水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗資源建設*

何杰，王在滿，楊文武，汪沛，胡煉，臧英，羅錫文

(1.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州市，510642；2.華南農業大學工程學院，廣州市，510642)

0 引言

實驗教學是培養農機專業創新型人才的重要途徑，農業機械田間實踐教學能有效提高學生農機設計能力，然而田間實踐教學易受季節、氣候、農田情況、實驗設備、操作安全等因素約束，影響教學質量和進度。虛擬仿真是在計算機仿真技術、圖形學、人機交互以及傳感技術等基礎上綜合發展起來的交叉學科[1]，采用虛擬仿真技術設計農機田間實驗能有效規避上述不利因素，提高教學質量。與國外虛擬仿真技術相比[2]，我國虛擬仿真技術研究起步較晚，近年來隨著國家對虛擬仿真技術的重視和研究經費的投入，虛擬仿真技術發展迅速，虛擬現實等現代信息技術為“新農科”實驗教學提供了全新的教學手段[3-6]。

為貫徹國務院《關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》(國發〔2018〕42號)中關于“著力推進主要作物生產全程機械化”的精神，結合華南農業大學農業工程學科和南方特色作物機械裝備領域教學科研優勢和特色，以提高培養高素質農業工程人才為目的，提出水稻生產全程機械化虛擬仿真實驗建設，設計水稻生產全程機械化中“水田耕整”“水稻種植”“田間管理”“水稻收獲”和“谷物干燥”5個關鍵技術環節和10種作業機具的虛擬仿真模型，以幫助學生系統地了解水稻生產機械化的全過程，熟悉相關農業機械的操作，掌握關鍵技術原理和方法。

1 虛擬仿真實驗建設意義

虛擬仿真實驗教學能有效培養學生“工程意識和系統集成”的思想，對傳統實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段等都產生了顛覆性影響[7]。建設水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗教學資源并在線開放，能有效推進現代信息技術融入農業機械專業實驗教學，拓展實驗教學的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間[8-9]，克服現場實物實驗存在的問題，對改進現有實驗教學方法具有重要意義。具體體現在以下5點。

1)保障學生安全。水稻生產全程機械化中各環節的田間作業機械以實物機械為主，實物實驗具有較高的危險性。實驗現場環境比較差，學生實驗操作農機過程中可能會發生擠壓、剪切、拉入、纏繞、轉動、電擊、高熱等危險[10]。采用虛擬仿真的農機實驗教學資源，所有的農機操作都在計算機中進行模擬，能在安全的前提下完成實驗內容的學習。

2)減少實驗教學成本。水稻生產全程農業機械實體實驗設備投入和場地需求規模大，農業機具裝備種類多，購置和維護成本高，同時實驗耗材成本也較高，保養維護繁瑣。以與實物高度一致模型建設的虛擬仿真實驗教學資源，僅須在服務器中重新部署軟件，實驗功能全，使用壽命長，損耗小，可以有效替代實體設備的投入，有效緩解實驗設備購置經費短缺、實驗用房緊張等問題[11]，顯著降低實驗教學成本[12]。

3)優化實驗資源。采用水稻全程機械化虛擬仿真實驗教學資源，所有實驗項目均在線開放，可遠程在線學習、操作和考核，學生不受制于實驗設備、實驗時間和實驗分組等因素影響，借助計算機和互聯網即可完成實驗，并且可以通過網絡共享平臺實現復雜困難實驗的異地分布式多人協同作業。此外，水稻生產全程機械化虛擬仿真實驗教學資源還可通過授權方式向兄弟院校和其他單位開放，達到實驗教學資源優化與開放共享目的[13]。

4)延伸實驗教學時間和空間。水稻生長周期長，生產全程機械化現場教學時間成本高，受天氣影響和場地條件等時、空、地條件約束大，實物實驗難以實現。水稻全程機械化虛擬仿真實驗教學資源不受時、空、地條件約束，可以靈活安排實驗環節和實驗時間。

通過虛擬仿真技術和手段，可降低實驗成本、避免自然條件約束、面對大規模學生授教、多維度互動方式和與傳統實驗互補，將南方特色作物生產機械技術特征和優勢領域科研成果滲透到本科實踐教學環節，突出人才培養特色，提高人才培養質量。

