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Contaminant Cloud Boundary Monitoring Using Network of UAV Sensors

Contaminant Cloud Boundary Monitoring Using Network of UAV Sensors
Contaminant Cloud Boundary Monitoring Using Network of UAV Sensors

Contaminant Cloud Boundary Monitoring Using Network of UA V Sensors

Brian A.White,Antonios Tsourdos,Immanuel Ashokaraj,S.Subchan,and Rafa?˙Zbikowski

Abstract—In this paper,we describe research work currently being undertaken to detect,model,and track the shape of a contaminant cloud boundary using air borne sensor swarms.A model of the contaminant cloud boundary is?rst developed using a splinegon,de?ned by a set of vertices linked by segments of con-stant curvature.This model is then used in an estimator to predict the evolution of the contaminant cloud.This approach is ef?cient in that only the vertices and segment curvatures are required to de?ne the cloud boundary,rather than using a distribution function to represent the dispersion density.

Index Terms—Data fusion,environmental monitoring,un-manned autonomous systems,sensor network.

I.I NTRODUCTION

I N today’s world where the threat of pollution from chemi-

cals gases that are poisonous,odourless,and opaque,from biological agents or from the threat of radiation due to industrial accidents or security challenges is high,the capability to mon-itor and track a contaminant cloud that has been released is of utmost importance.Hence,the rapid detection and geo-location of the possible contaminant distribution is of paramount impor-tance.The time evolution of a contaminant cloud depends on its constituents and the environment factors such as wind magni-tude and direction,turbulence levels,as well as temperature and humidity[1].

The complexity of environmental monitoring applications (e.g.,a contaminant cloud)and of their models,the large number of parameters to observe,and the geographic scale of the phenomena require multidisciplinary approaches and mod-ular solutions for collecting and processing data.To undertake these tasks,sensor platforms can be used which should ideally be airborne and unmanned,as this will remove the operator from contact with potentially hazardous airborne contaminants and provide fast deployment.Current developments in small air vehicle(SA V),and eventually microair vehicle(MA V), show that distributing a swarm of uninhabited aerial vehicles (UA Vs)in threat areas will enable these needs to be met in a timely and accurate manner.A UA V swarm in this context

Manuscript received October2,2007;revised March11,2008;accepted March26,2008.This work was supported by the Data and Information Fusion Defence Technology Centre.The associate editor coordinating the review of this manuscript and approving it for publication was Dr.Fabien Josse.

The authors are with the Department of Aerospace,Power and Sensors,Cran?eld University,Defence Academy of the U.K., Shrivenham,Swindon SN68LA,U.K.(e-mail:b.a.white@cran?https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,;

a.tsourdos@cran?https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,;i.a.ashokaraj@cran?https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,;s.subchan@ cran?https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,;r.w.zbikowski@cran?https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,).

Color versions of one or more of the?gures in this paper are available online at https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,.

Digital Object Identi?er10.1109/JSEN.2008.2004298is de?ned as a group of UA Vs working together to perform a common goal.There is,therefore,a need to be able to track a contaminant cloud within a complex environment in suf?cient detail to predict its path and extent by the coordinated action of a swarm of UA Vs.Moreover,the cloud will not necessarily be convex or connected,and therefore,this presents a complex problem in topology.

This paper is organized as follows.In Sections I-A and I-B, background of the methods used in similar boundary tracking problems are brie?y presented,as well as a description of the use of a swarm of UA Vs in tracking the cloud.Section II describes the use of splinegons in modeling the boundary of the cloud. An analysis of the splinegon for cloud boundary modeling is described in Sections III and IV.Metrics de?ning the shape of the boundary are described in Section V.The placement of ver-tices that de?ne entry and exit points for the?ight paths of the UA Vs is described in Section VI.Finally,in Section VII,the implementation details for predicting and estimating the spline-gons and the initial results when implementing this approach is given,followed by conclusion in Section VIII.

A.Background

In recent years,there has been a lot of interest in the problem of boundary estimation and boundary tracking of algal blooms [2],[3],oil spills[4],and?re boundary estimation[5],[6].In particular,the problem is to design an algorithm that allows a limited number of mobile sensor platforms to detect the boundary of a region of interest,and estimate its evolution over time and space.

Bertozzi et al.[2]adopt the snake algorithm,developed in computer vision literature,to detect and track the boundary of an algal bloom.The tracking is achieved with agents that are equipped with a chemical sensor that is able to measure the concentration gradient and with a communication system that is able to exchange information with a data fusion center. Kemp et al.[3]suggest an algorithm that requires only a concentration sensor:the agents repeatedly cross the boundary using a bang–bang angular velocity controller.In[4],the au-thors use a random coverage controller,a collision avoidance controller,and a bang–bang angular velocity controller to de-tect and surround an oil spill.

Casbeer et al.[5],[6]describe an algorithm that allows low-altitude short endurance(LASE)unmanned vehicles to closely monitor the boundary of a?re.The LASEs have an infrared camera and a short range communication device to exchange information with other agents and to download the information collected onto a base station.The algorithm presented will uni-formly space the LASEs along the boundary of the?re so that eventually they will patrol an equal portion of the perimeter of the?re.

1530-437X/$25.00?2008IEEE

Fig.1.Contaminant cloud intensity contours.

A different approach is considered by Zhang and Leonard[7].

A formation of four robots tracks at unitary speed the level sets of a?eld.Their relative position changes so that they optimally measure the gradient and estimate the curvature of the?eld in the center of the formation.The center of the formation moves along the level sets.

