虛擬仿真技術在建筑智能化工程專業實訓中的應用

胡力勤 趙筱斌

（浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231）

0 前言

21 世紀， 智能建筑與綠色生態建筑的結合將成為建筑業發展的主流，智能建筑市場的迅猛發展,直接拉動了對建筑智能化新職業人才的需求.智能建筑人才已被住房與城鄉建設部列為緊缺性技能型人才。 建筑智能化工程技術專業是我院國家骨干院校建設重點建設專業之一， 是中德合作學習領域課程體系改革項目試點專業， 是浙江省特色專業， 是培養高素質技能型人才的重點專業之一。 《建筑設備監控系統計劃與實施》 屬于建筑智能化工程專業專業核心課程， 主要涉及空調通風、 給水排水、 供配電照明電梯的計算機自動控制； 要求學生掌握計算機控制和信息處理， 控制器硬、軟件安裝、編程、調試、設置。在傳統實驗教學的基礎上加入虛擬仿真技術， 既能夠提高學生對理論知識的理解， 又能夠培養學生的創新能力， 真正實現以學生為主體、教師為主導的實驗教學模式[1]。基于校園網絡的虛擬實訓系統， 通過計算機模擬出場景、 儀器設備、實驗現象、操作流程和環節，開展實訓教學；突破常規諸多缺點； 適用于開放式實新環境， 方便學生從事創新實訓，有助于培養學生創新精神、實踐能力、自主學習能力。

1 設計

目前虛擬實訓系統的設計與開發都是基于某一門課程的實現[2-3]。

1.1 功能分析

建筑設備監控虛擬實訓系統運用計算機技術、網絡技術、 虛擬技術、 多媒體技術， 使學生在教學情境中， 在計算機上完成實訓項目的操作與交互， 其實訓系統應滿足教學的要求：

全面展示建筑設備監控系統的典型結構和主要設備,能逼真實現建筑設備監控系統的主要功能,完成建筑設備監控系統的原理性實驗教學與技能型操作訓練; 為建筑設備監控系統的運行管理提供一個全面的實訓環境。 為今后的教師科研提供一個開放的系統平臺, 進一步跟蹤、 提高建筑設備監控系統集成技術水平;應該能通過校園網訪問，完成系統原理圖繪制、元器件選擇、設備接線、編程各項技能訓練。

1.2 實訓設計

實訓內容用模塊化的設計思路， 滿足虛擬實訓系統的操作性和交互性， 主要分為素材資源庫、 實訓演示與操作、主要故障現象排除、評價四大模塊。 模塊的開發研究實訓目的、實訓內容、教學環境分析、教學方法、 教學評價等方面。 教學以典型工程實施任務為主線，從基礎——單項——復合的規律安排，注重控制系統技術方案的確定， 注重工作過程應用能力的培養。素材資源庫模塊收集國家工程技術規范、 各種技術原理、 實訓指導書、 操作演示。 工程產品包括各種傳感器、執行機構、DDC、通訊接口、各類線材、上位機，以3D 技術逼真展現，使學生了解其元器件構造、技術參數、工作原理、接線端口，其他以圖片、視頻、動畫、文本各種資源展現， 全部實現分類檢索。 虛擬實訓項目演示與操作模塊主要包括建筑設備監控系統配置、控制原理演示、通訊原理演示，接線、組態。 建筑設備監控系統配置利用素材資源庫元件構建監控系統， 組態實現各種監控系統組網和控制流程編寫。 主要故障現象排除模塊展現各類監控系統常見現象， 要求學生判斷故障源， 運用資源中的元件替換故障源設備。 評價模塊主要根據廠家認證工程師資格要求對應知、 應會兩塊內容逐條考核。 傳感器、執行器的安裝、接線、測控、檢修和維護；DDC 的安裝、接線、編程、調試、測控、檢修、維護、故障排查；使學生在評價模塊實訓中掌握各系統的使用、調試、維護技術。

1.3 系統結構設計

建筑設備監控虛擬實訓系統結構分為上位機虛擬仿真軟件、下位機、通信接口。 虛擬仿真軟件模擬大樓內部各種機電設備三維模型和場景， 通過通信接口，與下位機交換數據，實現機電設備各場景啟動、停止、控制。下位機為DDC 和各種傳感器、執行機構組成。虛擬現實建模語言(virtual reality modeling language，VRML)是桌面虛擬現實系統中最經典、 最著名的虛擬現實技術[4]。開發工具采用Photoshop，AutoCAD，3DS MAX 等軟件結合VRP 平臺，可以在盡量保證場景真實性的前提下加速圖像幀的實時生成，完成實時漫游的功能。VRP內嵌編程語言，進行腳本編輯，控制各機電設備動作。接口模塊采用STC12C5A60S2 型號的單片機作為數據處理核心，包括電源電路、時鐘電路、復位電路和輸入輸出接口等[6]。 DDC 采用LonWorks 現場總線技術HW—BA5000 控制器， 將傳感器、 執行機構與DDC 控制器進行模擬與數字信號的連接， 控制模式選用PID調節，將數據與上位機虛擬軟件通過通信接口交換。

2 虛擬實訓系統應用

建筑設備監控虛擬實訓系統可以實施的實訓項目以智能照明控制系統為例， 說明智能照明實訓的應用情況。 DDC 可根據主控計算機發來的命令和數據或自帶的控制程序(EPROM)，再根據現場各種執行器和傳感器反饋的數據和狀態對受控設備進行監控。LonMarke 編程主要步驟，工程調試配套程序安裝,導入資源文件， 拷貝節點程序注冊Plugin 插件程序， 組建LON 網，添加新的信道，添加路由器，保存建立的Lon網絡文件，關閉Visio 繪圖軟件。組態編程，編寫腳本程序和動作設置，以Forcecontrol6.1 系統組態軟件為工具來操作的。

3 總結

《建筑設備監控系統計劃與實施》系建筑智能化工程專業核心課程,在實訓系統引入虛擬技術，通過開發與應用研究， 全面展示建筑設備監控系統的典型結構和主要設備, 能逼真實現建筑設備監控系統的主要功能, 完成建筑設備監控系統的原理性實驗教學與技能型操作訓練;從而節約實驗室設備的資金投入，促進校內實訓設備的建設與功能的完善； 培養學生的動手能力和創新意識。