2 虛擬實驗資源建設內容

2.1 總體框架

水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗平臺采用面向服務的軟件架構開發，集實物仿真、創新設計、智能指導、虛擬實驗結果自動批改和教學管理于一體，具有良好自主性、交互性和擴展性。虛擬仿真實驗平臺總體架構如圖1所示，分為數據層、支撐層、通用服務層、仿真層和應用層等五層。

圖1 系統總體架構圖Fig.1 Overall system architecture diagram

1)數據層。數據層負責數據的存儲與訪問。水稻生產全程機械化虛擬仿真模型包含多種類型虛擬實驗組件及數據，根據功能設計對應的數據庫以實現對相應數據的存放和管理，具體包括課程庫、典型實驗庫、基礎元件庫、規則庫、標準答案庫、實驗數據庫等部分。

2)支撐層。支撐層是虛擬仿真實驗正常開放運行的基礎，一般包括安全管理、服務容器、數據管理、資源管理與監控、域管理和域間信息服務等模塊，支撐虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺服務層和應用層中相關應用，并提供應用所需的各種服務和共享資源。

3)通用服務層。通用服務層即開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，本層提供集成接口工具，支持第三方虛擬實驗軟件的接入，并進行統一管理。服務層提供通用支持組件和通用服務，主要包括實驗教務管理、實驗教學管理、理論知識學習、實驗資源管理、智能指導、互動交流等服務，為水稻生產全程機械化虛擬仿真實驗教學實施開展提供支撐。

4)仿真層。仿真層提供可視化仿真功能，為用戶提供通用的仿真器。本文仿真層針對水稻生產全程機械化的10種作業機具設計仿真模型，構建實驗時虛擬農機的作業場景，開發虛擬農機的儀器儀表，采集實驗結果數據并格式化輸出，為上層應用提供數據支持。

5)應用層。應用層實現水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗項目的教學和開放共享，用戶可便利的利用服務層提供的各種工具設計實驗實例，開展實驗教學應用。

現代醫學之父威廉·奧斯勒首創了床邊教學作為醫學教育的一種模式，他曾說：“和病人交談，病人的語言就揭示了診斷”。他認為不去觀察病人，而只是看書學習，就像“學習航海卻從未出海航行”；如果沒有書本作參考來學習病人的臨床癥狀，就好像“沒有航海圖，在茫茫大海上漂流”，這些都不利于醫學這門學科的學習[1]。

2.2 教學資源體系

虛擬仿真實驗教學資源立足水稻生產全程機械化，依托虛擬仿真、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等教育信息化技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，建設“水田耕整”“水稻種植”“田間管理”“水稻收獲”和“谷物干燥”水稻生產全程機械化中5個關鍵技術環節10種作業機具或裝備的虛擬仿真教學資源，使學生以身臨其境的方式感受農業機械化生產過程，了解耕、種、管、收、產后加工處理等農業生產環節和相應農業裝備，并模擬生產和虛擬操作。水稻生產全程機械化實驗教學體系如圖2所示。

圖2 水稻生產全程機械化實驗教學體系Fig.2 Experimental teaching system of mechanized whole process of rice production

2.3 實驗資源共享機制

虛擬實驗室采用B/S架構將水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗教學資源部署在服務器上，學生及用戶可在瀏覽器上通過互聯網訪問教學資源，如圖3所示，用戶無須安裝任何其他軟件就可進行虛擬仿真實驗，為實現資源共享提供了便利條件。

圖3 WEB訪問界面Fig.3 WEB access interface

水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗是國家級虛擬仿真平臺，開放共享是其重要任務之一。虛擬仿真實驗資源要長期穩定實現“開放共享”，不僅需要管理者和使用者不懈努力，更需要合理的開放共享機制促進虛擬仿真實驗項目的開放共享。開放共享機制主要體現在政策、激勵、開放共建等方面[15-17]。

1)政策支持。為開放共享提供必要的政策支持，如虛擬仿真實驗室專職實驗師、運行經費等給予保障。建立獎罰機制，定期評估虛擬仿真實驗教學資源的開放共享情況，進一步促進虛擬仿真實驗項目的開放。此外，制定統一的技術標準與接口規范，技術規范的統一能夠提高教學資源的擴展性、兼容性和開放性，減少二次開發的成本。

