唐優(yōu)華，馬　駟，鄧灼志，譚永剛，張曉梅

(西南交通大學　交通運輸與物流學院，成都　610031)

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交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺的設計與實現(xiàn)

唐優(yōu)華，馬駟，鄧灼志，譚永剛，張曉梅

(西南交通大學交通運輸與物流學院，成都610031)

平臺總體架構(gòu)的設計方案為“三系統(tǒng)、四功能、五層次”。平臺采用分布式資源存貯、應用虛擬化、流媒體處理、流媒體測評等現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)了開放、共享、虛擬、遠程的實驗教學環(huán)境，達到了學生能遠程實驗、自主設計實驗；教師能遠程指導評閱實驗、遠程備課的虛擬仿真教學目的。

虛擬仿真；實驗教學平臺；交通運輸；應用虛擬化

最初提出的虛擬實驗室概念是用來描述一個計算機網(wǎng)絡化的虛擬實驗室環(huán)境。其初衷是為了方便不同實驗室中的科研人員共享彼此的數(shù)據(jù)、儀器，并能交流思想和進行遠程科研合作。近年來，隨著虛擬實驗技術(shù)應用越來越受到人們的重視，國內(nèi)的許多高校根據(jù)自身科研和教學的需求建立了一些虛擬仿真實驗室，其中，有一些是非常優(yōu)秀的。但虛擬仿真實驗室的建設主要存在兩個問題。1)缺乏系統(tǒng)性研究:關(guān)于虛擬實驗系統(tǒng)設計開發(fā)的比較多，但對應用虛擬實驗教學平臺的研究比較少，缺乏關(guān)于虛擬實驗教學的教學設計和教學模式及虛擬實驗評價和管理方面的研究；2)缺乏虛擬實驗系統(tǒng)通用教學平臺，各個虛擬仿真實驗系統(tǒng)是獨立分散的，造成重復開發(fā)、重復投資、資源浪費。

西南交通大學交通運輸國家級虛擬仿真實驗教學中心擁有交通運輸、交通工程、交通安全、物流管理、物流工程5個專業(yè)26余臺(套)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，既有單機仿真，也有多崗位協(xié)同作業(yè)仿真。要實現(xiàn)遠程虛擬仿真實驗，必須架構(gòu)能夠整合所有虛擬仿真實驗系統(tǒng)、對實驗過程進行高效管理的虛擬仿真實驗教學平臺。

1　平臺總體架構(gòu)

1.1平臺建設目標

綜合采用分布式資源存貯技術(shù)、應用虛擬化技術(shù)、流媒體處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡通信和共享技術(shù)等先進技術(shù)，構(gòu)建交通運輸虛擬實驗教學平臺。將“有限的物理實驗教學空間”拓展成為“無限虛擬實驗教學空間”，實現(xiàn)多地、多校、多專業(yè)的實驗教學資源整合和共享，形成虛實結(jié)合、師生互動、自主學習的實驗教學環(huán)境，達到增強學生的實驗興趣、提高學生工程實踐與創(chuàng)新能力、提升人才培養(yǎng)效果的目的。

1.2平臺總體組成

中心通過自主設計、合作開發(fā)的模式搭建了“三系統(tǒng)、四功能、五層次”的具有開放性、互動性、前瞻性的交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺。三系統(tǒng)即信息化硬件支持系統(tǒng)、實驗教學資源整合共享系統(tǒng)及虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)；四功能即公共信息管理功能、實驗系統(tǒng)整合配置功能、實驗教學資源管理共享功能及遠程虛擬仿真實驗功能；五層次即用戶群層、網(wǎng)絡層、管理共享層、資源群層和實驗項目層。

1.3平臺的核心技術(shù)

1.3.1分布式資源存貯技術(shù)

平臺采用可伸縮的分布式文件系統(tǒng)存貯資源，解決了實驗資源的持續(xù)共建共享、海量實驗資源檢索等難題。通過分布式集群架構(gòu)將網(wǎng)絡中普通PC、通用服務器及各種存儲設備集合起來協(xié)同工作，并通過專用數(shù)據(jù)接口和連接器，向用戶提供海量數(shù)據(jù)存儲、管理和訪問服務。部署方式上支持全網(wǎng)分散部署，或在數(shù)據(jù)中心集中部署。

1.3.2流媒體處理技術(shù)

平臺采用流媒體自動轉(zhuǎn)換、流媒體服務技術(shù)。當實驗資源、實驗監(jiān)控錄像上傳后，資源轉(zhuǎn)換服務引擎將把文檔類資源自動轉(zhuǎn)換為swf，把音視頻資源轉(zhuǎn)換為flv，用戶查看資源時，通過流媒體服務器提供流媒體服務。用戶邊下載、邊查看，有效地降低了網(wǎng)絡帶寬要求，提高了平臺的整體性能。

