，無論是在十字路口的主干道和支干道，都能夠利用這個狀態譯碼器來進行控制[2]。
2.3倒計時計數器的設計
在這次的研究中，交通燈控制器的倒計時電路主要是利用數字芯片74LS192來進行設計。具體設計如下圖所示：
在倒計時電路的脈沖信號和交通道路特殊情況控制信號C經過與非門U5：A后，被送入到個位片U2的DN端口，而十位片則被連接到另外的Q3端口當中。通過預置數的方式來實現任意進制下倒計時電路的設計，并且十位和個位片U1和U2的預置數據要按照下表來進行設計：
通過上表能夠得知所預置的具體數值，由于U1和U2的預置時間是倒計時電路到0s時根據U1和U2的TCD信號經過或門U6：A之后才形成的，考慮到數字芯片的延遲特點，因此選擇03s時就對主控制器當中的U11產生出驅動脈沖，以此來實現U1和U2的預置數據最終能順利送達。
3 交通燈控制器的仿真結果
在本次研究設計完成之后，需要利用到Proteus的軟件來進行仿真檢測，這個軟件是英國一家公司專門的EDA的工具軟件。本次設計當中的所有數字集成芯片都可以在這個軟件的元件庫里找到[3]。在仿真檢測中，設計人員畫好仿真電路并修訂出元件的具體參數就能夠實現仿真。通過仿真，數字電路對于交通的燈的基本控制功能就能實現，同時還具有倒計時及時間設置功能，能夠被廣泛運用。
結論：本次研究設計是通過將數字電路的分析設計和電子設計自動化相互結合，能夠完成交通燈控制器中各個單元電路以及整體信號電路的設計。為了能夠進一步驗證該設計的準確性，本次研究還通過Proteus軟件來進行仿真觀察，通過仿真檢測，可以看出仿真的結果符合設計的具體要求，并達到了所預期的目的。本次設計的交通燈控制器是在數字電路的基礎上完成的，相比于傳統的單片機設計交通燈控制器，這種設計方法更加簡單便捷，不需要再次進行軟件的編程和調試，并且成本低廉，適合在實際應用中廣泛推廣。
參考文獻：
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我院自2002年1月至2006年1月，將丙泊酚、丙泊酚復合芬太尼、丙泊酚復合瑞芬太尼用于妊娠6~10周的人工流產術中鎮痛，取得較好效果，現報告如下。
1 資料與方法
1．1 一般資料 選擇婦科門診ASAI級早期妊娠婦女120例。無任何合并癥及禁忌證。平均年齡23．5(19~40)歲，均經B超檢測證實為宮內妊娠，孕次1~4，產次0~2，孕齡42~70 d，隨機分為A、B、C、D 4組，每組30例。
1．2 方法 選擇早期妊娠婦女，常規禁食6 h。術前30 min肌內注射阿托品0．5 mg，入室后在前臂建立靜脈通道。 A組：采用單純丙泊酚2．0~2．5 mg/kg靜脈推注，1 min內注完，每次追加丙泊酚0．5 mg/kg；B組：先靜脈推注芬太尼1 μg/kg 后靜脈推注丙泊酚2．0~2．5 mg/kg，1 min內注完，必要時以0．5 mg/kg追加丙泊酚至手術結束；C組：靜脈推注丙泊酚0．8 mg/kg加瑞芬太尼1 μg/kg，0．5～1 min內注完，每次追加0．2～0．5 mg/kg；D組：不采用任何干預措施。A、B、C 3組均由專職麻醉醫師靜脈給藥，并觀察和記錄血壓(BP)及心率(HR)等。
1．3 監測指標 監測并記錄術前睫毛反射消失、擴宮、術中、術畢的收縮壓(SBP)、脈搏(HR)、血氧飽和度(SpO2)、術中疼痛情況、出血量及清醒時間。給氧及建立靜脈通道，搶救設備完善，由麻醉醫師全程監護。
1．4 鎮痛判定標準
1．4．1 顯效 患者無腹痛，表情安靜自如，朦朧入睡或無意識，活動、醒后無記憶。
1．4．2 有效 輕度腹痛，牽拉感，意識清醒，基本安靜。
1．4．3 無效 下腹明顯疼痛，出汗或不止。
1．5 宮口松馳判定標準 以能一次性通過6 F吸頭為標準。
1．6 統計學處理 采用t檢驗及χ2檢驗。
2 結果
2．1 各組術中鎮痛效果及PAAS發生情況比較 A、B、C 3組在開始給藥后5~10 min清醒，無訴疼痛感覺，總有效率為100%，總有效率高于D組(P
2．2 術中出血量 4組術中出血量差異無統計學意義(P>0．05)，見表2。
2．3 宮頸擴張情況 A、B、C3組宮頸口松馳，6F擴張器可無阻力通過，無需擴張宮口；D組需宮頸擴張器從3．5～6 F逐號進入行宮頸擴張。
2．4 麻醉監測結束 A、B兩組在睫毛反射消失階段，可出現一過性呼吸頻率減慢，SpO2輕度下降，但短時間內可自行恢復，A、B、C3組血壓、心率與術前比較下降明顯(P0．05)。見表3。蘇醒時間：A組(7．5±1．0)min；B組(7．8±1．3)min；C組(66．1±15．6)s；C組早于A、B兩組。
03
2．5 用藥量A組丙泊酚(187．4±45．1)mg/kg；B組丙泊酚(162．3±32．0)mg/kg、芬太尼(0．05±0．01)mg/kg；C組丙泊酚(75．1±12．5)mg/kg、瑞芬太尼(80．2±1．9)μg/kg；A、B兩組丙泊酚的用藥量明顯大于C組的用藥量。
3 討論
人工流產術由于操作簡單，既往多不使用麻醉，術中93%的患者主訴疼痛，并出現心率減慢、血壓下降，甚至發生PAAS等多種不良反應，給患者造成身心痛苦。本文A、B、C 3組3種鎮痛方法用于人工流產術，均取得良好效果。使手術操作順利，縮短了手術時間，減少了患者痛苦，但各自均存在不足。我們研究之一：丙泊酚作為一種新型的靜脈，具有起效迅速30～40 s，半衰期短，蘇醒迅速而安全，無惡心、嘔吐等特點[1]，但單純應用丙泊酚由于鎮痛作用較弱，術中體動，術后腹痛發生率較高用于門診小手術，還不是很令人滿意。之二：丙泊酚復合芬太尼靜脈麻醉在國內雖已廣泛應用于無痛人流術，且取得了較好的麻醉效果，但芬太尼起效慢，作用時間長[2]對短小的人工流產只能使用小劑量，要達到麻醉完善，使用丙泊酚的劑量應較大致使術后患者蘇醒延時，醒后頭暈厲害，這對門診手術，人工流產術也不是十分理想。之三：瑞芬太尼是一種新型的μ受體激動藥，起效迅速，消除快，作用強，重復用藥無蓄積作用[3]，與丙泊酚復合減少了各自用藥量，也減少術中體動，術后腹痛的發生，無蘇醒延時，醒后頭暈等，但瑞芬太尼對呼吸的抑制較明顯不能忽視對RR及SpO2的監測。
參考文獻
1 楊德榮，花象峰，趙詠梅.丙泊酚兩種給藥方法對無痛人工流產術呼吸抑制的影響.中國實用婦科與產科雜志，2006，22(5):382.
