工程機械虛擬仿真實驗教學平臺設計

王龍庭，石永軍，姜 浩，徐興平，蓋永革，陸富榮

工程機械虛擬仿真實驗教學平臺設計

王龍庭，石永軍，姜 浩，徐興平，蓋永革，陸富榮

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島 266580）

設計了一種基于計算機網絡和大數據的工程機械虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺的硬件部分由仿真虛擬上位機、信號控制模塊、信號驅動模塊、仿真機械運動平臺、信號感應模塊和LED顯示模塊等部分構成；軟件部分涵蓋系統時域數據信號的分析及頻域特征的研究。該平臺可以實現用戶操作、場景虛擬及場景選擇等多種實驗教學功能，并且采用了功能性更強的UGNX虛擬仿真技術，以提高虛擬教學平臺的功能性和數據共享性。該平臺的功能性表現優于傳統實驗教學平臺，數據處理的響應值變動更小、效率更高。

工程機械；虛擬仿真；實驗教學平臺；UGNX

互聯網與計算機虛擬仿真技術的發展，為工程機械類專業的教育教學提供了一個全新的途徑，也使基于網絡的虛擬實驗教學和遠程教育得以實現[1-4]。為滿足工程機械類專業的教育教學與科技創新的需要，實現教育資源平臺化共享，本文設計了一種基于互聯網的虛擬仿真實驗教學平臺，利用網絡實驗設備的聯通性，建立計算機網絡與工程機械實驗設備之間的關聯，基于互聯網實現教學平臺與實驗設備的資源共享，提高工程機械實驗教學平臺的可拓展性和可維護性[5-7]。

1 工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的總體架構

本文設計的基于互聯網和計算機虛擬仿真技術的實驗教學平臺，將理論分析與實驗教學融合于一身，能夠從理論和實踐的雙重視角分析工程機械運動的原理，利用虛擬仿真實驗平臺實現工程機械理論與實踐的統一，為工程機械專業教學活動提供了一個動態化、智能化、交互性的教學與實驗環境[8-9]。該虛擬仿真實驗教學平臺能夠通過視頻、圖像等方式將機械設備的工作過程進行動態化展現，產生更加直觀和生動的教學效果，使學生更容易掌握工程機械運動的原理。

依托于互聯網和大數據的計算機仿真平臺的突出特點是智能化，可以提供更多種類的教學模式和實驗模式；在交互性的表現方面具有強大的AI性能[10-11]，易于教師與學生的互動和交流，學生在選擇性學習方面有了更大的自主性。由于虛擬仿真實驗教學平臺的教學資源由網絡和大數據平臺提供，一方面可以保證所提供的工程機械模型的科學性、時效性和多樣化，能夠應對不同方向的教育教學任務；另一方面也提高了教學資源網絡的共享性和開放性，節約了教育教學成本。

本文設計的基于網絡與計算機虛擬仿真技術的工程機械實驗教學平臺，是在工程機械設計與機械運動原理的基礎上，結合計算機仿真技術和多媒體技術，以更為直觀和透徹的方式展現工程機械設備的工作原理。它改變傳統實驗教學平臺中過于抽象和單一的表現方式，具有更好的交互性和實驗教學效果。計算機虛擬仿真實驗教學平臺作為一種新型教育教學系統和媒介，為工程機械實驗教學提供了一個高效、穩定和經濟的教學方式。該虛擬仿真實驗教學平臺的最大特點是以虛擬3D的方式呈現，可以在虛擬與現實之間進行轉換，是多媒體VR技術在教學中應用價值的體現[12]。學生和教師都可以以用戶的身份登錄該平臺，基于輸入/輸出設備向虛擬實驗平臺傳達指令并獲取相關的結果，反饋的結果包括視頻輸出、圖形輸出和文字輸出等不同的形式。平臺還能夠依據登錄者的要求提供更加完整的實驗數據、實驗圖形及工程機械各種參數變化曲線擬合等。工程機械虛擬仿真的實驗教學平臺總體框架設計如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學平臺的總體框架設計