In[8],a group of UA Vs optimally place some interpolation points on the boundary of a region of interest.The boundary is then reconstructed by linear interpolation of the interpola-tion points.The algorithm is shown to be provably convergent [8]for the case of slowly moving boundaries,by demonstrating some input-to-state stability properties.In that paper,the cri-terion used to optimally place robots and interpolation points is such that they are uniformly distributed according to a cur-vature-weighted distance function de?ned along the boundary. The curvature-weighted distance function is based on the liter-ature on optimal approximation of convex bodies by polygons.

B.Problem Description

The primary objective of this paper is to be able to model, sense,and track a contaminant cloud.Systems that have this ca-pability could be deployed as either an early warning system or as a monitoring system.The most likely scenario would be to use such a system as a monitoring system launched upon sus-picion or con?rmation of the existence of a contaminant cloud.Once the UA Vs have reached the suspected position of the con-taminant cloud,the UA V sensor swarms will follow a de?ned search pattern to initially locate the cloud.When a UA V de-tects the contaminant cloud,it will send out a signal that it has detected the contaminant cloud and all of the remaining UA Vs will then converge on that location and begin to track the cloud.At this stage,they need to organize themselves to en-able them to sense and track a complex shape that de?nes the cloud boundary.Thus,swarm control and guidance is a subset of the whole logistical problem of putting a suite of sensors into the right place at the right time to be able to provide situational awareness of contaminant cloud.

Rather than have the UA V sensor swarms?y around in a set search pattern once the contaminant cloud has been detected,it would be timelier and more useful if the UA V sensor swarms were able to?y in the areas where the contaminant cloud was expected to exist.The contaminant cloud behavior is complex and there are several ways to model its behavior in a complex environment.Physical modeling of the cloud can be done using Gaussian dispersion models such as SCIPUFF,which predicts cloud behavior using a statistical dispersion technique.Such techniques will have limited use for tracking as the cloud’s be-havior must be expressed in a manner that allows the guidance of a group of UA Vs equipped with suitable sensors to detect and track such a cloud.This is because they are based on nu-merical techniques such as Gaussian plume models,Lagrangian

WHITE et al.:CONTAMINANT CLOUD BOUNDARY MONITORING USING NETWORK OF UA V SENSORS

1683

Fig.2.Splinegon example.

transport models,Eulerian transport models,or more complex models [1].

The requirement is for a cloud model that can be expressed in a compact format,thus enabling the exchange of a de ?ning cloud data set among the UA V group with minimal communi-cation overhead and with maximum utility in guidance algo-rithms.The UA Vs are required to ?y feasible paths that max-imize the coverage of the cloud while avoiding local obstacles.The ?ight paths of the UA Vs will be dictated by Dubins or re-lated paths.These are de ?ned using circular arcs and straight line segments.This suggests that the appropriate strategy should be to ?y through the cloud and note the entry and exit points rather than transition the cloud boundary.This is further sup-ported by the fact that the cloud density will not have a phys-ical boundary,but will have a density pro ?le that asymptotically approaches zero.Hence,the sensor will produce a threshold transition rather than a physical boundary.There will also be density variations across the cloud that can be detected by tran-sition rather than by boundary following.Finally,transitioning the cloud will enable the UA Vs to perform search operations outside the detect cloud boundary to ensure that maximum use of the area coverage is maintained.

II.C ONTAMINANT M ODELING U SING S PLINEGONS

Consider initially the description of a 2-D cloud.This 2-D cloud could be the result of sampling the contaminant cloud at a speci ?c altitude,resulting in the cloud boundary being

described

Fig.3.Arc segment with C contact intermediate vertex.

by a line boundary rather than a surface.A representative con-taminant distribution is shown in Fig.1.This shows contours of constant density at discrete levels de ?ned by the program SCIPUFF to represent the cloud distribution.This is used to produce a data set that acts as a truth model for the cloud to test the tracking algorithm.Assuming the UA V sensor is set to detect the lowest level,the cloud boundary model must describe the outer sensor threshold contour in suf ?cient detail to contain it and track it.The boundary model will take into account the fact that the UA Vs will ?y through the contaminant cloud,and hence,will detect an entry and exit point on each transition.This suggests that the most ef ?cient modeling approach should be to de ?ne these points as vertices and form a polygon with line

1684IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.8,NO.10,OCTOBER

2008

Fig.4.Chord segments with C contact.(a)C contact for orientation 1.(b)C contact for orientation 2.

segments.This raises an issue as to how to represent the curved nature of the density contour.One such approach is to use a gen-eralization of polygons to produce a set of vertices that are con-nected by line segments of constant curvature.This is a subset of a class of object named as splinegons [9],[10].To illustrate their use in modeling the boundary of a contaminant cloud,con-sider a set of vertices that have constant curvature line segments

de ?ned

with

contact at the vertex points.Such a splinegon is shown in Fig.2.The vertices are shown as either

“”or “o ”and the arc segments connecting them are lines of constant curva-ture.As can be seen,there is suf ?cient richness in the descrip-tion to reproduce the features of the density contours shown in Fig.1.

III.S PLINEGON C ONSTRUCTION

The de ?nition of a splinegon implies that the line segments that make up the cloud boundary are connected at a set of ver-tices that have common tangents.In order to ensure

such contact between line segments,they must meet both position and tangent end point constraints.A single arc segment between vertices only has one degree of freedom:the arc curvature.This is not enough to be able to match the tangent constraint at both end vertices,as at least two degrees of freedom are necessary.

