融合人工智能的虛擬仿真實踐教學探索*

天津理工大學中環信息學院 李征

考慮到復雜控制系統設計與調試的可操作性和安全性，實驗設備成本高、數量少，且異常工況和緊急操作在實驗室中難于復現的特點，根據實時工業網絡實訓課程教學和實訓要求，依托學院控制工程市級實驗教學示范中心，基于實時工業網絡實訓課程多年教學成果，運用三維建模、虛擬現實、人機交互等技術，開發了智能化工業控制技術虛擬仿真實驗教學系統。學生應用該虛擬仿真實驗教學系統，可以穿戴虛擬現實設備在實驗室做實驗也可以利用虛擬仿真系統網絡端做實驗。學生可運用虛擬仿真系統設計控制方案及設置參數，綜合現場設備運行結果，驗證設計方案的合理性及科學性，將虛擬仿真與實際系統充分結合，優勢互補。最終，提高學生安全操作、創新創意以及解決復雜工程問題的能力。

人工智能[1]的發展歷史是和計算機科學技術的發展史聯系在一起的。除了計算機科學以外，人工智能還涉及信息論、控制論、自動化、仿生學及數理邏輯等多門學科。人工智能學科研究的主要內容包括：知識表示、自動推理和搜索方法、機器學習和知識獲取、知識處理系統、自然語言理解、計算機視覺、智能機器人和自動程序設計等。人工智能的實際應用包括機器視覺[2]、人臉識別、專家系統、自動規劃、智能搜索、智能控制、機器人學、語言和圖像處理等。隨著“智能制造2025”的推進，我國制造業水平不斷提升，以智能化控制技術應用[3]為核心的生產設備不斷更新，系統功能和復雜性不斷提升。在高校，傳統的實驗教學設備已經不能滿足培養高質量應用型人才的需求，實驗設備的智能化程度需要提高，融合人工智能[4]的實驗教學設備和實踐教學體系亟需引入到實踐課程的教學中來。

教育部印發《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函〔2018〕5號），為學習貫徹黨的十九大精神，適應信息化背景下知識獲取方式和傳授方式、教和學關系等發生革命性變化的要求，深化信息技術與教育教學深度融合，經研究，決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作。2018年教育部認定了首批國家虛擬仿真[5-6]實驗教學項目，這些項目來自全國多所高校，分布各個省份，對提升全國高校教學水平發揮一定作用，讓“網上做實驗”和“虛擬做真實驗[7]”成為現實。

1 實訓內容與目的

實時工業網絡實訓是在理解實時工業網絡基本通信知識的基礎上，針對工業生產中的典型控制對象，對流量、液位、壓力、溫度加以控制[8]，重點在于控制邏輯的設計。系統采用現場總線構建通信網絡，核心控制器采用西門子S7-300 PLC，借助PLC的組態和編程實現工業網絡的通信與控制，控制器與服務器和監控主機相連，組態軟件WinCC指揮整個系統的調度運行，并實現數據顯示、記錄、存儲及報警。

實時工業網絡實訓系統是以工業生產中的自動化過程生產線為原型開發的實驗、實訓綜合教學平臺，系統采用法蘭結構連接各子系統管路設備，選用多種控制儀表對工業生產過程進行控制，儀表的通信方式涵蓋了工業以太網、有線HART和無線HART等，系統控制過程涵蓋基本控制方法，同時應用了組態控制、工業總線、計算機視覺和實時監控。整套實訓設備充分還原了實際工業生產線中的典型部分，將工業生產中的自動化控制系統在實訓室中復現，旨在讓學生了解真實的生產工藝及控制過程，為培養現代化應用型人才搭建了完整、靈活、模塊化、易擴展的理想工業場景。

2 建設背景

復雜設備成本高、規模大、臺套數少，實訓中無法做到一人一機或一組一機，因此教學過程中往往十數人乃至數十人“圍觀”實訓設備，甚至課程結束時仍有一定數量的學生未曾“觸碰”過實訓設備，學生從“實訓的探索者”變為了“數據的記錄者”，實訓效果大打折扣。

復雜系統的操作、控制邏輯設計及參數調試具有極高的專業性，連鎖保護回路考慮不周、參數設置不合理、誤操作等都有可能損壞設備，甚至造成事故。因此涉及設備操作的實踐都有嚴格的操作規程，并且不允許隨意調整運行參數。實訓過程中，學生成為機械化的“操作指令的執行者”與“記錄結果的旁觀者”，既沒有真正參與實驗設備的調試過程，更難以通過實訓將所學知識轉化為技能。

