復雜工程系統虛擬實驗的構建探索

史 靖， 呂順利， 曾 云， 錢 晶

（昆明理工大學冶金與能源工程學院，昆明650093）

0 引 言

虛擬仿真實驗教學已成為實驗室建設的熱點話題。虛擬仿真實驗教學以信息技術應用為本質特征，包括單一信息技術實現方式和多種技術融合的實現等多種形式［1-2］。近年來虛擬現實（VR）技術由于其獨特的場景互動特性，在虛擬實驗開發中取得越來越多的應用，虛擬實驗系統從二維逐步向三維發展［3-5］。然而，由于基于VR的虛擬實驗系統開發成本較高，尤其是對于復雜工程系統的虛擬實驗大多不具備通用性，屬于針對性較強的單項開發項目，其費用不是一般高校能夠承受的。而一些大型企業開發的虛擬仿真系統［5］，高校很難免費獲取。盡管從國家層面布局了一些國家級的虛擬仿真實驗室，在各高校起到引領示范的作用［6-8］，但是，對于大多數專業尚需探索新的實踐教學途徑。文獻［9］中在分析國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀的基礎上，提出從學校層面構建特色鮮明的虛擬仿真實驗教學的思路。

復雜工業系統大多采用計算機監控，其核心工具就是控制組態軟件。借助于控制組態軟件的界面設計工具開發運行模擬和工作原理演示用于實踐教學已有許多成功的實例［10-13］?；诠I組態軟件開發的虛擬控制操作和運行模擬系統具有良好的開放性，可在實驗學習的基礎上，讓學生自主進行局部修改等操作，提高實驗參與度、增加實踐教學的挑戰性和創新性，符合“金課”建設的指導思想［14-15］。

基于上述思路，在本科水電站計算機監控課程教學中，以紫金橋工業組態軟件為開發工具，構建水電站計算機監控虛擬仿真實驗教學系統，對虛擬教學的相關問題進行了探索。采用的示例內容選自我校水電站動力設備虛擬仿真實驗教學中心建設項目的部分內容。

1 虛擬實驗核心要素的內容

工科專業課教學中關鍵的問題是學生缺乏對實際裝備的認識，對復雜工業系統整體運行及其多個子系統之間的關聯了解更少。為此，在虛擬實驗系統建設中設定以下4個核心要素。

（1）系統的完備性。我國的工程教育體系是參照前蘇聯的模式按行業設置的，課程體系是針對行業生產過程環節詳細分類設置，特別是專業課一般以設備為主體來設置。近年來開展的壓縮專業課學時、拓寬專業口徑等改革舉措成效顯著，但是專業課教材的建設和改革滯后明顯，且很大程度上仍然保留了工科專業課的這種設備化特性。這就造成學生知識體系的局部密集和整體松散的現狀。

為解決這一問題，在虛擬實驗設計中應首先給出系統的整體概貌，反映系統內多個子系統之間的相互關聯和協同工作情況，將松散的各個知識點聚合構成一個完整的知識系統。因此，虛擬實驗系統的完備性是達到實驗目標的核心要素之一。

（2）局部系統的多樣性。局部系統是指局部設備或子系統。在虛擬實驗系統中通常可對設備或子系統基本工作原理等內容進行動畫演示或模擬。另一方面，工科專業課教材內容嚴重滯后新技術和裝備的發展是較為普遍的現象。有些專業課示例的工業設備甚至落后30年以上，遠不能滿足目前新工科建設的需求。為此，可利用虛擬實驗系統對局部設備或子系統技術發展歷程、最新裝備、不同結構形式、原理演變、工程實際應用等情況進行全面展示。在實現方式上，可采用音頻、視頻、二維、三維等多種方式。

（3）互動性和參與度?；有院蛥⑴c度是虛擬仿真實驗的核心內涵，只有在互動和參與過程中，才能獲得更為深刻的實踐認知及其與理論知識的融合。這也是復雜工業系統開展虛擬實驗的核心目標。

