張永樂

摘要：基于企業(yè)國家重點實驗室的特點，結(jié)合實際案例，從理論分析體系、實驗技術(shù)體系及工程現(xiàn)場結(jié)合等方面，對計算機技術(shù)在企業(yè)國家重點實驗室科研創(chuàng)新活動中的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展前景進行了全面分析，有利于促進計算機技術(shù)的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：計算機技術(shù)；企業(yè)國家重點實驗室；科研體系；應(yīng)用分析

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）24-5790-03

Applied Analysis of Computer Technology in State Key Laboratory of Enterprise

ZHANG Yong-le

（State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： Based on characteristic of state key laboratory of enterprise， the application status， existing problem， and development prospect of computer technology used in scientific innovation activity were analyzed overall， from the aspects of theoretical analysis system， experiment technology system， engineering field application， and so on.

Key words： computer technology； state key laboratory of enterprise； scientific research system； applied analysis

1 概述

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，其已被廣泛地應(yīng)用到社會活動的各個方面、各個領(lǐng)域，如今，計算機技術(shù)的應(yīng)用程度，已被作為衡量企業(yè)發(fā)展水平的重要指標。目前，計算機技術(shù)在企業(yè)國家重點實驗室也得到了一定的推廣應(yīng)用，如科學(xué)實驗、科研管理、操作培訓(xùn)、人員辦公、財務(wù)管理、人事管理等方面都應(yīng)用了自動化管理軟件，大大提高了工作效率[1]。計算機技術(shù)應(yīng)用越廣泛，科研成果質(zhì)量的提高就越快，企業(yè)國家重點實驗室的發(fā)展也就越快。但我國計算機技術(shù)整體應(yīng)用廣度、深度均不足，與世界發(fā)達國家相比仍存在10年左右的差距。因此，有必要系統(tǒng)、深入研究計算機技術(shù)在企業(yè)國家重點實驗室科研體系中的應(yīng)用。該文從理論分析體系、實驗技術(shù)體系、操作培訓(xùn)體系、工程現(xiàn)場試驗等角度出發(fā)，全面分析了計算機技術(shù)在工程建設(shè)類企業(yè)國家重點實驗室科研活動中應(yīng)用的現(xiàn)狀、存在問題及應(yīng)用前景。

2 理論分析體系

利用計算機技術(shù)處理實驗數(shù)據(jù)是科學(xué)研究發(fā)展的必然世勢，它不但能提高實驗效率、改善實驗效果，還能提高實驗結(jié)論的科學(xué)性。計算機技術(shù)主要分為硬件平臺和軟件技術(shù)，此處著重從工程設(shè)計、數(shù)值分析、虛擬仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面，分析CAD、Matlab、Adams、Ansys等計算機軟件技術(shù)在科研理論分析體系中的應(yīng)用。

2.1 工程設(shè)計

計算機輔助技術(shù)自20世紀90年代初期開始在工程設(shè)計中推廣應(yīng)用，目前設(shè)計行業(yè)利用CAD制圖比例達到95%以上。利用CAD技術(shù)輔助工程設(shè)計，不僅可以使工程設(shè)計人員從傳統(tǒng)的設(shè)計計算和繪圖中解放出來，減少工作量，還可以提高設(shè)計精度和可靠性，進而明顯提高設(shè)計項目的科學(xué)性、經(jīng)濟性和可靠性。工程設(shè)計的各個領(lǐng)域基本已被CAD技術(shù)覆蓋，從研發(fā)、制造到應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)了信息共享。企業(yè)國家重點實驗室處于研發(fā)環(huán)節(jié)，基于目前競爭合作的社會經(jīng)濟環(huán)境，要注意加強專業(yè)間尤其是企業(yè)國家重點實驗室間通用信息的共享，以提高總體工作效率，同時避免重復(fù)性工作。

雖然CAD軟件技術(shù)已具有較廣的使用范圍，但其應(yīng)用深度存在很大的局限，相當一部分企業(yè)國家重點實驗室仍停留在出圖上。三維CAD、CAD/CAM、CIMS、仿真優(yōu)化設(shè)計等功能應(yīng)用很少，未將結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算及仿真優(yōu)化作為方案設(shè)計的必備步驟。

