基于智能設備的虛擬仿真實驗平臺研究

樊敏 宋世軍

［摘 要］ 虛擬仿真實驗項目的設立為高校實驗教學提供了低危低成本的環境，同時線下實物實驗室資源的共享開放也需要提升管理水平，基于智能設備的虛擬仿真實驗平臺研究將虛擬實驗與實物實驗進行虛實結合，充分結合虛擬仿真軟件運行過程與智能設備遠程操作實物實驗裝置，并傳輸多源數據于同一管理平臺。提出了智能設備實驗平臺架構，闡述了智能設備實驗平臺特征，構思了平臺功能，并建議構建虛實結合實驗室綜合管理平臺，為實驗教學管理水平提升提供了參考借鑒。

［關鍵詞］ 虛擬仿真實驗；智能設備；虛實結合

［基金項目］ 2021年度教育部產學合作協同育人項目“川藏鐵路施工組織快速設計與自動生成虛擬仿真實驗研究”（202102079108）；2020年度西南交通大學本科教育教學研究與改革項目“土木工程專業核心課程知識圖譜構建與線上資源建設”（20201002-07）

［作者簡介］ 樊 敏（1979—），男，山西太原人，博士，西南交通大學土木工程學院講師，工程師，主要從事工程項目管理和高教管理研究。

［中圖分類號］ G640 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）16-0018-05 ［收稿日期］ 2022-04-22

引言

在過去的二十年里，基于互聯網在線教育已逐漸成為高等教育教學方法中主要的教學手段之一。目前，很多大學都提供了一定的網絡版理論課程，甚至是實驗課程，完全在線的操作方式越來越受學生和教師的歡迎。研究發現，許多高校已經開始提供“傳統真實實驗不具備或難以完成的教學功能”的虛擬實驗課程，伊利諾伊大學的實驗室從1989年就開始研制Vicher系統，將虛擬實驗應用于化學工程教育。

虛擬實驗教學除了要避免面臨高危或極端環境、高成本等情況，提供可靠、安全和經濟的實驗項目外，還需要多個虛擬仿真實驗項目與線下實物實驗體系形成虛實結合的實驗教學模式［1］，開發相對完整的能夠智能共享基礎數據、協作運行的管理平臺。同時，需要一套獨特的教學流程，更重要的是讓學生從真實實驗室切換到虛擬實驗室后得到同樣有效甚至更高效率的知識理解和動手能力［2］。

一、智能設備實驗平臺架構

基于智能設備的虛擬仿真實驗平臺架構需要精心設計各類接口，用以實現遠程實驗室、外部服務和應用程序之間的通信。圖1所示的基本的體系結構給出了必需和可選的接口。圖1左側的通信是智能設備指定的，即智能設備接口的協議和數據格式。元數據存儲庫可以檢索任何智能設備的元數據并進行索引，為相關實驗提供搜索引擎，同時多源數據采集于同一管理平臺能夠較好地適應目前的智能算法。如果界面設計良好，客戶端應用程序可以在智能設備之間重用，數據查看客戶端或學習分析處理客戶端可以從任何智能設備檢索數據并將其呈現給用戶。

傳感器和執行器可以確定智能設備的信息傳輸方向。例如，傳感器可以讀取相關儀器的讀數，執行器可以設置相關參數值。傳感器和執行器可以是物理的（溫度傳感器）、虛擬的（由位置測量得出的計算速度）或傳感器/執行器的集合。

二、智能設備實驗平臺特征

（一）數據傳輸協議

大多數基于HTTP的Web服務遵循的是請求-響應模式。因此，數據通常只能從服務器獲取，服務器無法向客戶端發起信息推送。然而，虛擬仿真實驗通常需要異步數據傳輸，例如，一個耗時較長的虛擬仿真實驗應該能夠在完成后將其結果推送到客戶端［3］。智能設備的目標是通過互聯網訪問虛擬實驗項目數據。目標客戶端應用程序需要依賴開放的、標準化的Web協議提供智能設備、外部服務和應用程序之間的數據傳輸，避免使用專用插件或被客戶鎖定［4］。

（二）元數據服務

元數據服務是智能設備實驗平臺提供的互操作性的核心。對元數據的要求如下：（1）描述虛擬仿真實驗項目基礎信息；（2）描述當前實驗與外部數據服務的集成；（3）描述實驗過程并發機制；（4）描述實驗過程數據服務請求和響應格式；（5）易于擴展以添加額外數據。

（三）傳感器和執行器服務

傳感器和執行器元數據是通過單獨服務提供的，而非元數據描述本身。傳感器和執行器數據服務是智能設備交互的核心，處理虛擬仿真實驗客戶端和智能設備之間的主要數據交換。這兩種服務與元數據服務相結合，使開發人員能夠創建適應不同智能設備的應用程序，從而實現應用程序的重用和互操作。執行器與傳感器服務的主要區別在于：允許用戶發送執行器數據來設置所需的執行器參數值，智能設備的內部功能應首先驗證發送值，然后再將其應用于執行器本身。實驗負責人可以通過各種模式實現對執行器的訪問控制。