工程機械虛擬仿真實驗教學平臺總體框架主要由平臺信息導入模塊、實驗教學虛擬交互系統和平臺信息導出界面等3部分構成。工程機械虛擬仿真指令從輸入界面導入，用戶的指令需要轉換為虛擬的計算機語言并進入虛擬仿真實驗教學系統。虛擬交互系統是虛擬仿真實驗教學平臺的核心模塊，按照用戶的指令提供平臺控制功能、場景虛擬功能、場景選擇功能及各種指令操控功能。平臺信息導出模塊將實驗教學虛擬交互系統模塊計算和處理過的數據信息、仿真模型以圖像或視頻的模式顯示出來，從理論和實踐兩個視角展現工程機械運動的過程和基本原理。

2 虛擬仿真實驗教學平臺的基礎硬件設計

工程機械虛擬仿真實驗教學平臺由硬件系統和軟件系統兩個部分構成，其中硬件部分是實現虛擬仿真系統基礎功能的前提和保證，也是軟件功能得以實施的實物載體。虛擬仿真實驗教學平臺的硬件模塊結構設計如圖2所示。

圖2 工程機械虛擬仿真平臺的核心硬件模塊設計

用于工程機械虛擬仿真的實驗教學平臺核心硬件模塊包括虛擬上位機、信號控制模塊、信號驅動模塊、仿真運動平臺、信號感應模塊和LED顯示模塊。當用戶開始操作平臺時，信號模塊會將用戶的要求和信息以控制信號的模式導入驅動模塊，同時虛擬上位機系統參與協同控制，共同控制虛擬仿真平臺的工作與運行。虛擬仿真實驗教學平臺除了具有必要的電機結構、聯軸器結構、臺體結構、電控裝置及運動結構之外，還通過編碼器、光柵尺、傳感器等與上位機系統連接，以虛擬現實技術為依托，實現工程機械實驗教學平臺系統的更新與變革。工程機械虛擬平臺系統依靠編碼器、傳感器等讀取用戶的指令信息，再利用信息控制模塊及平臺的電控裝置，傳導信號、輸出指令和導出實驗教學用的相關數據和虛擬模型。

3 實現流程與關鍵技術

工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的系統軟件程序設計，與系統整體框架設計及硬件模塊設計相匹配，平臺的各軟件模塊都圍繞著工程機械設計的基本理論展開。平臺軟件的實現流程包括系統用戶時域信號的分析和系統頻域特征的分析，最終通過對用戶需求的分析和平臺虛擬程序的運轉，輸出各類工程機械工作原理視頻或圖片，以達到提高教育、教學效果的最終目的。

平臺啟動后，用戶按照自己的教學需求和平臺使用規則載入原始數據，并開始進行數據轉換，提取符合工程機械標準的性能指標值及相關數字信號的空間坐標值。系統的軟件模塊和軟件實現流程能夠以程序的方式寫入平臺系統，也可以按照用戶的需求及工程機械的基本原理進行修正，以呈現出不同的信號頻域特征和工程機械模型，用于工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的軟件系統工作流程（見圖3）。

圖3 工程機械虛擬仿真平臺軟件實現流程

在工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的實際應用中，本文采用的UGNX虛擬技術，能夠導入各種3D模型制作軟件，具有更加良好的適配性和兼容性。在虛擬仿真實驗教學中，軟件程序的設計主要基于UGNX虛擬技術來實現，包括3D建模、3D渲染和仿真教學模型的優化。利用UGNX虛擬技術進行工程機械仿真實驗教學，基于UGNX技術優化虛擬仿真實驗教學平臺的系統屬性和軟件實現流程，并按照用戶的需求模擬真實的工程機械設備進行場景的選擇與設定，添加各種屬性和行為。

虛擬仿真軟件程序在UGNX內創建并內嵌于虛擬仿真實驗教學平臺之中，實現工程機械的3D建模。創建仿真程序需要對原始的數據信號進行標準化處理及虛擬場景的交互，導入機械設備模型的三維數據，其中工程機械設備的格式是以系統插件的形式完成的，在數據信號格式的轉換中，基于網絡和校園內部瀏覽器向平臺輸出相關的實驗教學數據，確定虛擬仿真實驗教學的實施路徑，并將最終的虛擬仿真結果以視頻或圖像的形式更為直觀地展現出來。