2.2 虛擬仿真

多學(xué)科和理論是計算機虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)，建立結(jié)構(gòu)模型、尋找分析方法及開發(fā)仿真系統(tǒng)是進行計算機虛擬仿真研究的主要內(nèi)容。與傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)、裝備制造、工程施工相比，虛擬產(chǎn)品設(shè)計、虛擬制造、虛擬施工，不僅不消耗物質(zhì)資源和能源，而且可在產(chǎn)品生產(chǎn)前，對產(chǎn)品的不同實現(xiàn)方式進行評估和優(yōu)化，降低產(chǎn)品制造成本；在工程施工前，進行模擬施工，對工程施工中可能出現(xiàn)的風險點進行預(yù)測分析，降低施工風險、提高施工效率。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，利用虛擬試驗的方式，大大簡化了物理實驗過程，可在降低工程試驗成本的前提下，很好地分析和解決裝備制造、工程施工中的一系列難題。目前虛擬仿真技術(shù)已在有限元分析、人機工程分析、干涉分析和加工過程分析等、施工過程分析等方面得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。以盾構(gòu)裝備施工為例，利用計算機技術(shù)生成逼真的、具有視覺、聽覺、觸覺等多感知的三維虛擬環(huán)境，通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境進行互動。進而實現(xiàn)盾構(gòu)三維機械結(jié)構(gòu)及機構(gòu)運動過程仿真、盾構(gòu)掘進作業(yè)流程仿真、交互式虛擬裝配仿真等，并可進行工程施工減災(zāi)、防災(zāi)等實驗，為風險評估、應(yīng)急預(yù)案制定等工作提供參考。

2.3 優(yōu)化分析

如何較好地解決多因素、多技術(shù)指標要求的工程設(shè)計問題，這就需要采用優(yōu)化分析手段，常用的優(yōu)化分析方法有罰函數(shù)法、復(fù)合形法、約束變尺度法、隨機方向法、簡約梯度法、可行方向法等[6]，常用結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析軟件有Matlab、Ansys等。

3 實驗技術(shù)體系

平臺搭建、系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與處理是企業(yè)國家重點實驗室實驗技術(shù)體系的主要組成部分，下文將結(jié)合具體案例分析計算機技術(shù)在各方面的應(yīng)用。

3.1 平臺搭建

實驗平臺作為企業(yè)國家重點實驗室基礎(chǔ)支撐條件，其性能的優(yōu)劣將直接影響科研成果質(zhì)量，系統(tǒng)集成技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)等是提升實驗平臺功能的關(guān)鍵技術(shù)。以盾構(gòu)自動化控制平臺為例，其主要由信號發(fā)生系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、負載模擬系統(tǒng)等組成。信號發(fā)生系統(tǒng)由操作臺、工控機、S7-300PLC組成的控制系統(tǒng)組成，自動控制系統(tǒng)由操作臺、工控機、基于S7-400H PLC組成的冗余控制系統(tǒng)組成，負載模擬系統(tǒng)由西門子單軸、雙軸伺服控制器S120、電抗器、伺服電機等組成[7]。將三個系統(tǒng)集成在一起便構(gòu)成了盾構(gòu)自動化控制平臺。

平臺控制軟件采用西門子組態(tài)軟件WinCC7.2和PLC編程軟件STEP 7 V5.5進行設(shè)計，完成了自動控制系統(tǒng)人機界面和控制軟件設(shè)計。通過信號發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生該系統(tǒng)模擬測試需要的控制信號及模擬信號，能夠?qū)崿F(xiàn)對自動控制系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)軟件進行測試及優(yōu)化，能夠滿足進行盾構(gòu)控制系統(tǒng)性能測試的實驗需要及對盾構(gòu)操作人員進行培訓(xùn)教學(xué)的需求。由于計算機技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，實驗平臺將趨于向智能化方向發(fā)展。

3.2 監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集技術(shù)

以盾構(gòu)模擬實驗平臺為例說明監(jiān)控技術(shù)在科研實驗技術(shù)中的應(yīng)用?；诙軜?gòu)模擬實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，充分考慮系統(tǒng)的先進性、經(jīng)濟性及可擴展性，進而采用監(jiān)控系統(tǒng)由PLC、工控機及組態(tài)軟件等構(gòu)成的技術(shù)方案。系統(tǒng)底層控制由PLC完成，人機界面接口、實驗數(shù)據(jù)采集的功能均由組態(tài)軟件實現(xiàn)（圖1） 。