（四）用戶活動日志服務

用戶活動日志服務以限定的格式返回，記錄了用戶的操作或實驗項目狀態信息。為了檢索智能設備實時用戶活動的連續流，可以使用可選的身份驗證服務驗證訪問。

（五）客戶端應用服務

此服務提供客戶端應用程序的鏈接，以操作智能設備。客戶端技術沒有很強的規范性，可以是簡單的HTML頁面，也可以是帶有附加功能的打包Web應用程序，以實現交互［5］。在向實驗項目客戶端應用發送請求時，將返回一個客戶端應用程序列表，每個項目都有一個指定應用程序類型和一個URL。

（六）獲取模型服務

此服務可以提供虛擬仿真實驗相關所需的操作模型（或流程）和學生可以掌握的理論。有了實驗的數學模型，學生就可以用本地模擬構建客戶端應用程序，提供真實實驗室的交互式虛擬仿真初始版本，也可以在實物實驗室正在使用時搭建初步的虛擬仿真實驗（或者一般的觀察模式）。

三、平臺功能構思

（一）認證功能

智能設備無須包含實驗預約系統功能，可以利用各虛擬仿真實驗項目用戶端預約系統。學生預約實驗室時，系統提供一個身份驗證口令，在預約期，學生可以使用此身份驗證口令連接到智能設備，智能設備與預約系統聯系，以驗證當前是否允許用戶訪問智能設備。

（二）自我修復和校準功能

該功能的精確實現由實驗負責人自行決定。此功能可確保在實驗項目完成或發生系統中斷時，利用智能設備設置，將線下實驗室和虛擬仿真實驗項目中的參數重置為正確的狀態，以便下一個用戶正確使用，這意味著需要充分的和防御性的軟硬件設計，能夠適應任何突發情況。建議在智能設備中執行以下步驟：（1）啟動時自動初始化；（2）在最后一個客戶端斷開連接后重置為已知狀態；（3）可操作性的硬件校準。

（三）安全和本地控制功能

平臺必須始終確保服務器及其連接設備的安全。所有命令在轉發到連接的設備之前都應經過驗證。此步驟可能需要添加本地控制器跟蹤所連接設備的狀態，由于執行器可以連接到互聯網，因此必須驗證所有應用值并考慮潛在的外部約束。建議在智能設備中執行以下步驟：（1）在將數據應用于執行器之前進行參數驗證；（2）執行器狀態驗證，以檢查要應用的命令是否安全［6］。

（四）日志和警報功能

由于智能設備通常會在較長時間內處于無人值守狀態，因此有必要對其進行監視，并有相關方法執行事后分析。除用戶操作應該被記錄外，系統狀態和環境（如室溫）等額外信息也應該被記錄。建議跟蹤以下信息：（1）用戶操作；（2）完整的系統狀態；（3）環境狀態。此外，需采取適當行動防止惡意操作，智能設備應在內部添加其他措施：（1）驗證客戶端發送的請求；（2）限制惡意客戶端的連續請求；（3）記錄所有Internet連接以供日后分析。如果發生意外事件，智能設備應評估其潛在危險，并可能觸發警報。

（五）本地模擬推薦功能

當線下實驗繁忙或不可用時，智能設備采集的數據可以自動推薦模擬實驗成為替代方案（與現有的虛擬仿真實驗不同，實驗方案由智能設備推薦自動生成）。仿真數據可以通過虛擬傳感器/執行器讀取或修改。描述物理設備的數學模型可以通過模型服務提供給客戶端，客戶端開發人員可以使用模型服務來模擬硬件，結果可以使用虛擬傳感器和執行器發送到客戶端。

四、平臺設計主要原則

表1列出了基于智能設備的虛擬仿真實驗平臺設計時應該遵循的主要原則。

五、虛實結合實驗室綜合管理平臺

開放式虛擬仿真實驗教學與實驗室綜合管理平臺，以深化實驗室教學改革為指導，以高校實驗室管理流程和基本事務管理為核心，以規范實驗室管理信息化為準則，在深入分析、研究實驗室管理規律、實驗教學特點及其相關軟件的基礎上，根據實驗室全面開放運行體系，設計、搭建虛實結合的實驗室綜合管理平臺，體系框架如圖2所示［7-10］。