1.3.3應用虛擬化技術(shù)

實驗室自主研發(fā)或購買的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，基本不支持跨平臺、多終端。本平臺采用基于應用/服務器計算A/S的應用虛擬化架構(gòu)，采用基于RDP協(xié)議的虛擬通道技術(shù)，把應用程序的人機交互邏輯(應用程序界面、鍵盤及鼠標的操作、音頻輸入輸出、讀卡器、打印輸出等)與計算邏輯隔離開來。即用戶在訪問一個服務器虛擬化后的應用時，用戶計算機只需要把人機交互邏輯傳送到服務器端，服務器端為用戶開設獨立的會話空間。應用程序的計算邏輯在這個會話空間中運行，把變化后的人機交互邏輯傳送給客戶端，并且展示在客戶端相應設備上，從而使用戶獲得如同運行本地應用程序一樣的訪問感受，同時支持任意終端的應用虛擬接入。通過此技術(shù)可以實現(xiàn)對所有C/S類型的虛擬仿真實驗系統(tǒng)的整合，免去了客戶端安裝實驗系統(tǒng)的過程。

1.3.4身份認證技術(shù)

中心現(xiàn)有的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，既有C/S也有B/S架構(gòu)的，這些實驗系統(tǒng)來自不同的廠家，沒有統(tǒng)一接口和標準，因此需要解決系統(tǒng)的統(tǒng)一身份認證，即單點登錄問題。傳統(tǒng)的身份認證系統(tǒng)都要求第三方系統(tǒng)提供接口，或者做一定的修改。本平臺采用了基于代理的透明登錄技術(shù)，平臺服務器記錄了各用戶在各實驗系統(tǒng)的賬號密碼。用戶登錄平臺后，平臺就記錄下該用戶的ID，當用戶要使用其他實驗系統(tǒng)時，由本地代理程序向服務器獲取該實驗系統(tǒng)的賬號和密碼，服務器把賬號和密碼進行加密后傳輸給代理程序，代理程序代理啟動實驗系統(tǒng)，并設定實驗系統(tǒng)的賬號和密碼進行透明登錄，從而實現(xiàn)實驗系統(tǒng)不進行任何修改就可統(tǒng)一身份認證。

1.3.5實驗過程流媒體測評技術(shù)

傳統(tǒng)的實驗評價一般都根據(jù)實驗報告或?qū)嶒灲Y(jié)果數(shù)據(jù)進行評價，無法對實驗過程進行跟蹤和評價。本平臺使用多媒體技術(shù)，對實驗過程行為進行截獲，記錄下每次操作的行為、圖像、時間，并以流文件存貯，形成一種新型實驗結(jié)果材料，教師能夠回放學生的每一操作過程，并對操作過程進行評價和指導，學生通過回放教師的指導，針對性地改進實驗過程。

2　平臺的“五層次”架構(gòu)

虛擬仿真實驗教學平臺由5個層次組成。

1)用戶群層。

包含交通運輸實驗中心用戶、校內(nèi)其他實驗中心用戶、校內(nèi)教師/學生個人用戶、其他高校團體用戶、企業(yè)團體用戶以及其他院校/企業(yè)個人用戶等。

2)網(wǎng)絡層。

包括校園網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡連接資源。

3)管理共享層。

由信息化硬件支持、實驗教學資源整合共享以及遠程虛擬仿真實驗教學3個系統(tǒng)組成。

4)資源群層。

包含交通運輸虛擬仿真實驗教學資源、校內(nèi)交通運輸相關(guān)實驗教學資源、其他高校交通運輸相關(guān)實驗教學資源和合作企業(yè)的交通運輸相關(guān)實驗教學資源。

5)實驗項目層。

包括利用虛擬仿真實驗教學中心的實驗教學資源所開設的所有實驗課程和實驗項目。

3　平臺的“三系統(tǒng)”組成

1)平臺信息化硬件支持系統(tǒng)。

平臺信息化硬件支持系統(tǒng)包括大型存貯設備、服務器群、接入網(wǎng)、防火墻及無線WiFi接入等設備，為實驗教學資源整合共享系統(tǒng)與虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)提供支持。

