3D水產養殖虛擬仿真實驗室的構建與系統實現

陳增艷，張維石

（大連海事大學，大連 116026）

3D水產養殖虛擬仿真實驗室的構建與系統實現

陳增艷，張維石

（大連海事大學，大連 116026）

在教育部大力開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的大背景下，虛擬仿真實驗室已成為中心建設的重要內容之一。針對于傳統高校實驗教學的高危環境、高成本、高消耗、條件不具備等一系列問題，建設能夠依托虛擬現實、多媒體和人機交互的虛擬仿真實驗平臺迫在眉睫。出以電力載波技術、Web和Unity 3D技術為開發平臺，融合水產養殖學相關理論知識，采用B/S架構研發的一站式水產養殖虛擬仿真實驗室，實現學生在虛擬環境中進行實驗的目的，解決傳統實驗室所面臨的一系列問題，達到寓教于樂，虛實結合，結構完善的一站式智能教學目的。

3D交互；虛擬仿真；水產養殖

0 引言

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。虛擬仿真實驗教學中心建設工作堅持“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，以提高高等學校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，持續推進高等學校實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發展。目前，大多數高校都有針對課程使用實驗教學軟件，但由于每個專業或課程的情況不同，購買的軟件所采用的工作環境、體系結構、編程語言、開發方法等也各不相同。由于學校管理工作的復雜性，各校乃至校內各專業的實驗教學建設大都自成體系，各自為政，形成了“信息孤島”。主要面臨如下問題：

（1）管理混亂，各種實驗教學軟件缺乏統一的集中管理；

（2）使用不規范，缺乏統一的操作模式和管理方式；

（3）可擴展性差，無法支持課程和相應實驗的擴展；

（4）各系統的數據無法共享，容易形成“信息孤島”；

（5）缺乏足夠的開放性。

針對于以上現狀，本文提供的3D水產養殖虛擬仿真實驗室在管理上設置門禁控制，學生只需通過權限審核便可以進行實驗室自助預約，開設資源共享系統，提供統一的操作規范，學生從需求學習到實踐操作均可自主完成，采用B/S架構，支持后臺服務器動態添加實驗課程，采用基于TCP/IP協議的通行，方便客戶端和服務器之間的通信，在一定程度上緩解了當前傳統教學軟件的困境，有效地提高了實驗教學質量。

1 系統結構設計

3D水產養殖虛擬仿真實驗室的設計與實現，參考了國內外多個高校如北京大學的考古虛擬仿真實驗教學中心（2批注）、中國農業大學的水利與土木工程虛擬仿真實驗教學中心（1批注）等，該系統集實驗室管理系統、共享資源系統、3D交互實踐操作系統和實驗室操作控制端為一體。用戶可以根據域名登錄資源共享系統，進入中心概況，查詢到水產養殖實驗室的相關信息，下載有關文檔；在共享資源中，學生可以查看相關的學習資料，瀏覽知識圖片等，學生在學習相關文檔后，可以登錄實驗室管理系統進行注冊和預約，管理人員在后臺對學生信息進行審核之后授予學生登錄權限，學生在操作之前對實驗室進行預約。實驗控制終端后臺可以對實驗室所有裝有3D交互實驗操作系統的電腦進行實時監控和電源管理。總體結構圖如下：

圖1 3D水產養殖虛擬仿真實驗中心系統結構圖

3D交互實踐操作系統中的虛擬仿真實驗采用目前炙手可熱的Unity3D應用程序開發引擎，建模技術則使用3d Max建模引擎，結合兩者開發出最接近真實的實驗環境，實驗的目標在于沉浸性：讓學生如同置身于真實的實驗環境當中，為學生感官上認知操作環境提供幫助；交互性：為學生提供形象生動的交互體驗，使學生實際操作水平得到有效提升；構想性：為使用者提供深層次的理性認識，彌補書本或者平面資料在三維實體上的認知不足，為學生提供更多的想象力和創造力。試驗具備較強的交互性和較完善的步驟說明解釋，畫面鮮活靈動，逼近真實場景，學生在進行試驗過程中的每個步驟都會生成實驗報告，在實驗結束后可進行自主查看，與此同時，實驗結果也會以實驗報告的形式傳遞到后臺，教師通過登錄實驗室管理系統后臺可對學生的操作進行查看。

實驗室控制終端的通信方式使用電力載波系統，電力載波通訊是利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術，最大的特點是不需要重新架設網絡，速度快。該系統采用HL-PLC嵌入式電力線載波模塊，模塊采用FSK通訊方式，相比于485光和KJ101N基帶通信方式，FSK通訊的可靠阻大于30歐姆，串聯電阻高達數百歐姆都可以工作，通訊穩定，抗干擾能力強。比較適合實驗室的網狀系統結構，也能夠在段時間內迅速進行通信。

表1 電力載波模塊通信參數對比

在總系統中，每個實驗室為一個基本單位，有一套實驗控制終端以及若干電腦和刷卡器。實驗室內設置一臺電力載波模塊為電力載波信號發射器，與工作室控制終端通過USB連接，網絡通信的傳輸協議使用TCP/IP協議，該協議不依賴于任何特定的計算機硬件或操作系統，提供開放的協議標準；不依賴于特定的網絡傳輸硬件，相對于UDP/IP協議，TCP/IP面向連接，具備更可靠的傳輸性，能在不同的場合傳輸大量數據，雖然傳輸速度相對于無連接的UDP較慢，但因為使用了FSK通訊方式，在傳輸速度上基本沒有影響。