【關鍵詞】 EDA 數字電路 電路仿真
數字電路主要有組合邏輯電路和時序邏輯電路兩部分組成，交通燈控制器的設計既可以涉及到這兩部分的基本原理的運用，又可以鍛煉學生對數電綜合電路的設計和分析能力，因此交通燈控制器的設計是數字電路一個很好的教學題材，在完成電路設計的同時配合電子設計自動化（EDA）教學，學生無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，EDA可以很好地、很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來。并且可以用虛擬儀器技術創造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學員的學習熱情和積極性。真正的做到了變被動學習為主動學習。目前在各高校教學中普遍使用EDA仿真軟件是Multisim10.1， 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。
下面介紹以Muitisim10.1 為平臺設計一個十字路通控制器系統的過程.
1 設計要求
設計一個十字路口的交通燈控制器，要求主干道和支干道交替運行，主干道每次通行時間都設為30秒；支干道每次通行時間都設為20秒；綠燈可以通行，紅燈禁止通行；每次綠燈變紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘（此時另干道的紅燈不變）；十字路口要有數字顯示，作為等候的時間提示。要求主干道和支干道通行時間及黃燈亮的時間均以秒為單位做減法計數。黃燈亮時，原紅燈按1Hz的頻率閃爍。
2 交通控制器電路設計與仿真
2.1 狀態控制器的設計
根據設計要求，主干道和支干道紅、綠、黃燈正常工作時，只有四種可能：主干道車道綠燈亮，支干道車道紅燈亮，用S0表示，綠燈亮足規定的時間間隔30秒時，控制器發出狀態轉換信號，轉到下一工作狀態；主干道車道黃燈亮，支干道車道紅燈閃爍，用S1表示，黃燈亮規定的時間間隔5秒時，控制器發出狀態轉換信號，轉到下一工作狀態；主干道車道紅燈亮，支干道車道綠燈亮，用S2表示，綠燈亮足規定的時間間隔20秒時，控制器發出狀態轉換信號，轉到下一工作狀態；主干道車道紅燈閃爍，支干道車道黃燈亮，用S3表示，黃燈亮足規定的時間間隔5秒是，控制器發出狀態轉換信號，系統又轉換到最初種狀態。可以用一個2位二進制計數器實現這四種狀態：S0=00，S1=01，S2=10，S3=11，本設計用74ls190連接成二進制加法計數器，電路圖如圖1所示：
2.2 狀態譯碼器的設計
狀態控制器已經產生了四種狀態，用Q2，Q1兩位二進制數組合來表示S0到S3四種狀態，狀態譯碼器要求利用Q2，Q1分別控制主、支干道上紅、綠、黃信號燈的狀態，紅、綠、黃信號燈狀態與控制器的輸出Q2，Q1關心可用表1（1不是燈亮，0表示燈滅）來表示。由信號真值表可以設計出狀態譯碼器電路，如圖2所示：
74LS245為8個雙向3態緩沖電路。主要使用在數據的雙向緩沖，～G=0，DIR=0，B->A；～G=0， DIR=1， A->B；～G=1， DIR為0或者1，輸入和輸出均為高阻態；高阻態的含意就是相當于沒有這個芯片。在本電路中是實現紅燈的閃爍，無論是主干道還是支干道，Q1為1，可以利用Q1來控制～G，當Q1為1，～ Q1為0，～G為0，秒信號就可以輸入電路，實現紅燈的閃爍。
2.3 倒計時電路的設計
根據設計要求，該系統共有四種狀態（S0-S3），在每種狀態都要求能夠自動調入不同定時時間的定時器，完成30S、20S、5S的倒計時顯示。該定時器由兩片74LS190構成減法計算器實現，初始值可通過三片74LS245完成預置數，顯示電路用自帶譯碼功能的兩個數碼管實現兩位十進制數的顯示。設計的定時倒計時電路如圖3所示：
2.4 仿真結果
將上述各單元電路組合起來，可以得到交通控制燈的整體電路，點擊Multisim 10.1 軟件的“Simulate/ Run”按鈕，便可以進行交通燈控制器的仿真。電路的倒計時顯示首先為30 s，此時主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，進入狀態S0，倒計時為0后，主干道黃燈亮，支干道紅燈閃爍，閃爍的頻率為1HZ，進入狀態S1，倒計時從5開始計時，倒計時為0后，主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，進入狀態S2，倒計時從20開始計時，倒計時為0后，主干道紅燈閃爍，閃爍的頻率為1HZ，支干道黃燈亮，進入狀態S3，倒計時從5開始計時，倒計時為0后，又回到S0狀態，如此循環下去。
3 結語
該設計通過把數字電路的分析與設計與EDA相互結合，完成交通燈控制器各個單元電路和整體電路的設計和仿真，很好的解決目前高校教育中理論教學與實際動手實驗相脫節，試驗室條件不足等問題。電路設計仿真成功后再構建實際電路，既可以降低成本，又大大提高了教學和專業設計的效率，對老師教學也是一個很好的提高和促進。
參考文獻
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[關鍵詞]數控仿真軟件；數控機床；教學實踐
中圖分類號：H319 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）18-0227-01
主要內容：
