計算機仿真論文范文

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第1篇

研究團隊、制藥產業及醫療服務業已經認可生命科學仿真系統的作用。在化學工程師和計算機輔助過程工程專家的幫助下，生物工程師可以運用這些手段解決諸多生理學和醫學問題。

2仿真技術的研究進展

系統生物學要使用定量分析來研究生命系統。起因于處理大量數據的需要。學者通過計算機仿真技術，利用定量分析來處理臨床問題，產生了名叫系統醫藥學的新學科。化學工程師長期參與生物學和生物醫學的定量分析。Peppas和Langer認為在20世紀60年代早期化學工程師就參與生物醫藥工程。Bailey和同事研究出一種控制新陳代謝的手段，這種手段不僅可用于生物制造技術，也可用于其他生物問題。2005年，Solis和Stephanopoulos指出了納米級的系統工程需要解決的問題。2006年，Doyle和Stelling回顧了用計算機仿真技術去分析代謝網絡的一些重要的成果。2009年，Eissing、Chaves和Allgower利用仿真模型來分析細胞死亡。近年來，有許多論文概述了計算機工程師和化學工程師在醫療系統中的作用。對化學工程師，尤其是工藝系統工程師來說，免疫系統是一個采用仿真技術的復雜系統，化學工程師能夠研究免疫系統和病毒之間的相互作用。2004-2005年，Deem開發了一種運用計算機仿真技術研究了病毒和疫苗造成的免疫反應的定量模型。Chakraborty在2003年用仿真技術研究了免疫系統的細胞間的通信，以及免疫反應。2006年，Joly和Pinto認為HIV-1發病機理的數學模型優化了藥物治療的方法。這種方法會導致藥物設計和配方設計的改進。Yin在2007年提議把病毒當作一種產品，研究病毒生長和傳播時需要考慮時空的影響。可以預見，將來人們會用生理學模型和計算機技術設計出最佳藥物配方。為了有效地進行仿真，需要根據生物具體的特性建立多種生理學計算模型。幾年前，學者啟動生理組計劃（PhysiomeProject），旨在尋找人和其他真核生物的計算模型。迄今為止，該計劃主要關注使用CellML標準的細胞電生理學的數學模型。CellML標準是一種使用細胞進程模型的生物物理學模型標準。另外SBML標準是一種能夠辨識生物進程的計算機可讀標準。最近，一個名為虛擬生理人的項目進一步促進了歐洲學者研究生物醫學的建模和仿真。學者開發了一些數據庫去存儲生物模型。細胞模型系統和生物模型數據庫是其中兩個重要的數據庫，兩個數據庫都建議使用CellML標準和SBML標準。學者可使用這兩個數據庫來探索復雜的生命系統。生物模型在藥物的使用方面有重要作用，這不僅是一個通用手段，而且對癌癥治療和眼病治療也有特殊的貢獻。2002年，Cstete和Doyle提出一種生物反饋系統的逆向工程分析原理。2003年，Tyson、Chen和Novak回顧一些生物控制模塊的設計原則。

3簡單系統的建模

2001年，Hangos和Cameron強調明確建立模型的目的，模型是在對現象總結的基礎上，用計算機能夠接受的方式反映規律，建模是下一步仿真計算的基礎。對復雜系統來說建模十分必要。復雜系統不可能設計出含所有現象的實驗，因為部分量不可測量，并且幾個現象間很難找到相互關系。盡管學者已經在測量基因與代謝領域取得巨大進展，但仍有許多生物量無法測量，即便能夠測量出一些，測量的準確性也不夠高。下面的例子是倫敦大學研究得到的一種模型，該模型模擬了血流改變時動脈壁內皮細胞的反應。血流改變刺激細胞產生化學信號，而這些化學信號拉長了內皮細胞，在某些條件下，巨噬細胞在動脈壁上增加了，最后導致動脈粥樣硬化。動脈粥樣硬化斑塊的位置與血流改變的區域息息相關。并造成影響。學者研究出兩個模型來探索這種影響。模型一是細胞表面的血液模型，首先把細胞表面分解成許多不同的小三角形區域（0.4um），這個模型可以看成一個斯托克斯公式的邊界積分表達式，通過該模型可以研究在血流作用下細胞的受力情況。模型二研究了力對細胞骨架的影響，細胞骨架保持細胞形狀，可以使用開爾文體模型研究這個問題，它是由1個緩沖器和2個平行的彈簧構成的黏性彈性系統，開爾文體代表一種將機械力轉化成生化信號的細胞成分，這種生化信號會導致Src激酶的活化，Src激酶會調節Rho激酶和GTP酶（Rac和Rho），而Rho激酶和GTP酶可以控制細胞結構和形態。簡單的展示了該過程。此模型可以解釋很多現象，但仍然有一些問題解釋不了，例如當涉及體內細胞間的通信時，該模型不適用。研究人員建立復雜的仿真模型，這些模型涉及化學和機械領域，可以使用這些模型來進一步研究各種生理學和臨床醫學現象。

