计算机技术在企业国家重点实验室中的应用分析

张永乐

摘要：基于企业国家重点实验室的特点，结合实际案例，从理论分析体系、实验技术体系及工程现场结合等方面，对计算机技术在企业国家重点实验室科研创新活动中的应用现状、存在问题及发展前景进行了全面分析，有利于促进计算机技术的推广应用。

关键词：计算机技术；企业国家重点实验室；科研体系；应用分析

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

随着计算机技术的快速发展，其已被广泛地应用到社会活动的各个方面、各个领域，如今，计算机技术的应用程度，已被作为衡量企业发展水平的重要指标。目前，计算机技术在企业国家重点实验室也得到了一定的推广应用，如科学实验、科研管理、操作培训、人员办公、财务管理、人事管理等方面都应用了自动化管理软件，大大提高了工作效率[1]。计算机技术应用越广泛，科研成果质量的提高就越快，企业国家重点实验室的发展也就越快。但我国计算机技术整体应用广度、深度均不足，与世界发达国家相比仍存在10年左右的差距。因此，有必要系统、深入研究计算机技术在企业国家重点实验室科研体系中的应用。该文从理论分析体系、实验技术体系、操作培训体系、工程现场试验等角度出发，全面分析了计算机技术在工程建设类企业国家重点实验室科研活动中应用的现状、存在问题及应用前景。

2 理论分析体系

利用计算机技术处理实验数据是科学研究发展的必然世势，它不但能提高实验效率、改善实验效果，还能提高实验结论的科学性。计算机技术主要分为硬件平台和软件技术，此处着重从工程设计、数值分析、虚拟仿真及结构优化设计等方面，分析CAD、Matlab、Adams、Ansys等计算机软件技术在科研理论分析体系中的应用。

2.1 工程设计

计算机辅助技术自20世纪90年代初期开始在工程设计中推广应用，目前设计行业利用CAD制图比例达到95%以上。利用CAD技术辅助工程设计，不仅可以使工程设计人员从传统的设计计算和绘图中解放出来，减少工作量，还可以提高设计精度和可靠性，进而明显提高设计项目的科学性、经济性和可靠性。工程设计的各个领域基本已被CAD技术覆盖，从研发、制造到应用的各个环节已基本实现了信息共享。企业国家重点实验室处于研发环节，基于目前竞争合作的社会经济环境，要注意加强专业间尤其是企业国家重点实验室间通用信息的共享，以提高总体工作效率，同时避免重复性工作。

虽然CAD软件技术已具有较广的使用范围，但其应用深度存在很大的局限，相当一部分企业国家重点实验室仍停留在出图上。三维CAD、CAD/CAM、CIMS、仿真优化设计等功能应用很少，未将结构优化计算及仿真优化作为方案设计的必备步骤。

2.2 虚拟仿真

多学科和理论是计算机虚拟仿真技术的基础，建立结构模型、寻找分析方法及开发仿真系统是进行计算机虚拟仿真研究的主要内容。与传统产品研发、装备制造、工程施工相比，虚拟产品设计、虚拟制造、虚拟施工，不仅不消耗物质资源和能源，而且可在产品生产前，对产品的不同实现方式进行评估和优化，降低产品制造成本；在工程施工前，进行模拟施工，对工程施工中可能出现的风险点进行预测分析，降低施工风险、提高施工效率。

随着信息技术的发展，利用虚拟试验的方式，大大简化了物理实验过程，可在降低工程试验成本的前提下，很好地分析和解决装备制造、工程施工中的一系列难题。目前虚拟仿真技术已在有限元分析、人机工程分析、干涉分析和加工过程分析等、施工过程分析等方面得到了广泛应用[2-5]。以盾构装备施工为例，利用计算机技术生成逼真的、具有视觉、听觉、触觉等多感知的三维虚拟环境，通过使用各种交互设备，同虚拟环境进行互动。进而实现盾构三维机械结构及机构运动过程仿真、盾构掘进作业流程仿真、交互式虚拟装配仿真等，并可进行工程施工减灾、防灾等实验，为风险评估、应急预案制定等工作提供参考。

2.3 优化分析

如何较好地解决多因素、多技术指标要求的工程设计问题，这就需要采用优化分析手段，常用的优化分析方法有罚函数法、复合形法、约束变尺度法、随机方向法、简约梯度法、可行方向法等[6]，常用结构优化分析软件有Matlab、Ansys等。