工業化和自動化已經成為制造生產領域的發展主題，隨著智能加工理念和自動化加工需求的不斷深化，以數控機床為代表的新一代自動加工設備開始在制造業中普及開來。我們可以看到數控機床在集成了柔性加工、多維加工、曲面加工和多軸聯動等最新加工技術的同時，還兼容了數字編程和輔助設計等功能，這使得每一個數控機床都能成為一個不同規模的加工中心，滿足不同的加工需求。但是正是由于數控機床的功能多樣性，使得數控機床的操作要求十分嚴格，操作者不僅需要具備扎實的機械加工基礎知識和操作技能，還需要對數控編程技巧、數控加工技術原理和加工工藝制定等具備一定的知識儲備，這就對當前的數控機床操作人才的培訓模式提出了很高的要求，如何進一步強化數控機床操作人才培訓的有效性和成材率，這將是本文要集中探討的話題。
一、數控仿真軟件概述
從技術層面來看，數控仿真軟件集成了虛擬現實技術和計算機圖形學技術，并且能夠實現虛擬現實的數控機床操作試練。虛擬現實技術通過量化實際系統的系統參數、系統環境、聲光電等現象，能夠真實的還原系統操作環境，給與操作者以極高的真實體驗；可以對設備進行操縱，可以查看生產過程、實驗過程、施工圖過程、供應過程等活動的各種技術參數的動態值，從而確認現實系統是否有能力完成預定的任務和如何去完成，也可從中發現運動過程的缺陷和問題，予以改進。
目前來看，數控仿真軟件主要包括了兩種，一種是模擬數控機床加工環境和加工過程的虛擬數控機床仿真軟件，另一種就是以零件設計和加工程序為主線的CAD/CAM一體化軟件。數控機床仿真軟件能夠讓操作者快速熟悉數控機床的結構組成、工作流程和操作要領，通過外接數據庫，能夠對當前主要的數控機床進行針對性培訓，效果十分突出；零件加工仿真軟件則將重心主要集中在零部件設計、零部件加工工藝設置、數控加工程序編制等環節上，目前常見的零部件仿真軟件主要有solid edge、Pro/engineer、MasterCAM、Solidworks、CAXA等，這些仿真軟件能夠讓操作者快速熟悉機械加工過程，培養機械專業技能。
二、數控仿真系統在數控機床教學實踐中的應用
在目前的數控機床操作人才培訓中，主要也是針對上述兩種仿真軟件形式，進行針對性極強的教學實踐培訓，詳細應用內容如下所述：
1）數控機床仿真軟件在數控機床實踐教學中的應用
數控機床仿真軟件是基于虛擬現實系統平臺而搭建起來的操作系統，它可以在虛擬現實數控機床數據庫的支持下，完美的再現當前主要數控機床的結構組成和工作環境，在數控機床的教學實踐過程中，首要科目是要熟悉數控機床的結構組成，受到經濟條件的限制，多數數控機床加工學校很難對當前的各種類型的數控機床進行現場拆裝，數控機床仿真軟件中的模塊分解過程能夠實現全息裝配過程，仿照真實數控機床零部件尺寸，進行的實際工業化裝配流程的演練，能夠進一步加深學生對于數控機床的進給系統、多軸聯動系統、曲面加工系統的空間形象的理解；其次是典型加工工藝的教學實踐，數控機床仿真軟件能夠對工件毛胚定位、工件裝夾、夾具工作原理、壓板安裝流程、加工基準對刀原則、刀具安裝和選用規范、機床手動操作和自動操作指令條碼等，進行逐一的繁復講解，而且允許學生在課后進行溫習和嘗試；再者是完善的圖形數據和加工標準數據庫資料，使得學生可以在仿真軟件自帶的典型數控機床編程程序的指導下，進行實際編程，并且在虛擬加工平臺上，對自定義的工件進行工藝設定，并且檢查加工工件的尺寸誤差和質量達標情況；該仿真軟件系統結合自動化考核系統，能夠實現教學、實踐和考核一體化的培訓模式。
2）零部件加工仿真軟件的教學實踐應用
熟知零部件的造型原理和加工工藝流程是保證數控機床操作者能夠進行復雜加工過程的技術基礎，零部件加工仿真軟件為學習者提供了一個高仿真度的零部件數模設計，包括了曲面造型設計和參數化設計這兩種主要的形式，對于簡單曲面造型和復雜曲面的造型原理都能有一個清晰的理解過程；其次是對零部件加工工藝的熟悉過程，工件加工的第一道工序是要進行基準對刀，不同的零件對刀的原則和位置選擇都大相徑庭，比如軸對稱零部件、桿件、板件、螺旋件以及內內孔加工等等，這都需要學生們在平時的學習過程中熟練的分析不同類型零部件的加工工藝選擇準則；再者是對數控加工刀具的走刀過程和走刀程序進行針對性的講解，這種直觀的培訓模式有助于學生養成數控加工思維，結合實踐性極強的零部件金工實習，使得學生們在自己動手加工典型零部件時，對于零部件造型保持的關鍵性因素、令不加加工失效的主要原因以及加工過程的重點注意事項都能有一個直觀而且親身經歷的過程，經過這種培訓模式所培養出來的數控機床操作人才將兼具專業知識背景和機床操作技能，能夠適應快節奏、高技術含量的操作需求。
總結：
隨著自動化技術和機械加工技術的不斷發展，數控加工已經成為機械加工領域使用最為廣泛的技術形式。數控機床的使用需要一定的專業知識背景和操作編程經驗，相關操作技術人員已經成為當前機械加工市場的稀缺人才。本文概述了數控加工仿真系統在數控機床教學領域的應用現狀，并就完善數控仿真軟件的教學價值提供了新的思路。
參考文獻
關鍵詞：光纖通信；實驗教學；仿真技術
作者簡介：陳琳（1978-），女，江蘇常州人，上海電力學院電子與信息工程學院，副教授；朱武（1969-），男，湖北隨州人，上海電力學院電子與信息工程學院，教授。（上海 200090）
基金項目：本文系上海市教委重點課程資助項目（項目編號：滬教委高（2011）48號）的研究成果。
中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0147-02
光纖通信是以光波為載波，以光導纖維作為傳輸媒質的一種信息傳輸方式。該技術因具有傳輸容量大、中繼距離長等優良傳輸特性，被廣泛應用于電力傳輸網、通信網和接入網等領域。