在虛擬實驗系統開發和建設中，吸收本科生參與項目開發，從學生對工程問題的理解和學習視角進行虛擬實驗設計。針對學生學習思維習慣和可能存在的知識盲點和誤區構建虛擬實驗的互動環節，提高虛擬實驗的互動性和參與度。

（4）高階性和挑戰度。高階性和挑戰度是“金課”建設的主要目標，是激發學生積極思考、主動學習，培養學生創新學習能力的有效方式。在正常理論和實驗教學中設計“高階性和挑戰度”環節有一定的困難。而在虛擬實驗，尤其是以工業組態軟件平臺為基礎的虛擬實驗中相對容易一些。

本文結合實例，對虛擬實驗4個要素融合到虛擬實驗系統的開發和實驗教學中的問題進行了分析研究。

2 虛擬實驗系統的完備性

以水電站輔助設備子系統——透平油系統的虛擬實驗系統為例進行分析，水電站透平油系統結構和運行模擬界面如圖1所示。

圖1 水電站透平油子系統結構和運行模擬

從教學角度來看，需要對整個透平油系統的工作情況及其與用油設備（軸承）之間的關系進行系統的分析和展示，幫助學生建立系統運行控制的整體概念。因此，根據教學要求，給出透平油系統的結構圖、供排油管路動畫、油處理系統與用油設備（軸承、調速器）之間的動態連接和動畫展示、子系統工作狀態變化等內容。該系統的構建按照虛擬實驗系統完備性原則進行搭建。

水電站透平油系統涉及多門專業課程的分散知識點，制作過程中查閱相關專業文獻資料，實現多個知識點的匯聚和合理表達。實驗教學中采用組態軟件單機版，學生可自由操作控制，學習研究整個系統的運行控制、各子系統之間的關聯和協同等問題。

教學實踐表明，學生能夠迅速、全面地了解水電站透平油系統的工作情況、相關設備的作用和地位、子系統之間的協同工作等問題，較好地達到預期實驗教學目標。

3 局部系統的深化

3.1 局部工作原理的運行模擬

為了使得實驗教學更貼近生產實際，虛擬實驗系統中以實際水電站的工作系統為例，對設備和子系統的局部工作原理等內容設置了完整的運行模擬。運行模擬以操作按鈕的方式觸發，啟動相應系統單元的工作流程和信號流的動態展示。

設計中以“如何讓低年級學生方便容易學習”作為基本原則，讓參與虛擬實驗系統開發的學生假想自己學習中可能出現的困惑和誤區，自主思考界面控制操作和動畫設計問題。解決“教”與“學”之間可能不一致的學習思維障礙。

圖1中，頂部的操作按鈕“接受新油”“新油過濾”“新油注入”“向設備充油”等按鈕就是根據學生學習思維習慣設置的。這種形式的操作模擬學生更易接受和學習。

例如點擊“接受新油”按鈕，啟動小車向各油罐加油流程，如圖2所示。

圖2 “接受新油”流程

例如點擊“壓力濾油機”按鈕，則顯示壓力濾油機油路流向和動作原理，如圖3所示。

圖3 壓力濾油機工作流程

例如點擊“向設備充油”按鈕，啟動向各用油設備充油的流程，如圖4所示。

圖4 “向設備充油”流程

這種形式的分解操作和原理展示，形象、直觀，更符合學生的學習思維習慣，加深了理論與實踐的結合度。

3.2 局部設備結構展示

圖1中，水輪發電機組整體結構是組態軟件中沒有的圖形元件。以實際水輪發電機組基本結構為基礎，增減相應結構元件得到適用于控制組態表達的基本圖形。在該圖形上修改圖形局部元素（包括以CAD圖為底圖的彩色圖像繪制）實現動畫連接，增加制動閘、主閥等局部元器件及其動畫連接。采用這種方式，可保持復雜工業裝備結構上的相似性。