Extra degrees of freedom are thus required to ensure

the

con-straints at both line segment end vertices can be met.One solu-tion to increasing the degrees of freedom is to introduce an inter-mediate vertex such that the line segment is replaced by two arc segments of different curvature,as shown in Fig.3.The entry and exit vertices identi ?ed by the UA V transitions are identi ?ed

as

and with the intermediate vertex given

by .Hence,two arcs of differing curvature will connect the UA V vertices via the intermediate vertex.So consider the intersection of two con-stant curvature arcs at a point

with

contact.Two orientations for the intermediate arcs are possible.These are shown in Fig.4.

TABLE I

S UPPORT P OLYGON M

ETRICS

TABLE II

S PLINEGON S EGMENT M

ETRICS

Constructing the arc chords and identifying the chord-to-arc an-

gles

and ,as shown in Fig.4(a),for one orientation of tan-gent vectors

and ,and in Fig.4(b)for the other orientation,

enables the conditions required

for

contact to be de ?ned.The position of the intermediate vertex and the arc curvatures then need to be determined to de ?ne the composite arc between the two UA V vertices.As the conditions for a solution are identical for both orientations,only one will be studied in detail.Hence,for orientation 1shown in Fig.4(a),summing the angles inside the quadrilateral de ?ned by

points

,

,,

and ,we

have

(1)

From

Fig.

4(b),using the

triangles

formed by the two arcs,we also

have

(2)

WHITE et al.:CONTAMINANT CLOUD BOUNDARY MONITORING USING NETWORK OF UA V SENSORS

1685

Fig.5.Sixteen vertex splinegon around a contaminant cloud.

and from the summation of angles around the intermediate

vertex ,we

have

(3)

Hence,from (1)and

(3)

(4)

Both

and are required to maintain consistent arc direction by orienting the directed tangent

vector at the intermediate

vertex .Each arc is directed,in that there is a required transition direction de ?ned by the tangent vectors at the

UA V vertices.

If

and ,the arc directions oppose at the intermediate vertex implying that the arc direction will reverse.This implies that the intermediate tangent vectors for each segment are parallel but have opposite directions.Hence,for a consistent solution,we

have

(5)

Hence,a range of solutions is possible

for

and

that satisfy the bounds in (5).Given the vertex chord

length between the

UA V

vertices

and ,the arc chord

lengths

and

can be obtained by using the sine rule on the triangle de ?ned by

vertices

and ,

as

(6)

where

and

are the angles between the vertex tangent vec-tors

and ,respectively,and the vertex https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,ing simple geometry,the curvature of each segment can then be determined

as

(7)

IV .S OLUTION S ELECTION

There are many different selection mechanisms for the choice of a solution over the range of solutions given by (5).The initial choice of solution for the cloud tracking containment is deter-mined by considering the difference in absolute

curvature ,

where

(8)

where

(9)

1686IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.8,NO.10,OCTOBER2008

Fig.6.Selected transition vertices.(a)First transition.(b)Third transition.(c)Fifth transition.(d)Seventh transition.

and where and are the lengths of the two arcs connecting

the start vertex and the?nish vertex.If this is minimized,

the two arcs will be balanced and the intermediate vertex will lie

close to the middle of the two UA V vertices.Extreme solutions

will result in a high-curvature short segment and a low-cur-

vature long segment,which will place the intermediate vertex

close to the UA V connected to the high-curvature segment.To

produce a contour with minimum changes in curvature between

segments will produce splinegons with less abrupt direction

https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html,ing this approach,the contaminant cloud can be

adequately modeled by a splinegon.The example shown in

Fig.2is such a splinegon with16UA V vertices.Fig.5shown

the same splinegon with the tangent vectors,together with the

arc radii.As required,the radii share a common direction at the

vertices,but have different magnitudes,where the magnitude

is the inverse of the curvature for that segment.The?gure also

shows the contaminant density level contours,together with the

intermediate vertices,identi?ed by the“o”symbol.Fig.7.Insertion of new vertex.

WHITE et al.:CONTAMINANT CLOUD BOUNDARY MONITORING USING NETWORK OF UA V SENSORS 1687

Fig.8.Segment insertion kernels.(a)Insertion in segment 1.(b)Insertion in segment 3.(c)Insertion in segment 5.(d)Insertion in segment 7.

V .S PLINEGON S HAPE P ARAMETERIZATION

Several metrics can be used to categorize the shape of the support polygon for the splinegon.As the contaminant cloud is evolving,it will assume certain shapes that are determined by the environment.These are dominated by the wind direc-tion and turbulence,as well as obstructions such as build-ings.For open terrain with laminar ?ow wind,the contam-inant cloud will expand and elongate in a roughly convex shape.Any turbulence or obstacle will destroy the convexity and nonconvex shapes will develop in the contaminant con-tour.In order to monitor the shape of the cloud to detect such nonconvex behavior,several metrics can be used.These are shown in Table I.The area and circumference metrics

and will give some indication of size but will not give

any indication of shape.The same is true for the average curvature metric .These metrics can be used,however,

Fig.9.Maximum kernel splinegon:insertion in segment 4.

