基于虛擬仿真技術的職業院校專業建設研究

周曉杰

遼寧軌道交通職業學院，遼寧 沈陽 110023

教育部職業教育與成人教育司印發的《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設的通知》（教職成司函〔2020〕26號）強調：“虛擬仿真實訓基地建設要以社會和市場需求為導向，用新思路、新機制、新模式設計基地建設實施方案，融合多方資源，探索建立院校主導、企業協同、各具特色的實訓基地創新建設模式，搭建校企合作橋梁。”[1]在“互聯網+”職業教育背景下，虛擬仿真技術與職業教育的融合，有助于破解制約職業教育發展的資源瓶頸，從而加快職業教育人才培養模式的創新和教學方式的變革[2]。近年來，虛擬仿真教學技術在高職教育中開始得到廣泛應用，成為實訓教學重要的組成部分和提高教育質量的重要手段。

一、虛擬仿真技術在職業教育中應用的可行性分析

虛擬仿真技術在職業教育中的應用，可以改變灌輸式的教學，消除學生聽課的被動性，發揮學生的主觀能動性，學生積極思考體會所學知識，在參與中完成學習[3]。同時，虛擬仿真下的教學增加了學生的參與程度，有利于督促學生在課下認真閱讀及查閱相關資料，來滿足課堂上的學習需求。

二、虛擬仿真技術在職業院校專業建設的應用

（一）推進教學模式的改革與創新

學習者可以對學習過程中提出的各種假設進行虛擬且直觀地觀察到這一假設所產生的結果。這種探索式的學習方式有利于激發學生的創造性思維，培養學生的創新能力，同時也能促進學生享受虛擬仿真技術搭建的虛擬學習環境，完成各種信息交互，感知過去沒有認知的物理模型[4]。

（二）優化實訓教學課程體系，打造高水平的教學團隊

推進人才梯隊建設，打造高水平教學團隊。通過對虛擬實訓室的建設，培養能科研、能教學、能生產的高水平教學團隊；結合實訓室升級改造項目的建設與運行，開展專業教師實踐技能培訓，使專業教師深度參與實訓室實訓項目開發，熟練掌握實訓室設備的運行、管理和維護，全面提升專業教師實踐技能和教學能力，為提高教學質量提供保障[5]。

我院（遼寧軌道交通職業學院）以“興遼職教金課”活動為導向，以行業企業人才職業標準為框架，從基礎認知、專業技能和綜合能力等方面開發了實訓教學資源，合理確定實訓教學內容，開展實訓教學課程體系建設，優化實訓方式；堅持科技引領、虛實結合、育訓結合、教學創新，以操作訓練為主的虛擬仿真實訓圍繞企業工作崗位需要的核心技能，契合虛擬仿真實訓教學模式，按照操作步驟或技能要點設置若干典型任務，學生在虛擬仿真情境下完成操作步驟，掌握技能要點，提高實操技能。

（三）注重以學生為中心的復合型人才的培養

“虛擬仿真技術能讓學習者用感官接受和處理各種身臨其境、栩栩如生的信息，在一種人機和諧的信息環境下工作、學習與創造，進而將信息加工成為對客觀事物的認識。”[6]搭建校企合作橋梁，利用教學管理系統對虛擬仿真實訓基地進行整體的管控及資源調配共享，建成示范性虛擬仿真實訓基地，保障各個專業的教學實訓，使實訓達到更高的水平。

三、虛擬仿真實訓室建設方案

我院虛擬仿真實訓室總體建設思路是，發揮專業優勢，建設一座充分融合虛擬仿真技術和人工智能技術，結合遼寧地區的產業結構發展需求和技能型人才的社會需求，以智能制造技術為核心的虛擬仿真實訓基地。其以5G工業互聯網技術為支撐，以邊緣云計算為架構，按照“設備遠程化+生產精益化+管理信息化+人工高效化+控制集群化”的構建理念，實現車間生產要素管理、生產活動計劃、生產過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統間的迭代運行，并具備零件數字化設計和工藝規劃、加工過程實時制造數據跟蹤、加工過程自動化等功能，是以多學科交叉性為特色的復合型人才培育基地[7]。

（一）基于虛擬仿真技術，對接ERP（Enterprise Resource Planning，企 業 資 源 計 劃）及MES（Manufacturing Execution System，制造企業生產過程執行系統）系統，推進綜合性實訓平臺建設

以用于生產計劃管理和生產過程管理的ERP系統和MES系統為核心，進行實訓室建設。深度還原現代企業的運營管理活動，遵循ERP下對生產資源的管控流程，遵循MES下對生產過程的控制過程，將現代企業管理模式引入到職業實踐教學中，無縫對接職業教育與社會用人需求，培養符合社會需要的技能型人才[8]。

1.集成通訊功能

工控設備與PC機之間信息傳遞的紐帶，為整個生產線平穩運行提供了保障。我們采用工業以太網進行集成通訊。以太網是當前運用最普遍的局域網技術，不僅具有開放性、低成本以及廣泛的軟硬件支持等特點，而且能夠突破現場總線通信距離和速率的限制。建立計算機控制中心，通過工業以太網實現控制中心與實訓基地各類工控設備的通訊，實現集群化的軟硬件通訊目標。