4復雜系統的建模

生命系統具有很強的魯棒性，生命系統和多反饋的魯棒性系統相似。建模時要識別模型中的薄弱區域，在該薄弱區域模型可能不夠準確，需要用模型進行預測，這要求修改模型。在復雜模型中，特別要注意內部參數不能測量的區域，當處理涉及復雜生理問題時，這些區域變得很重要。原料中包括必要成分A，A和其它成分一起加到反應器。在該反應器上，一些原料反應生成副產物B。在這個過程中，在一定范圍內控制成分A的數量很重要。在反應器上，A在催化劑C的催化下生成B，B在催化劑D的催化下生成A。A的數量決定CSTR產生C或者D的數量。如果A加入很多，將會產生C催化正反應。如果A加入的很少，將產生D催化逆反應。與此同時，膜反應器過濾掉廢物。這個簡單的工藝流程初步反映了血液中葡萄糖調節機制。葡萄糖由腸道進入血液，并供給其它所有的器官。葡萄糖維持在一定濃度很重要，因為維持在一定濃度可以確保人類各種機能的良好反應，這種調節過程稱為葡萄糖穩態。如果葡萄糖糖濃度高，胰腺產生胰島素，指示肝臟把葡萄糖轉化成糖原，如果血液中的葡萄糖濃度低，胰腺產生胰高血糖素，將糖原轉化回葡萄糖。肝細胞還將血液中廢品送入膽汁，并通過膽管過濾并排泄。這是一個涉及多個器官的復雜系統，探索該系統需要考慮許多器官間的聯系，葡萄糖穩態系統可以用7個模型表示。

1）.胰高血糖素受體模型

通過胰高血糖素模擬肝細胞表面受體的活化，受體活化產生三磷酸肌醇。該模型由5個微分方程構成，分別描述受體的各種狀態、G蛋白的活化和三磷酸肌醇的產生。

2）.鈣模型

模擬由三磷酸肌醇活化產生的鈣信號通路。該模型由2個微分方程構成，分別涉及細胞質和內質網中鈣濃度。鈣模型的前提是Hill方程。

3）.環磷酸腺苷模型

模擬受體的活化和環磷酸腺苷的產生。該模型由5個微分方程構成，分別關于環磷酸腺苷的濃度、S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的濃度、受體的比例、不活動的比例以及核定位蛋白激酶A的比例。模型遵守Hill方程。

4）.胰島素模型

模擬肝臟對于胰島素的反應，該模型由1個描述糖原合成酶激酶（GSK）活化的微分方程構成。

5）.血液模型

模擬葡萄糖在血液、肝臟和胰腺之間的運輸，該模型由1個描述血液中葡萄糖濃度的微分方程構成。

6）.糖原分解模型

模擬控制糖原分解與合成的4個因素，葡萄糖及6磷酸葡萄糖的控制、鈣離子的控制、環磷酸腺苷的控制、胰島素的控制。該模型是一個模糊邏輯模型，該模型描述糖原合成酶（Sta，控制糖原合成速率）及糖原磷酸化酶（Pho，控制糖原分解速率）的活性水平。該模型由4個微分方程構成，分別關于糖原磷酸化酶（Pho）、糖原合成酶（Sta）、糖原和細胞內的葡萄糖。

