段景山，陳 蘋，凌 翔，林水生，張 進

(電子科技大學 通信與信息工程學院,四川 成都 611731)

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸,被稱為第三次信息革命。我國政府高度重視物聯(lián)網(wǎng)的研究和發(fā)展,2009年,國務院提出“感知中國”的戰(zhàn)略構想,將物聯(lián)網(wǎng)正式列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[1]。2010年,電子科技大學成為教育部首批“物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)”辦學高校[2]。理論與實踐相結(jié)合是培養(yǎng)我國現(xiàn)代社會物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高素質(zhì)人才的重要途徑與手段,但智慧物聯(lián)是新興專業(yè),實驗室建設相對薄弱,實體實驗資源積累和環(huán)境建設短期不易形成規(guī)模,實體實驗室成本高、教學效率相對較低等特點[3]在一定程度上限制了我國物聯(lián)網(wǎng)技術人才的培養(yǎng)。

為此,通信與信息工程學院作為智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱中心)的主體承建單位,確立了“虛仿先行,虛實結(jié)合”的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗教學建設總體思路。2012年,以 “信息與通信工程”“光學工程”兩個一級學科為支撐,以“通信與信息系統(tǒng)國家級實驗教學示范中心”為主體,聯(lián)合“通信抗干擾技術國家級重點實驗室”、“光纖傳感與通信教育部重點實驗室”的科研、教學力量,正式成立智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學中心。通過搭建虛擬仿真實驗教學平臺,中心將理論教學與實踐教學、實體實驗教學與虛擬仿真實驗教學有機結(jié)合,有效解決了實驗教學資源短缺與學生需求日益增長的矛盾[4],提高了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

1 建設的必要性

1.1 完善實驗教學體系，彌補實體實驗教學的不足

物聯(lián)網(wǎng)工程是一門新興的綜合工程學科,涉及器件技術、電子技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、工程技術等專業(yè)基礎知識[5]。在應用層面,許多場景具有一定的破壞性、危險性,如油氣勘探的地震波、泥石流監(jiān)測等。核心層面的接入和傳輸也是整個系統(tǒng)工程的重要組成部分,需要通過大型電信級設備或系統(tǒng)相配合,需要相關技術人員謹慎、科學的決策和建設,才能構成完整、可靠的系統(tǒng)。這些因素都是制約實體實驗開設的重要因素。

計算機技術發(fā)展的日益成熟為虛擬仿真實驗教學提供了可行性[6-7],其高效率、低成本、可共享、靈活安全等特點正好彌補了傳統(tǒng)實體實驗教學的不足。因此,構建虛擬仿真實驗教學中心,彌補部分實體實驗教學存在的極端環(huán)境、過程不可及不可逆、大型復雜綜合的現(xiàn)實局限[8],為高素質(zhì)物聯(lián)技術人才培養(yǎng)提供切實可行的虛擬仿真實驗教學資源是十分必要的。

1.2 深化教學改革，培養(yǎng)具有解決復雜工程問題能力的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新型人才

隨著技術發(fā)展,新工科的涌現(xiàn),為高等本科院校如何有效培養(yǎng)出具有解決復雜工程問題能力的創(chuàng)新型人才提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)實驗教學方式下存在學生綜合能力較差、創(chuàng)新能力不足等諸多問題,因為實體實驗系統(tǒng)性較弱,上機實操機會少。因此,要科學合理利用智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學中心,結(jié)合實體實驗教學,選擇恰當?shù)膶嶒炤d體與實驗環(huán)境,使學生深入掌握相關工程知識原理,經(jīng)歷、體驗復雜工程系統(tǒng)的構建,引導其深入考慮問題及解決的方案、方法、途徑、工具,真正培養(yǎng)和提高學生工程實踐能力、解決復雜工程問題的能力[9]。

1.3 實現(xiàn)資源共享，優(yōu)化教育資源配置

長期以來,我國實體實驗教學資源的利用并不充分,主要表現(xiàn)為學生使用頻率低、學生覆蓋面窄,大多數(shù)實驗課程只能在上課期間開放使用,且在資源有限的情況下實驗室會設置優(yōu)先使用權制度。相比之下,虛擬仿真實驗教學則可以不受時空條件約束,構建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象,使學生能夠在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全、經(jīng)濟的實驗[10],惠及學校所有相關專業(yè)和課程的學生。除進行課程實驗學習外,學生還可利用該平臺自主參與各類科研競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐活動,有助于進一步培養(yǎng)學生科學研究、工程實踐的興趣。與此同時,平臺通過建立面向校內(nèi)、西南乃至國內(nèi)高校,以及面向企業(yè)的共享開放機制,避免了相同實驗的重復設計,節(jié)省了國家對實驗教學資源的投資,資源配置得到有效優(yōu)化。