法学虚拟仿真实训平台软件

法源法律实务综合模拟软件 一、产品名称及规格型号 法源法律实务综合模拟软件V1.0 二、产品说明 (一)系统介绍 法源法律实务综合模拟软件是完全模拟诉讼实务中的程序和标准的法律案件审理程序的整个过程的一套训练系统。系统覆盖现今所有法律机构办案流程,通过模拟了解法院、检察院、公安机关、仲裁、行政机构如何进行案件审理,以及在整个诉讼、侦查等过程中,如何去实现自己的诉讼权利等等。系统内置的业务涉及法院、检察院、公安侦查、仲裁、行政复议(处罚)、调解的四十余种诉讼与非讼业务流程。 (二)系统价值 1、通过软件的案件和流程设置,学生通过模拟了解法院、检察院、公安机关、仲裁、行政机构如何进行案件审理,以及在整个诉讼、侦查等过程中,如何去实现自己的诉讼权利等等。 2、软件内置的业务涉及法院、检察院、公安侦查、仲裁、行政复议(处罚)、调解等。 3、软件内置的教学案例为真实的案例,并且在教师端可以进行自由添加删除修改。所谓的真实案例是该案件要求附带整套证据扫描件。 4、教师端可以进行实时庭审的监控以及对实验的所有学生进行实验进度的监控和评分。 5、管理员端可以进行班级、账号的添加,可以对软件的数据进行添加修改(如添加视频)。 6、学生端可以完成老师安排的实验也可以自行添加实验进行练习(实验的业务详见参数),可以进行单人多角色模式和多人互动模式进行操作,庭审中即可用语言视频操作也可以用文字录入模式进行操作。 7、业务流程以流程图式和 flash两种方式嵌入,即让学生和教师快速清楚了解诉讼侦查等业务的整个概况,又增加了趣味性。

8、考核功能:具有主观与自动评分相结合来(实验完成的时间、完成程度、教师预先设定的实验要求)考核学生的整个实验。 9、诉讼流程:系统用流程图跟踪颜色变动方式来显示,可以清楚直观的显示学生的实验情况,以及教师对其的监控。 10、实验数据:实验数据可以在教师端口导出所有学生的所有已完成实验的案件文书,可保存WORD打印。 11、软件数据: (1)真实案件 50 例; (2)文书模版:内置 1400 份各类型的法律文书模板; (3)司法案例,内置上千例司法案例、两高公报等; (4)合同模板:内置上千份合同模板库。 (5)法律法规:内置40余万的法律法规、司法解释等 12、软件为B/S架构网络版,客户端没有站点限制。 三、系统优势 A功能: 1、操作模式: 单人模式:单帐号扮演案件中的所有角色,让学生独立完成实验,方便其熟悉诉讼中的每个环节。 多人模式:多帐号互动扮演案件中的角色,让学生之间互动操作来配合完成实验,可根据分析案情、证据、焦点等全面提高法律技能。 2、实验流程: (1)法院: 民事诉讼 A民事一审程序、B民事一审反诉程序、C民事二审程序、D民事非诉特别程序:督促程序、E民事非诉特别程序:公示催告程序F民事非诉特别程序:企业破产程序、G民事特别程序:选民资格案件程序H民事特别程序:宣告公民失踪和宣告公民死亡案件程序、I民事特别程序:认定公民无行为能力或者限制行为能力案件程序、J民事特别程序:认定财产无主案件程序K民事特别程序:宣告婚

虚拟仿真实验教学中心平台建设方案

湖北警官学院虚拟仿真实验教学建设方案 一、方案背景 虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是学科专业与信息技术深度融合的产物。为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高〔2012〕4号)精神,根据《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》,教育部决定于2013年启动开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。其中虚拟仿真实验教学的管理和共享平台是中心建设的重要内容之一。 目前,大多数高校都有针对课程使用实验教学软件,但由于每个专业或课程的情况不同,购买的软件所采用的工作环境、体系结构、编程语言、开发方法等也各不相同。由于学校管理工作的复杂性,各校乃至校内各专业的实验教学建设大都自成体系,各自为政,形成了“信息孤岛”。主要面临如下问题:? 管理混乱,各种实验教学软件缺乏统一的集中管理。 ? 使用不规范,缺乏统一的操作模式和管理方式; ? 可扩展性差,无法支持课程和相应实验的扩展; ? 各系统的数据无法共享,容易形成“信息孤岛”; ? 缺乏足够的开放性; ? 软件部署复杂,不同的软件不能运行在同一台服务器上; 二、方案目标 该方案的目标就是高效管理实验教学资源,实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享,满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。平台要实现学校购置的所有实验软件统一接入和学生在平台下进行统一实验的目的,通过系统间的无缝连接,使之达到一个整体的实验效果,学校通过该平台的部署,不仅可以促进系统的耦合度,解决信息孤岛的问题,还可以使学校能够迅速实施第三方的实验教学软件。 平台提供了全方位的虚拟实验教学辅助功能,包括:门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、在线答疑、实验教学效