“光纖通信”作為通信工程、光電信息工程、電子信息工程專業的核心課程，主要講述了光纖通信的基本概念、傳輸理論、系統組成、新技術等內容。[1]該課程具有涉及內容廣、基礎理論深、知識更新快等特點。為了進一步提高“光纖通信”課程的教學質量，開設了光纖通信實驗課和光纖通信系統課程設計，加強了學生對理論知識的理解，培養了實際動手能力和創新能力。
傳統的實驗教學一般都是安排學生在硬件實驗箱上實現。此類實驗基本為驗證性實驗，只需根據實驗指導書進行簡單操作，無法調動學生的實驗興趣，也限制了對學生創新能力的培養。此外，光通信器件成本較高，需要及時維護，且隨著科技的進步，新的理論和技術迅速產生與發展，需要投入充足的設備經費，不斷更新實驗設備。[2]因此，實踐教學部分除了利用光纖通信實驗箱開設固定的驗證性實驗外，還可利用仿真軟件MATLAB和OPTISYSTEM構建光纖通信系統模型，以提高學生的實驗效率，有效地節省實驗教學成本。[3-6]
一、MATLAB仿真軟件的應用
由于“光纖通信”課程概念繁多，物理規律較為抽象，特別是其中的一些光學現象和規律缺乏細致的數學推導，為學生學習該課程帶來了諸多困難。因此，在“光纖通信”課程教學中可以適當地使用MATLAB仿真軟件所提供的可視化界面，使學生獲得對光學物理現象的感性認識，縮小理論與實際的差距，提高學習效率和效果。
MATLAB是Mathworks公司推出的一套高效數值計算和可視化軟件。它集數值分析、矩陣計算、信號處理和圖形顯示于一體，具有編程方式自由、簡單易學等特點，已廣泛應用于工程計算和系統仿真等開發環境。利用MATLAB軟件不但可以擺脫繁雜的大規模計算，而且還可以使學生自己動手進行編程，加深對光纖通信基本理論的理解。在編程過程中，可以通過改變仿真參數來直觀地對實驗結果進行計算和分析，大大節省了時間，提高了實驗效率。
在光纖傳輸原理章節中，對于波動理論，一般是通過求解麥克斯韋方程組來導出波動方程，分析電磁場的分布性質，最后獲得光纖的傳輸特性。公式推導過程繁雜，涉及的電磁場與數學知識較多，學生理解困難。因此，在課堂教學中除了引入多媒體的輔助教學手段外，還可以借助MATLAB仿真軟件，幫助學生理解多模和單模光纖的模場分布。
多模光纖中，存在更多的高階模式。根據LP模的特征方程，得到階躍型折射率光纖的模場分布。如第一個高次模LP11模的二維、三維模場分布如圖1（c）、（f）所示。從圖1可以看出，當歸一化頻率V=5時，LP11模有兩個對稱的主瓣，不存在旁瓣現象。
在“光纖通信”課程教學中，引入MATLAB仿真，能夠進一步加深對抽象概念的理解。通過仿真，學生弄清了數學公式和物理概念之間的內在聯系，使理論教學中枯燥的概念可視化，極大地調動了學習主動性和趣味性，有效地提高了教學質量。同時，在編程過程中，學生通過查詢文獻資料和相互討論，較好地培養了團隊合作精神，提高了創新能力。
二、OPTISYSTEM仿真軟件的應用
系統實驗有助于培養學生對理論知識的綜合運用。針對實驗箱可供開設的綜合性、系統性實驗項目較少的情況，可以利用OPTISYSTEM仿真軟件對光學器件和通信系統進行建模。通過仿真軟件對實際操作過程進行模擬，以獲得數據加以分析。
OPTISYSTEM是OPTIWAVE公司開發的一套光通信系統模擬軟件。它可以幫助用戶規劃、測試和模擬傳輸層的各種類型的光通信網絡，包括局域網、城域網和廣域網；同時提供了從組件、器件到系統各個層面的光通信系統設計和規劃，如TDM/WDM、SDH、光孤子通信等，并利用優化功能仿真計算系統的各項性能參數，通過數據分析和圖形顯示來獲得最佳系統性能。
在OPTISYSTEM系統仿真實驗中，學生可以通過調整參數，對一個光學元器件甚至整個通信系統進行優化設計，直觀地模擬整個光纖通信系統的傳輸過程。利用仿真軟件進行系統性能分析，有利于引導學生對復雜系統進行探索，提高學生對系統性能的全面認識。
例如，波分復用（WDM）系統是現行光纖通信系統的主要架構形式，利用波分復用技術可以實現大容量、長距離的網絡傳輸。但是由于傳統實驗箱的限制，WDM系統難以通過硬件平臺來構建。因此，可以通過OPTISYSTEM軟件來搭建WDM系統，并進行系統性能分析。
WDM系統實驗在OPTISYSTEM仿真平臺上完成。要求學生使用光傳輸系統仿真軟件，搭建8信道的WDM系統，如圖2（a）所示。該系統由波分復用器（WDM）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、光纖鏈路、解復用器（WDM Demux）和光接收機等光學器件組成。學生自行設計和搭建系統，配置波分復用、解復用、調制器等參數，并利用虛擬光譜分析儀來觀察8通道波分復用系統的頻譜、誤碼率等特性，如圖2（b）、（c）所示。學生通過調整各模塊的參數、搭建系統模型和分析仿真結果，鞏固了EDFA、波分復用/解復用等方面的理論知識，也為今后對實際WDM系統規劃打下了堅實的基礎。
又如，用OPTISYSTEM軟件設計搭建單模光纖通信系統，如圖3（a）所示。傳輸速率是40Gbit/s，傳輸距離是60km。信源使用的是偽隨機碼發生器，它將數據流發送到非歸零（NRZ）碼電脈沖發生器。經NRZ調制的電信號具有緊湊的頻譜特性，經過馬赫曾德爾調制器（MZM）后轉換成光信號送往光纖信道。為了減小光纖傳輸損耗和色散的影響，在光纖鏈路上添加了摻鉺光纖放大器。接收端經過光纖信道傳輸過來的光信號接入PIN光電檢測器，轉化為電信號后送入低通貝塞爾濾波器。
為了觀測光信號的波形，在光纖通信系統中設置了觀察儀器：光譜儀、光時域信號觀察儀及誤碼率分析儀。對系統中的器件參數設置后進行系統仿真，得到調制后的光信號時域波形和頻譜，如圖3（b）、（c）所示。