7）.胰腺模型

模擬胰高血糖素或胰島素的釋放。該模型由2個微分方程構成，分別關于胰島素和胰高血糖素的血液濃度。每一個微分方程都要遵循Hill方程。上述7個模型共同構成葡萄糖的調控模型，需要軟件管理系統來協調它們。Saffrey等人在2007年描述一種模型管理系統。該管理系統用來存儲模型和數據。在該系統中，上述的7個模型互相聯系，共同模擬出葡萄糖穩態系統。Hetherington等人詳細描述這個葡萄糖穩態系統的模型。

5完善和應用模型

建立模型以后，需要進一步完善。可以選擇各種不同的實驗者，將實驗者分成多個小組，分別觀察和記錄他們的數據，根據這些數據完善和調整模型，甚至改變模型，最終確定適合不同人的具體的模型。通過這些具體的模型可以預測未來的變化情況，為了達到某些目的也可以設計一些干預措施。在其他領域中，學者已經充分研究了基于模型工程的設計方法，利用這些設計方法可以達到一些想要的結果，雖然這些設計方法還不成熟，需要進一步完善，但值得借鑒。在生命科學中，要特別注意干預措施也可能會導致一些危害。這些干預措施包括環境干預、藥理學干預或基因干預。環境干預通過物理或化學因素，藥理學干預主要通過臨床干預。在上一部分描述的復合模型中，廣泛的使用了計算機輔助過程工程技術，和優化技術尋找最佳解決方案，如糖尿病患者的最佳胰島素劑量；使用隨機技術尋找高敏感度模型的解決方案；使用區間方法確定能夠接受的最壞情況。上述方法和模型已經被用來預防一些疾病。如糖尿病患者很可能患非酒精性脂肪肝（NAFLD），利用上述方法可以提出一些措施，有效地避免Ⅱ型糖尿病患者患非酒精性脂肪肝（NAFLD）。基于模型的方法（例如優化、隨機分析、間隔方法）將促進生物學和醫學的發展，并且隨著生物學和醫學的發展，這些方法將更完善。要在生物學和醫學領域中很好地使用這些方法和模型，必須要掌握生命科學的知識和計算機的知識，單個的研究者常常不具有這兩個領域的知識，因此合作很重要。那些希望從事相關研究工作的學者必須合作，例如通過短期或長期項目，建立一個促進合作的機制。

6結論

第2篇

冰壺運動是以隊為單位在冰上進行的一種投擲性競賽項目。投擲的冰壺為圓壺狀，周長約為91.44厘米，高(壺的底部與頂部)11.43厘米，重量(包括壺柄和壺栓)最大為19.96公斤，冰壺底部和冰面相接觸的部分是一個半徑約為12.8至13.1厘米的圓環。冰壺所用場地是一個長44.5米、寬4.32米的冰道。場地冰面澆過平整的冰面后，還需要用噴頭像冰面噴灑熱水滴，保證冰面出現表面圓滑的凸起的小冰點，使冰壺的底面不能完全接觸到冰面，并且冰面更粗糙，對冰壺的阻力更大。冰道的一端畫有一個直徑為1.83米的圓圈作為球員的發球區，被稱作本壘。冰道的另一端也畫有一圓圈，被稱為營壘。在場地兩端各裝有一個斜面橡膠起蹬器。在冰壺場地前后兩端各有一條藍色的實線稱為“前衛線”和“后衛線”。球員擲壺時，身體下蹲，蹬冰腳踏在起蹬器上用力前蹬，使身體跪式向前滑行，同時手持冰壺從本壘圓心推球向前，至前衛線時，放開冰壺使其自行以直線或弧線軌道滑向營壘中心。在一名隊員擲球時，由兩名本方隊員手持毛刷在冰壺滑行的前方快速左右擦刷冰面使冰壺能準確到達營壘的中心或者將對方冰壺擊打出得分區域。最后當雙方隊員擲完所有冰壺后，以場地上冰壺距離營壘圓心的遠近決定勝負。

2運動學方程的建立

冰壺在冰面上滑行可以視為剛體的平面運動，可以將其分解為質心的平動和繞過質心軸的定軸旋轉。以前衛線的中心為O，前衛線中線為x軸，垂直于x軸的是y軸，垂直與冰面的為z軸建立坐標系。

2.1旋轉

冰壺的質量為m，開始時的角速度為，冰壺與冰面間的摩擦系數為μ，μ的大小與溫度T有關，可表示成假設摩擦力是均勻分在整個低面圓盤上，故計算摩擦力矩時，應將圓盤分解為許多的以轉軸為圓心的同心環來考慮。