開放式虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺具有以下特色功能：（1）教師可在網上布置預習、實驗和報告，設計實驗并補充、完善、共享實驗庫；學生在網上選擇實驗、進行實驗相關的基礎知識測試、在系統智能指導下進行驗證性實驗、利用系統提供的虛擬設備和器材完成自主設計實驗以及填寫實驗報告；（2）智能指導與智能批改的功能；（3）教師可以看到學生實驗的安排情況，實驗結果、實驗報告的提交情況，教師指導和批改的情況及學生的問題和反饋意見；（4）提供網上多媒體答疑系統功能。管理平臺豐富的功能，不僅大大減少了教師的工作量，還為不同學院、專業、年級的學生提供了學習、實踐的綜合性平臺。

六、平臺功能與應用

（一）開發自己的虛擬實驗室

土木工程及其他工科類相關專業學生的課程當中包含很多需要具體操作的實驗類課程，包括力學課程。這些學生會在前期的課程當中學習到很多儀器設備的基礎知識，但是考慮到安全問題，虛實結合的實驗室可以根據學生對試驗檢測方面的學習需要，逐漸開發或者選擇自己的虛實結合的學習內容。學生被引導開發自己的交互式程序來解決各種力學問題，而不是充當虛擬實驗室程序的最終用戶。在這個過程中，為了避免將重點從力學問題分析轉移到編程，學生會收到現成的代碼和程序模板，以幫助他們快速完成日常任務，如生成動畫等。

（二）虛實結合實驗過程

以鐵道工程實驗為例，學生可以快速構建鐵路軌道三維場景，直觀感受車輛與浮板軌道減振系統之間的復雜空間關系，了解浮板減振軌道系統的動力學特性及不同參數對減振效果的影響。學生利用計算機技術、虛擬仿真技術和互聯網技術，可以實現鋼彈簧浮板減振軌道系統在不同運行環境下的三維場景建模、振動分析、振動試驗和減振設計仿真實驗。學生可以登錄這個虛擬仿真實驗系統的網站進行在線實驗并提交實驗報告。

七、平臺特色與創新性

（一）虛實結合、虛實互補，構建多層次、立體化、高質量的實驗教學體系

立足于軌道交通專業特色及具體實驗教學內容，開發建設虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺及對應專業的虛擬仿真實驗資源，突破實驗課程壁壘和學科界限，對學校實驗課程進行跨專業、跨學科整合。針對高危高耗、不可及不可逆及大型綜合實驗，開發建設出基礎規范、綜合設計、創新探索三個層次的虛擬實驗課程。

（二）產教研深度合作，校企合作探索實驗教學新模式

企業具有豐富的平臺及資源開發技術和能力，學校具有豐富專業的知識及教學經驗。企業與學校的深度合作，優勢互補，能夠很好地將高端技術應用到教學活動中。通過對多學科跨專業的實驗課程進行開發和研制，結合各個專業的特色，虛實結合，設計大量虛擬仿真實驗，使學生對實驗中的每個模塊都有充分的認識和足夠的訓練。同時將最尖端的科研成果轉化為教學案例，通過虛擬仿真的形式展現給學生，拓寬其視野，提升其知識結構，是專業課程實驗的有益補充和創新。例如：“土木工程經濟與項目管理”課程中，自主開發虛實結合的“川藏鐵路施工組織動態優化虛擬仿真實驗”，通過三維仿真技術對川藏鐵路施工可能發生的干擾施工組織的情況進行實驗模擬決策，實現了現場情境與課堂實驗情境的充分結合與可視化演示和操作。

（三）學科交叉融合，豐富教學資源、創新實驗教學內容

根據學校不同專業特色開展多學科交叉融合的虛擬仿真實驗平臺，不僅可以供校內上千名學生使用，而且可以供其他校內外相關專業的學生、重大工程技術管理人員在平臺上進行實驗操作，培養其他相關學科人才。

結語

針對高危高耗、不可及不可逆及大型綜合實驗，開發建設基礎規范、綜合設計、創新探索三個層次的虛擬實驗課程，可充分利用線下實物實驗設備資源做好教學管理工作。

參考文獻

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［10］吳琦，賴冬寅，羅明鳳.開放式實驗室管理系統在電子實驗中的應用［J］.電子技術與軟件工程，2019（5）：166-167.

Abstract： The establishment of virtual simulation experiment project provides a low-risk and low-cost environment for experiment teaching in colleges and universities. At the same time， the sharing and opening of offline physical laboratory resources also need to improve the management level. Based on the research of virtual simulation experiment platform of intelligent equipment， virtual experiment and physical experiment are combined with virtual reality， the running process of virtual simulation software is fully combined with the remote operation physical experimental device of intelligent equipment， and multi-source data are transmitted to the same management platform. The architecture of intelligent equipment experiment platform is proposed， its characteristic is described ， the function of the platform is conceived， and the virtual and real integrated management platform of the laboratory is put forward. The research provides a reference for the improvement of experimental teaching management level.

Key words： virtual simulation experiment; intelligent equipment; virtual reality combination