這些光器件都可以在OPTISYSTEM軟件的器件庫中選取，并根據需要對每個器件設定參數來獲得較好的系統性能。因此，通過用OPTISYSTEM軟件設計分析，可以了解光通信系統各個器件節點處的波形和頻譜特點，簡單直觀、形象生動。教師可以根據教學大綱設置相應的實驗項目，讓學生課后學習OPTISYSTEM軟件，并引導學生根據實驗內容建立相應的系統模型進行仿真實驗分析。
三、結束語
運用MATLAB/OPTISYSTEM仿真軟件進行實驗教學，很好地彌補了缺少硬件實驗器件所帶來的不足，豐富了實驗教學內容；同時節省了實驗課堂教學時間，加深了學生對系統理論知識的理解和應用。通過對“光纖通信”實驗教學手段和內容的改革，學生對實驗的積極性和創造性得到了普遍提高，實驗教學效果和質量也得到了明顯提升。
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關鍵詞：車輛工程；控制系統；仿真技術；教學改革
中圖分類號：G642.4文獻標志碼：A文章編號：1002-2589（2015）23-0142-02
由于電子控制技術在車輛工程中的應用發展十分迅速[1]，車載控制系統已成為車輛工程學科里一個重要的研究方向。現代汽車的電控系統數量一般為幾十個，而高檔汽車已高達上百個，電控系統控制器的開發對控制系統理論在具體工程中的應用提出了很高的要求。在車輛工程專業教學中，“控制系統與仿真技術”課程作為本科生的培養內容極為必要[2]。通過本課程的學習，使學生掌握控制系統設計的基本思路和方法，培養學生成為具有分析問題和解決問題能力的創新性人才。本文以安徽工程大學車輛工程專業“控制系統與仿真技術”課程改革為例，介紹教學改革實踐中的一些體會和有益經驗，與同行分享。
一、課程分析
1.課程現狀分析
“控制系統與仿真技術”作為車輛工程學科一門專業選修課，是學生走向科研院所或汽車企業應該掌握的一門課程，安排在第三學年的第二學期，總學時為32學時。本課程僅安排4個學時的實驗，其中控制系統的MATLAB建模和SIMULINK仿真分別為2個學時。“控制系統與仿真技術”原屬于自動化專業的一門專業基礎課，教學以理論講解為主，側重于數理公式的推導。這種教學無法培養學生的動手能力，不利于學生理解控制系統的理論本質，對于MATLAB軟件的一些函數和命令，學生只能依靠死記硬背，降低了學習的積極性，影響教學效果。
“理論力學”和“控制工程基礎”等作為前續課程，學生在學習“控制系統與仿真技術”時已掌握了一定的理論知識，但這些知識點對學生來說是相互孤立的，缺乏對知識體系結構的系統性認識，對具體的理論應用不知所措。“控制系統與仿真技術”教學中對理論過多的講解也會造成教授內容的重復，降低了講課效率，不能充分發揮學生學習的主動性。教學方法采用單一的任務驅動教學法，在任務訓練的后期，任務小組內部容易出現少數學生具有依賴思想，導致抄襲現象經常發生。具體任務主要為傳統控制理論的數字仿真分析，對汽車各種電控系統的工程背景基本沒有涉及，這不利于學生了解本領域的科技進展，任務訓練難以實現應用MATLAB解決實際工程問題。
2.課程定位目標
安徽工程大學車輛工程專業為安徽省首批“卓越工程師教育培養計劃”建設專業，“卓越工程師教育培養計劃”旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才[3]。在“卓越工程師教育培養計劃”引導下，車輛工程專業的培養目標定為：培養德智體全面發展、基礎扎實、誠信實干、綜合素質高、實踐能力強、具有創新精神，從事車輛及其零部件設計、制造、實驗研究以及車輛經營管理等領域的高級應用型專門人才。上述培養目標迫使我們必須改革傳統的教學方法，積極探索富有活力、促進學生全面發展的新型課堂教學方法，激發學生的內在潛能，培養學生的創新能力和工程能力。
在廣泛調研的基礎上，制定了車輛工程專業的培養方案，對專業課程進行了調整，新開設了“控制系統與仿真技術”課程。由于車輛工程專業學科交叉明顯，機械、電子、液壓、控制等課程均有涉及，“控制系統與仿真設計”課程在整個培養體系中的定位如圖1所示。由圖1可知，在培養體系中，汽車的各種電子控制系統，如電控燃油噴射系統、穩定性控制系統、電控轉向系統、車身控制系統、電控懸架系統、巡航控制系統、電控自動變速器和防抱死制動系統等為具體的工程應用。汽車系統動力學、汽車設計、汽車構造、汽車理論、汽車電子、傳感器技術和控制工程基礎等為基礎理論課程。“控制系統與仿真技術”課程作為基礎理論到工程應用的橋梁，在整個培養體系中具有重要意義。
二、課程教學改革措施
1.課程內容優化
根據“控制系統與仿真技術”課程的培養目標，對教學內容進行整合優化，將教學內容劃分為理論教學與實踐教學兩部分。理論教學部分主要完成基本知識點的講解，以汽車中涉及的動力學系統為分析對象，以汽車電子控制系統的設計方法為設計案例，突出課程特色。實踐教學是課程學習的重要內容，在內容設置上力求做到理論聯系實際，重視工程概念在實際問題中的應用，提高學生的工程意識和工程實踐能力。
“控制系統與仿真技術”教材目前主要側重于MATLAB介紹和控制理論的數字仿真等內容，系統地以車輛為研究對象講解如何設計控制系統的教學案例非常少，適合于車輛工程專業學生及工程技術人員閱讀的教材不多。在本次教學改革實踐中，增加了汽車中相關控制系統的設計與應用，以車輛工程專業教師的科研成果為基礎，編排了適合車輛工程專業學生閱讀的教材，其中以汽車電控轉向系統、電機調速控制以及自適應巡航控制系統為主要教學案例，在后續教學中繼續增加相應的內容。在教材內容修訂上，應盡量避免與其他相關課程知識點的重合。