基于云计算的虚拟仿真实验平台设计

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/ee3272684.html, 基于云计算的虚拟仿真实验平台设计 作者:崔连敏 来源:《软件导刊》2015年第11期 摘要摘要:针对高校虚拟仿真实验平台存在的重复投入、资源无法共享等问题,探讨云计算及其特点,提出基于云计算的虚拟仿真实验平台的架构模型,设计基于云计算的虚拟仿真实验平台,并介绍实验平台的功能和特点。 关键词关键词:云计算;虚拟仿真;实验平台;平台设计 DOIDOI:10.11907/rjdk.151843 中图分类号:TP302 文献标识码:A文章编号文章编号:16727800(2015)011000602 基金项目基金项目:上海市青年教师资助计划(1014204804);上海市教委重点课程项目(2015);2015年度上海理工大学“精品本科”教学改革项目(2015-JPBKZ-017) 作者简介作者简介:崔连敏(1988-),女,河南新乡人,硕士,上海理工大学实验室管理与服务中心助理实验师,研究方向为物理实验、信息技术。 0引言 虚拟仿真实验利用计算机网络技术和多媒体技术,通过计算机模拟实际实验操作,演示实验中的图形、文字、数据等信息。虚拟仿真实验打破了传统实验教学课时有限、场地固定等限制,提升了实验教学效果。随着信息技术和虚拟现实技术的发展,国内很多高校都建设了虚拟仿真实验室。然而许多高校建设虚拟仿真实验室时存在硬件重复投入、服务器闲置率高、建设及维护成本高、数据资源无法共享等问题。云计算技术被认为是一项继个人电脑、互联网技术后的信息技术革命性的新技术,在诸多领域都得到应用。借助云计算技术搭建虚拟仿真实验平台,对校内各实验中心的虚拟仿真实验平台统一部署和维护,能够整合硬件和软件资源,降低平台开发和搭建成本,实现信息资源共享。 1云计算虚拟仿真平台的优势 云计算是分布计算、并行计算、网络存储、虚拟化、负载均衡和热备份冗余等传统计算和网络技术发展融合的产物。云计算致力于解决网络平台的通讯、存储和资源利用等问题。自2006年Google公司首席执行官首次提出云计算的概念以来,云计算技术发展十分迅速。目前Google、IBM、亚马逊、微软、SUN等国际化大公司纷纷推出了自己的云计算平台,国内华为、阿里巴巴、腾讯、百度等也相继启动了云计算项目。典型的云计算架构分为基础设施层、

虚拟仿真虚拟现实实验室解决方案

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虚拟仿真实验平台在土木工程的应用 摘要:开展虚拟仿真教学是国家教育信息化的具体体现,是未来高校实践教学发展的必由之路。首先,本文总结土木工程专业课程相关教学实验的特点,阐述进行虚拟仿真实验平台建设的必要性。其次,分析虚拟仿真实验平台在土木工程教学中的优势及作用,并提出虚拟仿真实验平台用于土木专业教学的具体举措。最后,阐述虚拟仿真教学存在的共性问题及解决策略,为今后高校土工工程专业课程开展虚拟仿真实验平台建设提供参考。 关键词:虚拟仿真;教育信息化;土木工程;实践教学 土木工程具有十分鲜明的行业背景和特点,随着社会的发展和技术进步,工程结构越来越大型化、复杂化,超高层建筑、特大型桥梁、巨型大坝、复杂的地铁系统不断涌现,满足了人们的生活需求,同时也演变为社会实力的象征。在土木工程专业的人才培养中,实验教学对学生实践能力、工程素质和创新精神的培养占有非常重要地位,由于开展实习、实践、实验等教学活动所需场地、时间和经费等诸多因素的制约,传统的实验形式单一、内容较少、知识分散,不能很好地适应工程建设快速发展对人才培养提出的新要求,迫切需要开展虚拟仿真实验,以弥补实体实验教学的不足。同时,《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》指出,"信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以髙度重视";。为此教育部加强了对实验教学信息化工作的宏观指导,先后出台《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》《2017年教育信息化工作要点》《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》等相关文件,旨在深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合,拓展实验教学内容广度和深度,延伸实验教学时间和空间,提升实验教学质量和水平,其迫切性和重要性毋庸置疑。 一、土木工程专业实验的特点 土木工程是基于实践经验发展而来的学科,其核心课程如《混凝土结构设计原理》《桥梁工程》《钢结构设计基本原理》《隧道工程》《基础工程》《工程结构抗震》等,所涉及的教学实验普遍存在以下特点。 1.实验构件体量大、周期长 实体的房屋建筑、桥梁、隧道等工程,一般体量都很大,如高层结构中的剪力墙、大跨度桥梁的墩柱等,对这些大体量的结构或构件,在实验室完成其实体实验几乎是不可能的,同时,土木工程专业实验还存在成本髙、实验周期长等特点,如钢筋混凝土梁、柱构件实体实验模型,从试件设计,钢筋下料、模板制作、混凝土浇筑、养护直至加载试验不仅耗费大量资源,实验周期也很长,制约了学生的全程直接参与。

虚拟仿真实验技术材料文件

虚拟仿真实验解决方案 上海华一风景观艺术工程有限公司 2017年8月

目录 第一章需求分析 (2) 一、项目背景 (2) 二、实验教学现状 (3) 三、用户需求 (3) 第二章建设原则 (5) 一、建设目标 (5) 二、建设原则 (6) 第三章系统总体解决方案 (7) 一、总体架构 (7) 二、学科简介 (8) 第四章产品优势 (14) 第五章产品服务 (16) 一、服务方式 (16) 二、服务内容 (16) 三、故障响应服务流程 (17) 四、故障定义 (18) 五、故障响应时间 (18) 六、故障处理流程 (19) 七、应急预案 (19)

