李廣慶，李 瑩，陳鴻宇

1吉林醫(yī)藥學(xué)院管理學(xué)院；2吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬精餾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

李廣慶1，李 瑩2，陳鴻宇2

1吉林醫(yī)藥學(xué)院管理學(xué)院；2吉林醫(yī)藥學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院

利用3DS Max+Virtools+Java Web等技術(shù)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)三維虛擬精餾實(shí)驗(yàn)室,解決高?；ぴ韺?shí)驗(yàn)課程硬件條件不足。虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，提高了實(shí)驗(yàn)室使用率與機(jī)動(dòng)性；減少了化工原料對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的直接或間接傷害，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)安全性；節(jié)約實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地；為工業(yè)化應(yīng)用提供設(shè)計(jì)思路。

互聯(lián)網(wǎng)+；化工原理；虛擬實(shí)驗(yàn)室；精餾實(shí)驗(yàn)

1.引言

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用和生產(chǎn)科研、教學(xué)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量要求的不斷提高，各高校逐漸加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的動(dòng)手能力、操作能力和科研能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用人才滿足社會(huì)需求。而化工原理課程的精餾實(shí)驗(yàn)，需要大型的精餾設(shè)備，非專業(yè)性高校無(wú)法滿足。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，互聯(lián)網(wǎng)+虛擬實(shí)驗(yàn)室為解決上述問(wèn)題提供了可行的方案。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

眾多學(xué)者和大量文獻(xiàn)中都有提出過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí),中山大學(xué)開(kāi)發(fā)的虛擬化工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1],采用了平面開(kāi)發(fā)技術(shù)，對(duì)其他化工軟件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了一定的啟示，交互功能薄弱。吉林大學(xué)高等教育研究所的虛擬實(shí)驗(yàn)室[2],三維效果理想，交互效果不足。綜合前人技術(shù)和資料，3DS+Virtools+Java Web技術(shù)開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)虛擬精餾實(shí)驗(yàn)室，場(chǎng)景式架構(gòu)以提高臨場(chǎng)感，與現(xiàn)實(shí)匹配，操作符合人類思維。

2.1 開(kāi)發(fā)流程及技術(shù)路線

3DS+Virtools+javaWeb作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要分為五個(gè)階段：數(shù)據(jù)收集，建立模型；交互開(kāi)發(fā)；Java Web搭建；實(shí)驗(yàn)測(cè)試。數(shù)據(jù)收集主要包括建模所需設(shè)備規(guī)格、紋理照片、工藝流程以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理；利用3ds Max建立精餾設(shè)備模型并賦予材質(zhì)、貼圖；利用3ds Max導(dǎo)出.nmo文件提供給Virtools，用BB、VSL語(yǔ)言交互開(kāi)發(fā)；Java Web搭建階段將Virtools發(fā)布虛擬實(shí)驗(yàn)室掛接Internet，將實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)化。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，虛擬的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備是重點(diǎn)，是虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過(guò)程中交互操作是核心部件，使用3dsMax設(shè)計(jì)的三維設(shè)備模型是Virtools設(shè)計(jì)交互操作的對(duì)象。

2.2.1 設(shè)備模型建立

設(shè)備主要包括分離裝置、檢測(cè)裝置，及虛擬現(xiàn)實(shí)的靜態(tài)物質(zhì)。之前的數(shù)據(jù)收集為設(shè)備的模型建立提供了數(shù)據(jù)。模型建立之后，在保證圖像質(zhì)量的前提下，使用技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到良好運(yùn)行速度，如減少使用平滑點(diǎn)減少多邊形的生成，運(yùn)行流暢；非主要設(shè)備使用的低分辨率貼圖；透明貼圖使用PNG格式以保證Virtools自動(dòng)解析。

2.2.2 界面及交互設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室人機(jī)交互設(shè)計(jì)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)重中之重。界面、流暢的導(dǎo)航系統(tǒng)是熟練使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的保證。采用Windows化多場(chǎng)景的操作界面，非線性完全交互的模式。設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了“多場(chǎng)景-半景”模式，攝像機(jī)可沿x，y軸線移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)，即以攝像機(jī)為軸心，120度為視角，3場(chǎng)景模式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全景圖；實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作均以操作部件完成，如旋轉(zhuǎn)軸、閥，縮小與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中感覺(jué)的差距，增強(qiáng)臨場(chǎng)感。與數(shù)據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作使用VSL編寫關(guān)聯(lián)[3]，3D拾取檢測(cè)操，將操作系數(shù)實(shí)時(shí)傳遞，以控制數(shù)學(xué)模型中的數(shù)據(jù)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥門的次數(shù)改變粒子系統(tǒng)參數(shù)、通過(guò)BB模塊實(shí)現(xiàn)頁(yè)面升降控制，實(shí)現(xiàn)仿真效果[4]。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建

將Virtools開(kāi)發(fā)完畢虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)布后掛接到Web Server，實(shí)現(xiàn)PC客戶端網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，通過(guò)Java腳本為保證系統(tǒng)安全，內(nèi)部使用人員擁有獨(dú)自的用戶，其他使用人員必須提出申請(qǐng)，系統(tǒng)管理員審核批復(fù)后方可使用。Web Server開(kāi)發(fā)了后臺(tái)維護(hù)端，主要用于維護(hù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及理論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的錄入整理。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

采用正戊烷-正己烷溶液進(jìn)行分離，進(jìn)料溫度為tF= __D_DdxF=__D_Dd_____xn=0.95,tF=__D_Dd____xw=_______R=1.6，自動(dòng)計(jì)算提餾段方程為y=1.5-0.0249。

為驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，把獲得的部分回流和全回流情況下的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)定，其結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果比較表

從比較結(jié)果可以看出，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，數(shù)據(jù)相對(duì)誤差控制在5%之內(nèi)，虛擬精餾實(shí)驗(yàn)室達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷，臨場(chǎng)感強(qiáng)、微觀操作與過(guò)程逼真，滿足教學(xué)科研需求、準(zhǔn)確度達(dá)到了化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研仿真的要求。

4.總結(jié)

本文在對(duì)精餾理論分析轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)之上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立了網(wǎng)絡(luò)化三維交互式精餾虛擬實(shí)驗(yàn)室，能夠完成實(shí)驗(yàn)操作的仿真、模擬計(jì)算，自動(dòng)繪圖等功能。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)彌補(bǔ)了現(xiàn)階段教學(xué)科研多方面的不足，有效的避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)或操作對(duì)人身所產(chǎn)生的傷害，超越了時(shí)間界限，利用網(wǎng)絡(luò)上終端設(shè)備隨時(shí)隨地可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高了虛擬實(shí)驗(yàn)室的靈活性和實(shí)用性。同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)+虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案為相關(guān)領(lǐng)域難題提供了參考。

[1]周愛(ài)東,王慶,楊紅曉.仿真技術(shù)應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(3):84-86.

[2]劉英杰,楊雪,闡寶朋.基于3ds Max和Virtools的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2008,18(6):88-92.

[3]Hiroshi Matsuda.Design and implementation of Cyber assistant professor:CAP[C].Washington,DC,USA:IEEE Computer Society, 2005:297-301.

[4]裴鋒,楊萬(wàn)生.完全互溶雙液系平衡相圖的計(jì)算機(jī)繪制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2004,23(5):26-28.

2015年吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目。

李廣慶(1982-)，男，吉林大安人，碩士，講師，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)分析與集成。