圖1中的水輪發電機組是平面圖形，發電機轉子、水輪機轉輪、大軸的動態旋轉可采用多圖元交替顯示／隱藏的方式來模擬。從表現形式上看，雖然不如3D動態類的表現方式，但是也基本能滿足教學要求。

此外，還可將設備實物照片、視頻等資料嵌入到系統中。

3.3 融入新技術

在設備局部展示中，可引入產業技術發展演變歷史、實際生產中最新應用的技術裝備相關數據資料和圖片、視頻等材料，以擴展學生視野。

3.4 故障設置與模擬

故障模擬是通過組態軟件人為預設可能的設備故障，以及故障下相應控制單元需進行的控制操作、報警提示等。故障設置和模擬對于學習掌握系統整體工作流程、多個子系統之間的關聯、以及設備狀態對機組運行控制的影響等更具有系統性。

圖5所示為故障設置的示例。該圖中設置的3類故障，每一類故障下又可設置多個故障條件。

圖5 故障設置示例

點擊界面上的故障模擬按鈕，相應設備工作狀態變位為故障狀態。故障響應包括兩方面，一是彈出提示信息框，二是影響相應控制流程（單一流程或多流程）的執行。3類故障中均選取較為典型的局部影響、全局影響設備狀態為例進行模擬，這種方式有助于學生掌握子設備與系統整體運行控制之間的關系。

4 自主創新性學習

采用組態軟件制作虛擬實驗系統最突出的優勢就在于可靈活增加學生自主學習的內容。主要體現在以下4方面。

（1）基于虛擬實驗系統的自主學習。組態軟件學習使用簡單，在涉及控制的相關專業課教學中使用，可有效促進理論教學和工程實踐的結合。

學生可在已有的虛擬實驗系統中，進入組態設計環境，對程序和界面進行修改，實現自己預期設定控制操作，增加實驗的互動性和參與度，提高學習興趣，進行自主學習。

（2）故障推演學習。故障推演需要全面、系統地掌握設備狀態對系統工作的影響，尤其是關鍵點設備狀態信息所產生的多種關聯影響。因此，關鍵點故障推演對于培養學生系統分析和學習工程實際系統及其主輔設備之間的控制邏輯等問題，培養積極思考和獨立解決工程問題具有重要的作用。

虛擬實驗系統中已給出部分設備狀態點的故障設置和運行模擬示例。在實驗課程教學中，鼓勵學生從安全性、可靠性等多角度思考生產現場情形，預設事故故障進行推演和編程，將學生設計較好的故障推演加入虛擬實驗系統。

（3）創新工作環境?；诮M態軟件的虛擬實驗系統既是一個教學系統，也是學生可參與設計的動態開放的系統。學生在熟悉已有工程系統運行原理、控制邏輯的基礎上，可進一步思考和改進系統。例如：如何提高系統安全性、可靠性、閉鎖條件設置等。可有效培養學生創新思維能力。

（4）學習的挑戰性和高階性。虛擬實驗系統建設吸引學生參與開發，逐步完善?！爸鸩酵晟啤苯o予學生想象空間，合理的改進經過師生研討之后可加入系統，來自學生的新思路、新方法經論證后也可加入系統。同時，鼓勵學生查閱文獻收集生產現場相關技術問題及其處理方法，新技術裝備應用情況等內容，將其以恰當的方式嵌入實驗系統。這種教學互動方式可有效激發學生深度參與、深度學習的積極性，充分體現教學活動的挑戰性和高階性。

5 結 語

充分利用工業組態軟件易學易用、界面表達清晰的特性，融合虛擬實驗的核心要素構建復雜工業系統的虛擬實驗項目，是一種低成本的虛擬實驗解決方案。其虛擬實驗的目標達成度主要取決于對實驗項目的精心設計和教學理念的與時俱進。透平油系統虛擬實驗系統，經過3年的本科教學和實踐檢驗，表明教學效果良好。