實驗室管理系統分為學生、指導教師和系統管理員等三級權限。學生的權限包括門禁系統、實驗室及試驗臺預約、3D交互實踐操作、報告查詢等；指導教師權限包括門禁系統、報告查詢和學生信息管理等三類；系統管理員級權限包括門禁系統、項目組權限設置、預約審核、控制終端管理。實驗室管理系統權限分類，如圖4所示。

圖2 3D水產養殖虛擬實驗部分操作圖

圖3 網絡傳輸協議流程圖

圖4 系統功能圖

資源共享系統包括學習園地，資料下載，圖片瀏覽等，學生在實驗前可進入資源共享系統對所進行的實驗進行了解和學習，也可以通過瀏覽中心簡介和實驗流程加強對實驗規范性的操作等。

2 系統功能設計及實現流程

3D水產養殖虛擬仿真實驗室的主要受眾群體為開設相關實驗課程的高校，該系統設計獨立的數據庫導入端口。為了符合實驗室復雜的圖形結構權限，系統采用了一對多和動態讀取配置文件的方式，實現不同實驗室不同實驗工具的權限配置，在通信方面采用了效率最高的串口通信方式，避免多個信號同時發出時出現信號阻塞和通訊延遲的不友好情況，增開程序池分次處理。在處理信號時，采用字符串解析，和數據庫進行一系列的交互，識別不同權限，便于對學生和管理員等進行統一管理，本系統及終端還創建了日志輸出語句，便于在調試及日常運行維護中及時發現問題，增加系統的魯棒性。

學生入學后，會默認在本系統中進行注冊，學生在進行實驗之前可先提交預約申請，包括預約時間，預約試驗臺，預約信息以DAO的方式將學生信息存入數據庫，預約成功與否及時發出反饋（前臺通過界面反饋，后臺通過日志輸出），學生在進入實驗室門禁系統前需要刷卡,信息以十六進制字符串的方式傳入后臺,后臺程序開啟線程池對在傳字符串信息進行解析,截取對應字符范圍,最終轉化為十進制字符串,字符串依次被解析為權限、學號信息、預約時間信息等，和數據庫已有的預約信息進行核對，進行智能開關門。實驗室智能控制終端軟件分為兩個權限：管理員模式和非管理員模式，管理員登錄后，能對實驗室所有試驗臺進行開關及操作，并且可以瀏覽當前實驗室所有試驗臺的預約情況，而非管理員登陸后，只能瀏覽當前實驗室的預約情況沒有對試驗臺操作的權限。管理員進行一鍵開機操作，主要通過給端口發送信息實現，而一鍵開關機則是通過循環遍歷的方式分別給當前實驗室所有試驗臺發送字符串響應開關機，學生在試驗臺登錄進行3D虛擬操作實驗，與此同時監控系統也正常啟動來記錄學生的實驗情況，方便教師進行管理。

控制終端的流程圖如圖5-圖6。

3 結語

3D水產養殖虛擬仿真實驗室將現有的傳統實驗室管理系統模式與創新型的3D虛擬仿真操作相結合，在一定程度上實現了新型的實驗教學模式，該實驗室系統現已被試用于大連海洋大學水產養殖中心，解決了水產養殖教育學院以往的高危環境，高消耗和試驗管理不集中等一系列的問題。實現了統一管理，智能操作和仿真實驗的模式，增加了學生們的學習熱情，也減少了教師和管理員的負擔。總體來講，實驗室實現了以下功能：

（1）任何在教務處有過注冊的學生，不論在校外還是校內，可隨時通過電腦瀏覽器或管理系統，對實驗室工作臺和相關實驗進行預約。

（2）預約通過的學生可通過刷卡信息核對進入實驗室進行實驗操作，實驗室管理員可通過管理系統及預約情況對工作臺進行開關機管理，并對學生在實驗室的情況進行監控（監控多用于考試操作）。

（3）教師可通過學生管理系統對學生操作后的生成的實驗報告進行測評。

3D水產養殖虛擬仿真實驗室改變了傳統的實驗室模式，在智能系統管理環境下運行的工作室更加合理、規范、高效，更符合實際需求且具有科學性。

圖5 控制終端操作流程圖

圖6 系統的硬件網絡拓撲圖

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Construction and Implementation of 3D Aquaculture Virtual Simulation Experiment System

CHEN Zeng-yan，ZHANG Wei-shi
（Dalian Maritime University,Dalian 116026）

The virtual simulation laboratory has become one of the important contents of the central construction in the background of the construction of the national virtual simulation experiment teaching center.However,it is urgent to construct a virtual simulation platform which can rely on virtual reality,multimedia and human-computer interaction for the high-risk environment,high cost,high consumption and condition of traditional college experiment teaching.Proposes a simulation system based on power carrier technology,Web and Unity 3D technology,and integrates the theoretical knowledge of aquaculture.It uses the B/S architecture to develop a one-stop virtual simulation experiment system of aquaculture,which enables students to experiment in virtual environment The purpose of the traditional laboratory to solve a series of problems faced by the realization of the entertaining,the actual situation combined with the structure of the completion of one-stop intelligent teaching purposes.

3D Interaction;Virtual Simulation;Aquaculturer

中央高校基本科研業務費專項基金（No.3132016308）

1007-1423（2017）31-0061-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.016

陳增艷（1991-），女，河南平頂山人，研究方向為軟件技術與方法

2017-09-05

2017-10-20