3仿真系統結構

為了實現冰壺運動軌跡的仿真，根據前面所述的運動方程模型，需要先確定冰壺運動軌跡的一些參數。為此將冰壺運動軌跡仿真系統分成兩部分，即基礎參數設置和動態模擬。基礎參數設置中分別輸入初速度、初始角速度和溫度。冰壺場地兩營壘之間的距離近30米，所以在沒有任何干擾的情況下，冰壺應可以自由滑行20米才是有可能到達營壘。

4結論

第3篇

根據多年的高校教學實踐研究表明，教學中把就業崗位對學生知識結構的要求作為依據，重視培養學生的動手能力，以知識本位向能力本位的轉變為目標，進行教學內容和方法的整合，對于增強學生的學習興趣、提高學生的實踐技能、增強職業競爭能力、提高教學質量有重要意義。計算機仿真教學模式能夠真正激發學生的創新思維，幫助學生構建更靈活、更深層次的知識結構體系。有試驗結果表明：仿真教學與傳統教學進行比較，多數學生在仿真教學環境中學習可以記憶整個課程多于2/3的內容，而在傳統教學模式下只能記憶不到1/3的內容。憑借云技術的強大存儲功能等，使用計算機仿真模式進行教學，教師引導，學生身臨其境，調動學生的積極性，學生自學并反復試驗，提高學習能動性，增強創新意識。基于云技術的計算機仿真教學將理論與實踐真正相結合，將為高校教學發展帶來新的方向。現代計算機技術的普及帶動了仿真技術的發展。仿真技術已經能夠使用科學方法建構復雜的物理模型提示真實世界的變化規律，在許多領域進行應用。仿真技術已在世界范圍內許多知名高校的研究等領域中應用；計算機仿真教學在國內外的許多課程中進行過使用；在我國高校中，應用基于云技術的計算機仿真教學是一種新的教育理念，各高校正在進行積極的探索。2014年4月22日在北京召開了首屆京城高校虛擬仿真實踐教學研討會，提出成立首都高校虛擬仿真聯盟，建立推進虛擬仿真實踐教學和首都高校間資源和經驗分享的平臺。在我省高校中，計算機仿真教學還處于比較落后的起步階段，這種新型的教學模式為學生及專業教師提供了教學和研究的新平臺，延展了創新的想象空間，有很大的發展空間和很好的發展前景。

2基于云技術的高校計算機仿真教學應用

以電子商務課程為例(Theapplicationofcomputersimulationinteachingofcloudtechnology—acasestudyofECcourses)

2.1電子商務課程的教學現狀及存在的問題

電子商務專業雖然已經出現多年，但國內高校沒有形成系統完整的專業理論體系。當前高校電子商務專業的教學中然而存在一些不可忽視的問題：課程設置方面。因為缺乏對電子商務相關實際應用的理解，在許多高校中相關課程設置具有極大的隨意性，多數只是把相關商務、管理和電子技術方面的課程進行簡單的羅列堆砌，不能適合電子商務專業實際需求。專業師資隊伍方面。國內高校中從事電子商務教學的教師大多是抽調出來的經管或計算機類教師，知識不夠系統專業，缺乏電子商務專業實踐經驗，很少參與實際電商企業的項目運作，講授專業課程時不能達到專業知識的外延和拓展。專業實踐方面。電子商務專業是一個新型的跨學科的綜合專業；培養的是能系統掌握電子商務專業的理論知識和技能、熟悉電子商務業務流程并能從事電子商務活動的應用型復合型人才。雖然許多高校正在加強實訓教學，但多數缺乏針對專業就業的連貫性，不能很好的達到針對專業就業的實訓目的。