2 智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學中心的建設

中心在建設過程中堅持“科教融合、校企聯(lián)合、點面綜合、虛實結(jié)合”的整體思路,注重內(nèi)容、形式、層次與共享,瞄準“培養(yǎng)基礎知識厚、專業(yè)能力強、綜合素質(zhì)高、具有國際視野和社會責任感的拔尖創(chuàng)新人才”教學目標,以物聯(lián)網(wǎng)的“感知、傳輸、應用”結(jié)構為主線,建設智慧物聯(lián)虛擬和仿真實驗教學平臺。平臺在系統(tǒng)全域覆蓋中突出主要和關鍵技術,如傳感,組網(wǎng)和接入,特色應用技術等；在具有代表性、先進水平方面,強調(diào)轉(zhuǎn)化科研成果以使平臺能夠反映智慧物聯(lián)領域重要進展。目前,形成由傳感器件與網(wǎng)絡、通信接入與傳輸、物聯(lián)服務與應用3大模塊,無線識別感知與網(wǎng)絡、光電傳感與網(wǎng)絡、泛在接入系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測應用、車聯(lián)網(wǎng)應用6個子平臺的智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗體系,設計了21個虛擬仿真實驗項目,總共服務18門課程,涉及12個專業(yè)。整體架構體系如圖1所示。

圖1 智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗中心結(jié)構

2.1 無線識別感知與網(wǎng)絡虛擬仿真實驗平臺

無線識別與感知的實驗教學難點在于感知原理的掌握和應用中感知器件的靜、動態(tài)特征對輸出信號的影響。實驗平臺利用虛仿優(yōu)勢模擬產(chǎn)生壓、熱、振、濕、移、濃等目標的特征物理信息,通過關鍵元器件的仿真模型,在微觀條件下觀測和分析電采集信號的產(chǎn)生過程、信號特性及變化規(guī)律,以可視化手段建立從形象觀測到抽象思考之間的橋梁。引導學生搭建虛擬感知電路,建立傳感信息采集、編碼、發(fā)送、接收、解碼的處理模型,在宏觀層面觀測和處理目標特征量,采集信號參數(shù)對,通過靈活、便捷的多次、多態(tài)試驗形成經(jīng)驗,實現(xiàn)設計和完善調(diào)測。

中心先后與多家企業(yè)合作,開發(fā)出適用本科實驗教學的“無線識別感知與網(wǎng)絡虛擬仿真”實驗平臺。該平臺突出層次化,由淺入深地展開實驗,既有針對技術原理的仿真實驗,也有弱化了傳輸和應用兩層技術細節(jié),但支持系統(tǒng)完整性的綜合設計型實驗,這也是利用虛仿技術擺脫實體綜合設計型實驗常被非關注目標的繁瑣細節(jié)干擾的弊端。平臺目前設計的實驗項目和服務課程如表1所示。

表1 無線識別感知與網(wǎng)絡平臺實驗項目

2.2 光電傳感與網(wǎng)絡仿真實驗平臺

光傳感感知準確度高,在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測、安保中應用前景廣闊,但涉光器件或系統(tǒng)的實體實驗一向成本較高。虛仿平臺主要針對光纖光柵溫、壓感知和分布式光纖圍欄入侵探測兩種常用技術,開展原理探究和綜合設計實驗。通過自行設定相應參數(shù),將不可及的抽象概念轉(zhuǎn)化為直觀、可控的仿真圖形、數(shù)據(jù)等。學生可進行重復模擬,全面深刻的認知和理解光電傳感網(wǎng)絡關鍵技術。

借助電子科技大學與某鉆探公司、某電網(wǎng)聯(lián)合開發(fā)的光纖光柵傳感器鉆機井架測試系統(tǒng)、分布式光纖傳感電纜受力測溫分析系統(tǒng)等多個光纖傳感系統(tǒng)及其仿真軟件,實現(xiàn)了科研成果向?qū)嶒灲虒W的轉(zhuǎn)化。平臺目前主要設計的虛仿實驗項目和服務課程如表2所示。