2)實驗教學資源整合共享系統(tǒng)。

實驗教學資源整合共享系統(tǒng)應用分布式集群架構(gòu)技術(shù)將中心各資源終端、資源服務器及各種存儲設備整合協(xié)同工作，提供海量數(shù)據(jù)存儲、管理、共享和訪問服務。采用基于應用/服務器計算A/S的應用虛擬化架構(gòu)及虛擬通道技術(shù)，實現(xiàn)了應用程序的人機交互邏輯(應用程序界面、鍵盤及鼠標的操作、音頻輸入輸出、讀卡器、打印輸出等)與計算邏輯的隔離，用戶可獲得如同運行本地應用程序一樣的訪問感受。支持各資源終端的應用虛擬接入，為虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)完成各類虛擬仿真實驗提供了系統(tǒng)支撐。

3)遠程虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)

遠程虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)采用應用虛擬化技術(shù)，支持任何架構(gòu)的仿真實驗教學軟件。通過對公共信息的管理、實驗教學資源的整合配置管理與共享、遠程虛擬仿真實驗的管理，使用戶能在任意時間、任何空間、任何終端上虛擬化使用各種仿真實驗教學軟件，構(gòu)建了實驗教學資源共建共享、虛實結(jié)合、教學考練一體化的教學、實驗新模式，實現(xiàn)了課程教學和實驗教學的有機結(jié)合。

4　平臺的“四功能”模塊

虛擬仿真實驗教學平臺由公共信息管理、實驗系統(tǒng)整合配置、實驗教學資源管理共享、遠程虛擬仿真實驗4大功能模塊組成。如圖1所示。平臺采用B/S架構(gòu)，可按學生/公眾用戶、教師、實驗管理員3個不同的用戶組合使用相應的功能模塊?；趯嶒灲虒W資源整合共享系統(tǒng)實現(xiàn)了公共信息管理、實驗教學資源的管理配置與整合共享以及無縫連接、遠程虛擬仿真實驗管理等功能。

圖1　虛擬仿真實驗教學平臺功能組成圖

4.1公共信息管理功能模塊

主要實現(xiàn)對用戶信息的角色管理，對用戶及系統(tǒng)安全的管理，對實驗平臺、實驗系統(tǒng)、實驗資源的管理，并對實驗系統(tǒng)類型、類別、組織形式進行配置。

1)用戶信息:支持后臺管理者對平臺用戶角色進行增加、刪除和修改，對用戶信息進行增加、刪除、修改和批量導入等。

2)信息發(fā)布:提供平臺公告、消息以及風采圖片的編輯、發(fā)布等功能。

3)安全保護:提供用戶登錄的IP地址、登錄離開時間，支持按日期統(tǒng)計分析；支持用戶密碼更改和密碼加密功能；并對用戶的操作進行日志記錄。

4)配置實驗:可對實驗類別(課程實驗、個性化教師命題實驗、個性化自擬題目實驗)、實驗類型(認知型、專業(yè)型、綜合型、創(chuàng)新型)、實驗組織形式(個人、團隊)進行選擇配置。

4.2實驗系統(tǒng)整合配置功能

主要完成對實驗資源中心的實驗系統(tǒng)資源的應用虛擬化配置，通過配置后，各類用戶可以遠程無縫調(diào)用各分中心的實驗系統(tǒng)資源，平臺可以對實驗資源中心的各項實驗系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

1)虛擬化配置:支持(CS/BS/AIR)任意架構(gòu)的應用的增加、刪除、改查，支持分類搜索、統(tǒng)計;支持對不同角色、不同組織架構(gòu)的用戶的授權(quán)功能。支持不同實驗教學資源、不同實驗環(huán)節(jié)的組合，并能根據(jù)實驗內(nèi)容靈活配置、使用相關(guān)實驗資源進實驗；可根據(jù)學生申請實驗的人數(shù)，自動配置實驗中學生的的角色或崗位。

2)系統(tǒng)使用率:支持實驗預約的用戶、課程、專業(yè)以及使用的實驗教學資源的各項數(shù)據(jù)統(tǒng)計，支持不同日期實驗人次的統(tǒng)計以及支持不同日期使用生時數(shù)的統(tǒng)計。

4.3實驗教學資源管理共享功能

主要完成對實驗資源的標準化轉(zhuǎn)換、上傳操作及資源管理，可以對資源實現(xiàn)使用率統(tǒng)計、評價推薦；支持實驗教學資源的排序、查看、增加、修改和刪除；支持各類實驗資源的上傳、共享授權(quán)；支持已授權(quán)實驗教學資源的下載、復制及批注；支持資源上傳、下載量等的統(tǒng)計及優(yōu)質(zhì)資源的自動化評價并排序推薦。