2)激勵機制。水稻生產全程機械化虛擬仿真實驗項目還有待進一步建設與開放，這是一個長期的過程，需要持續的經費和人員投入。實驗資源的可持續發展不能單純依靠國家經費的投入。現階段的虛擬仿真實驗項目雖然都是免費開放共享的，但是要想促進虛擬仿真實驗項目的廣泛應用，還必須開創新的激勵機制，如鼓勵商業化建設和運作等。

3)實驗資源開放共建。虛擬仿真實驗項目目前依據不同的權限對學生和教師開放使用，不僅針對使用者，也對建設者和其他單位開放，鼓勵參與者提供更優質、更豐富的虛擬仿真實驗資源，也可采用項目合作的方式與其他單位合作共建，以不斷提高虛擬仿真實驗教學資源的質量。

2.4 科教融合的共享平臺

虛擬仿真平臺依托華南農業大學“南方農業機械裝備與關鍵技術教育部重點實驗室”，教師和實驗教學隊伍在開展教學的同時，積極開展科學研究和社會服務工作，并及時將研究成果應用于虛擬仿真實驗教學。搭建開放共享的網絡教學平臺，及時對所建設的虛擬仿真實驗教學資源加以整合及數據接入，構建科教融合和社會服務融合的共享實驗平臺[18-19]，如圖4所示。針對建立的科教融合的共享平臺，采用統一的接口標準，促進虛擬仿真共享平臺和實驗項目的無縫對接與互相支撐。

圖4 共享平臺框架Fig.4 Shared platform framework

2.5 虛擬實驗室管理模式

基于建立的共建共享運行機制，結合科研項目反哺和師生創新創業，以及引入市場力量探索實驗項目運行模式，促進實驗教學資源優化，搭建科學的績效評價體系和完善的服務支撐體系。虛擬仿真實驗教學項目采用動態評價制度，結合“有償+免費”使用原則，建立“合作共享、互補互利、服務有償、收益共享”的運行模式[20-21]。虛擬實驗資源采取“統一管理、統籌規劃、資源共享、有效利用”的管理模式，實現水稻生產全程機械化虛擬仿真實驗教學資源的日常管理。運行與管理機制架構如圖5所示。

圖5 運行與管理機制Fig.5 Operation and management mechanism

3 虛擬實驗建設成果

3.1 虛擬實驗資源

虛擬試驗項目自2017年建設完成，已上線了“水田耕整”“水稻種植”“田間管理”“水稻收獲”和“谷物干燥”水稻生產全程機械化中5個關鍵技術環節，水田旋耕機、激光平地機、水稻精量穴直播機、水稻插秧機、水稻育秧生產線、水稻工廠立體育秧平臺、無人植保飛機、高地隙噴桿噴霧機、智能導航水稻聯合收獲機和稻谷集中干燥設備10種作業機具或裝備的虛擬仿真資源，如圖6和圖7所示。

圖6 水稻生產全程機械化關鍵環節Fig.6 Key technical procedures of the whole process of rice mechanization production

(a)水田旋耕機

虛擬仿真資源的設計分為認知層面、應用層面和掌握層面三個層次，認知層面主要通過虛擬仿真實驗向學生展示工作原理和流程，以考查學生基本概念為主；應用層面主要通過虛擬仿真實驗訓練學生操作應用，以考查學生對機具裝備的使用為主；掌握層面主要通過虛擬仿真實驗揭示科學或技術問題的產生、解決方法和實現過程，以考查學生設計水平。

以下以“水稻收獲”環節中智能導航水稻收獲機教學資源為例介紹虛擬仿真實驗項目。

智能導航水稻聯合收獲機是水稻生產全程機械化環節中重要的一環，其主要工作原理是采用BDS/GPS衛星導航定位技術獲取定位信息，通過自動差速控制實現水稻聯合收獲機械的轉向控制，并根據預定的收獲路線實現水稻聯合收獲機械的智能導航作業。智能導航水稻聯合收獲機在水稻收獲環節，可以有效減輕駕駛員的勞動強度，提高水稻收獲作業效率和質量，導航精度達到5 cm，滿幅收割率大于85%。通過虛擬實驗操作能有效讓學生了解和掌握智能農業裝備的結構、原理和控制方法，快速學習現代農業裝備專業技能，對培養農機專業技術人才具有重要實踐意義。智能導航水稻聯合收獲機虛擬實驗分三個層次開展。