設計工程項目時需遵循三個原則：融合相關教學內容涉及的知識點，并充分覆蓋教學內容；緊跟汽車技術的發展方向，應具有較強的時效性；實施過程中所遇到的問題難度適中，易于激發學生學習的積極性。工程項目分解成實際案例需要與實踐教學內容相結合，案例在功能上具有一定的完備性，且各案例之間保持一定的漸進性，逐步引導學生，避免產生抵觸情緒。實際案例的篩選應以較為成熟的控制系統或具有代表性的控制方法為案例。實際案例討論與分析完畢后，根據學生反饋的學習效果，指導學生將實際案例歸納綜合成相應的具體任務，將具體任務進一步分解，讓每個小組成員都承擔一定的具體任務。2.教學方法設計
案例教學法是一種以案例為基礎的教學方法，融合相關知識點于實際案例中。案例中設置的問題為一種兩難問題，沒有某一特定的解決方案[4]。教師在教學中作為設計者和激勵者的角色，積極引導學生解決問題，培養學生主動分析和解決問題的能力。項目教學法是以項目為主線、學生為主體、教學為主導的教學方法。學生在教師的指導下負責信息的收集、方案的設計、項目的實施。項目需要小組成員的通力合作完成，這有利于增強學生的團隊精神，提高學生的自主創新能力。而任務驅動教學法是以解決問題、完成任務為主的多維互動式的教學方法。學生結合自己的具體任務模塊，構建知識體系，有利于激發學生的學習興趣。
由上述三種教學方法的分析可知，三種方法在發揮學生主觀能動性和培養學生創新能力等方面各有所側重點[5]。在當前實踐教學中，上述三種教學方法取得了良好的教學效果，但基本上以一種教學方法為主，過分依賴教學方法中所設計的單一項目、案例或任務，影響了教學效果。為此，建立了一種基于項目案例任務驅動的“控制系統與仿真技術”課程實踐教學方法，其教學過程如圖2所示。由圖2可知，該教學方法結合“控制系統與仿真技術”課程，融合三種教學方法為一體，以工程項目為主導、實際案例為引導，用具體任務驅動學生構建車輛工程學科的知識體系結構。
三、課程教學改革實踐
1.課程教學實施
“控制系統與仿真技術”課程具有明顯的實踐性和綜合性的特點，特別注重應用能力的培養，因此課程安排理論教學20學時，實踐教學12學時。整個課程安排在第8周至第15周，授課在每周的星期二和星期四進行，每次連續兩個課時。實踐教學安排3個工程項目，分別安排在第10周、12周和14周。理論教學安排在第8周、9周、11周、13周和15周，授課期間加入實際案例討論，周四課后安排具體任務。
教師在工程項目的設計上，突出工程背景，結合自己的相關科研成果，加強實踐環節的創新性和綜合性。本課程的工程項目應用MATLAB軟件開展訓練，MATLAB是仿真軟件中易學、功能強大的一款，成為“控制系統與仿真技術”課程項目訓練的首選工具。為加深學生對控制系統、仿真技術的概念，本課程通過讓學生參觀相關的汽車電控系統，如電控轉向系統平臺、自適應巡航控制系統模擬器等。在教學手段上，合理使用多媒體課件講課，為了加強學生對理論知識的理解，還可以穿插些圖片、幻燈片等。在教學過程中，注重課外創新活動與課堂實踐教學的結合，鼓勵學生積極參加一些控制系統設計類的項目和競賽[6]，如大學生創新創業計劃項目和飛思卡爾智能汽車競賽等。
2.課程教學效果
采用文獻[7]中的教學效果綜合評價模型對教改的教學效果進行實證研究。評價指標為個人興趣K1、職業發展K2、能力培養K3、教學效率K4、學習方法K5、行業經驗K6和適應能力K7。個人興趣為教學方法對激發學生學習興趣、求知欲，調動學生積極性的評價。職業發展為教學方法對增進學生團隊合作與溝通，對學生職業發展的導向性及學生是否提出新觀點的評價。能力培養為教學方法對培養學生分析問題、解決問題，以及創造能力的評價。教學效率為學生掌握相關專業知識和考核指標的科學性與合理性的評價。學習方法為學生在課堂上對“控制系統與仿真技術”課程學習方法的掌握程度的評價。行業經驗為教學方法對學生獲得實務與行業經驗的評價。適應能力為教學方法培養學生滿足社會人才需求適合程度的評價。教學效果綜合評價模型中評價指標的權重表如表1所示。
傳統教學和實施教改后的教學效果評價指標如圖3所示。由圖3可知，7個評價指標在實施教改后均有不同程度的提高，其中行業經驗提高最快，增幅為21.7%。綜合評價值由2.4662提高為2.8994，這說明教改的實施提高了學生學習的自覺性，提高了發現問題、分析問題、解決問題的能力，激發了創新意識，調動了學生獲取知識的積極性和主動性，從而為學生撰寫畢業論文以及畢業后走上工作崗位運用仿真技術打下了堅實的基礎。
[關鍵詞]仿真技術；通信工程；仿真軟件工具
[中圖分類號]G40―057
[文獻標識碼]A
[論文編號]1009―8097(2009)13―0309―03
一 仿真在現代通信技術中已成為重要的工程設計手段
隨著通信技術和計算機技術的進步，通信系統仿真技術已經逐漸成為通信系統設計和驗證的主要手段。近二十年以來，數字信號處理方法和軟件無線電技術得到了廣泛應用，傳統的設計手段和設計方法已經不能適應急劇增加的通信系統復雜性的要求。今天，如果沒有計算機仿真方法，系統設計和性能測試是不可能完成的。
傳統的通信系統設計中，主要考慮的是對熱噪聲的性能指標問題。傳輸信道一般建模為加性高斯信道，性能指標的評估采用傳統的解析計算方法就可勝任。然而，許多現代通信系統，尤其是工作環境十分復雜的無線電通信系統和抗干擾通信系統中，其工作頻率在數千兆頻帶，電磁波傳播特性也十分復雜，衰落和多徑效應成為系統設計主要問題。相應接收機的復雜性大大提高：例如復雜的同步算法，信道估計和符號檢測，RAKE體系結構以及非線性系統在現代無線電通信中被廣泛采用。對此，傳統的理論解析分析方法都不再總是有效的，對于現代通信系統而言，仿真方法是必需的設計和分析手段。