工業生產緊急情況的處理能力對安全生產至關重要，但通常在實驗室不允許設備工作在此種極端工況下，傳統實驗教學無法為學生提供應急訓練場合。

3 平臺開發

針對實訓課程的特點和實訓系統的特性，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、網絡通信等技術拓展實訓教學內容，學校和企業聯合開發了智能化工業控制技術虛擬仿真實驗教學系統。通過建立智能化工業控制系統的動態模型，利用VR虛擬仿真技術對實時工業網絡水循環系統實景再現與控制，可查看設備的3D爆炸視圖、虛擬現實場景、系統配置和仿真運行，如圖1所示。

智能化工業控制技術虛擬仿真實驗教學系統致力于解決實際設備臺套數少、特殊工況無法實現的問題，為學生實景再現水循環系統工藝流程，為學生提供控制回路參數整定操作模塊，并通過設備的拆解和組裝、異常工況應急處理、以及發生火災時的滅火操作指引等模塊提升學生的設備檢修維護能力及安全操作意識，為學生提供一個理論結合實際、開放的實驗實訓環境。

4 系統用戶端及功能

智能化工業控制技術虛擬仿真實驗教學系統提供VR端和Web端兩個系統。在VR端，學生佩戴頭盔、操作手柄控制設備運行。在Web端，學生可通過瀏覽器遠程訪問實驗系統。水循環工藝系統的操作流程有著一定的規范，該虛擬仿真實驗教學系統可幫助操作者熟悉、掌握操作流程，在虛擬場景中操作者按下手柄按鍵發出射線，點擊操作按鈕，當操作者完成正確的操作后，方可進行后續內容，根據操作提示進入到下一步，以此類推，完成整個實訓。如果操作錯誤，系統會有提示，操作者可返回并重新操作。虛擬仿真實驗的特點是可以反復操作，進而達到強化訓練，掌握實訓內容的目的。虛擬仿真與實際實訓系統虛實互補，提供了安全、可靠、高效、經濟的實訓模式，解決設備昂貴和臺套數受限的問題，提升學生獨立操作能力。

利用虛擬現實開發工具Unity3D[9]開發虛擬仿真實驗系統，該工具支持多腳本語言，擁有強大的物理引擎。基于虛擬現實開發工具Unity3D，實現場景中對象的動態交互行為，按一定的步驟進行實驗操作，從而使得整個實驗過程邏輯合理并且可控。虛擬仿真實驗可以幫助學生模擬主要工藝環節的操作與控制，對不同制備工藝環節進行沉浸式交互實驗，而后通過實際實驗系統的操作運行實現虛實互補，豐富和深化實訓內容。

本虛擬仿真實驗教學系統包括安全培訓、事故處理、虛擬系統等模塊。在登陸界面輸入用戶名和密碼進入系統，用戶可通過射線點擊相應模塊，進入場景進行操作，如圖2所示。在安全培訓模塊中，鼠標點擊安全培訓模塊進入系統，鼠標點擊簡介出現關于滅火器的詳細介紹，內置三種類型滅火器可查看簡介及使用方法。在事故處理模塊中，射線點擊事故處理模塊進入系統，查看起火點，尋找滅火器，根據提示進行滅火。在虛擬系統模塊中，打開主電源開關，依次打開水泵電源，調整閥門開度，通過OPC接通數據，設置參數，運行系統。

圖2 實驗操作Fig.2 Experiment operation

5 特色與創新

融合人工智能和虛擬仿真的實時工業網絡實訓課程教學改革的特色和亮點是：(1)既有“實”，又有“虛”，實是真實實驗設備，虛是虛擬仿真實驗系統，且虛擬仿真實驗系統既可以連接真實設備也可以連接實驗原有仿真系統。(2)既可“線上”，又可“線下”，創建Web端虛擬仿真系統，學生可“網上做實驗”，學生亦可到實驗室做真實驗，也可以“虛擬做真實驗”。最終的目的是將虛擬仿真實驗和真實實驗進行有機結合，取長補短，相互補充。(3)融合了人工智能、虛擬仿真、計算機視覺、人機交互等技術，開發了先進的虛擬仿真實驗教學系統，真正應用到了現代化實踐教學當中。

6 結論

通過虛擬仿真實驗教學，學生能夠針對工業中典型控制對象，借助PLC組態和WinCC HMI設計，實現工業生產中自動化過程控制，學生掌握基于實時工業網絡的控制系統的設計、組態、調試方法，深化對實時工業網絡技術的理解與應用，并能夠進一步掌握復雜控制系統的設計、調試。合理設計控制系統的架構，完成復雜系統的建模、參數調試任務，通過知識、能力、素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和科學思維。該課程具備一定的創新性，該實訓教學能夠支撐自動化類專業人才培養方案，進一步培養更寬領域的工程技術人才，學生較好地掌握運動控制、工業過程控制、自動化儀表等方面的知識，較好掌握本專業領域的知識和技能，了解學科前沿和發展趨勢，提升工程實踐能力。本虛擬仿真系統可面向高校和社會進行推廣應用。