4.4遠程虛擬仿真實驗功能

按課程實驗、個性化實驗(教師命題)、個性化實驗(學生擬題)、校外團體/個人用戶實驗流程對實驗計劃、實驗安排、實驗預約等實驗環(huán)節(jié)進行管理，實現(xiàn)遠程虛擬仿真實驗，實現(xiàn)教師用戶分步驟評閱，實現(xiàn)教師與學生之間的互動交流，完成實驗數(shù)據(jù)的收集分析，實現(xiàn)對實驗結(jié)果的成績評定和實驗成果展示以及實驗幣管理等功能。

1)實驗計劃。

課程實驗管理:對實驗課程進行編輯，包括實驗項目組成，任課教師等。

實驗項目管理:對開設實驗項目學生對象、開放時間、是否需要進行實驗預習進行管理，支持對實驗人數(shù)、資源的限制等。

個性化(教師命題)實驗管理:支持教師用戶對實驗項目、限選對象、開設時間、實驗類型、實驗目的、實驗內(nèi)容等進行編輯。

項目審批:對申報的實驗項目進行審批管理。

2)實驗安排。

課表安排:對實驗課程進行課程安排和提供實驗課程課表查看功能。

個性化(學生自主命題):學生可根據(jù)實驗資源進行選題設計，提出申請，包括對實驗項目名稱、實驗類型、實驗目的、實驗要求、實驗內(nèi)容、實驗人員等進行編輯。

3)實驗預約。

支持實驗預約功能，顯示實驗資源、設備被占用情況。預約通過后發(fā)出實驗通知。

4)實驗環(huán)節(jié)。

實驗指導:通過查看教師提交的實驗資源、推薦的優(yōu)秀學生實驗回放、實驗互動等形式進行實驗指導。

數(shù)據(jù)收集下載:可對實驗過程中或?qū)嶒灲Y(jié)束后的實驗數(shù)據(jù)進行收集并下載。

實驗監(jiān)管:教師可查看正在實驗的學生界面情況，以便做出實時指導和管理。

實驗互動交流:教師與學生，學生與學生之間可以通過互動平臺進行實時互動，包括文字消息，圖片消息等。

實驗成果提交:按照實驗要求對實驗結(jié)果進行提交，以便教師批閱。

實驗成績評定:教師可對實驗結(jié)果進行評閱，并給出成績。

實驗成果展示:可對以往的實驗成果提供展示，為學生推薦實驗項目。

5)實驗評價。

可對學生實驗過程進行記錄、回放，并進行對比分析。

5　結(jié)束語

西南交通大學建成了“大交通”特色鮮明、軌道交通優(yōu)勢突出的交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺。交通運輸虛擬仿真實驗教學平臺的構(gòu)建和實現(xiàn)為學生自主調(diào)用實驗教學資源和設備，自由搭建實驗項目、組合設計實驗環(huán)節(jié)、靈活配置實驗崗位提

供了可能，學生可在平臺上進行單/多人、單/多崗位協(xié)作的虛擬仿真實驗，達到了學生遠程實驗、教師遠程監(jiān)控、流媒體評測的課程實驗教學目的。學生可以通過教學平臺自主設計個性化實驗、搭建個性化實驗環(huán)境，極大激發(fā)了學生的實驗興趣，為學校科創(chuàng)活動提供了更好的實驗支撐。通過虛擬仿真實驗教學平臺可實現(xiàn)對原有系統(tǒng)的復制和擴容，極大地緩解了中心大型虛擬仿真實驗系統(tǒng)空間不夠、臺套數(shù)不足無法滿足大規(guī)模學生實驗需要的矛盾。

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Design and Realization of Experimental Teaching Platform for Transportation Simulation Laboratory

TANG Youhua，MA Si，DENG Zhuozhi，TAN Yonggang，ZHANG Xiaomei

(School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The overall structure of the designed platform can be described as “three systems，four functions and five levels”.The modern information technologies are distributed technology for resource storage，practical virtualization technology，streaming media treatment，identity authentication technology and testing technology for experiment process with streaming media etc.Through these technologies，an open，shared，virtual and long-distance experimental teaching can be realized.Then distance education can be realized so that students can conduct experiments and design practical activities themselves，meanwhile teachers can guide and value experiments and prepare lessons remotely.

virtual simulation; experimental teaching platform; transportation; application virtualization

2014-12-13；修改日期: 2015-01-02

唐優(yōu)華(1977-)，男，碩士，高級工程師，主要從事交通運輸安全技術(shù)方面的工作。

馬駟(1969-)，男，碩士，副教授，主要從事鐵路運輸組織與優(yōu)化、運輸經(jīng)濟方面的工作。

U12;G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.062