2.2電子商務課程中基于云技術的計算機仿真教學模式的構建

使用基于云技術的計算機仿真教學模式能夠為學生構建一個虛擬的仿真模擬環境，模擬電子商務的各項活動，具有仿真性、可操作性和適應性強的特點。學生借助于云端存儲的相關軟件環境模擬實際電子商務項目環境，模擬參與電子商務實務活動；計算機軟件的操作便捷人性化；仿真教學環境能夠作為與專業相關課程的實訓環境，提高實踐技能。根據崗位群開發仿真教學課件，根據專業實訓的培養要求進行課程設計，基于云技術開發仿真崗位模擬場景和符合教學需求的互動式教學應用平臺，為培養學生的實踐動手能力提供更理想更完善的方案。從就業崗位對專業人才知識結構的要求出發，以項目教學為主線進行課程實訓內容的整合，采用情景模擬和計算機輔助教學為主要手段。借助于云的強大存儲功能平臺，針對專業課程內容和特點遵循專業方向和教學內容。計算機仿真和真實裝置相結合創建教學的仿真物理場所和軟件環境(存儲于云空間即用即取)，以就業為導向，用實驗、見習、實踐的方式進行實踐模擬，注重安全要求，集中管理，聯合開發，實現資源整合與優化。考核上，仿真模擬教學完成整體項目的過程中，專業技能鑒定與考核等領域以學生的表現為主，附帶平時成績，最終作為評定等級的依據。基于云技術的高校計算機仿真教學可以解決電子商務專業教學上存在的問題，教學系統平臺存儲于云端，使用三維建模方式模擬電子商務實踐環境，數據量小、速度快、精度高、互動性強。平臺提供了電子商務專業課程教學中真實模擬互動性的教學和實踐環境，讓學生在親身實踐的過程中提高學習效率。學生通過實際操作，認知并掌握相關專業知識，通過崗位角色扮演來體驗相關工作流程和崗位職責。憑借管理模塊任課教師可以掌控教學過程和學生操作情況，進行必要的控制和引導。通過教學系統平臺的考核模塊教師可以對每個學生進行跟蹤及考核評價。

2.3電子商務課程中基于云技術的計算機仿真教學的具體應用

高校電子商務專業教學中使用基于云技術的計算機仿真教學，常見的方法包括：課堂演示，情景模擬，認識實踐等。以電子商務專業教學為對象，針對專業性質和教學特點進行具體的規劃。憑借云技術的基于網絡的仿真教學系統平臺、課件、資料庫、仿真實訓的教學軟件(包括教學過程的多媒體課件；操作仿真技能的訓練；模擬實際專業崗位的各種學習和工作環境等)；教師和學生在網絡PC終端登錄使用云空間里存儲的相關教學資源；在同一個網絡多媒體機房，合法用戶可以進行不同的實訓練習；集中管理各種資源更安全，添加、修改、上傳、下載等使用更方便。構建電子商務交易的真實過程和相應的計算機仿真教學系統，多媒體網絡機房能滿足現有各種仿真培訓系統的要求(電商方、客戶方、物流配送方、第三方等)。實現仿真系統與真實電商系統在線連接，將數據通過網絡傳輸到系統中，將系統中的數據信息與真實數據信息進行比較，指導學生的操作。軟件技術和Internet支持平臺運行，教師與平臺中學生實時溝通，實現電子商務完整交易過程的各環節的實時動態信息和數據的交互。采用局域網和Internet結合使用的模式可以方便的對仿真平臺系統進行擴充和統一維護管理。包括進行用戶注冊、遠程登錄、調試等，所有資源以云技術在“云端”共享。以淘寶、天貓商城等作為實踐平臺進行仿真教學的案例，如以現有的已經開設的淘寶商鋪作為仿真系統中的模擬電商方，學生分組形式進行仿真系統的崗位模擬：部分學生注冊淘寶會員并用賬戶和密碼登錄作為仿真系統中客戶方，部分學生登錄商鋪作為仿真系統中電商方的客服，部分學生作為仿真系統中電商方的庫存管理員，部分學生作為仿真系統中下訂單后的在線支付(經過支付寶作)或者電子銀行系統(快捷支付)為第三方，部分學生作為模擬的仿真系統中的物流配送方，部分學生作為仿真系統中電商方的售后服務客服方等，模擬各個環節的進程，最終完成項目形式的電子商務完整交易。具體包括：收集相關資料，進行學生分組；申請并注冊開設電商方(如淘寶)店鋪，注冊客戶端用戶、注冊支付寶賬戶等；制定仿真電商交易完整方案；進行仿真系統進程，學生按部就班地進入崗位角色，展開電子商務過程；教師的總結點評，教學內容的延伸等。

3結論(Conclusion)