現代通信網絡和網絡協議的復雜也是必須采用仿真方法研究的原因。傳統的排隊理論和運籌學可以解決對簡單通信信息流量模型的性能分析和計算問題，但是現代通信網絡協議的復雜性已經遠遠超出了傳統數學的分析能力。為了快速、便捷而且準確地對通信網絡協議性能做出評估，采用基于事件的離散事件仿真方法幾乎是唯一的選擇。采用仿真方法可以避免理論性能分析的障礙，通過系統建模，參數選擇和調整，能夠迅速得出系統在模擬真實環境中的行為表現，從而對所應用的信號處理算法、通信協議做出評估和改進。
微處理器和數字信號處理芯片技術的進步在硬件上保證了現代通信系統的實現問題，在此背景下，算法和協議的軟件實現越來越成為系統功能實現的主要手段。仿真中應用的算法和真實系統中的功能實現算法已經融合。同時現代微型計算機的處理能力大大超過了數年之前的大型計算機，已經基本能夠滿足通信仿真軟件和仿真數值計算對計算機運算能力和存儲空間的需要。現在，在整個通信業界，基于仿真技術的系統設計分析已經被廣泛采用，成為研究新理論，開發新技術的主流方法。掌握仿真技術也是通信業界所必需的技能之一。
二 仿真技術是現代通信實驗必不可少的環節
學習和研究現代通信技術是一個理論與實踐相結合的過程。在通信工程實踐環節中，仿真技術得到了廣泛的應用。透過仿真技術，通信工程專業的學生可以學習和研究比傳統通信理論所研究的對象更為復雜，更為接近真實工作環境的通信模型。而在傳統理論框架中，系統模型必須加以簡化才能得出解析結果。另外，利用仿真技術可以十分方便地修改系統參數，并且可以很快評估這些參數變化對系統整體性能的影響。隨著交互式仿真環境的成熟，設計者利用簡單的程序編寫和系統方框圖建模方法就可以模擬出復雜系統的工作行為，這樣，通信工程師就能夠將主要精力集中在通信系統的設計和本身改進的關注上，而不需將精力浪費在仿真程序，的編程技巧和調試上。
在復雜工作環境中，通信系統性能研究的基礎是對傳輸信道的建模仿真問題。因此，信道仿真也就成為了系統評估中所必需的。同時，為了適應復雜的和時變的傳輸環境，現代通信系統的信號處理算法趨于復雜化。例如采用信道估計自適應算法，多天線技術，智能天線波束成形算法，CDMA蜂窩網絡中的多用戶檢測算法，正交多載波調制算法，信道編解碼算法等等。這些技術的實現必須依靠高速信號處理芯片和軟件實現。對算法在實際通信環境中的適應性驗證和評估就必須借助于仿真來完成。
現代通信系統中，通信協議設計和驗證幾乎都是基于仿真技術的。為了保證通信的實時性和利用效率，現代通信系統中提出了各種復雜的具有層次結構的通信協議，從而構成通信網絡。排隊理論和運籌學只能對通信協議做出簡化的性能估算，與實際系統中的運行往往存在較大差別。由于實際系統行為的復雜性，解析分析幾乎是不可能的，因此，對通信協議在實際網絡環境中的評價就成為了網絡協議仿真分析的主要任務。
現代通信系統的實現也是基于仿真技術的。通信功能的軟件化實現、通信節點傳輸行為的智能化以及軟件無線電技術本身是計算機技術和通信技術結合的結果。通信系統的電路級設計已經從基于純硬件集成電路的模式轉變為以可編程邏輯器件為編程對象的VHDL軟件編程映射模式。VHDL程序設計和調試都是以仿真方法完成的。在系統級設計中，系統仿真和系統實現是統一的，仿真算法可以直接映射為DSP的實現代碼。而在更高層的協議級設計中，通信網絡協議仿真代碼也就是協議實現的核心代碼。軟件無線電技術使得通信信號處理方法得到廣泛應用，在基帶信號處理中可以通過軟件實現信號處理變換，得出射頻波束成形，預編碼，自適應均衡，自適應數字調制，解調，信道編解碼，信源編解碼，信息安全算法等等，而對這些算法的仿真算法和實現算法相同，代碼可以直接應用于實際系統中。
現代通信系統的測試設備價格高昂，而且，實際工作中的通信系統往往具有不可測試特性。例如，對營運中的通信網絡性能測試對于高校學生來說是幾乎不可能的，也是營運通信網絡所不允許的。但另一方面，對于通信系統和通信網絡的研究是必須有實踐對象的，在這種情況下，通信仿真和網絡仿真是就必然成為唯一的選擇。
總之，現代通信系統是一個復雜巨系統，對現代通信技術的學習和研究必須采用現代系統論的觀點和方法。現代系統論指出，復雜巨系統往往是非線性系統，對系統的數學建模已屬不易，對所建立的數學模型進行解析分析計算基本上是不可能的。對復雜巨系統的研究，關鍵在于把握系統在外界環境中的交互行為和系統狀態的變化。對于計算機仿真來說，可以充分利用計算機的數值計算能力，在解析計算十分困難的情況下，采用相對簡易的數值計算獲得工程上可用的結果。工程設計的目的是得出符合實際的結果，在這個意義上來說，仿真方法是一條捷徑。
三 仿真是培養學生的學習興趣、創造性思維、建立理論與實踐結合的橋梁
通信工程專業對學生的數學基礎要求高，除了傳統微積分知識之外，還要求具有積分變換，概率論和隨機過程、信息論的基本知識，排隊論和離散數學的基本知識等等。通信工程專業課程都是建立在這些數學基礎之上的。對通信工程本科學生的學習調查結果顯示，大多數學生是出于對就業前景憧憬和單純向往選擇了該專業的。他們對通信工程專業的
技術素質要求和未來從事的工作性質并不十分了解。于是，雖然學生有很高的學習熱情，但又普遍存在著對數理基礎知識的輕視和畏懼。抽象的理論和工程實際脫節是本專業面臨的教學困境之一：一方面通信系統的復雜性使得實驗室不可能擁有系統級實驗環境，另一方面通信工程的實際工作環境正是對系統級的通信網絡設備的設計、運營和維護。如果把通信工程比喻為有血有肉活生生的人，那么通信理論就好比是人的骨架。如此，學生對學習理論知識的畏懼心理就是可以理解的了。如何在通信理論這個骨架上附著血肉，將專業知識作為活生生的技術事物展現給學生，是專業課程教師必須思考的問題。學習興趣是通過教學藝術培養出來的，教學藝術不是空洞的，而是具體的適應與專業特征的方法。學習心理學指出。對于學習成效而言，學生的學習興趣比刻苦精神重要得多。