表2 光電傳感與網(wǎng)絡仿真平臺實驗項目

2.3 泛在接入系統(tǒng)仿真實驗平臺

智慧物聯(lián)架構中的傳輸層位于感知前端和應用層之間,又可分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。中心選擇了更具物聯(lián)網(wǎng)特色的泛在接入和無線傳輸作為重點建設對象。其中泛在接入實驗平臺涉及ZigBee、WiFi、LoRa3種技術,關注接入層在無線多跳、寬帶、長距離3種場景與相關組網(wǎng)技術在智慧物聯(lián)系統(tǒng)中的應用,如表3所示。

平臺緊跟技術前沿,注重全面性。學生通過虛仿實驗,輕松搭建組網(wǎng)環(huán)境,可直觀觀測到數(shù)據(jù)流向和深入分析數(shù)據(jù)格式,從而深入掌握組網(wǎng)知識,既掌握了物聯(lián)網(wǎng)中各種應用場景的接入方案設計、設備的配置等工程技術,又加深了對接入技術中的通信協(xié)議、信號信道特性等原理性知識的理解,大大提高了學生理論聯(lián)系實際的綜合能力。

表3 泛在接入系統(tǒng)仿真平臺實驗項目

2.4 無線傳輸系統(tǒng)仿真實驗平臺

平臺在理論授課和實際實驗場之間補充了大型系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學環(huán)節(jié),采用虛實結(jié)合的方式,直觀地展示了當前商用3G、4G等主流移動通信系統(tǒng)的物理層信號處理過程。從關鍵技術到完整的信號處理、再到整體系統(tǒng)安排實驗內(nèi)容,逐步遞進,能使學生全面地了解整個通信系統(tǒng)的層次結(jié)構,加深學生對移動通信系統(tǒng)、軟件無線電、編碼原理等課程的認知程度,提高了學生專業(yè)興趣和理論聯(lián)系實際的能力。電子科技大學與某技術有限公司建立聯(lián)合實驗室,在合作完成國家重大項目以及聯(lián)合建設的4G/5G實驗場基礎上,設計了 “無線傳輸系統(tǒng)虛擬仿真”實驗平臺,如表4所示。

表4 無線傳輸系統(tǒng)仿真實驗項目

2.5 環(huán)境監(jiān)測應用仿真實驗平臺

中心每個平臺的實驗項目中均有要求實驗完整物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的綜合設計項目,其目的是促進學生建立良好的大局觀。各平臺技術側(cè)重點不同,應用層實驗項目更強調(diào)數(shù)據(jù)的處理和應用的呈現(xiàn)形式。同時,以具體需求為引領,完成系統(tǒng)整體設計。中心從案例規(guī)模、涉及技術復雜度和種類、應用前景和影響力等方面綜合比較,選擇了比較典型的“環(huán)境監(jiān)測”和“車聯(lián)網(wǎng)”兩個方向。

實驗平臺主要基于電子科大與某石化石油物探技術研究院、某山地所合作的科研項目成果轉(zhuǎn)化形成。平臺將整個系統(tǒng)的各個部分進行虛擬化建模,從環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、獲取、傳輸、信號處理到特征提取、研判、命令下達、執(zhí)行的全過程綜合型實驗,如表5所示。

表5 環(huán)境監(jiān)測仿真實驗平臺實驗項目

2.6 車聯(lián)網(wǎng)應用仿真實驗平臺

車聯(lián)網(wǎng)應用仿真平臺通過采用軟件仿真的方法,運用專業(yè)的傳播建模軟件仿真城市傳播環(huán)境的無線信道,運用開源的車輛行為仿真軟件以及自研開發(fā)的基于事件驅(qū)動的仿真軟件,在模擬的城市傳播環(huán)境下設計車聯(lián)網(wǎng)方案并完成調(diào)測,學生在實驗中既掌握專業(yè)軟件的使用方法并能進行二次開發(fā),具有較高的靈活性與開放性。實驗項目如表6所示。

表6 車聯(lián)網(wǎng)應用仿真實驗平臺

3 特色與創(chuàng)新

通過多年建設,“智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗教學中心”在虛擬仿真實驗教學方面形成了“以信息化平臺為支撐,依托學科優(yōu)勢,科研引導實驗教學轉(zhuǎn)化,企業(yè)促進實驗教學建設”的高水平網(wǎng)絡化虛擬教學體系,具體來說,有以下兩大特色。