第一章需求分析 一、项目背景 《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》明确指出:把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略,超前部署教育信息网络。到2020年,基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系,促进教育内容、教学手段和方法现代化。加强优质教育资源开发与应用,建立数字图书馆和虚拟实验室。鼓励企业和社会机构根据教育教学改革方向和师生教学需求,开发一批专业化教学应用工具软件,并通过教育资源平台提供资源服务,推广普及应用。 在“十三五规划”方针政策指引下,各地陆续出台政策,强调数理化实验教学的重要性。 2016年,北京公布了中高考的新方案,强调义务教育阶段所有科目都设为100分,表示它们在义务教育与学生成长中同等重要,不再人为去区分主次,使学校、老师、家长、社会对每一门学科都很重重视,其中物生化实验部分占分比例为30%,高考不再文理分科。 继北京重磅发布此消息后,河南教育厅发布《关于2016年普通高中招生工作的意见》,其中明确要求理化生实验操作考试满分为30分;安徽省初中毕业升学理化实验操作考试分数为15分,考试成绩计入考生中考录取总分;山西省理化实验操作10分。

同步虚拟仿真实验室简介

同步虚拟仿真实验室简介 ●同步实验室是广州市同实网络科技有限公司精心打造的,与初高中化学、物理、生物教材相对应的虚拟仿真实验平台。它把计算机应用技术和交互动画Flash技术应用到中学化学、物理、生物实验课程中,以高度仿真技术提供与实际实验操作一模一样的模拟实 验,实现完全动手仿真。实验模式分为《化学实验室》、《物理实验室》、《生物实验室》 三个部分。 ●同步实验系统是与新课改大纲和教材完全相对应的虚拟仿真实验,由近百位国内知 名理化特级教师,耗时近3年时间,精心设计校准实验内容,制作成100%真实模拟实验室环境和各实验器材的效果。老师和学生只需要动动电脑鼠标,就可以完成化学、物理、生 物课本上所有的实验,而且对实验的规范操作进行严格要求,即方便让学生掌握知识,又 培养学生规范操作实验的技能。让老师在实验课教学中、学生在实验课学习中再也不用受 场地、实验器材和时间上的限制,在课堂上就可以和同学一起互动进行实验操作。实验平 台的实验内容是根据新课程标准(实验)要求,配合教科书的内容制作而成的通用实验平 台。是老师教学的必备工具,是学生理化课学习的必备利器。 ●化学仿真实验

●物理仿真实验

●生物仿真实验

功能及优势 ●高度仿真 改变传统仿真实验用鼠标操作的不真实感,全过程用手操作,仿佛学生老师在用自己的双手在做实验一样逼真 ●寓教于乐 动漫的表现形式,配合各种特效声效,寓教于乐,极大的提高了学生兴趣 ●对应新课程标准 内容涵盖新课改后教材及大纲要求的全部实验。必修选修一网打尽 ●数字化优势 使一些难开展的实验、耗时长的时间、反应不明显的实验得到呈现。并且可以突破时间及空间的束缚,灵活地放大或缩小场景,对实验进行细微的观察 ●重点突出 根据大纲要求,再精选出重点实验。有限节约学生时间 ●实验测评 完成实验操作后有专门针对章节的理论测评,有效考察章节掌握情况 ●重复性强 根据预习、学习、复习的不同需要,可有目的针对性学习和操作而不需消耗耗材使用示范 ●使用示范 1

虚拟仿真虚拟现实实验室解决方案

虚拟仿真虚拟现实实验室解决方案

数虎图像提供虚拟仿真实验室硬件设备搭建和内容制作整体解 决方案 虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究就的重要载体。 随着虚拟实验技术的成熟,人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值,它除了能够辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。数虎图像拥有多名虚拟现实软硬件工程师,在虚拟现实实验室建设方面有着无与伦比的优越性! 下面请跟随数虎图像一起,让我们从头开始认识虚拟现实实验室。 【虚拟现实实验室系统组成】: 建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键,而要建立一个完整的虚拟现实系统,首先要做的工作是选择确实可行的虚拟现实系统解决方案。 数虎图像根据虚拟现实技术的内在含义和技术特征,并结合多年的虚拟现实实验室建设经验,最新推出的虚拟现实实验室系统提供以下组成:

虚拟现实开发平台: 一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台,一般包括两个部分,一是硬件开发平台,即高性能图像生成及处理系统,一般为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站;另一部分为软件开发平台,即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分,负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台,同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转,与她们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此,虚拟现实系统开发平台部分在任何一个虚拟现实系统中都不可缺少,而且至关重要。 虚拟现实显示系统: ·高性能图像生成及处理系统 ·具有沉浸感的虚拟三维显示系统 在虚拟现实应用系统中,一般有多种显示系统或设备,比如:大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示

基于Matlab的电工电子技术虚拟实验仿真平台

基于Matlab的电工电子技术虚拟实验仿真平台* 马向国 刘同娟 姚志英 龚祥林 北京物资学院 北京 101149 摘要:本文将Matlab引入电工电子技术课程的教学和实验中,通过Matlab软件提供的电气系统工具箱,可以对直流电路进行稳态分析、暂态分析;同时该软件也可以对交流电路进行分析。通过教学实践表明,基于Matlab的电工电子技术虚拟实验仿真平台的建立和应用,改革了电工电子技术课程实验教学的形式和内容,培养了学生的兴趣和实践能力,提高了课堂教学的效率。 关键词:Matlab;电工电子;仿真 收稿日期:2009-11-09 作者简介:马向国,工学博士,副教授。刘同娟,工学博 士,讲师。 *本文获北京物资学院2009年《电工电子技术》重点课程建 设项目资助。