在多年探索中，我們發現，對于通信工程專業的教學實踐，通信仿真方法較成功地成為了理論聯系實踐的橋梁。首先，仿真方法將純粹的數學理論知識通過計算機轉化為生動的數學實驗，成為理論實驗的有效工具。利用仿真方法，通過數值計算得出生動的曲線圖表，學生可以從中理解數學理論的實際內涵，從而加深對理論知識的理解和掌握。重建學習的興趣。其次，仿真建模分析可以通過相對簡單的仿真過程去對比理論解析結果，將抽象的理論模型通過仿真實現為具體的可以進行行為調試的軟通信機。通過仿真建模過程，學生既對理論分析有了深入的認識，同時也清楚了實際通信系統的工作原理和系統參數對通信機性能指標的影響。例如，對調制解調的波形及其頻域分析使得學生能夠直觀地感受到調制解調的作用，噪聲對傳輸的影響以及傅里葉分析的應用：對糾錯編解碼的仿真可以直接測試出編碼的抗干擾能力；而對信道和通信收發信機的仿真可以得出信號噪聲功率比對系統傳輸差錯率的曲線關系，并可比較各種調制制式的性能。這樣，通過仿真實驗將通信理論的核心問題實例化，從而深刻理解理論本身的實質和意義。通過系統仿真，學生可以從理論到數學建模，再到計算機建模和仿真，在得出結果的過程中，從建模過程和實驗結果中體會通信系統的實質。經過這樣的過程，學生就不再視通信系統是抽象的死的東西。
大學教育不僅僅是對專業知識的灌輸，專業教育應更加重視創造力的培養。沒有適當的實踐手段和方法，是很難有效地培養創造性，利用仿真手段，學生可以將其頭腦中利用專業基礎知識和創造靈感得到的系統模型在計算機中加以實現，創造性地構建通信系統，驗證其思想，不斷總結工程經驗，驗證系統行為的過程，如此反復，會使得學習的主動性大大提高。創造能力也就在這一生動的實踐活動中逐步培養得以形成。
通信仿真實驗是對傳統硬件軟件實驗的綜合和升華。對于通信工程的學生，具備基本的電子技術知識是十分重要的，尤其是電子技術的實踐經驗對于專業學習和未來的工作能力起著關鍵作用。電路模塊是通信系統的構成元素，線性系統是電路的功能模型，而信號處理則是線性系統理論的應用提升。通信工程專業是一門系統級的工程學科，通信系統就是通過通信協議聯系起來的以信號處理為功能實體的復雜系統。從層次上，只有對傳統的硬件和軟件具有實踐經驗的人才能夠真正理解通信系統，也才能在系統仿真中把握物理實質。通信仿真實驗通常是系統級的，即把通信系統模塊視為功能模塊。以協議聯系這些模塊，仿真就是考察系統行為的過程。
四 現代通信仿真技術的層次和軟件需求
根據仿真對象的不同，相應的仿真手段、方法和適用的軟件也有所不同。隨著仿真技術在通信領域的推廣，在通信技術的各層次都產生了相應的仿真工具。通信技術從底至上，大體可以劃分為：電路系統、功能模塊、通信系統方框圖以及通信網絡等幾個層次。
在電路系統層次，工程目標是設計滿足要求的電路系統，對于模擬電路，如設計放大器、頻率綜合器、鎖相環、變頻、調制解調器等等。對于數字電路，如各種時序邏輯電路、偽隨機碼發生器、編解碼器等等。在電路系統層次的設計關鍵是電路拓撲設計和電參數選擇。仿真語言Pspice可以勝任模擬電路領域的設計和仿真問題，集成了Pspice語言的可視化仿真軟件眾多，常用的有EWB、ORCAD、Protel DXP以及最新的Altium(Protel)EDA設計軟件。其中EWB簡單易用，目前已經廣泛用于模擬電路課程教學和實驗中，0RCAD和Protel DXP是電路設計的專業軟件，從電路原理圖設計、原理圖級仿真到印制板圖生成和印制板級仿真都可完成，Altium(Protel)EDA設計軟件則逐漸成為了現代電子系統設計中從芯片開發、板級設計、電磁兼容到機電一體化設計整個環節的統一仿真設計平臺。數字電路的設計現在已經轉入了大規模可編程邏輯器件時代，主要以VHDL語言作為軟件設計語言，不同廠商為其產品提供了相應的設計和仿真平臺，如Max-Plus Ⅱ等等。對于數字信號處理芯片(DSP)的設計，也有廠商提供的編程仿真環境可用，如T1的DSP編程仿真平臺CCS，可完成編程、軟件仿真和目標板硬件仿真直到代碼下載全過程。功能模塊層次的仿真任務是解決通信功能模塊的輸入輸出參數指標設計問題，也包括模塊內部的結構和算法問題。如電磁傳播環境仿真、信道均衡，波形估計和信號參數估計，智能天線、編碼調制等等。在通信系統方框圖層次的任務是根據設計目標構建通信系統，包括發信機、信道以及收信機。仿真目標是研究整個通信系統在使用信道環境下的適應性，如傳輸差錯率性能，抗干擾性能等等。
適用于功能模塊層次和通信系統方框圖層次的仿真軟件眾多，有Matlab／Simulink，Scilab和SystemView等等。其中，SystemView是通信系統專用的系統級仿真軟件，軟件模塊庫提供了全面的通信系統模塊，完成可視化模塊建模后立即可得出仿真結果。Matlab／Simulink則是較為通用的系統仿真和科學計算平臺，幾乎所有理工學科的仿真實驗和數值計算均可在該平臺上完成。Matlab通過編程可完成算法仿真，Simulink是Matlab的擴展，是可視化方框圖建模仿真工具。Matlab提供了C／C++編譯和C／C++語言的接口，其信號處理工具箱還提供了DSP代碼翻譯接口，將仿真和算法實現統一起來。Scilab是法國國立信息與自動化研究院INRIA開發的一個開放源碼的免費科學計算仿真軟件，與Matlab相兼容。
在通信網絡層次的仿真問題以通信網絡協議仿真為主，主要以網絡信息流量和阻塞率指標為參數。廣為采用的仿真平臺有OPNET和NS，OPNET是商用專業網絡仿真軟件，工作于Windows平臺，在C++編譯器的支持下，可進行從廣域到局域，有線到無線的全網絡仿真。NS是Linux下的開源軟件，也是廣為應用的網絡仿真平臺。
五 實踐效果評價和建議