3 实验技术体系

平台搭建、系统监控、数据采集与处理是企业国家重点实验室实验技术体系的主要组成部分，下文将结合具体案例分析计算机技术在各方面的应用。

3.1 平台搭建

实验平台作为企业国家重点实验室基础支撑条件，其性能的优劣将直接影响科研成果质量，系统集成技术、嵌入式计算机技术等是提升实验平台功能的关键技术。以盾构自动化控制平台为例，其主要由信号发生系统、自动控制系统、负载模拟系统等组成。信号发生系统由操作台、工控机、S7-300PLC组成的控制系统组成，自动控制系统由操作台、工控机、基于S7-400H PLC组成的冗余控制系统组成，负载模拟系统由西门子单轴、双轴伺服控制器S120、电抗器、伺服电机等组成[7]。将三个系统集成在一起便构成了盾构自动化控制平台。

平台控制软件采用西门子组态软件WinCC7.2和PLC编程软件STEP 7 V5.5进行设计，完成了自动控制系统人机界面和控制软件设计。通过信号发生系统产生该系统模拟测试需要的控制信号及模拟信号，能够实现对自动控制系统中各个子系统软件进行测试及优化，能够满足进行盾构控制系统性能测试的实验需要及对盾构操作人员进行培训教学的需求。由于计算机技术、系统集成技术、自动化控制技术的不断发展，实验平台将趋于向智能化方向发展。

3.2 监控及数据采集技术

以盾构模拟实验平台为例说明监控技术在科研实验技术中的应用。基于盾构模拟实验平台监控系统的功能需求，充分考虑系统的先进性、经济性及可扩展性，进而采用监控系统由PLC、工控机及组态软件等构成的技术方案。系统底层控制由PLC完成，人机界面接口、实验数据采集的功能均由组态软件实现（图1） 。

盾构模拟实验平台控制软件使用Labview 2010编程语言编制，具有友好的人机操作界面，能实现对系统的实时控制，同时能对仪器的测试数据进行自动采集，并对数据进行图形化显示及存储。另外，整个实验台控制软件为开源软件，可以在该软件的基础上进行深度开发，搭建多种实验控制程序，十分方便快捷。

平台数据采集系统的软件设计主要包括数据采集模块、数据分析和处理模块、仪器控制模块三部分（图2） ，共需32个模拟量输出通道、53个模拟量输入通道、39个数字量输出通道、12个数字量输入通道，根据实际需求选用了7个数据采集板卡。

3.3 实验数据处理

Excel软件是实验数据处理常用的一种技术手段，但当参数关系比较复杂，或Excel系统中无对应模型时，则需要实验人员自行编写相应的数据处理程序。前人已有较多关于利用VB等计算分析语言进行实验数据处理的研究，如利用VB语言编制计算机程序，对机构定位误差进行数据处理[8]、利用VB和数据库技术有机的结合，建立了矿井通风阻力测定数据处理系统[9]、利用MATLAB对地表变形监测数据进行处理、利用MATLAB对复合材料成型过程中的工艺参数进行数值插值及拟合[10]。、利用VC++完成对风向、风速、温度测量和结果数据的二次处理。

每个企业国家重点实验室日常需进行的实验项目至少数十个，其中绝大部分实验的数据可以或必须利用计算机技术处理，随着计算机技术的快速发展，可选用的计算分析语言也有很多种，利用计算机技术进行实验数据处理具有较大的创新空间，这对完善实验结论、提升实验人员创新能力都是受益无穷的。

4 工程现场结合

围绕行业前沿、共性问题和重大工程应用，面向社会和行业未来发展需求，开展应用基础研究和竞争前共性技术研究，是企业国家重点实验室的主要任务之一，因此其除了进行竞争前共性技术研究之外，还需能够解决工程实际中遇到的问题，真正做到理论与实际相结合。

以盾构施工远程监控系统为例进行说明，其由被监控端、数据服务中端、监控端三部分组成。本系统以及时获取相关项目盾构基本信息、施工参数以及设备参数等为目的，具备统一监控、集中管理的功能，具有开放性、可靠性、操作简单、人机界面友好的特点。利用该系统可远程对现场盾构施工进行有效的标准化监管及技术监察，有效降低现场盾构施工风险，增强对盾构施工全过程的管控能力。

5 结论

随着计算机技术的不断发展，人类逐步迈进了信息化时代，计算机技术已深入到人们工作、生活中的方方面面，成为促进当今社会发展的重要技术手段与力量。计算机技术给科学研究体系带来了巨大变革，在大大简化各个环节工作的同时，提高了科研工作的效率、确保了科研成果的科学性、可靠性。在这一时代背景下，我国企业国家重点实验室要想跟上时代发展的步伐，必须把握好计算机技术的发展趋势，基于多媒体、网络技术、协同工作环境等，全面、深入地将计算机辅助技术、计算机模拟仿真技术等应用到科研活动的各个方面，进而使得实验室的整体科研水平得到全面提升。

参考文献：

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[9] 张艳东，许振良.基于VB平台风阻测定数据处理系统设计及应用[J].微计算机信息， 2011（5）：53-54.

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