Virtual experiment simulation platform of electrician electronics technique based on Matlab Ma Xiangguo, Liu Tongjuan, Yao Zhiying, Gong Xianglin Beijing Wuzi university, Beijing, 101149,China Abstract: In this paper, Matlab software is introduced in “electrical and electronic technology” course teaching and experiments. Through the MATLAB software provides a toolbox of electrical system, DC circuit steady-state analysis and transient analysis can be simulated,at the same time, the software can also analyze AC circuits. Teaching practice shows that the establishment and application of “electrical and electronic technology” Virtual experiment simulation platform based on MATLAB software reform the “electrical and electronic technology” Experimental Teaching in the form and content and cultivate the students’ interest and practical ability and improve the classroom teaching efficiency. Key words: Matlab software;electrician electronics; simulation

虚拟仿真实验平台使用教程

虚拟仿真实验平台使用教程 一、首次使用 1. 虚拟仿真实验平台登录网址为::6050 2. 点击右上角“系统使用说明(首次登录必看)” 3. 根据视频教程安装虚拟运行环境 4. 查看系统各模块的视频教程

二、预习测试 1. 登录仿真平台(初始账号密码均为10位学号,登录后请设置邮箱和密保问题, 设置后可以自行找回密码) 2. 进入“实验预习系统” 3. 在“完成预习”选项卡下进入预习,根据提示完成预习测试题。 注意:“实验预习系统”仅具有答题功能,请同学们完成预习测试题前先在“仿真实验V4.0”系统进行实验学习!

三、仿真实验 1. 进入“仿真实验V4.0” 2. 进入各实验项目进行学习和实验 3. 实验操作由系统评分,同时考察实验操作过程和测量数据情况。 注意:请在结束实验操作前截图保存原始数据,以进行后续的数据处理和报告撰写,实验结束后无法查看原始数据!

四、实验报告提交 1. 完成虚拟仿真实验后,在“开始实验”选项卡下点击“上传实验报告” 2. 点击“报告模板下载”按钮下载该实验的报告模板,根据模板要求完成实验报告并上传。 3. 在教师评阅前实验报告可多次上传,新上传的实验报告会覆盖之前上传的。 五、技术问题 1. 虚拟仿真实验平台使用过程中遇到技术问题时,可在“虚拟仿真实验环境安装

及使用问题解决方案”中查找解决方案。 2. 遇到无法解决的问题,同学们可以将问题反馈给学习委员,由学习委员在“物理实验课程通知群”统一反馈给实验指导教师和公司技术人员。 附:虚拟仿真实验环境安装及使用问题解决方案

虚拟仿真实验环境安装及使用问题解决方案 1. 安装过程中如果遇到如图所示的情况 解决方案:请关闭杀毒软件(360安全卫士,360管家,联想电脑管家,鲁大师等),再重新安装,如果还不行就按照如下链接给注册表权限再安装

虚拟仿真实验室硬件设备搭建整体解决方案

虚拟仿真实验室硬件设备搭建整体 解决方案

虚拟现实实验室是虚拟现实技术应用研究就的重要载体。 随着虚拟实验技术的成熟,人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值,它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有如利用率高,易维护等诸多优点.近年来,国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室。**图像拥有多名虚拟现实软硬件工程师,在虚拟现实实验室建设方面有着无与伦比的优越性! 下面请跟随**图像一起,让我们从头开始认识虚拟现实实验室。【虚拟现实实验室系统组成】: 建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键,而要建立一个完整的虚拟现实系统,首先要做的工作是选择确实可行的虚拟现实系统解决方案。 **图像根据虚拟现实技术的内在含义和技术特征,并结合多年的虚拟现实实验室建设经验,最新推出的虚拟现实实验室系统提供以下组成:

虚拟现实开发平台: 一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台,一般包括两个部分,一是硬件开发平台,即高性能图像生成及处理系统,通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站;另一部分为软件开发平台,即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分,负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台,同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转,与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此,虚拟现实系统开发平台部分在任何一个虚拟现实系统中都不可缺少,而且至关重要。 虚拟现实显示系统:

·高性能图像生成及处理系统 ·具有沉浸感的虚拟三维显示系统 在虚拟现实应用系统中,通常有多种显示系统或设备,比如:大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统,而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统,因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性,而在这些所有的显示系统或设备中,虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统,因此,该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式,也是一种最典型、最实用、最高级别的投入型虚拟现实显示系统。这些高度逼真三维显示系统的高度临场感和高度参与性最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。

虚拟仿真实验教学项目建设及与江苏省虚拟仿真实验教学共享平台对接要求

虚拟仿真实验教学项目建设及与 江苏省虚拟仿真实验教学共享平台对接要求 一、虚拟仿真实验教学项目建设要求 虚拟仿真实验教学项目指充分体现学科专业优势,依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,建设的可用于信息化条件下自主学习、探究学习、协作学习的实验教学项目,其根本目的在于构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学目的。虚拟仿真实验教学项目要求最终生成可在互联网上直接运行的格式,客户端使用时无须下载或安装任何程序、插件即可直接运行使用。虚拟仿真实验教学项目需要包含的基本信息与数据规范如下: 二、与省共享平台对接要求