盾構(gòu)模擬實驗平臺控制軟件使用Labview 2010編程語言編制，具有友好的人機操作界面，能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制，同時能對儀器的測試數(shù)據(jù)進行自動采集，并對數(shù)據(jù)進行圖形化顯示及存儲。另外，整個實驗臺控制軟件為開源軟件，可以在該軟件的基礎(chǔ)上進行深度開發(fā)，搭建多種實驗控制程序，十分方便快捷。

平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析和處理模塊、儀器控制模塊三部分（圖2） ，共需32個模擬量輸出通道、53個模擬量輸入通道、39個數(shù)字量輸出通道、12個數(shù)字量輸入通道，根據(jù)實際需求選用了7個數(shù)據(jù)采集板卡。

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理

Excel軟件是實驗數(shù)據(jù)處理常用的一種技術(shù)手段，但當參數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，或Excel系統(tǒng)中無對應(yīng)模型時，則需要實驗人員自行編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。前人已有較多關(guān)于利用VB等計算分析語言進行實驗數(shù)據(jù)處理的研究，如利用VB語言編制計算機程序，對機構(gòu)定位誤差進行數(shù)據(jù)處理[8]、利用VB和數(shù)據(jù)庫技術(shù)有機的結(jié)合，建立了礦井通風阻力測定數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[9]、利用MATLAB對地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理、利用MATLAB對復(fù)合材料成型過程中的工藝參數(shù)進行數(shù)值插值及擬合[10]。、利用VC++完成對風向、風速、溫度測量和結(jié)果數(shù)據(jù)的二次處理。

每個企業(yè)國家重點實驗室日常需進行的實驗項目至少數(shù)十個，其中絕大部分實驗的數(shù)據(jù)可以或必須利用計算機技術(shù)處理，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，可選用的計算分析語言也有很多種，利用計算機技術(shù)進行實驗數(shù)據(jù)處理具有較大的創(chuàng)新空間，這對完善實驗結(jié)論、提升實驗人員創(chuàng)新能力都是受益無窮的。

4 工程現(xiàn)場結(jié)合

圍繞行業(yè)前沿、共性問題和重大工程應(yīng)用，面向社會和行業(yè)未來發(fā)展需求，開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和競爭前共性技術(shù)研究，是企業(yè)國家重點實驗室的主要任務(wù)之一，因此其除了進行競爭前共性技術(shù)研究之外，還需能夠解決工程實際中遇到的問題，真正做到理論與實際相結(jié)合。

以盾構(gòu)施工遠程監(jiān)控系統(tǒng)為例進行說明，其由被監(jiān)控端、數(shù)據(jù)服務(wù)中端、監(jiān)控端三部分組成。本系統(tǒng)以及時獲取相關(guān)項目盾構(gòu)基本信息、施工參數(shù)以及設(shè)備參數(shù)等為目的，具備統(tǒng)一監(jiān)控、集中管理的功能，具有開放性、可靠性、操作簡單、人機界面友好的特點。利用該系統(tǒng)可遠程對現(xiàn)場盾構(gòu)施工進行有效的標準化監(jiān)管及技術(shù)監(jiān)察，有效降低現(xiàn)場盾構(gòu)施工風險，增強對盾構(gòu)施工全過程的管控能力。

5 結(jié)論

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，人類逐步邁進了信息化時代，計算機技術(shù)已深入到人們工作、生活中的方方面面，成為促進當今社會發(fā)展的重要技術(shù)手段與力量。計算機技術(shù)給科學(xué)研究體系帶來了巨大變革，在大大簡化各個環(huán)節(jié)工作的同時，提高了科研工作的效率、確保了科研成果的科學(xué)性、可靠性。在這一時代背景下，我國企業(yè)國家重點實驗室要想跟上時代發(fā)展的步伐，必須把握好計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢，基于多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、協(xié)同工作環(huán)境等，全面、深入地將計算機輔助技術(shù)、計算機模擬仿真技術(shù)等應(yīng)用到科研活動的各個方面，進而使得實驗室的整體科研水平得到全面提升。

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