在工程機械虛擬仿真實驗教學中，為了提高三維展示的直觀性，工程機械內部零件都具有一定的透明度，并可以利用UGNX技術將不同的零件輔以不同的顏色，在實驗教學中有助于使用者更為細致地觀察工程機械的運行原理，認識各個內部零件之間及與設備整體的邏輯關系。與傳統的工程機械類實驗平臺相比，本文設計的仿真實驗平臺，在仿真的直觀性、準確性、交互性及實驗課堂教學效果方面都具有較大的優勢。特別是在平臺系統交互性能方面，利用UGNX技術平衡虛擬仿真平臺總體的架構與節點安排，使工程機械設備結構的各種特性都能夠全面地展示出來，顯著提高教育教學的交互性與智能性。

4 實證結果與分析

4.1 虛擬平臺的功能性驗證

首先驗證虛擬仿真實驗平臺的功能性。采用問卷調查的方式對使用了平臺的師生進行問卷調查，對于文中提出平臺設計的滿意度問卷調查統計情況如表1所示。

表1 虛擬仿真平臺功能性問卷調查分析

問卷調查結果顯示，各專業教師和學生對于虛擬仿真平臺的滿意度均在95%以上，說明文中提出的虛擬仿真平臺相對于傳統平臺具有良好的功能性和實用性，能夠獲得更好的實驗教學效果。

4.2 虛擬仿真平臺的性能驗證

教學實驗平臺的信號響應值是衡量系統平臺性能的重要指標，信號響應值越小則證明實驗平臺的信號響應越快速、性能越強。本文以車輛工程專業教學中的底盤設計為例，分析傳統實驗教學平臺和虛擬仿真實驗平臺的信號傳輸響應值分布情況。系統運行環境及相關的參數設定如表2所示。

表2 平臺運行環境及相關參數設定

在表2的實驗條件下，驗證了工程機械虛擬仿真實驗教學平臺在車輛底盤設計模擬過程中的信號傳輸響應值分布，如圖4所示。

從圖4工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的信號響應值變化曲線能夠分析出，該基于互聯網和大數據的工程機械虛擬仿真實驗教學平臺的信號響應值被控制在±1.0之內，最高值和最低值分別為0.65和–0.65。從實驗結果可知：本文設計的虛擬仿真實驗教學平臺在系統響應時間上更有優勢，尤其是在復雜三維建模中可以提高仿真教學的效率和效果。

圖4 文中虛擬仿真實驗平臺的信號響應值變化情況

5 結語

為實現教學資源的整合與資源共享，基于VR技術、UGNX技術和網絡大數據建立虛擬仿真實驗教學平臺具有重要的現實意義。工程機械虛擬仿真實驗教學平臺為實驗教學提供了一種全新的途徑，在專業課程實驗教學中發揮了重要作用。在未來虛擬仿真教學平臺的設計與發展過程中，要使平臺的功能性更加趨于完善，使軟件操作更為便捷，在信號處理及數據處理算法設計等方面加以完善，從而提高視頻圖像的精確性和直觀性，強化學生群體對于抽象工程機械運動原理的理解和運用。

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Design of experimental teaching platform for virtual simulation of engineering machinery

WANG Longting, SHI Yongjun, JIANG Hao, XU Xingping, Gai Yongge, LU Furong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

A virtual simulation experimental teaching platform for engineering machinery based on computer network and big data is designed. The hardware part of the platform consists of simulation virtual host computer, signal control module, signal drive module, simulation mechanical motion platform, signal induction module and LED display module. This platform can realize the user operation, scene virtualization and scene selection and other experimental teaching functions. It also uses UGNX virtual simulation technology with stronger functions to improve the functionality and data sharing of the virtual teaching platform. The functional performance of the platform is better than that of the traditional experimental teaching platform, and thee response value of data processing changes less with higher efficiency.

engineering machinery; virtual simulation; experimental teaching platform, UGNX

G647

A

1002-4956(2019)09-0116-04

2019-02-18

中央高校基本科研業務費專項資金項目（19CX02025A）；中國石油大學（華東）校級重大教學改革項目（JY-A201803）；中國石油大學（華東）教學實驗技術改革項目（SZ201811）；中國石油大學（華東）校級教學改革項目（JY-B201830）

王龍庭（1983—），男，江西吉安，碩士，實驗師，主要從事油氣裝備工程、油氣安全實驗教學與科研工作。

姜浩（1977—），男，黑龍江哈爾濱，博士，副教授，主要從事計算機測控、機電液控制領域的教學及研究工作。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.029