虚拟仿真实验教学项目要求能够直接接入江苏省虚拟仿真实验教学共享平台,本着分布建设、集中共享、统一服务的原则,通过共享平台满足多学校、多地区共同开展虚拟仿真实验教学的需要。虚拟仿真实验教学项目与省共享平台对接接口所含数据标准与规范如下: 1.项目基本信息。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、所属学校代码、所属中心名称、项目负责人、资源分类、建立年份、是否计费、计费标准、计费支付方式、项目简介、面向专业等信息。 2.项目预习信息。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、预习文件名称、文件类型、文件访问地址。其中文件类型支持文本(doc,pdf)、图片(bmp,jpg)、动画(flv)、视频(avi)等多种类型和格式。 3.项目自测信息。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、自测成绩、自测时间、自测内容访问地址。 4.项目实验操作。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、实验操作地址路径。 5.项目资源计费。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、计费类型、计费系数。 6.项目实验记录。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、实验记录内容、记录添加时间。 7.项目实验报告。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、报告名称、报告内容、报告添加时间、报告审核状态。 8.项目资源评价。包含虚拟仿真项目名称、所属学校名称、操作用户账号、评价内容、评价发表状态。

虚拟仿真实训室建设方案详细

一、概述 (一)建设意义 1、现有实训条件分析 机电技术应用专业现有基础实验室、专业实训室共计9个,可开设《维修电工》、《电工电子技术与技能》、《电气及PLC控制技术》、《车工工艺》等课程的相关实训项目。为满足机电专业人才培养目标和社会培训的需要,需进一步加强专业建设,拓展专业领域,增加实训开出项目,提升实习实训教学环境条件。 2、必要性和可行性 (1)必要性 通过对多家电气自动化企业及IT企业进行了职业群与岗位群调研,确定其培养目标:从事机电一体化产品及自动生产系统的设计制造与开发,从事处理重要数据、熟练应用各种专业设计软件。并根据对机电技术专业岗位群的职业能力和知识技能要求的分析,构建了“阶梯递进式工学交替”的人才培养模式,搭建了基于工作过程导向的“模块化”专业课程体系,增加《虚拟仿真》课程。这就需要新建虚拟仿真实训室,使其具备在虚拟终端对自动化设备及生产线调试与维护、维修电工等虚拟实训项目的条件,所以需采购虚拟化服务器1台,虚拟化桌面终端48台,虚拟化软件Citrix48套,满足一个班的实训需求。 (2)可行性 天津市基础能力建设校实训基地投资中的部分资金将用于虚拟仿真实训室的建设,建设后的实训室集教、学、做为一体,新增虚拟

仿真终端实训设备,可以满足56人的《虚拟仿真》课程的实训教学的需求。实现了学生专业基本能力、专业核心能力和职业行为能力的提升。 3、建设依据 依据确定的“阶梯递进式工学交替”的人才培养模式,校实训应贴近企业的实际生产,有助于提升学生的专业基本能力、专业核心能力和职业行为能力,便于学生在校学习与企业岗位实践能够顺利衔接。 (二)建设思路和建设目标 1、建设思路 虚拟仿真实训室的建设本着建成集“教、学、做”为一体的教学环境和专业综合性实训基地的理念,从演示实践教学、基本技能实训教学和项目综合实训教学三个层面,为《虚拟仿真》课程的实践教学提供保障。 虚拟仿真实训室需要符合以下要求: (1)满足于综合性实践教学的要求 建成后的实训室可以实现四种形式的教学与培训方式,极大丰 富了教学容和教法。“实物模拟仿真设备培训方式”,“实物虚拟操 作培训方式”,“软件及仿真软件培训方法”和“新产品新技术展示 与介绍的培训方式”,这四种培训方式的综合应用,为社会培养高 素质的技术人才奠定了基础。 本实训室采用模拟仿真的实训手段,实现由单一基础技术的虚 拟仿真实训训练到各种技术综合应用的虚拟仿真实训训练。力求体 现虚拟化、仿真化、机电一体化方面的技术特色和行业应用及发展 的趋势,力求体现先进性、前瞻性、实用性、可操作性及示性。切

虚拟仿真实验室硬件设备搭建和内容制作整体解决方案

图像提供虚拟仿真教学硬件设备搭建和容制作整体解决案 【虚拟现实教学系统组成】: 建立一个完整的虚拟现实系统是成功进行虚拟现实应用的关键,而要建立一个完整的虚拟现实系统,首先要做的工作是选择确实可行的虚拟现实系统解决案。 图像根据虚拟现实技术的在含义和技术特征,并结合多年的虚拟现实教学建设经验,最新推出的虚拟现实教学系统提供以下组成: 虚拟现实开发平台: 一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台,一般包括两个部分,一是硬件开发平台,即高性能图像生成及处理系统,通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站;另一部分为软件开发平台,即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台。开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分,负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台,同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转,与他们共同组成一个完整的虚拟现实系统。因此,虚拟现实系统开发平台部分在任一个虚拟现实系统中都不可缺少,而且至关重要。 虚拟现实显示系统: ·高性能图像生成及处理系统

·具有沉浸感的虚拟三维显示系统 在虚拟现实应用系统中,通常有多种显示系统或设备,比如:大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统,而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统,因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性,而在这些所有的显示系统或设备中,虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统,因此,该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和式,也是一种最典型、最实用、最高级别的投入型虚拟现实显示系统。这些高度逼真三维显示系统的高度临场感和高度参与性最终使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。 虚拟现实交互系统 多自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一,也是虚拟现实技术的精髓,离开实时交互,虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义,这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根

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