2.數據采集功能

在PC端交互控制軟件中，數據采集功能是數字孿生系統中最基本的一項功能，需要通過設備廠商提供的應用編程接口開發設備驅動，從而實現PC與工控設備的連接和數據交互。由于可能會存在多臺設備的數據采集情況，我們采用線程池來進行多任務并發處理。同時，考慮到將來要新增設備，我們將PC端設備采集模塊進行插件化開發，提高了程序的可擴展性。

3.信號配置功能

PC端交互控制軟件需要具有可視化界面，在界面上就能對物理信號及虛擬信號進行添加和更改，并通過INI配置文件保存和恢復配置信息。考慮到新增設備及設備類型的不同，我們將設備界面插件化開發，根據設備的不同功能需求單獨設計界面，并提高程序的可擴展性。

4.虛實信號交互功能

PC端交互控制軟件界面上信號配置完成后，需要將物理信號與虛擬信號進行交互。信號數據序列化后統一緩存于數據庫中，物理設備和虛擬設備都從數據庫中獲取輸入信號。這樣既能保證信號交互的實時性，又能實現物理設備與虛擬設備讀寫信號的分離。

5.虛擬仿真功能

為了模擬現場的生產線環境，需要在仿真軟件中搭建相應的虛擬工作站。我們通過Socket與外部應用程序建立連接，虛擬模型根據物理設備傳輸的信號來運行，一方面能夠規避設備意外碰撞帶來的損失和風險，另一方面能夠清晰地看到設備運行的過程，驗證程序的邏輯。

（二）依據實物建立虛擬3D模型及場景，建立數字化虛擬車間

基于人工智能物流平臺、智能數控生產平臺、光雕集成產線平臺，建立虛擬3D設備模型和虛擬生產線，依據AGV、倍速鏈、機械臂、立體庫、RFID通道、數控機床、光雕加工單元等設備的外形尺寸，等比例建立虛擬模型；通過加工區域的布局信息，建立數字化生產線和生產車間，實現了場景可視化、車間機床設備的生產過程虛擬化和數據可視化[9]。

（三）實現虛實設備間的仿真模擬和雙向控制，布局集群化控制中心

一是將PLC、機器人控制器、數控系統等工控設備通過工業以太網進行集成通訊，使工控設備與PC機之間兼容性好、數據傳輸速度快，為虛擬調試的數據傳輸實時性提供了保證。

二是根據所開發的設備驅動，設計人性化的PC端交互控制軟件，用于工控設備與虛擬設備的數據交互。交互控制系統采用插件框架，按照設備分類，每個設備應用程序以插件形式獨立開發。每個設備插件中包括數據采集模塊、交互界面模塊以及數據緩存模塊。其中交互界面用于觀察設備數據和配置虛實交互信號，通過線程池實現多線程任務管理，使用數據庫對虛實設備信號進行高速緩存。

三是通過三維建模技術搭建智能制造生產線場景，以數據庫作為數據交互中心，結合ERP、MES、PLC、工業機器人控制器、數控系統功能，通過MES系統指令、PLC程序、機器人程序和代碼協同控制虛實環境中的智能制造產線系統運行；同時利用數據庫技術還可將連續的設備通訊過程進行動作分解，更加便于進行教學演示。

（四）基于生產設備和過程控制建立手持端教學平臺

手持端教學平臺系統設置倉儲物流數字孿生虛擬仿真實驗系統，利用三維建模技術，搭建光雕集成產線和智能制造產線的三維虛擬仿真平臺，動態加載各個設備模型。模型按照1:1的比例和真實的布局創建。每一個組成部分和設備部件均根據真實的數據、機械原理、機構聯動和仿真技術的要求，創建真實孿生生產狀態和物流動態工作過程。

（五）搭建線上實訓教學管理平臺

以智能物流平臺過程控制教學虛擬仿真實訓系統為例，系統采用C/S架構，以虛擬仿真技術針對教學現場智能物流平臺定制化開發，通過三維建模技術在虛擬環境中實現倉儲車間、立體庫、堆垛機、AGV小車、物料、電器柜、控制臺設備1:1等比例建模，并按照實體設備的運行動作邏輯進行數字模型運行動作的仿真設計。按照智能物流平臺設備的基本信息進行設備展示設計，參照智能物流平臺運行控制邏輯進行虛擬仿真實訓流程開發，分別對立體庫、堆垛機、AGV小車進行過程控制邏輯編程，并結合傳感器與執行器模組功能，通過虛擬設備控制面板，對虛擬智能物流平臺進行生產過程控制實訓，進而實現對智能物流平臺的仿真實訓目的[10]。

綜上所述，虛擬仿真技術在職業教育中的應用，是遵循職業教育發展規律，推動職業教育與信息技術深度融合，能夠整合資源、優化結構：通過育人環境的數字化，落實立德樹人根本任務；通過教育教學的數字化，推進以學生為中心的“三教”改革；通過教育管理的數字化，提升管理服務水平與效率；通過專業的數字化升級與發展，培養支撐產業數字化的適應性人才。