1)智能導航收獲機認知。該實驗主要考察學生對智能導航水稻收獲機系統的工作原理、系統結構組成以及相應控制方法的認知。通過農機導航系統工作原理和差速轉向控制方法等理論學習，結合三維立體模型，了解智能導航水稻收獲機各個主要執行部件的安裝位置、裝配關系、控制配合和動力傳遞關系等，使學生掌握智能導航水稻收獲機的結構和傳動和系統功能。實驗界面如圖8所示。

圖8 設備認知實驗界面Fig.8 Device cognitive experiment interface

2)智能導航水稻收獲機的應用。該實驗主要考察學生對智能導航農機的調試和操控等特性的掌握。該實驗資源按照實際智能導航水稻收獲機同樣的參數設置和作業模式進行虛擬仿真設計，訓練學生掌握智能導航農機的參數設置，包括智能導航的作業設置、路徑設置、工作幅寬設置、衛星定位參數設置、機械結構參數設置和控制參數設置等。圖9和圖10所示分別為參數設置和收獲機作業界面。

圖9 參數設置界面Fig.9 Parameter setting interface

圖10 收獲作業界面Fig.10 Harvesting operation interface

3)智能導航水稻收獲機技術的掌握。通過在虛擬仿真實驗中設置不同參數，測試不同條件下農機的運行特性，通過實驗結果和實驗數據分析，可揭示存在問題和改進的方向，以考查學生對智能導航水稻收獲機技術的掌握情況，也為科研學者提供一種仿真實驗途徑。如圖11所示為實驗數據獲取界面。

圖11 實驗數據獲取界面Fig.11 Experimental data acquisition interface

3.2 實驗教學創新

1)教學方法創新。水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗系統以學生為中心，學生主導實驗過程，操作虛擬實驗裝置，通過情景互動的方式增強學生對知識的獲取興趣和能力。指導教師講解實驗方法和實驗步驟，并對整個實驗前、中、后全過程加以指導和引導，啟發學生創新意識，培養學生發現問題、解決問題的能力，調動學生學習的積極性。學生能夠直觀感受到水稻生產全程機械化作業場景、掌握相關機械的結構、工作原理和性能特點。實驗中，教師通過提問、質疑等方式，結合仿真實驗系統情景設置考核方式，激發學生的想象力，發掘學生的創造潛能，引導學生提高解決實際問題的綜合能力。虛擬仿真實驗將南方特色作物生產機械技術特征和優勢領域科研成果滲透到本科實踐教學環節，創新了實驗教學方法，能有效提升學生專業技能和解決實際問題的能力，提高人才培養質量。

2)對傳統教學的延伸與拓展。以往傳統的水稻生產機械相關實驗只是局部環節，受各種制約因素無法將水稻生產全程機械化作業系統的納入教學計劃，通過本虛擬仿真實驗系統可實現水稻生產全程機械化的認知和操作等教學活動；通過虛擬仿真和網絡技術，能夠實現大容量的學生同時在線學習，指導教師可以遠程指導；實驗可以分環節分時進行，學生在終端計算機或手機端操作，不受時間和空間限制，利于教學計劃的實施；同時，情景互動的教學方式增強了實驗教學的趣味性，增強了學生的學習積極性；此外，本虛擬仿真實驗系統供社會共享，可避免重復性建設。

4 結語

基于水稻生產全程機械化中5個關鍵技術環節和10種作業裝備，構建了水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗教學資源體系、實驗資源共享機制和科教融合的共享平臺，建立了虛擬實驗室管理模式，推動了水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗教學資源的在線開放和共享。實驗資源上線以來，為華南農業大學“農業機械化及其自動化”“機械設計制造及其自動化”“車輛工程”和“自動化”4個專業本科生提供了實驗教學服務，通過完成本實驗所有環節了解了水稻生產全程機械化作業過程；此外，還向社會開放了虛擬實驗共享服務，取得了良好的應用效果。