1)構建了完整覆蓋“智慧物聯(lián)”相關專業(yè)知識領域的綜合性虛擬仿真實驗教學中心。

在傳感技術層面:通過“傳感器件與網(wǎng)絡”模塊,囊括了光電傳感與網(wǎng)絡、無線識別感知與網(wǎng)絡兩個仿真平臺,涵蓋了有源、無源傳感器件類型,包括了有線、無線傳感網(wǎng)絡組織方式。

在傳輸層面:“信息接入與傳輸”模塊包含了泛在接入系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)兩個仿真平臺,其中,泛在接入系統(tǒng)虛仿平臺覆蓋了LoRa、ZigBee、WiFi等主流長、短距接入方式,無線傳輸系統(tǒng)虛仿平臺涵蓋了算法級、鏈路級、系統(tǒng)級移動通信仿真實驗；而Internet等傳統(tǒng)有線傳輸系統(tǒng)則由實驗教學示范中心的實體實驗來開展教學。

在應用層面:“物聯(lián)服務與應用”模塊呈現(xiàn)了減災防災、油氣勘探、車聯(lián)網(wǎng)等多種典型應用。這些平臺的建設為學生提供了多層次的綜合訓練,增強了學生對知識系統(tǒng)性、全面性的理解。

2)形成了“科教融合、校企聯(lián)合、點面綜合、虛實結(jié)合”的虛擬仿真實驗建設理念。

中心注重從科研成果中開發(fā)實驗項目,依托國家級和省部級重點實驗室,在本科虛擬仿真實驗教學工作中按照 “科研成果引入—教學實驗項目改造—本科教學實驗實踐”的建設思路,不斷將科研成果向教學實驗轉(zhuǎn)化。如將“通信抗干擾技術國家級重點實驗室”承擔的多個“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”國家重大專項科研成果進行轉(zhuǎn)換,逐步構建了“無線傳輸系統(tǒng)虛擬仿真平臺” “車聯(lián)網(wǎng)應用虛擬仿真平臺”的各個實驗項目。

堅持產(chǎn)、學、研、用相結(jié)合,實驗教學離不開企業(yè)的深度參與。中心先后與十幾家知名企業(yè)合作,轉(zhuǎn)化企業(yè)需求和應用為實驗教學案例,將實用技術轉(zhuǎn)化到虛仿模塊、模型中。

智慧物聯(lián)是以產(chǎn)業(yè)應用為牽引,學生不僅僅要學習技術知識,更要從應用層面進行宏觀理解。中心虛仿實驗平臺的相互關系也充分體現(xiàn)了“點面綜合”特點,在每個虛擬仿真平臺的實驗安排上,遵循點面綜合、層次遞進。如無線識別感知與網(wǎng)絡虛仿實驗平臺就是從信息特性到感知器件,從器件到感知網(wǎng)絡,從點到面的方式組織仿真實驗。

虛擬仿真實驗教學作為傳統(tǒng)實驗教學的一種有效補充,已經(jīng)成為加強實踐教學、提高教學質(zhì)量的重要手段[11]。同時,還要注意的是,“虛實結(jié)合,能實不虛”也是實驗教學的一項基本原則[12]。在建設中心的同時,仍然要始終重視實體實驗的建設工作。智慧物聯(lián)虛仿中心依托實驗教學示范中心的力量,利用已有實物資源,學生對真實器件、真實設備、真實網(wǎng)絡的操作,可以獲得直觀認知,在此基礎上疊加虛擬仿真教學,對難以進行的極端、復雜、綜合實驗進行深入學習,有助于學生深入透徹地掌握相關知識。虛仿實驗和實體實驗相結(jié)合,引導學生提出問題、分析問題、解決問題,通過獨立思考與團隊合作,讓學生體驗認知過程,從而激發(fā)學術興趣,啟迪學術思維[13]。

4 結(jié)束語

電子科技大學 “智慧物聯(lián)虛擬仿真實驗中心”依托學科優(yōu)勢,堅持以學生為本,人才培養(yǎng)為核心,形成了“科教融合、校企聯(lián)合、點面綜合、虛實結(jié)合”的建設思路,所構建的“3模塊6平臺”的實驗體系,服務學校物聯(lián)網(wǎng)工程、網(wǎng)絡工程、通信工程、光電信息科學與工程、環(huán)境工程等12個本科專業(yè),學生通過利用這些資源,取得了一系列高水平成果,效果顯著。今后,中心將繼續(xù)利用學校在全國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的優(yōu)勢資源,不斷完善實驗資源庫,逐步擴大實驗項目規(guī)模,提高共享效果和水平,創(chuàng)造更好的社會和經(jīng)濟效益。